Enostavna naprava za merjenje tlaka za izobraževalne namene: 4 koraki

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:07

Spodaj najdete navodila za gradnjo zelo preproste in enostavne naprave za igranje z meritvami tlaka. Lahko se uporablja za šole ali druge projekte, povezane s STEM, na področju plinske zakonodaje, lahko pa se prilagodi tudi za vključitev v druge naprave za merjenje sil ali teže. Čeprav je v teh dneh na voljo veliko število prekinitev senzorjev za merjenje tlaka, mi je manjkala preprosta in poceni naprava za igranje s temi senzorji in njihovo uporabo v izobraževalne namene. Moja konstrukcija je v bistvu sestavljena iz velike plastične brizge in odprtine senzorja znotraj brizge. Zlom je povezan z mikrokrmilnikom z nizom kablov, ki gredo skozi izhod brizge. Izhod brizge je hermetično zaprt z vročim lepilom ali na kakšen drug način, zaradi česar se znotraj brizge ujame določena količina zraka. Senzor je nato priključen na Arduino ali drug mikrokrmilnik. Ko premaknete bat brizge, se bosta volumen in tlak spremenila. Meritve je mogoče prikazati v realnem času z uporabo serijskega monitorja ali ploterja Arduino IDE.

Korak: Uporabljeni materiali

150 ali 250 ml plastična brizga za kateter - na voljo prek interneta ali v trgovini s strojno opremo ali v vaši bližini za nekaj dolarjev ali evrov. Prelom senzorja tlaka - uporabil sem poceni senzor BMP280 (temperature in pritiska), ki sem ga kupil v Banggoodu. To je 3V prelom brez menjalnika nivoja za manj kot 2 USD vsak. Merilno območje je med 650 in približno 1580 hPa. Kabli in omarica: Uporabil sem dolge mostične kable za povezavo odcepa s ploščico. Kabli morajo biti dolgi najmanj kot brizga, sicer je povezovanje kablov in prekinitev zelo težavno. Dvosmerni 5 -> 3 V nivojski menjalnik: potreben za povezavo zgornjega senzorja z Arduinom. Ni potrebno, če je prišlo do prekinitve senzorja, npr. kot različica Adafruit ima že vgrajeno eno ali vaš mikrokrmilnik deluje z logiko 3 V. Mikrokrmilnik: Uporabil sem različico Arduino Uno, MonkMakesDuino, vendar bi morala delovati vsaka združljiva z Arduinom. Tudi Micro: bit deluje, če sledite tem navodilom podjetja Adafruit. Več o tem bo obravnavano v prihajajočem ločenem navodilu.

Držalo za brizgo je lahko v nekaterih aplikacijah v pomoč, ni pa nujno. Arduino IDE.

2. korak: Montaža in uporaba

Nastavite vse dele na plošči. Po potrebi priključite mikrokrmilnik in krmilnik nivoja. V primeru, da eno od napajalnih tirnic na svoji plošči definirate kot 5V, drugo kot 3V in jih povežete s 5V, 3V in ozemljitvenimi vhodi mikrokontrolerja, nato priključite 3V, 5V in GND vrata nivojskega menjalnika. Sedaj povežite vrata SDA (A4) in SCL (A5) Arduina z dvema napajalnima priključkoma na 5V strani menjalnika nivoja. Upoštevajte, da se vrata SDA in SDA med mikrokrmilniki razlikujejo, zato preverite svoje. Senzor povežite s kabli, ki jih boste kasneje uporabili s prestavljalcem nivoja. SDA in SCL senzorja do ustreznih vrat na strani 3 V nivojskega menjalnika, vrata Vin in Gnd senzorja na 3 V in ozemljitev. Če želite uporabiti priloženi skript, namestitev dodatnih knjižnic v Arduino IDE ni potrebna. Če želite uporabiti skript Adafruit BMP280, namestite njihove knjižnice BMP280 in senzorje. Naložite skript BMP280 in ga naložite v Arduino. S serijskim monitorjem preverite, ali prejemate razumne podatke. Če ne, preverite povezave. Zdaj izklopite mikrokrmilnik in odklopite kable, ki povezujejo senzor in ploščo. Sedaj napeljite kable skozi odprtino brizge. Če uporabljate mostične kable, bo morda treba razširiti vtičnico ali jo nekoliko skrajšati. Poskrbite, da bodo ženski konci vstopili eno za drugo. Za prekinitev I2C potrebujete štiri kable, prednostno uporabite tiste v različnih barvah. Nato znova priključite odklop in kable ter preverite, ali povezave delujejo, kot je opisano zgoraj. Zdaj premaknite odlom na izhodni konec brizge. Vstavite bat in ga premaknite v srednji položaj, nekoliko dlje od načrtovanega počivanja. Priključite kable na ploščo in preverite, ali senzor deluje. Izklopite mikrokrmilnik in odklopite senzor. Dodajte veliko kapljico vročega lepila na konec vtičnice. Previdno vsesajte malo materiala in se prepričajte, da je konec tesno zatesnjen. Pustite, da se lepilo ohladi in se usede, nato ponovno preverite, ali je zrakotesno. Če je potrebno, v preostale luknje dodajte še nekaj lepila. Kable senzorja priključite na ploščo in zaženite mikrokrmilnik. Aktivirajte serijski monitor, da preverite, ali senzor pošilja vrednosti temperature in tlaka. S premikanjem bata lahko spremenite vrednosti tlaka. Ko pa pritisnete ali pritisnete bat, pa si poglejte tudi temperaturne vrednosti.

Zaprite serijski monitor in odprite 'Serijski ploter', premaknite bat.

Po potrebi lahko glasnost popravite tako, da na stranice brizge v bližini območja tesnila uporabite nekaj sile, pri čemer spustite ali izpustite malo zraka.

3. korak: Rezultati in Outlook

S tukaj opisano napravo lahko v preprostem fizikalnem poskusu dokažete korelacijo stiskanja in tlaka. Ker je na brizgi priložena tehtnica, je tudi kvantificiranje poskusov enostavno izvesti.

Po Boylejevem zakonu je [prostornina * tlak] konstanten za plin pri dani temperaturi. To pomeni, da če dano količino plina stisnete N-krat, to je, da je končna prostornina 1/N, se bo tudi njen pritisk N-krat povečal, kot je: P1*V1 = P2*V2 = const.

Za več podrobnosti si oglejte članek Wikipedia o zakonih o plinu.

Torej začeti na počivališčih npr. V1 = 100 ml in P1 = 1000 hPa, bo stiskanje na približno 66 ml (t.j. V2 = 2/3 V1) povzročilo tlak okoli 1500 hPa (P2 = 3/2 od P1). Z vlečenjem bata na 125 ml (5/4 -kratna prostornina) dobite tlak okoli 800 hPa (pritisk 4/5). Moje meritve so bile za tako preprosto napravo presenetljivo natančne.

Poleg tega boste imeli neposreden haptični vtis, koliko sile je potrebno za stiskanje ali razširjanje relativno majhne količine zraka.

Lahko pa tudi izvedemo nekaj izračunov in jih eksperimentalno preverimo. Predpostavimo, da zrak stisnemo na 1500 hPa pri bazalnem barometričnem tlaku 1000 hPa. Razlika tlaka je torej 500 hPa ali 50 000 Pa. Za mojo brizgo je premer (d) bata približno 4 cm ali 0,04 metra.

Zdaj lahko izračunate silo, potrebno za držanje bata v tem položaju. Glede na P = F/A (tlak je sila deljena s površino) ali preoblikovano F = P*A. Enota SI za silo je "Newton" ali N, za dolžino "Meter" ali m in "Pascal 'ali Pa za tlak. 1 Pa je 1N na kvadratni meter. Za okrogel bat lahko površino izračunamo z A = ((d/2)^2) * pi, kar daje 0,00125 kvadratnih metrov za mojo brizgo. Torej 50 000 Pa * 0,00125 m^2 = 63 N. Na Zemlji 1 N korelira s težo 100 gr, torej 63 N so enake teže 6,3 kg.

Tako bi bilo enostavno sestaviti nekakšno lestvico na podlagi meritev tlaka.

Ker je temperaturni senzor izjemno občutljiv, je mogoče celo videti učinek stiskanja na temperaturo. Predvidevam, da če uporabite senzor BME280, ki lahko izvaja tudi meritve vlažnosti, lahko celo vidite učinke pritiska na relativno vlažnost.

Serijski ploter Arduino IDE omogoča lep prikaz sprememb tlaka v realnem času, na voljo pa so tudi druge, bolj dovršene rešitve, npr. v jeziku za obdelavo.

Poleg izobraževalnih namenov lahko sistem uporabimo tudi za nekatere aplikacije v resničnem svetu, saj omogoča količinsko merjenje sil, ki poskušajo tako ali drugače premakniti bat. Tako lahko izmerite težo, ki je nameščena na bat, ali silo udarca na bat, ali pa sestavite stikalo, ki aktivira luč ali brenčanje ali predvaja zvok po doseženi določeni mejni vrednosti. Lahko pa zgradite glasbeni inštrument, ki spreminja frekvenco glede na moč sile, ki deluje na bat.

4. korak: Skript

Skript, ki sem ga dodal tukaj, je sprememba skripta BME280, ki ga najdemo na spletnem mestu Banggood. Pravkar sem optimiziral naročila Serial.print, da jih lahko bolje prikažem v serijskem ploterju Arduino IDE.

Skript Adafruit izgleda lepše, vendar zahteva nekaj njihovih knjižnic in ne prepozna senzorja Banggood.