Ein einfaches Druckmessgerät für Bildungszwecke - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:20

Nachfolgend finden Sie eine Bauanleitung für ein sehr einfaches und leicht zu bauendes Gerät zum Spielen mit Druckmessungen. Es kann für Schulen oder andere MINT-bezogene Projekte zu Gasgesetzen verwendet werden, kann aber auch für die Integration in andere Geräte zur Messung von Kräften oder Gewichten angepasst werden. Während es heutzutage eine große Anzahl von Sensor-Breakouts für Druckmessungen gibt, fehlte mir ein einfaches und billiges Gerät, um mit diesen Sensoren zu spielen und sie für Bildungszwecke zu verwenden. Mein Konstrukt besteht im Wesentlichen aus einer großen Plastikspritze und einem platzierten Sensor-Breakout im Inneren der Spritze. Der Breakout ist über einen Kabelsatz, der durch den Auslass der Spritze führt, mit einem Mikrocontroller verbunden. Der Auslass der Spritze wird mit Heißkleber oder einer anderen Methode luftdicht verschlossen, wodurch ein definiertes Luftvolumen in der Spritze eingeschlossen wird. Der Sensor wird dann mit einem Arduino oder einem anderen Mikrocontroller verbunden. Wenn der Kolben der Spritze bewegt wird, ändern sich Volumen und Druck. Die Messungen können in Echtzeit mit dem seriellen Monitor oder seriellen Plotter der Arduino IDE angezeigt werden.

Schritt 1: Verwendete Materialien

Eine 150 oder 250 ml Plastikkatheterspritze - erhältlich über das Internet oder in einem Hardware- oder Gartengeschäft in Ihrer Nähe für ein paar $ oder Euro. Ein Drucksensor-Breakout - Ich habe einen billigen BMP280-Sensor (Temperatur und Druck) verwendet, den ich bei Banggood gekauft habe. Dies ist ein 3V-Breakout ohne Level-Shifter für weniger als 2 $ pro Stück. Der Messbereich liegt zwischen 650 und ca. 1580 hPa. Kabel und Steckbrett: Ich habe lange Überbrückungskabel verwendet, um den Breakout mit einem Steckbrett zu verbinden. Die Kabel sollten mindestens so lang wie die Spritze sein, sonst ist das Anschließen von Kabeln und Breakout sehr schwierig. Ein bidirektionaler 5 -> 3 V Levelshifter: erforderlich, um den obigen Sensor an einen Arduino anzuschließen. Nicht erforderlich, wenn Ihr Sensor-Breakout, z. B. B. die Adafruit-Version, hat bereits eine an Bord implementiert, oder Ihr Mikrocontroller arbeitet mit einer 3V-Logik. Ein Mikrocontroller: Ich habe eine Version des Arduino Uno verwendet, den MonkMakesDuino, aber jeder Arduino-kompatible sollte funktionieren. Sogar das Micro:bit funktioniert, wenn Sie dieser Anleitung von Adafruit folgen. Mehr dazu wird in einem kommenden separaten instructable besprochen.

Ein Halter für die Spritze kann für manche Anwendungen hilfreich sein, ist aber nicht notwendig. Die Arduino IDE.

Schritt 2: Montage und Anwendung

Richten Sie alle Teile auf Ihrem Steckbrett ein. Mikrocontroller und Levelshifter anschließen, falls erforderlich. Definieren Sie für den Fall eine der Stromschienen auf Ihrem Steckbrett als 5 V, die andere als 3 V und verbinden Sie sie mit den 5 V-, 3 V- und Masseanschlüssen des Mikrocontrollers. Verbinden Sie dann die 3 V-, 5 V- und GND-Anschlüsse des Pegelumsetzers. Verbinden Sie nun die SDA (A4) und SCL (A5) Ports des Arduino mit zwei Nicht-Power-Ports der 5V-Seite des Levelshifters. Bitte beachten Sie, dass sich SDA- und SDA-Ports zwischen den Mikrocontrollern unterscheiden, also überprüfen Sie bitte Ihre. Verbinden Sie Ihren Sensor mit den Kabeln, die Sie später mit dem Pegelumsetzer verwenden werden. SDA und SCL des Sensors an die entsprechenden Ports auf der 3V-Seite des Pegelumsetzers, Die Vin- und Gnd-Ports des Sensors an 3V und Masse. Wenn Sie das mitgelieferte Skript verwenden möchten, ist eine Installation weiterer Bibliotheken zur Arduino IDE nicht erforderlich. Wenn Sie es vorziehen, das Adafruit BMP280-Skript zu verwenden, installieren Sie deren BMP280- und Sensorbibliotheken. Laden Sie das BMP280-Skript und laden Sie es auf den Arduino hoch. Verwenden Sie den Serial Monitor, um zu überprüfen, ob Sie vernünftige Daten erhalten. Wenn nicht, überprüfen Sie die Verbindungen. Schalten Sie nun den Mikrocontroller aus und ziehen Sie die Kabel ab, die den Sensor und das Steckbrett verbinden. Führen Sie nun die Kabel durch den Auslass der Spritze. Bei Verwendung von Überbrückungskabeln kann es erforderlich sein, den Ausgang zu verbreitern oder etwas zu kürzen. Achten Sie darauf, die weiblichen Enden nacheinander hineinzuführen. Ein I2C-Breakout benötigt vier Kabel, vorzugsweise solche in verschiedenen Farben. Schließen Sie dann Breakout und Kabel wieder an und prüfen Sie, ob die Verbindungen wie oben beschrieben funktionieren. Bewegen Sie nun den Durchbruch zum Auslassende der Spritze. Setzen Sie den Kolben ein und bewegen Sie ihn in eine Mittelposition, etwas weiter als die geplante Ruheposition. Schließen Sie die Kabel an das Steckbrett an und prüfen Sie, ob der Sensor funktioniert. Schalten Sie den Mikrocontroller aus und trennen Sie den Sensor. Fügen Sie einen großen Tropfen Heißkleber am Ende der Steckdose hinzu. Saugen Sie vorsichtig etwas Material ein und achten Sie darauf, dass das Ende luftdicht verschlossen ist. Lassen Sie den Kleber abkühlen und absetzen und überprüfen Sie dann erneut, ob er luftdicht ist. Fügen Sie bei Bedarf etwas mehr Klebstoff in die verbleibenden Löcher ein. Schließen Sie die Sensorkabel an das Steckbrett an und starten Sie den Mikrocontroller. Aktivieren Sie den Serial Monitor, um zu überprüfen, ob der Sensor Temperatur- und Druckwerte sendet. Durch Verschieben des Kolbens können Sie die Druckwerte ändern. Schauen Sie sich aber auch die Temperaturwerte beim Drücken oder Drücken des Kolbens genauer an.

Schließen Sie den Serial Monitor und öffnen Sie den "Serial Plotter", bewegen Sie den Kolben. Spielen!

Falls erforderlich, können Sie das Volumen korrigieren, indem Sie etwas Kraft auf die Seiten der Spritze im Bereich der Dichtung ausüben und etwas Luft ein- oder auslassen.

Schritt 3: Ergebnisse und Ausblick

Mit dem hier beschriebenen Gerät können Sie den Zusammenhang von Kompression und Druck in einem einfachen physikalischen Experiment demonstrieren. Da die Spritze mit einer Skala versehen ist, sind sogar Quantifizierungsexperimente einfach durchzuführen.

Nach dem Boyle-Gesetz ist [Volumen * Pressure] für ein Gas bei einer bestimmten Temperatur konstant. Das bedeutet, wenn Sie ein bestimmtes Gasvolumen N-fach komprimieren, d.h. das Endvolumen ist 1/N, steigt auch sein Druck N-fach, als: P1*V1=P2*V2= const.

Weitere Informationen finden Sie im Wikipedia-Artikel zu Gasgesetzen.

Also ausgehend von einem Rastpunkt von z. B. V1=100 ml und P1=1000 hPa, eine Kompression auf ca. 66 ml (d.h. V2=2/3 von V1) führt zu einem Druck von ca. 1500 hPa (P2= 3/2 von P1). Das Ziehen des Kolbens auf 125 ml (5/4-faches Volumen) ergibt einen Druck von etwa 800 hPa (4/5 Druck). Meine Messungen waren für ein so einfaches Gerät erstaunlich genau.

Darüber hinaus haben Sie einen direkten haptischen Eindruck, wie viel Kraft erforderlich ist, um eine relativ geringe Luftmenge zu komprimieren oder zu dehnen.

Wir können aber auch einige Berechnungen durchführen und experimentell überprüfen. Angenommen, wir komprimieren die Luft auf 1500 hPa, bei einem basalen Luftdruck von 1000 hPa. Die Druckdifferenz beträgt also 500 hPa oder 50.000 Pa. Für meine Spritze beträgt der Durchmesser (d) des Kolbens etwa 4 cm oder 0,04 Meter.

Jetzt können Sie die Kraft berechnen, die erforderlich ist, um den Kolben in dieser Position zu halten. Gegeben P = F/A (Druck ist Kraft geteilt durch Fläche) oder transformiert F = P*A. Die SI-Einheit für Kraft ist "Newton" oder N, für Länge "Meter" oder m und "Pascal" oder Pa für Druck. 1 Pa ist 1 N pro Quadratmeter. Für einen runden Kolben kann die Fläche mit A =. berechnet werden ((d/2)^2)*pi, was 0,00125 Quadratmeter für meine Spritze ergibt, also 50.000 Pa * 0,00125 m^2 = 63 N. Auf der Erde entspricht 1 N einem Gewicht von 100 g, also 63 N entsprechen einem Gewicht von 6,3 kg.

Es wäre also leicht, eine Art Skala auf der Grundlage von Druckmessungen zu bauen.

Da der Temperatursensor extrem empfindlich ist, kann man sogar den Einfluss der Kompression auf die Temperatur sehen. Ich gehe davon aus, dass Sie bei Verwendung des BME280-Sensors, der auch Feuchtigkeitsmessungen durchführen kann, möglicherweise sogar die Auswirkungen des Drucks auf die relative Luftfeuchtigkeit sehen.

Der serielle Plotter der Arduino IDE ermöglicht es, die Druckänderungen in Echtzeit schön darzustellen, aber auch andere, aufwendigere Lösungen sind verfügbar, z. B. in der Verarbeitungssprache.

Neben pädagogischen Zwecken kann das System auch für einige reale Anwendungen verwendet werden, da es die quantitative Messung von Kräften ermöglicht, die versuchen, den Kolben in die eine oder andere Richtung zu bewegen. So könnte man ein auf den Kolben aufgelegtes Gewicht oder eine Schlagkraft auf den Kolben messen oder einen Schalter bauen, der ein Licht oder einen Summer aktiviert oder einen Ton abspielt, nachdem ein bestimmter Schwellenwert erreicht wurde. Oder Sie könnten ein Musikinstrument bauen, das die Frequenz abhängig von der Stärke der auf den Kolben ausgeübten Kraft ändert.

Schritt 4: Das Skript

Das Skript, das ich hier hinzugefügt habe, ist eine Modifikation des BME280-Skripts, das auf der Banggood-Website zu finden ist. Ich habe gerade die Serial.print-Aufträge optimiert, um sie besser im Arduino IDE Serial Plotter anzuzeigen.

Das Adafruit-Skript sieht schöner aus, erfordert aber einige ihrer Bibliotheken und erkennt den Banggood-Sensor nicht.