ზეწოლის გაზომვის მარტივი მოწყობილობა საგანმანათლებლო მიზნებისთვის: 4 ნაბიჯი

2024 ავტორი: John Day | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2024-01-30 10:19

ქვემოთ ნახავთ შენობის ინსტრუქციას ძალიან მარტივი და ადვილად ასაშენებელი მოწყობილობისთვის, წნევის გაზომვისთვის. ის შეიძლება გამოყენებულ იქნას სკოლებისთვის ან სხვა გაზის კანონების შესახებ STEM– თან დაკავშირებული პროექტებისთვის, მაგრამ ასევე შეიძლება იყოს ადაპტირებული სხვა მოწყობილობებში ინტეგრირებისთვის ძალების ან წონის გასაზომად. მიუხედავად იმისა, რომ დღესდღეობით არსებობს დიდი რაოდენობით სენსორული გარღვევა წნევის გაზომვისთვის, მე მენატრებოდა მარტივი და იაფი მოწყობილობა ამ სენსორებთან სათამაშოდ და მათი საგანმანათლებლო მიზნებისთვის გამოსაყენებლად. ჩემი კონსტრუქცია ძირითადად შედგება დიდი პლასტიკური შპრიციდან და სენსორის გარღვევისგან შპრიცის შიგნით. გარღვევა უკავშირდება მიკროკონტროლერს კაბელების ნაკრებით, რომელიც გადის შპრიცის გასასვლელში. შპრიცის გასასვლელი დალუქულია ჰერმეტულად ცხელი წებოს გამოყენებით, ან სხვა მეთოდით, რის შედეგადაც ჰაერის განსაზღვრული მოცულობა იჭრება შპრიცის შიგნით. სენსორი შემდეგ უკავშირდება არდუინოს, ან სხვა მიკროკონტროლერს. როდესაც შპრიცის დგუში გადაადგილდება, მოცულობა და წნევა შეიცვლება. გაზომვები შეიძლება აისახოს რეალურ დროში Arduino IDE– ს სერიული მონიტორის ან სერიული პლოტერის გამოყენებით.

ნაბიჯი 1: გამოყენებული მასალები

150 ან 250 მლ პლასტმასის კათეტერის შპრიცი - ხელმისაწვდომია ინტერნეტით ან თქვენთან ახლოს მდებარე ტექნიკის ან ბაღის მაღაზიაში რამდენიმე დოლარად ან ევროდ. წნევის სენსორის გარღვევა - მე გამოვიყენე იაფი BMP280 (ტემპერატურისა და წნევის) სენსორი, რომელიც შევიძინე Banggood– ში. ეს არის 3V გარღვევა დონის შემცვლელთან ერთად, თითოეულზე 2 $ -ზე ნაკლები. გაზომვის დიაპაზონი 650 -დან 1580 ცხ.ძ. -მდეა. კაბელები და პურის დაფა: მე ვიყენებდი გრძელი ჯუმბერის კაბელებს ბრეკეტთან დასაკავშირებლად. კაბელები უნდა იყოს მინიმუმ შპრიცის სიგრძემდე, წინააღმდეგ შემთხვევაში კაბელების და გარღვევა ძალიან რთულია. ორმხრივი 5 -> 3 V დონის გადამრთველი: საჭიროა ზემოთ სენსორის არდუინოსთან დასაკავშირებლად. არ არის საჭირო, თუ თქვენი სენსორის გარღვევა, მაგ. როგორც ადაფრუტის ვერსია, მას უკვე აქვს ერთი ბორტზე, ან თქვენი მიკროკონტროლი მუშაობს 3V ლოგიკით. მიკროკონტროლი: მე გამოვიყენე Arduino Uno- ს ვერსია, MonkMakesDuino, მაგრამ ნებისმიერი Arduino თავსებადი უნდა მუშაობდეს. თუნდაც მიკრო: ბიტი მუშაობს თუ მიჰყვებით ადაფრუტის ამ მითითებებს. დაწვრილებით ამის შესახებ განვიხილავთ მომავალ ინსტრუქციებში.

შპრიცის მფლობელი შეიძლება სასარგებლო იყოს ზოგიერთი პროგრამისთვის, მაგრამ არ არის აუცილებელი. Arduino IDE.

ნაბიჯი 2: შეკრება და გამოყენება

დააინსტალირეთ ყველა ნაწილი თქვენს დაფაზე. საჭიროების შემთხვევაში შეაერთეთ მიკროკონტროლერი და დონის ცვლადი. ამ შემთხვევაში, განსაზღვრეთ დენის რელსები თქვენს პურის დაფაზე, როგორც 5V, მეორე როგორც 3V და დააკავშირეთ ისინი მიკროკონტროლერის 5V, 3V და მიწის პორტებთან შესაბამისად, შემდეგ კი შეაერთეთ დონის ცვლის 3V, 5V და GND პორტები. ახლა შეაერთეთ Arduino– ს SDA (A4) და SCL (A5) პორტები დონის ცვლის 5V მხარის ორ არასამთავრობო დენის პორტთან. გთხოვთ გაითვალისწინოთ, რომ SDA და SDA პორტები განსხვავდება მიკროკონტროლერებს შორის, ამიტომ გთხოვთ შეამოწმოთ თქვენი. შეაერთეთ თქვენი სენსორი კაბელების გამოყენებით, რომლებსაც მოგვიანებით გამოიყენებთ დონის შემცვლელთან ერთად. სენსორის SDA და SCL შესაბამისი პორტებისათვის დონის ცვლის 3V მხარეს, სენსორის Vin და Gnd პორტები 3V- მდე და ადგილზე. თუ გსურთ გამოიყენოთ სკრიპტი, არ არის საჭირო Arduino IDE– ს შემდგომი ბიბლიოთეკების დაყენება. თუ გირჩევნიათ გამოიყენოთ Adafruit BMP280 სკრიპტი, დააინსტალირეთ მათი BMP280 და სენსორული ბიბლიოთეკები. ჩატვირთეთ BMP280 სკრიპტი და ატვირთეთ იგი Arduino– ში. გამოიყენეთ სერიული მონიტორი, რომ შეამოწმოთ მიიღებთ გონივრულ მონაცემებს. თუ არა, შეამოწმეთ კავშირები. ახლა გამორთეთ მიკროკონტროლერი და გათიშეთ სენსორისა და დაფის დამაკავშირებელი კაბელები. ახლა ჩააბარეთ კაბელები შპრიცის გასასვლელში. თუ იყენებთ ჯუმბერ კაბელებს, შეიძლება საჭირო გახდეს გასასვლელის გაფართოება, ან მისი ცოტა შემოკლება. დარწმუნდით, რომ გაივლის ქალის ბოლოები ერთმანეთის მიყოლებით. I2C გარღვევას სჭირდება ოთხი კაბელი, უპირატესად გამოიყენეთ ისინი სხვადასხვა ფერებში. შემდეგ ხელახლა შეაერთეთ გარღვევა და კაბელები და შეამოწმეთ რომ კავშირები მუშაობს, როგორც ზემოთ. ახლა გადაიტანეთ გარღვევა შპრიცის გასასვლელში. ჩადეთ დგუში და გადაიტანეთ იგი ცენტრალურ პოზიციაზე, ოდნავ შორს ვიდრე დაგეგმილი დასვენების პოზიცია. შეაერთეთ კაბელები პურის დაფაზე და შეამოწმეთ მუშაობს თუ არა სენსორი. გამორთეთ მიკროკონტროლერი და გათიშეთ სენსორი. დაამატეთ ცხელი წებოს დიდი წვეთი გასასვლელის ბოლოს. ფრთხილად ჩაწურეთ ცოტაოდენი მასალა და დარწმუნდით, რომ ბოლომდე დახურულია ჰაერი. ნება მიეცით წებო გაცივდეს და მოაგვაროს, შემდეგ კიდევ ერთხელ შეამოწმეთ ჰაერი მჭიდროა თუ არა. საჭიროების შემთხვევაში, დაამატეთ კიდევ რამდენიმე წებო დარჩენილ ხვრელებს. შეაერთეთ სენსორის კაბელები ტაფაზე და დაიწყეთ მიკროკონტროლი. გაააქტიურეთ სერიული მონიტორი, რომ შეამოწმოთ სენსორი აგზავნის ტემპერატურისა და წნევის მნიშვნელობებს. დგუშის გადაადგილებით თქვენ შეგიძლიათ შეცვალოთ წნევის მნიშვნელობები. მაგრამ ასევე უფრო ახლოს გაეცანით ტემპერატურის მნიშვნელობებს, როდესაც დგუშს აჭერთ ან აჭერთ.

დახურეთ სერიული მონიტორი და გახსენით 'Serial Plotter', გადაადგილეთ დგუში. ითამაშეთ!

საჭიროების შემთხვევაში, თქვენ შეგიძლიათ შეასწოროთ მოცულობა შპრიცის გვერდებზე მცირე ძალის გამოყენებით შუასადენის მიდამოში, ოდნავ ჰაერის გაშვებით ან გასვლით.

ნაბიჯი 3: შედეგები და Outlook

აქ აღწერილი მოწყობილობით თქვენ შეგიძლიათ აჩვენოთ შეკუმშვისა და წნევის კორელაცია ფიზიკის უბრალო ექსპერიმენტში. რადგან შპრიცს გააჩნია სასწორი, ექსპერიმენტების რაოდენობრივი დადგენაც კი ადვილია.

ბოილის კანონის თანახმად, [მოცულობა * წნევა] მუდმივია გაზის მოცემულ ტემპერატურაზე. ეს ნიშნავს, რომ თუ შეკუმშავთ გაზის მოცემულ მოცულობას N- ჯერ, ანუ საბოლოო მოცულობა არის 1/N, მისი წნევაც N- ჯერ გაიზრდება, როგორც: P1*V1 = P2*V2 = const.

დაწვრილებითი ინფორმაციისათვის, გთხოვთ, გადახედოთ ვიკიპედიის სტატიას გაზის კანონების შესახებ.

ასე რომ, დაწყებული დასვენების წერტილებიდან მაგ. V1 = 100 მლ და P1 = 1000 hPa, შეკუმშვა დაახლოებით 66 მლ -მდე (ანუ V2 = 2/3 V1) გამოიწვევს წნევას დაახლოებით 1500 hPa (P2 = P1 3/2). დგუში 125 მლ -მდე (მოცულობის 5/4 ჯერ) იძლევა წნევას დაახლოებით 800 hPa (4/5 წნევა). ჩემი გაზომვები იყო საოცრად ზუსტი ასეთი მარტივი მოწყობილობისთვის.

გარდა ამისა თქვენ გექნებათ პირდაპირი ჰაპტიკური შთაბეჭდილება, თუ რამდენი ძალაა საჭირო შედარებით მცირე რაოდენობის ჰაერის შეკუმშვის ან გაფართოებისათვის.

ჩვენ ასევე შეგვიძლია გამოვთვალოთ და გამოვთვალოთ ისინი ექსპერიმენტულად. დავუშვათ, ჩვენ შეკუმშავს ჰაერი 1500 hPa– მდე, ბაზალური ბარომეტრული წნევით 1000 hPa. ასე რომ, წნევის სხვაობა არის 500 hPa, ან 50, 000 პა. ჩემი შპრიცისთვის, დგუშის დიამეტრი (დ) არის დაახლოებით 4 სმ ან 0.04 მეტრი.

ახლა თქვენ შეგიძლიათ გამოთვალოთ ძალა, რომელიც საჭიროა დგუშის ამ პოზიციაზე შესანარჩუნებლად. მოცემულია P = F/A (წნევა არის ძალა გაყოფილი ფართობის მიხედვით), ან გარდაიქმნება F = P*A. SI ერთეული ძალისთვის არის "ნიუტონი" ან N, სიგრძისთვის "მეტრი" ან მ, და "პასკალი" ან Pa წნევისთვის. 1 Pa არის 1N კვადრატულ მეტრზე. მრგვალი დგუშისთვის, ფართობი შეიძლება გამოითვალოს A = ((d/2)^2) * pi, რომელიც იძლევა 0.00125 კვადრატულ მეტრს ჩემი შპრიცისათვის. ასე რომ 50, 000 Pa * 0.00125 მ^2 = 63 N. დედამიწაზე, 1 N კორელაციას უწევს 100 გრამს, ასე 63 N უდრის წონას 6.3 კგ.

ასე რომ ადვილი იქნებოდა წნევის გაზომვების საფუძველზე ერთგვარი მასშტაბის აგება.

რადგანაც ტემპერატურის სენსორი უკიდურესად მგრძნობიარეა, შეიძლება დავინახოთ შეკუმშვის ეფექტიც ტემპერატურაზე. მე ვივარაუდებ, რომ თუ თქვენ გამოიყენებთ BME280 სენსორს, რომელსაც ასევე შეუძლია ტენიანობის გაზომვა, თქვენ შეიძლება დაინახოთ ზეწოლის გავლენა ფარდობით ტენიანობაზე.

Arduino IDE– ს სერიული პლოტერი საშუალებას გაძლევთ ლამაზად აჩვენოთ წნევის ცვლილებები რეალურ დროში, მაგრამ ასევე შესაძლებელია სხვა, უფრო დახვეწილი გადაწყვეტილებების მიღება, მაგ. დამუშავების ენაზე.

საგანმანათლებლო მიზნების გარდა, თქვენ ასევე შეგიძლიათ გამოიყენოთ სისტემა რეალურ სამყაროში, რადგან ის საშუალებას იძლევა რაოდენობრივად გავზომოთ ძალები, რომლებიც ცდილობენ დგუშის გადაადგილებას ამა თუ იმ გზით. ასე რომ თქვენ შეგიძლიათ გაზომოთ დგუში ან ზემოქმედების ძალა დგუში, ან ააწყოთ გადამრთველი, რომელიც ააქტიურებს შუქს ან ზუმერს ან უკრავს ხმას გარკვეული ბარიერის მნიშვნელობის მიღწევის შემდეგ. ან შეგიძლიათ ააწყოთ მუსიკალური ინსტრუმენტი, რომელიც ცვლის სიხშირეს დგუშით მიმართული ძალის სიძლიერის მიხედვით.

ნაბიჯი 4: სკრიპტი

სკრიპტი, რომელიც მე აქ დავამატე, არის Banggood ვებსაიტზე ნაპოვნი BME280 სკრიპტის მოდიფიკაცია. მე მხოლოდ ოპტიმიზაცია გავაკეთე Serial.print ბრძანებებზე, რათა მათ უკეთესად გამოეჩინა Arduino IDE სერიული პლოტერი.

ადაფრუტის სკრიპტი უფრო ლამაზად გამოიყურება, მაგრამ ის მოითხოვს მათ ბიბლიოთეკას და ის არ ცნობს Banggood სენსორს.