Caudalímetro de aire residencial

Acerca de este proyecto

Antecedentes

Se nos encomendó la tarea de crear un caudalímetro de flujo de aire que pudiera usarse en un entorno residencial. Desafortunadamente, en la industria actual de HVAC, los únicos dispositivos de detección de flujo de aire en el mercado son para sistemas diseñados para aplicaciones industriales. Los dispositivos que se utilizan actualmente para calcular la tasa de flujo de aire en registros de tamaño industrial son demasiado grandes para registros residenciales o no pueden calcular la tasa de flujo de aire debido a las salidas de flujo de aire más pequeñas de un sistema HVAC residencial.

Cómo funciona

Para generar una señal del flujo de aire, usamos un anemómetro de taza para atrapar el aire. Hicimos aspas impresas en 3D personalizadas con Autodesk Inventor para optimizar el rendimiento de las aspas del ventilador al atrapar el aire. También imprimimos en 3D un recinto para colocar el anemómetro.

Para leer la señal que emitía el anemómetro, se eligió un sensor de voltaje. La señal del sensor también necesitaba amplificarse para tener una lectura más precisa en el sensor de voltaje. El amplificador toma el voltaje de salida del anemómetro y lo amplifica por un factor de 10. Este factor puede aumentarse o disminuirse entre 1,5 y 1000 veces según el voltaje de entrada.

Se utilizó un Arduino Uno para leer la señal analógica del sensor de voltaje y controlar lo que se presentaba en la pantalla LCD. Para este problema específico, queríamos la velocidad del viento en CFM, por lo que la mostramos así en la pantalla.

La construcción

Electrónica

El primer paso en la construcción es comenzar con el anemómetro. A continuación se muestran algunas fotos del dispositivo.

Mire la imagen etiquetada "Vista superior del anemómetro". El punto donde las palas se conectan al anemómetro tiene forma de L y es muy delgado. Esto no resistirá muy bien a altas velocidades, así que aquí es donde diseñamos nuevas hojas. Lo que queríamos eran hojas más gruesas y un diseño de mango más resistente. El propósito de las palas más grandes era reducir el espacio de aire transversal entre la paleta y la unidad de alojamiento (donde se ubicará el ventilador), lo que a su vez aumentaría la cantidad de aire atrapado por la pala y el voltaje producido por el motor. A continuación se muestran fotos de dónde se unen las cuchillas al anemómetro.

Quizás esté pensando, ¿hará esto una gran diferencia? Esa es una buena pregunta. Para responder a eso, realizamos algunas pruebas de análisis de estrés en Autodesk Inventor para ver que el nuevo diseño es mucho más robusto. La siguiente imagen muestra los resultados.

Podemos ver que las nuevas palas son mucho más efectivas a altas velocidades. Los archivos STL para las hojas se adjuntan en la sección de archivos. NO COLOQUE LAS CUCHILLAS NUEVAS TODAVÍA.

A continuación, debemos colocar el anemómetro modificado en la unidad de vivienda. Los archivos STL de la unidad de vivienda se encuentran en la sección de archivos. Sin hojas en el anemómetro, deslice el anemómetro hacia arriba a través del orificio en la parte inferior de la carcasa. Gire la parte inferior del anemómetro a dos círculos de madera delgados (de Hobby Lobby). Taladre 4 pequeños orificios a través de los círculos y a través de la carcasa de plástico ABS. Un agujero será para pasar el cable, los otros tres serán para tornillos. La siguiente imagen muestra cómo se verá.

A continuación, necesitamos conectar el anemómetro al amplificador. A continuación se muestra una imagen del amplificador.

* Tenga en cuenta que todos los cables conectados al amplificador son macho a macho

Tome dos cables macho a macho, los colores no importan, pero los llamaré por los colores que usamos en nuestro proyecto. Suelde un cable rojo al círculo + S de la derecha. Suelde el otro extremo al cable rojo que sale del anemómetro. Suelde un cable negro al círculo -S de la derecha. Suelde el otro extremo al cable amarillo que sale del anemómetro. Además, agregar cinta aislante funciona bien para mantenerlos en su lugar.

A continuación, debemos conectar el amplificador a una batería. Suelde un cable amarillo al GND del lado derecho. Suelde el otro extremo al cable negro que viene de un conector del paquete de baterías. Suelde un cable blanco al círculo Vln del lado derecho. Suelde el otro extremo al cable rojo que viene de un conector del paquete de baterías.

A continuación, debemos conectar el amplificador al sensor de voltaje. Suelde un cable azul al GND en el amplificador y el otro extremo a VCC en el sensor de voltaje. Suelde un cable verde al Vout en el amplificador, el otro extremo a GND en el sensor de voltaje.

Ahora conectaremos el sensor de voltaje al Arduino y terminaremos el cableado. El diagrama de cableado en la sección de esquemas muestra cómo cablear esta pieza.

Toques finales

¡Las partes más difíciles están hechas! Ahora que todo está cableado, podemos configurar la electrónica en el caudalímetro. Use un pedazo de tablero de espuma para que sea el techo de la parte superior de la carcasa del ventilador. Usamos pegamento de gorila para mantenerlo en su lugar. Luego, puede colocar los componentes electrónicos en la placa de espuma y usar más placa de espuma para encerrar los componentes electrónicos. En las imágenes a continuación, puede ver cómo se usó la espuma para encerrar los componentes electrónicos.

Además, se cortaron agujeros en la espuma para permitir que el Arduino y el amplificador accedan a sus respectivas fuentes de alimentación de batería de 9V. Esto se puede ver en la imagen de abajo.

A continuación, crearemos el embudo. Usamos material de PVC para los tableros del embudo. Había 4 tablas con forma de trapecio. Para unir las tablas entre sí usamos pegamento gorila y masilla. Se utilizó el mismo método para conectar el embudo a la carcasa del ventilador. En el extremo grande del embudo, se colocaron burletes alrededor del perímetro. Esto se hizo para crear un sello para cuando el embudo se presiona hacia un respiradero. La sección transversal del extremo grande del embudo es de 35 x 35 cm. La siguiente imagen muestra una vista frontal del embudo.

Calibración

Una vez que todo estuvo construido calibramos nuestro caudalímetro. Lo probamos con un dispositivo que conocía el flujo de aire exacto. Nuestro primer código mostró el voltaje leído por el sensor en la pantalla LCD. Luego usamos esos datos recolectados para crear ecuaciones para hacer que la pantalla LCD muestre CFM. Los datos a continuación muestran cómo lo calibramos.

En el gráfico puede ver dos curvas, el flujo de aire inicial y el flujo de aire real. Son diferentes porque cuando estamos canalizando el aire, la velocidad disminuirá ligeramente. Aquí usaremos la ecuación de mejor ajuste para el flujo de aire real,

y =1.1409x ^ 2 + 44.958x, en nuestro código arduino. El código se dividirá en tres partes, áreas con velocidades de viento de cero, velocidades de viento pequeñas a medianas y velocidades de viento grandes. Puede ajustar mejor la ecuación anterior para modelar toda la velocidad del viento del flujo, pero encontramos una ecuación mejor para modelar el rango pequeño a mediano. Los rangos serán representados por las siguientes ecuaciones:

CFM grande:

y =1.1409x ^ 2 + 44.958x

CFM medio a bajo

y =40x +20

Cero CFM:

y =0

Puede encontrar el código en la sección posterior.

Una vez que haya subido el código al Arduino, ¡habrá terminado con el medidor de flujo!

Calibración eso Usted mismo (Opcional)

Digamos que quiere calibrarlo usted mismo. Tal vez desee que su flujo de aire se mida en m / so mph. Aquí lo guiaremos a través de los pasos para calibrarlo.

Paso 1:primero encuentre una manera de encontrar el caudal real.

La forma más económica de hacerlo es comprando un anemómetro en la tienda. Aquí hay uno que funcionaría. Anemómetro

Paso 2:coloque el anemómetro frente a un ventilador que tenga diferentes configuraciones de velocidad. El ventilador podría ser uno como el que se muestra en la siguiente imagen.

Paso 3:registre la velocidad del viento del anemómetro en cada ajuste diferente.

Paso 4:Tiene que hacer que el caudalímetro lea el voltaje de salida del ventilador. Para hacer esto, cargue el código titulado "Código del sensor de voltaje" al Arduino.

Paso 5:Ahora que tiene el voltaje de lectura del medidor de caudal, registre el voltaje en cada ajuste de velocidad del ventilador diferente.

Paso 6:Utilice Excel para crear un diagrama de dispersión de "Velocidad del viento frente a voltaje".

Paso 7:Utilice la función de línea de tendencia para encontrar una ecuación que modele con precisión la "Velocidad del viento frente a la tensión".

Paso 8:si cree que su línea de tendencia no es muy lineal, puede encontrar una ecuación separada para las partes inferior y superior del gráfico.

Paso 9:Ahora puede sustituir sus ecuaciones por mis ecuaciones en el "Código del medidor de flujo". Una vez que cargue el código en Arduino, ¡estará listo!

 1. #include  2. 3. LiquidCrystal lcd (12, 11, 5, 4, 3, 2); 4. // Estos son los pines que se utilizarán 5. 6. // A continuación se muestran los valores de las resistencias en el sensor 7. float R1 =30000; 8. 9. flotador R2 =7500; 10. 11. void setup () 12. {13. 14. Serial.begin (9600); 15. lcd. Comienzo (16, 2); 16. // Esto permite utilizar la pantalla LCD 17. 18. 19.} 20. 21. bucle void () 22. // Inicio del bucle 23. {24. 25. int sensorValue =analogRead (A0); 26. // Lee el valor del sensor 27. 28. voltaje de flotación =((5 * sensorValue * (R1 + R2)) / (1024 * R2)); 29. // Ecuación para la tensión real 30. 31. 32. // ******************************* ************************ // 33. // La ecuación para CFM es una función por partes del voltaje, 34. // así que si se usaron declaraciones para dividir las funciones en 35. // sus respectivas regiones por debajo de 36. // ******************************* ************************ // 37. 38. 39. if (voltaje> 1) 40. // Primera región de la función para CFM grandes 41. {42. 43. flotador cfm =(1.1409 * (voltaje)) * ((voltaje)) + 44.258 * (voltaje); 44. 45. Serial.println (cfm); 46. ​​// Muestra CFM 47. lcd.print ("CFM ="); 48. lcd.setCursor (0, 1); 49. lcd.print (cfm); 50. retraso (1000); 51. // Retraso de 1000 ms 52. lcd.clear (); 53. // Borra para repetir 54. delay (1000); 55. 56.} 57. 58. else if (.01  
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