Un dispozitiv simplu de măsurare a presiunii în scopuri educaționale: 4 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:45

Mai jos găsiți instrucțiuni de construcție pentru un dispozitiv foarte simplu și ușor de construit pentru a juca cu măsurători de presiune. Poate fi utilizabil pentru școli sau alte proiecte legate de STEM privind legile gazelor, dar poate fi, de asemenea, adaptat pentru a fi integrat în alte dispozitive pentru a măsura forțele sau greutatea. În timp ce există un număr mare de rupturi ale senzorilor pentru măsurarea presiunii disponibile în aceste zile, îmi lipsea un dispozitiv simplu și ieftin pentru a juca cu acești senzori și a le folosi în scopuri educaționale. în interiorul seringii. Breakout-ul este conectat la un microcontroler printr-un set de cabluri care trec prin ieșirea seringii. Ieșirea seringii este etanșă la etanșare folosind adeziv fierbinte sau o altă metodă, rezultând un volum definit de aer prinse în seringă. Senzorul este apoi conectat la un Arduino sau la un alt microcontroler. Când pistonul seringii este mutat, volumul și presiunea se vor schimba. Măsurătorile pot fi afișate în timp real folosind monitorul serial sau plotterul serial al Arduino IDE.

Pasul 1: Materiale utilizate

O seringă de cateter din plastic de 150 sau 250 ml - disponibilă prin internet sau la un magazin de hardware sau grădină din apropierea dvs. pentru câțiva dolari sau euro. Acesta este un breakout de 3V fără schimbător de nivel, pentru mai puțin de 2 $ fiecare. Gama de măsurare se situează între 650 și aproximativ 1580 hPa. Cabluri și panou: am folosit cabluri jumper lungi pentru a conecta breakout-ul cu o panou. Cablurile ar trebui să fie cel puțin la fel de lungi ca seringa, altfel conectarea cablurilor și întreruperea este foarte dificilă. Un schimbător de nivel bidirecțional de 5 -> 3 V: necesar pentru a conecta senzorul de mai sus la un Arduino. Nu este necesar dacă senzorul dvs. este defect, de ex. ca versiune Adafruit, are deja una implementată la bord, sau microcontrolerul dvs. funcționează cu o logică de 3 V. Un microcontroler: am folosit o versiune a Arduino Uno, MonkMakesDuino, dar orice compatibil Arduino ar trebui să funcționeze. Chiar și Micro: bit funcționează dacă urmați aceste instrucțiuni de la Adafruit. Mai multe despre acest lucru vor fi discutate într-o instruire separată.

Un suport pentru seringă ar putea fi util pentru unele aplicații, dar nu este necesar. Arduino IDE.

Pasul 2: Asamblare și aplicare

Configurați toate părțile pe panoul dvs. Conectați microcontrolerul și schimbătorul de nivel, dacă este necesar. În cazul în care, definiți unul dintre șinele de alimentare de pe placa dvs. de masă ca 5V, celălalt ca 3V și conectați-le la porturile 5V, 3V și respectiv la sol ale microcontrolerului, apoi conectați porturile 3V, 5V și GND ale schimbătorului de nivel. Conectați acum porturile SDA (A4) și SCL (A5) ale Arduino cu două porturi fără alimentare de pe partea de 5V a schimbătorului de nivel. Vă rugăm să rețineți că porturile SDA și SDA diferă de la un microcontroler la altul, deci vă rugăm să verificați dacă există. SDA și SCL ale senzorului la porturile corespunzătoare de pe partea 3V a schimbătorului de nivel, porturile Vin și Gnd ale senzorului la 3V și la sol. Dacă doriți să utilizați scriptul furnizat, nu este necesară instalarea altor biblioteci în Arduino IDE. Dacă preferați să utilizați scriptul Adafruit BMP280, instalați BMP280 și bibliotecile de senzori. Încărcați scriptul BMP280 și încărcați-l pe Arduino. Utilizați monitorul serial pentru a verifica dacă primiți date rezonabile. Dacă nu, verificați conexiunile. Acum opriți microcontrolerul și deconectați cablurile care conectează senzorul și placa de măsurare. Acum introduceți cablurile prin ieșirea seringii. Dacă utilizați cabluri jumper, ar putea fi necesar să lărgiți priza sau să o scurtați puțin. Asigurați-vă că treceți capetele femele în interior, una după alta. O întrerupere I2C are nevoie de patru cabluri, utilizați preferențial cele în culori diferite. Apoi reconectați întreruperea și cablurile și verificați dacă conexiunile funcționează, ca mai sus. Acum mutați orificiul spre capătul de ieșire al seringii. Introduceți pistonul și deplasați-l într-o poziție centrală, puțin mai departe decât poziția de repaus planificat. Conectați cablurile la placa de verificare și verificați dacă senzorul funcționează. Opriți microcontrolerul și deconectați senzorul. Adăugați o picătură mare de adeziv fierbinte la capătul prizei. Sugeți cu grijă un pic din material și asigurați-vă că capătul este etanș la etanșare. Lăsați adezivul să se răcească și să se stabilească, apoi verificați din nou dacă este etanș la aer. Dacă este necesar, adăugați mai mult adeziv în orificiile rămase. Conectați cablurile senzorului la placa și porniți microcontrolerul. Activați Serial Monitor pentru a verifica dacă senzorul trimite valori de temperatură și presiune. Prin mișcarea pistonului, puteți schimba valorile presiunii. Dar, de asemenea, aruncați o privire mai atentă asupra valorilor temperaturii atunci când apăsați sau apăsați pistonul.

Închideți monitorul serial și deschideți „Serial Plotter”, mutați pistonul.

Dacă este necesar, puteți corecta volumul prin aplicarea unui pic de forță pe părțile laterale ale seringii lângă zona garniturii, lăsând să intre sau să scoată un pic de aer.

Pasul 3: Rezultate și Outlook

Cu dispozitivul descris aici, puteți demonstra corelația de compresie și presiune într-un experiment simplu de fizică. Deoarece seringa vine cu o scală, chiar și experimentele de cuantificare sunt ușor de realizat.

Conform legii lui Boyle, [Volumul * Presiunea] este constant pentru un gaz la o temperatură dată. Aceasta înseamnă că dacă comprimați un volum dat de gaz N-ori, adică volumul final este 1 / N, presiunea acestuia va crește și de ori N, ca: P1 * V1 = P2 * V2 = const.

Pentru mai multe detalii, vă rugăm să aruncați o privire la articolul Wikipedia privind legile gazelor.

Deci, începând de la un punct de odihnă de ex. V1 = 100 ml și P1 = 1000 hPa, o compresie la aproximativ 66 ml (adică V2 = 2/3 din V1) va avea ca rezultat o presiune de aproximativ 1500 hPa (P2 = 3/2 din P1). Tragerea pistonului la 125 ml (5/4 ori volum) dă o presiune de aproximativ 800 hPa (presiune 4/5). Măsurătorile mele au fost uimitor de precise pentru un dispozitiv atât de simplu.

În plus, veți avea impresia haptică directă câtă forță este necesară pentru a comprima sau extinde o cantitate relativ mică de aer.

Dar, de asemenea, putem efectua unele calcule și le putem verifica experimental. Să presupunem că comprimăm aerul la 1500 hPa, la o presiune barometrică bazală de 1000 hPa. Deci diferența de presiune este de 500 hPa sau 50 000 Pa. Pentru seringa mea, diametrul (d) pistonului este de aproximativ 4 cm sau 0,04 metri.

Acum puteți calcula forța necesară pentru a ține pistonul în poziția respectivă. Dat fiind P = F / A (presiunea este forța împărțită la suprafață) sau transformat F = P * A. Unitatea SI pentru forță este "Newton" sau N, pentru lungimea "Meter" sau m și "Pascal 'sau Pa pentru presiune. 1 Pa este 1N pe metru pătrat. Pentru un piston rotund, aria poate fi calculată folosind A = ((d / 2) ^ 2) * pi, care dă 0,00125 metri pătrați pentru seringa mea. Deci 50 000 Pa * 0,00125 m ^ 2 = 63 N. Pe Pământ, 1 N se corelează cu o greutate de 100 gr, deci 63 N sunt egale cu o greutate de 6,3 kg.

Deci, ar fi ușor să construim un fel de scară bazat pe măsurători de presiune.

Deoarece senzorul de temperatură este extrem de sensibil, se poate observa chiar și efectul compresiei asupra temperaturii. Presupun că, dacă utilizați senzorul BME280, care poate efectua și măsurători ale umidității, puteți vedea chiar și efectele presiunii asupra umidității relative.

Plotterul serial al Arduino IDE permite afișarea frumosă a schimbărilor de presiune în timp real, dar sunt disponibile și alte soluții mai elaborate, de ex. în limba de procesare.

Pe lângă scopuri educaționale, se poate folosi sistemul și pentru unele aplicații din lumea reală, deoarece permite măsurarea cantitativă a forțelor care încearcă să deplaseze pistonul într-un fel sau altul. Așadar, puteți măsura o greutate plasată pe piston sau o forță de impact asupra pistonului sau puteți construi un comutator care activează o lumină sau un buzzer sau redă un sunet după ce a fost atinsă o anumită valoare prag. Sau puteți construi un instrument muzical care schimbă frecvența în funcție de puterea forței aplicate pistonului.

Pasul 4: Scriptul

Scriptul pe care l-am adăugat aici este o modificare a scriptului BME280 găsit pe site-ul Banggood. Tocmai am optimizat comenzile Serial.print pentru a le permite să le afișez mai bine în Arduino IDE Serial Plotter.

Scriptul Adafruit arată mai frumos, dar necesită unele biblioteci și nu recunoaște senzorul Banggood.