أين تختفي المياه في الغلاية؟

مرحبا بالجميع! تقوم شركتنا بتحويل الأجهزة المنزلية "الكلاسيكية" إلى "ذكية" ويتم التحكم فيها من الهاتف (عبر Bluetooth أو WiFi). أي أنه يتم تضمين وحدة إلكترونية بقناة راديو فيها. إذا كانت الشركة المصنعة للمعدات تريد ترقية النموذج الحالي للمعدات ، فيمكننا تنفيذ لوحة التحكم الخاصة بنا ، والتي ترتبط بتطبيق محمول خاص. ويمكنك أيضًا تطويره من الصفر أو إجراء تغييرات إضافية على اللوحة أو التطبيق أو الحزمة.

بمجرد وصول العميل إلينا وطلب تطوير طريقة (مستشعر) لقياس حجم المياه في الغلاية ، حتى يتمكن المستخدم لاحقًا من رؤية هذه البيانات في تطبيق محمول. يجب أن يكون تصميم المستشعر بسيطًا ومناسبًا لأي طراز من الغلاية. لم يكن لدينا المعارف التقليدية الرسمية: أراد العميل أن تكون الغلاية قادرة على تحديد كمية الماء التي تم سكبها عليها.



بالإضافة إلى ذلك ، تم طرح المتطلبات التالية:

• يجب ألا يزيد خطأ القياس عن 40 مل ؛
• لا يتغير الخطأ عند درجة حرارة الماء من 5 إلى 100 درجة مئوية ؛
• يجب أن تقلل طريقة القياس من تكلفة الغالية وتكاليف تغيير العمليات التكنولوجية للإنتاج.

أصبحت هذه المتطلبات مبادئ توجيهية في اختيار طريقة لقياس حجم الماء داخل قارورة الغلاية. كانت النقطة الأخيرة هي الأكثر أهمية ، لأنه في مجال الأجهزة المنزلية ، يؤثر السعر بشكل كبير على اختيار المشتري. لم نتمكن من استخدام حيل باهظة الثمن وغريبة.

اختيار طريقة القياس

قررنا أن أسهل طريقة هي وزن الماء في الغلاية باستخدام مقاييس الضغط وترجمة البيانات إلى حجم. ولكن كان من الضروري اقتراح واختبار العديد من طرق القياس البديلة: أي عميل يفضل اختيار عدة خيارات مختلفة. سوف يزن الإيجابيات والسلبيات ويتخذ القرار النهائي. لذلك بالتوازي مع إنشاء الأوزان المدمجة ، قمنا بفحص واختبار طرق أخرى.

قررت على الفور التخلي عن طرق التعويم والموجات فوق الصوتية. من المؤكد أن التعويم لن يدخل حيز الإنتاج. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن لغلاية ذات عوامة بالداخل أن تخيف المشترين: من يريد شرب الماء ، حيث يطفو جسم غريب باستمرار. وعاجلاً أم آجلاً ستبدأ الشوائب المختلفة من الماء في الاستقرار على الطفو.

تم رفض طريقة الموجات فوق الصوتية لأنها لن تعمل أثناء الماء المغلي: سيعطي المستشعر قراءات غير صحيحة.

مستشعر سعوية

كان الخيار المثير للاهتمام هو الطريقة السعوية. دعونا نتناولها بمزيد من التفصيل.
في البداية ، قرر المطورون استخدام لوحين معدنيين كمكثف. ومع ذلك ، تبين أن هذا الحل البنّاء غير ناجح: يد تلمس الغلاية تقدم سعة إضافية في النظام ، وتطفو القراءات في الوقت الحقيقي.

بعد ذلك ، تم استخدام أنبوبين نحاسيين بقطر 8 و 4 مم. تم تلميع كل منها ثم إدخالها في الأخرى. أصبحت هذه الأنابيب بديلاً عن الألواح. قاموا بوظيفة المكثف ، التي يجب أن تتغير قدرتها عندما تغمر في الماء. في هذه الحالة ، يحمي أنبوب واحد آخر يحمي من التداخل ، كما هو الحال في الكبل المحوري.



لتثبيت جهاز الاستشعار ، تم حفر حفرة في وسط قارورة الغلاية. أود أن أضعها بالقرب من الحافة ، ولكن تم منع ذلك بواسطة عنصر تسخين (سخان كهربائي أنبوبي) حول محيط الجزء السفلي من الغلاية. تمت طباعة غطاء أنبوب على طابعة ثلاثية الأبعاد. كما تم عمل حشية عازلة من السيليكون ، والتي كان من المفترض أن تحمي الجهاز من تسرب المياه.



عند اختباره بأحجام مختلفة من الماء البارد ، عمل النظام بشكل صحيح. ومع ذلك ، عند الغليان والاختبار بالماء الساخن ، وجد أن الورنيش يتشقق الذي تم طلاء الأنابيب النحاسية به. كان الطلاء بالورنيش في الأصل حلاً مؤقتًا. بدلاً من ذلك ، من الأفضل استخدام السيليكون. لكن السيليكون يجب أن يكون معتمدًا لصناعة المواد الغذائية ، وهذا سيؤدي إلى زيادة كبيرة في تكلفة الغلاية النهائية. لم يوافق العميل على ذلك. واعتبرنا أن الطريقة نفسها غير تقنية ، حيث أن هناك حاجة لجعل طبقة السيليكون رقيقة جدًا: بضع أعشار المليمتر ، أي قابلة للمقارنة لطبقة الورنيش. وأخيرًا ، أفسد الدبوس الذي يخرج داخل الغلاية إلى حد كبير مظهر الجهاز. ستبدو مخيفة بشكل خاص داخل النموذج الزجاجي.

اختبرنا أيضًا طريقة سعوية غير تلامسية تمامًا: تم تصنيع الأقطاب الكهربائية خارج المصباح الزجاجي. تم اكتشاف عامل آخر يضع نهاية للطريقة السعوية - البخار. أثناء الغليان ، يتكثف البخار أمام الألواح أو في منطقة الأقطاب الكهربائية ، مما يؤدي إلى تشويه البيانات التي تم الحصول عليها. وبعبارة أخرى ، بمجرد ظهور المكثفات ، لم نتمكن من تحديد مستوى السائل بشكل موثوق.

مستشعر زوج من الأقطاب الكهربائية

أما التجربة الثانية فقد تقرر إجراءها بجهاز استشعار يحسب حجم الماء بواسطة الموصلية الكهربائية. لتثبيت هذا المستشعر ، وضعنا لوحة تحتوي على عدة أزواج من الأقطاب الكهربائية على طول جدار القارورة.

مبدأ التشغيل بسيط للغاية: يدخل الماء أحد أزواج الأقطاب الكهربائية ، ويبدأ التيار الكهربائي في التدفق بينهما. من خلال معرفة أي زوج معين من التدفقات الحالية ، يمكن للمرء بسهولة تحديد مستوى الماء. وكلما زاد عدد الأقطاب الكهربائية داخل المصباح ، كلما كان قياس الحجم أكثر دقة.

في الصورة أدناه ، إبريق عينة مع نوعين من أجهزة الاستشعار في وقت واحد.





في حالة طريقة القطب لقياس حجم الماء في غلاية ، تتناسب دقة القياسات بشكل مباشر مع تكلفة وتعقيد التصميم. كلما زادت الدقة التي نريد تحقيقها ، كلما كان المنتج النهائي أكثر تكلفة.

كانت المشكلة الأكبر بكثير هي التكثيف داخل القارورة. استقرت القطرات فوق مستوى الماء الحقيقي وشغلت الأقطاب الكهربائية - قدم المستشعر بيانات خاطئة. لا الأجهزة ولا البرامج يمكن أن تحل هذه المشكلة. علاوة على ذلك ، سيتطلب مستشعر القطب الكهربائي أيضًا شهادة باهظة الثمن لصناعة المواد الغذائية.

مستشعر قياس الضغط

لذا ، رفضنا طريقتين في وقت واحد ، طريقتين أخريين بعد الاختبارات. نعود إلى الوزن: من الصعب أن نتوصل إلى شيء أبسط وأكثر ملاءمة من هذه الطريقة. لذلك ، نقوم بتحويل الغلاية إلى موازين باستخدام مقاييس الضغط.



مع طريقة قياس التوتر ، كانت الصعوبات متوقعة أيضًا. أولاً ، يجب أن يتم تركيب جزء الغلاية على أجهزة الاستشعار ، مما سيؤدي في الإنتاج إلى تغيير في القوالب.
ثانيًا ، عندما قمنا بطباعة جزء من الجسم مع مقاعد على طابعة ثلاثية الأبعاد ، وتركيب أجهزة الاستشعار وتجميع الغلاية ، أصبح من الواضح أن الحامل الأساسي يجب أن يكون مصنوعًا من بلاستيك أكثر صرامة من المعتاد. خلال الاختبارات ، تسبح قراءات أجهزة الاستشعار قليلاً ، لأن الحامل القياسي للغلاية ينحني قليلاً.

ثالثًا ، كان من الضروري حل مشكلة انجراف قراءات المستشعر من التسخين بواسطة عناصر التسخين. لم يسمح التصميم الأولي لإبريق الشاي بوضع أجهزة الاستشعار في حامل إبريق الشاي ، حيث تم وضع الإلكترونيات في النموذج الذي تم ترقيته في البداية في المقبض. مع تأثير درجة الحرارة ، تمكنا من التعامل بنجاح. خلال الاختبارات ، لم تتجاوز درجة حرارة أجهزة الاستشعار الحد الأقصى المسموح به مع خمس بدايات تجريبية للغلاية على التوالي.

بعد التعامل مع الجانب التقني من التجربة ، بدأنا في تحليل البيانات. فيما يلي رسم بياني للاعتماد على الوقت لوحدات ADC للمقاييس.

1. في بداية التجربة ، لم يحدث شيء ، تم إيقاف تشغيل الغلاية.
2. تتوافق الذروة مع الضغط على زر الغلاية. هنا كل شيء أكثر أو أقل منطقية: يخلق الإصبع ضغطًا قصير المدى ، ويدرك المستشعر ذلك على أنه زيادة في كتلة الماء.
3. ومع ذلك ، فور الضغط ، لا تعود القراءات إلى مستواها الأصلي وتصبح أكبر قليلاً - بمقدار 1-2 جرام. لم نجد حتى الآن تفسيرًا لهذا التأثير. ربما في التعليقات سيقترح شخص ما فرضيته الخاصة.
4. بعد اجتياز القسم 3 ، تنخفض كتلة الماء تدريجيًا وبحلول وقت غليها تصبح أقل من الأصلي. لا يمكن أن يعزى هذا الفشل تمامًا إلى الغليان: فقد تم اكتشافه بعد القياسات أن كمية أقل من الماء المغلي تبخرت أثناء الغليان مما أظهره الجدول الزمني. في البداية ، اشتبهنا في وجود عيب في التصميم الميكانيكي: يمكن أن تتغير القراءات بسبب أجهزة الاستشعار غير الثابتة. ومع ذلك ، كان كل شيء على ما يرام مع أجهزة الاستشعار. فسرنا هذا على النحو التالي: أثناء الغليان ، يرتفع الغاز المذاب في الماء ، وتكسر الوسطية ، تصبح قابلة للانضغاط ، مما يؤثر في النهاية على قراءات أجهزة الاستشعار.
5. النقطة بين القسمين 4 و 5 هي اللحظة التي يتم فيها إيقاف تشغيل السخان ويبدأ الماء في البرودة. يظهر الفرق بين بداية ونهاية الرسم البياني أن جزءًا من الماء قد غلي. أظهرت القياسات اللاحقة أن أكثر من خمس دورات غليان ، يتبخر حوالي 50 جرامًا من الماء ، أي 10 غ في البداية.

الملخص

من المتوقع أن يتم تشغيل الخيار مع خلايا التحميل. الآن يتم الانتهاء من النموذج الأولي من أجل الدخول قريبًا في الإنتاج الضخم.
ولكن بينما كنا نحل هذه المشكلة ، تراكمت عدة مشاكل أخرى. ولا يتعلق الأمر فقط باللوحة وبرنامج التحكم وتصميم الجهاز ، ولكن أيضًا بالتطبيق وتصميم الخادم. هناك بالفعل زوج من الحلول المثيرة للاهتمام وغير القياسية ، ولكننا سنتحدث عنها مرة أخرى.