Como fazer um sensor de taxa de fluxo de ar preciso com Arduino por menos de £ 20 Ventilador COVID-19: 7 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:36

Por favor, consulte este relatório para o design mais recente deste sensor de fluxo de orifício:

Estas instruções mostram como construir um sensor de taxa de fluxo de ar usando um sensor de pressão diferencial de baixo custo e materiais prontamente disponíveis. O projeto é para um sensor de fluxo do tipo orifício, o orifício (no nosso caso, uma arruela) fornece uma restrição e podemos calcular o fluxo medindo a diferença de pressão através do orifício.

Originalmente, projetamos e construímos este sensor para nosso projeto denominado OpenVent-Bristol, que é um projeto de código aberto de ventilador de fabricação rápida para o tratamento de COVID-19. No entanto, este sensor pode ser usado em praticamente qualquer aplicação de detecção de fluxo de ar.

Esta versão inicial do nosso design é feita inteiramente com peças prontas para uso, nenhuma impressão 3D ou corte a laser é necessária.

O desenho anexo mostra um desenho de seção transversal do projeto. É simplesmente 2 comprimentos de tubo de encanamento com uma arruela colada no meio, medindo a pressão diferencial através do orifício para calcular a taxa de fluxo.

Aproveitar!! e dê-nos um comentário, se você fizer o seu.

Etapa 1: Compre peças

Estas são as peças de que você precisa:

• 2 x 15 cm de comprimento de tubo de encanamento de PVC de 22 mm OD
• 1x arruela de metal ID 5,5 mm OD em torno de 20 mm (entre 19,5-22 mm está bom)

• Um sensor de pressão diferencial (aprox. £ 10). Usamos um MPX5010DP, mas você pode querer selecionar um diferente para se adequar às pressões em seu sistema. Alguns exemplos de lojas que vendem esses sensores estão listados abaixo:

  • 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…
• Tubo de torneira de pressão cortado em cerca de 20 mm de comprimento: Qualquer tubo rígido de 2 mm de diâmetro externo deve ser adequado, como um tubo de latão. Desesperado, usei o bico de spray de uma lata de WD-40, funcionou, mas a super cola não grudou de forma brilhante
• Super cola
• Tubo de silicone / PVC para conexão às portas de pressão do sensor de pressão. ID de 2-3 mm deve ser suficiente, você pode precisar de uma pequena braçadeira de cabo se o seu tubo for muito grande.

Você pode querer comprar 1 ou 2 conectores de encanamento se quiser encaixar a tubulação do sensor de fluxo em outro tubo de 22 mm:

Nota: Os materiais escolhidos não atendem às regulamentações de produtos médicos, principalmente o PVC.

Etapa 2: corte o tubo do encanamento

Corte 2 pedaços do tubo de encanamento. Usamos 15 cm de comprimento, mas pode funcionar bem um pouco mais curto. Fiz os cortes com uma serra de esquadria, pois é importante obter um bom corte quadrado. Use lixa para alisar as brocas

Etapa 3: montar tubos de encanamento

• Supercola sua arruela na extremidade de um tubo, certifique-se de que a arruela esteja concêntrica com o tubo e certifique-se de fazer uma gota contínua de cola em toda a circunferência da lavadora para garantir que nenhuma pressão de ar vaze.
• Em seguida, cole o outro comprimento do tubo no outro lado da lavadora. Mais uma vez, certifique-se de colar em toda a volta para que nenhum ar vaze

Etapa 4: adicionar tomadas de pressão

1. Faça 2 furos nas distâncias da arruela de acordo com a imagem anexa
2. Empurre as hastes de 2 mm de diâmetro externo nos orifícios, certifique-se de que esteja bem ajustado (meu tubo tinha 2,2 OD, mas minha broca tinha 2 mm, então apenas balancei a broca um pouco até que o tubo se encaixasse bem)
3. Supercola o tubo no orifício, certificando-se de que está vedado em toda a volta
4. Enrole fita isolante em torno de sua torneira de pressão até que o tubo de silicone se ajuste bem e apertado

Etapa 5: testar e calibrar

Conecte o sensor de pressão ao seu Arduino e conecte as tomadas de pressão às portas do sensor de pressão. Certifique-se de que o pino analógico físico do sensor corresponda ao pino do software.

Teste-o usando o código anexado. Observe que as seguintes bibliotecas são necessárias:

• Wire.h
• e Sensirion_SFM3000_arduino (esta biblioteca é para um sensor diferente, mas fiz algumas alterações no meu código para dar conta disso)

Idealmente, se você deseja calibrar seu sensor, usamos um Sensirion SFM3300 conectado em série com o sensor caseiro. As conexões para o SFM3300 são:

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

Idealmente, sua fonte de ar para o teste de calibração deve fornecer um fluxo constante e ser controlável para fornecer uma varredura controlada das taxas de fluxo. Usamos uma bomba de leito de ar hackeada para ser alimentada por um controlador eletrônico de velocidade DC com escova controlada por meio de um potenciômetro. Se você tiver uma fonte de alimentação DC, ela também funcionará perfeitamente.

O código, além de ser capaz de ler a pressão e o fluxo do nosso sensor, também pode ler o Sensirion SFM3300 via i2c, que é o sensor que usamos para calibração. Você precisará adaptar o código de acordo se tiver um sensor de calibração. (Surpreendentemente, o sensor DIY deu leituras mais constantes e mais consistentes do que o SFM3300)

A primeira versão do código usa uma tabela de pesquisa calibrada para leituras de vazão de saída. Fizemos isso por

• registrar a pressão em uma varredura completa de nossa fonte de ar (como arquivo.csv)
• levando os dados para o excel
• passando por uma equação para calcular a taxa de fluxo
• em seguida, criando uma tabela de pesquisa separada por vírgulas que foi copiada / colada em uma matriz de inteiros do Arduino

O documento excel com equação está armazenado …

A segunda versão do código usará uma equação no código pelos seguintes motivos:

• levar em consideração a temperatura (o que afetará as leituras de taxa de fluxo)
• para levar em conta uma mudança na restrição a jusante, isso será detectado com um sensor de pressão a jusante separado

Etapa 6: Opção de Método de Calibração Janky Adequado

Se você não tem um sensor de fluxo pronto para uso com o qual calibrá-lo, como o Sensirion SFM3300, esta é uma maneira de ter uma ideia SUPER grosseira da saída de fluxo. No entanto, isso só funcionará com uma fonte de fluxo de alta pressão (até mesmo a bomba do leito de ar pode ter dificuldade para encher um balão) e só funcionará se você puder desligar o suprimento de ar repetidamente

• Anexe um balão à saída do sistema e meça o diâmetro que ele infla a cada inflação
• Encha um jarro medidor com água (talvez cerca de metade)
• Encha novamente o seu balão com o mesmo diâmetro e, em seguida, submerja-o completamente no seu jarro de água e registe a diferença no nível da água antes e depois de o balão ser inserido
• Em seguida, você precisará medir o volume por inflação do balão em seu código. Isso é feito integrando o fluxo ao longo do tempo. Não posso fornecer o código exato para fazer isso porque terá que ser diferente dependendo da sua fonte de fluxo e como seu código sentirá um início e uma parada do fluxo, mas anexei uma função em um arquivo de texto que irá colocar volume, você só precisa dizer quando começar e parar de calcular o volume (ou seja, para o nosso teste, isso foi no início e na parada de cada respiração), isso é indicado para a função por meio da variável booleana chamada "breathStatus". Lembre-se de passar a taxa de fluxo em ml / s para essa função ao chamá-la.

Etapa 7: Integre-se ao seu sistema

Conecte-o à sua configuração e desfrute da medição da taxa de fluxo por menos de £ 15:)

Em anexo está uma imagem de exemplo de alguns fluxos, pressões e volumes de nosso aplicativo de ventilador.

As juntas de acoplamento retas de encanamento são ótimas para unir este sensor a outro tubo OD de 22 mm.