Un dispositivo de medición de presión simple para fines educativos: 4 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:43

A continuación, encontrará las instrucciones de construcción de un dispositivo muy simple y fácil de construir para jugar con las mediciones de presión. Puede ser útil para escuelas u otros proyectos relacionados con STEM sobre leyes de gases, pero también puede adaptarse para integrarse en otros dispositivos para medir fuerzas o peso. Si bien hay una gran cantidad de sensores para medir la presión disponibles en estos días, me faltaba un dispositivo simple y barato para jugar con estos sensores y usarlos con fines educativos. Mi construcción consiste básicamente en una gran jeringa de plástico y un sensor de ruptura colocado dentro de la jeringa. La ruptura está conectada a un microcontrolador mediante un conjunto de cables que atraviesan la salida de la jeringa. La salida de la jeringa se sella herméticamente con pegamento caliente o algún otro método, lo que da como resultado que un volumen definido de aire quede atrapado dentro de la jeringa. Luego, el sensor se conecta a un Arduino u otro microcontrolador. Cuando se mueve el émbolo de la jeringa, el volumen y la presión cambiarán. Las medidas se pueden mostrar en tiempo real utilizando el monitor en serie o el plotter en serie del Arduino IDE.

Paso 1: Materiales utilizados

Una jeringa de catéter de plástico de 150 o 250 ml, disponible a través de Internet o en una ferretería o tienda de jardinería cerca de usted por unos pocos dólares o euros Una ruptura del sensor de presión: utilicé un sensor BMP280 (temperatura y presión) barato que compré en Banggood. Este es un breakout de 3V sin cambiador de nivel, por menos de 2 $ cada uno. El rango de medición se encuentra entre 650 y aproximadamente 1580 hPa. Cables y protoboard: utilicé cables de puente largos para conectar el breakout con una protoboard. Los cables deben ser al menos tan largos como la jeringa, de lo contrario, conectar los cables y la ruptura es muy difícil. Un cambiador de nivel bidireccional 5 -> 3 V: necesario para conectar el sensor anterior a un Arduino. No es necesario si el sensor se rompe, p. Ej. como la versión Adafruit, ya tiene uno implementado a bordo, o su microcontrolador está funcionando con una lógica de 3V. Un microcontrolador: Usé una versión del Arduino Uno, el MonkMakesDuino, pero cualquier compatible con Arduino debería funcionar. Incluso el Micro: bit funciona si sigue estas instrucciones de Adafruit. Más sobre esto se discutirá en un instructivo separado que viene.

Un soporte para la jeringa puede ser útil para algunas aplicaciones, pero no es necesario. Arduino IDE.

Paso 2: Montaje y aplicación

Configure todas las partes en su tablero. Conecte el microcontrolador y el cambiador de nivel, si es necesario. En el caso, defina uno de los rieles de alimentación en su placa de pruebas como 5V, el otro como 3V y conéctelos con los puertos de tierra y 5V del microcontrolador respectivamente, luego conecte los puertos de 3V, 5V y GND del cambiador de nivel. Ahora conecte los puertos SDA (A4) y SCL (A5) del Arduino con dos puertos sin alimentación del lado de 5V del cambiador de nivel. Tenga en cuenta que los puertos SDA y SDA difieren entre los microcontroladores, así que verifique el suyo. Conecte su sensor usando los cables que usará más adelante con el cambiador de nivel. SDA y SCL del sensor a los puertos correspondientes en el lado de 3V del cambiador de nivel, los puertos Vin y Gnd del sensor a 3V y tierra. Si desea utilizar el script proporcionado, no es necesario instalar más bibliotecas en el IDE de Arduino. Si prefiere utilizar el script Adafruit BMP280, instale sus bibliotecas BMP280 y de sensores. Cargue el script BMP280 y cárguelo en el Arduino. Utilice Serial Monitor para verificar si recibe datos razonables. Si no es así, verifique las conexiones. Ahora apague el microcontrolador y desconecte los cables que conectan el sensor y la placa de pruebas. Ahora pase los cables por la salida de la jeringa. Si utiliza cables de puente, puede que sea necesario ensanchar la salida o acortarla un poco. Asegúrese de pasar los extremos femeninos hacia adentro, uno tras otro. Una ruptura I2C necesita cuatro cables, preferiblemente use unos de diferentes colores. Luego, vuelva a conectar la ruptura y los cables, y verifique que las conexiones funcionen, como se indicó anteriormente. Ahora mueva la ruptura al extremo de salida de la jeringa. Inserte el émbolo y muévalo a una posición central, un poco más allá de la posición de reposo cepillada. Conecte los cables a la placa de prueba y verifique si el sensor está funcionando. Apague el microcontrolador y desconecte el sensor. Agregue una gota grande de pegamento caliente al final de la salida. Aspire con cuidado un poco del material y asegúrese de que el extremo esté sellado herméticamente. Deje que el pegamento se enfríe y se asiente, luego vuelva a verificar si es hermético. Si es necesario, agregue un poco más de pegamento a los orificios restantes. Conecte los cables del sensor a la placa de pruebas y encienda el microcontrolador. Active el Monitor en serie para verificar si el sensor envía valores de temperatura y presión. Al mover el émbolo, puede cambiar los valores de presión. Pero también observe más de cerca los valores de temperatura cuando presiona o presiona el émbolo.

Cierre el Monitor de serie y abra el "Plotter de serie", mueva el émbolo. ¡Juegue!

Si es necesario, puede corregir el volumen aplicando un poco de fuerza a los lados de la jeringa cerca del área de la junta, dejando entrar o salir un poco de aire.

Paso 3: Resultados y Outlook

Con el dispositivo que se describe aquí, puede demostrar la correlación de la compresión y la presión en un simple experimento de física. Como la jeringa viene con una escala, incluso los experimentos de cuantificación son fáciles de realizar.

Según la ley de Boyle, [Volumen * Presión] es constante para un gas a una temperatura determinada. Esto significa que si comprime un volumen dado de gas N veces, es decir, el volumen final es 1 / N, su presión también aumentará N veces, como: P1 * V1 = P2 * V2 = const.

Para obtener más detalles, consulte el artículo de Wikipedia sobre leyes de gas.

Entonces, comenzando en puntos de reposo de, por ejemplo, V1 = 100 ml y P1 = 1000 hPa, una compresión de aproximadamente 66 ml (es decir, V2 = 2/3 de V1) dará como resultado una presión de aproximadamente 1500 hPa (P2 = 3/2 de P1). Al tirar del émbolo a 125 ml (volumen 5/4 veces) se obtiene una presión de aproximadamente 800 hPa (presión 4/5). Mis medidas fueron asombrosamente precisas para un dispositivo tan simple.

Además, tendrá una impresión háptica directa de cuánta fuerza se requiere para comprimir o expandir una cantidad relativamente pequeña de aire.

Pero también podemos realizar algunos cálculos y verificarlos experimentalmente. Suponga que comprimimos el aire a 1500 hPa, a una presión barométrica basal de 1000 hPa. Entonces la diferencia de presión es 500 hPa, o 50, 000 Pa. Para mi jeringa, el diámetro (d) del pistón es de aproximadamente 4 cm o 0.04 metros.

Ahora puede calcular la fuerza necesaria para mantener el pistón en esa posición. Dado P = F / A (la presión es la fuerza dividida por el área), o F = P * A transformada. La unidad SI para la fuerza es "Newton" o N, para la longitud "Metro" om, y "Pascal" o Pa para la presión. 1 Pa es 1N por metro cuadrado. Para un pistón redondo, el área se puede calcular usando A = ((d / 2) ^ 2) * pi, lo que da 0,00125 metros cuadrados para mi jeringa. Así que 50, 000 Pa * 0,00125 m ^ 2 = 63 N. En la Tierra, 1 N se correlaciona con un peso de 100 gr, por lo que 63 N equivalen a sostener un peso de 6,3 kg.

Por lo tanto, sería fácil construir una especie de escala basada en mediciones de presión.

Como el sensor de temperatura es extremadamente sensible, incluso se puede ver el efecto de la compresión sobre la temperatura. Supongo que si usa el sensor BME280, que también puede realizar mediciones de humedad, incluso puede ver los efectos de la presión sobre la humedad relativa.

El trazador de serie del Arduino IDE permite mostrar de forma agradable los cambios de presión en tiempo real, pero también hay disponibles otras soluciones más elaboradas, p. Ej. en el idioma de procesamiento.

Además de los propósitos educativos, también se puede usar el sistema para algunas aplicaciones del mundo real, ya que permite medir cuantitativamente las fuerzas que intentan mover el émbolo de una forma u otra. Por lo tanto, puede medir un peso colocado en el émbolo o una fuerza de impacto en el émbolo, o construir un interruptor que active una luz o un timbre o reproduzca un sonido después de que se alcance un cierto valor de umbral. O puede construir un instrumento musical que cambie la frecuencia dependiendo de la fuerza aplicada al émbolo.

Paso 4: el guión

El script que agregué aquí es una modificación del script BME280 que se encuentra en el sitio web de Banggood. Acabo de optimizar los pedidos de Serial.print para permitir mostrarlos mejor en el Arduino IDE Serial Plotter.

El script de Adafruit se ve mejor, pero requiere algunas de sus bibliotecas y no reconoce el sensor Banggood.