Come realizzare un sensore di portata d'aria accurato con Arduino per un ventilatore COVID-19 inferiore a £ 20: 7 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

Si prega di consultare questo rapporto per la progettazione più recente di questo sensore di flusso dell'orifizio:

Queste istruzioni mostrano come costruire un sensore di portata d'aria utilizzando un sensore di pressione differenziale a basso costo e materiali prontamente disponibili. Il design è per un sensore di flusso del tipo a orifizio, l'orifizio (nel nostro caso una rondella) fornisce una restrizione e possiamo calcolare il flusso misurando la differenza di pressione attraverso l'orifizio.

Originariamente abbiamo progettato e costruito questo sensore per il nostro progetto chiamato OpenVent-Bristol, che è un design open source di un ventilatore a produzione rapida per il trattamento di COVID-19. Tuttavia, questo sensore può essere utilizzato praticamente in qualsiasi applicazione di rilevamento del flusso d'aria.

Questa versione iniziale del nostro design è realizzata interamente utilizzando parti standard, non è necessaria la stampa 3D o il taglio laser.

Il disegno allegato mostra un disegno in sezione trasversale del progetto. Sono semplicemente 2 lunghezze di tubo idraulico con una rondella incollata in mezzo, che misura la pressione differenziale attraverso l'orifizio per calcolare la portata.

Godere!! e dacci un commento se ne fai uno tuo.

Passaggio 1: acquistare le parti

Queste sono le parti di cui avrai bisogno:

• 2x 15 cm di lunghezza del tubo idraulico in PVC con diametro esterno di 22 mm
• 1x rondella metallica ID 5,5 mm OD circa 20 mm (tra 19,5-22 mm va bene)

• Un sensore di pressione differenziale (circa £ 10). Abbiamo usato un MPX5010DP ma potresti volerne selezionare uno diverso per adattarsi alle pressioni del tuo sistema. Alcuni negozi di esempio che vendono questi sensori sono elencati di seguito:

  • uk.rs-online.com/web/p/pressure-sensors/71…
  • www.digikey.co.uk/product-detail/en/nxp-us…
  • www.mouser.co.uk/ProductDetail/NXP-Semicon…
• Tubo della presa di pressione tagliato a una lunghezza di circa 20 mm: qualsiasi tubo rigido con diametro esterno di 2 mm dovrebbe essere adatto come un tubo di ottone. Per disperazione ho usato l'ugello spray di una bomboletta WD-40, ha funzionato ma la super colla non si è attaccata brillantemente
• super colla
• Tubo in silicone/PVC per il collegamento alle porte di pressione del sensore di pressione. L'ID di 2-3 mm dovrebbe andare bene, potresti aver bisogno di una piccola fascetta se il tuo tubo è sovradimensionato.

Potresti voler acquistare 1 o 2 connettori idraulici se desideri montare la tubazione del sensore di flusso su un altro tubo da 22 mm:

Nota: i materiali scelti non soddisfano le normative sui prodotti medicali, in particolare il PVC.

Passaggio 2: tagliare il tubo idraulico

Tagliare 2 lunghezze dal tubo idraulico. Abbiamo usato una lunghezza di 15 cm, ma potrebbe andare bene anche un po' più corta. Ho fatto i tagli usando una troncatrice perché è importante ottenere un bel taglio quadrato. Utilizzare carta vetrata per levigare eventuali sbavature

Passaggio 3: assemblare i tubi idraulici

• Superincolla la tua rondella all'estremità di un tubo, assicurati che la rondella sia concentrica con il tubo e assicurati di fare un cordone continuo di colla lungo tutta la circonferenza della rondella per assicurarti che non fuoriesca la pressione dell'aria.
• Quindi incollare l'altra lunghezza del tubo sull'altro lato della rondella. Ancora una volta, assicurati di incollare tutto intorno in modo che non fuoriesca aria

Passaggio 4: aggiungere i rubinetti a pressione

1. Praticare 2 fori alle distanze dalla rondella secondo l'immagine allegata
2. Spingi le aste da 2 mm di diametro esterno nei fori, assicurati che siano ben aderenti (il mio tubo aveva un diametro esterno di 2,2 ma la mia punta da trapano era di 2 mm, quindi ho appena agitato un po' il trapano finché il tubo non si è adattato perfettamente)
3. Superincolla il tubo nel foro, assicurandoti che sia sigillato tutto intorno
4. Avvolgi il nastro isolante attorno al rubinetto della pressione finché il tubo di silicone non si adatta bene e stretto

Passaggio 5: test e calibrazione

Collega il sensore di pressione al tuo Arduino e collega le prese di pressione alle porte del sensore di pressione. Assicurati che il pin analogico fisico del sensore corrisponda al pin del software.

Provalo utilizzando il codice allegato. Nota, sono necessarie le seguenti librerie:

• Filo.h
• e Sensirion_SFM3000_arduino (questa libreria è per un sensore diverso, ma ho apportato alcune modifiche al mio codice per tenerne conto)

Idealmente si desidera calibrare il sensore, abbiamo utilizzato un Sensirion SFM3300 collegato in serie con il sensore fatto in casa. I collegamenti per l'SFM3300 sono:

• Vcc - 5V
• GND - GND
• SDA - A4
• SCL - A5

Idealmente, la tua fonte d'aria per il test di calibrazione dovrebbe fornire un flusso costante ed essere controllabile per fornire una variazione controllata delle portate. Abbiamo usato una pompa a letto d'aria modificata per essere alimentata tramite un controller di velocità DC spazzolato elettronico controllato tramite un potenziometro. Se disponi di un alimentatore CC, funzionerà anche bene.

Il codice oltre ad essere in grado di leggere la pressione e il flusso dal nostro sensore, può anche leggere dal Sensirion SFM3300 tramite i2c, che è il sensore che abbiamo usato per la calibrazione. Dovrai adattare il codice di conseguenza se hai un diverso sensore di calibrazione. (Abbastanza sorprendentemente il sensore fai-da-te ha fornito letture più stabili e coerenti rispetto all'SFM3300)

La prima versione del codice utilizza una tabella di ricerca calibrata per emettere letture della portata. L'abbiamo fatto da

• registrazione della pressione su una scansione completa dalla nostra fonte d'aria (come file.csv)
• portando i dati in excel
• passandolo attraverso un'equazione per calcolare la portata
• quindi creando una tabella di ricerca separata da virgole che è stata copiata/incollata in un array intero Arduino

Il documento excel con l'equazione viene memorizzato…

La seconda versione del codice utilizzerà un'equazione nel codice per i seguenti motivi:

• tenere conto della temperatura (che influenzerà le letture della portata)
• per tenere conto di un cambiamento nella restrizione a valle, questo verrà rilevato con un sensore di pressione a valle separato

Passaggio 6: Opzione corretta del metodo di calibrazione Janky

Se non si dispone di un sensore di flusso standard per calibrarlo con un Sensirion SFM3300, questo è un modo per avere un'idea SUPER approssimativa dell'uscita del flusso. Tuttavia, funzionerà solo con una fonte di flusso ad alta pressione (anche la pompa del letto ad aria potrebbe avere difficoltà a gonfiare un palloncino) e funzionerà solo se è possibile attivare ripetutamente e disattivare l'alimentazione dell'aria

• Attacca un palloncino all'uscita del sistema e misura il diametro a cui si gonfia ad ogni gonfiaggio
• Riempi una caraffa graduata con acqua (forse circa a metà)
• Rigonfia il palloncino allo stesso diametro, quindi immergilo completamente nella brocca d'acqua e registra la differenza nel livello dell'acqua prima e dopo l'inserimento del palloncino
• Successivamente dovrai misurare il volume per gonfiaggio del palloncino nel tuo codice, questo viene fatto integrando il flusso nel tempo. Non posso darti il codice esatto per farlo perché dovrà essere diverso a seconda dell'origine del flusso e di come il tuo codice rileverà l'inizio e l'arresto del flusso, ma ho allegato una funzione in un file di testo che uscirà volume, dovrai solo dirgli quando iniziare e smettere di calcolare il volume (cioè per il nostro test questo era all'inizio e all'arresto di ogni respiro), questo è indicato alla funzione tramite la variabile booleana chiamata "breathStatus". Ricordati di passare la portata in ml/s a quella funzione quando la chiami.

Passaggio 7: integrazione nel sistema

Collegalo alla tua configurazione qualunque esso sia e divertiti a misurare la portata per meno di £ 15:)

In allegato è un'immagine di esempio di alcuni flussi, pressioni e volumi dalla nostra applicazione di ventilazione.

I giunti di accoppiamento diritto dell'impianto idraulico sono ottimi per unire questo sensore a un altro tubo con diametro esterno da 22 mm.