Jednostavan uređaj za mjerenje tlaka u obrazovne svrhe: 4 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:37

U nastavku se nalaze upute za izgradnju vrlo jednostavnog i lakog za izradu uređaja za igru s mjerenjima tlaka. Može se koristiti za škole ili druge projekte vezane za STEM o zakonima o plinu, ali se također može prilagoditi za integraciju u druge uređaje za mjerenje sila ili težine. Iako je ovih dana dostupan veliki broj proboja senzora za mjerenje tlaka, 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 štrcaljke i postavljenog senzora unutar štrcaljke. Proboj je povezan s mikrokontrolerom pomoću skupa kabela koji prolaze kroz izlaz štrcaljke. Izlaz štrcaljke je hermetički zatvoren vrućim ljepilom ili nekom drugom metodom, što rezultira da se unutar štrcaljke zarobi definirana količina zraka. Senzor je zatim spojen na Arduino ili drugi mikrokontroler. Kad se klip štrcaljke pomakne, promijenit će se volumen i tlak. 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 vrta u vašoj blizini za nekoliko dolara ili eura. Proboj senzora tlaka - koristio sam jeftin senzor BMP280 (temperature i tlaka) koji sam kupio u Banggoodu. Ovo je 3V prekidač bez mjenjača razine, za manje od 2 USD svaki. Mjerni raspon leži 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 težak. Dvosmjerni prekidač razine 5 -> 3 V: potreban za spajanje gornjeg senzora na Arduino. Nije potrebno ako je došlo do prekida senzora, npr. kao verzija Adafruit, već ima ugrađenu ili vaš mikrokontroler radi s 3V logikom. Mikrokontroler: Koristio sam verziju Arduino Uno, MonkMakesDuino, ali svaka Arduino kompatibilna bi trebala funkcionirati. Čak i Micro: bit radi ako slijedite ove upute s Adafruit -a. Više o ovome bit će raspravljano u sljedećim zasebnim uputama.

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

Korak 2: Montaža i primjena

Postavite sve dijelove na ploču. Spojite mikrokontroler i mjenjač razine, 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 razine. Sada spojite priključke SDA (A4) i SCL (A5) Arduina s dva priključka za napajanje na 5V strani mjenjača razine. 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 razine. SDA i SCL senzora do odgovarajućih priključaka na 3V strani mjenjača razine, priključci Vin i Gnd senzora na 3 V i uzemljenje. Ako želite koristiti priloženu skriptu, instalacija daljnjih knjižnica 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 odspojite kabele koji povezuju senzor i matičnu ploču. Sada provucite kabele kroz izlaz štrcaljke. 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, radije koristite 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 ploču i provjerite radi li senzor. Isključite mikrokontroler i odspojite senzor. Dodajte veliku kap vrućeg ljepila na kraj utičnice. Pažljivo usisajte malo materijala i provjerite je li kraj hermetički zatvoren. Pustite da se ljepilo ohladi i slegne, a zatim ponovno provjerite je li nepropusno za zrak. Ako je potrebno, dodajte još malo ljepila u preostale rupe. Spojite kabele senzora na ploču i pokrenite mikrokontroler. Aktivirajte Serijski monitor kako biste provjerili šalje li senzor vrijednosti temperature i tlaka. Pomicanjem klipa možete promijeniti vrijednosti tlaka. Ali također bolje pogledajte vrijednosti temperature kada pritisnete ili pritisnete klip.

Zatvorite serijski monitor i otvorite "Serijski ploter", pomaknite klip. Igrajte!

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

Korak 3: Rezultati i Outlook

S ovdje opisanim uređajem možete pokazati korelaciju kompresije i tlaka u jednostavnom fizikalnom eksperimentu. Budući da štrcaljka ima ljestvicu, lako je izvesti čak i kvantificiranje pokusa.

Prema Boyleovom zakonu, [Volumen * Tlak] je konstantan za plin pri određenoj temperaturi. To znači da ako sabijete dani volumen plina N-puta, tj. Konačni volumen je 1/N, njegov će se pritisak također povećati N-puta, kao: P1*V1 = P2*V2 = konst.

Za više detalja pogledajte članak Wikipedia o zakonima o plinu.

Dakle počevši od odmorišta na pr. V1 = 100 ml i P1 = 1000 hPa, kompresija na približno 66 ml (tj. V2 = 2/3 od V1) rezultirat će tlakom od oko 1500 hPa (P2 = 3/2 od P1). Povlačenjem klipa na 125 ml (5/4 puta veći volumen) dobiva se tlak od oko 800 hPa (pritisak 4/5). Moja mjerenja bila su 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 izvesti neke izračune i eksperimentalno ih provjeriti. Pretpostavimo da komprimiramo zrak na 1500 hPa, pri bazalnom barometrijskom tlaku od 1000 hPa. Dakle, razlika u tlaku iznosi 500 hPa ili 50 000 Pa. Za moju štrcaljku 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 (Tlak je sila podijeljena s površinom) ili transformirano F = P*A. SI jedinica za silu je "Newton" ili N, za duljinu "Meter" ili m, i "Pascal 'ili Pa za tlak. 1 Pa je 1N po četvornom metru. Za okrugli klip, površina se može izračunati pomoću A = ((d/2)^2) * pi, što daje 0,00125 četvornih metara za moju štrcaljku. Dakle, 50 000 Pa * 0,00125 m^2 = 63 N. Na Zemlji 1 N korelira s težinom od 100 gr, pa 63 N jednaki su težini od 6,3 kg.

Dakle, bilo bi lako izgraditi neku vrstu ljestvice na temelju mjerenja tlaka.

Budući da je temperaturni senzor iznimno osjetljiv, čak se može vidjeti učinak kompresije na temperaturu. Pretpostavljam da ako biste koristili senzor BME280, koji također može mjeriti vlažnost, možda ćete čak vidjeti učinke pritiska na relativnu vlagu.

Serijski ploter Arduino IDE -a omogućuje lijep prikaz promjena tlaka u stvarnom vremenu, ali dostupna su 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 izgraditi glazbeni 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.

Skripta Adafruit izgleda ljepše, ali zahtijeva neke od njihovih knjižnica i ne prepoznaje Banggood senzor.