Residentiële luchtstroommeter

Over dit project

Achtergrond

We kregen de opdracht om een ​​luchtstroommeter te maken die in een woonomgeving kan worden gebruikt. Helaas zijn in de huidige HVAC-industrie de enige luchtstroomsensoren op de markt voor systemen die zijn ontworpen voor industriële toepassingen. De apparaten die momenteel worden gebruikt om de luchtstroomsnelheid in industriële registers te berekenen, zijn ofwel te groot voor residentiële registers of kunnen de luchtstroomsnelheid niet berekenen vanwege de kleinere luchtstroomuitgangen van een residentieel HVAC-systeem.

Hoe het werkt

Om een ​​signaal uit de luchtstroom te genereren, hebben we een bekeranemometer gebruikt om de lucht op te vangen. We hebben op maat gemaakte 3D-geprinte bladen gemaakt met Autodesk Inventor om de prestaties van de ventilatorbladen bij het opvangen van lucht te optimaliseren. We hebben ook een behuizing 3D-geprint om de windmeter in te plaatsen.

Om het signaal af te lezen dat de windmeter afgeeft, is gekozen voor een spanningssensor. Het signaal van de sensor moest ook worden versterkt om een ​​nauwkeurigere meting van de spanningssensor te krijgen. De versterker neemt de uitgangsspanning van de windmeter en versterkt deze met een factor 10. Deze factor kan tussen de 1,5 en 1000 keer worden verhoogd of verlaagd op basis van de ingangsspanning.

Een Arduino Uno werd gebruikt om het analoge signaal van de spanningssensor te lezen en te controleren wat op het LCD-scherm werd gepresenteerd. Voor dit specifieke probleem wilden we de windsnelheid in CFM, dus hebben we deze als zodanig op het scherm weergegeven.

De bouw

Elektronica

De eerste stap in de constructie is om te beginnen met de anemometer. Hieronder staan ​​enkele foto's van het apparaat.

Kijk naar de afbeelding met het label "Anemometer bovenaanzicht". Het punt waar de bladen aansluiten op de windmeter is een L-vormig en erg dun. Dit is niet zo goed bestand tegen hoge snelheden, dus hier hebben we nieuwe bladen ontworpen. Wat we wilden, waren dikkere messen en een steviger handvatontwerp. Het doel van de grotere bladen was om de luchtspleet in dwarsdoorsnede tussen het blad en de behuizing (waar de ventilator zal zitten) te verkleinen, wat op zijn beurt de hoeveelheid lucht die door de schep wordt opgevangen en de door de motor geproduceerde spanning zou vergroten. Hieronder staan ​​foto's van waar de bladen aan de windmeter zijn bevestigd.

Je denkt misschien, zal dit veel verschil maken? Dat is een geweldige vraag. Om dat te beantwoorden hebben we een aantal stressanalysetests uitgevoerd in Autodesk Inventor om te zien dat het nieuwe ontwerp veel steviger is. Op onderstaande foto zijn de resultaten te zien.

We kunnen zien dat de nieuwe bladen veel effectiever zijn bij hoge snelheden. De STL-bestanden voor de blades zijn bijgevoegd in de sectie bestanden. BEVESTIG DE NIEUWE MESSEN NOG NIET.

Vervolgens moeten we de aangepaste windmeter in de behuizing plaatsen. De STL-bestanden voor de wooneenheid bevinden zich in de sectie bestanden. Schuif, zonder bladen in de windmeter, de windmeter omhoog door het gat aan de onderkant van de behuizing. Gorilla de onderkant van de windmeter tot twee dunne houten cirkels (van Hobby Lobby). Boor 4 kleine gaatjes door de cirkels en door de ABS kunststof behuizing. Eén gat is om de draad door te halen, de andere drie zijn voor schroeven. De afbeelding hieronder laat zien hoe het eruit zal zien.

Vervolgens moeten we de anemometer op de versterker aansluiten. Hieronder een foto van de versterker.

*Let op:alle draden die op de versterker zijn aangesloten, zijn mannelijk naar mannelijk

Neem twee mannelijke naar mannelijke draden, de kleuren doen er niet toe, maar ik noem ze bij de kleuren die we in ons project hebben gebruikt. Soldeer een rode draad aan de +S cirkel aan de rechterkant. Soldeer het andere uiteinde aan de rode draad die uit de windmeter komt. Soldeer een zwarte draad aan de -S cirkel aan de rechterkant. Soldeer het andere uiteinde aan de gele draad die uit de windmeter komt. Ook het toevoegen van isolatietape werkt goed om ze op hun plaats te houden.

Vervolgens moeten we de versterker aansluiten op een batterijvoeding. Soldeer een gele draad aan de GND aan de rechterkant. Soldeer het andere uiteinde aan de zwarte draad die uit een batterijconnector komt. Soldeer een witte draad aan de Vln-cirkel aan de rechterkant. Soldeer het andere uiteinde aan de rode draad die uit een batterijconnector komt.

Vervolgens moeten we de versterker aansluiten op de spanningssensor. Soldeer een blauwe draad aan de GND op de versterker en het andere uiteinde aan VCC op de spanningssensor. Soldeer een groene draad aan de Vout op de versterker en het andere uiteinde aan GND op de spanningssensor.

Nu zullen we de spanningssensor op de Arduino aansluiten en de bedrading afmaken. Het bedradingsschema in het schemagedeelte laat zien hoe dit onderdeel moet worden aangesloten.

Afwerking

De moeilijkste delen zijn gedaan! Nu alles is aangesloten kunnen we de elektronica op de flowmeter instellen. Gebruik een stuk foamboard als plafond voor de bovenkant van de ventilatorbehuizing. We gebruikten gorillalijm om het op zijn plaats te houden. Je kunt dan de elektronica op het foamboard plaatsen en meer foamboard gebruiken om de elektronica te omsluiten. Op onderstaande foto's kun je zien hoe het schuim is gebruikt om de elektronica in te sluiten.

Er werden ook gaten in het schuim gesneden om de Arduino en de versterker toegang te geven tot hun respectievelijke 9V-batterijvoedingsbronnen. Dit is te zien op de onderstaande afbeelding.

Vervolgens bouwen we de trechter. Voor de planken van de trechter hebben we PVC-materiaal gebruikt. Er waren 4 planken in de vorm van trapeziums. Om de planken met elkaar te verbinden hebben we gorilla lijm en kit gebruikt. Dezelfde methode werd gebruikt om de trechter aan te sluiten op het ventilatorhuis. Aan het grote uiteinde van de trechter werd tochtstrip rond de omtrek geplaatst. Dit werd gedaan om een ​​afdichting te creëren voor wanneer de trechter tegen een ventilatieopening wordt gedrukt. De doorsnede van het brede uiteinde van de trechter is 14'' bij 14''. De afbeelding hieronder toont een vooraanzicht van de trechter.

Kalibratie

Nadat alles was gebouwd, hebben we onze flowmeter gekalibreerd. We hebben het getest met een apparaat dat de exacte luchtstroom kende. Onze eerste code gaf de spanning weer die door de sensor op het LCD-scherm werd gelezen. Vervolgens hebben we die verzamelde gegevens gebruikt om vergelijkingen te maken om het LCD-scherm CFM weer te geven. De onderstaande gegevens laten zien hoe we het hebben gekalibreerd.

Op de grafiek ziet u twee curven, de initiële luchtstroom en de werkelijke luchtstroom. Ze zijn anders, want wanneer we door de lucht trechteren, zal de snelheid iets afnemen. Hier gebruiken we de best passende vergelijking voor de werkelijke luchtstroom,

y =1.1409x^2 + 44.958x, in onze Arduino-code. De code wordt opgedeeld in drie delen, gebieden met windsnelheden van nul, kleine tot middelgrote windsnelheden en grote windsnelheden. U kunt de bovenstaande vergelijking het beste gebruiken om de volledige windsnelheid van de stroming te modelleren, maar we hebben een betere vergelijking gevonden om het kleine tot middelgrote bereik te modelleren. De bereiken worden weergegeven door de volgende vergelijkingen:

Grote CFM:

y =1.1409x^2 + 44.958x

Gemiddelde tot lage CFM

y =40x +20

Nul CFM:

y =0

U vindt de code in het latere gedeelte.

Zodra je de code naar de Arduino hebt geüpload, ben je klaar met de flowmeter!

Kalibratie het Jezelf (Optioneel)

Dus laten we zeggen dat u het zelf wilt kalibreren. Misschien wilt u dat uw luchtstroom wordt gemeten in m/s of mph. Hier zullen we u door de stappen leiden om het te kalibreren.

Stap 1:Zoek eerst een manier om het werkelijke debiet te vinden.

De goedkoopste manier om dit te doen is door een windmeter in de winkel te kopen. Hier is er een die zou werken. Windmeter

Stap 2:Plaats de windmeter voor een ventilator met verschillende snelheden. De ventilator zou er een kunnen zijn zoals deze in de onderstaande afbeelding wordt getoond.

Stap 3:Noteer de windsnelheid van de anemometer bij elke verschillende instelling.

Stap 4:U moet de flowmeter de uitgangsspanning van de ventilator laten aflezen. Om dit te doen, uploadt u de code met de titel "Voltage Sensor Code" naar de Arduino.

Stap 5:Nu u de meetspanning van de flowmeter hebt, noteert u de spanning bij elke verschillende ventilatorsnelheidsinstelling.

Stap 6:Gebruik Excel om een ​​spreidingsplot van "Windsnelheid versus spanning" te maken.

Stap 7:Gebruik de trendlijnfunctie om een ​​vergelijking te vinden waarmee de "Windsnelheid versus spanning" nauwkeurig wordt gemodelleerd.

Stap 8:Als u denkt dat uw trendlijn niet erg lineair is, kunt u een aparte vergelijking vinden voor het onderste en bovenste gedeelte van de grafiek.

Stap 9:Nu kunt u uw vergelijkingen vervangen door mijn vergelijkingen in de "Flowmetercode". Zodra u de code naar de Arduino uploadt, bent u klaar!

1. #include  2. 3. LiquidCrystal lcd (12, 11, 5, 4, 3, 2); 4. // Dit zijn de pinnen die gebruikt zullen worden 5. 6. // Hieronder staan ​​de waarden van de weerstanden in de sensor 7. float R1=30000; 8. 9. vlotter R2=7500; 10. 11. void setup() 12. { 13. 14. Serial.begin (9600); 15. lcd.begin (16, 2); 16. // Hiermee kan het LCD-scherm worden gebruikt 17. 18. 19. } 20. 21. void loop() 22. // Begin van de loop 23. { 24. 25. int sensorValue =analogRead(A0); 26. // Leest de sensorwaarde 27. 28. floatspanning =((5*sensorValue*(R1+R2))/(1024*R2)); 29. // Vergelijking voor de werkelijke spanning 30. 31. 32. //********************************* *********************// 33. // De vergelijking voor CFM is een stuksgewijze functie van spanning, 34. // dus als uitspraken zijn gebruikt om de functies in 35 te verdelen. // hun respectievelijke regio's onder 36. //********************************* *********************// 37. 38. 39. if (voltage> 1) 40. // Eerste regio van de functie voor grote CFM 41. { 42. 43. float cfm =(1.1409*(voltage))*((voltage))+44.258*(voltage); 44. 45. Serial.println(cfm); 46. ​​// Geeft CFM weer 47. lcd.print("CFM ="); 48. lcd.setCursor(0, 1); 49. lcd.print(cfm); 50. vertraging (1000); 51. // 1000 ms vertraging 52. lcd.clear(); 53. // Wist voor herhaling 54. vertraging (1000); 55. 56. } 57. 58. else if (.01  
 Aangepaste onderdelen en behuizingen  
  
 
 Schema's