Yksinkertainen paineenmittauslaite opetustarkoituksiin: 4 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:03

Alta löydät rakennusohjeet hyvin yksinkertaiselle ja helposti rakennettavalle laitteelle, jolla voi pelata painemittauksilla. Sitä voidaan käyttää kouluissa tai muissa STEM -hankkeissa kaasulainsäädännössä, mutta sitä voidaan myös mukauttaa integroitavaksi muihin laitteisiin voimien tai painon mittaamiseksi. Vaikka nykyään on saatavana suuri määrä antureita paineiden mittaamiseen, minulta puuttui yksinkertainen ja halpa laite näiden antureiden kanssa pelaamiseen ja niiden käyttämiseen opetustarkoituksiin. ruiskun sisällä. Läpivienti on kytketty mikrokontrolleriin ruiskun ulostulon läpi menevillä kaapeleilla. Ruiskun ulostulo suljetaan ilmatiiviisti kuumaliimalla tai jollakin muulla menetelmällä, minkä seurauksena tietty määrä ilmaa jää kiinni ruiskuun. Kun ruiskun mäntää liikutetaan, tilavuus ja paine muuttuvat. Mittaukset voidaan näyttää reaaliajassa Arduino IDE: n sarjamonitorilla tai sarjaplotterilla.

Vaihe 1: Käytetyt materiaalit

150 tai 250 ml: n muovinen katetriruisku - saatavana Internetin kautta tai lähistöllä sijaitsevassa rautakaupassa muutaman dollarin tai euron edestä. Tämä on 3 V: n katkaisu ilman tasonsiirtoa, alle 2 dollaria. Mittausalue on välillä 650 - noin 1580 hPa. Kaapeleiden tulee olla vähintään ruiskun pituisia, muuten kaapeleiden yhdistäminen ja katkaisu on erittäin vaikeaa. Kaksisuuntainen 5 -> 3 V tasonsiirto: tarvitaan yllä olevan anturin liittämiseen Arduinoon. Ei vaadita, jos anturi on rikkoutunut, esim. Adafruit -versiona on sellainen, joka on jo otettu käyttöön, tai mikro -ohjaimesi toimii 3 V: n logiikalla. Jopa Micro: bit toimii, jos noudatat näitä Adafruutin ohjeita. Lisää tästä keskustellaan tulevassa erillisessä ohjeessa.

Ruiskun pidike voi olla hyödyllinen joissakin sovelluksissa, mutta ei välttämätön.

Vaihe 2: Asennus ja käyttö

Aseta kaikki osat leipälaudallesi. Liitä tarvittaessa mikrokontrolleri ja tasonvaihtaja. Jos yksi leipälevyn virtakiskoista on 5V, toinen 3V ja liitä ne mikrokontrollerin 5V-, 3V- ja maadoitusportteihin, ja kytke sitten tasonvaihtimen 3V-, 5V- ja GND -portit. Kytke nyt Arduinon SDA (A4) ja SCL (A5) -portit kahteen virtalähteeseen, joissa ei ole virtaa tasonvaihtimen 5V-puolella. Huomaa, että SDA- ja SDA -portit eroavat toisistaan mikro -ohjainten välillä, joten tarkista omasi. Anturin SDA ja SCL tasonsiirtimen 3 V: n puolella oleviin vastaaviin portteihin, anturin Vin- ja Gnd -portit 3 V: n ja maahan. Jos haluat käyttää toimitettua komentosarjaa, muita kirjastoja ei tarvitse asentaa Arduino IDE: hen. Jos haluat käyttää Adafruit BMP280 -skriptiä, asenna niiden BMP280- ja anturikirjastot, lataa BMP280 -skripti ja lataa se Arduinoon. Jos ei, tarkista liitännät. Sammuta nyt mikro -ohjain ja irrota anturin ja leipälevyn liitäntäkaapelit. Vie nyt kaapelit ruiskun ulostulon läpi. Jos käytät hyppyjohtoja, pistorasiaa on ehkä laajennettava tai sitä on lyhennettävä hieman. Varmista, että naaraspäät kulkevat sisäkkäin peräkkäin. I2C -katkaisu vaatii neljä kaapelia, mieluiten eri värejä, ja kytke sitten katkaisu ja kaapelit uudelleen ja tarkista, että liitännät toimivat kuten edellä. Siirrä halkeama ruiskun ulostulopäähän. Aseta mäntä paikalleen ja siirrä se keskiasentoon, hieman kauemmas kuin höylätty lepoasento. Kytke kaapelit leipälautaan ja tarkista, toimiiko anturi. Sammuta mikro -ohjain ja irrota anturi. Lisää suuri tippa kuumaa liimaa pistorasian päähän. Imuroi varovasti hieman materiaalia ja varmista, että pää on ilmatiiviisti suljettu. Anna liiman jäähtyä ja laskeutua ja tarkista sitten uudelleen, onko se ilmatiivis. Lisää tarvittaessa liimaa jäljellä oleviin reikiin. Kytke anturikaapelit leipälevyyn ja käynnistä mikro. Liikuttamalla mäntää voit muuttaa painearvoja. Mutta myös tarkemmin lämpötila -arvoja, kun painat tai painat mäntää.

Sulje sarjamonitori ja avaa "sarjaplotteri", siirrä mäntää.

Tarvittaessa voit säätää äänenvoimakkuutta kohdistamalla hieman voimaa ruiskun sivuille lähellä tiivisteen aluetta ja päästämällä sisään tai ulos hieman ilmaa.

Vaihe 3: Tulokset ja Outlook

Tässä kuvatulla laitteella voit osoittaa puristuksen ja paineen korrelaation yksinkertaisessa fysiikkakokeessa. Koska ruiskussa on vaaka, jopa kvantitatiiviset kokeet on helppo suorittaa.

Boylen lain mukaan [tilavuus * paine] on vakio kaasulle tietyssä lämpötilassa. Tämä tarkoittaa sitä, että jos puristat tietyn kaasutilavuuden N-kertaiseksi, eli lopullinen tilavuus on 1/N, sen paine nousee myös N-kertaiseksi, kuten: P1*V1 = P2*V2 = vak.

Lisätietoja on Wikipedian kaasulakeja koskevassa artikkelissa.

Joten aloitetaan lepopaikoista, esim. V1 = 100 ml ja P1 = 1000 hPa, puristaminen noin 66 ml: ksi (eli V2 = 2/3 V1: stä) johtaa noin 1500 hPa: n paineeseen (P2 = 3/2 P1: stä). Kun mäntä vedetään 125 ml: aan (tilavuus 5/4 kertaa), paine on noin 800 hPa (4/5 paine). Mittaukseni olivat hämmästyttävän tarkkoja näin yksinkertaiselle laitteelle.

Lisäksi sinulla on suora haptinen vaikutelma siitä, kuinka paljon voimaa tarvitaan puristamaan tai laajentamaan suhteellisen pieni määrä ilmaa.

Mutta voimme myös suorittaa joitakin laskelmia ja tarkistaa ne kokeellisesti. Oletetaan, että puristamme ilman 1500 hPa: een, kun barometrinen peruspaine on 1000 hPa. Paine -ero on siis 500 hPa tai 50 000 Pa. Ruiskullani männän halkaisija (d) on noin 4 cm tai 0,04 metriä.

Nyt voit laskea voiman, joka tarvitaan männän pitämiseen tässä asennossa. Annettu P = F/A (paine jaetaan voimalla pinta -alalla) tai muunnettu F = P*A. Voiman SI -yksikkö on "Newton" tai N, pituudelle "Meter" tai m ja "Pascal" tai Pa paineelle. 1 Pa on 1 N neliömetriä kohti. Pyöreällä männällä pinta -ala voidaan laskea käyttämällä A = ((d/2)^2) * pi, joka antaa ruiskulleni 0,00125 neliömetriä. Joten 50 000 Pa * 0,00125 m^2 = 63 N. Maalla 1 N vastaa 100 gramman painoa, joten 63 N on yhtä suuri kuin 6,3 kg: n paino.

Joten olisi helppoa rakentaa eräänlainen mittakaava painemittausten perusteella.

Koska lämpötila -anturi on erittäin herkkä, voidaan jopa nähdä puristuksen vaikutus lämpötilaan. Oletan, että jos käytät BME280 -anturia, joka voi myös mitata kosteutta, saatat jopa nähdä paineen vaikutukset suhteelliseen kosteuteen.

Arduino IDE: n sarjaplotteri mahdollistaa paineen muutosten näyttämisen kauniisti reaaliajassa, mutta saatavilla on myös muita, kehittyneempiä ratkaisuja, esim. käsittelykielellä.

Opetustarkoitusten lisäksi järjestelmää voidaan käyttää myös joihinkin reaalimaailman sovelluksiin, koska sen avulla voidaan mitata määrällisesti voimia, jotka yrittävät liikuttaa mäntää suuntaan tai toiseen. Voit siis mitata männälle asetetun painon tai männän iskuvoiman tai rakentaa kytkimen, joka aktivoi valon tai summerin tai toistaa äänen tietyn kynnysarvon saavuttamisen jälkeen. Tai voit rakentaa soittimen, joka muuttaa taajuutta mäntään kohdistetun voiman voimakkuuden mukaan.

Vaihe 4: Käsikirjoitus

Kirjoitukseni, jonka olen lisännyt tähän, on muunnos Banggoodin verkkosivustolla olevasta BME280 -komentosarjasta. Olen juuri optimoinut Serial.print -tilaukset, jotta ne voidaan näyttää paremmin Arduino IDE -sarjan piirtimessä.

Adafruit -käsikirjoitus näyttää mukavammalta, mutta se vaatii osan heidän kirjastoistaan eikä tunnista Banggood -anturia.