Onde a água na chaleira desaparece?

Olá pessoal! Nossa empresa transforma eletrodomésticos "clássicos" em "inteligentes" e controlados pelo telefone (via Bluetooth ou WiFi). Ou seja, um módulo eletrônico com um canal de rádio é incorporado a ele. Se o fabricante do equipamento quiser atualizar o modelo de equipamento existente, podemos implementar nosso painel de controle, associado a um aplicativo móvel especial. E você também pode desenvolvê-lo do zero ou fazer alterações adicionais no quadro, aplicativo ou pacote.

Uma vez que um cliente veio até nós e pediu para desenvolver um método (sensor) para medir o volume de água na chaleira, para que mais tarde o usuário pudesse ver esses dados em um aplicativo móvel. O design do sensor deve ser simples e adequado para qualquer modelo da chaleira. Não tínhamos TK formal: o cliente queria que a chaleira fosse capaz de determinar quanta água foi derramada nela.



Além disso, foram apresentados os seguintes requisitos:

• O erro de medição não deve ser superior a 40 ml;
• O erro não muda a uma temperatura da água de 5 a 100 graus Celsius;
• O método de medição deve minimizar o custo da chaleira e os custos da alteração dos processos tecnológicos de produção.

Esses requisitos tornaram-se diretrizes na escolha de um método para medir o volume de água dentro do balão da chaleira. O último ponto foi o mais importante, uma vez que no campo de eletrodomésticos, o preço afeta muito a escolha do comprador. Não podíamos nos dar ao luxo de usar truques caros e exóticos.

Seleção do método de medição

Decidimos que a maneira mais fácil seria pesar a água na chaleira usando extensômetros e converter os dados em volume. Mas era necessário propor e testar vários métodos alternativos de medição: qualquer cliente prefere a escolha de várias opções diferentes. Ele pesará os prós e os contras e tomará a decisão final. Portanto, paralelamente à criação de pesos internos, examinamos e testamos outros métodos.

Decidiu imediatamente abandonar os métodos de flutuação e ultra-som. O carro alegórico definitivamente não entraria em produção. Além disso, uma chaleira com bóia dentro pode assustar os compradores: quem quer beber água, na qual um objeto estranho flutua constantemente. E mais cedo ou mais tarde várias impurezas da água começarão a se depositar na bóia.

O método ultrassônico foi rejeitado porque não funcionava durante a água fervente: o sensor daria leituras incorretas.

Sensor capacitivo

Uma opção interessante foi o método capacitivo. Vamos insistir nisso com mais detalhes.
No início, os desenvolvedores decidiram usar duas placas de metal como capacitor. No entanto, essa solução construtiva acabou sendo malsucedida: uma mão tocando a chaleira introduz capacidade adicional no sistema e as leituras “flutuam” em tempo real.

Em seguida, foram utilizados dois tubos de latão com diâmetro de 8 e 4 mm. Cada um foi envernizado e depois inserido um no outro. Estes tubos tornaram-se uma alternativa às placas. Eles desempenhavam a função de um condensador, cuja capacidade deveria mudar quando imerso em água. Nesse caso, um tubo protegia o outro, que protegia contra interferências, como em um cabo coaxial.



Para instalar o sensor, um orifício foi perfurado no centro do balão da chaleira. Gostaria de colocá-lo mais perto da borda, mas isso foi impedido por um elemento de aquecimento (aquecedor elétrico tubular) em torno do perímetro do fundo da chaleira. Uma tampa do tubo foi impressa em uma impressora 3D. Também foi feita uma junta de silicone isolante, que deveria proteger o dispositivo contra vazamentos de água.



Quando testado com diferentes volumes de água fria, o sistema funcionou corretamente. No entanto, ao ferver e testar com água quente, verificou-se que o verniz rachava com o qual os tubos de latão eram revestidos. O envernizamento era originalmente uma solução temporária. Em vez disso, é melhor usar silicone. Mas o silicone teria que ser certificado para a indústria de alimentos, e isso levaria a um aumento significativo no custo da chaleira acabada. O cliente não concordou com isso. E consideramos o método em si não tecnológico, pois é necessário tornar a camada de silicone muito fina: alguns décimos de milímetro, ou seja, comparável a uma camada de verniz. E, finalmente, o pino saindo da chaleira estragou bastante a aparência do dispositivo. Seria especialmente assustador dentro do modelo de vidro.

Também testamos um método capacitivo completamente sem contato: os eletrodos foram feitos fora do bulbo de vidro. Outro fator foi descoberto que põe fim ao método capacitivo - vapor. Durante a ebulição, o vapor condensa na frente das placas ou na área dos eletrodos, o que leva a uma distorção dos dados obtidos. Em outras palavras, assim que o condensado apareceu, não conseguimos determinar com segurança o nível do líquido.

Sensor de um par de eletrodos

No segundo experimento, decidiu-se realizar com um sensor que calculasse o volume de água por sua condutividade elétrica. Para instalar esse sensor, colocamos uma placa com vários pares de eletrodos ao longo da parede do balão.

O princípio de operação é bastante simples: a água entra em um dos pares de eletrodos e uma corrente elétrica começa a fluir entre eles. Sabendo entre qual par específico a corrente flui, pode-se facilmente determinar o nível da água. E quanto mais eletrodos estiverem localizados dentro da lâmpada, mais precisa será a medição do volume.

Na foto abaixo, um bule de amostra com dois tipos de sensores ao mesmo tempo.





No caso do método do eletrodo para medir o volume de água em uma chaleira, a precisão das medições é diretamente proporcional ao custo e à complexidade do projeto. Quanto mais precisão queremos alcançar, mais caro será o produto final.

Um problema muito maior foi a condensação dentro do balão. As gotas caíram acima do nível real da água e alimentaram os eletrodos - o sensor forneceu dados errados. Nem o hardware nem o software poderiam resolver esse problema. Além disso, um sensor de eletrodo também exigiria uma certificação cara para a indústria de alimentos.

Sensor de tensão

Então, descartamos dois métodos ao mesmo tempo, mais dois após os testes. Voltamos à pesagem: dificilmente é possível criar algo mais simples e mais conveniente do que esse método. Portanto, transformamos a chaleira em balanças usando extensômetros.



Com o método tensométrico, também eram esperadas dificuldades. Em primeiro lugar, a parte da chaleira precisava ser ajustada aos sensores, o que na produção levaria a uma mudança nos moldes.
Em segundo lugar, quando imprimimos a parte do corpo com os assentos em uma impressora 3D, instalamos os sensores e montamos a chaleira, ficou claro que o suporte da base deveria ser feito de plástico mais resistente que o normal. Durante os testes, as leituras dos sensores nadavam um pouco, pois o suporte padrão da chaleira estava ligeiramente dobrado.

Em terceiro lugar, foi necessário resolver o problema da deriva das leituras dos sensores do aquecimento por elementos de aquecimento. O design inicial do bule não permitia colocar os sensores no suporte, pois os componentes eletrônicos no modelo atualizado estavam inicialmente localizados na alça. Com a influência da temperatura, fomos capazes de lidar com sucesso. Durante os testes, a temperatura dos sensores não excedeu o máximo permitido com cinco partidas-piloto da chaleira seguidas.

Tendo lidado com o lado técnico do experimento, começamos a analisar os dados. Abaixo está um gráfico da dependência de tempo das unidades do ADC das escalas.

1. No início do experimento, nada acontece, a chaleira é desligada.
2. O pico corresponde a pressionar o botão da chaleira. Aqui tudo é mais ou menos lógico: o dedo cria uma pressão de curto prazo, e o sensor reconhece isso como um aumento na massa de água.
3. No entanto, imediatamente após pressionar, as leituras não retornam ao nível original e se tornam um pouco maiores - em 1-2 gramas. Ainda não encontramos uma explicação para esse efeito. Talvez nos comentários alguém sugira sua própria hipótese.
4. Depois de passar a seção 3, a massa de água diminui gradualmente e, quando ferver, torna-se menor que a original. Essa falha não pode ser completamente atribuída à fervura: foi descoberto após medições que menos água fervente havia evaporado durante a fervura do que o cronograma mostrou. Inicialmente, suspeitávamos de um defeito no projeto mecânico: as leituras poderiam mudar devido a sensores mal fixados. No entanto, tudo estava em ordem com os sensores. Nós interpretamos o seguinte: durante a ebulição, o gás dissolvido sobe na água, a continuidade do meio é quebrada, torna-se compressível, o que acaba afetando as leituras dos sensores.
5. O ponto entre as seções 4 e 5 é o momento em que o aquecedor é desligado e a água começa a esfriar. A diferença entre o início e o final do gráfico mostra que parte da água foi fervida. As medições subsequentes mostraram que ao longo de cinco ciclos de ebulição, aproximadamente 50 g de água evaporaram, isto é, 10 g por partida.

Sumário

Espera-se que a opção com células de carga seja colocada em operação. Agora, o protótipo está sendo finalizado para entrar em breve na produção em massa.
Mas enquanto resolvíamos esse problema, vários outros se acumularam. E eles dizem respeito não apenas à placa, ao programa de controle e ao design do dispositivo, mas também ao design de aplicativos e servidores. Já existem algumas soluções interessantes e fora do padrão, mas falaremos sobre elas outra vez.