Hur man gör en noggrann luftflödeshastighetssensor med Arduino för under £ 20 COVID-19-ventilator: 7 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:40

Se den här rapporten för den senaste utformningen av denna öppningsflödessensor:

Denna instruktion visar hur man bygger en luftflödeshastighetssensor med hjälp av en lågkostnadssensor för differenstryck och lättillgängligt material. Designen är för en flödesgivare av öppningstyp, öppningen (i vårt fall en bricka) ger en begränsning och vi kan beräkna flödet genom att mäta tryckskillnaden över öppningen.

Ursprungligen konstruerade och byggde vi denna sensor för vårt projekt som heter OpenVent-Bristol som är en öppen källkodskonstruktion för snabb tillverkning av ventilatorer för behandling av COVID-19. Denna sensor kan dock användas i nästan alla applikationer för avkänning av luftflöden.

Den här första versionen av vår design är helt tillverkad med delar från hyllan, ingen 3D-utskrift eller laserskärning behövs.

Den bifogade ritningen visar en tvärsnittsritning av konstruktionen. Det är helt enkelt 2 längder av VVS -rör med en bricka överlimad mellan, som mäter differenstryck över öppningen för att beräkna flödeshastigheten.

Njut av!! och ge oss en kommentar om du gör din egen.

Steg 1: Köp delar

Det här är de delar du behöver:

• 2x 15 cm längder 22 mm OD PVC -rör
• 1x metallbricka ID 5,5 mm OD runt 20 mm (mellan 19,5-22 mm är bra)

• En differenstryckssensor (cirka £ 10). Vi använde en MPX5010DP men du kanske vill välja en annan som passar trycket i ditt system. Några exempelbutiker som säljer dessa sensorer listas nedan:

  • 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…
• Tryckkranar snittade till cirka 20 mm längd: Alla 2 mm OD -styva slangar bör vara lämpliga, t.ex. ett mässingsrör. Av desperation använde jag sprutmunstycket från en WD-40-burk, det fungerade men superlimet fastnade inte lysande
• superlim
• Slang av kisel/PVC för anslutning till trycksensorns tryckportar. 2-3 mm ID borde vara bra, du kan behöva en liten kabelbindare om ditt rör är för stort.

Du kanske vill köpa 1 eller 2 VVS-kontakter om du vill montera flödessensorns rör på ett annat 22 mm rör:

Obs! De valda materialen uppfyller inte medicinska produktregler, särskilt PVC.

Steg 2: Skär VVS -röret

Klipp 2 längder från VVS -röret. Vi använde 15 cm längd men det kan fungera bra lite kortare. Jag gjorde skärningarna med en geringssåg eftersom det är viktigt att få ett fint fyrkantigt snitt. Använd sandpapper för att släta ut alla hål

Steg 3: Montera VVS -rör

• Limma din bricka till slutet av ett rör, se till att brickan är koncentrisk med röret och se till att göra en kontinuerlig limpärla hela vägen runt brickans omkrets för att säkerställa att inget lufttryck läcker ut.
• Superlim sedan den andra längden av röret till den andra sidan av brickan. Återigen, se till att limma hela vägen så att ingen luft läcker ut

Steg 4: Lägg till tryckkranar

1. Borra 2 hål på avstånden från brickan enligt bifogad bild
2. Skjut in 2 mm OD -stavarna i hålen, se till att det sitter tätt (mitt rör var 2,2 OD men min borr var 2 mm, så jag bara vaggade borren lite tills röret passade tätt)
3. Limma röret i hålet och se till att det är tätt hela vägen
4. Linda isoleringstejpen runt tryckkranen tills kiselröret sitter fint och tätt

Steg 5: Testa och kalibrera

Anslut trycksensorn till din Arduino och anslut tryckkranarna till trycksensorns portar. Se till att sensorns fysiska analoga stift matchar stiftet med programvaran.

Testa den med bifogad kod. Observera att följande bibliotek behövs:

• Wire.h
• och Sensirion_SFM3000_arduino (detta bibliotek är för en annan sensor, men jag har gjort några ändringar i min kod för att ta hänsyn till det)

Helst vill du kalibrera din sensor, vi använde en Sensirion SFM3300 kopplad i serie med den hemgjorda sensorn. Anslutningar för SFM3300 är:

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

Helst bör din luftkälla för kalibreringstestet ge ett konstant flöde och vara kontrollerbart för att ge ut ett kontrollerat svep av flödeshastigheter. Vi använde en hackad luftbäddspump för att drivas via en elektronisk borstad likströmshastighetsregulator som styrs med en potentiometer. Om du har en DC -strömförsörjning som också fungerar bra.

Koden kan, förutom att den kan läsa trycket och flödet från vår sensor, även läsa från Sensirion SFM3300 via i2c, som är den sensor som vi använde för kalibrering. Du måste anpassa koden om du har en annan kalibreringssensor. (Ganska förvånansvärt gjorde DIY -sensorn stadigare mer konsekventa avläsningar än SFM3300)

Den första versionen av koden använder en kalibrerad uppslagstabell för att mata ut flödeshastighetsavläsningar. Vi gjorde detta av

• logga trycket över ett fullständigt svep från vår luftkälla (som.csv -fil)
• ta data till excel
• passerar den genom en ekvation för att räkna ut flödeshastigheten
• skapar sedan en kommaseparerad uppslagstabell som kopierades/klistrades in i ett Arduino -heltal

Excel -dokumentet med ekvation lagras …

Den andra versionen av koden kommer att använda en ekvation i koden av följande skäl:

• att ta hänsyn till temperaturen (vilket påverkar flödeshastigheten)
• för att ta hänsyn till en förändring i nedströmsbegränsningen kommer detta att avkännas med en separat nedströms trycksensor

Steg 6: Korrekt Janky Kalibreringsmetod Alternativ

Om du inte har en flödessensor från hyllan för att kalibrera den med en Sensirion SFM3300 är detta ett sätt att få en SUPER grov uppfattning om flödesutgången. Detta kommer dock bara att fungera med en högtrycksflödeskälla (även luftbäddspumpen kan kämpa för att blåsa upp en ballong) och fungerar bara om du upprepat kan slå på och stänga av din lufttillförsel

• Fäst en ballong på systemets utgång och mät den diameter som den blåser upp på varje uppblåsning
• Fyll en mätkanna med vatten (kanske ungefär halvvägs)
• Återflöda din ballong till samma diameter och sänk den sedan helt i din kanna med vatten och notera skillnaden i vattennivån innan och efter att ballongen har satts in
• Därefter måste du mäta volymen per ballonginflation i din kod, detta görs genom att integrera flödet över tiden. Jag kan inte ge dig exakt kod för att göra detta eftersom det måste vara olika beroende på din flödeskälla och hur din kod kommer att känna av ett start och stopp för flödet men jag har bifogat en funktion i en textfil som kommer att läggas ut volym, du behöver bara berätta när du ska börja och sluta beräkna volymen (dvs för vårt test var detta vid början och stoppet för varje andetag), detta indikeras för funktionen via den booleska variabeln som kallas "breathStatus". Kom ihåg att överföra flödeshastigheten i ml/s till den funktionen när du kallar den.

Steg 7: Integrera i ditt system

Anslut den till din installation oavsett vad den kan vara och njut av att mäta flödeshastigheten för under £ 15:)

Bifogad är en exempelbild på några flöden, tryck och volymer från vår ventilatorapplikation.

VVS -raka kopplingsfogar är bra för att ansluta denna sensor till ett annat 22 mm OD -rör.