Простое устройство для измерения давления в образовательных целях: 4 шага

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:53

Ниже вы найдете инструкции по сборке очень простого и легкого в сборке устройства для измерения давления. Он может быть использован в школах или других проектах, связанных с STEM, по законам о газе, но также может быть адаптирован для интеграции в другие устройства для измерения сил или веса. Несмотря на то, что в наши дни доступно большое количество разъемов датчиков для измерения давления, мне не хватало простого и дешевого устройства, чтобы поиграть с этими датчиками и использовать их в образовательных целях. Моя конструкция в основном состоит из большого пластикового шприца и размещенного разъема для датчика. внутри шприца. Разрыв соединен с микроконтроллером набором кабелей, идущих через выход шприца. Выходное отверстие шприца герметично закрывается горячим клеем или каким-либо другим способом, в результате чего внутри шприца остается определенный объем воздуха. Затем датчик подключается к Arduino или другому микроконтроллеру. Когда поршень шприца перемещается, объем и давление изменяются. Измерения могут отображаться в реальном времени с помощью последовательного монитора или последовательного плоттера Arduino IDE.

Шаг 1: Используемые материалы

Шприц с пластиковым катетером на 150 или 250 мл - доступен через Интернет, в ближайшем к вам хозяйственном или садовом магазине за несколько долларов или евро. Обрыв датчика давления - я использовал дешевый датчик BMP280 (температуры и давления), который я купил на Banggood. Это прорыв 3V без переключателя уровня по цене менее 2 $ каждый. Диапазон измерения составляет от 650 до 1580 гПа. Кабели и макетная плата: я использовал длинные кабели-перемычки, чтобы соединить переходник с макетной платой. Кабели должны быть не меньше длины шприца, в противном случае подключение кабелей и отключение очень затруднено. Двунаправленный переключатель уровня 5 -> 3 В. Требуется для подключения вышеуказанного датчика к Arduino. Не требуется, если ваш датчик сломался, например как версия Adafruit, она уже реализована на борту, или ваш микроконтроллер работает с логикой 3 В. Микроконтроллер: я использовал версию Arduino Uno, MonkMakesDuino, но любая совместимая с Arduino должна работать. Даже Micro: bit работает, если вы будете следовать этим инструкциям от Adafruit. Подробнее об этом будет сказано в отдельном руководстве.

Держатель для шприца может быть полезен для некоторых приложений, но не обязателен. Arduino IDE.

Шаг 2: Сборка и применение

Установите все детали на макетной плате. При необходимости подключите микроконтроллер и переключатель уровня. В случае, определите одну из шин питания на макетной плате как 5 В, другую как 3 В и подключите их к портам 5 В, 3 В и заземления микроконтроллера соответственно, затем подключите порты 3 В, 5 В и GND переключателя уровня. Теперь подключите порты SDA (A4) и SCL (A5) Arduino к двум портам без питания на стороне 5V переключателя уровня. Обратите внимание, что порты SDA и SDA различаются между микроконтроллерами, поэтому проверьте свой. Подключите датчик с помощью кабелей, которые вы будете использовать позже с переключателем уровня. SDA и SCL датчика к соответствующим портам на стороне 3 В переключателя уровня, порты Vin и Gnd датчика на 3 В и заземление. Если вы хотите использовать предоставленный сценарий, установка дополнительных библиотек в Arduino IDE не требуется. Если вы предпочитаете использовать скрипт Adafruit BMP280, установите их BMP280 и библиотеки датчиков. Загрузите скрипт BMP280 и загрузите его в Arduino. Используйте Serial Monitor, чтобы проверить, получаете ли вы разумные данные. Если нет, проверьте соединения. Теперь выключите микроконтроллер и отсоедините кабели, соединяющие датчик и макетную плату. Теперь пропустите кабели через выход шприца. Если вы используете соединительные кабели, возможно, потребуется расширить розетку или немного ее укоротить. Убедитесь, что женские концы проходят внутрь один за другим. Для коммутации I2C требуется четыре кабеля, предпочтительно использовать разные цвета. Затем повторно подключите коммутационный разъем и кабели и убедитесь, что соединения работают, как указано выше. Теперь переместите выступ к выпускному концу шприца. Вставьте плунжер и переместите его в центральное положение, немного дальше строгого положения покоя. Подсоедините кабели к макетной плате и проверьте, работает ли датчик. Выключите микроконтроллер и отсоедините датчик. Добавьте большую каплю горячего клея на конец розетки. Осторожно втяните немного материала и убедитесь, что конец герметичен. Дайте клею остыть и осесть, затем еще раз проверьте герметичность. При необходимости добавьте еще клея в оставшиеся отверстия. Подключите кабели датчика к макетной плате и запустите микроконтроллер. Включите Serial Monitor, чтобы проверить, отправляет ли датчик значения температуры и давления. Перемещая поршень, вы можете изменять значения давления. Но также внимательно посмотрите на значения температуры, когда вы нажимаете или нажимаете на поршень.

Закройте Serial Monitor и откройте Serial Plotter, переместите поршень. Играйте!

При необходимости вы можете скорректировать объем, приложив немного силы к сторонам шприца рядом с областью прокладки, впуская или выпуская немного воздуха.

Шаг 3. Результаты и прогноз

С помощью устройства, описанного здесь, вы можете продемонстрировать корреляцию сжатия и давления в простом физическом эксперименте. Поскольку на шприце есть шкала, даже количественные эксперименты проводить легко.

Согласно закону Бойля, [Объем * Давление] постоянно для газа при данной температуре. Это означает, что если вы сжимаете заданный объем газа в N раз, то есть конечный объем равен 1 / N, его давление также возрастет в N раз, а именно: P1 * V1 = P2 * V2 = const.

Для получения более подробной информации, пожалуйста, прочтите статью в Википедии о газовых законах.

Итак, начиная с точек покоя, например, V1 = 100 мл и P1 = 1000 гПа, сжатие до 66 мл (т. Е. V2 = 2/3 от V1) приведет к давлению около 1500 гПа (P2 = 3/2 от P1). Вытягивание поршня до 125 мл (5/4 кратного объема) дает давление около 800 гПа (давление 4/5). Мои измерения были поразительно точными для такого простого устройства.

Кроме того, у вас будет прямое тактильное представление о том, сколько силы требуется для сжатия или расширения относительно небольшого количества воздуха.

Но мы также можем провести некоторые расчеты и проверить их экспериментально. Предположим, мы сжимаем воздух до 1500 гПа при базальном барометрическом давлении 1000 гПа. Таким образом, перепад давления составляет 500 гПа или 50 000 Па. Для моего шприца диаметр (d) поршня составляет около 4 см или 0,04 метра.

Теперь вы можете рассчитать силу, необходимую для удержания поршня в этом положении. Дано P = F / A (давление - это сила, деленная на площадь) или преобразованное F = P * A. В системе СИ единица измерения силы - «Ньютон» или Н, для длины «Метр» или м, и «Паскаль» или Па для давления. 1 Па составляет 1 Н на квадратный метр. Для круглого поршня площадь можно рассчитать, используя A = ((d / 2) ^ 2) * pi, что дает 0,00125 квадратных метров для моего шприца. Итак, 50 000 Па * 0,00125 м ^ 2 = 63 Н. На Земле 1 Н соответствует весу 100 гр, поэтому 63 N равняется удерживающему весу 6,3 кг.

Таким образом, было бы легко построить своего рода шкалу, основанную на измерениях давления.

Поскольку датчик температуры чрезвычайно чувствителен, можно даже увидеть влияние сжатия на температуру. Я предполагаю, что если вы будете использовать датчик BME280, который также может выполнять измерения влажности, вы даже можете увидеть влияние давления на относительную влажность.

Последовательный плоттер Arduino IDE позволяет красиво отображать изменения давления в реальном времени, но также доступны и другие, более сложные решения, например на языке обработки.

Помимо образовательных целей, можно также использовать систему для некоторых реальных приложений, поскольку она позволяет количественно измерить силы, которые пытаются сдвинуть поршень в ту или иную сторону. Таким образом, вы можете измерить вес, приложенный к поршню, или силу удара на поршень, или построить переключатель, который активирует свет или зуммер или воспроизводит звук после достижения определенного порогового значения. Или вы можете создать музыкальный инструмент, который меняет частоту в зависимости от силы силы, приложенной к поршню.

Шаг 4: сценарий

Сценарий, который я добавил здесь, является модификацией сценария BME280, найденного на веб-сайте Banggood. Я просто оптимизировал заказы Serial.print, чтобы они лучше отображались в последовательном плоттере Arduino IDE.

Скрипт Adafruit выглядит лучше, но для него требуются некоторые из их библиотек, и он не распознает датчик Banggood.