Een eenvoudig drukmeetapparaat voor educatieve doeleinden - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:18

Hieronder vind je bouwinstructies voor een zeer eenvoudig en makkelijk te bouwen apparaat om te spelen met drukmetingen. Het kan bruikbaar zijn voor scholen of andere STEM-gerelateerde projecten over gaswetten, maar kan ook worden aangepast om te worden geïntegreerd in andere apparaten om krachten of gewicht te meten. Hoewel er tegenwoordig een groot aantal sensoruitbraken voor drukmetingen beschikbaar is, miste ik een eenvoudig en goedkoop apparaat om met deze sensoren te spelen en ze voor educatieve doeleinden te gebruiken. Mijn constructie bestaat in feite uit een grote plastic spuit en een geplaatste sensoruitbraak binnenkant van de spuit. De uitbraak is verbonden met een microcontroller door een set kabels die door de uitlaat van de spuit gaan. De uitlaat van de spuit wordt luchtdicht afgesloten met behulp van hete lijm of een andere methode, waardoor een bepaald luchtvolume in de spuit wordt opgesloten. De sensor wordt vervolgens aangesloten op een Arduino of een andere microcontroller. Wanneer de zuiger van de spuit wordt bewogen, veranderen het volume en de druk. De metingen kunnen realtime worden weergegeven met behulp van de seriële monitor of seriële plotter van de Arduino IDE.

Stap 1: Gebruikte materialen

Een plastic katheterspuit van 150 of 250 ml - verkrijgbaar via internet of bij een bouwmarkt of tuinwinkel bij jou in de buurt voor een paar $ of Euro. Een uitbraak van een druksensor - ik gebruikte een goedkope BMP280-sensor (temperatuur en druk) die ik bij Banggood kocht. Dit is een 3V breakout zonder level shifter, voor minder dan $ 2 per stuk. Het meetbereik ligt tussen 650 en ongeveer 1580 hPa. Kabels en breadboard: Ik heb lange startkabels gebruikt om de breakout met een breadboard te verbinden. De kabels moeten minstens zo lang zijn als de spuit, anders is het aansluiten van kabels en uitbreken erg moeilijk. Een bidirectionele 5 -> 3 V level shifter: vereist om de bovenstaande sensor op een Arduino aan te sluiten. Niet nodig als uw sensor doorbreekt, b.v. zoals de Adafruit-versie, heeft er al een aan boord geïmplementeerd, of je microcontroller werkt met een 3V-logica. Een microcontroller: ik gebruikte een versie van de Arduino Uno, de MonkMakesDuino, maar elke Arduino-compatibel zou moeten werken. Zelfs de Micro:bit werkt als je deze instructies van Adafruit volgt. Meer hierover zal worden besproken in een komende aparte instructable.

Een houder voor de spuit kan voor sommige toepassingen handig zijn, maar is niet noodzakelijk. De Arduino IDE.

Stap 2: Montage en toepassing

Zet alle onderdelen op je breadboard. Sluit de microcontroller en de niveauverschuiver aan, indien nodig. In het geval, definieer een van de stroomrails op uw breadboard als 5V, de andere als 3V en verbind ze met respectievelijk de 5V-, 3V- en grondpoorten van de microcontroller, en sluit vervolgens de 3V-, 5V- en GND-poorten van de niveauverschuiver aan. Verbind nu de SDA (A4) en SCL (A5) poorten van de Arduino met twee niet-stroom poorten van de 5V kant van de level shifter. Houd er rekening mee dat SDA- en SDA-poorten verschillen tussen microcontrollers, dus controleer de uwe. Sluit uw sensor aan met de kabels die u later met de niveauverschuiver zult gebruiken. SDA en SCL van de sensor naar de overeenkomstige poorten aan de 3V-zijde van de niveauverschuiver, de Vin- en Gnd-poorten van de sensor naar 3V en aarde. Als u het meegeleverde script wilt gebruiken, is een installatie van verdere bibliotheken naar de Arduino IDE niet nodig. Als je liever het Adafruit BMP280-script gebruikt, installeer dan hun BMP280- en sensorbibliotheken. Laad het BMP280-script en upload het naar de Arduino. Gebruik de seriële monitor om te controleren of je redelijke gegevens ontvangt. Als dit niet het geval is, controleer dan de verbindingen. Schakel nu de microcontroller uit en koppel de kabels los die de sensor en het breadboard verbinden. Steek nu de kabels door de uitgang van de spuit. Als u startkabels gebruikt, kan het nodig zijn om het stopcontact te verbreden of iets in te korten. Zorg ervoor dat u de vrouwelijke uiteinden de een na de ander naar binnen passeert. Een I2C-breakout heeft vier kabels nodig, gebruik bij voorkeur kabels in verschillende kleuren. Sluit vervolgens de breakout en kabels opnieuw aan en controleer of de verbindingen werken, zoals hierboven. Verplaats nu de uitbraak naar het uitlaatuiteinde van de spuit. Plaats de plunjer en verplaats deze naar een middenpositie, iets verder dan de geschaafde rustpositie. Sluit de kabels aan op het breadboard en controleer of de sensor werkt. Schakel de microcontroller uit en koppel de sensor los. Voeg een grote druppel hete lijm toe aan het uiteinde van het stopcontact. Zuig voorzichtig een beetje van het materiaal naar binnen en zorg ervoor dat het uiteinde luchtdicht wordt afgesloten. Laat de lijm afkoelen en bezinken, controleer dan opnieuw of hij luchtdicht is. Voeg indien nodig wat meer lijm toe aan de resterende gaten. Sluit de sensorkabels aan op het breadboard en start de microcontroller. Activeer Serial Monitor om te controleren of de sensor temperatuur- en drukwaarden verzendt. Door de plunjer te verplaatsen, kunt u de drukwaarden wijzigen. Maar kijk ook eens goed naar de temperatuurwaarden als u de plunjer indrukt of indrukt.

Sluit de Serial Monitor en open de 'Serial Plotter', verplaats de plunjer. Spelen!

Indien nodig kunt u het volume corrigeren door een beetje kracht uit te oefenen op de zijkanten van de spuit in de buurt van het gebied van de pakking, waardoor er wat lucht in of uit kan worden gelaten.

Stap 3: Resultaten en Outlook

Met het hier beschreven apparaat kun je de correlatie tussen compressie en druk aantonen in een eenvoudig natuurkundig experiment. Omdat de spuit wordt geleverd met een schaal erop, zijn zelfs kwantificerende experimenten eenvoudig uit te voeren.

Volgens de wet van Boyle is [Volume * Druk] constant voor een gas bij een bepaalde temperatuur. Dit betekent dat als je een bepaald gasvolume N-voudig comprimeert, d.w.z. het uiteindelijke volume is 1/N, de druk ook N-voudig stijgt, als: P1*V1=P2*V2= const.

Kijk voor meer informatie in het Wikipedia-artikel over gaswetten.

Dus beginnend bij een rustpunt van b.v. V1=100 ml en P1=1000 hPa, een compressie tot ongeveer 66 ml (d.w.z. V2=2/3 van V1) resulteert in een druk van ongeveer 1500 hPa (P2= 3/2 van P1). Trekken van de plunjer tot 125 ml (5/4-voudig volume) geeft een druk van ongeveer 800 hPa (4/5 druk). Mijn metingen waren verbazingwekkend nauwkeurig voor zo'n eenvoudig apparaat.

Bovendien heeft u direct een haptische indruk hoeveel kracht er nodig is om een relatief kleine hoeveelheid lucht samen te drukken of uit te zetten.

Maar we kunnen ook wat berekeningen uitvoeren en experimenteel controleren. Stel dat we de lucht comprimeren tot 1500 hPa, bij een basale luchtdruk van 1000 hPa. Het drukverschil is dus 500 hPa, of 50.000 Pa. Voor mijn spuit is de diameter (d) van de zuiger ongeveer 4 cm of 0,04 meter.

Nu kun je de kracht berekenen die nodig is om de zuiger in die positie te houden. Gegeven P = F/A (Druk is Kracht gedeeld door Oppervlakte), of getransformeerd F = P*A. De SI-eenheid voor kracht is "Newton" of N, voor lengte "Meter" of m, en "Pascal" of Pa voor druk. 1 Pa is 1N per vierkante meter. Voor een ronde zuiger kan de oppervlakte worden berekend met A = ((d/2)^2)*pi, wat 0,00125 vierkante meter geeft voor mijn spuit. Dus 50.000 Pa * 0,00125 m^2 = 63 N. Op aarde komt 1 N overeen met een gewicht van 100 gr, dus 63 N zijn gelijk aan het dragen van een gewicht van 6,3 kg.

Het zou dus gemakkelijk zijn om een soort schaal te bouwen op basis van drukmetingen.

Omdat de temperatuursensor extreem gevoelig is, kan men zelfs het effect van compressie op de temperatuur zien. Ik neem aan dat als je de BME280-sensor zou gebruiken, die ook vochtigheidsmetingen kan doen, je misschien zelfs de effecten van druk op de relatieve vochtigheid ziet.

De seriële plotter van de Arduino IDE maakt het mogelijk om de drukveranderingen in realtime mooi weer te geven, maar er zijn ook andere, meer uitgebreide oplossingen beschikbaar, b.v. in de Verwerkingstaal.

Naast educatieve doeleinden kan men het systeem ook gebruiken voor sommige toepassingen in de echte wereld, omdat het de mogelijkheid biedt om krachten kwantitatief te meten die de plunjer op de een of andere manier proberen te bewegen. Je zou dus een gewicht op de plunjer kunnen meten of een slagkracht op de plunjer, of een schakelaar kunnen bouwen die een licht of zoemer activeert of een geluid laat horen nadat een bepaalde drempelwaarde is bereikt. Of je zou een muziekinstrument kunnen bouwen dat de frequentie verandert afhankelijk van de kracht die op de plunjer wordt uitgeoefend.

Stap 4: Het script

Het script dat ik hier heb toegevoegd, is een wijziging van het BME280-script dat te vinden is op de Banggood-website. Ik heb zojuist de Serial.print-orders geoptimaliseerd om ze beter weer te geven in de Arduino IDE Serial Plotter.

Het Adafruit-script ziet er mooier uit, maar het vereist een aantal van hun bibliotheken en het herkent de Banggood-sensor niet.