Un semplice dispositivo di misurazione della pressione per scopi didattici: 4 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:04

Di seguito trovi le istruzioni per la costruzione di un dispositivo molto semplice e facile da costruire per giocare con le misurazioni della pressione. Potrebbe essere utilizzabile per scuole o altri progetti relativi alle discipline STEM sulle leggi sul gas, ma può anche essere adattato per essere integrato in altri dispositivi per misurare forze o peso. Sebbene al giorno d'oggi sia disponibile un gran numero di sensori per le misurazioni della pressione, mi mancava un dispositivo semplice ed economico per giocare con questi sensori e utilizzarli per scopi didattici. Il mio costrutto consiste sostanzialmente in una grande siringa di plastica e un sensore di rottura posizionato all'interno della siringa. Il breakout è collegato a un microcontrollore tramite una serie di cavi che passano attraverso l'uscita della siringa. L'uscita della siringa è sigillata ermeticamente usando colla a caldo o qualche altro metodo, con il risultato che un volume definito di aria viene intrappolato all'interno della siringa. Il sensore viene quindi collegato a un Arduino o a un altro microcontrollore. Quando si sposta lo stantuffo della siringa, il volume e la pressione cambieranno. Le misurazioni possono essere visualizzate in tempo reale utilizzando il monitor seriale o il plotter seriale dell'IDE Arduino.

Passaggio 1: materiali utilizzati

Una siringa per catetere in plastica da 150 o 250 ml - disponibile via internet o presso un negozio di ferramenta o giardinaggio vicino a te per pochi $ o Euro. Un sensore di pressione breakout - Ho usato un sensore BMP280 (temperatura e pressione) economico che ho acquistato su Banggood. Questo è un breakout 3V senza level shifter, per meno di 2$ ciascuno. Il campo di misura è compreso tra 650 e circa 1580 hPa. Cavi e breadboard: ho utilizzato cavi jumper lunghi per collegare il breakout con una breadboard. I cavi dovrebbero essere lunghi almeno quanto la siringa, altrimenti il collegamento dei cavi e il breakout sono molto difficili. Un traslatore di livello bidirezionale 5 -> 3 V: necessario per collegare il sensore sopra ad un Arduino. Non richiesto se il sensore si rompe, ad es. come la versione Adafruit, ne ha uno già implementato a bordo, oppure il tuo microcontrollore funziona con una logica 3V. Un microcontrollore: ho usato una versione di Arduino Uno, il MonkMakesDuino, ma qualsiasi Arduino compatibile dovrebbe funzionare. Anche il Micro:bit funziona se segui queste istruzioni di Adafruit. Maggiori informazioni su questo saranno discusse in una prossima istruzione separata.

Un supporto per la siringa potrebbe essere utile per alcune applicazioni, ma non è necessario. L'IDE Arduino.

Passaggio 2: assemblaggio e applicazione

Imposta tutte le parti sulla breadboard. Collegare il microcontrollore e il traslatore di livello, se necessario. Nel caso, definire una delle linee di alimentazione sulla breadboard come 5V, l'altra come 3V e collegarle rispettivamente con le porte 5V, 3V e di terra del microcontrollore, quindi collegare le porte 3V, 5V e GND del traslatore di livello. Ora collega le porte SDA (A4) e SCL (A5) dell'Arduino con due porte non di alimentazione del lato 5V del traslatore di livello. Tieni presente che le porte SDA e SDA differiscono tra i microcontrollori, quindi controlla le tue. Collega il sensore utilizzando i cavi che utilizzerai in seguito con il traslatore di livello. SDA e SCL del sensore alle porte corrispondenti sul lato 3V del traslatore di livello, le porte Vin e Gnd del sensore a 3V e massa. Se si desidera utilizzare lo script fornito, non è necessaria l'installazione di ulteriori librerie nell'IDE di Arduino. Se preferisci utilizzare lo script Adafruit BMP280, installa il loro BMP280 e le librerie di sensori. Carica lo script BMP280 e caricalo su Arduino. Usa il monitor seriale per verificare se ricevi dati ragionevoli. In caso contrario, controlla le connessioni. Ora spegni il microcontrollore e scollega i cavi che collegano sensore e breadboard. Ora metti i cavi attraverso l'uscita della siringa. Se si utilizzano cavi jumper potrebbe essere necessario allargare la presa o accorciarla un po'. Assicurati di far passare le estremità femminili all'interno, una dopo l'altra. Un breakout I2C ha bisogno di quattro cavi, usane preferibilmente di colori diversi. Quindi ricollega breakout e cavi e controlla che le connessioni funzionino, come sopra. Ora sposta il breakout all'estremità di uscita della siringa. Inserisci lo stantuffo e spostalo in una posizione centrale, un po' più avanti rispetto alla posizione di riposo pianificata. Collega i cavi alla breadboard e controlla se il sensore funziona. Spegnere il microcontrollore e scollegare il sensore. Aggiungere una grossa goccia di colla a caldo all'estremità della presa. Aspirare con cautela un po' di materiale e assicurarsi che l'estremità sia sigillata a tenuta d'aria. Lascia che la colla si raffreddi e si stabilizzi, quindi controlla di nuovo se è a tenuta d'aria. Se necessario, aggiungere altra colla ai fori rimanenti. Collegare i cavi del sensore alla breadboard e avviare il microcontrollore. Attivare Serial Monitor per verificare se il sensore invia i valori di temperatura e pressione. Spostando lo stantuffo è possibile modificare i valori di pressione. Ma dai anche un'occhiata più da vicino ai valori di temperatura quando premi o premi lo stantuffo.

Chiudi il monitor seriale e apri il "Plotter seriale", sposta lo stantuffo. Gioca!

Se necessario, puoi correggere il volume applicando un po' di forza ai lati della siringa vicino alla zona della guarnizione, facendo entrare o uscire un po' d'aria.

Passaggio 3: risultati e prospettive

Con il dispositivo qui descritto, puoi dimostrare la correlazione tra compressione e pressione in un semplice esperimento di fisica. Poiché la siringa è dotata di una scala, anche gli esperimenti di quantificazione sono facili da eseguire.

Secondo la legge di Boyle, [Volume * Pressure] è costante per un gas a una data temperatura. Ciò significa che se si comprime un dato volume di gas N volte, cioè il volume finale è 1/N, anche la sua pressione aumenterà di N volte, come: P1*V1=P2*V2= cost.

Per maggiori dettagli, dai un'occhiata all'articolo di Wikipedia sulle leggi sul gas.

Quindi, partendo da punti di riposo, ad es. V1=100 ml e P1=1000 hPa, una compressione a circa 66 ml (ovvero V2=2/3 di V1) risulterà in una pressione di circa 1500 hPa (P2= 3/2 di P1). Tirando lo stantuffo a 125 ml (5/4 di volume) si ottiene una pressione di circa 800 hPa (4/5 di pressione). Le mie misurazioni erano sorprendentemente precise per un dispositivo così semplice.

Inoltre, avrai un'impressione tattile diretta di quanta forza è necessaria per comprimere o espandere una quantità d'aria relativamente piccola.

Ma possiamo anche eseguire alcuni calcoli e verificarli sperimentalmente. Supponiamo di comprimere l'aria a 1500 hPa, ad una pressione barometrica basale di 1000 hPa. Quindi la differenza di pressione è 500 hPa, o 50.000 Pa. Per la mia siringa, il diametro (d) del pistone è di circa 4 cm o 0,04 metri.

Ora puoi calcolare la forza necessaria per mantenere il pistone in quella posizione. Dato P = F/A (la pressione è la forza divisa per l'area), o trasformata F = P*A. L'unità SI per la forza è "Newton" o N, per la lunghezza "Metro" o m, e "Pascal" o Pa per la pressione. 1 Pa è 1 N per metro quadrato. Per un pistone rotondo, l'area può essere calcolata usando A = ((d/2)^2)*pi, che dà 0,00125 metri quadrati per la mia siringa, quindi 50.000 Pa * 0,00125 m^2 = 63 N. Sulla Terra, 1 N è correlato a un peso di 100 gr, quindi 63 N equivalgono a sostenere un peso di 6,3 kg.

Quindi sarebbe facile costruire una sorta di scala basata sulle misurazioni della pressione.

Poiché il sensore di temperatura è estremamente sensibile, si può persino vedere l'effetto della compressione sulla temperatura. Presumo che se si utilizzasse il sensore BME280, che può anche eseguire misurazioni dell'umidità, si potrebbero persino vedere gli effetti della pressione sull'umidità relativa.

Il plotter seriale dell'IDE Arduino permette di visualizzare piacevolmente le variazioni di pressione in tempo reale, ma sono disponibili anche altre soluzioni più elaborate, ad es. nella lingua di elaborazione.

Oltre a scopi didattici, si può anche utilizzare il sistema per alcune applicazioni del mondo reale, poiché consente di misurare quantitativamente le forze che stanno cercando di spostare lo stantuffo in un modo o nell'altro. Quindi potresti misurare un peso posizionato sullo stantuffo o una forza di impatto sullo stantuffo, o costruire un interruttore che attivi una luce o un cicalino o riproduca un suono dopo che è stato raggiunto un determinato valore di soglia. Oppure potresti costruire uno strumento musicale che cambia la frequenza a seconda della forza della forza applicata allo stantuffo.

Passaggio 4: la sceneggiatura

Lo script che ho aggiunto qui è una modifica dello script BME280 che si trova sul sito web di Banggood. Ho appena ottimizzato gli ordini Serial.print per consentire di visualizzarli meglio nell'IDE di Arduino Serial Plotter.

Lo script Adafruit sembra più carino, ma richiede alcune delle loro librerie e non riconosce il sensore Banggood.