Μέτρηση διοξειδίου του άνθρακα

 Η διάταξη την οποία παρουσιάζω εδώ αποτέλεσε μέρος ενός project (CO2duino) με μαθητές του 3^ου Γυμνασίου Ηγουμενίτσας, που παρουσιάστηκε αρχικά στους 10^ους Πανελλήνιους Αγώνες Κατασκευών και Πειραμάτων Φυσικών Επιστημών και μετά στο φεστιβάλ Science on Stage που διεξάχθηκε από 30 Οκτωβρίου μέχρι 3 Νοεμβρίου 2019 στο Cascais της Πορτογαλίας.

Για τη μέτρηση των επιπέδων του CO₂ χρησιμοποιήσαμε τον αισθητήρα MH-Z16 με δυνατότητες μέτρησης συγκέντρωσης CO₂ από 0 – 5000 ppm.

Εικόνα 1: Ο αισθητήρας ανίχνευσης διοξειδίου του άνθρακα MH-Z16

    Η λειτουργία του αισθητήρα ΜΗ-Ζ16 βασίζεται στη φασματομετρία υπερύθρων για τη μέτρηση της συγκέντρωσης (σε ppm) του CO₂ σε κάποιο μίγμα αερίων. Αποτελείται από ένα πομπό και ένα δέκτη υπερύθρων, ενώ πολύ κοντά στο δέκτη έχει τοποθετηθεί ειδικό φίλτρο που αποκόπτει όλες τις άλλες ακτινοβολίες εκτός από αυτές τις οποίες απορροφά το διοξείδιο του άνθρακα. Δηλαδή από τις ακτινοβολίες που εκπέμπει ο πομπός, ο δέκτης ανιχνεύει μόνο τις ακτινοβολίες που απορροφά το διοξείδιο του άνθρακα. Όσο αυξάνεται η συγκέντρωση του CO₂ στο χώρο μεταξύ πομπού και δέκτη, τόσο μειώνεται η ένταση της ακτινοβολίας που ανιχνεύει ο δέκτης του αισθητήρας. Για χρήση σε εσωτερικούς χώρους ο αισθητήρας είναι ικανοποιητικά αξιόπιστος.

Για τη λειτουργία του ο αισθητήρας χρειάζεται τάση 5V, αλλά η επικοινωνία του αισθητήρα με τον μικροελεγκτή γίνεται στα 3,3V. Για το λόγο αυτό δε χρησιμοποιήσαμε ένα Arduino για τη σύνδεση του αισθητήρα, αλλά μια πλακέτα με τον μικροελεγκτή ESP8266 (Wemos D1 R1), η οποία όμως μπορεί να προγραμματιστεί χρησιμοποιώντας το ίδιο περιβάλλον εργασίας και την ίδια γλώσσα με τον Arduino. Η επικοινωνία του αισθητήρα με τον μικροελεγκτή γίνεται σειριακά στο 9600bps, ενώ τα αποτελέσματα των μετρήσεων αποστέλλονται σειριακά σε υπολογιστή, όπου καταγράφονται και απεικονίζονται γραφικά με τη βοήθεια του λογισμικού DataPlotter που διατίθεται ελεύθερα για εκπαιδευτική και μόνο χρήση από το blog μου.

Με τη χρήση της διάταξης διαπιστώσαμε την ύπαρξη του CO₂ στα προϊόντα της αναπνοής του ανθρώπου (Εικόνα 2), αλλά και το σημαντικό του ρόλο στη φωτοσύνθεση και την αναπνοή των φυτών (Εικόνα 4). 

Εικόνα 2: Εκπνέοντας πάνω στον αισθητήρα

Ειδικότερα για την ανίχνευση των μεταβολών στη συγκέντρωση του CO2 κατά τη φωτοσύνθεση και την αναπνοή των φυτών εργαστήκαμε ως εξής: Σε μια μικρή διαφανή πλαστική φιάλη βάλαμε μερικά φύλλα μολόχας, ενώ ταυτόχρονα από το άνοιγμα της φιάλης εισάγαμε και τον αισθητήρα στο εσωτερικό της φιάλης. Με μια λάμπα λευκού φωτός φωτίσαμε τα φύλλα της μολόχας, προσομοιώνοντας την κατάσταση που επικρατεί κατά τη διάρκεια της ημέρας, ενώ στη συνέχεια καλύψαμε τη φιάλη με αλουμινόχαρτο για να προσομοιώσουμε την κατάσταση κατά τη διάρκεια της νύχτας. Στα πειράματά μας ο συνολικός κύκλος εναλλαγής ημέρας – νύχτας διαρκούσε περί τα 10 λεπτά. Χρησιμοποιώντας την κατάλληλη βιβλιοθήκη για να εκμεταλλευτούμε τις δυνατότητες του αισθητήρα με τον Arduino και το λογισμικό DataPlotter, πήραμε αποτελέσματα (Εικόνα 4), που επιβεβαιώνουν τη μείωση της συγκέντρωσης του CO₂ κατά την ημέρα, όταν επικρατεί η φωτοσύνθεση και αντίστοιχα την αύξηση της συγκέντρωσης κατά τη νύχτα, οπότε και επικρατεί η αναπνοή.

Η πειραματική διάταξη

Εικόνα 4: Προσομοίωση ημερήσιου κύκλου μεταβολής της συγκέντρωσης CO₂ λόγω φωτοσύνθεσης - αναπνοής φυτού

Νεότερη έκδοση της διάταξης υλοποιήθηκε με Arduino Micro, με τον στα 8ΜΗz χρονισμένο μικροελεγκτή του να στηρίζεται σε λογική 3.3V. Χρησιμοποιεί επιπλέον και μικρή OLED οθόνη για την την αποτύπωση των αποτελεσμάτων. 

Επίσης μια νεότερη έκδοση του λογισμικού DataPlotter με την επιπλέον δυνατότητα λήψης δεδομένων μέσω διαδικτύου (MQTT Broker) είναι διαθέσιμη στο blog μου αποκλειστικά και μόνο για εκπαιδευτική χρήση (http://ntphyslab.blogspot.com/2021/01/blog-post.html).

Λογισμικό απεικόνισης μετρήσεων (ΙΙ)

 Tη δεύτερη έκδοση του προγράμματος DataPlotter με δυνατότητα λήψης δεδομένων είτε από τον σειριακά συνδεδεμένο Arduino, είτε μέσω διαδικτύου (μέσω MQTT broker) μπορείτε να κατεβάσετε ελεύθερα για εκπαιδευτικούς και μόνο σκοπούς από εδώ. 

Τα προς απεικόνιση δεδομένα πρέπει να αποστέλλονται με τη μορφή: "data1 data2 data 3 data4".

Κατασκευή μιας μίνι γεννήτριας Van de Graaff

Στα επόμενα βιντεάκια παρουσιάζονται ορισμένες επιδείξεις φαινομένων στατικού ηλεκτρισμού που πραγματοποιούνται με μια μίνι γεννήτρια Van de Graaff, που κατασκεύασα.

Αρχή λειτουργίας αλεξικέραυνου

Αναλυτικές οδηγίες κατασκευής της γεννήτριας θα βρείτε εδώ.

Πειράματα πυκνότητας

Μπορείτε ελεύθερα να κατεβάσετε το βιβλιαράκι μου "Πειράματα προσδιορισμού πυκνότητας". Τα πειράματα του βιβλίου με ομάδες μαθητών παρουσιάσαμε στις εκδηλώσεις "Ημέρες Φυσικής" που διοργάνωσα ως υπεύθυνος του ΕΚΦΕ Θεσπρωτίας.

Μέτρηση μαγνητικού πεδίου με πολύμετρο

Ένα απλό μαγνητόμετρο που σχεδιάστηκε γύρω από τον αισθητήρα φαινομένου Hall SS495 (ή τον SS49Ε) και συνδέεται σε οποιοδήποτε ψηφιακό πολύμετρο για απεικόνιση της μέτρησης.

Για την τροφοδοσία του αισθητήρα χρησιμοποιούνται δύο μπαταρίες CR2032 (3,3V) σε σειρά, ενώ ένα κύκλωμα εικονικής γείωσης υλοποιείται μέσω της αντίστασης R1 = 820Ω και του ποτενσιομέτρου R2 = 1 kΩ. Η αντίσταση R3=220Ω για τον περιορισμό του ρεύματος στο LED και ο πυκνωτής C=100nFγια το φιλτράρισμα της τάσης τροφοδοσίας. Το κύκλωμα ολοκληρώνει ένας απλός on/off διακόπτης. Η ακίδα 1 της εξόδου συνδέεται στο θετικό πόλο του πολυμέτρου και η ακίδα 2 στη γείωση. Το πολύμετρο ρυθμίζεται στην κλίμακα μέτρησης τάσεων 200 mV ή 2V.

Στην περίπτωση του SS49E η έξοδος του κυκλώματος μεταβάλλεται γραμμικά από -1,4V μέχρι 1,4V όταν η ένταση του μαγνητικού πεδίου στην επιφάνεια του αισθητήρα κυμαίνεται από -100 mT μέχρι 100 mT (ακολουθεί δηλαδή ένα ρυθμό μεταβολής περί τα 1,4 mV/Gauss). Θετικές τιμές τάσης σημαίνει ότι στη μπροστινή επιφάνεια του αισθητήρα προσεγγίζει νότιος μαγνητικός πόλος και αρνητικές τιμές ότι προσεγγίζει βόρειος μαγνητικός πόλος. Το ποτενσιόμετρο R2 ρυθμίζεται για ένδειξη μηδέν απουσία εξωτερικού μαγνητικού πεδίου (το γήινο μαγνητικό πεδίο έχει τιμές έξω από τη διακριτική ικανότητα του αισθητήρα).

Βιβλίο: Arduino για αρχάριους

Μπορείτε ελεύθερα να κατεβάσετε το βιβλιαράκι μου "Arduino για αρχάριους", που γράφτηκε για σειρά σεμιναρίων που απευθύνονταν σε συναδέλφους εκπαιδευτικούς:

Τα παραδείγματα του βιβλίου σε ένα συμπιεσμένο αρχείο μπορείτε να τα κατεβάσετε από εδώ.

Λογισμικό απεικόνισης μετρήσεων

Μπορείτε να κατεβάσετε ελεύθερα για εκπαιδευτικούς και μόνο σκοπούς το λογισμικό γραφικής απεικόνισης μετρήσεων που λαμβάνονται σειριακά από τον Arduino από εδώ. Τα προς απεικόνιση δεδομένα πρέπει να αποστέλλονται σειριακά με τη μορφή: "data1 data2 data 3 data4".