Halo semuanya!
Perusahaan kami mengubah peralatan rumah tangga "klasik" menjadi "pintar" dan dikendalikan dari telepon (melalui Bluetooth atau WiFi). Yaitu, modul elektronik dengan saluran radio dibangun di dalamnya. Jika produsen peralatan ingin memperbarui model peralatan yang ada, maka kita dapat menerapkan papan kontrol kami, yang terkait dengan aplikasi seluler khusus. Dan Anda juga dapat mengembangkannya dari awal atau membuat perubahan tambahan pada papan, aplikasi atau paket.
Suatu ketika seorang pelanggan datang kepada kami dan diminta untuk mengembangkan suatu metode (sensor) untuk mengukur volume air dalam ketel, sehingga nantinya pengguna dapat melihat data ini dalam aplikasi mobile. Desain sensor harus sederhana dan cocok untuk semua model ketel. Kami tidak memiliki TK formal: pelanggan menginginkan ketel untuk dapat menentukan berapa banyak air yang dituangkan ke dalamnya.
Selain itu, persyaratan berikut diajukan:
- Kesalahan pengukuran harus tidak lebih dari 40 ml;
- Kesalahan tidak berubah pada suhu air 5 hingga 100 derajat Celcius;
- Metode pengukuran harus meminimalkan biaya ketel dan biaya mengubah proses teknologi produksi.
Persyaratan ini telah menjadi pedoman dalam memilih metode pengukuran volume air di dalam labu ketel. Poin terakhir adalah yang paling penting, karena di bidang peralatan rumah tangga, harga sangat mempengaruhi pilihan pembeli. Kami tidak mampu menggunakan trik mahal dan eksotis.
Seleksi Metode Pengukuran
Kami memutuskan bahwa cara termudah adalah menimbang air dalam ketel menggunakan pengukur regangan dan menerjemahkan data ke dalam volume. Tetapi itu perlu untuk mengusulkan dan menguji beberapa metode pengukuran alternatif: setiap pelanggan lebih suka pilihan dari beberapa opsi yang berbeda. Dia akan mempertimbangkan pro dan kontra dan membuat keputusan akhir. Jadi bersamaan dengan penciptaan bobot bawaan, kami memeriksa dan menguji metode lain.
Segera memutuskan untuk meninggalkan metode float dan ultrasound. Pelampung pasti tidak akan masuk ke produksi. Selain itu, ketel dengan pelampung di dalamnya dapat menakuti pembeli: yang ingin minum air, di mana benda asing terus mengapung. Dan cepat atau lambat berbagai kotoran dari air akan mulai mengendap di pelampung.
Metode ultrasonik ditolak karena tidak akan berfungsi selama air mendidih: sensor akan memberikan pembacaan yang salah.
Sensor Kapasitif
Pilihan yang menarik adalah metode kapasitif. Mari kita bahas lebih detail.
Pada awalnya, para pengembang memutuskan untuk menggunakan dua pelat logam sebagai kapasitor. Namun, solusi konstruktif ini ternyata tidak berhasil: tangan yang menyentuh ketel memperkenalkan kapasitas tambahan ke dalam sistem, dan bacaan “mengambang” secara real time.
Selanjutnya, dua tabung kuningan dengan diameter 8 dan 4 mm digunakan. Masing-masing dipernis dan kemudian dimasukkan satu ke yang lain. Tabung ini telah menjadi alternatif pelat. Mereka melakukan fungsi kondensor, yang kapasitasnya harus berubah ketika direndam dalam air. Dalam hal ini, satu tabung melindungi tabung lainnya, yang terlindung dari gangguan, seperti pada kabel koaksial.
Untuk memasang sensor, sebuah lubang dibor di tengah labu ketel. Saya ingin menempatkannya lebih dekat ke tepi, tetapi ini dicegah oleh elemen pemanas (pemanas listrik tubular) di sekeliling perimeter bagian bawah ketel. Penutup tabung dicetak pada printer 3D. Gasket silikon isolasi juga dibuat, yang seharusnya melindungi perangkat dari kebocoran air.
Ketika diuji dengan volume air dingin yang berbeda, sistem bekerja dengan baik. Namun, ketika direbus dan diuji dengan air panas, ditemukan bahwa pernis retak dengan mana tabung kuningan dilapisi. Pernis awalnya merupakan solusi sementara. Sebaliknya, lebih baik menggunakan silikon. Tetapi silikon harus disertifikasi untuk industri makanan, dan ini akan menyebabkan peningkatan yang signifikan dalam biaya ketel jadi. Pelanggan tidak setuju dengan ini. Dan kami menganggap metode itu sendiri sebagai non-teknologi, karena ada kebutuhan untuk membuat lapisan silikon sangat tipis: beberapa persepuluh milimeter, yaitu, sebanding dengan lapisan pernis. Dan akhirnya, pin yang mencuat di dalam ketel sangat merusak penampilan perangkat. Ini akan terlihat sangat menakutkan di dalam model kaca.
Kami juga menguji metode kapasitif yang sepenuhnya non-kontak: elektroda dibuat di luar bola kaca. Faktor lain ditemukan yang mengakhiri metode kapasitif - uap. Selama pendidihan, uap mengembun di depan pelat atau di area elektroda, yang mengarah ke distorsi data yang diperoleh. Dengan kata lain, begitu kondensat muncul, kami tidak dapat menentukan tingkat cairan dengan andal.
Sensor sepasang elektroda
Percobaan kedua, diputuskan untuk melakukan dengan sensor yang akan menghitung volume air dengan konduktivitas listriknya. Untuk memasang sensor semacam itu, kami menempatkan pelat dengan beberapa pasang elektroda di sepanjang dinding labu.
Prinsip operasi cukup sederhana: air memasuki salah satu pasang elektroda, dan arus listrik mulai mengalir di antara mereka. Mengetahui antara pasangan tertentu yang mengalir saat ini, orang dapat dengan mudah menentukan ketinggian air. Dan semakin banyak elektroda akan ditempatkan di dalam bohlam, semakin akurat pengukuran volume.
Pada foto di bawah, sampel teko dengan dua jenis sensor sekaligus.
Dalam kasus metode elektroda untuk mengukur volume air dalam ketel, keakuratan pengukuran berbanding lurus dengan biaya dan kompleksitas desain. Semakin akurat yang ingin kita capai, semakin mahal produk yang dihasilkan.
Masalah yang jauh lebih besar adalah kondensasi di dalam labu. Tetes menetap di atas permukaan air nyata dan memberi daya pada elektroda - sensor memberikan data yang salah. Baik perangkat keras maupun perangkat lunak tidak dapat menyelesaikan masalah ini. Selain itu, sensor elektroda juga akan memerlukan sertifikasi mahal untuk industri makanan.
Sensor pengukur regangan
Jadi, kami mengabaikan dua metode sekaligus, dua lagi setelah tes. Kita kembali ke penimbangan: hampir tidak mungkin menghasilkan sesuatu yang lebih sederhana dan lebih nyaman daripada metode ini. Oleh karena itu, kami mengubah ketel menjadi timbangan menggunakan pengukur regangan.
Dengan metode tensometrik, kesulitan juga diharapkan. Pertama, bagian ketel harus dipasang pada sensor, yang dalam produksi akan menyebabkan perubahan cetakan.
Kedua, ketika kami mencetak bagian tubuh dengan kursi pada printer 3D, memasang sensor dan merakit ketel, menjadi jelas bahwa alas dudukan harus terbuat dari plastik yang lebih keras dari biasanya. Selama pengujian, pembacaan sensor sedikit berenang, karena stand standar untuk ketel sedikit bengkok.
Ketiga, perlu untuk memecahkan masalah penyimpangan pembacaan sensor dari pemanasan dengan elemen pemanas. Desain awal teko tidak memungkinkan untuk menempatkan sensor di poci teko, karena elektronik dalam model yang ditingkatkan pada awalnya terletak di pegangan. Dengan pengaruh suhu, kami berhasil mengatasinya. Selama pengujian, suhu sensor tidak melebihi batas maksimum yang diijinkan dengan lima pilot start dari ketel secara berurutan.
Setelah berurusan dengan sisi teknis percobaan, kami mulai menganalisis data. Di bawah ini adalah grafik ketergantungan waktu dari unit-unit ADC timbangan.
- Pada awal percobaan, tidak ada yang terjadi, ketel dimatikan.
- Puncaknya sesuai dengan menekan tombol ketel. Di sini semuanya kurang lebih logis: jari menciptakan tekanan jangka pendek, dan sensor mengenali ini sebagai peningkatan massa air.
- Namun, segera setelah menekan, pembacaan tidak kembali ke level semula dan menjadi sedikit lebih besar - sebanyak 1-2 gram. Kami belum menemukan penjelasan untuk efek ini. Mungkin dalam komentar seseorang akan menyarankan hipotesis mereka sendiri.
- Setelah melewati bagian 3, massa air secara bertahap berkurang dan pada saat mendidih menjadi kurang dari aslinya. Kegagalan ini tidak dapat sepenuhnya dikaitkan dengan mendidih: itu ditemukan setelah pengukuran bahwa air mendidih kurang menguap selama mendidih daripada jadwal yang ditunjukkan. Pada awalnya, kami menduga cacat desain mekanik: pembacaan bisa berubah karena sensor yang tidak diperbaiki. Namun, semuanya beres dengan sensor. Kami menafsirkan ini sebagai berikut: selama mendidih, gas terlarut naik dalam air, kontinuitas medium rusak, menjadi kompresibel, yang akhirnya mempengaruhi pembacaan sensor.
- Titik antara bagian 4 dan 5 adalah saat pemanas dimatikan dan air mulai mendingin. Perbedaan antara awal dan akhir grafik menunjukkan bahwa sebagian air telah mendidih. Pengukuran selanjutnya menunjukkan bahwa selama lima siklus perebusan, sekitar 50 g air menguap, mis. 10 g per start.
Ringkasan
Diharapkan bahwa opsi dengan load cell dioperasikan. Sekarang prototipe sedang diselesaikan untuk segera masuk ke produksi massal.
Tetapi ketika kami sedang memecahkan masalah ini, beberapa lainnya telah menumpuk. Dan mereka tidak hanya memperhatikan papan, program kontrol dan desain perangkat, tetapi juga aplikasi dan desain server. Sudah ada beberapa solusi menarik dan tidak standar, tetapi
kita akan membicarakannya lain kali.