En enkel tryckmätare för utbildningsändamål: 4 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:46

Nedan hittar du bygginstruktioner för en mycket enkel och lätt att bygga enhet för att leka med tryckmätningar. Det kan vara användbart för skolor eller andra STEM -relaterade projekt om gaslagar, men kan också anpassas för att integreras i andra enheter för att mäta krafter eller vikt. Även om det finns ett stort antal sensorutbrott för tryckmätningar tillgängliga nuförtiden saknade jag en enkel och billig enhet för att leka med dessa sensorer och använda dem för utbildningsändamål. Min konstruktion består i princip av en stor plastspruta och en sensorutbrott placerad inuti sprutan. Utbrottet är anslutet till en mikrokontroller med en uppsättning kablar som går genom sprutans utlopp. Sprutans utlopp förseglas lufttätt med varmt lim eller någon annan metod, vilket resulterar i att en definierad volym luft fångas inuti sprutan. Sensorn ansluts sedan till en Arduino eller en annan mikrokontroller. När sprutans kolv flyttas kommer volym och tryck att förändras. Mätningarna kan visas i realtid med hjälp av seriell bildskärm eller serieplotter på Arduino IDE.

Steg 1: Material som används

En 150 eller 250 ml plastkateterspruta - tillgänglig via internet eller i en hårdvaru- eller trädgårdsbutik nära dig för några $ eller Euro. En trycksensoravbrott - jag använde en billig BMP280 (temperatur och tryck) sensor som jag köpte på Banggood. Detta är en 3V breakout w/o level shifter, för mindre än 2 $ styck. Mätområdet ligger mellan 650 och cirka 1580 hPa. Kablar och brödbräda: Jag använde långa bygelkablar för att ansluta utbrottet med ett brödbräda. Kablarna ska vara minst lika långa som sprutan, annars är det mycket svårt att ansluta kablar och bryta. En dubbelriktad 5 -> 3 V nivåväxel: krävs för att ansluta ovanstående sensor till en Arduino. Krävs inte om din sensor bryter ut, t.ex. som Adafruit -versionen, har en redan implementerad ombord, eller så fungerar din mikrokontroller med en 3V -logik. En mikrokontroller: Jag använde en version av Arduino Uno, MonkMakesDuino, men alla Arduino -kompatibla borde fungera. Även Micro: bit fungerar om du följer dessa instruktioner från Adafruit. Mer om detta kommer att diskuteras i en kommande separat instruktionsbok.

En hållare för sprutan kan vara till hjälp för vissa applikationer, men är inte nödvändigt. Arduino IDE.

Steg 2: Montering och applikation

Sätt upp alla delar på din brödbräda. Anslut mikrokontroller och nivåväxel, om det behövs. Om så är fallet, definiera en av strömskenorna på din brödbräda som 5V, den andra som 3V och anslut dem med mikrokontrollerns 5V, 3V respektive jordportar, anslut sedan 3V, 5V och GND -portarna på nivåskiftaren. Anslut nu SDA (A4) och SCL (A5) portarna på Arduino med två icke-strömportar på 5V-sidan av nivåskiftaren. Observera att SDA- och SDA -portar skiljer sig åt mellan mikrokontroller, så kolla efter dina. Anslut din sensor med hjälp av kablarna som du kommer att använda senare med nivåreglaget. Sensorns SDA och SCL till motsvarande portar på 3V -sidan av nivåskiftaren, sensorn Vin och Gnd -portar till 3V och jord. Om du vill använda det medföljande skriptet behövs ingen installation av ytterligare bibliotek till Arduino IDE. Om du föredrar att använda Adafruit BMP280 -skriptet, installera deras BMP280- och sensorbibliotek. Ladda BMP280 -skriptet och ladda upp det till Arduino. Använd Serial Monitor för att kontrollera om du får rimliga data. Om inte, kontrollera anslutningarna. Stäng nu av mikrokontrollen och dra ur kablarna som ansluter sensorn och brödbrädet. För nu kablarna genom sprutans uttag. Om du använder bygelkablar kan det vara nödvändigt att vidga uttaget eller förkorta det lite. Se till att passera honändarna inuti, en efter en. En I2C -brytning behöver fyra kablar, företrädesvis använda sådana i olika färger. Anslut sedan breakout och kablar igen och kontrollera att anslutningarna fungerar, som ovan. Flytta nu utbrytningen till sprutans utloppsände. Sätt i kolven och flytta den till mittläge, lite längre än det hyvlade viloläget. Anslut kablarna till brödbrädan och kontrollera om sensorn fungerar. Stäng av mikrokontrollern och koppla bort sensorn. Lägg en stor droppe varmt lim i slutet av uttaget. Sug försiktigt in lite av materialet och se till att änden är tät. Låt limmet svalna och sedimentera, kontrollera sedan igen om det är lufttätt. Om det behövs, tillsätt lite mer lim till de återstående hålen. Anslut sensorkablarna till brödbrädan och starta mikrokontrollern. Aktivera Serial Monitor för att kontrollera om sensorn skickar temperatur- och tryckvärden. Genom att flytta kolven kan du ändra tryckvärden. Men titta också närmare på temperaturvärdena när du trycker på eller trycker på kolven.

Stäng seriemonitorn och öppna "Serial Plotter", flytta kolven. Spela!

Om det behövs kan du korrigera volymen genom att applicera lite kraft på sprutans sidor nära packningens område, släppa in eller ut lite luft.

Steg 3: Resultat och Outlook

Med den enhet som beskrivs här kan du demonstrera korrelationen mellan kompression och tryck i ett enkelt fysikaliskt experiment. Eftersom sprutan kommer med en skala på den är även kvantifierande experiment enkla att utföra.

Enligt Boyles lag är [volym * tryck] konstant för en gas vid en given temperatur. Detta betyder att om du komprimerar en given volym gas N-faldig, dvs den slutliga volymen är 1/N, ökar dess tryck också N-faldigt, som: P1*V1 = P2*V2 = konstant.

För mer information, ta en titt på Wikipedia -artikeln om gaslagar.

Så att börja vid en vilopunkter på t.ex. V1 = 100 ml och P1 = 1000 hPa, en kompression till ca 66 ml (dvs V2 = 2/3 av V1) kommer att resultera i ett tryck på cirka 1500 hPa (P2 = 3/2 av P1). Att dra kolven till 125 ml (5/4 gånger volym) ger ett tryck på cirka 800 hPa (4/5 tryck). Mina mätningar var förvånansvärt exakta för en så enkel enhet.

Dessutom får du ett direkt haptiskt intryck av hur mycket kraft som krävs för att komprimera eller expandera en relativt liten mängd luft.

Men vi kan också utföra några beräkningar och kontrollera dem experimentellt. Antag att vi komprimerar luften till 1500 hPa, vid ett basalt barometertryck på 1000 hPa. Så tryckskillnaden är 500 hPa, eller 50 000 Pa. För min spruta är kolvens diameter (d) cirka 4 cm eller 0,04 meter.

Nu kan du beräkna kraften som krävs för att hålla kolven i det läget. Med tanke på P = F/A (trycket är kraft dividerat med område), eller transformerat F = P*A. SI -enheten för kraft är "Newton" eller N, för längden "Meter" eller m, och "Pascal 'eller Pa för tryck. 1 Pa är 1N per kvadratmeter. För en rund kolv kan ytan beräknas med A = ((d/2)^2) * pi, vilket ger 0,00125 kvadratmeter för min spruta. Så 50 000 Pa * 0,00125 m^2 = 63 N. På jorden korrelerar 1 N till en vikt på 100 gr, så 63 N är lika med att hålla en vikt på 6,3 kg.

Så det skulle vara lätt att bygga en slags skala baserat på tryckmätningar.

Eftersom temperatursensorn är extremt känslig kan man till och med se effekten av komprimering på temperaturen. Jag antar att om du skulle använda BME280 -sensorn, som också kan utföra fuktmätningar, kan du till och med se effekterna av tryck på relativ luftfuktighet.

Seriell plotter på Arduino IDE gör det möjligt att snyggt visa tryckförändringar i realtid, men andra, mer genomarbetade lösningar finns också tillgängliga, t.ex. på bearbetningsspråket.

Förutom utbildningsändamål kan man också använda systemet för vissa verkliga tillämpningar, eftersom det gör det möjligt att kvantitativt mäta krafter som försöker flytta kolven på ett eller annat sätt. Så du kan mäta en vikt som placeras på kolven eller en slagkraft på kolven, eller bygga en omkopplare som aktiverar ett ljus eller en summer eller spelar ett ljud efter att ett visst tröskelvärde uppnåtts. Eller så kan du bygga ett musikinstrument som ändrar frekvensen beroende på kraftstyrkan som appliceras på kolven.

Steg 4: Skriptet

Skriptet jag lade till här är en modifiering av BME280 -skriptet som finns på Banggood -webbplatsen. Jag optimerade precis Serial.print -beställningarna för att bättre kunna visa dem i Arduino IDE Serial Plotter.

Adafruit -skriptet ser snyggare ut, men det kräver några av deras bibliotek och det känner inte igen Banggood -sensorn.