Πώς να φτιάξετε έναν ακριβή αισθητήρα ροής αέρα με Arduino για αναπνευστήρα COVID-19 κάτω των 20 £: 7 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:33

Δείτε αυτήν την αναφορά για τον πιο πρόσφατο σχεδιασμό αυτού του αισθητήρα ροής στομίου:

Αυτές οι οδηγίες δείχνουν πώς να φτιάξετε έναν αισθητήρα ροής αέρα χρησιμοποιώντας έναν αισθητήρα διαφορικής πίεσης χαμηλού κόστους και άμεσα διαθέσιμα υλικά. Ο σχεδιασμός είναι για έναν αισθητήρα ροής τύπου στομίου, το στόμιο (στην περίπτωσή μας ένα πλυντήριο) παρέχει έναν περιορισμό και μπορούμε να υπολογίσουμε τη ροή μετρώντας τη διαφορά πίεσης στο στόμιο.

Αρχικά σχεδιάσαμε και κατασκευάσαμε αυτόν τον αισθητήρα για το έργο μας που ονομάζεται OpenVent-Bristol, ο οποίος είναι ένας σχεδιασμός ανοιχτού κώδικα αναπνευστήρα ταχείας κατασκευής για τη θεραπεία του COVID-19. Ωστόσο, αυτός ο αισθητήρας μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε σχεδόν οποιαδήποτε εφαρμογή ανίχνευσης ροής αέρα.

Αυτή η αρχική έκδοση του σχεδιασμού μας κατασκευάζεται εξ ολοκλήρου με εξαρτήματα εκτός ράφι, δεν απαιτείται τρισδιάστατη εκτύπωση ή κοπή με λέιζερ.

Το συνημμένο σχέδιο δείχνει ένα σχέδιο διατομής του σχεδίου. Είναι πολύ απλά 2 μήκη υδραυλικών σωλήνων με μια ροδέλα που έχει κολλήσει ενδιάμεσα, μετρώντας τη διαφορική πίεση στο στόμιο για τον υπολογισμό του ρυθμού ροής.

Απολαμβάνω!! και δώστε μας ένα σχόλιο αν κάνετε το δικό σας.

Βήμα 1: Αγορά ανταλλακτικών

Αυτά είναι τα μέρη που θα χρειαστείτε:

• 2x 15cm μήκη υδραυλικών σωλήνων PVC OD 22mm
• 1x μεταλλικό πλυντήριο ID 5.5mm OD περίπου 20mm (μεταξύ 19.5-22mm είναι εντάξει)

• Ένας αισθητήρας διαφορικής πίεσης (περίπου £ 10). Χρησιμοποιήσαμε ένα MPX5010DP αλλά μπορεί να θέλετε να επιλέξετε ένα διαφορετικό που να ταιριάζει στις πιέσεις στο σύστημά σας. Ορισμένα παραδείγματα καταστημάτων που πωλούν αυτούς τους αισθητήρες παρατίθενται παρακάτω:

  • uk.rs-online.com/web/p/pressure-sensors/71…
  • www.digikey.co.uk/product-detail/en/nxp-us…
  • www.mouser.co.uk/ProductDetail/NXP-Semicon…
• Σωλήνες βρύσης πίεσης κομμένοι σε μήκος περίπου 20 mm: Οποιοσδήποτε άκαμπτος σωλήνας OD 2 mm θα πρέπει να είναι κατάλληλος, όπως ένας σωλήνας ορείχαλκου. Από απελπισία χρησιμοποίησα το ακροφύσιο ψεκασμού από ένα δοχείο WD-40, λειτούργησε, αλλά η σούπερ κόλλα δεν κόλλησε υπέροχα
• υπερκόλλα
• Σωλήνες πυριτίου/PVC για σύνδεση με τις θύρες πίεσης του αισθητήρα πίεσης. Το αναγνωριστικό 2-3mm πρέπει να είναι εντάξει, μπορεί να χρειαστείτε μια μικρή γραβάτα καλωδίου εάν ο σωλήνας σας είναι υπερμεγέθης.

Μπορεί να θέλετε να αγοράσετε 1 ή 2 συνδετήρες υδραυλικών εγκαταστάσεων εάν θέλετε να τοποθετήσετε τη σωλήνωση του αισθητήρα ροής σε έναν άλλο σωλήνα 22mm:

Σημείωση: Τα υλικά που επιλέγονται δεν πληρούν τους κανονισμούς ιατρικών προϊόντων, ιδιαίτερα το PVC.

Βήμα 2: Κόψτε τον σωλήνα υδραυλικών εγκαταστάσεων

Κόψτε 2 μήκη από τον υδραυλικό σωλήνα. Χρησιμοποιήσαμε μήκος 15 εκατοστών, αλλά μπορεί να λειτουργήσει λίγο πιο σύντομα. Έκανα τις περικοπές χρησιμοποιώντας ένα πριόνι, καθώς είναι σημαντικό να έχετε μια ωραία τετράγωνη κοπή. Χρησιμοποιήστε άμμο για να εξομαλύνετε τυχόν φουσκάλες

Βήμα 3: Συναρμολογήστε υδραυλικούς σωλήνες

• Κολλήστε υπερβολικά το πλυντήριο στο τέλος ενός σωλήνα, βεβαιωθείτε ότι το πλυντήριο είναι ομόκεντρο με το σωλήνα και φροντίστε να κάνετε μια συνεχή χάντρα κόλλας μέχρι την περιφέρεια του πλυντηρίου για να διασφαλίσετε ότι δεν θα διαρρεύσει πίεση αέρα.
• Στη συνέχεια, κολλήστε υπερβολικά το άλλο μήκος του σωλήνα στην άλλη πλευρά του πλυντηρίου. Και πάλι, βεβαιωθείτε ότι έχετε κολλήσει μέχρι το τέλος, ώστε να μην διαρρεύσει αέρας

Βήμα 4: Προσθέστε πιέσεις πίεσης

1. Ανοίξτε 2 τρύπες σε αποστάσεις από το πλυντήριο σύμφωνα με τη συνημμένη εικόνα
2. Σπρώξτε τις ράβδους OD 2 χιλιοστών στις τρύπες, βεβαιωθείτε ότι ταιριάζει καλά (ο σωλήνας μου ήταν 2,2 OD, αλλά το τρυπάνι μου ήταν 2 χιλιοστά, οπότε κούνησα λίγο το τρυπάνι μέχρι ο σωλήνας να ταιριάξει καλά)
3. Κολλήστε υπερβολικά τον σωλήνα στην τρύπα, φροντίζοντας να είναι σφραγισμένος μέχρι το τέλος
4. Τυλίξτε τη μονωτική ταινία γύρω από τη βρύση πίεσης μέχρι ο σωλήνας σιλικόνης να ταιριάζει όμορφα και σφιχτά

Βήμα 5: Δοκιμή και βαθμονόμηση

Συνδέστε τον αισθητήρα πίεσης στο Arduino σας και συνδέστε τις βρύσες πίεσης στις θύρες του αισθητήρα πίεσης. Βεβαιωθείτε ότι η φυσική αναλογική ακίδα του αισθητήρα ταιριάζει με την ακίδα του λογισμικού.

Δοκιμάστε το χρησιμοποιώντας τον συνημμένο κώδικα. Σημείωση, απαιτούνται οι ακόλουθες βιβλιοθήκες:

• Wire.h
• και Sensirion_SFM3000_arduino (αυτή η βιβλιοθήκη είναι για διαφορετικό αισθητήρα, αλλά έχω κάνει κάποιες αλλαγές στον κωδικό μου για να το λάβω υπόψη)

Στην ιδανική περίπτωση θέλετε να βαθμονομήσετε τον αισθητήρα σας, χρησιμοποιήσαμε ένα Sensirion SFM3300 συνδεδεμένο σε σειρά με τον σπιτικό αισθητήρα. Οι συνδέσεις για το SFM3300 είναι:

• Vcc - 5V
• GND - GND
• SDA - A4
• SCL - A5

Στην ιδανική περίπτωση, η πηγή αέρα σας για τη δοκιμή βαθμονόμησης θα πρέπει να εκπέμπει σταθερή ροή και να είναι ελεγχόμενη για να δώσει μια ελεγχόμενη σάρωση των ρυθμών ροής. Χρησιμοποιήσαμε μια αντλία αερόσπορου που σπάστηκε για να τροφοδοτηθεί μέσω ενός ηλεκτρονικού ελεγχόμενου ρυθμιστή στροφών βούρτσας που ελέγχεται με ποτενσιόμετρο. Εάν έχετε τροφοδοτικό συνεχούς ρεύματος, θα λειτουργήσει επίσης μια χαρά.

Ο κώδικας, καθώς μπορεί να διαβάσει την πίεση και τη ροή από τον αισθητήρα μας, μπορεί επίσης να διαβάσει από το Sensirion SFM3300 μέσω i2c, ο οποίος είναι ο αισθητήρας που χρησιμοποιήσαμε για τη βαθμονόμηση. Θα χρειαστεί να προσαρμόσετε τον κώδικα ανάλογα εάν έχετε διαφορετικό αισθητήρας βαθμονόμησης. (Αρκετά εκπληκτικά, ο αισθητήρας DIY έδωσε σταθερότερες και πιο σταθερές αναγνώσεις από τον SFM3300)

Η 1η έκδοση του κώδικα χρησιμοποιεί έναν βαθμονομημένο πίνακα αναζήτησης για να εξάγει τις αναγνώσεις του ρυθμού ροής. Το φτιάξαμε από

• καταγραφή της πίεσης σε μια πλήρη σάρωση από την πηγή αέρα μας (ως αρχείο.csv)
• λήψη δεδομένων στο excel
• περνώντας το από μια εξίσωση για να υπολογίσει τον ρυθμό ροής
• στη συνέχεια, δημιουργώντας έναν πίνακα αναζήτησης διαχωρισμένος με κόμμα που αντιγράφηκε/επικολλήθηκε σε έναν ακέραιο πίνακα Arduino

Το έγγραφο excel με την εξίσωση αποθηκεύεται…

Η δεύτερη έκδοση του κώδικα θα χρησιμοποιήσει μια εξίσωση στον κώδικα για τους ακόλουθους λόγους:

• να λάβει υπόψη τη θερμοκρασία (η οποία θα επηρεάσει τις ενδείξεις του ρυθμού ροής)
• για να ληφθεί υπόψη μια αλλαγή στον κατάντη περιορισμό, αυτό θα γίνει αντιληπτό με έναν ξεχωριστό κατάντη αισθητήρα πίεσης

Βήμα 6: Σωστή επιλογή μεθόδου βαθμονόμησης Janky

Εάν δεν διαθέτετε έναν αισθητήρα ροής εκτός ράφι για να τον βαθμονομήσετε με ένα Sensirion SFM3300, τότε αυτός είναι ένας τρόπος για να πάρετε μια SUPER τραχιά ιδέα για την έξοδο ροής. Ωστόσο, αυτό θα λειτουργήσει μόνο με πηγή ροής υψηλής πίεσης (ακόμη και η αντλία αέρα μπορεί να δυσκολευτεί να φουσκώσει ένα μπαλόνι) και θα λειτουργήσει μόνο εάν μπορείτε να απενεργοποιήσετε επαναλαμβανόμενα την παροχή αέρα

• Συνδέστε ένα μπαλόνι στην έξοδο του συστήματος και μετρήστε τη διάμετρο που φουσκώνει σε κάθε φούσκωμα
• Γεμίστε μια κανάτα μέτρησης με νερό (ίσως περίπου στα μισά του δρόμου)
• Φουσκώστε ξανά το μπαλόνι σας στην ίδια διάμετρο και στη συνέχεια βυθίστε το πλήρως στην κανάτα με νερό και καταγράψτε τη διαφορά στη στάθμη του νερού πριν και μετά την εισαγωγή του μπαλονιού
• Στη συνέχεια θα χρειαστεί να μετρήσετε τον όγκο ανά διόγκωση μπαλονιού στον κωδικό σας, αυτό γίνεται με την ενσωμάτωση της ροής με την πάροδο του χρόνου. Δεν μπορώ να σας δώσω ακριβή κωδικό για να το κάνετε αυτό γιατί θα πρέπει να είναι διαφορετικό ανάλογα με την πηγή ροής σας και τον τρόπο με τον οποίο ο κώδικάς σας θα αντιληφθεί την έναρξη και τη διακοπή της ροής, αλλά έχω επισυνάψει μια συνάρτηση σε ένα αρχείο κειμένου που θα τεθεί ένταση, θα πρέπει απλώς να του πείτε πότε να ξεκινήσετε και να σταματήσετε τον υπολογισμό της έντασης (δηλαδή για τη δοκιμή μας αυτό ήταν στην αρχή και τη διακοπή κάθε αναπνοής), αυτό υποδεικνύεται στη συνάρτηση μέσω της boolean μεταβλητής που ονομάζεται "breathStatus". Θυμηθείτε να περάσετε τον ρυθμό ροής σε ml/s σε αυτήν τη συνάρτηση όταν την καλέσετε.

Βήμα 7: Ενσωμάτωση στο σύστημά σας

Συνδέστε το στη ρύθμισή σας όποια και αν είναι και απολαύστε τη μέτρηση του ρυθμού ροής για κάτω από 15 £:)

Επισυνάπτεται ένα παράδειγμα εικόνας ορισμένων ροών, πιέσεων και όγκων από την εφαρμογή του αναπνευστήρα μας.

Οι υδραυλικοί σύνδεσμοι ευθείας σύνδεσης είναι εξαιρετικοί για τη σύνδεση αυτού του αισθητήρα σε έναν άλλο σωλήνα OD 22mm.