Μια απλή συσκευή μέτρησης πίεσης για εκπαιδευτικούς σκοπούς: 4 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:37

Παρακάτω θα βρείτε οδηγίες κατασκευής για μια πολύ απλή και εύχρηστη συσκευή για να παίζετε με μετρήσεις πίεσης. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για σχολεία ή άλλα έργα που σχετίζονται με το STEM σχετικά με τους νόμους για το φυσικό αέριο, αλλά μπορεί επίσης να προσαρμοστεί για να ενσωματωθεί σε άλλες συσκευές για τη μέτρηση των δυνάμεων ή του βάρους. Ενώ υπάρχει ένας μεγάλος αριθμός διαρροών αισθητήρων για μετρήσεις πίεσης διαθέσιμες αυτές τις μέρες, μου έλειπε μια απλή και φθηνή συσκευή για να παίξω με αυτούς τους αισθητήρες και να τους χρησιμοποιήσω για εκπαιδευτικούς σκοπούς. Η κατασκευή μου βασικά αποτελείται από μια μεγάλη πλαστική σύριγγα και μια διάσπαση αισθητήρα στο εσωτερικό της σύριγγας. Η διάσπαση συνδέεται με έναν μικροελεγκτή με ένα σύνολο καλωδίων που διέρχονται από την έξοδο της σύριγγας. Η έξοδος της σύριγγας σφραγίζεται αεροστεγώς χρησιμοποιώντας θερμή κόλλα ή κάποια άλλη μέθοδο, με αποτέλεσμα να παγιδεύεται καθορισμένος όγκος αέρα μέσα στη σύριγγα. Ο αισθητήρας συνδέεται στη συνέχεια με ένα Arduino ή έναν άλλο μικροελεγκτή. Όταν μετακινείται το έμβολο της σύριγγας, ο όγκος και η πίεση θα αλλάξουν. Οι μετρήσεις μπορούν να εμφανιστούν σε πραγματικό χρόνο χρησιμοποιώντας τη σειριακή οθόνη ή τον σειριακό σχεδιαστή του Arduino IDE.

Βήμα 1: Υλικά που χρησιμοποιούνται

Μια πλαστική σύριγγα καθετήρα 150 ή 250 ml - διατίθεται μέσω διαδικτύου ή σε κατάστημα υλικού ή κήπου κοντά σας για μερικά $ ή ευρώ. Μια έξοδος αισθητήρα πίεσης - χρησιμοποίησα έναν φθηνό αισθητήρα BMP280 (θερμοκρασίας και πίεσης) που αγόρασα στο Banggood. Αυτό είναι ένα 3V breakout w/o μετατροπέα επιπέδου, για λιγότερο από 2 $ το καθένα. Το εύρος μέτρησης κυμαίνεται μεταξύ 650 και περίπου 1580 hPa. Καλώδια και πλάκα ψωμιού: Χρησιμοποίησα καλώδια μεγάλου βραχυκυκλωτήρα για να συνδέσω το ξεμπλοκάρισμα με ένα breadboard. Τα καλώδια πρέπει να είναι τουλάχιστον όσο η σύριγγα, διαφορετικά η σύνδεση των καλωδίων και η έξοδος είναι πολύ δύσκολη. Ένας αμφίδρομος μετατροπέας στάθμης 5 -> 3 V: απαιτείται για τη σύνδεση του παραπάνω αισθητήρα σε ένα Arduino. Δεν απαιτείται εάν το σπάσιμο του αισθητήρα σας, π.χ. ως έκδοση Adafruit, έχει ήδη εφαρμοστεί στο σκάφος ή ο μικροελεγκτής σας λειτουργεί με λογική 3V. Ένας μικροελεγκτής: Χρησιμοποίησα μια έκδοση του Arduino Uno, το MonkMakesDuino, αλλά οποιοδήποτε συμβατό με Arduino θα πρέπει να λειτουργεί. Ακόμη και το Micro: bit λειτουργεί αν ακολουθήσετε αυτές τις οδηγίες από το Adafruit. Περισσότερα για αυτό θα συζητηθούν σε ένα προσεχές διδακτικό.

Ο κάτοχος της σύριγγας μπορεί να είναι χρήσιμος για ορισμένες εφαρμογές, αλλά δεν είναι απαραίτητος. Το Arduino IDE.

Βήμα 2: Συναρμολόγηση και εφαρμογή

Ρυθμίστε όλα τα μέρη στο breadboard σας. Συνδέστε τον μικροελεγκτή και τον επιλογέα στάθμης, εάν απαιτείται. Σε περίπτωση, ορίστε μία από τις ράγες ισχύος στο breadboard σας ως 5V, την άλλη ως 3V και συνδέστε τις με τις θύρες 5V, 3V και γείωσης του μικροελεγκτή αντίστοιχα, στη συνέχεια συνδέστε τις θύρες 3V, 5V και GND του επιλογέα επιπέδου. Τώρα συνδέστε τις θύρες SDA (A4) και SCL (A5) του Arduino με δύο θύρες εκτός ισχύος από την πλευρά των 5V του επιλογέα επιπέδου. Λάβετε υπόψη ότι οι θύρες SDA και SDA διαφέρουν μεταξύ των μικροελεγκτών, οπότε ελέγξτε για τους δικούς σας. Συνδέστε τον αισθητήρα σας χρησιμοποιώντας τα καλώδια που θα χρησιμοποιήσετε αργότερα με τον επιλογέα επιπέδου. SDA και SCL του αισθητήρα στις αντίστοιχες θύρες στην πλευρά 3V του επιλογέα επιπέδου, Οι θύρες Vin και Gnd του αισθητήρα σε 3V και γείωση. Εάν θέλετε να χρησιμοποιήσετε το παρεχόμενο σενάριο, δεν απαιτείται εγκατάσταση περαιτέρω βιβλιοθηκών στο Arduino IDE. Εάν προτιμάτε να χρησιμοποιήσετε το σενάριο Adafruit BMP280, εγκαταστήστε τις βιβλιοθήκες BMP280 και αισθητήρων. Φορτώστε το σενάριο BMP280 και ανεβάστε το στο Arduino. Χρησιμοποιήστε τη Σειριακή οθόνη για να ελέγξετε αν λαμβάνετε εύλογα δεδομένα. Εάν όχι, ελέγξτε τις συνδέσεις. Τώρα απενεργοποιήστε τον μικροελεγκτή και αποσυνδέστε τα καλώδια που συνδέουν τον αισθητήρα και την πλάκα ψωμιού. Τώρα βάλτε τα καλώδια στην έξοδο της σύριγγας. Εάν χρησιμοποιείτε καλώδια βραχυκυκλωτή, μπορεί να χρειαστεί να διευρύνετε την πρίζα ή να τη συντομεύσετε λίγο. Φροντίστε να περάσετε τα θηλυκά άκρα μέσα, το ένα μετά το άλλο. Ένα ξεμπλοκάρισμα I2C χρειάζεται τέσσερα καλώδια, προτιμότερα να χρησιμοποιήσετε αυτά σε διαφορετικά χρώματα. Στη συνέχεια, επανασυνδέστε την έξοδο και τα καλώδια και ελέγξτε ότι οι συνδέσεις λειτουργούν, όπως παραπάνω. Τώρα μετακινήστε το άνοιγμα στο άκρο εξόδου της σύριγγας. Τοποθετήστε το έμβολο και μετακινήστε το σε μια κεντρική θέση, λίγο πιο μακριά από την προγραμματισμένη θέση ανάπαυσης. Συνδέστε τα καλώδια στο ψωμί και ελέγξτε αν ο αισθητήρας λειτουργεί. Απενεργοποιήστε τον μικροελεγκτή και αποσυνδέστε τον αισθητήρα. Προσθέστε μια μεγάλη σταγόνα θερμής κόλλας στο τέλος της πρίζας. Αναρροφήστε προσεκτικά λίγο από το υλικό και βεβαιωθείτε ότι το άκρο είναι σφραγισμένο στον αέρα. Αφήστε την κόλλα να κρυώσει και να στερεωθεί και, στη συνέχεια, ελέγξτε ξανά αν είναι αεροστεγής. Εάν απαιτείται, προσθέστε λίγη κόλλα στις υπόλοιπες τρύπες. Συνδέστε τα καλώδια του αισθητήρα στη σανίδα και ξεκινήστε τον μικροελεγκτή. Ενεργοποιήστε τη σειριακή οθόνη για να ελέγξετε εάν ο αισθητήρας στέλνει τιμές θερμοκρασίας και πίεσης. Μετακινώντας το έμβολο, μπορείτε να αλλάξετε τις τιμές πίεσης. Αλλά, επίσης, ρίξτε μια πιο προσεκτική ματιά στις τιμές θερμοκρασίας όταν πιέζετε ή πιέζετε το έμβολο.

Κλείστε το Serial Monitor και ανοίξτε το 'Serial Plotter', μετακινήστε το έμβολο. Παίξτε!

Εάν απαιτείται, μπορείτε να διορθώσετε την ένταση με λίγη δύναμη στα πλάγια της σύριγγας κοντά στην περιοχή της φλάντζας, αφήνοντας μέσα ή έξω λίγο αέρα.

Βήμα 3: Αποτελέσματα και Outlook

Με τη συσκευή που περιγράφεται εδώ, μπορείτε να αποδείξετε τον συσχετισμό συμπίεσης και πίεσης σε ένα απλό πείραμα φυσικής. Καθώς η σύριγγα διαθέτει μια ζυγαριά, ακόμη και ποσοτικά πειράματα είναι εύκολο να εκτελεστούν.

Σύμφωνα με το νόμο του Boyle, [Volume * Pressure] είναι σταθερό για ένα αέριο σε μια δεδομένη θερμοκρασία. Αυτό σημαίνει ότι εάν συμπιέσετε έναν δεδομένο όγκο αερίου N-πτυχές, δηλ. Ο τελικός όγκος είναι 1/N, η πίεσή του θα αυξηθεί επίσης N-fold, όπως: P1*V1 = P2*V2 = const.

Για περισσότερες λεπτομέρειες, ρίξτε μια ματιά στο άρθρο της Wikipedia σχετικά με τους νόμους για το φυσικό αέριο.

Ξεκινώντας λοιπόν σε σημεία ανάπαυσης π.χ. V1 = 100 ml και P1 = 1000 hPa, μια συμπίεση στα περίπου 66 ml (δηλ. V2 = 2/3 του V1) θα οδηγήσει σε πίεση περίπου 1500 hPa (P2 = 3/2 του P1). Το τράβηγμα του εμβόλου στα 125 ml (5/4 φορές όγκος) δίνει πίεση περίπου 800 hPa (πίεση 4/5). Οι μετρήσεις μου ήταν εκπληκτικά ακριβείς για μια τόσο απλή συσκευή.

Επιπλέον, θα έχετε μια άμεση απτική εντύπωση πόση δύναμη απαιτείται για τη συμπίεση ή τη διαστολή μιας σχετικά μικρής ποσότητας αέρα.

Αλλά μπορούμε επίσης να εκτελέσουμε κάποιους υπολογισμούς και να τους ελέγξουμε πειραματικά. Ας υποθέσουμε ότι συμπιέζουμε τον αέρα στα 1500 hPa, σε βασική βαρομετρική πίεση 1000 hPa. Έτσι, η διαφορά πίεσης είναι 500 hPa, ή 50, 000 Pa. Για τη σύριγγά μου, η διάμετρος (d) του εμβόλου είναι περίπου 4 cm ή 0,04 μέτρα.

Τώρα μπορείτε να υπολογίσετε τη δύναμη που απαιτείται για να κρατήσετε το έμβολο σε αυτή τη θέση. Δίνεται P = F/A (Η πίεση είναι δύναμη διαιρούμενη με εμβαδόν), ή μετασχηματισμένη F = P*A. Η μονάδα SI για δύναμη είναι "Newton" ή N, για μήκος "Meter" ή m και "Pascal" ή Pa για πίεση. 1 Pa είναι 1N ανά τετραγωνικό μέτρο. Για ένα στρογγυλό έμβολο, η περιοχή μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας A = ((d/2)^2) * pi, το οποίο δίνει 0,00125 τετραγωνικά μέτρα για τη σύριγγά μου. Άρα 50, 000 Pa * 0,00125 m^2 = 63 N. Στη Γη, 1 Ν συσχετίζεται με βάρος 100 gr, άρα 63 Το N είναι ίσο με το βάρος 6,3 kg.

Θα ήταν λοιπόν εύκολο να φτιάξουμε ένα είδος κλίμακας με βάση μετρήσεις πίεσης.

Καθώς ο αισθητήρας θερμοκρασίας είναι εξαιρετικά ευαίσθητος, μπορεί κανείς να δει ακόμη και την επίδραση της συμπίεσης στη θερμοκρασία. Υποθέτω ότι εάν χρησιμοποιούσατε τον αισθητήρα BME280, ο οποίος μπορεί επίσης να εκτελέσει μετρήσεις υγρασίας, μπορεί να δείτε ακόμη και τις επιπτώσεις της πίεσης στη σχετική υγρασία.

Ο σειριακός σχεδιαστής του Arduino IDE επιτρέπει την όμορφη εμφάνιση των αλλαγών πίεσης σε πραγματικό χρόνο, αλλά είναι διαθέσιμες και άλλες, πιο περίτεχνες λύσεις, π.χ. στη γλώσσα επεξεργασίας.

Εκτός από εκπαιδευτικούς σκοπούς, μπορεί κανείς να χρησιμοποιήσει το σύστημα για ορισμένες εφαρμογές του πραγματικού κόσμου, καθώς επιτρέπει την ποσοτική μέτρηση των δυνάμεων που προσπαθούν να μετακινήσουν το έμβολο με τον έναν ή τον άλλο τρόπο. Έτσι, μπορείτε να μετρήσετε ένα βάρος που τοποθετείται στο έμβολο ή μια δύναμη πρόσκρουσης στο έμβολο ή να δημιουργήσετε έναν διακόπτη που ενεργοποιεί ένα φως ή βομβητή ή παίζει έναν ήχο μετά την επίτευξη μιας συγκεκριμένης τιμής κατωφλίου. Or θα μπορούσατε να φτιάξετε ένα μουσικό όργανο που αλλάζει τη συχνότητα ανάλογα με τη δύναμη που ασκείται στο έμβολο.

Βήμα 4: Το σενάριο

Το σενάριο που πρόσθεσα εδώ είναι μια τροποποίηση του σεναρίου BME280 που βρίσκεται στον ιστότοπο Banggood. Μόλις βελτιστοποίησα τις εντολές Serial.print για να τους επιτρέψω την καλύτερη προβολή τους στο Serdu Plotter του Arduino IDE.

Το σενάριο Adafruit φαίνεται πιο ωραίο, αλλά απαιτεί μερικές από τις βιβλιοθήκες τους και δεν αναγνωρίζει τον αισθητήρα Banggood.