كيفية صنع مستشعر دقيق لمعدل تدفق الهواء باستخدام Arduino لجهاز تهوية أقل من 20 جنيهًا إسترلينيًا COVID-19: 7 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:37

يرجى الاطلاع على هذا التقرير للحصول على أحدث تصميم لمستشعر تدفق الفتحة هذا:

توضح هذه التعليمات كيفية بناء مستشعر معدل تدفق الهواء باستخدام مستشعر ضغط تفاضلي منخفض التكلفة ومواد متاحة بسهولة. التصميم مخصص لمستشعر التدفق من نوع الفتحة ، توفر الفتحة (في حالتنا الغسالة) قيودًا ويمكننا حساب التدفق عن طريق قياس فرق الضغط عبر الفتحة.

في الأصل قمنا بتصميم وبناء هذا المستشعر لمشروعنا المسمى OpenVent-Bristol وهو تصميم مفتوح المصدر لمروحة تهوية سريعة التصنيع لمعالجة COVID-19. ومع ذلك ، يمكن استخدام هذا المستشعر في أي تطبيق لاستشعار تدفق الهواء.

تم إنشاء هذا الإصدار الأولي من تصميمنا بالكامل باستخدام أجزاء جاهزة للاستخدام ، ولا حاجة إلى طباعة ثلاثية الأبعاد أو قطع بالليزر.

يُظهر الرسم المرفق رسمًا للمقطع العرضي للتصميم. إنه ببساطة طولين من أنابيب السباكة مع غسالة ملتصقة بينهما ، لقياس الضغط التفاضلي عبر الفتحة لحساب معدل التدفق.

يتمتع!! وتعطينا تعليقًا إذا قمت بعمل تعليق خاص بك.

الخطوة 1: شراء قطع غيار

هذه هي الأجزاء التي ستحتاجها:

• 2 × 15 سم أطوال 22 مم من أنابيب السباكة البلاستيكية OD
• 1x غسالة معدنية معرف 5.5 مم OD حوالي 20 مم (بين 19.5-22 مم على ما يرام)

• مستشعر الضغط التفاضلي (حوالي 10 جنيهات إسترلينية). استخدمنا MPX5010DP ولكنك قد ترغب في اختيار واحد آخر ليناسب الضغوط في نظامك. بعض الأمثلة على المتاجر التي تبيع هذه المستشعرات مذكورة أدناه:

  • 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…
• قطع أنابيب الضغط إلى حوالي 20 مم: يجب أن يكون أي أنبوب صلب بقطر 2 مم مناسبًا مثل أنبوب نحاسي. بدافع اليأس ، استخدمت فوهة الرش من عبوة WD-40 ، لقد نجحت ولكن الغراء الفائق لم يلتصق ببراعة
• صمغ ممتاز
• أنابيب السيليكون / PVC للتوصيل بمنافذ الضغط لمستشعر الضغط. يجب أن يكون معرف 2-3 مم جيدًا ، وقد تحتاج إلى ربطة كبل صغيرة إذا كان أنبوبك كبير الحجم.

قد ترغب في شراء 1 أو 2 من موصلات السباكة إذا كنت ترغب في تركيب أنابيب مستشعر التدفق على أنبوب آخر 22 مم:

ملاحظة: المواد المختارة لا تتوافق مع لوائح المنتجات الطبية ، وخاصة PVC.

الخطوة 2: قطع أنبوب السباكة

قطع 2 أطوال من أنبوب السباكة. استخدمنا طولًا 15 سم ولكنه قد يعمل بشكل جيد أقصر قليلاً. لقد قمت بإجراء التخفيضات باستخدام منشار ميتري لأنه من المهم الحصول على قطع مربع لطيف. استخدم ورق الرمل لتنعيم أي أزيز

الخطوة 3: قم بتجميع أنابيب السباكة

• الصق الغسالة الخاصة بك إلى نهاية أنبوب واحد ، وتأكد من أن الغسالة متحدة المركز مع الأنبوب وتأكد من عمل حبة مستمرة من الغراء على طول محيط الغسالة لضمان عدم تسرب ضغط الهواء.
• ثم الصق الطول الآخر للأنبوب بالجانب الآخر من الغسالة. مرة أخرى ، تأكد من لصق الغراء بالكامل حتى لا يتسرب الهواء

الخطوة 4: أضف صنابير الضغط

1. حفر فتحتين على مسافات من الغسالة حسب الصورة المرفقة
2. ادفع قضبان OD 2 مم في الثقوب ، وتأكد من أنها مناسبة تمامًا (كان الأنبوب الخاص بي 2.2 OD لكن مثقابي كان 2 مم ، لذلك قمت بتهز المثقاب قليلاً حتى يتلاءم الأنبوب بإحكام)
3. ألصق الأنبوب بالغراء في الفتحة ، وتأكد من أنه مغلق تمامًا
4. لف شريطًا عازلًا حول صنبور الضغط حتى يتناسب أنبوب السيليكون مع إحكام ربطه

الخطوة 5: الاختبار والمعايرة

قم بتوصيل مستشعر الضغط بجهاز Arduino الخاص بك وقم بتوصيل صنابير الضغط بمنافذ مستشعر الضغط. تأكد من تطابق الدبوس التناظري المادي للمستشعر مع دبوس البرنامج.

اختبرها باستخدام الكود المرفق. لاحظ أن المكتبات التالية مطلوبة:

• سلك
• و Sensirion_SFM3000_arduino (هذه المكتبة مخصصة لمستشعر مختلف ، لكنني أجريت بعض التغييرات في الكود الخاص بي لحساب ذلك)

من الناحية المثالية ، إذا كنت ترغب في معايرة المستشعر الخاص بك ، فقد استخدمنا جهاز Sensirion SFM3300 المتصل في سلسلة مع المستشعر المصنوع منزليًا. وصلات SFM3300 هي:

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

من الناحية المثالية ، يجب أن يوفر مصدر الهواء الخاص بك لاختبار المعايرة تدفقًا ثابتًا ويمكن التحكم فيه لإعطاء مسح محكوم لمعدلات التدفق. استخدمنا مضخة سرير هوائية تم اختراقها ليتم تشغيلها عبر وحدة تحكم إلكترونية في سرعة التيار المستمر يتم التحكم فيها باستخدام مقياس جهد. إذا كان لديك مصدر طاقة تيار مستمر سيعمل بشكل جيد أيضًا.

الرمز بالإضافة إلى القدرة على قراءة الضغط والتدفق من المستشعر الخاص بنا ، يمكنه أيضًا القراءة من Sensirion SFM3300 عبر i2c ، وهو المستشعر الذي استخدمناه للمعايرة. ستحتاج إلى تكييف الكود وفقًا لذلك إذا كان لديك جهاز مختلف مستشعر المعايرة. (بشكل مثير للدهشة ، أعطى مستشعر DIY قراءات أكثر ثباتًا من SFM3300)

يستخدم الإصدار الأول من الكود جدول بحث معاير لإخراج قراءات معدل التدفق. صنعنا هذا بواسطة

• تسجيل الضغط على مسح كامل من مصدر الهواء لدينا (كملف csv.)
• أخذ البيانات إلى برنامج Excel
• تمريره من خلال معادلة لحساب معدل التدفق
• ثم إنشاء جدول بحث مفصول بفاصلة تم نسخه / لصقه في مصفوفة عدد صحيح من Arduino

يتم تخزين مستند Excel مع المعادلة …

سيستخدم الإصدار الثاني من الكود معادلة في الكود للأسباب التالية:

• لمراعاة درجة الحرارة (التي ستؤثر على قراءات معدل التدفق)
• لمراعاة التغيير في قيود المصب ، سيتم استشعار ذلك من خلال مستشعر ضغط منفصل

الخطوة 6: خيار طريقة معايرة Janky المناسبة

إذا لم يكن لديك مستشعر تدفق جاهز لمعايرته مثل Sensirion SFM3300 ، فهذه طريقة واحدة للحصول على فكرة تقريبية عن خرج التدفق. ومع ذلك ، لن يعمل هذا إلا مع مصدر تدفق عالي الضغط (حتى مضخة السرير الهوائي قد تكافح لتضخيم بالون) ولن تعمل إلا إذا كان بإمكانك تشغيل مصدر الهواء بشكل متكرر

• قم بتوصيل بالون بإخراج النظام وقياس القطر الذي يتضخم إليه في كل تضخم
• املأ إبريق القياس بالماء (ربما في منتصف الطريق تقريبًا)
• أعد نفخ البالون إلى نفس القطر ثم اغمره تمامًا في إبريق الماء وسجل الفرق في مستوى الماء قبل وبعد إدخال البالون
• بعد ذلك ، ستحتاج إلى قياس الحجم لكل تضخم بالون في شفرتك ، ويتم ذلك عن طريق دمج التدفق بمرور الوقت. لا يمكنني إعطائك رمزًا دقيقًا للقيام بذلك لأنه يجب أن يكون مختلفًا اعتمادًا على مصدر التدفق الخاص بك وكيف ستشعر الكود الخاص بك ببداية التدفق وإيقافه ، لكنني قمت بإرفاق وظيفة في ملف نصي سيتم طرحه الحجم ، ستحتاج فقط إلى إخباره بوقت بدء حساب الحجم وإيقافه (على سبيل المثال ، بالنسبة للاختبار الذي أجريناه ، كان هذا في بداية ونقطة كل نفس) ، تتم الإشارة إلى ذلك إلى الوظيفة عبر المتغير المنطقي المسمى "حالة التنفس". تذكر أن تمرر معدل التدفق بوحدة مل / ثانية إلى تلك الوظيفة عند استدعائها.

الخطوة 7: الدمج في نظامك

قم بتوصيله بالإعداد الخاص بك مهما كان واستمتع بقياس معدل التدفق بأقل من 15 جنيهًا إسترلينيًا:)

مرفق صورة نموذجية لبعض التدفقات والضغوط والأحجام من تطبيق جهاز التنفس الصناعي الخاص بنا.

تعتبر وصلات اقتران السباكة المستقيمة رائعة لربط هذا المستشعر بأنبوب OD آخر بحجم 22 مم.