یک دستگاه اندازه گیری فشار ساده برای اهداف آموزشی: 4 مرحله

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:57

در زیر دستورالعمل های ساخت یک دستگاه بسیار ساده و آسان برای بازی با اندازه گیری فشار را می بینید. ممکن است برای مدارس یا سایر پروژه های مرتبط با STEM در زمینه قوانین گاز قابل استفاده باشد ، اما ممکن است برای اندازه گیری نیروها یا وزن با دستگاههای دیگر ادغام شود. در حالی که این روزها تعداد زیادی سنسور برای اندازه گیری فشار در دسترس است ، من یک دستگاه ساده و ارزان را برای بازی با این سنسورها و استفاده از آنها برای اهداف آموزشی از دست دادم. ساختار من اساساً شامل یک سرنگ پلاستیکی بزرگ و یک سنسور شکست است. داخل سرنگ شکست توسط مجموعه ای از کابل ها که از خروجی سرنگ عبور می کنند به میکروکنترلر متصل می شود. خروجی سرنگ با استفاده از چسب حرارتی یا روش دیگری در هوا بسته می شود و در نتیجه حجم مشخصی از هوا در داخل سرنگ محبوس می شود. سپس سنسور به آردوینو یا میکروکنترلر دیگر متصل می شود. هنگامی که پیستون سرنگ حرکت می کند ، حجم و فشار تغییر می کند. اندازه گیری ها را می توان با استفاده از مانیتور سریال یا پلاتر سریال Arduino IDE در زمان واقعی نمایش داد.

مرحله 1: مواد مورد استفاده

یک سرنگ کاتتر پلاستیکی 150 یا 250 میلی لیتری - از طریق اینترنت یا در فروشگاه سخت افزار یا باغ در نزدیکی شما با چند دلار یا یورو موجود است. شکست سنسور فشار - من از یک سنسور ارزان قیمت (دما و فشار) BMP280 که در Banggood خریداری کردم استفاده کردم. این یک خروجی 3 ولت بدون تغییر سطح است ، هر کدام کمتر از 2 دلار. محدوده اندازه گیری بین 650 تا حدود 1580 hPa است. کابل ها و تخته نان: من از کابل های بلوز بلند برای اتصال شکست به یک تخته نان استفاده کردم. کابلها باید حداقل به اندازه سرنگ باشند ، در غیر این صورت اتصال کابلها و شکست بسیار مشکل است. یک دنده دو طرفه 5 -> 3 V: برای اتصال سنسور فوق به آردوینو لازم است. در صورت شکست سنسور شما ، مانند به عنوان نسخه Adafruit ، یکی از آنها قبلاً روی صفحه اجرا شده است یا میکروکنترلر شما با منطق 3V کار می کند. میکروکنترلر: من از نسخه Arduino Uno ، MonkMakesDuino استفاده کردم ، اما هر سازگار با Arduino باید کار کند. اگر این دستورالعمل های Adafruit را دنبال کنید ، حتی Micro: bit نیز کار می کند. بیشتر در این باره در یک دستورالعمل جداگانه بحث خواهد شد.

نگهدارنده سرنگ ممکن است برای برخی از برنامه ها مفید باشد ، اما ضروری نیست. Arduino IDE.

مرحله 2: مونتاژ و کاربرد

تمام قسمت ها را روی تخته نان خود تنظیم کنید. در صورت لزوم ، میکروکنترلر و دنده سطح را وصل کنید. در این صورت ، یکی از ریل های قدرت روی تخته نان خود را 5 ولت ، دیگری را 3 ولت تعریف کنید و آنها را به ترتیب با پورت های 5 ولت ، 3 ولت و زمینی میکروکنترلر متصل کنید ، سپس پورت های 3 ولت ، 5 ولت و GND تغییر سطح را متصل کنید. اکنون پورت های SDA (A4) و SCL (A5) آردوینو را با دو پورت غیرقابل تغذیه سمت 5 ولت تغییر سطح متصل کنید. لطفاً توجه داشته باشید که درگاه های SDA و SDA بین میکروکنترلرها متفاوت هستند ، بنابراین لطفاً موارد خود را بررسی کنید. سنسور خود را با استفاده از کابل هایی که بعداً با تغییر سطح استفاده خواهید کرد ، وصل کنید. SDA و SCL سنسور به پورت های مربوطه در سمت 3V تغییر سطح ، پورت های Vin و Gnd سنسور به 3V و زمین. اگر می خواهید از اسکریپت ارائه شده استفاده کنید ، نیازی به نصب کتابخانه های بیشتر در Arduino IDE نیست. اگر ترجیح می دهید از اسکریپت Adafruit BMP280 استفاده کنید ، کتابخانه های BMP280 و سنسور آنها را نصب کنید. اسکریپت BMP280 را بارگیری کرده و در Arduino بارگذاری کنید. برای بررسی اینکه آیا داده های منطقی دریافت می کنید ، از Serial Monitor استفاده کنید. در غیر این صورت ، اتصالات را بررسی کنید. حالا میکروکنترلر را خاموش کرده و کابل های اتصال سنسور و بردبرد را جدا کنید. حالا کابل ها را از طریق خروجی سرنگ عبور دهید. اگر از کابل های بلوز استفاده می کنید ممکن است لازم باشد که پریز را بزرگتر یا کمی کوتاه کنید. اطمینان حاصل کنید که انتهای ماده را یکی پس از دیگری از داخل عبور دهید. شکست I2C به چهار کابل احتیاج دارد ، ترجیحاً از کابل هایی با رنگ های مختلف استفاده کنید. سپس برک آوت و کابل ها را دوباره وصل کرده و بررسی کنید که اتصالات مانند بالا کار می کنند. حالا بریکت را به انتهای خروجی سرنگ منتقل کنید. پیستون را وارد کنید و آن را به موقعیت مرکزی ، کمی بیشتر از موقعیت استراحت برنامه ریزی شده منتقل کنید. کابل ها را به تخته نان متصل کرده و بررسی کنید که آیا سنسور کار می کند یا خیر. میکروکنترلر را خاموش کرده و سنسور را جدا کنید. یک قطره بزرگ چسب حرارتی را به انتهای پریز اضافه کنید. کمی از مواد را با دقت داخل آن بکشید و مطمئن شوید که انتهای آن در هوا بسته شده باشد. بگذارید چسب خنک شود و جا بیفتد ، سپس دوباره بررسی کنید که هوا محکم است یا خیر. در صورت لزوم ، چسب بیشتری به سوراخ های باقیمانده اضافه کنید. کابل های سنسور را به تخته وصل کرده و میکروکنترلر را راه اندازی کنید. Serial Monitor را فعال کنید تا بررسی کنید که آیا سنسور مقادیر دما و فشار را ارسال می کند یا خیر. با حرکت دادن پیستون ، می توانید مقادیر فشار را تغییر دهید. اما هنگام فشار یا فشار دادن پیستون ، دمای بیشتری را نیز مشاهده کنید.

بستن Serial Monitor و باز کردن 'Serial Plotter' ، حرکت پیستون.

در صورت لزوم ، می توانید با اعمال کمی نیرو در طرفین سرنگ در نزدیکی واشر ، مقدار کمی هوا را وارد یا خارج کنید.

مرحله 3: نتایج و چشم انداز

با دستگاهی که در اینجا شرح داده شده است ، می توانید ارتباط فشرده سازی و فشار را در یک آزمایش فیزیک ساده نشان دهید. از آنجا که سرنگ مقیاس روی آن است ، حتی انجام آزمایشات کمی نیز آسان است.

طبق قانون بویل ، [حجم * فشار] برای یک گاز در دمای معین ثابت است. این بدان معناست که اگر حجم معینی از گاز را N-fold فشرده کنید ، یعنی حجم نهایی 1/N است ، فشار آن نیز N-برابر می شود ، مانند: P1*V1 = P2*V2 = const.

برای اطلاعات بیشتر ، لطفاً به مقاله ویکی پدیا در مورد قوانین گاز نگاه کنید.

بنابراین شروع در نقاط استراحت مانند V1 = 100 میلی لیتر و P1 = 1000 hPa ، فشرده سازی تا حدود 66 میلی لیتر (یعنی V2 = 2/3 V1) باعث ایجاد فشار حدود 1500 hPa (P2 = 3/2 P1) می شود. کشیدن پیستون به 125 میلی لیتر (5/4 برابر حجم) فشاری در حدود 800 hPa (فشار 4/5) می دهد. اندازه گیری های من برای چنین دستگاه ساده ای به طرز شگفت انگیزی دقیق بود.

علاوه بر این ، شما مستقیماً تصور خواهید کرد که چقدر نیروی لازم برای فشرده سازی یا گسترش مقدار نسبتا کمی از هوا لازم است.

اما ما همچنین می توانیم برخی محاسبات را انجام داده و آنها را به صورت تجربی بررسی کنیم. فرض کنید ما هوا را تا 1500 hPa ، با فشار بارومتری پایه 1000 hPa فشرده می کنیم. بنابراین اختلاف فشار 500 hPa یا 50 ، 000 Pa است. برای سرنگ من ، قطر (d) پیستون حدود 4 سانتی متر یا 0.04 متر است.

حالا می توانید نیروی لازم برای نگه داشتن پیستون در آن موقعیت را محاسبه کنید. با توجه به P = F/A (فشار بر نیروی تقسیم بر مساحت است) ، یا تبدیل F = P*A. واحد SI برای نیرو "نیوتن" یا N ، برای طول "متر" یا m ، و "پاسکال" یا Pa برای فشار است. 1 Pa 1N در متر مربع است. برای یک پیستون گرد ، مساحت را می توان با استفاده از A = محاسبه کرد. ((d/2)^2) * pi ، که 0.00125 متر مربع برای سرنگ من می دهد. بنابراین 50 ، 000 Pa * 0.00125 m^2 = 63 N. در زمین ، 1 N با وزن 100 گرم ، بنابراین 63 N برابر با نگه داشتن وزن 6.3 کیلوگرم است.

بنابراین ساختن نوعی مقیاس بر اساس اندازه گیری فشار آسان خواهد بود.

از آنجا که سنسور دما بسیار حساس است ، حتی می توان تأثیر فشرده سازی بر دما را مشاهده کرد. من تصور می کنم که اگر از سنسور BME280 استفاده کنید ، که می تواند رطوبت را نیز اندازه گیری کند ، حتی ممکن است اثرات فشار بر رطوبت نسبی را مشاهده کنید.

پلاتر سریال Arduino IDE به شما امکان می دهد تغییرات فشار را در زمان واقعی به خوبی نمایش دهید ، اما راه حل های دیگر و مفصل تری نیز در دسترس هستند ، به عنوان مثال. در زبان پردازش

علاوه بر اهداف آموزشی ، ممکن است از سیستم برای برخی از برنامه های کاربردی در دنیای واقعی نیز استفاده شود ، زیرا این امر به شما امکان می دهد تا نیروهایی را که سعی می کنند پیستون را به این طرف و آن طرف حرکت دهند ، اندازه گیری کمی کنیم. بنابراین می توانید وزنه ای را که بر روی پیستون فشار وارد می کند یا نیروی ضربه ای به پیستون را اندازه گیری کنید ، یا سوئیچ بسازید که چراغ یا زنگ را فعال می کند یا بعد از رسیدن به مقدار آستانه صدا را پخش می کند. یا می توانید یک ساز موسیقی بسازید که فرکانس را بسته به قدرت نیروی وارد شده به پیستون تغییر می دهد.

مرحله 4: اسکریپت

اسکریپتی که در اینجا اضافه کردم اصلاح اسکریپت BME280 است که در وب سایت Banggood یافت شده است. من فقط دستورات Serial.print را بهینه کردم تا بتوانم آنها را در Arduino IDE Serial Plotter نمایش دهم.

اسکریپت Adafruit زیبا به نظر می رسد ، اما به برخی از کتابخانه های آنها نیاز دارد و سنسور Banggood را تشخیص نمی دهد.