Luftmassenmesser für Wohngebäude

Notwendige Werkzeuge und Maschinen

Lötkolben (generisch)

Über dieses Projekt

Hintergrund

Wir hatten die Aufgabe, einen Luftstrommesser zu entwickeln, der in einer Wohnumgebung verwendet werden kann. Leider sind in der heutigen HLK-Branche die einzigen Luftstromsensorgeräte auf dem Markt für Systeme, die für industrielle Anwendungen ausgelegt sind. Die derzeit verwendeten Geräte zur Berechnung des Luftvolumenstroms in industrietauglichen Registern sind entweder für Wohnregister zu groß oder können den Luftvolumenstrom aufgrund der geringeren Luftstromleistungen einer HLK-Anlage für Wohngebäude nicht berechnen.

Wie es funktioniert

Um ein Signal aus dem Luftstrom zu erzeugen, haben wir ein Becher-Anemometer verwendet, um die Luft aufzufangen. Wir haben maßgeschneiderte 3D-gedruckte Flügel mit Autodesk Inventor hergestellt, um die Leistung der Lüfterflügel beim Auffangen der Luft zu optimieren. Wir haben auch ein Gehäuse in 3D gedruckt, um das Anemometer darin zu platzieren.

Um das vom Anemometer ausgegebene Signal abzulesen, wurde ein Spannungssensor gewählt. Das Signal vom Sensor musste auch verstärkt werden, um einen genaueren Messwert auf dem Spannungssensor zu erhalten. Der Verstärker nimmt die Ausgangsspannung des Anemometers und verstärkt sie um den Faktor 10. Dieser Faktor kann je nach Eingangsspannung zwischen dem 1,5- und 1000-fachen erhöht oder verringert werden.

Ein Arduino Uno wurde verwendet, um das analoge Signal vom Spannungssensor zu lesen und zu steuern, was auf dem LCD-Bildschirm angezeigt wurde. Für dieses spezielle Problem wollten wir die Windgeschwindigkeit in CFM, also haben wir sie so auf dem Bildschirm angezeigt.

Der Build

Elektronik

Der erste Schritt beim Bau besteht darin, mit dem Anemometer zu beginnen. Unten sind einige Fotos des Geräts.

Sehen Sie sich das Bild mit der Bezeichnung "Anemometer-Draufsicht" an. Der Punkt, an dem die Blätter mit dem Anemometer verbunden sind, ist L-förmig und sehr dünn. Dies hält hohen Geschwindigkeiten nicht sehr gut stand, daher haben wir hier neue Klingen entwickelt. Was wir wollten, wo dickere Klingen und ein stabileres Griffdesign. Der Zweck der größeren Flügel bestand darin, den Luftspalt im Querschnitt zwischen dem Flügel und der Gehäuseeinheit (wo der Lüfter sitzt) zu verringern, was wiederum die von der Schaufel erfasste Luftmenge und die vom Motor erzeugte Spannung erhöhen würde. Unten sind Fotos, wo die Klingen am Anemometer befestigt sind.

Sie denken vielleicht, wird das einen großen Unterschied machen? Das ist eine großartige Frage. Um dies zu beantworten, haben wir einige Belastungsanalysetests in Autodesk Inventor durchgeführt, um zu sehen, dass das neue Design viel robuster ist. Das Bild unten zeigt die Ergebnisse.

Wir können sehen, dass die neuen Klingen bei hohen Geschwindigkeiten viel effektiver sind. Die STL-Dateien für die Blades sind im Dateibereich angehängt. BEFESTIGEN SIE DIE NEUEN KLINGEN NOCH NICHT.

Als nächstes müssen wir das modifizierte Anemometer in die Gehäuseeinheit platzieren. Die STL-Dateien für die Wohneinheit befinden sich im Abschnitt Dateien. Schieben Sie das Anemometer ohne Klingen im Anemometer nach oben durch das Loch an der Unterseite des Gehäuses. Gorilla die Unterseite des Anemometers auf zwei dünne Holzkreise (aus Hobby Lobby). Bohren Sie 4 kleine Löcher durch die Kreise und durch das ABS-Kunststoffgehäuse. Ein Loch dient zum Durchfädeln des Drahtes, die anderen drei sind für Schrauben. Das Bild unten zeigt, wie es aussehen wird.

Als nächstes müssen wir das Anemometer an den Verstärker anschließen. Unten ist ein Bild des Verstärkers.

*Beachten Sie, dass alle an den Verstärker angeschlossenen Kabel von Stecker zu Stecker sind

Nehmen Sie zwei männliche Drähte, die Farben spielen keine Rolle, aber ich werde sie nach den Farben nennen, die wir in unserem Projekt verwendet haben. Löten Sie einen roten Draht an den +S-Kreis rechts. Löten Sie das andere Ende an den roten Draht, der vom Anemometer kommt. Löten Sie einen schwarzen Draht an den -S-Kreis rechts. Löten Sie das andere Ende an den gelben Draht, der vom Anemometer kommt. Auch das Hinzufügen von Isolierband funktioniert gut, um sie an Ort und Stelle zu halten.

Als nächstes müssen wir den Verstärker an eine Batterieversorgung anschließen. Löten Sie ein gelbes Kabel an GND auf der rechten Seite. Löten Sie das andere Ende an das schwarze Kabel, das von einem Akkustecker kommt. Löten Sie einen weißen Draht an den Vln-Kreis auf der rechten Seite. Löten Sie das andere Ende an das rote Kabel, das von einem Akkustecker kommt.

Als nächstes müssen wir den Verstärker mit dem Spannungssensor verdrahten. Löten Sie ein blaues Kabel an GND am Verstärker, das andere Ende an VCC am Spannungssensor. Löten Sie ein grünes Kabel an den Vout am Verstärker, das andere Ende an GND am Spannungssensor.

Jetzt werden wir den Spannungssensor mit dem Arduino verdrahten und die Verdrahtung beenden. Der Schaltplan im Abschnitt Schaltpläne zeigt, wie dieses Teil verdrahtet wird.

Feinschliff

Die schwierigsten Teile sind geschafft! Nun, da alles verkabelt ist, können wir die Elektronik am Durchflussmesser einstellen. Verwenden Sie ein Stück Schaumstoffplatte als Decke für die Oberseite des Lüftergehäuses. Wir haben Gorillakleber verwendet, um es an Ort und Stelle zu halten. Sie können dann die Elektronik auf der Schaumstoffplatte platzieren und mehr Schaumstoffplatte verwenden, um die Elektronik einzuschließen. In den Bildern unten sehen Sie, wie der Schaumstoff verwendet wurde, um die Elektronik zu umschließen.

Außerdem wurden Löcher in den Schaumstoff geschnitten, um dem Arduino und dem Verstärker den Zugang zu ihren jeweiligen 9-V-Batteriestromquellen zu ermöglichen. Dies ist im Bild unten zu sehen.

Als nächstes bauen wir den Trichter. Für die Bretter des Trichters haben wir PVC-Material verwendet. Es gab 4 Bretter, die wie Trapeze geformt waren. Um die Bretter miteinander zu verbinden, haben wir Gorillaleim und Verstemmung verwendet. Auf dieselbe Weise wurde der Trichter mit dem Lüftergehäuse verbunden. Am großen Ende des Trichters wurde um den Umfang herum Dichtungsstreifen angebracht. Dies wurde getan, um eine Abdichtung zu schaffen, wenn der Trichter bis zu einer Entlüftung gedrückt wird. Der Querschnitt des großen Endes des Trichters beträgt 14'' mal 14''. Das Bild unten zeigt eine Vorderansicht des Trichters.

Kalibrierung

Nachdem alles gebaut war, haben wir unseren Durchflussmesser kalibriert. Wir haben es mit einem Gerät getestet, das den genauen Luftstrom kannte. Unser erster Code zeigte die vom Sensor auf dem LCD-Bildschirm gelesene Spannung an. Wir haben dann diese gesammelten Daten verwendet, um Gleichungen zu erstellen, damit der LCD-Bildschirm CFM anzeigt. Die folgenden Daten zeigen, wie wir es kalibriert haben.

Auf der Grafik sehen Sie zwei Kurven, den anfänglichen Luftstrom und den tatsächlichen Luftstrom. Sie sind anders, denn wenn wir die Luft nach unten leiten, nimmt die Geschwindigkeit leicht ab. Hier verwenden wir die Best-Fit-Gleichung für den tatsächlichen Luftstrom,

y =1,1409x^2 + 44,958x, in unserem Arduino-Code. Der Code wird in drei Teile unterteilt, Gebiete mit Windgeschwindigkeiten von Null, kleine bis mittlere Windgeschwindigkeiten und große Windgeschwindigkeiten. Sie könnten die obige Gleichung am besten anpassen, um die gesamte Windgeschwindigkeit der Strömung zu modellieren, aber wir haben eine bessere Gleichung gefunden, um den kleinen bis mittleren Bereich zu modellieren. Die Bereiche werden durch die folgenden Gleichungen dargestellt:

Großes CFM:

y =1,1409x^2 + 44,958x

Mittlerer bis niedriger CFM

y =40x +20

Null CFM:

y =0

Den Code finden Sie im späteren Abschnitt.

Sobald Sie den Code auf den Arduino hochgeladen haben, ist der Durchflussmesser fertig!

Kalibrierung es Sie selbst (Optional)

Nehmen wir an, Sie möchten es selbst kalibrieren. Vielleicht möchten Sie, dass Ihr Luftstrom in m/s oder mph gemessen wird. Hier werden wir Sie durch die Schritte zur Kalibrierung führen.

Schritt 1:Finden Sie zuerst eine Möglichkeit, die tatsächliche Durchflussrate zu ermitteln.

Der günstigste Weg, dies zu tun, besteht darin, ein Anemometer im Geschäft zu kaufen. Hier wäre eine, die funktionieren würde. Windmesser

Schritt 2:Platzieren Sie das Anemometer vor einem Ventilator mit unterschiedlichen Geschwindigkeitseinstellungen. Der Lüfter könnte ein solcher sein, der im Bild unten gezeigt wird.

Schritt 3:Zeichnen Sie die Windgeschwindigkeit des Anemometers bei jeder unterschiedlichen Einstellung auf.

Schritt 4:Sie müssen den Durchflussmesser die Ausgangsspannung des Ventilators ablesen lassen. Laden Sie dazu den Code mit dem Titel „Voltage Sensor Code“ auf den Arduino hoch.

Schritt 5:Nachdem Sie nun die Spannung des Durchflussmessers gelesen haben, zeichnen Sie die Spannung bei jeder unterschiedlichen Lüftergeschwindigkeitseinstellung auf.

Schritt 6:Verwenden Sie Excel, um ein Streudiagramm von „Windgeschwindigkeit vs. Spannung“ zu erstellen.

Schritt 7:Verwenden Sie die Trendlinienfunktion, um eine Gleichung zu finden, die die „Windgeschwindigkeit vs. Spannung“ genau modelliert.

Schritt 8:Wenn Sie der Meinung sind, dass Ihre Trendlinie nicht sehr linear ist, können Sie separate Gleichungen für den unteren und oberen Teil des Diagramms finden.

Schritt 9:Jetzt können Sie meine Gleichungen im „Durchflussmesser-Code“ durch Ihre Gleichungen ersetzen. Sobald Sie den Code auf das Arduino hochladen, sind Sie fertig!

Code

• Durchflussmesser-Code
• Code für Spannungssensor
• Spannungssensorcode

Durchflussmesser-CodeC/C++

Schaltpläne