อุปกรณ์วัดแรงดันอย่างง่ายเพื่อการศึกษา: 4 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:07

ด้านล่างนี้คุณจะพบคำแนะนำในการสร้างอุปกรณ์ที่ใช้งานง่ายและง่ายต่อการสร้างเพื่อเล่นกับการวัดความดัน อาจใช้ได้กับโรงเรียนหรือโครงการอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับ STEM เกี่ยวกับกฎหมายก๊าซ แต่อาจนำไปปรับใช้เพื่อรวมเข้ากับอุปกรณ์อื่นๆ เพื่อวัดแรงหรือน้ำหนัก แม้ว่าในปัจจุบันจะมีเซ็นเซอร์รั่วจำนวนมากสำหรับการวัดแรงดัน แต่ฉันขาดอุปกรณ์ที่เรียบง่ายและราคาถูกที่จะเล่นกับเซ็นเซอร์เหล่านี้และใช้เพื่อวัตถุประสงค์ด้านการศึกษา โครงสร้างของฉันโดยทั่วไปประกอบด้วยเข็มฉีดยาพลาสติกขนาดใหญ่และเซ็นเซอร์ที่ฝ่าวงล้อม ภายในกระบอกฉีดยา ฝ่าวงล้อมเชื่อมต่อกับไมโครคอนโทรลเลอร์โดยชุดของสายเคเบิลผ่านช่องทางของเข็มฉีดยา ทางออกของกระบอกฉีดยาถูกปิดผนึกสุญญากาศโดยใช้กาวร้อนหรือวิธีการอื่น ส่งผลให้มีปริมาตรอากาศที่กำหนดไว้ภายในกระบอกฉีดยา จากนั้นเซ็นเซอร์จะเชื่อมต่อกับ Arduino หรือไมโครคอนโทรลเลอร์อื่น เมื่อลูกสูบของกระบอกฉีดยาเคลื่อนที่ ปริมาตรและความดันจะเปลี่ยนไป การวัดสามารถแสดงผลได้แบบเรียลไทม์โดยใช้จอภาพอนุกรมหรือพล็อตเตอร์อนุกรมของ Arduino IDE

ขั้นตอนที่ 1: วัสดุที่ใช้

เข็มฉีดยาสายสวนพลาสติกขนาด 150 หรือ 250 มล. - มีจำหน่ายทางอินเทอร์เน็ตหรือที่ร้านฮาร์ดแวร์หรือสวนใกล้บ้านคุณในราคาไม่กี่ $ หรือ Euro. A ความดัน เซนเซอร์ ฝ่าวงล้อม - ฉันใช้เซ็นเซอร์ BMP280 (อุณหภูมิและความดัน) ราคาถูกฉันซื้อที่ Banggood นี่คือเบรกเอาต์ 3V ที่ไม่มีตัวเปลี่ยนระดับราคาต่ำกว่า 2$ ต่อตัว ช่วงการวัดอยู่ระหว่าง 650 ถึงประมาณ 1580 hPa สายเคเบิลและเขียงหั่นขนม: ฉันใช้สายจัมเปอร์แบบยาวเพื่อเชื่อมต่อการฝ่าวงล้อมด้วยเขียงหั่นขนม สายเคเบิลควรมีความยาวอย่างน้อยเท่ากับหลอดฉีดยา มิฉะนั้น การต่อสายเคเบิลและการฝ่าวงล้อมเป็นเรื่องยากมาก ตัวเปลี่ยนระดับ 5 -> 3 V แบบสองทิศทาง: จำเป็นสำหรับการเชื่อมต่อเซ็นเซอร์ด้านบนกับ Arduino ไม่จำเป็นหากเซ็นเซอร์ของคุณพัง เช่น เนื่องจากเป็นเวอร์ชัน Adafruit มีรุ่นหนึ่งติดตั้งอยู่บนบอร์ดแล้ว หรือไมโครคอนโทรลเลอร์ของคุณทำงานกับลอจิก 3V ไมโครคอนโทรลเลอร์: ฉันใช้ Arduino Uno รุ่น MonkMakesDuino แต่ Arduino ใด ๆ ที่เข้ากันได้ควรใช้งานได้ แม้แต่ Micro:bit ก็ใช้งานได้ หากคุณปฏิบัติตามคำแนะนำนี้จาก Adafruit เพิ่มเติมเกี่ยวกับเรื่องนี้จะกล่าวถึงในคำแนะนำที่แยกจากกัน

ที่ใส่กระบอกฉีดยาอาจมีประโยชน์สำหรับบางแอปพลิเคชัน แต่ไม่จำเป็น Arduino IDE

ขั้นตอนที่ 2: การประกอบและการใช้งาน

ตั้งค่าทุกส่วนบนเขียงหั่นขนมของคุณ เชื่อมต่อไมโครคอนโทรลเลอร์และตัวเลื่อนระดับ หากจำเป็น ในกรณีที่กำหนดรางพลังงานตัวใดตัวหนึ่งบนเขียงหั่นขนมของคุณเป็น 5V อีกอันเป็น 3V และเชื่อมต่อกับพอร์ต 5V, 3V และกราวด์ของไมโครคอนโทรลเลอร์ตามลำดับ จากนั้นเชื่อมต่อพอร์ต 3V, 5V และ GND ของตัวเลื่อนระดับ ตอนนี้เชื่อมต่อพอร์ต SDA (A4) และ SCL (A5) ของ Arduino กับพอร์ตที่ไม่จ่ายไฟสองพอร์ตที่ด้าน 5V ของตัวเลื่อนระดับ โปรดทราบว่าพอร์ต SDA และ SDA ต่างกันระหว่างไมโครคอนโทรลเลอร์ ดังนั้นโปรดตรวจสอบของคุณ เชื่อมต่อเซ็นเซอร์ของคุณโดยใช้สายเคเบิลที่คุณจะใช้ในภายหลังกับตัวเลื่อนระดับ SDA และ SCL ของเซ็นเซอร์ไปยังพอร์ตที่เกี่ยวข้องที่ด้าน 3V ของตัวเลื่อนระดับ, พอร์ต Vin และ Gnd ของเซ็นเซอร์ไปที่ 3V และกราวด์ หากคุณต้องการใช้สคริปต์ที่ให้มา ไม่จำเป็นต้องติดตั้งไลบรารีเพิ่มเติมใน Arduino IDE หากคุณต้องการใช้สคริปต์ Adafruit BMP280 ให้ติดตั้ง BMP280 และไลบรารีเซ็นเซอร์ โหลดสคริปต์ BMP280 และอัปโหลดไปยัง Arduino ใช้ Serial Monitor เพื่อตรวจสอบว่าคุณได้รับข้อมูลที่เหมาะสมหรือไม่ ถ้าไม่ ให้ตรวจสอบการเชื่อมต่อ ตอนนี้ปิดไมโครคอนโทรลเลอร์ และถอดสายเคเบิลที่เชื่อมต่อเซ็นเซอร์และเขียงหั่นขนม ตอนนี้ใส่สายเคเบิลผ่านทางออกของหลอดฉีดยา หากคุณใช้สายจัมเปอร์ อาจจำเป็นต้องขยายเต้ารับหรือย่อให้สั้นลงเล็กน้อย ตรวจสอบให้แน่ใจว่าได้ผ่านปลายตัวเมียเข้าไปข้างในทีละตัว I2C breakout ต้องใช้สายไฟ 4 เส้น ควรใช้สายที่มีสีต่างกัน จากนั้นต่อ breakout และสายเคเบิลอีกครั้ง และตรวจสอบว่าการเชื่อมต่อใช้งานได้ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น ตอนนี้ย้ายฝ่าวงล้อมไปที่ปลายทางออกของเข็มฉีดยา ใส่ลูกสูบแล้วเลื่อนไปที่ตำแหน่งกึ่งกลาง ห่างจากตำแหน่งที่พักที่วางแผนไว้เล็กน้อย ต่อสายเคเบิลเข้ากับเขียงหั่นขนมและตรวจสอบว่าเซ็นเซอร์ทำงานอยู่หรือไม่ ปิดไมโครคอนโทรลเลอร์และถอดเซ็นเซอร์ออก เพิ่มกาวร้อนหยดขนาดใหญ่ที่ปลายเต้าเสียบ ดูดวัสดุเข้าไปเล็กน้อยอย่างระมัดระวัง และตรวจดูให้แน่ใจว่าปิดปลายด้วยอากาศที่ปิดสนิท ปล่อยให้กาวเย็นตัวและจับตัว จากนั้นตรวจสอบอีกครั้งว่ากาวแน่นหรือไม่ หากจำเป็น ให้เพิ่มกาวอีกบางส่วนลงในรูที่เหลือ ต่อสายเซ็นเซอร์เข้ากับเขียงหั่นขนมและเริ่มไมโครคอนโทรลเลอร์ เปิดใช้งาน Serial Monitor เพื่อตรวจสอบว่าเซ็นเซอร์ส่งค่าอุณหภูมิและความดันหรือไม่ โดยการย้ายลูกสูบ คุณจะสามารถเปลี่ยนค่าความดันได้ แต่ยังดูค่าอุณหภูมิให้ละเอียดยิ่งขึ้นเมื่อคุณกดหรือกดลูกสูบ

ปิด Serial Monitor และเปิด 'Serial Plotter' เลื่อนลูกสูบ เล่น!

หากจำเป็น คุณอาจแก้ไขปริมาตรโดยใช้แรงเล็กน้อยกับด้านข้างของกระบอกฉีดยาใกล้กับบริเวณปะเก็น เพื่อให้อากาศเข้าหรือออกเล็กน้อย

ขั้นตอนที่ 3: ผลลัพธ์และ Outlook

ด้วยอุปกรณ์ที่อธิบายไว้ในที่นี้ คุณสามารถสาธิตความสัมพันธ์ของแรงอัดและแรงกดในการทดลองทางฟิสิกส์อย่างง่าย เนื่องจากกระบอกฉีดยามาพร้อมกับสเกล การทดลองเชิงปริมาณจึงทำได้ง่าย

ตามกฎของบอยล์ [ปริมาตร * ความดัน] เป็นค่าคงที่สำหรับก๊าซที่อุณหภูมิที่กำหนด ซึ่งหมายความว่าหากคุณบีบอัดแก๊สในปริมาตรที่กำหนด เช่น ปริมาตรสุดท้ายคือ 1/N ความดันของแก๊สจะเพิ่มขึ้นเท่า N เช่นกัน เช่น:P1*V1=P2*V2= const

สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม โปรดดูบทความ Wikipedia เกี่ยวกับกฎของแก๊ส

เริ่มจากจุดพักเช่น V1=100 มล. และ P1=1000 hPa การบีบอัดจนถึงประมาณ 66 มล. (เช่น V2=2/3 ของ V1) จะส่งผลให้เกิดแรงดันประมาณ 1500 hPa (P2= 3/2 ของ P1) การดึงก้านสูบไปที่ 125 มล. (ปริมาตร 4 เท่า) ให้แรงดันประมาณ 800 hPa (แรงดัน 4/5) การวัดของฉันแม่นยำอย่างน่าอัศจรรย์สำหรับอุปกรณ์ที่เรียบง่ายเช่นนี้

นอกจากนี้ คุณจะสัมผัสได้โดยตรงว่าต้องใช้แรงมากเพียงใดในการบีบอัดหรือขยายอากาศในปริมาณที่ค่อนข้างน้อย

แต่เรายังสามารถทำการคำนวณและตรวจสอบแบบทดลองได้อีกด้วย สมมติว่าเราอัดอากาศไว้ที่ 1500 hPa ที่ความดันบรรยากาศพื้นฐานที่ 1000 hPa ดังนั้นความแตกต่างของแรงดันคือ 500 hPa หรือ 50,000 Pa สำหรับหลอดฉีดยาของฉัน เส้นผ่านศูนย์กลาง (d) ของลูกสูบจะอยู่ที่ประมาณ 4 ซม. หรือ 0.04 เมตร

ตอนนี้คุณสามารถคำนวณแรงที่จำเป็นในการยึดลูกสูบในตำแหน่งนั้นได้ ให้ P = F/A (ความดันคือแรงหารด้วยพื้นที่) หรือแปลง F = P*A หน่วย SI สำหรับแรงคือ "นิวตัน" หรือ N สำหรับความยาว "เมตร" หรือ m และ "ปาสกาล" หรือ Pa สำหรับแรงดัน 1 Pa คือ 1N ต่อตารางเมตร สำหรับลูกสูบทรงกลม พื้นที่สามารถคำนวณได้โดยใช้ A = ((d/2)^2)*pi ซึ่งให้ 0.00125 ตารางเมตรสำหรับเข็มฉีดยาของฉัน ดังนั้น 50, 000 Pa * 0.00125 m^2 = 63 N บนโลก 1 N สัมพันธ์กับน้ำหนัก 100 กรัม ดังนั้น 63 N เท่ากับรับน้ำหนักได้ 6.3 กก.

ดังนั้นจึงเป็นเรื่องง่ายที่จะสร้างมาตราส่วนตามการวัดแรงดัน

เนื่องจากเซ็นเซอร์อุณหภูมิมีความไวสูง เราจึงสามารถเห็นผลของการบีบอัดต่ออุณหภูมิได้ ฉันคิดว่าหากคุณใช้เซ็นเซอร์ BME280 ซึ่งสามารถทำการวัดความชื้นได้เช่นกัน คุณอาจเห็นผลกระทบของแรงกดดันต่อความชื้นสัมพัทธ์

พล็อตเตอร์แบบอนุกรมของ Arduino IDE ช่วยให้สามารถแสดงการเปลี่ยนแปลงแรงดันได้อย่างสวยงามในแบบเรียลไทม์ แต่ยังมีโซลูชันอื่นๆ ในภาษาการประมวลผล

นอกเหนือจากวัตถุประสงค์ด้านการศึกษาแล้ว เราอาจใช้ระบบนี้เพื่อการใช้งานจริงบางประเภท เนื่องจากช่วยให้วัดแรงในเชิงปริมาณที่พยายามจะเคลื่อนลูกสูบไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง ดังนั้น คุณจึงสามารถวัดน้ำหนักที่วางบนลูกสูบหรือแรงกระแทกบนลูกสูบ หรือสร้างสวิตช์ที่เปิดใช้งานไฟหรือเสียงกริ่ง หรือส่งเสียงหลังจากถึงค่าเกณฑ์ที่กำหนด หรือคุณสามารถสร้างเครื่องดนตรีที่เปลี่ยนความถี่ขึ้นอยู่กับความแรงของแรงที่กระทำกับลูกสูบ

ขั้นตอนที่ 4: สคริปต์

สคริปต์ที่ฉันเพิ่มที่นี่คือการแก้ไขสคริปต์ BME280 ที่พบในเว็บไซต์ Banggood ฉันเพิ่งปรับคำสั่ง Serial.print ให้เหมาะสมเพื่อให้สามารถแสดงผลได้ดีขึ้นใน Arduino IDE Serial Plotter

สคริปต์ Adafruit ดูดีกว่า แต่ต้องใช้ไลบรารีบางส่วนและไม่รู้จักเซ็นเซอร์ Banggood