शैक्षिक उद्देश्यों के लिए एक साधारण दबाव मापन उपकरण: 4 कदम

2024 लेखक: John Day | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2024-01-30 09:22

नीचे आपको दबाव माप के साथ खेलने के लिए एक बहुत ही सरल और आसान निर्माण उपकरण के लिए निर्माण निर्देश मिलते हैं। यह गैस कानूनों पर स्कूलों या अन्य एसटीईएम संबंधित परियोजनाओं के लिए प्रयोग करने योग्य हो सकता है, लेकिन बलों या वजन को मापने के लिए अन्य उपकरणों में एकीकृत होने के लिए भी अनुकूलित किया जा सकता है। जबकि इन दिनों दबाव माप के लिए बड़ी संख्या में सेंसर ब्रेकआउट उपलब्ध हैं, मुझे इन सेंसर के साथ खेलने और शैक्षिक उद्देश्यों के लिए उपयोग करने के लिए एक सरल और सस्ता उपकरण याद आ रहा था। मेरे निर्माण में मूल रूप से एक बड़ा प्लास्टिक सिरिंज और एक सेंसर ब्रेकआउट रखा गया है। सिरिंज के अंदर। ब्रेकआउट सिरिंज के आउटलेट से गुजरने वाले केबलों के एक सेट द्वारा एक माइक्रोकंट्रोलर से जुड़ा होता है। सिरिंज के आउटलेट को गर्म गोंद, या किसी अन्य विधि का उपयोग करके एयरटाइट सील कर दिया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप सिरिंज के अंदर हवा की एक निश्चित मात्रा फंस जाती है। सेंसर तब एक Arduino, या किसी अन्य माइक्रोकंट्रोलर से जुड़ा होता है। जब सिरिंज के प्लंजर को स्थानांतरित किया जाता है, तो मात्रा और दबाव बदल जाएगा। माप को वास्तविक समय में Arduino IDE के सीरियल मॉनिटर या सीरियल प्लॉटर का उपयोग करके प्रदर्शित किया जा सकता है।

चरण 1: प्रयुक्त सामग्री

एक १५० या २५० मिली प्लास्टिक कैथेटर सिरिंज - इंटरनेट के माध्यम से या आपके पास एक हार्डवेयर या बगीचे की दुकान पर कुछ $ या यूरो के लिए उपलब्ध है। एक प्रेशर सेंसर ब्रेकआउट - मैंने एक सस्ते बीएमपी २८० (तापमान और दबाव) सेंसर का इस्तेमाल किया जिसे मैंने बैंगगूड में खरीदा था। यह एक 3V ब्रेकआउट w/o लेवल शिफ्टर है, प्रत्येक 2$ से कम के लिए। मापने की सीमा 650 और लगभग 1580 hPa के बीच है। केबल और ब्रेडबोर्ड: मैंने ब्रेकआउट को ब्रेडबोर्ड से जोड़ने के लिए लंबी जम्पर केबल का उपयोग किया। केबल कम से कम सिरिंज जितनी लंबी होनी चाहिए, अन्यथा केबल और ब्रेकआउट को जोड़ना बहुत मुश्किल है। एक द्विदिश 5 -> 3 वी स्तर का शिफ्टर: उपरोक्त सेंसर को एक Arduino से जोड़ने के लिए आवश्यक है। यदि आपका सेंसर टूट जाता है, तो आवश्यक नहीं है, उदा. Adafruit संस्करण के रूप में, पहले से ही बोर्ड पर लागू किया गया है, या आपका माइक्रोकंट्रोलर 3V तर्क के साथ काम कर रहा है। एक माइक्रोकंट्रोलर: मैंने Arduino Uno, MonkMakesDuino के एक संस्करण का उपयोग किया है, लेकिन किसी भी Arduino संगत को काम करना चाहिए। यदि आप Adafruit के इस निर्देश का पालन करते हैं तो भी Micro:bit काम करता है। इस पर और अधिक चर्चा एक अलग निर्देश में की जाएगी।

सिरिंज के लिए एक धारक कुछ अनुप्रयोगों के लिए सहायक हो सकता है, लेकिन यह आवश्यक नहीं है। Arduino IDE।

चरण 2: विधानसभा और आवेदन

अपने ब्रेडबोर्ड पर सभी भागों को सेट करें। यदि आवश्यक हो, तो माइक्रोकंट्रोलर और लेवल शिफ्टर कनेक्ट करें। मामले में, अपने ब्रेडबोर्ड पर पावर रेल में से एक को 5V के रूप में परिभाषित करें, दूसरे को 3V के रूप में और उन्हें क्रमशः माइक्रोकंट्रोलर के 5V, 3V और ग्राउंड पोर्ट से कनेक्ट करें, फिर लेवल शिफ्टर के 3V, 5V और GND पोर्ट को कनेक्ट करें। अब Arduino के SDA (A4) और SCL (A5) पोर्ट को लेवल शिफ्टर के 5V साइड के दो नॉन-पावर पोर्ट से कनेक्ट करें। कृपया ध्यान दें कि एसडीए और एसडीए पोर्ट माइक्रोकंट्रोलर के बीच भिन्न होते हैं, इसलिए कृपया अपने लिए जांचें। अपने सेंसर को उन केबलों का उपयोग करके कनेक्ट करें जिन्हें आप बाद में लेवल शिफ्टर के साथ उपयोग करेंगे। सेंसर के एसडीए और एससीएल लेवल शिफ्टर के 3V साइड पर संबंधित पोर्ट्स पर, सेंसर के द विन और Gnd पोर्ट्स को 3V और ग्राउंड पर। यदि आप प्रदान की गई स्क्रिप्ट का उपयोग करना चाहते हैं, तो Arduino IDE में और पुस्तकालयों की स्थापना की आवश्यकता नहीं है। यदि आप Adafruit BMP280 स्क्रिप्ट का उपयोग करना पसंद करते हैं, तो उनकी BMP280 और सेंसर लाइब्रेरी स्थापित करें। BMP280 स्क्रिप्ट लोड करें और इसे Arduino पर अपलोड करें। यह जांचने के लिए सीरियल मॉनिटर का उपयोग करें कि क्या आपको उचित डेटा मिलता है। यदि नहीं, तो कनेक्शन जांचें। अब माइक्रोकंट्रोलर बंद करें, और सेंसर और ब्रेडबोर्ड को जोड़ने वाले केबल को अनप्लग करें। अब केबलों को सिरिंज के आउटलेट के माध्यम से डालें। यदि आप जम्पर केबल का उपयोग करते हैं तो आउटलेट को चौड़ा करना, या इसे थोड़ा छोटा करना आवश्यक हो सकता है। मादा सिरों को एक के बाद एक, अंदर से गुजरना सुनिश्चित करें। एक I2C ब्रेकआउट को चार केबल की आवश्यकता होती है, अधिमानतः अलग-अलग रंगों में वाले का उपयोग करें। फिर ब्रेकआउट और केबल को फिर से कनेक्ट करें, और जांचें कि कनेक्शन काम कर रहे हैं, जैसा कि ऊपर बताया गया है। अब ब्रेकआउट को सिरिंज के आउटलेट सिरे पर ले जाएं। प्लंजर डालें और इसे केंद्र की स्थिति में ले जाएं, नियोजित आराम की स्थिति से थोड़ा आगे। केबलों को ब्रेडबोर्ड से कनेक्ट करें और जांचें कि सेंसर काम कर रहा है या नहीं। माइक्रोकंट्रोलर को बंद करें और सेंसर को डिस्कनेक्ट करें। आउटलेट के अंत में गर्म गोंद की एक बड़ी बूंद जोड़ें। सामग्री में से थोड़ा सा सावधानी से चूसें और सुनिश्चित करें कि अंत एयर टाइट सील कर दिया गया है। गोंद को ठंडा होने दें और जमने दें, फिर जांचें कि क्या यह एयर टाइट है। यदि आवश्यक हो, तो शेष छिद्रों में कुछ और गोंद जोड़ें। सेंसर केबल को ब्रेडबोर्ड से कनेक्ट करें और माइक्रोकंट्रोलर शुरू करें। यह जांचने के लिए सीरियल मॉनिटर को सक्रिय करें कि सेंसर तापमान और दबाव मान भेजता है या नहीं। प्लंजर को हिलाने पर, आप दबाव के मूल्यों को बदलने में सक्षम होते हैं। लेकिन जब आप प्लंजर को दबाते या दबाते हैं तो तापमान के मूल्यों पर भी करीब से नज़र डालें।

सीरियल मॉनिटर को बंद करें और 'सीरियल प्लॉटर' खोलें, प्लंजर को हिलाएं। खेलें!

यदि आवश्यक हो, तो आप गैसकेट के क्षेत्र के पास सिरिंज के किनारों पर थोड़ा सा बल लगाकर मात्रा को सही कर सकते हैं, थोड़ी हवा अंदर या बाहर कर सकते हैं।

चरण 3: परिणाम और आउटलुक

यहां वर्णित डिवाइस के साथ, आप एक साधारण भौतिकी प्रयोग में संपीड़न और दबाव के सहसंबंध को प्रदर्शित कर सकते हैं। चूंकि सीरिंज पर एक पैमाना आता है, यहां तक कि परिमाणीकरण के प्रयोग भी करना आसान होता है।

बॉयल के नियम के अनुसार, किसी दिए गए तापमान पर गैस के लिए [आयतन * दबाव] स्थिर होता है। इसका मतलब है कि यदि आप गैस के किसी दिए गए आयतन को N-गुना, यानी अंतिम आयतन 1/N को संपीड़ित करते हैं, तो इसका दबाव N-गुना भी बढ़ जाएगा, जैसे:P1*V1=P2*V2= const.

अधिक जानकारी के लिए, कृपया गैस कानूनों पर विकिपीडिया लेख देखें।

तो उदा। के विश्राम बिंदुओं से शुरू करना। वी१=१०० मिली और पी१=१००० एचपीए, लगभग ६६ मिली (यानी वी१ का वी२=२/३) के लिए एक संपीड़न के परिणामस्वरूप लगभग १५०० एचपीए (पी२ = पी१ का ३/२) का दबाव होगा। प्लंजर को 125 मिली (5/4 गुना आयतन) तक खींचने से लगभग 800 hPa (4/5 दबाव) का दबाव मिलता है। इतने सरल उपकरण के लिए मेरे माप आश्चर्यजनक रूप से सटीक थे।

इसके अलावा आपको एक सीधा हैप्टिक प्रभाव होगा कि अपेक्षाकृत कम मात्रा में हवा को संपीड़ित या विस्तारित करने के लिए कितना बल आवश्यक है।

लेकिन हम कुछ गणनाएँ भी कर सकते हैं और उन्हें प्रयोगात्मक रूप से जाँच सकते हैं। मान लें कि हम १००० hPa के बेसल बैरोमीटर के दबाव पर हवा को १५०० hPa तक संपीड़ित करते हैं। तो दबाव अंतर ५०० hPa, या ५०,००० Pa है। मेरी सिरिंज के लिए, पिस्टन का व्यास (d) लगभग ४ सेमी या ०.०४ मीटर है।

अब आप पिस्टन को उस स्थिति में रखने के लिए आवश्यक बल की गणना कर सकते हैं। दिया गया P = F/A (दबाव क्षेत्र द्वारा विभाजित बल है), या रूपांतरित F = P*A। बल के लिए एसआई इकाई "न्यूटन" या एन है, लंबाई "मीटर" या मीटर के लिए, और दबाव के लिए "पास्कल' या पा। 1 पा 1N प्रति वर्ग मीटर है। एक गोल पिस्टन के लिए, क्षेत्र की गणना ए = का उपयोग करके की जा सकती है ((d/2)^2)*pi, जो मेरी सिरिंज के लिए 0.00125 वर्ग मीटर देता है। तो 50, 000 Pa * 0.00125 मीटर ^ 2 = 63 एन। पृथ्वी पर, 1 एन 100 ग्राम के वजन से संबंधित है, इसलिए 63 एन 6.3 किलो वजन रखने के बराबर हैं।

इसलिए दबाव माप के आधार पर एक प्रकार का पैमाना बनाना आसान होगा।

चूंकि तापमान संवेदक अत्यंत संवेदनशील नहीं है, तापमान पर संपीड़न का प्रभाव भी देखा जा सकता है। मुझे लगता है कि यदि आप BME280 सेंसर का उपयोग करेंगे, जो आर्द्रता माप भी कर सकता है, तो आप सापेक्ष आर्द्रता पर दबाव के प्रभाव भी देख सकते हैं।

Arduino IDE का सीरियल प्लॉटर वास्तविक समय में दबाव परिवर्तन को अच्छी तरह से प्रदर्शित करने की अनुमति देता है, लेकिन अन्य, अधिक विस्तृत समाधान भी उपलब्ध हैं, उदा। प्रसंस्करण भाषा में।

शैक्षिक उद्देश्यों के अलावा, कोई भी वास्तविक दुनिया के कुछ अनुप्रयोगों के लिए सिस्टम का उपयोग कर सकता है, क्योंकि यह मात्रात्मक रूप से उन बलों को मापने की अनुमति देता है जो प्लंजर को एक तरफ या दूसरे स्थानांतरित करने की कोशिश कर रहे हैं। तो आप सवार पर रखे वजन या सवार पर प्रभाव बल को माप सकते हैं, या एक स्विच का निर्माण कर सकते हैं जो एक प्रकाश या बजर को सक्रिय करता है या एक निश्चित सीमा मान तक पहुंचने के बाद ध्वनि बजाता है। या आप एक संगीत वाद्ययंत्र का निर्माण कर सकते हैं जो सवार पर लागू बल की ताकत के आधार पर आवृत्ति को बदलता है।

चरण 4: स्क्रिप्ट

मैंने यहां जो स्क्रिप्ट जोड़ी है, वह बैंगगूड वेबसाइट पर मिली BME280 स्क्रिप्ट का एक संशोधन है। मैंने Arduino IDE सीरियल प्लॉटर में उन्हें बेहतर ढंग से प्रदर्शित करने की अनुमति देने के लिए Serial.print ऑर्डर को अनुकूलित किया है।

एडफ्रूट स्क्रिप्ट अच्छी लगती है, लेकिन इसके लिए उनके कुछ पुस्तकालयों की आवश्यकता होती है और यह बैंगगूड सेंसर को नहीं पहचानता है।