Un dispositiu senzill de mesura de pressió amb finalitats educatives: 4 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:15

A continuació trobareu instruccions de construcció per a un dispositiu molt senzill i fàcil de construir per jugar amb mesures de pressió. Pot ser útil per a escoles o altres projectes relacionats amb STEM sobre lleis sobre gasos, però també es pot adaptar per integrar-se en altres dispositius per mesurar forces o pes. Tot i que hi ha un gran nombre de brots de sensors disponibles per mesurar la pressió en aquests dies, em faltava un dispositiu senzill i econòmic per jugar amb aquests sensors i utilitzar-los amb finalitats educatives. La meva construcció consisteix bàsicament en una xeringa de plàstic gran i a l'interior de la xeringa. El brot està connectat a un microcontrolador mitjançant un conjunt de cables que passen per la sortida de la xeringa. La sortida de la xeringa està hermètica mitjançant cola calenta o algun altre mètode, cosa que provoca que quedi un volum d’aire definit atrapat a l’interior de la xeringa. El sensor es connecta a un Arduino o a un altre microcontrolador. Quan es mou l'èmbol de la xeringa, el volum i la pressió canviaran. Les mesures es poden visualitzar en temps real mitjançant el monitor sèrie o el traçador sèrie de l’IDE Arduino.

Pas 1: materials utilitzats

Una xeringa de catèter de plàstic de 150 o 250 ml: disponible a través d'Internet o a una botiga de maquinari o jardí propera per uns quants € o un euro. Es tracta d’un canvi de nivell sense sortida de 3V, per menys de 2 $ cadascun. L’interval de mesura oscil·la entre 650 i aproximadament 1580 hPa. Cables i taulers: he utilitzat cables de pont llarg per connectar el trencament amb una tauleta de pa. Els cables haurien de ser com a mínim tan llargs com la xeringa; en cas contrari, la connexió dels cables i la ruptura són molt difícils. No és necessari si el sensor es trenca, p. Ex. com la versió d'Adafruit, ja n'ha implementat una, o bé el vostre microcontrolador funciona amb una lògica de 3 V. Un microcontrolador: he utilitzat una versió de l'Arduino Uno, el MonkMakesDuino, però qualsevol Arduino compatible hauria de funcionar. Fins i tot el micro: bit funciona si seguiu aquestes instruccions d'Adafruit. Es discutirà més sobre això en una propera instrucció independent.

Un suport per a la xeringa pot ser útil per a algunes aplicacions, però no és necessari. L’IDE Arduino.

Pas 2: Muntatge i aplicació

Configureu totes les parts a la taula de treball. Connecteu el microcontrolador i el canvi de nivell, si cal. En el cas, definiu un dels rails d’alimentació de la vostra placa com a 5V, l’altre com a 3V i connecteu-los amb els ports 5V, 3V i terra del microcontrolador, respectivament, i després connecteu els ports 3V, 5V i GND del canvi de nivell. Ara connecteu els ports SDA (A4) i SCL (A5) de l’Arduino amb dos ports sense alimentació del costat de 5V del canvi de nivell. Tingueu en compte que els ports SDA i SDA difereixen entre els microcontroladors, així que comproveu-ne els vostres. Connecteu el sensor utilitzant els cables que utilitzarà més endavant amb el canvi de nivell. SDA i SCL del sensor als ports corresponents al costat de 3V del canvi de nivell, els ports Vin i Gnd del sensor a 3V i terra. Si voleu utilitzar l'script proporcionat, no cal instal·lar més biblioteques a l'IDE Arduino. Si preferiu utilitzar l’escriptura Adafruit BMP280, instal·leu les seves biblioteques de sensors i BMP280. Carregueu l’escriptura BMP280 i pengeu-lo a l’Arduino. Utilitzeu el monitor sèrie per comprovar si rebeu dades raonables. Si no, comproveu les connexions. Ara apagueu el microcontrolador i desconnecteu els cables que connecten el sensor i la placa de control. Ara poseu els cables per la sortida de la xeringa. Si feu servir cables jumper, pot ser que sigui necessari ampliar la presa de corrent o escurçar-la una mica. Assegureu-vos de passar els extrems femenins per dins, un darrere l’altre. Una connexió I2C necessita quatre cables, preferencialment utilitzeu-ne de diferents colors. Després torneu a connectar la connexió i els cables i comproveu que les connexions funcionin, com s’ha indicat anteriorment. Ara moveu la bretxa cap a l’extrem de sortida de la xeringa. Introduïu l’èmbol i moveu-lo a la posició central, una mica més enllà de la posició planejada de descans. Connecteu els cables a la placa de control i comproveu si el sensor funciona. Apagueu el microcontrolador i desconnecteu el sensor. Afegiu una gran gota de cola calenta al final de la presa de corrent. Xucleu amb cura una mica del material i assegureu-vos que l'extrem estigui hermètic. Deixeu que la cola es refredi i es posi, i torneu a comprovar si està hermètica. Si cal, afegiu una mica més de cola als forats restants. Connecteu els cables del sensor a la placa i inicieu el microcontrolador. Activeu el monitor sèrie per comprovar si el sensor envia valors de temperatura i pressió. En moure l’èmbol, podeu canviar els valors de pressió. Però també mireu de prop els valors de temperatura quan premeu o premeu l’èmbol.

Tanqueu el monitor de sèrie i obriu el "Serial Plotter", moveu l'èmbol.

Si cal, podeu corregir el volum aplicant una mica de força als costats de la xeringa prop de la zona de la junta, deixant entrar o sortir una mica d’aire.

Pas 3: Resultats i Outlook

Amb el dispositiu descrit aquí, podeu demostrar la correlació de compressió i pressió en un simple experiment de física. Com que la xeringa inclou una bàscula, fins i tot els experiments de quantificació són fàcils de realitzar.

Segons la llei de Boyle, [Volum * Pressió] és constant per a un gas a una temperatura determinada. Això significa que si comprimeu un volum determinat de gas N-fold, és a dir, el volum final és 1 / N, la seva pressió augmentarà també N-fold, ja que: P1 * V1 = P2 * V2 = const.

Per obtenir més detalls, consulteu l'article de Wikipedia a les lleis del gas.

Així doncs, començant per un punt de repòs, per exemple, V1 = 100 ml i P1 = 1000 hPa, una compressió d’uns 66 ml (és a dir, V2 = 2/3 de V1) donarà lloc a una pressió d’uns 1500 hPa (P2 = 3/2 de P1). Tirar l’èmbol fins a 125 ml (5/4 vegades el volum) dóna una pressió d’uns 800 hPa (pressió 4/5). Les meves mesures eren increïblement precises per a un dispositiu tan senzill.

A més, tindràs una impressió tàctil directa de la força que es necessita per comprimir o expandir una quantitat d’aire relativament petita.

Però també podem fer alguns càlculs i comprovar-los experimentalment. Suposem que comprimim l’aire a 1500 hPa, a una pressió baromètrica basal de 1000 hPa. Per tant, la diferència de pressió és de 500 hPa, o 50.000 Pa. Per a la meva xeringa, el diàmetre (d) del pistó és d’uns 4 cm o 0,04 metres.

Ara podeu calcular la força necessària per mantenir el pistó en aquesta posició. Donat P = F / A (la pressió és força dividida per àrea), o transformat F = P * A. La unitat SI de força és "Newton" o N, per a la longitud "Meter" o m, i "Pascal 'o Pa per a pressió. 1 Pa és 1N per metre quadrat. Per a un pistó rodó, l'àrea es pot calcular mitjançant A = ((d / 2) ^ 2) * pi, que dóna 0,00125 metres quadrats per a la meva xeringa. Així, 50.000 Pa * 0,00125 m ^ 2 = 63 N. A la Terra, 1 N es correlaciona amb un pes de 100 gr, de manera que 63 N són iguals a tenir un pes de 6,3 kg.

Per tant, seria fàcil construir una mena d’escala basada en mesures de pressió.

Com que el sensor de temperatura és extremadament sensible, fins i tot es pot veure l’efecte de la compressió sobre la temperatura. Suposo que si utilitzeu el sensor BME280, que també pot realitzar mesures d'humitat, fins i tot podeu veure els efectes de la pressió sobre la humitat relativa.

El traçador en sèrie de l’Arduino IDE permet mostrar bé els canvis de pressió en temps real, però també hi ha altres solucions més elaborades, per exemple. en l'idioma de processament.

A més de propòsits educatius, també es pot utilitzar el sistema per a algunes aplicacions del món real, ja que permet mesurar quantitativament les forces que intenten moure l'èmbol d'una manera o d'una altra. Així, podríeu mesurar un pes col·locat sobre l'èmbol o una força d'impacte sobre l'èmbol, o construir un interruptor que activi una llum o un brunzidor o que reprodueixi un so després d'assolir un determinat valor llindar. O podríeu construir un instrument musical que canviés la freqüència en funció de la força de la força aplicada al pistó.

Pas 4: l'script

L’escriptura que he afegit aquí és una modificació de l’escriptura BME280 que es troba al lloc web de Banggood. Acabo d’optimitzar les ordres Serial.print per permetre-les mostrar millor al Plotter sèrie Arduino IDE.

L'escriptura d'Adafruit té un aspecte més bonic, però requereix algunes de les seves biblioteques i no reconeix el sensor Banggood.