Jednostavan uređaj za mjerenje pritiska u obrazovne svrhe: 4 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:08

Dolje ćete pronaći upute za izgradnju vrlo jednostavnog i lakog za izradu uređaja za mjerenje pritiska. Može se koristiti za škole ili druge projekte vezane za STEM o zakonima o plinu, ali se može prilagoditi i za integraciju u druge uređaje za mjerenje sila ili težine. Iako je ovih dana dostupan veliki broj proboja senzora za mjerenje pritiska, nedostajao mi je jednostavan i jeftin uređaj za igru s tim senzorima i njihovu upotrebu u obrazovne svrhe. Moja konstrukcija se u osnovi sastoji od velike plastične šprice i postavljenog senzora unutrašnjosti šprica. Proboj je povezan sa mikrokontrolerom pomoću seta kablova koji prolaze kroz izlaz šprice. Izlaz štrcaljke je hermetički zatvoren vrućim ljepilom ili nekom drugom metodom, što dovodi do toga da se unutar štrcaljke zarobi definirana količina zraka. Senzor se zatim povezuje s Arduinom ili drugim mikrokontrolerom. Kada se klip šprica pomakne, volumen i pritisak će se promijeniti. Mjerenja se mogu prikazati u stvarnom vremenu pomoću serijskog monitora ili serijskog plotera Arduino IDE -a.

Korak 1: Korišteni materijali

Plastična štrcaljka za kateter od 150 ili 250 ml - dostupna putem interneta ili u trgovini gvožđare ili bašte u vašoj blizini za nekoliko dolara ili eura. Proboj senzora pritiska - koristio sam jeftin senzor BMP280 (temperature i pritiska) koji sam kupio u Banggoodu. Ovo je 3V prekidač bez mjenjača nivoa, za manje od 2 USD svaki. Opseg mjerenja je između 650 i oko 1580 hPa. Kablovi i matična ploča: Koristio sam dugačke kratkospojne kabele za povezivanje prekida s matičnom pločom. Kablovi trebaju biti dugački barem koliko i štrcaljka, inače je povezivanje kabela i prekid vrlo otežan. Dvosmjerni prekidač razine 5 -> 3 V: potreban za povezivanje gornjeg senzora na Arduino. Nije potrebno ako je došlo do prekida senzora, npr. kao verzija Adafruit, već ima ugrađenu ili vaš mikrokontroler radi sa 3V logikom. Mikrokontroler: Koristio sam verziju Arduino Uno, MonkMakesDuino, ali svaka Arduino kompatibilna bi trebala raditi. Čak i Micro: bit radi ako slijedite ove upute s Adafruit -a. Više o ovome bit će raspravljeno u narednom zasebnom uputstvu.

Držač štrcaljke može biti od pomoći za neke aplikacije, ali nije neophodan. Arduino IDE.

Korak 2: Montaža i primjena

Postavite sve dijelove na matičnu ploču. Povežite mikrokontroler i mjenjač nivoa, ako je potrebno. U slučaju da jednu od vodova na matičnoj ploči definirate kao 5V, drugu kao 3V i povežete ih s 5V, 3V i uzemljenim priključcima mikrokontrolera, zatim spojite 3V, 5V i GND priključke mjenjača nivoa. Sada spojite SDA (A4) i SCL (A5) priključke Arduina s dva porta za napajanje na 5V strani mjenjača nivoa. Imajte na umu da se SDA i SDA priključci razlikuju među mikrokontrolerima, stoga provjerite jesu li vaši. Povežite svoj senzor pomoću kabela koje ćete kasnije koristiti s mjenjačem nivoa. SDA i SCL senzora do odgovarajućih portova na 3V strani prekidača nivoa, Vin i Gnd portovi senzora na 3V i uzemljenje. Ako želite koristiti priloženu skriptu, instalacija dodatnih biblioteka u Arduino IDE nije potrebna. Ako više volite koristiti Adafruit BMP280 skriptu, instalirajte njihovu BMP280 i biblioteku senzora. Učitajte skriptu BMP280 i prenesite je na Arduino. Pomoću serijskog monitora provjerite primate li razumne podatke. Ako nije, provjerite veze. Sada isključite mikrokontroler i izvucite kabele koji povezuju senzor i matičnu ploču. Sada provucite kablove kroz izlaz šprica. Ako koristite kratkospojne kabele, možda će biti potrebno proširiti utičnicu ili je malo skratiti. Ženske krajeve unesite jedan za drugim. Za I2C prekid potrebna su četiri kabela, preporučljivo je koristiti one u različitim bojama. Zatim ponovno spojite prekid i kabele te provjerite rade li veze, kao što je gore navedeno. Sada pomaknite proboj na izlaz štrcaljke. Umetnite klip i pomaknite ga u središnji položaj, malo dalje od planiranog položaja mirovanja. Priključite kabele na matičnu ploču i provjerite radi li senzor. Isključite mikrokontroler i odspojite senzor. Dodajte veliku kap vrućeg ljepila na kraj utičnice. Pažljivo usisajte malo materijala i pobrinite se da kraj bude hermetički zatvoren. Pustite da se ljepilo ohladi i slegne, a zatim ponovo provjerite je li nepropusno za zrak. Ako je potrebno, dodajte još ljepila u preostale rupe. Priključite kablove senzora na matičnu ploču i pokrenite mikrokontroler. Aktivirajte Serijski monitor da provjerite šalje li senzor vrijednosti temperature i pritiska. Pomicanjem klipa možete promijeniti vrijednosti pritiska. Ali također bolje pogledajte vrijednosti temperature kada pritisnete ili pritisnete klip.

Zatvorite serijski monitor i otvorite 'Serijski ploter', pomaknite klip.

Ako je potrebno, možete prilagoditi volumen primjenom malo sile na strane šprica u blizini područja brtve, ispuštajući ili ispuštajući malo zraka.

Korak 3: Rezultati i Outlook

S ovdje opisanim uređajem možete pokazati korelaciju kompresije i pritiska u jednostavnom fizičkom eksperimentu. Budući da štrcaljka ima vagu, lako je izvesti čak i kvantificiranje eksperimenata.

Prema Boyleovom zakonu, [Zapremina * Pritisak] je konstantan za gas na datoj temperaturi. To znači da ako komprimujete zadanu zapreminu gasa N-puta, tj. Konačna zapremina je 1/N, njen pritisak će takođe porasti N-puta, kao: P1*V1 = P2*V2 = konst.

Za više detalja, pogledajte članak Wikipedia o zakonima o plinu.

Dakle, počevši od odmorišta npr. V1 = 100 ml i P1 = 1000 hPa, kompresija do otprilike 66 ml (tj. V2 = 2/3 od V1) rezultirat će pritiskom od oko 1500 hPa (P2 = 3/2 od P1). Povlačenjem klipa na 125 ml (5/4 puta veća zapremina) dobija se pritisak od oko 800 hPa (pritisak 4/5). Moja mjerenja su bila zapanjujuće precizna za tako jednostavan uređaj.

Osim toga, imat ćete izravan haptički dojam kolika je sila potrebna za komprimiranje ili širenje relativno male količine zraka.

Ali također možemo izvršiti neke proračune i eksperimentalno ih provjeriti. Pretpostavimo da komprimiramo zrak na 1500 hPa, pri bazalnom barometrijskom tlaku od 1000 hPa. Dakle, razlika u pritisku je 500 hPa, ili 50, 000 Pa. Za moju špricu, promjer (d) klipa je oko 4 cm ili 0,04 metra.

Sada možete izračunati silu potrebnu za držanje klipa u tom položaju. Dano P = F/A (pritisak je sila podijeljena s površinom) ili transformirano F = P*A. SI jedinica za silu je "Newton" ili N, za dužinu "Meter" ili m, i "Pascal 'ili Pa za pritisak. 1 Pa je 1N po kvadratnom metru. Za okrugli klip, površina se može izračunati pomoću A = ((d/2)^2) * pi, što daje 0,00125 kvadratnih metara za moju špricu. Dakle, 50 000 Pa * 0,00125 m^2 = 63 N. Na Zemlji 1 N korelira s težinom od 100 gr, pa 63 N su jednake nosivosti 6,3 kg.

Tako bi bilo lako izgraditi neku vrstu ljestvice na temelju mjerenja pritiska.

Kako je temperaturni senzor izuzetno osjetljiv, čak se može vidjeti i učinak kompresije na temperaturu. Pretpostavljam da ako biste koristili BME280 senzor, koji također može vršiti mjerenja vlažnosti, možda ćete čak vidjeti i utjecaje pritiska na relativnu vlažnost.

Serijski ploter Arduino IDE -a omogućava lijepo prikazivanje promjena pritiska u stvarnom vremenu, ali su dostupna i druga, složenija rješenja, npr. na jeziku za obradu.

Osim u obrazovne svrhe, sustav se može koristiti i za neke primjene u stvarnom svijetu, jer omogućuje kvantitativno mjerenje sila koje pokušavaju pomaknuti klip na ovaj ili onaj način. Tako biste mogli izmjeriti težinu postavljenu na klip ili silu udarca na klip, ili izgraditi prekidač koji aktivira svjetlo ili zujalicu ili reproducira zvuk nakon što je dosegnuta određena granična vrijednost. Ili možete napraviti muzički instrument koji mijenja frekvenciju ovisno o snazi sile koja se primjenjuje na klip.

Korak 4: Skripta

Skripta koju sam dodao ovdje je modifikacija skripte BME280 koja se nalazi na web stranici Banggood. Upravo sam optimizirao narudžbe Serial.print kako bih ih bolje prikazao u Arduino IDE serijskom ploteru.

Adapruit skripta izgleda ljepše, ali zahtijeva neke od njihovih biblioteka i ne prepoznaje Banggood senzor.