Egyszerű nyomásmérő készülék oktatási célokra: 4 lépés

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:43

Az alábbiakban építési utasításokat talál egy nagyon egyszerű és könnyen összeszerelhető eszközhöz a nyomásmérésekhez. Használható iskolákban vagy más, a STEM -hez kapcsolódó, a gáztörvényekkel kapcsolatos projektekben, de adaptálható más eszközökbe való integrálásra is az erők vagy súly mérésére. Míg manapság nagyszámú érzékelőszakadás áll rendelkezésre a nyomásméréshez, hiányzott egy egyszerű és olcsó eszköz, amellyel ezekkel az érzékelőkkel játszhatnék, és oktatási célokra használhatnám. A konstrukcióm alapvetően egy nagy műanyag fecskendőből és egy elhelyezett érzékelőből áll. a fecskendő belsejében. A kitörést a fecskendő kimenetén keresztül menő kábelek kötik össze a mikrokontrollerrel. A fecskendő kimenetét forró ragasztóval vagy más módszerrel légmentesen lezárják, ami azt eredményezi, hogy meghatározott mennyiségű levegő kerül a fecskendő belsejébe. Ezután az érzékelőt csatlakoztatják egy Arduino -hoz vagy egy másik mikrovezérlőhöz. A fecskendő dugattyújának mozgatásakor a térfogat és a nyomás megváltozik. A mérések valós időben megjeleníthetők az Arduino IDE soros monitorával vagy soros plotterével.

1. lépés: Használt anyagok

150 vagy 250 ml -es műanyag katéteres fecskendő - interneten keresztül, vagy egy közeli hardver- vagy kerti üzletben, néhány dollárért vagy euróért. Nyomásérzékelő áttörés - olcsó BMP280 (hőmérséklet és nyomás) érzékelőt használtam, amelyet a Banggood -ban vásároltam. Ez egy 3 V -os kiiktatás szintváltó nélkül, egyenként kevesebb mint 2 dollárért. A mérési tartomány 650 és kb. 1580 hPa között van. Kábelek és kenyérpirító lemez: Hosszú ugrókábeleket használtam a kitörés és a kenyérsütő lemez összekötéséhez. A kábeleknek legalább olyan hosszúnak kell lenniük, mint a fecskendőnek, különben a kábelek csatlakoztatása és a kitörés nagyon nehéz. Kétirányú 5 -> 3 V -os szintváltó: a fenti érzékelő Arduino -hoz való csatlakoztatásához szükséges. Nem szükséges, ha az érzékelő kitörése, pl. mint az Adafruit verzió, van már beépítve a fedélzeten, vagy a mikrokontroller 3V -os logikával működik. Mikrokontroller: Az Arduino Uno, a MonkMakesDuino egyik verzióját használtam, de minden Arduino -kompatibilisnek működnie kell. Még a Micro: bit is működik, ha követi az Adafruit utasításait. Erről bővebben egy különálló utasításban lesz szó.

A fecskendő tartója hasznos lehet bizonyos alkalmazásokhoz, de nem szükséges. Az Arduino IDE.

2. lépés: Összeszerelés és alkalmazás

Állítsa be az összes alkatrészt a kenyértábláján. Szükség esetén csatlakoztassa a mikrokontrollert és a szintváltót. Abban az esetben, ha az egyik tápkábelt a kenyértábláján 5V -nak, a másikat 3V -nak határozza meg, és csatlakoztassa a mikrovezérlő 5V, 3V és földi portjaihoz, majd csatlakoztassa a szintváltó 3V, 5V és GND portjait. Most csatlakoztassa az Arduino SDA (A4) és SCL (A5) portjait a szintváltó 5 V-os oldalának két nem tápellátó csatlakozójához. Kérjük, vegye figyelembe, hogy az SDA és az SDA portok különböznek a mikrokontrollerek között, ezért kérjük, ellenőrizze az Önét. Csatlakoztassa az érzékelőt a szintváltóval később használt kábelekkel. Az érzékelő SDA -ját és SCL -jét a szintváltó 3 V -os oldalán lévő megfelelő portokhoz, az érzékelő Vin- és Gnd -portjait 3 V -hoz és a földhöz. Ha használni szeretné a mellékelt szkriptet, nincs szükség további könyvtárak telepítésére az Arduino IDE -be. Ha inkább az Adafruit BMP280 szkriptet szeretné használni, telepítse a BMP280 és az érzékelő könyvtárat. Töltse be a BMP280 szkriptet, és töltse fel az Arduino -ba. A Serial Monitor használatával ellenőrizze, hogy ésszerű adatokat kap -e. Ha nem, akkor ellenőrizze a csatlakozásokat. Most kapcsolja ki a mikrokontrollert, és húzza ki a kábeleket, amelyek összekötik az érzékelőt és a kenyértáblát. Most vezesse át a kábeleket a fecskendő kimenetén. Ha áthidaló kábeleket használ, szükség lehet a kimenet kiszélesítésére, vagy egy kicsit lerövidítésére. Ügyeljen arra, hogy a női végeket egymás után adja át. Az I2C megszakításhoz négy kábelre van szükség, előnyösen különböző színű kábeleket. Ezután csatlakoztassa újra a megszakítást és a kábeleket, és ellenőrizze, hogy a csatlakozók működnek -e, a fentiek szerint. Most helyezze a kitörést a fecskendő kimeneti végébe. Helyezze be a dugattyút, és helyezze középső helyzetbe, valamivel távolabb a gyalult nyugalmi pozíciótól. Csatlakoztassa a kábeleket a kenyérszelethez, és ellenőrizze, hogy az érzékelő működik -e. Kapcsolja ki a mikrokontrollert, és válassza le az érzékelőt. Adjon hozzá egy nagy csepp forró ragasztót a kimenet végéhez. Óvatosan szívjon be egy kis anyagot, és győződjön meg arról, hogy a vége légmentesen lezárt. Hagyja lehűlni és leülepedni a ragasztót, majd ellenőrizze újra, hogy légzáró -e. Ha szükséges, adjon hozzá még néhány ragasztót a fennmaradó lyukakhoz. Csatlakoztassa az érzékelő kábeleit a kenyérszelethez, és indítsa el a mikrokontrollert. Aktiválja a Soros monitort, hogy ellenőrizze, hogy az érzékelő küld -e hőmérséklet- és nyomásértékeket. A dugattyú mozgatásával megváltoztathatja a nyomásértékeket. De nézze meg közelebbről is a hőmérséklet értékeket, amikor megnyomja vagy megnyomja a dugattyút.

Zárja be a soros monitort, és nyissa ki a "Soros plotter" -t, mozgassa a dugattyút.

Szükség esetén korrigálhatja a hangerőt úgy, hogy egy kis erővel a fecskendő oldalait a tömítés közelében közelíti meg, és egy kis levegőt enged be vagy ki.

3. lépés: Eredmények és Outlook

Az itt leírt eszközzel egy egyszerű fizikai kísérletben demonstrálhatja a kompresszió és a nyomás korrelációját. Mivel a fecskendő mérleggel van ellátva, még a számszerűsítő kísérletek is könnyen elvégezhetők.

Boyle törvénye szerint a [Térfogat * Nyomás] állandó egy adott hőmérsékletű gáz esetében. Ez azt jelenti, hogy ha egy adott térfogatú gázt N-szeresre présel, azaz a végső térfogat 1/N, annak nyomása is N-szeresére nő, például: P1*V1 = P2*V2 = const.

További részletekért tekintse meg a Wikipedia gáztörvényekkel foglalkozó cikkét.

Tehát nyugalmi helyeken kezdve pl. V1 = 100 ml és P1 = 1000 hPa, körülbelül 66 ml -re történő préselés (azaz V2 = 2/3 V1) körülbelül 1500 hPa nyomást eredményez (P2 = 3/2 a P1 -ből). Ha a dugattyút 125 ml -re húzza (térfogat 5/4 -szerese), körülbelül 800 hPa nyomást (4/5 nyomást) ad. A méréseim elképesztően pontosak voltak egy ilyen egyszerű eszköznél.

Ezenkívül közvetlen haptikus benyomása lesz, hogy mennyi erőre van szükség egy viszonylag kis mennyiségű levegő összenyomásához vagy kitágításához.

De elvégezhetünk néhány számítást, és kísérletileg ellenőrizhetjük őket. Tegyük fel, hogy a levegőt 1500 hPa -ra sűrítjük, 1000 hPa bazális légnyomás mellett. Tehát a nyomáskülönbség 500 hPa, vagy 50 000 Pa. Fecskendőmnél a dugattyú átmérője (d) körülbelül 4 cm vagy 0,04 méter.

Most kiszámíthatja a dugattyúnak ebben a helyzetben tartásához szükséges erőt. Adott P = F/A (a nyomás erővel osztva területtel), vagy átalakítva F = P*A. Az erő SI mértékegysége "Newton" vagy N, "Meter" vagy m hossz esetén, és "Pascal" vagy Pa nyomás esetén. 1 Pa négyzetméterenként 1 N. Kerek dugattyú esetén a terület kiszámítható A = ((d/2)^2) * pi, ami 0,00125 négyzetmétert ad a fecskendőmnek. Tehát 50 000 Pa * 0,00125 m^2 = 63 N. A Földön 1 N korrelál 100 gr tömeggel, tehát 63 N egyenlő 6,3 kg súly tartásával.

Így könnyű lenne egyfajta skálát felépíteni a nyomásmérések alapján.

Mivel a hőmérséklet -érzékelő rendkívül érzékeny, még a kompresszió hatása is látható a hőmérsékletre. Feltételezem, hogy ha a BME280 érzékelőt használja, amely szintén képes a páratartalom mérésére, akkor láthatja a nyomás hatásait a relatív páratartalomra.

Az Arduino IDE soros plottere lehetővé teszi a nyomásváltozások valós idejű megjelenítését, de más, bonyolultabb megoldások is rendelkezésre állnak, pl. feldolgozó nyelven.

Az oktatási célok mellett a rendszert néhány valós világbeli alkalmazáshoz is használhatjuk, mivel ez lehetővé teszi a dugattyú egyik vagy másik mozgatására törekvő erők mennyiségi mérését. Tehát megmérheti a dugattyúra helyezett súlyt vagy a dugattyúra gyakorolt ütközési erőt, vagy építhet egy kapcsolót, amely aktiválja a fényt vagy a zümmögőt, vagy hangot ad ki egy bizonyos küszöbérték elérése után. Vagy építhet egy hangszert, amely megváltoztatja a frekvenciát a dugattyú erősségének függvényében.

4. lépés: A forgatókönyv

Az itt hozzáadott szkript a Banggood webhelyen található BME280 szkript módosítása. Csak optimalizáltam a Serial.print rendeléseket, hogy jobban megjelenítsék őket az Arduino IDE soros plotterben.

Az Adafruit szkript szebbnek tűnik, de szükség van néhány könyvtárra, és nem ismeri fel a Banggood érzékelőt.