Cómo hacer un sensor de tasa de flujo de aire preciso con Arduino por menos de £ 20 Ventilador COVID-19: 7 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

Consulte este informe para conocer el diseño más reciente de este sensor de flujo de orificio:

Este instructivo muestra cómo construir un sensor de caudal de aire utilizando un sensor de presión diferencial de bajo costo y materiales fácilmente disponibles. El diseño es para un sensor de flujo de tipo orificio, el orificio (en nuestro caso una arandela) proporciona una restricción y podemos calcular el flujo midiendo la diferencia de presión a través del orificio.

Originalmente diseñamos y construimos este sensor para nuestro proyecto llamado OpenVent-Bristol, que es un diseño de código abierto de ventilador de fabricación rápida para el tratamiento de COVID-19. Sin embargo, este sensor se puede utilizar en casi cualquier aplicación de detección de flujo de aire.

Esta versión inicial de nuestro diseño se realiza en su totalidad utilizando piezas estándar, no se necesita impresión 3D o corte por láser.

El dibujo adjunto muestra un dibujo en sección transversal del diseño. Es muy simple 2 tramos de tubería de plomería con una arandela superpegada en el medio, midiendo la presión diferencial a través del orificio para calcular la tasa de flujo.

¡¡Disfrutar!! y danos un comentario si haces el tuyo.

Paso 1: Compre piezas

Estas son las piezas que necesitará:

• 2 x 15 cm de longitud de tubería de PVC de 22 mm de diámetro exterior
• 1x arandela de metal ID 5.5 mm OD alrededor de 20 mm (entre 19.5-22 mm está bien)

• Un sensor de presión diferencial (aprox. £ 10). Usamos un MPX5010DP, pero es posible que desee seleccionar uno diferente para adaptarse a las presiones de su sistema. Algunas tiendas de ejemplo que venden estos sensores se enumeran a continuación:

  • 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…
• Tubería de toma de presión cortada a una longitud aproximada de 20 mm: cualquier tubería rígida de 2 mm de diámetro exterior debe ser adecuada, como un tubo de latón. Por desesperación utilicé la boquilla de pulverización de una lata de WD-40, funcionó pero el superpegamento no se pegó brillantemente
• Super pegamento
• Tubería de silicona / PVC para conectar a los puertos de presión del sensor de presión. El ID de 2-3 mm debería estar bien, es posible que necesite una pequeña brida para cables si su tubo es demasiado grande.

Es posible que desee comprar 1 o 2 conectores de plomería si desea colocar la tubería del sensor de flujo en otra tubería de 22 mm:

Nota: Los materiales elegidos no cumplen con la normativa de productos médicos, en particular el PVC.

Paso 2: corte el tubo de plomería

Corte 2 tramos del tubo de plomería. Usamos una longitud de 15 cm, pero puede funcionar bien un poco más corto. Hice los cortes con una sierra para cortar ingletes, ya que es importante obtener un buen corte cuadrado. Use papel de lija para suavizar las fresas.

Paso 3: Ensamble los tubos de plomería

• Pegue su lavadora al extremo de un tubo, asegúrese de que la arandela esté concéntrica con el tubo y asegúrese de hacer una gota continua de pegamento alrededor de la circunferencia de la lavadora para asegurarse de que no se escape presión de aire.
• Luego, pegue el otro tramo de tubo al otro lado de la arandela. Nuevamente, asegúrese de pegar todo el contorno para que no se escape aire.

Paso 4: agregue tomas de presión

1. Taladre 2 orificios a las distancias de la lavadora de acuerdo con la imagen adjunta.
2. Empuje las varillas de 2 mm de diámetro exterior en los orificios, asegúrese de que quede bien ajustado (mi tubo tenía un diámetro exterior de 2,2 pero mi broca era de 2 mm, así que moví el taladro un poco hasta que el tubo encajara bien)
3. Pegue el tubo en el orificio, asegurándose de que esté sellado por completo.
4. Envuelva la cinta aislante alrededor de su grifo de presión hasta que el tubo de silicona encaje bien y apretado

Paso 5: probar y calibrar

Conecte el sensor de presión a su Arduino y conecte las tomas de presión a los puertos del sensor de presión. Asegúrese de que el pin analógico físico del sensor coincida con el pin del software.

Pruébelo usando el código adjunto. Tenga en cuenta que se necesitan las siguientes bibliotecas:

• Wire.h
• y Sensirion_SFM3000_arduino (esta biblioteca es para un sensor diferente, pero hice algunos cambios en mi código para tener en cuenta eso)

Idealmente, desea calibrar su sensor, usamos un Sensirion SFM3300 conectado en serie con el sensor casero. Las conexiones para el SFM3300 son:

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

Idealmente, su fuente de aire para la prueba de calibración debería dar un flujo constante y ser controlable para dar un barrido controlado de las tasas de flujo. Usamos una bomba de lecho de aire hackeada para ser alimentada a través de un controlador de velocidad de CC cepillado electrónico controlado mediante un potenciómetro. Si tiene una fuente de alimentación de CC, también funcionará bien.

El código, además de ser capaz de leer la presión y el flujo de nuestro sensor, también puede leerlo del Sensirion SFM3300 a través de i2c, que es el sensor que usamos para la calibración. Deberá adaptar el código en consecuencia si tiene un sensor diferente. sensor de calibración. (Sorprendentemente, el sensor de bricolaje dio lecturas más constantes que el SFM3300)

La primera versión del código utiliza una tabla de búsqueda calibrada para generar lecturas de caudal. Hicimos esto por

• registrando la presión durante un barrido completo de nuestra fuente de aire (como archivo.csv)
• tomando los datos en Excel
• Pasarlo a través de una ecuación para calcular el caudal.
• luego creando una tabla de búsqueda separada por comas que se copió / pegó en una matriz de enteros Arduino

El documento de Excel con la ecuación se almacena …

La segunda versión del código utilizará una ecuación en el código por las siguientes razones:

• para tener en cuenta la temperatura (que afectará a las lecturas del caudal)
• para tener en cuenta un cambio en la restricción aguas abajo, esto se detectará con un sensor de presión aguas abajo separado

Paso 6: Opción de método de calibración adecuado de Janky

Si no tiene un sensor de flujo estándar para calibrarlo, como un Sensirion SFM3300, esta es una forma de tener una idea SUPER aproximada de la salida de flujo. Sin embargo, esto solo funcionará con una fuente de flujo de alta presión (incluso la bomba de lecho de aire podría tener dificultades para inflar un globo) y solo funcionará si puede encender y apagar repetidamente su suministro de aire

• Conecte un globo a la salida del sistema y mida el diámetro al que se infla en cada inflado
• Llene una jarra medidora con agua (tal vez hasta la mitad)
• Vuelva a inflar su globo a ese mismo diámetro, luego sumérjalo completamente en su jarra de agua y registre la diferencia en el nivel del agua antes y después de insertar el globo.
• A continuación, deberá medir el volumen por inflado del globo en su código, esto se hace integrando el flujo a lo largo del tiempo. No puedo darle el código exacto para hacer esto porque tendrá que ser diferente dependiendo de su fuente de flujo y cómo su código detectará un inicio y una parada del flujo, pero he adjuntado una función en un archivo de texto que saldrá volumen, solo necesitará decirle cuándo comenzar y dejar de calcular el volumen (es decir, para nuestra prueba esto fue al comienzo y al final de cada respiración), esto se indica a la función a través de la variable booleana llamada "estado de respiración". Recuerde pasar el caudal en ml / sa esa función cuando la llame.

Paso 7: integre en su sistema

Conéctelo a su configuración, sea lo que sea y disfrute midiendo el caudal por menos de £ 15:)

Se adjunta una imagen de ejemplo de algunos flujos, presiones y volúmenes de nuestra aplicación de ventilador.

Las juntas de acoplamiento rectas de plomería son excelentes para unir este sensor a otro tubo de diámetro exterior de 22 mm.