Lihtne rõhu mõõtmise seade hariduslikel eesmärkidel: 4 sammu

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:49

Allpool leiate ehitusjuhised väga lihtsa ja hõlpsasti koostatava seadme jaoks, mis mängib rõhumõõtmisi. Seda võib kasutada koolides või muudes STEMiga seotud gaasiseaduste projektides, kuid seda saab kohandada ka jõudude või kaalu mõõtmiseks muudesse seadmetesse integreeritavaks. Kuigi nendel päevadel on rõhu mõõtmiseks saadaval suur hulk andurite purunemisi, puudus mul lihtne ja odav seade nende anduritega mängimiseks ja nende kasutamiseks hariduslikel eesmärkidel. Minu konstruktsioon koosneb põhimõtteliselt suurest plastikust süstlast ja asetatud andurist. süstla sees. Purunemine on ühendatud mikrokontrolleriga kaablite komplektiga, mis läbivad süstla väljalaskeava. Süstla väljalaskeava suletakse kuuma liimi või mõne muu meetodi abil õhukindlalt, mille tulemusel jääb süstla sisse kinni teatud kogus õhku. Seejärel ühendatakse andur Arduino või mõne muu mikrokontrolleriga. Kui süstla kolbi liigutatakse, muutub maht ja rõhk. Mõõtmisi saab reaalajas kuvada, kasutades Arduino IDE jadamonitori või jadaplotterit.

Samm: kasutatud materjalid

150 või 250 ml plastikust kateetrisüstal - saadaval Interneti või riistvara- või aiapoodi lähedal, mõne dollari või euro eest. Rõhuanduri purunemine - kasutasin odavat BMP280 (temperatuuri ja rõhu) andurit, mille ostsin Banggoodist. See on 3 V väljalülitus ilma taseme nihutaja, igaüks vähem kui 2 $. Mõõtmisvahemik on vahemikus 650 kuni umbes 1580 hPa. Kaablid ja leivaplaat: kasutasin katkestuse ühendamiseks leivaplaadiga kaugjuhtimiskaableid. Kaablid peaksid olema vähemalt sama pikad kui süstal, vastasel juhul on kaablite ühendamine ja katkestamine väga keeruline. Kahesuunaline 5 -> 3 V taseme nihutaja: vajalik ülaltoodud anduri ühendamiseks Arduinoga. Ei ole vajalik, kui teie anduri purunemine, nt. nagu Adafruit versioon, on see juba pardal või teie mikrokontroller töötab 3 V loogikaga. Mikrokontroller: kasutasin Arduino Uno versiooni, MonkMakesDuino, kuid kõik Arduinoga ühilduvad peaksid töötama. Isegi Micro: bit töötab, kui järgite neid Adafruit'i juhiseid. Sellest räägitakse lähemalt eraldi juhendis.

Süstlahoidja võib mõne rakenduse puhul abiks olla, kuid pole vajalik. Arduino IDE.

Samm: kokkupanek ja pealekandmine

Seadistage kõik osad oma leivalauale. Vajadusel ühendage mikrokontroller ja taseme nihutaja. Sel juhul määrake oma leivaplaadil üks toitepiire 5V, teine 3V ja ühendage need vastavalt mikrokontrolleri 5V, 3V ja maanduspordiga, seejärel ühendage nihke 3V, 5V ja GND pordid. Nüüd ühendage Arduino SDA (A4) ja SCL (A5) pordid kahe nivoolilüliti 5V külje kahe toitepordiga. Pange tähele, et SDA ja SDA pordid on mikrokontrollerite vahel erinevad, seega kontrollige oma omadusi. Ühendage andur kaablitega, mida hiljem taseme nihutajaga kasutate. Anduri SDA ja SCL taseme nihutaja 3 V külje vastavatesse portidesse, anduri Vini ja Gndi pordid 3 V ja maapinnale. Kui soovite kasutada kaasasolevat skripti, pole vaja täiendavaid teeke Arduino IDE -sse installida. Kui eelistate kasutada Adafruit BMP280 skripti, installige nende BMP280 ja andurite teegid. Laadige BMP280 skript üles ja laadige see Arduinosse. Kasutage jadamonitori, et kontrollida, kas saate mõistlikke andmeid. Kui ei, kontrollige ühendusi. Nüüd lülitage mikrokontroller välja ja eemaldage anduri ja leivaplaadi ühendavad kaablid. Nüüd pange kaablid läbi süstla väljalaskeava. Kui kasutate hüppajakaableid, võib osutuda vajalikuks väljalaskeava laiendamine või selle lühendamine. Veenduge, et naissoost otsad asetseksid üksteise järel. I2C purunemiseks on vaja nelja kaablit, eelistatavalt eri värvi kaableid. Seejärel ühendage katkestus ja kaablid uuesti ning kontrollige, kas ühendused töötavad, nagu eespool. Nüüd viige purunemine süstla väljalaskeavasse. Sisestage kolb ja viige see keskmisesse asendisse, veidi kaugemale kui hööveldatud puhkeasend. Ühendage kaablid leivaplaadiga ja kontrollige, kas andur töötab. Lülitage mikrokontroller välja ja ühendage andur lahti. Lisage väljundi otsa suur tilk kuuma liimi. Imege ettevaatlikult natuke materjali ja veenduge, et ots on õhukindlalt suletud. Laske liimil jahtuda ja settida, seejärel kontrollige uuesti, kas see on õhukindel. Vajadusel lisage ülejäänud aukudele veel liimi. Ühendage andurikaablid leivaplaadiga ja käivitage mikrokontroller. Aktiveerige jadamonitor, et kontrollida, kas andur saadab temperatuuri ja rõhu väärtusi. Kolvi liigutades saate muuta rõhuväärtusi. Kuid vaadake ka temperatuuri väärtusi lähemalt kolvi vajutamisel või vajutamisel.

Sulgege jadamonitor ja avage seeriaplotter, liigutage kolbi.

Vajadusel saate helitugevust korrigeerida, rakendades pisut jõudu süstla külgedele tihendi ala lähedal, lastes sisse või välja natuke õhku.

Samm: tulemused ja Outlook

Siin kirjeldatud seadmega saate lihtsa füüsikakatse abil demonstreerida kokkusurumise ja rõhu korrelatsiooni. Kuna süstlaga on kaasas skaala, on isegi kvantifitseerivaid katseid lihtne teha.

Boyle'i seaduse kohaselt on [ruumala * rõhk] gaasi jaoks antud temperatuuril konstantne. See tähendab, et kui tihendate gaasi teatud mahu N-kordselt, st lõppmaht on 1/N, suureneb ka selle rõhk N-kordselt, näiteks: P1*V1 = P2*V2 = konst.

Lisateabe saamiseks vaadake palun Wikipedia artiklit gaasiseaduste kohta.

Nii et alustades puhkepunktidest nt. V1 = 100 ml ja P1 = 1000 hPa, mille kokkusurumine umbes 66 ml -ni (st V2 = 2/3 V1 -st) annab rõhu umbes 1500 hPa (P2 = 3/2 P1 -st). Kolvi tõmbamine 125 ml -ni (5/4 -kordne maht) annab rõhu umbes 800 hPa (rõhk 4/5). Minu mõõtmised olid sellise lihtsa seadme jaoks hämmastavalt täpsed.

Lisaks jääb teile otsene haptiline mulje, kui palju jõudu on vaja suhteliselt väikese koguse õhu kokkusurumiseks või laiendamiseks.

Kuid me saame ka teha mõningaid arvutusi ja neid eksperimentaalselt kontrollida. Oletame, et surume õhu 1500 hPa -ni, baasõhurõhul 1000 hPa. Seega on rõhkude erinevus 500 hPa ehk 50 000 Pa. Minu süstla puhul on kolvi läbimõõt (d) umbes 4 cm või 0,04 meetrit.

Nüüd saate arvutada kolvi selles asendis hoidmiseks vajaliku jõu. Antud P = F/A (rõhk jagatakse jõuga pindalaga) või teisendatakse F = P*A. Jõu SI -ühik on "Newton" või N, pikkuse "meeter" või m korral ja "Pascal" või Pa rõhu jaoks. 1 Pa on 1 N ruutmeetri kohta. Ümmarguse kolvi puhul saab pindala arvutada, kasutades A = ((d/2)^2) * pi, mis annab minu süstla jaoks 0,00125 ruutmeetrit. Seega 50 000 Pa * 0,00125 m^2 = 63 N. Maal vastab 1 N kaalule 100 gr, seega 63 N on võrdne 6,3 kg raskuse hoidmisega.

Nii et rõhumõõtmiste põhjal oleks lihtne ehitada omamoodi skaala.

Kuna temperatuuriandur on äärmiselt tundlik, võib isegi näha kokkusurumise mõju temperatuurile. Ma eeldan, et kui te kasutaksite BME280 andurit, mis suudab ka niiskust mõõta, võite isegi näha rõhu mõju suhtelisele niiskusele.

Arduino IDE jadaplotter võimaldab kenasti kuvada rõhumuutusi reaalajas, kuid saadaval on ka muid, keerukamaid lahendusi, nt. töötluskeeles.

Lisaks hariduslikule otstarbele võib süsteemi kasutada ka mõne reaalse maailma rakenduse jaoks, kuna see võimaldab kvantitatiivselt mõõta jõude, mis üritavad kolbi ühel või teisel viisil liigutada. Nii et saate mõõta kolvile asetatud raskust või löögijõudu kolbile või ehitada lüliti, mis aktiveerib valguse või sumiseja või mängib heli pärast teatud läviväärtuse saavutamist. Või võite ehitada muusikariista, mis muudab sagedust sõltuvalt kolvile rakendatava jõu tugevusest.

4. samm: skript

Siin lisatud skript on Banggoodi veebisaidilt leitud BME280 skripti modifikatsioon. Ma lihtsalt optimeerisin Serial.print tellimusi, et neid paremini Arduino IDE seeriaplotteris kuvada.

Adafruuti skript näeb kenam välja, kuid see nõuab mõningaid nende teeke ja see ei tunne ära Banggoodi andurit.