Jednoduché zařízení pro měření tlaku pro vzdělávací účely: 4 kroky

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:23

Níže naleznete pokyny ke stavbě velmi jednoduchého a snadno sestavitelného zařízení pro měření tlaku. Může být použitelný pro školy nebo jiné projekty týkající se plynových zákonů související s STEM, ale může být také upraven tak, aby byl integrován do jiných zařízení pro měření sil nebo hmotnosti. I když je v dnešní době k dispozici velké množství vylomenin senzorů pro měření tlaku, chybělo mi jednoduché a levné zařízení, které by mi pomohlo si s těmito senzory hrát a používat je pro vzdělávací účely. Moje konstrukce se v zásadě skládá z velké plastové stříkačky a umístěného senzoru uvnitř stříkačky. Průlom je připojen k mikrokontroléru sadou kabelů procházejících výstupem ze stříkačky. Výstup stříkačky je vzduchotěsně uzavřen pomocí horkého lepidla nebo jiným způsobem, což vede k zachycení definovaného objemu vzduchu uvnitř stříkačky. Senzor je pak připojen k Arduinu nebo jinému mikrokontroléru. Pohybem pístu stříkačky se změní objem a tlak. Měření lze zobrazit v reálném čase pomocí sériového monitoru nebo sériového plotru Arduino IDE.

Krok 1: Použité materiály

Stříkačka z plastového katetru o objemu 150 nebo 250 ml - k dispozici prostřednictvím internetu nebo v obchodě s hardwarem nebo v blízkosti vaší prodejny za pár USD nebo Euro. Průlom tlakového senzoru - použil jsem levný snímač BMP280 (teplota a tlak), který jsem koupil v Banggood. Jedná se o 3V breakout w/o level shifter, za méně než 2 $ každý. Měřicí rozsah leží mezi 650 a asi 1580 hPa. Kabely a prkénko: Použil jsem dlouhé propojovací kabely k propojení průlomu s prkénkem. Kabely by měly být alespoň tak dlouhé jako stříkačka, jinak je připojení kabelů a odpojení velmi obtížné. Obousměrný 5 -> 3 V řadič úrovně: potřebný pro připojení výše uvedeného senzoru k Arduinu. Není vyžadováno, pokud dojde k poškození senzoru, např. jako verze Adafruit má již jednu implementovanou na desce, nebo váš mikrokontrolér pracuje s logikou 3V. Mikrokontrolér: Použil jsem verzi Arduino Uno, MonkMakesDuino, ale všechny kompatibilní s Arduino by měly fungovat. Dokonce i bit Micro: bit funguje, pokud budete postupovat podle těchto pokynů od společnosti Adafruit. Více o tom bude projednáno v samostatném instruktážním příkazu.

U některých aplikací může být užitečný držák stříkačky, ale není nutný. Arduino IDE.

Krok 2: Montáž a aplikace

Nastavte všechny části na prkénku. V případě potřeby připojte mikrokontrolér a řadič úrovně. V případě definujte jednu z napájecích lišt na vašem prkénku jako 5 V, druhou jako 3 V a propojte je s porty mikrokontroléru 5 V, 3 V a uzemněním, poté připojte porty 3 V, 5 V a GND řadiče úrovně. Nyní propojte porty SDA (A4) a SCL (A5) Arduina se dvěma porty bez napájení na 5V straně řadiče úrovně. Pamatujte, že porty SDA a SDA se mezi mikrokontroléry liší, proto prosím zkontrolujte své. Připojte svůj senzor pomocí kabelů, které později použijete s měničem úrovně. SDA a SCL senzoru do odpovídajících portů na straně 3V řadiče úrovně, porty Vin a Gnd senzoru na 3V a uzemnění. Pokud chcete použít poskytnutý skript, není potřeba instalace dalších knihoven do Arduino IDE. Pokud dáváte přednost používání skriptu Adafruit BMP280, nainstalujte si jejich knihovny BMP280 a senzory. Načtěte skript BMP280 a nahrajte jej do Arduina. Pomocí Serial Monitor zkontrolujte, zda přijímáte rozumná data. Pokud tomu tak není, zkontrolujte připojení. Nyní vypněte mikrokontrolér a odpojte kabely připojující snímač a propojovací pole. Nyní protáhněte kabely výstupem ze stříkačky. Pokud používáte propojovací kabely, může být nutné zásuvku rozšířit nebo trochu zkrátit. Dbejte na to, abyste ženské konce předali dovnitř, jeden po druhém. I2C breakout potřebuje čtyři kabely, přednostně použijte kabely v různých barvách. Poté znovu zapojte breakout a kabely a zkontrolujte, zda připojení funguje, jak je uvedeno výše. Nyní přesuňte únik na výstupní konec stříkačky. Zasuňte píst a přesuňte jej do střední polohy, o něco dále než je plánovaná klidová poloha. Připojte kabely k prkénku a zkontrolujte, zda senzor funguje. Vypněte mikrokontrolér a odpojte snímač. Přidejte velkou kapku horkého lepidla na konec výstupu. Opatrně nasajte trochu materiálu a ujistěte se, že konec je vzduchotěsně utěsněn. Nechte lepidlo vychladnout a usadit, poté znovu zkontrolujte, zda je vzduchotěsné. Pokud je to nutné, do zbývajících otvorů přidejte trochu lepidla. Připojte kabely senzoru k prkénku a spusťte mikrokontrolér. Aktivujte sériový monitor a zkontrolujte, zda snímač odesílá hodnoty teploty a tlaku. Pohybem pístu můžete měnit hodnoty tlaku. Při stlačení nebo stlačení pístu se ale také podívejte podrobněji na hodnoty teploty.

Zavřete sériový monitor a otevřete „Sériový plotter“, pohněte pístem. Hrajte!

Pokud je to nutné, můžete objem upravit trochou síly po stranách stříkačky poblíž oblasti těsnění a trochu vzduchu dovnitř nebo ven.

Krok 3: Výsledky a výhled

Pomocí zde popsaného zařízení můžete demonstrovat korelaci komprese a tlaku v jednoduchém fyzikálním experimentu. Jelikož je injekční stříkačka vybavena stupnicí, lze snadno provádět i kvantifikační experimenty.

Podle Boyleova zákona je [Objem * Tlak] pro plyn při dané teplotě konstantní. To znamená, že pokud stlačíte daný objem plynu N-násobně, tj. Konečný objem je 1/N, jeho tlak se také N-násobně zvýší, jako: P1*V1 = P2*V2 = konst.

Chcete -li získat další podrobnosti, podívejte se na článek Wikipedie o plynových zákonech.

Takže počínaje v klidových bodech např. V1 = 100 ml a P1 = 1000 hPa, stlačení na přibližně 66 ml (tj. V2 = 2/3 V1) bude mít za následek tlak přibližně 1500 hPa (P2 = 3/2 P1). Natažením pístu na 125 ml (5/4násobný objem) získáte tlak přibližně 800 hPa (4/5 tlak). Moje měření byla na tak jednoduché zařízení překvapivě přesná.

Kromě toho budete mít přímý hmatový dojem, kolik síly je zapotřebí ke stlačení nebo roztažení relativně malého množství vzduchu.

Můžeme však také provést některé výpočty a experimentálně je zkontrolovat. Předpokládejme, že stlačíme vzduch na 1500 hPa, při bazálním barometrickém tlaku 1000 hPa. Rozdíl tlaku je tedy 500 hPa nebo 50 000 Pa. U mé stříkačky je průměr (d) pístu asi 4 cm nebo 0,04 metru.

Nyní můžete vypočítat sílu potřebnou k udržení pístu v této poloze. Je dáno P = F/A (tlak je síla děleno plochou) nebo transformováno F = P*A. Jednotka SI pro sílu je „Newton“nebo N, pro délku „metr“nebo m a „Pascal“nebo Pa pro tlak. 1 Pa je 1 N na metr čtvereční. U kulatého pístu lze plochu vypočítat pomocí A = ((d/2)^2) * pi, což dává 0,00125 metrů čtverečních mé stříkačky. Takže 50 000 Pa * 0,00125 m^2 = 63 N. Na Zemi 1 N koreluje s hmotností 100 gr, takže 63 N se rovná hmotnosti 6,3 kg.

Bylo by tedy snadné postavit určitý druh stupnice na základě měření tlaku.

Jelikož je teplotní senzor extrémně citlivý, lze dokonce vidět vliv komprese na teplotu. Předpokládám, že pokud byste použili snímač BME280, který také může provádět měření vlhkosti, můžete dokonce vidět účinky tlaku na relativní vlhkost.

Sériový plotter Arduino IDE umožňuje pěkně zobrazit změny tlaku v reálném čase, ale jsou k dispozici i jiná, propracovanější řešení, např. v jazyce zpracování.

Kromě vzdělávacích účelů lze systém také použít pro některé aplikace v reálném světě, protože umožňuje kvantitativně měřit síly, které se pokoušejí pohybovat pístem tak či onak. Můžete tedy změřit závaží umístěné na pístu nebo nárazovou sílu na píst nebo postavit spínač, který aktivuje světlo nebo bzučák nebo přehraje zvuk po dosažení určité prahové hodnoty. Nebo můžete postavit hudební nástroj, který mění frekvenci v závislosti na síle síly působící na píst.

Krok 4: Skript

Skript, který jsem zde přidal, je modifikací skriptu BME280, který najdete na webu Banggood. Právě jsem optimalizoval objednávky Serial.print, aby je bylo možné lépe zobrazit v sériovém plotru Arduino IDE.

Skript Adafruit vypadá hezčí, ale vyžaduje některé z jejich knihoven a nerozpoznává snímač Banggood.