En simpel trykmålingsenhed til uddannelsesformål: 4 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:29

Nedenfor finder du byggeinstruktioner til en meget enkel og let at bygge enhed til at lege med trykmålinger. Det kan være anvendeligt til skoler eller andre STEM -relaterede projekter om gaslove, men kan også tilpasses til at blive integreret i andre enheder til måling af kræfter eller vægt. Selvom der er et stort antal sensorudbrud til trykmålinger til rådighed i disse dage, manglede jeg en enkel og billig enhed til at lege med disse sensorer og bruge dem til uddannelsesmæssige formål. Min konstruktion består grundlæggende af en stor plastiksprøjte og en sensorudbrud placeret indersiden af sprøjten. Udbruddet er forbundet til en mikrokontroller med et sæt kabler, der går gennem sprøjtens udløb. Sprøjtens udløb lukkes lufttæt ved hjælp af varm lim eller en anden metode, hvilket resulterer i, at et defineret luftmængde fanges inde i sprøjten. Sensoren tilsluttes derefter til en Arduino eller en anden mikrokontroller. Når sprøjtens stempel flyttes, ændres volumen og tryk. Målingerne kan vises i realtid ved hjælp af den serielle skærm eller serieplotter på Arduino IDE.

Trin 1: Brugte materialer

En 150 eller 250 ml plastik katetersprøjte - tilgængelig via internettet eller i en hardware- eller havebutik i nærheden af dig for et par dollars eller euro. En trykfølerudbrud - jeg brugte en billig BMP280 (temperatur og tryk) sensor, jeg købte hos Banggood. Dette er en 3V breakout w/o niveau shifter, for mindre end 2 $ hver. Måleområdet ligger mellem 650 og omkring 1580 hPa. Kabler og brødbræt: Jeg brugte lange jumperkabler til at forbinde udbruddet med et brødbræt. Kablerne skal være mindst lige så lange som sprøjten, ellers er tilslutning af kabler og udbrud meget vanskelig. En tovejs 5 -> 3 V niveauskifter: påkrævet for at forbinde ovenstående sensor til en Arduino. Ikke påkrævet, hvis din sensor bryder ud, f.eks. som Adafruit -versionen, har en allerede implementeret ombord, eller din mikrokontroller arbejder med en 3V -logik. En mikrokontroller: Jeg brugte en version af Arduino Uno, MonkMakesDuino, men enhver Arduino -kompatibel burde fungere. Selv Micro: bit fungerer, hvis du følger denne vejledning fra Adafruit. Mere om dette vil blive diskuteret i en kommende separat instruerbar.

En holder til sprøjten kan være nyttig til nogle applikationer, men er ikke nødvendig. Arduino IDE.

Trin 2: Montering og anvendelse

Opsæt alle dele på dit brødbræt. Tilslut mikrokontroller og niveauskifter, hvis det kræves. Hvis det er tilfældet, skal du definere en af strømskinnerne på dit brødbræt som 5V, den anden som 3V og forbinde dem med henholdsvis mikrokontrollerens 5V, 3V og jordporte, og derefter tilslutte 3V, 5V og GND portene på niveauskifteren. Tilslut nu SDA (A4) og SCL (A5) portene på Arduino med to ikke-strømporte på 5V siden af niveauskifteren. Bemærk, at SDA- og SDA -porte er forskellige mellem mikrokontroller, så tjek for din. Tilslut din sensor ved hjælp af de kabler, du senere vil bruge med niveauskifteren. SDA og SCL for sensoren til de tilsvarende porte på 3V -siden af niveauskifteren, Vinens og Gnd -portene på sensoren til 3V og jord. Hvis du vil bruge det medfølgende script, er det ikke nødvendigt at installere flere biblioteker til Arduino IDE. Hvis du foretrækker at bruge Adafruit BMP280 -scriptet, skal du installere deres BMP280- og sensorbiblioteker. Indlæse BMP280 -scriptet og uploade det til Arduino. Brug Serial Monitor til at kontrollere, om du modtager rimelige data. Hvis ikke, skal du kontrollere forbindelserne. Sluk nu for mikrokontrolleren, og tag kablerne ud, der forbinder sensor og brødbræt. Sæt nu kablerne gennem sprøjtens udløb. Hvis du bruger jumperkabler, kan det være nødvendigt at udvide stikkontakten eller forkorte det en smule. Sørg for at passere hunenderne inde, den ene efter den anden. Et I2C -breakout har brug for fire kabler, fortrinsvis brug dem i forskellige farver. Tilslut derefter breakout og kabler igen, og kontroller, at forbindelserne fungerer, som ovenfor. Flyt nu udbruddet til sprøjtens udløbsende. Indsæt stemplet, og flyt det til en midterposition, lidt længere end den høvlede hvilestilling. Tilslut kablerne til brødbrættet, og kontroller, om sensoren fungerer. Sluk for mikrokontrolleren, og frakobl sensoren. Tilføj en stor dråbe varm lim til enden af stikkontakten. Sug forsigtigt lidt af materialet ind, og sørg for, at enden er forseglet lufttæt. Lad limen afkøle og sætte sig, og kontroller igen, om den er lufttæt. Tilføj eventuelt mere lim til de resterende huller. Tilslut sensorkablerne til brødbrættet, og start mikrokontrolleren. Aktiver Serial Monitor for at kontrollere, om sensoren sender temperatur- og trykværdier. Ved at flytte stemplet kan du ændre trykværdier. Men kig også nærmere på temperaturværdierne, når du skubber eller trykker på stemplet.

Luk seriemonitoren, og åbn 'Serial Plotter', flyt stemplet. Spil!

Hvis det er påkrævet, kan du korrigere volumen ved at anvende en smule kraft på sprøjtens sider nær pakningens område, idet du slipper lidt luft ind eller ud.

Trin 3: Resultater og Outlook

Med den enhed, der er beskrevet her, kan du demonstrere sammenhængen mellem kompression og tryk i et simpelt fysikeksperiment. Da sprøjten kommer med en skala på den, er selv kvantificerende eksperimenter lette at udføre.

Ifølge Boyles lov er [Volumen * Tryk] konstant for en gas ved en given temperatur. Dette betyder, at hvis du komprimerer et givet volumen gas N-fold, dvs. det endelige volumen er 1/N, stiger dets tryk også N-fold, som: P1*V1 = P2*V2 = const.

For flere detaljer, se venligst Wikipedia -artiklen om gaslove.

Så startende ved et hvilested på f.eks. V1 = 100 ml og P1 = 1000 hPa, en komprimering til ca. 66 ml (dvs. V2 = 2/3 af V1) vil resultere i et tryk på ca. 1500 hPa (P2 = 3/2 af P1). Træk stemplet til 125 ml (5/4 fold volumen) giver et tryk på ca. 800 hPa (4/5 tryk). Mine målinger var forbavsende præcise for sådan en enkel enhed.

Derudover vil du have et direkte haptisk indtryk af, hvor meget kraft der kræves for at komprimere eller udvide en relativt lille mængde luft.

Men vi kan også udføre nogle beregninger og kontrollere dem eksperimentelt. Antag at vi komprimerer luften til 1500 hPa ved et basal barometrisk tryk på 1000 hPa. Så trykforskellen er 500 hPa eller 50.000 Pa. For min sprøjte er stemplets diameter (d) cirka 4 cm eller 0,04 meter.

Nu kan du beregne den kraft, der kræves for at holde stemplet i den position. Givet P = F/A (Tryk er Force divideret med Areal), eller transformeret F = P*A. SI -enheden for kraft er "Newton" eller N, for længden "Meter" eller m, og "Pascal 'eller Pa for tryk. 1 Pa er 1N pr. Kvadratmeter. For et rundt stempel kan arealet beregnes ved hjælp af A = ((d/2)^2) * pi, hvilket giver 0,00125 kvadratmeter til min sprøjte. Så 50, 000 Pa * 0,00125 m^2 = 63 N. På Jorden korrelerer 1 N med en vægt på 100 gr, så 63 N er lig med at holde en vægt på 6,3 kg.

Så det ville være let at bygge en slags skala baseret på trykmålinger.

Da temperatursensoren er ekstremt følsom, kan man endda se effekten af komprimering på temperaturen. Jeg antager, at hvis du ville bruge BME280 -sensoren, der også kan udføre fugtighedsmålinger, kan du endda se virkningerne af tryk på relativ luftfugtighed.

Seriel plotteren på Arduino IDE giver mulighed for pænt at vise trykændringerne i realtid, men andre, mere detaljerede løsninger er også tilgængelige, f.eks. i Processing -sproget.

Udover uddannelsesformål kan man også bruge systemet til nogle virkelige verden -applikationer, da det tillader kvantitativt at måle kræfter, der forsøger at flytte stemplet den ene eller den anden vej. Så du kan måle en vægt, der er placeret på stemplet eller en slagkraft på stemplet, eller bygge en kontakt, der aktiverer et lys eller en summer eller afspiller en lyd, efter at en bestemt tærskelværdi er nået. Eller du kan bygge et musikinstrument, der ændrer frekvensen afhængigt af kraften, der påføres stemplet.

Trin 4: Scriptet

Scriptet, jeg tilføjede her, er en ændring af BME280 -scriptet, der findes på Banggood -webstedet. Jeg har lige optimeret Serial.print -ordrerne for bedre at kunne vise dem i Arduino IDE Serial Plotter.

Adafruit -scriptet ser pænere ud, men det kræver nogle af deres biblioteker, og det genkender ikke Banggood -sensoren.