Eğitim Amaçlı Basit Bir Basınç Ölçüm Cihazı: 4 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:20

Aşağıda, basınç ölçümleriyle oynamak için çok basit ve yapımı kolay bir cihazın yapım talimatlarını bulacaksınız. Gaz yasalarıyla ilgili okullar veya diğer STEM ile ilgili Projeler için kullanılabilir, ancak kuvvetleri veya ağırlığı ölçmek için diğer cihazlara entegre edilecek şekilde de uyarlanabilir. Bu günlerde basınç ölçümleri için çok sayıda sensör kırılması mevcut olsa da, bu sensörlerle oynamak ve onları eğitim amaçlı kullanmak için basit ve ucuz bir cihazı kaçırıyordum. Yapım temel olarak büyük bir plastik şırınga ve yerleştirilmiş bir sensör çıkışından oluşuyor. şırınganın içi. Koparma, şırınganın çıkışından geçen bir dizi kablo ile bir mikro denetleyiciye bağlanır. Şırınganın çıkışı, sıcak tutkal veya başka bir yöntem kullanılarak hava geçirmez şekilde kapatılır, bu da şırınga içinde belirli bir hacimde havanın tutulmasına neden olur. Sensör daha sonra bir Arduino'ya veya başka bir mikro denetleyiciye bağlanır. Şırınganın pistonu hareket ettirildiğinde hacim ve basınç değişecektir. Ölçümler, Arduino IDE'nin seri monitörü veya seri çizicisi kullanılarak gerçek zamanlı olarak görüntülenebilir.

Adım 1: Kullanılan Malzemeler

150 veya 250 ml'lik bir plastik kateter şırıngası - internet üzerinden veya yakınınızdaki bir donanım veya bahçe mağazasından birkaç $ veya Euro karşılığında satın alınabilir. Bir basınç sensörü koparma - Banggood'dan aldığım ucuz bir BMP280 (sıcaklık ve basınç) sensörünü kullandım. Bu, her biri 2$'dan daha az bir ücret karşılığında, seviye değiştiricisiz 3V'luk bir kesintidir. Ölçüm aralığı 650 ile yaklaşık 1580 hPa arasındadır. Kablolar ve devre tahtası: Devreyi bir devre tahtasına bağlamak için uzun atlama kabloları kullandım. Kablolar en az şırınga kadar uzun olmalıdır, aksi takdirde kabloları bağlamak ve koparmak çok zordur. Çift yönlü 5 -> 3 V seviye değiştirici: Yukarıdaki sensörü bir Arduino'ya bağlamak için gereklidir. Sensör kopmanız durumunda gerekli değildir, örn. Adafruit versiyonu olarak, yerleşik bir tane var veya mikrodenetleyiciniz 3V mantıkla çalışıyor. Bir mikrodenetleyici: MonkMakesDuino olan Arduino Uno'nun bir sürümünü kullandım, ancak herhangi bir Arduino uyumlu çalışmalıdır. Adafruit'in bu talimatlarını izlerseniz Micro:bit bile çalışır. Bununla ilgili daha fazla bilgi, gelen ayrı bir talimatta tartışılacaktır.

Bazı uygulamalar için şırınga tutucusu yardımcı olabilir, ancak gerekli değildir. Arduino IDE.

Adım 2: Montaj ve Uygulama

Breadboard'unuzdaki tüm parçaları ayarlayın. Gerekirse mikro denetleyiciyi ve seviye değiştiriciyi bağlayın. Bu durumda, breadboard'unuzdaki güç raylarından birini 5V, diğerini 3V olarak tanımlayın ve bunları mikrodenetleyicinin sırasıyla 5V, 3V ve toprak portlarına bağlayın, ardından seviye değiştiricinin 3V, 5V ve GND portlarını bağlayın. Şimdi Arduino'nun SDA (A4) ve SCL (A5) bağlantı noktalarını seviye değiştiricinin 5V tarafındaki iki güç olmayan bağlantı noktasına bağlayın. SDA ve SDA portlarının mikrodenetleyiciler arasında farklılık gösterdiğini lütfen unutmayın, bu yüzden lütfen sizinkini kontrol edin. Sensörünüzü, seviye değiştirici ile daha sonra kullanacağınız kabloları kullanarak bağlayın. Seviye değiştiricinin 3V tarafındaki sensörün SDA ve SCL'sine karşılık gelen portlara, sensörün Vin ve Gnd portlarına 3V ve toprak. Sağlanan betiği kullanmak istiyorsanız, Arduino IDE'ye başka kitaplıkların kurulumuna gerek yoktur. Adafruit BMP280 betiğini kullanmayı tercih ederseniz, BMP280 ve sensör kitaplıklarını kurun. BMP280 betiğini yükleyin ve Arduino'ya yükleyin. Makul veri alıp almadığınızı kontrol etmek için Seri Monitörü kullanın. Değilse, bağlantıları kontrol edin. Şimdi mikro denetleyiciyi kapatın ve sensör ile devre kartını bağlayan kabloları çıkarın. Şimdi kabloları şırınganın çıkışından geçirin. Atlama kabloları kullanıyorsanız, çıkışı genişletmeniz veya biraz kısaltmanız gerekebilir. Dişi uçları birbiri ardına içeri geçirdiğinizden emin olun. Bir I2C devresi dört kabloya ihtiyaç duyar, tercihen farklı renklerde olanları kullanın. Ardından, devreyi ve kabloları yeniden bağlayın ve bağlantıların yukarıdaki gibi çalıştığını kontrol edin. Şimdi koparmayı şırınganın çıkış ucuna taşıyın. Pistonu sokun ve planlanmış dinlenme konumundan biraz daha ileri bir orta konuma getirin. Kabloları devre tahtasına bağlayın ve sensörün çalışıp çalışmadığını kontrol edin. Mikrodenetleyiciyi kapatın ve sensörün bağlantısını kesin. Çıkışın ucuna büyük bir damla sıcak tutkal ekleyin. Malzemenin bir kısmını dikkatlice emdirin ve ucun hava geçirmez şekilde kapatıldığından emin olun. Tutkalın soğumasını ve yerleşmesini sağlayın, ardından hava geçirmezliğini tekrar kontrol edin. Gerekirse, kalan deliklere biraz daha yapıştırıcı ekleyin. Sensör kablolarını devre tahtasına bağlayın ve mikro denetleyiciyi başlatın. Sensörün sıcaklık ve basınç değerleri gönderip göndermediğini kontrol etmek için Seri Monitörü etkinleştirin. Pistonu hareket ettirerek basınç değerlerini değiştirebilirsiniz. Ancak pistona bastığınızda veya bastığınızda sıcaklık değerlerine daha yakından bakın.

Seri Monitörü kapatın ve 'Seri Plotter'ı açın, pistonu hareket ettirin. Oynat!

Gerekirse, şırınganın conta alanına yakın kenarlarına biraz kuvvet uygulayarak, biraz hava girmesine veya çıkmasına izin vererek hacmi düzeltebilirsiniz.

3. Adım: Sonuçlar ve Görünüm

Burada açıklanan cihazla, basit bir fizik deneyinde sıkıştırma ve basınç korelasyonunu gösterebilirsiniz. Şırınga üzerinde bir ölçek bulunduğundan, nicel deneylerin bile gerçekleştirilmesi kolaydır.

Boyle yasasına göre, [Hacim * Basınç] belirli bir sıcaklıkta bir gaz için sabittir. Bu, belirli bir gaz hacmini N-kat sıkıştırırsanız, yani nihai hacim 1/N ise, basıncı da N-kat artacaktır, şu şekilde:P1*V1=P2*V2= const.

Daha fazla ayrıntı için lütfen gaz yasalarıyla ilgili Wikipedia makalesine bakın.

Yani örneğin dinlenme noktalarından başlayarak. V1=100 ml ve P1=1000 hPa, yaklaşık 66 ml'ye (yani V2=2/3 V1'e) bir sıkıştırma, yaklaşık 1500 hPa'lık bir basınçla sonuçlanacaktır (P2=P1'in 3/2'si). Pistonu 125 ml'ye (5/4 kat hacim) çekmek, yaklaşık 800 hPa (4/5 basınç) bir basınç verir. Ölçümlerim bu kadar basit bir cihaz için şaşırtıcı derecede hassastı.

Ek olarak, nispeten az miktarda havayı sıkıştırmak veya genişletmek için ne kadar kuvvet gerektiğini doğrudan dokunsal bir izlenime sahip olacaksınız.

Ama aynı zamanda bazı hesaplamalar yapabilir ve deneysel olarak kontrol edebiliriz. 1000 hPa'lık bir bazal barometrik basınçta havayı 1500 hPa'ya sıkıştırdığımızı varsayalım. Yani basınç farkı 500 hPa veya 50.000 Pa'dır. Şırıngam için pistonun çapı (d) yaklaşık 4 cm veya 0.04 metredir.

Şimdi, pistonu bu konumda tutmak için gereken kuvveti hesaplayabilirsiniz. Verilen P = F/A (Basınç Kuvvet bölü Alan) veya dönüştürülmüş F = P*A. Kuvvet için SI birimi "Newton" veya N, uzunluk için "Metre" veya m ve basınç için "Pascal" veya Pa'dır. 1 Pa, metrekare başına 1N'dir. Yuvarlak bir piston için alan, A = kullanılarak hesaplanabilir. ((d/2)^2)*pi, şırıngam için 0,00125 metrekare verir. Yani 50.000 Pa * 0.00125 m^2 = 63 N. Dünya'da 1 N, 100 gr ağırlığa karşılık gelir, yani 63 N, 6,3 kg ağırlığa eşittir.

Bu nedenle, basınç ölçümlerine dayalı bir tür ölçek oluşturmak kolay olurdu.

Sıcaklık sensörü son derece hassas olduğundan, sıkıştırmanın sıcaklık üzerindeki etkisi bile görülebilir. Nem ölçümü de yapabilen BME280 sensörünü kullanırsanız, basıncın bağıl nem üzerindeki etkilerini bile görebileceğinizi varsayıyorum.

Arduino IDE'nin seri çizicisi, basınç değişikliklerini gerçek zamanlı olarak güzel bir şekilde görüntülemeye izin verir, ancak başka, daha ayrıntılı çözümler de mevcuttur, örn. İşleme dilinde.

Eğitim amaçlarının yanı sıra, pistonu bir yöne veya diğerine hareket ettirmeye çalışan kuvvetleri nicel olarak ölçmeye izin verdiği için sistem bazı gerçek dünya uygulamaları için de kullanılabilir. Böylece, pistona yerleştirilen ağırlığı veya piston üzerindeki darbe kuvvetini ölçebilir veya belirli bir eşik değerine ulaşıldıktan sonra bir ışık veya zili etkinleştiren veya ses çıkaran bir anahtar oluşturabilirsiniz. Ya da pistona uygulanan kuvvete göre frekansı değiştiren bir müzik aleti yapabilirsiniz.

4. Adım: Komut Dosyası

Buraya eklediğim komut dosyası Banggood web sitesinde bulunan BME280 komut dosyasının bir modifikasyonudur. Serial.print siparişlerini Arduino IDE Seri Plotter'da daha iyi görüntüleyebilmeleri için optimize ettim.

Adafruit komut dosyası daha hoş görünüyor, ancak bazı kitaplıklarını gerektiriyor ve Banggood sensörünü tanımıyor.