Um dispositivo simples de medição de pressão para fins educacionais: 4 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:38

Abaixo você encontrará instruções de construção para um dispositivo muito simples e fácil de construir para usar com medições de pressão. Pode ser usado em escolas ou outros projetos relacionados a STEM sobre as leis do gás, mas também pode ser adaptado para ser integrado a outros dispositivos para medir forças ou peso. Embora haja um grande número de interrupções de sensor para medições de pressão disponíveis atualmente, estava faltando um dispositivo simples e barato para brincar com esses sensores e usá-los para fins educacionais. Minha construção consiste basicamente de uma grande seringa de plástico e um sensor de quebra colocado dentro da seringa. O breakout é conectado a um microcontrolador por um conjunto de cabos que passam pela saída da seringa. A saída da seringa é selada hermeticamente com cola quente, ou algum outro método, resultando em um volume definido de ar sendo preso dentro da seringa. O sensor é então conectado a um Arduino ou outro microcontrolador. Quando o êmbolo da seringa é movido, o volume e a pressão mudam. As medições podem ser exibidas em tempo real usando o monitor serial ou plotter serial do IDE do Arduino.

Etapa 1: Materiais Usados

Uma seringa com cateter de plástico de 150 ou 250 ml - disponível na Internet ou em uma loja de ferragens ou jardinagem perto de você por alguns dólares ou euros. Sensor de pressão breakout - usei um sensor BMP280 (temperatura e pressão) barato que comprei na Banggood. Este é um breakout de 3V sem deslocador de nível, por menos de 2 $ cada. A faixa de medição está entre 650 e cerca de 1580 hPa. Cabos e placa de ensaio: Usei cabos de jumper longos para conectar o breakout a uma placa de ensaio. Os cabos devem ser pelo menos tão longos quanto a seringa, caso contrário, conectar os cabos e romper é muito difícil. Um deslocador de nível 5 -> 3 V bidirecional: necessário para conectar o sensor acima a um Arduino. Não é necessário se o seu sensor quebrar, por exemplo, como a versão Adafruit, já tem um implementado a bordo, ou seu microcontrolador está funcionando com uma lógica de 3V. Um microcontrolador: Usei uma versão do Arduino Uno, o MonkMakesDuino, mas qualquer Arduino compatível deve funcionar. Até o Micro: bit funciona se você seguir as instruções da Adafruit. Mais sobre isso será discutido em um instrutível separado vindo.

Um suporte para a seringa pode ser útil para algumas aplicações, mas não é necessário. O IDE do Arduino.

Etapa 2: Montagem e Aplicação

Configure todas as peças em sua placa de ensaio. Conecte o microcontrolador e o deslocador de nível, se necessário. Nesse caso, defina um dos barramentos de alimentação em sua placa de ensaio como 5 V, o outro como 3 V e conecte-os às portas de 5 V, 3 V e terra do microcontrolador, respectivamente, em seguida, conecte as portas de 3 V, 5 V e GND do deslocador de nível. Agora conecte as portas SDA (A4) e SCL (A5) do Arduino com duas portas sem alimentação do lado 5V do deslocador de nível. Observe que as portas SDA e SDA diferem entre os microcontroladores, portanto, verifique o seu. Conecte o sensor usando os cabos que usará posteriormente com o deslocador de nível. SDA e SCL do sensor para as portas correspondentes no lado 3V do deslocador de nível, as portas Vin e Gnd do sensor para 3V e aterramento. Se você deseja usar o script fornecido, não é necessária uma instalação de outras bibliotecas no IDE do Arduino. Se você preferir usar o script Adafruit BMP280, instale o BMP280 e as bibliotecas de sensores. Carregue o script BMP280 e carregue-o no Arduino. Use o Monitor Serial para verificar se você recebeu dados razoáveis. Caso contrário, verifique as conexões. Agora desligue o microcontrolador e desconecte os cabos que conectam o sensor e a placa de ensaio. Agora passe os cabos pela saída da seringa. Se você usar cabos de jumper, pode ser necessário alargar a saída ou encurtá-la um pouco. Certifique-se de passar as pontas femininas por dentro, uma após a outra. Um breakout I2C precisa de quatro cabos, preferencialmente use uns em cores diferentes. Em seguida, reconecte o breakout e os cabos e verifique se as conexões estão funcionando, como acima. Agora mova a fuga para a extremidade de saída da seringa. Insira o êmbolo e mova-o para a posição central, um pouco além da posição de descanso planejada. Conecte os cabos à placa de ensaio e verifique se o sensor está funcionando. Desligue o microcontrolador e desconecte o sensor. Adicione uma grande gota de cola quente na extremidade da tomada. Chupe com cuidado um pouco do material e certifique-se de que a extremidade esteja hermeticamente fechada. Deixe a cola esfriar e assentar, depois verifique novamente se está hermética. Se necessário, adicione mais cola nos orifícios restantes. Conecte os cabos do sensor à placa de ensaio e inicie o microcontrolador. Ative o Monitor Serial para verificar se o sensor envia os valores de temperatura e pressão. Ao mover o êmbolo, você pode alterar os valores de pressão. Mas também dê uma olhada mais de perto nos valores de temperatura ao empurrar ou pressionar o êmbolo.

Feche o Serial Monitor e abra o 'Serial Plotter , mova o êmbolo. Jogue!

Se necessário, você pode corrigir o volume aplicando um pouco de força nas laterais da seringa perto da área da junta, deixando entrar ou sair um pouco de ar.

Etapa 3: Resultados e Outlook

Com o dispositivo descrito aqui, você pode demonstrar a correlação de compressão e pressão em um experimento de física simples. Como a seringa vem com uma escala, até mesmo os experimentos de quantificação são fáceis de realizar.

De acordo com a lei de Boyle, [Volume * Pressão] é constante para um gás em uma determinada temperatura. Isso significa que se você comprimir um determinado volume de gás N-vezes, ou seja, o volume final é 1 / N, sua pressão aumentará N-vezes também, como: P1 * V1 = P2 * V2 = const.

Para mais detalhes, dê uma olhada no artigo da Wikipedia sobre leis de gás.

Portanto, começando em pontos de repouso de, por exemplo, V1 = 100 ml e P1 = 1000 hPa, uma compressão para cerca de 66 ml (ou seja, V2 = 2/3 de V1) resultará em uma pressão de cerca de 1500 hPa (P2 = 3/2 de P1). Puxando o êmbolo para 125 ml (5/4 vezes o volume), obtém-se uma pressão de cerca de 800 hPa (4/5 de pressão). Minhas medidas foram surpreendentemente precisas para um dispositivo tão simples.

Além disso, você terá uma impressão háptica direta de quanta força é necessária para comprimir ou expandir uma quantidade relativamente pequena de ar.

Mas também podemos realizar alguns cálculos e verificá-los experimentalmente. Suponha que comprimimos o ar a 1500 hPa, a uma pressão barométrica basal de 1000 hPa. Portanto, a diferença de pressão é 500 hPa, ou 50.000 Pa. Para minha seringa, o diâmetro (d) do pistão é cerca de 4 cm ou 0,04 metro.

Agora você pode calcular a força necessária para manter o pistão nessa posição. Dado P = F / A (pressão é força dividida pela área), ou transformado F = P * A. A unidade SI para força é "Newton" ou N, para comprimento "Metro" ou m, e "Pascal 'ou Pa para pressão. 1 Pa é 1N por metro quadrado. Para um pistão redondo, a área pode ser calculada usando A = ((d / 2) ^ 2) * pi, o que dá 0,00125 metros quadrados para minha seringa. Então, 50.000 Pa * 0,00125 m ^ 2 = 63 N. Na Terra, 1 N se correlaciona com um peso de 100 gr, então 63 N são iguais a segurar um peso de 6,3 kg.

Portanto, seria fácil construir uma espécie de escala baseada em medições de pressão.

Como o sensor de temperatura é extremamente sensível, pode-se até perceber o efeito da compressão na temperatura. Presumo que se você usar o sensor BME280, que também pode realizar medições de umidade, poderá até ver os efeitos da pressão na umidade relativa.

O plotter serial do Arduino IDE permite exibir bem as mudanças de pressão em tempo real, mas outras soluções mais elaboradas também estão disponíveis, por exemplo, na linguagem de processamento.

Além de propósitos educacionais, pode-se também usar o sistema para algumas aplicações do mundo real, pois permite medir quantitativamente as forças que estão tentando mover o êmbolo para um lado ou para o outro. Assim, você pode medir um peso colocado no êmbolo ou uma força de impacto no êmbolo, ou construir um interruptor que ativa uma luz ou campainha ou reproduz um som depois que um determinado valor limite foi atingido. Ou você pode construir um instrumento musical que muda a frequência dependendo da força da força aplicada ao êmbolo.

Etapa 4: O Script

O script que adicionei aqui é uma modificação do script BME280 encontrado no site da Banggood. Acabei de otimizar os pedidos Serial.print para permitir exibi-los melhor no Arduino IDE Serial Plotter.

O script Adafruit parece melhor, mas requer algumas de suas bibliotecas e não reconhece o sensor Banggood.