Wo verschwindet das Wasser im Wasserkocher?

Hallo allerseits! Unser Unternehmen verwandelt "klassische" Haushaltsgeräte in "intelligent" und wird vom Telefon aus gesteuert (über Bluetooth oder WiFi). Das heißt, ein elektronisches Modul mit einem Funkkanal ist eingebaut. Wenn der Gerätehersteller das vorhandene Gerätemodell aktualisieren möchte, können wir unsere Steuerplatine implementieren, die einer speziellen mobilen Anwendung zugeordnet ist. Sie können es auch von Grund auf neu entwickeln oder zusätzliche Änderungen an der Karte, Anwendung oder dem Paket vornehmen.

Einmal kam ein Kunde zu uns und bat darum, eine Methode (Sensor) zur Messung des Wasservolumens im Wasserkocher zu entwickeln, damit der Benutzer diese Daten später in einer mobilen Anwendung sehen kann. Das Design des Sensors sollte einfach und für jedes Modell des Wasserkochers geeignet sein. Wir hatten keine formelle TK: Der Kunde wollte, dass der Wasserkocher bestimmen kann, wie viel Wasser in ihn gegossen wurde.



Zusätzlich wurden folgende Anforderungen gestellt:

• Der Messfehler sollte nicht mehr als 40 ml betragen;
• Der Fehler ändert sich bei einer Wassertemperatur von 5 bis 100 Grad Celsius nicht.
• Die Messmethode sollte die Kosten des Kessels und die Kosten für die Änderung der technologischen Produktionsprozesse minimieren.

Diese Anforderungen sind zu Richtlinien bei der Auswahl einer Methode zur Messung des Wasservolumens im Kolben des Kessels geworden. Der letzte Punkt war der wichtigste, da im Bereich der Haushaltsgeräte der Preis die Wahl des Käufers stark beeinflusst. Wir konnten es uns nicht leisten, teure und exotische Tricks anzuwenden.

Auswahl der Messmethode

Wir haben beschlossen, dass der einfachste Weg darin besteht, das Wasser im Wasserkocher mit Dehnungsmessstreifen zu wiegen und die Daten in Volumen umzuwandeln. Es war jedoch notwendig, mehrere alternative Messmethoden vorzuschlagen und zu testen: Jeder Kunde bevorzugt mehrere verschiedene Optionen. Er wird die Vor- und Nachteile abwägen und die endgültige Entscheidung treffen. Parallel zur Erstellung der eingebauten Gewichte haben wir andere Methoden untersucht und getestet.

Sofort beschlossen, die Float- und Ultraschallmethoden aufzugeben. Der Schwimmer würde definitiv nicht in Produktion gehen. Darüber hinaus könnte ein Wasserkocher mit einem Schwimmer im Inneren Käufer abschrecken: Wer möchte Wasser trinken, in dem ständig ein Fremdkörper schwimmt? Und früher oder später setzen sich verschiedene Verunreinigungen aus dem Wasser auf dem Schwimmer ab.

Die Ultraschallmethode wurde abgelehnt, da sie beim Kochen von Wasser nicht funktionieren würde: Der Sensor würde falsche Messwerte liefern.

Kapazitiver Sensor

Eine interessante Option war die kapazitive Methode. Lassen Sie uns näher darauf eingehen.
Zunächst beschlossen die Entwickler, zwei Metallplatten als Kondensator zu verwenden. Diese konstruktive Lösung erwies sich jedoch als erfolglos: Eine Hand, die den Wasserkocher berührt, führt zusätzliche Kapazität in das System ein, und die Messwerte „schweben“ in Echtzeit.

Als nächstes wurden zwei Messingrohre mit einem Durchmesser von 8 und 4 mm verwendet. Jeder wurde lackiert und dann ineinander gesteckt. Diese Röhren sind eine Alternative zu Platten geworden. Sie hatten die Funktion eines Kondensators, dessen Kapazität sich beim Eintauchen in Wasser ändern sollte. In diesem Fall schirmte eine Röhre eine andere ab, die wie bei einem Koaxialkabel vor Störungen schützte.



Zur Installation des Sensors wurde in der Mitte des Kesselkolbens ein Loch gebohrt. Ich würde es gerne näher am Rand platzieren, aber dies wurde durch ein Heizelement (röhrenförmige elektrische Heizung) um den Umfang des Bodens des Kessels verhindert. Eine Röhrenabdeckung wurde auf einem 3D-Drucker gedruckt. Es wurde auch eine isolierende Silikondichtung hergestellt, die das Gerät vor Wasserleckagen schützen sollte.



Bei Tests mit unterschiedlichen Mengen an kaltem Wasser funktionierte das System ordnungsgemäß. Beim Kochen und Testen mit heißem Wasser wurde jedoch festgestellt, dass der Lack, mit dem die Messingrohre beschichtet waren, Risse aufwies. Lackieren war ursprünglich eine vorübergehende Lösung. Stattdessen ist es besser, Silikon zu verwenden. Silikon müsste jedoch für die Lebensmittelindustrie zertifiziert werden, was zu einer erheblichen Erhöhung der Kosten für den fertigen Wasserkocher führen würde. Der Kunde hat dem nicht zugestimmt. Und wir betrachteten die Methode selbst als nicht technologisch, da die Silikonschicht sehr dünn gemacht werden muss: einige Zehntel Millimeter, dh vergleichbar mit einer Lackschicht. Und schließlich hat der Stift, der im Wasserkocher herausragt, das Erscheinungsbild des Geräts stark beeinträchtigt. Im Glasmodell würde es besonders beängstigend aussehen.

Wir haben auch eine vollständig berührungslose kapazitive Methode getestet: Elektroden wurden außerhalb des Glaskolbens hergestellt. Ein weiterer Faktor wurde entdeckt, der der kapazitiven Methode ein Ende setzt - Dampf. Während des Kochens kondensiert Dampf vor den Platten oder im Bereich der Elektroden, was zu einer Verzerrung der erhaltenen Daten führt. Mit anderen Worten, sobald Kondensat auftrat, konnten wir den Flüssigkeitsstand nicht zuverlässig bestimmen.

Sensor eines Elektrodenpaares

Im zweiten Experiment wurde beschlossen, mit einem Sensor zu arbeiten, der das Wasservolumen anhand seiner elektrischen Leitfähigkeit berechnet. Um einen solchen Sensor zu installieren, haben wir eine Platte mit mehreren Elektrodenpaaren entlang der Wand des Kolbens platziert.

Das Funktionsprinzip ist recht einfach: Wasser tritt in eines der Elektrodenpaare ein und ein elektrischer Strom beginnt zwischen ihnen zu fließen. Wenn man weiß, zwischen welchem ​​bestimmten Paar der Strom fließt, kann man leicht den Wasserstand bestimmen. Und je mehr Elektroden sich im Inneren der Lampe befinden, desto genauer ist die Volumenmessung.

Auf dem Foto unten eine Beispielteekanne mit zwei Arten von Sensoren gleichzeitig.





Bei der Elektrodenmethode zur Messung des Wasservolumens in einem Kessel ist die Genauigkeit der Messungen direkt proportional zu den Kosten und der Komplexität der Konstruktion. Je genauer wir sein wollen, desto teurer wird das fertige Produkt.

Ein viel größeres Problem war die Kondensation im Kolben. Tropfen setzten sich über dem tatsächlichen Wasserspiegel ab und versorgten die Elektroden mit Strom - der Sensor gab fehlerhafte Daten aus. Weder Hardware noch Software konnten dieses Problem lösen. Darüber hinaus würde ein Elektrodensensor eine teure Zertifizierung für die Lebensmittelindustrie erfordern.

DMS-Sensor

Also haben wir zwei Methoden gleichzeitig verworfen, zwei weitere nach Tests. Wir kehren zum Wiegen zurück: Es ist kaum möglich, etwas Einfacheres und Bequemeres als diese Methode zu finden. Deshalb verwandeln wir den Wasserkocher mit Dehnungsmessstreifen in Waagen.



Mit der tensometrischen Methode wurden auch Schwierigkeiten erwartet. Zunächst musste der Teil des Kessels an den Sensoren angebracht werden, was bei der Herstellung zu einem Formwechsel führen würde.
Zweitens, als wir das Körperteil mit Sitzen auf einem 3D-Drucker ausdrucken, die Sensoren installieren und den Wasserkocher zusammenbauen, wurde klar, dass der Basisständer aus härterem Kunststoff als gewöhnlich bestehen sollte. Während der Tests schwammen die Messwerte der Sensoren etwas, da der Standard für den Kessel leicht verbogen steht.

Drittens war es notwendig, das Problem der Drift der Sensorwerte von der Erwärmung durch Heizelemente zu lösen. Das ursprüngliche Design der Teekanne erlaubte es nicht, die Sensoren im Teekannenständer zu platzieren, da sich die Elektronik des aufgerüsteten Modells ursprünglich im Griff befand. Mit dem Einfluss der Temperatur konnten wir erfolgreich fertig werden. Während der Tests überschritt die Temperatur der Sensoren nicht das maximal zulässige Maximum bei fünf Pilotstarts des Kessels in einer Reihe.

Nachdem wir uns mit der technischen Seite des Experiments befasst hatten, begannen wir mit der Analyse der Daten. Unten ist ein Diagramm der Zeitabhängigkeit der Einheiten des ADC der Skalen.

1. Zu Beginn des Experiments passiert nichts, der Wasserkocher ist ausgeschaltet.
2. Die Spitze entspricht dem Drücken der Wasserkochertaste. Hier ist alles mehr oder weniger logisch: Der Finger erzeugt einen kurzfristigen Druck, und der Sensor erkennt dies als Zunahme der Wassermasse.
3. Unmittelbar nach dem Drücken kehren die Messwerte jedoch nicht auf ihren ursprünglichen Wert zurück und werden geringfügig größer - um 1-2 Gramm. Wir haben noch keine Erklärung für diesen Effekt gefunden. Vielleicht schlägt jemand in den Kommentaren seine eigene Hypothese vor.
4. Nach dem Passieren von Abschnitt 3 nimmt die Wassermasse allmählich ab und wird zum Zeitpunkt des Kochens geringer als das Original. Dieser Fehler kann nicht vollständig auf das Kochen zurückgeführt werden: Nach Messungen wurde festgestellt, dass während des Kochens weniger kochendes Wasser verdunstet war als im Zeitplan angegeben. Zuerst vermuteten wir einen mechanischen Konstruktionsfehler: Die Messwerte könnten sich aufgrund schlecht fixierter Sensoren ändern. Bei den Sensoren war jedoch alles in Ordnung. Wir haben dies wie folgt interpretiert: Während des Kochens steigt das gelöste Gas in Wasser auf, die Kontinuität des Mediums wird unterbrochen, es wird komprimierbar, was letztendlich die Messwerte der Sensoren beeinflusst.
5. Der Punkt zwischen den Abschnitten 4 und 5 ist der Moment, in dem die Heizung ausgeschaltet wird und das Wasser abkühlt. Der Unterschied zwischen dem Anfang und dem Ende des Diagramms zeigt, dass ein Teil des Wassers abgekocht ist. Nachfolgende Messungen zeigten, dass über fünf Siedezyklen ungefähr 50 g Wasser verdampften, d.h. 10 g pro Start.

Zusammenfassung

Es wird erwartet, dass die Option mit Wägezellen in Betrieb genommen wurde. Jetzt wird der Prototyp fertiggestellt, um bald in die Massenproduktion gehen zu können.
Aber während wir dieses Problem lösten, haben sich mehrere weitere angesammelt. Und sie betreffen nicht nur die Karte, das Steuerungsprogramm und das Design des Geräts, sondern auch das Anwendungs- und Serverdesign. Es gibt bereits einige interessante und nicht standardmäßige Lösungen, aber wir werden ein anderes Mal darüber sprechen.