Un appareil de mesure de pression simple à des fins éducatives : 4 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:09

Vous trouverez ci-dessous des instructions de construction pour un appareil très simple et facile à construire pour jouer avec les mesures de pression. Il peut être utilisé pour les écoles ou d'autres projets liés aux STEM sur les lois des gaz, mais peut également être adapté pour être intégré à d'autres appareils pour mesurer les forces ou le poids. Bien qu'il existe un grand nombre de capteurs pour les mesures de pression disponibles ces jours-ci, il me manquait un appareil simple et bon marché pour jouer avec ces capteurs et les utiliser à des fins éducatives. Ma construction se compose essentiellement d'une grande seringue en plastique et d'un capteur placé à l'intérieur de la seringue. Le breakout est relié à un microcontrôleur par un ensemble de câbles passant par la sortie de la seringue. La sortie de la seringue est scellée hermétiquement à l'aide de colle chaude ou d'une autre méthode, ce qui entraîne le piégeage d'un volume d'air défini à l'intérieur de la seringue. Le capteur est ensuite connecté à un Arduino ou à un autre microcontrôleur. Lorsque le piston de la seringue est déplacé, le volume et la pression changent. Les mesures peuvent être affichées en temps réel à l'aide du moniteur série ou du traceur série de l'IDE Arduino.

Étape 1: Matériaux utilisés

Une seringue de cathéter en plastique de 150 ou 250 ml - disponible via Internet ou dans une quincaillerie ou un magasin de jardinage près de chez vous pour quelques dollars ou euros. Une rupture de capteur de pression - j'ai utilisé un capteur BMP280 (température et pression) bon marché que j'ai acheté chez Banggood. Il s'agit d'un breakout 3V sans levier de niveau, pour moins de 2$ pièce. La plage de mesure se situe entre 650 et environ 1580 hPa. Câbles et maquette: j'ai utilisé de longs câbles de démarrage pour connecter le breakout à une maquette. Les câbles doivent être au moins aussi longs que la seringue, sinon la connexion des câbles et la rupture sont très difficiles. Un levier de changement de niveau bidirectionnel 5 -> 3 V: nécessaire pour connecter le capteur ci-dessus à un Arduino. Non requis si votre capteur casse, par ex. comme la version Adafruit, en a une déjà implémentée à bord, ou votre microcontrôleur fonctionne avec une logique 3V. Un microcontrôleur: j'ai utilisé une version de l'Arduino Uno, le MonkMakesDuino, mais tout compatible Arduino devrait fonctionner. Même le Micro:bit fonctionne si vous suivez ces instructions d'Adafruit. Plus à ce sujet sera discuté dans un prochain instructable séparé.

Un support pour la seringue peut être utile pour certaines applications, mais n'est pas nécessaire. L'IDE Arduino.

Étape 2: Assemblage et application

Installez toutes les pièces sur votre maquette. Connectez le microcontrôleur et le décaleur de niveau, si nécessaire. Dans ce cas, définissez l'un des rails d'alimentation de votre maquette en 5V, l'autre en 3V et connectez-les respectivement aux ports 5V, 3V et de masse du microcontrôleur, puis connectez les ports 3V, 5V et GND du décaleur de niveau. Connectez maintenant les ports SDA (A4) et SCL (A5) de l'Arduino avec deux ports non alimentés du côté 5V du décaleur de niveau. Veuillez noter que les ports SDA et SDA diffèrent d'un microcontrôleur à l'autre, veuillez donc vérifier le vôtre. Connectez votre capteur à l'aide des câbles que vous utiliserez plus tard avec le décaleur de niveau. SDA et SCL du capteur aux ports correspondants du côté 3V du décaleur de niveau, Les ports Vin et Gnd du capteur à 3V et à la terre. Si vous souhaitez utiliser le script fourni, une installation de bibliothèques supplémentaires sur l'IDE Arduino n'est pas nécessaire. Si vous préférez utiliser le script Adafruit BMP280, installez leurs bibliothèques BMP280 et de capteurs. Chargez le script BMP280 et téléchargez-le sur l'Arduino. Utilisez le moniteur série pour vérifier si vous recevez des données raisonnables. Sinon, vérifiez les connexions. Maintenant, éteignez le microcontrôleur et débranchez les câbles reliant le capteur et la planche à pain. Passez maintenant les câbles par la sortie de la seringue. Si vous utilisez des câbles de démarrage, il peut être nécessaire d'élargir la prise ou de la raccourcir un peu. Assurez-vous de passer les extrémités femelles à l'intérieur, l'une après l'autre. Une dérivation I2C a besoin de quatre câbles, utilisez de préférence des câbles de couleurs différentes. Ensuite, reconnectez la dérivation et les câbles, et vérifiez que les connexions fonctionnent, comme ci-dessus. Déplacez maintenant la percée vers l'extrémité de sortie de la seringue. Insérez le piston et déplacez-le vers une position centrale, un peu plus loin que la position de repos prévue. Connectez les câbles à la planche à pain et vérifiez si le capteur fonctionne. Éteignez le microcontrôleur et déconnectez le capteur. Ajoutez une grosse goutte de colle chaude à l'extrémité de la prise. Aspirez soigneusement un peu de matériau et assurez-vous que l'extrémité est scellée hermétiquement. Laissez la colle refroidir et s'installer, puis vérifiez à nouveau si elle est étanche à l'air. Si nécessaire, ajoutez un peu de colle aux trous restants. Connectez les câbles du capteur à la maquette et démarrez le microcontrôleur. Activez Serial Monitor pour vérifier si le capteur envoie des valeurs de température et de pression. En déplaçant le piston, vous pouvez modifier les valeurs de pression. Mais regardez aussi de plus près les valeurs de température lorsque vous poussez ou appuyez sur le piston.

Fermez le Serial Monitor et ouvrez le « Serial Plotter », déplacez le piston. Jouez !

Si nécessaire, vous pouvez corriger le volume en appliquant un peu de force sur les côtés de la seringue près de la zone du joint, en laissant entrer ou sortir un peu d'air.

Étape 3: Résultats et perspectives

Avec l'appareil décrit ici, vous pouvez démontrer la corrélation de la compression et de la pression dans une expérience de physique simple. Comme la seringue est livrée avec une échelle, même les expériences de quantification sont faciles à réaliser.

Selon la loi de Boyle, [Volume * Pression] est constant pour un gaz à une température donnée. Cela signifie que si vous comprimez un volume de gaz donné par N, c'est-à-dire que le volume final est de 1/N, sa pression augmentera également par N, comme: P1*V1=P2*V2= const.

Pour plus de détails, veuillez consulter l'article de Wikipédia sur les lois sur le gaz.

Donc, en commençant par un point de repos, par ex. V1=100 ml et P1=1000 hPa, une compression à environ 66 ml (i.e. V2=2/3 de V1) se traduira par une pression d'environ 1500 hPa (P2= 3/2 de P1). Tirer le piston jusqu'à 125 ml (5/4 fois le volume) donne une pression d'environ 800 hPa (pression 4/5). Mes mesures étaient étonnamment précises pour un appareil aussi simple.

De plus, vous aurez une impression haptique directe de la force nécessaire pour comprimer ou dilater une quantité d'air relativement faible.

Mais nous pouvons aussi effectuer quelques calculs et les vérifier expérimentalement. Supposons que nous comprimions l'air à 1500 hPa, à une pression barométrique basale de 1000 hPa. La différence de pression est donc de 500 hPa, soit 50 000 Pa. Pour ma seringue, le diamètre (d) du piston est d'environ 4 cm soit 0,04 mètre.

Vous pouvez maintenant calculer la force nécessaire pour maintenir le piston dans cette position. Soit P = F/A (la pression est la force divisée par la surface), ou transformé F = P*A. L'unité SI pour la force est "Newton" ou N, pour la longueur "Mètre" ou m, et "Pascal" ou Pa pour la pression. 1 Pa est 1N par mètre carré. Pour un piston rond, la surface peut être calculée en utilisant A = ((d/2)^2)*pi, ce qui donne 0,00125 mètre carré pour ma seringue. Donc 50 000 Pa * 0,00125 m^2 = 63 N. Sur Terre, 1 N correspond à un poids de 100 gr, donc 63 N équivaut à supporter un poids de 6,3 kg.

Il serait donc facile de construire une sorte d'échelle basée sur des mesures de pression.

Comme le capteur de température est extrêmement sensible, on peut même voir l'effet de la compression sur la température. Je suppose que si vous utilisez le capteur BME280, qui peut également effectuer des mesures d'humidité, vous pouvez même voir les effets de la pression sur l'humidité relative.

Le traceur série de l'IDE Arduino permet d'afficher joliment les changements de pression en temps réel, mais d'autres solutions plus élaborées sont également disponibles, par ex. dans le langage de traitement.

Outre des objectifs pédagogiques, on peut également utiliser le système pour certaines applications du monde réel, car il permet de mesurer quantitativement les forces qui tentent de déplacer le piston dans un sens ou dans l'autre. Ainsi, vous pouvez mesurer un poids placé sur le piston ou une force d'impact sur le piston, ou construire un interrupteur qui active une lumière ou un buzzer ou émet un son après qu'une certaine valeur seuil a été atteinte. Ou vous pouvez construire un instrument de musique qui change la fréquence en fonction de la force appliquée au piston.

Étape 4: le script

Le script que j'ai ajouté ici est une modification du script BME280 trouvé sur le site Banggood. Je viens d'optimiser les commandes Serial.print pour permettre de mieux les afficher dans l'Arduino IDE Serial Plotter.

Le script Adafruit est plus joli, mais il nécessite certaines de leurs bibliothèques et il ne reconnaît pas le capteur Banggood.