Proste urządzenie do pomiaru ciśnienia do celów edukacyjnych: 4 kroki

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:31

Poniżej znajdziesz instrukcje budowania bardzo prostego i łatwego w budowie urządzenia do zabawy z pomiarami ciśnienia. Może być użyteczny w szkołach lub innych projektach związanych z STEM w zakresie przepisów dotyczących gazu, ale może być również przystosowany do integracji z innymi urządzeniami do pomiaru sił lub ciężaru. Chociaż w dzisiejszych czasach dostępna jest duża liczba końcówek czujników do pomiaru ciśnienia, brakowało mi prostego i taniego urządzenia do zabawy z tymi czujnikami i wykorzystania ich w celach edukacyjnych. Moja konstrukcja zasadniczo składa się z dużej plastikowej strzykawki i umieszczonej końcówki czujnika wewnątrz strzykawki. Końcówka jest połączona z mikrokontrolerem za pomocą zestawu kabli przechodzących przez wylot strzykawki. Wylot strzykawki jest hermetycznie uszczelniany za pomocą gorącego kleju lub w inny sposób, co powoduje, że określona objętość powietrza zostaje uwięziona wewnątrz strzykawki. Czujnik jest następnie podłączany do Arduino lub innego mikrokontrolera. Gdy tłok strzykawki zostanie przesunięty, zmieni się objętość i ciśnienie. Pomiary mogą być wyświetlane w czasie rzeczywistym za pomocą monitora szeregowego lub plotera szeregowego Arduino IDE.

Krok 1: Użyte materiały

Strzykawka z plastikowym cewnikiem 150 lub 250 ml - dostępna przez internet lub w pobliskim sklepie ogrodniczym lub ogrodniczym za kilka $ lub euro. Przerwanie czujnika ciśnienia - użyłem taniego czujnika BMP280 (temperatury i ciśnienia), który kupiłem w Banggood. Jest to breakout 3V bez zmiany poziomu, za mniej niż 2$ za sztukę. Zakres pomiarowy wynosi od 650 do około 1580 hPa. Kable i płytka stykowa: Do połączenia złącza z płytką stykową użyłem długich kabli połączeniowych. Kable powinny być co najmniej tak długie jak strzykawka, w przeciwnym razie podłączenie kabli i przerwanie jest bardzo trudne. Dwukierunkowy przełącznik poziomu 5 -> 3 V: wymagany do podłączenia powyższego czujnika do Arduino. Nie jest to wymagane w przypadku uszkodzenia czujnika, np. jako wersja Adafruit ma już zaimplementowany na pokładzie lub twój mikrokontroler pracuje z logiką 3V. Mikrokontroler: używałem wersji Arduino Uno, MonkMakesDuino, ale każdy kompatybilny z Arduino powinien działać. Nawet Micro:bit działa, jeśli zastosujesz się do instrukcji Adafruit. Więcej na ten temat zostanie omówionych w nadchodzącej oddzielnej instrukcji.

Uchwyt na strzykawkę może być pomocny w niektórych zastosowaniach, ale nie jest konieczny. Arduino IDE.

Krok 2: Montaż i aplikacja

Ustaw wszystkie części na swojej płytce prototypowej. W razie potrzeby podłącz mikrokontroler i przełącznik poziomu. W przypadku, zdefiniuj jedną z szyn zasilających na płytce stykowej jako 5V, drugą jako 3V i połącz je odpowiednio z portami 5V, 3V i uziemienia mikrokontrolera, a następnie podłącz porty 3V, 5V i GND przesuwnika poziomu. Teraz połącz porty SDA (A4) i SCL (A5) Arduino z dwoma portami bez zasilania po stronie 5 V przesuwnika poziomu. Zwróć uwagę, że porty SDA i SDA różnią się w zależności od mikrokontrolera, więc sprawdź, czy nie masz. Podłącz czujnik za pomocą kabli, których użyjesz później z przełącznikiem poziomu. SDA i SCL czujnika do odpowiednich portów po stronie 3V przesuwnika poziomu, porty Vin i Gnd czujnika do 3V i masy. Jeśli chcesz skorzystać z dostarczonego skryptu, nie jest potrzebna instalacja kolejnych bibliotek do Arduino IDE. Jeśli wolisz używać skryptu Adafruit BMP280, zainstaluj ich biblioteki BMP280 i czujników. Załaduj skrypt BMP280 i prześlij go do Arduino. Użyj monitora szeregowego, aby sprawdzić, czy otrzymujesz odpowiednie dane. Jeśli nie, sprawdź połączenia. Teraz wyłącz mikrokontroler i odłącz kable łączące czujnik i płytkę stykową. Teraz przełóż kable przez wylot strzykawki. Jeśli używasz kabli połączeniowych, może być konieczne poszerzenie lub skrócenie wylotu. Koniecznie włóż żeńskie końce do środka, jeden po drugim. Breakout I2C wymaga czterech kabli, najlepiej w różnych kolorach. Następnie ponownie podłącz breakout i kable i sprawdź, czy połączenia działają, jak powyżej. Teraz przesuń końcówkę do wylotowego końca strzykawki. Włóż nurnik i przesuń go do pozycji środkowej, nieco dalej niż strugana pozycja spoczynkowa. Podłącz kable do płytki stykowej i sprawdź, czy czujnik działa. Wyłącz mikrokontroler i odłącz czujnik. Dodaj dużą kroplę gorącego kleju na koniec wylotu. Ostrożnie zassać trochę materiału i upewnić się, że koniec jest szczelnie zamknięty. Pozwól klejowi ostygnąć i ostygnąć, a następnie ponownie sprawdź, czy jest szczelny. W razie potrzeby dodaj trochę kleju do pozostałych otworów. Podłącz kable czujnika do płytki stykowej i uruchom mikrokontroler. Aktywuj Serial Monitor, aby sprawdzić, czy czujnik wysyła wartości temperatury i ciśnienia. Poruszając tłokiem, możesz zmieniać wartości ciśnienia. Ale także przyjrzyj się bliżej wartościom temperatury, gdy naciskasz lub naciskasz tłok.

Zamknij Serial Monitor i otwórz „Serial Plotter”, przesuń tłok. Graj!

W razie potrzeby można skorygować objętość, przykładając niewielką siłę do boków strzykawki w pobliżu uszczelki, wpuszczając lub wypuszczając trochę powietrza.

Krok 3: Wyniki i Outlook

Za pomocą opisanego tutaj urządzenia możesz zademonstrować korelację kompresji i ciśnienia w prostym eksperymencie fizycznym. Ponieważ strzykawka jest wyposażona w skalę, nawet eksperymenty ilościowe są łatwe do wykonania.

Zgodnie z prawem Boyle'a [Objętość * Ciśnienie] jest stałe dla gazu w danej temperaturze. Oznacza to, że jeśli skompresujesz daną objętość gazu N-krotnie, tj. końcowa objętość wyniesie 1/N, jego ciśnienie wzrośnie również N-krotnie, ponieważ: P1*V1=P2*V2= const.

Więcej informacji można znaleźć w artykule Wikipedii na temat przepisów dotyczących gazu.

A więc zaczynając od miejsca spoczynku m.in. V1=100 ml i P1=1000 hPa, kompresja do około 66 ml (tj. V2=2/3 V1) spowoduje ciśnienie około 1500 hPa (P2= 3/2 P1). Pociągnięcie tłoka do 125 ml (5/4-krotna objętość) daje ciśnienie około 800 hPa (4/5 ciśnienia). Moje pomiary były zadziwiająco dokładne jak na tak proste urządzenie.

Ponadto będziesz miał bezpośrednie wrażenie dotykowe, jaka siła jest potrzebna do skompresowania lub rozprężenia stosunkowo niewielkiej ilości powietrza.

Ale możemy też wykonać pewne obliczenia i sprawdzić je eksperymentalnie. Załóżmy, że sprężamy powietrze do 1500 hPa przy podstawowym ciśnieniu barometrycznym 1000 hPa. Czyli różnica ciśnień wynosi 500 hPa, czyli 50 000 Pa. Dla mojej strzykawki średnica (d) tłoka to około 4 cm czyli 0,04 metra.

Teraz możesz obliczyć siłę potrzebną do utrzymania tłoka w tej pozycji. Dane P = F/A (ciśnienie to siła podzielona przez powierzchnię) lub przekształcone F = P*A. Jednostką SI dla siły jest „Newton” lub N, dla długości „Metr” lub m oraz „Pascal” lub Pa dla ciśnienia. 1 Pa to 1N na metr kwadratowy. W przypadku okrągłego tłoka powierzchnię można obliczyć za pomocą A = ((d/2)^2)*pi, co daje 0,00125 metra kwadratowego dla mojej strzykawki. Czyli 50 000 Pa * 0,00125 m^2 = 63 N. Na Ziemi 1 N odpowiada wadze 100 gr, a więc 63 N są równe trzymaniu ciężaru 6,3 kg.

Łatwo byłoby więc zbudować rodzaj wagi na podstawie pomiarów ciśnienia.

Ponieważ czujnik temperatury jest niezwykle czuły, można nawet zaobserwować wpływ kompresji na temperaturę. Zakładam, że korzystając z czujnika BME280, który również potrafi wykonywać pomiary wilgotności, można nawet zaobserwować wpływ ciśnienia na wilgotność względną.

Szeregowy ploter Arduino IDE pozwala ładnie wyświetlać zmiany ciśnienia w czasie rzeczywistym, ale dostępne są również inne, bardziej rozbudowane rozwiązania, m.in. w języku Przetwarzania.

Poza celami edukacyjnymi system można również wykorzystać do niektórych zastosowań w świecie rzeczywistym, ponieważ pozwala on na ilościowy pomiar sił, które próbują poruszyć tłokiem w jedną lub drugą stronę. Możesz więc zmierzyć ciężar umieszczony na tłoku lub siłę uderzenia w tłok lub zbudować przełącznik, który aktywuje światło lub brzęczyk lub odtwarza dźwięk po osiągnięciu określonej wartości progowej. Możesz też zbudować instrument muzyczny, który zmienia częstotliwość w zależności od siły przyłożonej do tłoka.

Krok 4: Skrypt

Skrypt, który tutaj dodałem, jest modyfikacją skryptu BME280 znalezionego na stronie Banggood. Właśnie zoptymalizowałem zamówienia Serial.print, aby umożliwić lepsze wyświetlanie ich w Arduino IDE Serial Plotter.

Skrypt Adafruit wygląda ładniej, ale wymaga niektórych ich bibliotek i nie rozpoznaje czujnika Banggood.