Où l'eau dans la bouilloire disparaît-elle?

Bonjour à tous! Notre entreprise transforme les appareils électroménagers "classiques" en "intelligents" et contrôlés depuis le téléphone (via Bluetooth ou WiFi). Autrement dit, un module électronique avec un canal radio y est intégré. Si le fabricant d'équipement souhaite mettre à niveau le modèle d'équipement existant, nous pouvons mettre en œuvre notre carte de contrôle, qui est associée à une application mobile spéciale. Et vous pouvez également le développer à partir de zéro ou apporter des modifications supplémentaires à la carte, à l'application ou au package.

Une fois qu'un client est venu chez nous et a demandé de développer une méthode (capteur) pour mesurer le volume d'eau dans la bouilloire, afin que plus tard l'utilisateur puisse voir ces données dans une application mobile. La conception du capteur doit être simple et adaptée à tout modèle de bouilloire. Nous n'avions pas de savoirs traditionnels officiels: le client voulait que la bouilloire puisse déterminer la quantité d'eau qui y était versée.



De plus, les exigences suivantes ont été avancées:

• L'erreur de mesure ne doit pas dépasser 40 ml;
• L'erreur ne change pas à une température de l'eau de 5 à 100 degrés Celsius;
• La méthode de mesure devrait minimiser le coût de la bouilloire et les coûts de changement des processus technologiques de production.

Ces exigences sont devenues des lignes directrices dans le choix d'une méthode de mesure du volume d'eau à l'intérieur du ballon de la bouilloire. Le dernier point était le plus important, car dans le domaine des appareils électroménagers, le prix affecte grandement le choix de l'acheteur. Nous ne pouvions pas nous permettre d'utiliser des astuces coûteuses et exotiques.

Sélection de la méthode de mesure

Nous avons décidé que le moyen le plus simple serait de peser l'eau dans la bouilloire à l'aide de jauges de contrainte et de traduire les données en volume. Mais il a fallu proposer et tester plusieurs méthodes alternatives de mesure: tout client préfère un choix de plusieurs options différentes. Il pèsera le pour et le contre et prendra la décision finale. Ainsi, parallèlement à la création de poids intégrés, nous avons examiné et testé d'autres méthodes.

Immédiatement décidé d'abandonner les méthodes de flotteur et d'échographie. Le flotteur n'entrerait certainement pas en production. De plus, une bouilloire avec un flotteur à l'intérieur pourrait effrayer les acheteurs: qui veut boire de l'eau, dans laquelle un objet étranger flotte constamment. Et tôt ou tard, diverses impuretés de l'eau commenceront à se déposer sur le flotteur.

La méthode par ultrasons a été rejetée car elle ne fonctionnerait pas pendant l'eau bouillante: le capteur donnerait des lectures incorrectes.

Capteur capacitif

Une option intéressante était la méthode capacitive. Arrêtons-nous dessus plus en détail.
Au début, les développeurs ont décidé d'utiliser deux plaques métalliques comme condensateur. Cependant, cette solution constructive s'est avérée infructueuse: une main touchant la bouilloire introduit une capacité supplémentaire dans le système et les relevés «flottent» en temps réel.

Ensuite, deux tubes en laiton d'un diamètre de 8 et 4 mm ont été utilisés. Chacun a été verni puis inséré l'un dans l'autre. Ces tubes sont devenus une alternative aux plaques. Ils remplissaient la fonction d'un condenseur, dont la capacité devrait changer en cas d'immersion dans l'eau. Dans ce cas, un tube en protégeait un autre, qui protégeait contre les interférences, comme dans un câble coaxial.



Pour installer le capteur, un trou a été percé au centre du ballon. Je voudrais le placer plus près du bord, mais cela a été empêché par un élément chauffant (radiateur électrique tubulaire) autour du périmètre du fond de la bouilloire. Un couvercle de tube a été imprimé sur une imprimante 3D. Un joint isolant en silicone a également été fabriqué, qui était censé protéger l'appareil contre les fuites d'eau.



Lorsqu'il a été testé avec différents volumes d'eau froide, le système a fonctionné correctement. Cependant, lors de l'ébullition et des tests à l'eau chaude, il a été constaté que le vernis se fissurait et que les tubes en laiton étaient enduits. Le vernissage était à l'origine une solution temporaire. Au lieu de cela, il est préférable d'utiliser du silicone. Mais le silicone devrait être certifié pour l'industrie alimentaire, ce qui entraînerait une augmentation significative du coût de la bouilloire finie. Le client n'a pas accepté cela. Et nous avons considéré la méthode elle-même comme non technologique, car il est nécessaire de rendre la couche de silicone très mince: quelques dixièmes de millimètre, c'est-à-dire comparable à une couche de vernis. Et enfin, la broche qui sort à l'intérieur de la bouilloire a considérablement gâché l'apparence de l'appareil. Cela aurait l'air particulièrement effrayant à l'intérieur du modèle en verre.

Nous avons également testé une méthode capacitive totalement sans contact: des électrodes ont été fabriquées à l'extérieur de l'ampoule en verre. Un autre facteur a été découvert qui met fin à la méthode capacitive - la vapeur. Lors de l'ébullition, la vapeur se condense devant les plaques ou au niveau des électrodes, ce qui entraîne une distorsion des données obtenues. En d'autres termes, dès l'apparition du condensat, nous n'avons pas pu déterminer de manière fiable le niveau de liquide.

Capteur d'une paire d'électrodes

La deuxième expérience, il a été décidé de conduire avec un capteur qui permettrait de calculer le volume d'eau par sa conductivité électrique. Pour installer un tel capteur, nous avons placé une plaque avec plusieurs paires d'électrodes le long de la paroi du ballon.

Le principe de fonctionnement est assez simple: l'eau pénètre dans l'une des paires d'électrodes et un courant électrique commence à circuler entre elles. En sachant entre quelle paire particulière le courant circule, on peut facilement déterminer le niveau d'eau. Et plus il y aura d'électrodes à l'intérieur de l'ampoule, plus la mesure du volume sera précise.

Sur la photo ci-dessous, un exemple de théière avec deux types de capteurs à la fois.





Dans le cas de la méthode par électrode de mesure du volume d'eau dans une bouilloire, la précision des mesures est directement proportionnelle au coût et à la complexité de la conception. Plus nous voulons atteindre de précision, plus le produit fini sera cher.

Un problème beaucoup plus important était la condensation à l'intérieur du ballon. Des gouttes se sont déposées au-dessus du niveau réel de l'eau et ont alimenté les électrodes - le capteur a donné des données erronées. Ni le matériel ni les logiciels n'ont pu résoudre ce problème. En plus de cela, un capteur d'électrode nécessiterait également une certification coûteuse pour l'industrie alimentaire.

Capteur de jauge de contrainte

Nous avons donc rejeté deux méthodes à la fois, deux autres après les tests. Nous revenons à la pesée: il n'est guère possible de trouver quelque chose de plus simple et de plus pratique que cette méthode. Par conséquent, nous transformons la bouilloire en écailles à l'aide de jauges de contrainte.



Avec la méthode tensométrique, des difficultés étaient également attendues. Tout d'abord, la partie de la bouilloire devait être montée sur les capteurs, ce qui entraînerait un changement de moules dans la production.
Deuxièmement, lorsque nous avons imprimé la partie du corps avec les sièges sur une imprimante 3D, installé les capteurs et assemblé la bouilloire, il est devenu clair que le support de base devrait être en plastique plus résistant que d'habitude. Pendant les tests, les lectures des capteurs ont un peu nagé, car le support standard pour la bouilloire est légèrement plié.

Troisièmement, il était nécessaire de résoudre le problème de la dérive des relevés des capteurs du chauffage par les éléments chauffants. La conception initiale de la théière ne permettait pas de placer les capteurs dans le support de théière, car l'électronique du modèle amélioré était initialement située dans la poignée. Avec l'influence de la température, nous avons réussi à faire face. Pendant les tests, la température des capteurs n'a pas dépassé le maximum autorisé avec cinq démarrages pilotes de la bouilloire consécutifs.

Après avoir traité le côté technique de l'expérience, nous avons commencé à analyser les données. Ci-dessous est un graphique de la dépendance temporelle des unités de l'ADC des échelles.

1. Au début de l'expérience, rien ne se passe, la bouilloire est éteinte.
2. Le pic correspond à une pression sur le bouton de la bouilloire. Ici, tout est plus ou moins logique: le doigt crée une pression à court terme, et le capteur reconnaît cela comme une augmentation de la masse d'eau.
3. Cependant, immédiatement après avoir appuyé sur, les lectures ne reviennent pas à leur niveau d'origine et deviennent légèrement plus grandes - de 1 à 2 grammes. Nous n'avons pas encore trouvé d'explication à cet effet. Peut-être que dans les commentaires quelqu'un suggérera sa propre hypothèse.
4. Après avoir passé la section 3, la masse d'eau diminue progressivement et au moment de l'ébullition, elle devient inférieure à l'original. Cet échec ne peut pas être entièrement attribué à l'ébullition: il a été découvert après des mesures que moins d'eau bouillante s'était évaporée pendant l'ébullition que le programme ne l'avait montré. Au début, nous soupçonnions un défaut de conception mécanique: les lectures pouvaient changer en raison de capteurs mal fixés. Cependant, tout était en ordre avec les capteurs. Nous avons interprété cela comme suit: lors de l'ébullition, le gaz dissous monte dans l'eau, la continuité du milieu est rompue, il devient compressible, ce qui affecte finalement les lectures des capteurs.
5. Le point entre les sections 4 et 5 est le moment où le chauffe-eau est éteint et l'eau commence à refroidir. La différence entre le début et la fin du graphique montre qu'une partie de l'eau a bouilli. Des mesures ultérieures ont montré que sur cinq cycles d'ébullition, environ 50 g d'eau s'évaporaient, soit 10 g par démarrage.

Résumé

Il est prévu que l'option avec capteurs de pesage soit mise en service. Maintenant, le prototype est en cours de finalisation pour entrer bientôt en production de masse.
Mais pendant que nous résolvions ce problème, plusieurs autres se sont accumulés. Et ils concernent non seulement la carte, le programme de contrôle et la conception de l'appareil, mais aussi la conception de l'application et du serveur. Il existe déjà quelques solutions intéressantes et non standard, mais nous en reparlerons une autre fois.