Hola a todos!
Nuestra empresa convierte los electrodomésticos "clásicos" en "inteligentes" y controlados desde el teléfono (a través de Bluetooth o WiFi). Es decir, se incorpora un módulo electrónico con un canal de radio. Si el fabricante de equipos desea actualizar el modelo existente de equipos, entonces podemos implementar nuestra placa de control, que está asociada con una aplicación móvil especial. Y también puede desarrollarlo desde cero o realizar cambios adicionales en el tablero, la aplicación o el paquete.
Una vez que un cliente se acercó a nosotros y solicitó desarrollar un método (sensor) para medir el volumen de agua en el hervidor, para que luego el usuario pudiera ver estos datos en una aplicación móvil. El diseño del sensor debe ser simple y adecuado para cualquier modelo de caldera. No teníamos conocimientos tradicionales: el cliente quería que el hervidor pudiera determinar cuánta agua se vertía en él.
Además, se presentaron los siguientes requisitos:
- El error de medición no debe ser superior a 40 ml;
- El error no cambia a una temperatura del agua de 5 a 100 grados centígrados;
- El método de medición debe minimizar el costo del hervidor y los costos de cambiar los procesos tecnológicos de producción.
Estos requisitos se han convertido en pautas para elegir un método para medir el volumen de agua dentro del matraz de la caldera. El último punto fue el más importante, ya que en el campo de los electrodomésticos, el precio afecta en gran medida la elección del comprador. No podíamos permitirnos usar trucos caros y exóticos.
Selección del método de medición
Decidimos que la forma más fácil sería pesar el agua en el hervidor utilizando medidores de tensión y traducir los datos en volumen. Pero era necesario proponer y probar varios métodos alternativos de medición: cualquier cliente prefiere elegir entre varias opciones diferentes. Sopesará los pros y los contras y tomará la decisión final. Entonces, en paralelo con la creación de pesos incorporados, examinamos y probamos otros métodos.
Inmediatamente decidió abandonar los métodos de flotación y ultrasonido. El flotador definitivamente no entraría en producción. Además, una tetera con un flotador en el interior podría ahuyentar a los compradores: quienes desean beber agua, en la cual un objeto extraño flota constantemente. Y tarde o temprano, varias impurezas del agua comenzarán a asentarse en el flotador.
El método ultrasónico fue rechazado porque no funcionaría durante el agua hirviendo: el sensor daría lecturas incorrectas.
Sensor capacitivo
Una opción interesante fue el método capacitivo. Detengámonos en ello con más detalle.
Al principio, los desarrolladores decidieron usar dos placas de metal como condensador. Sin embargo, esta solución constructiva no tuvo éxito: una mano que toca el hervidor introduce capacidad adicional en el sistema y las lecturas "flotan" en tiempo real.
A continuación, se usaron dos tubos de latón con un diámetro de 8 y 4 mm. Cada uno fue barnizado y luego insertado uno en el otro. Estos tubos se han convertido en una alternativa a las placas. Realizaron la función de un condensador, cuya capacidad debería cambiar cuando se sumerge en agua. En este caso, un tubo protegía a otro, que lo protegía contra interferencias, como en un cable coaxial.
Para instalar el sensor, se perforó un orificio en el centro del matraz de la caldera. Me gustaría colocarlo más cerca del borde, pero esto fue impedido por un elemento calefactor (calentador eléctrico tubular) alrededor del perímetro del fondo del hervidor. Se imprimió una cubierta de tubo en una impresora 3D. También se hizo una junta aislante de silicona, que se suponía que protegería el dispositivo de las fugas de agua.
Cuando se probó con diferentes volúmenes de agua fría, el sistema funcionó correctamente. Sin embargo, al hervir y probar con agua caliente, se descubrió que el barniz se agrietó con el que se recubrieron los tubos de latón. El barnizado fue originalmente una solución temporal. En cambio, es mejor usar silicona. Pero la silicona tendría que estar certificada para la industria alimentaria, y esto conduciría a un aumento significativo en el costo de la tetera terminada. El cliente no estuvo de acuerdo con esto. Y consideramos que el método en sí mismo no es tecnológico, ya que existe la necesidad de hacer que la capa de silicona sea muy delgada: unas pocas décimas de milímetro, es decir, comparable a una capa de barniz. Y finalmente, el pasador que sobresale dentro del hervidor estropeó en gran medida la apariencia del dispositivo. Se vería especialmente aterrador dentro del modelo de vidrio.
También probamos un método capacitivo completamente sin contacto: los electrodos se fabricaron fuera del bulbo de vidrio. Se descubrió otro factor que pone fin al método capacitivo: el vapor. Durante la ebullición, el vapor se condensa frente a las placas o en el área de los electrodos, lo que conduce a una distorsión de los datos obtenidos. En otras palabras, tan pronto como apareció el condensado, no pudimos determinar de manera confiable el nivel del líquido.
Sensor de un par de electrodos.
El segundo experimento, se decidió realizar con un sensor que calcularía el volumen de agua por su conductividad eléctrica. Para instalar dicho sensor, colocamos una placa con varios pares de electrodos a lo largo de la pared del matraz.
El principio de funcionamiento es bastante simple: el agua entra en uno de los pares de electrodos y una corriente eléctrica comienza a fluir entre ellos. Al saber entre qué par particular fluye la corriente, se puede determinar fácilmente el nivel del agua. Y cuantos más electrodos se encuentren dentro de la bombilla, más precisa será la medición de volumen.
En la foto a continuación, una muestra de tetera con dos tipos de sensores a la vez.
En el caso del método de electrodo para medir el volumen de agua en un hervidor de agua, la precisión de las mediciones es directamente proporcional al costo y la complejidad del diseño. Cuanta más precisión queramos lograr, más costoso será el producto terminado.
Un problema mucho mayor fue la condensación dentro del matraz. Las gotas se asentaron por encima del nivel real del agua y alimentaron los electrodos: el sensor proporcionó datos erróneos. Ni el hardware ni el software podrían resolver este problema. Además de eso, un sensor de electrodo también requeriría una certificación costosa para la industria alimentaria.
Sensor de galgas extensométricas
Entonces, descartamos dos métodos a la vez, dos más después de las pruebas. Volvemos al pesaje: es casi imposible encontrar algo más simple y más conveniente que este método. Por lo tanto, convertimos el hervidor de agua en escalas utilizando galgas extensométricas.
Con el método tensométrico, también se esperaban dificultades. En primer lugar, la parte del hervidor tenía que ajustarse a los sensores, lo que en la producción provocaría un cambio en los moldes.
En segundo lugar, cuando imprimimos la parte del cuerpo con los asientos en una impresora 3D, instalamos los sensores y ensamblamos el hervidor, quedó claro que el soporte de la base debería estar hecho de plástico más resistente de lo habitual. Durante las pruebas, las lecturas de los sensores nadaron un poco, ya que el soporte estándar para la tetera se dobló ligeramente.
En tercer lugar, era necesario resolver el problema de la deriva de las lecturas del sensor del calentamiento por elementos de calentamiento. El diseño inicial de la tetera no permitió colocar los sensores en el soporte de la tetera, ya que los componentes electrónicos en el modelo actualizado se ubicaron inicialmente en el mango. Con la influencia de la temperatura, pudimos hacer frente con éxito. Durante las pruebas, la temperatura de los sensores no superó el máximo permitido con cinco arranques piloto del hervidor de agua en una fila.
Habiendo abordado el aspecto técnico del experimento, comenzamos a analizar los datos. A continuación se muestra un gráfico de la dependencia del tiempo de las unidades del ADC de las escalas.
- Al comienzo del experimento, no pasa nada, la tetera está apagada.
- El pico corresponde a presionar el botón del hervidor. Aquí todo es más o menos lógico: el dedo crea una presión a corto plazo, y el sensor reconoce esto como un aumento en la masa de agua.
- Sin embargo, inmediatamente después de presionar, las lecturas no vuelven a su nivel original y se vuelven un poco más grandes, en 1-2 gramos. Todavía no hemos encontrado una explicación para este efecto. Quizás en los comentarios alguien sugiera su propia hipótesis.
- Después de pasar la sección 3, la masa de agua disminuye gradualmente y en el momento de la ebullición se vuelve menos que la original. Esta falla no puede atribuirse completamente a la ebullición: se descubrió después de las mediciones que se había evaporado menos agua hirviendo durante la ebullición de lo que mostraba el programa. Al principio, sospechábamos un defecto de diseño mecánico: las lecturas podrían cambiar debido a sensores mal fijados. Sin embargo, todo estaba en orden con los sensores. Interpretamos esto de la siguiente manera: durante la ebullición, el gas disuelto se eleva en el agua, se altera la continuidad del medio, se vuelve compresible, lo que finalmente afecta las lecturas de los sensores.
- El punto entre las secciones 4 y 5 es el momento en que se apaga el calentador y el agua comienza a enfriarse. La diferencia entre el principio y el final del gráfico muestra que parte del agua se ha evaporado. Mediciones posteriores mostraron que durante cinco ciclos de ebullición, se evaporaron aproximadamente 50 g de agua, es decir, 10 g por inicio.
Resumen
Se espera que la opción con celdas de carga se haya puesto en funcionamiento. Ahora el prototipo se está finalizando para poder entrar en producción en masa.
Pero mientras estábamos resolviendo este problema, se han acumulado varios más. Y se refieren no solo a la placa, el programa de control y el diseño del dispositivo, sino también a la aplicación y el diseño del servidor. Ya hay un par de soluciones interesantes y no estándar, pero hablaremos de ellas en otro momento.