大家好！
我们公司将“经典”家用电器变成“智能”产品，并通过电话（通过蓝牙或WiFi）进行控制。 即，内置有无线电信道的电子模块。 如果设备制造商想要升级设备的现有模型，那么我们可以实现与特殊移动应用程序关联的控制板。 您也可以从头开始开发它，也可以对电路板，应用程序或封装进行其他更改。
一旦有客户来找我们，并要求开发一种测量水壶中水量的方法（传感器），以便以后用户可以在移动应用程序中查看这些数据。 传感器的设计应简单易行，并适合任何型号的水壶。 我们没有正式的传统知识：客户希望水壶能够确定向其中倒了多少水。
此外，提出了以下要求：
- 测量误差应不超过40毫升；
- 水温为5到100摄氏度时，误差不会改变；
- 测量方法应将水壶的成本和改变生产工艺的成本降至最低。
这些要求已成为选择测量水壶烧瓶内水量的方法的准则。 最后一点是最重要的，因为在家用电器领域，价格极大地影响了购买者的选择。 我们负担不起使用昂贵的奇特技巧。
测量方法选择
我们认为最简单的方法是使用应变计称量水壶中的水并将数据转换为体积。 但是有必要提出并测试几种替代的测量方法：任何客户都希望选择几种不同的选择。 他将权衡利弊并做出最终决定。 因此，在创建内置权重的同时，我们检查并测试了其他方法。
立即决定放弃浮法和超声波方法。 浮子肯定不会投产。 此外，内部漂浮的水壶可能会吓跑购买者：谁想喝水，异物会不断漂浮在其中。 迟早来自水中的各种杂质将开始沉积在浮子上。
超声波方法被拒绝了，因为它在沸水过程中不起作用：传感器会给出错误的读数。
电容式传感器
一个有趣的选择是电容法。 让我们更详细地讨论它。
最初，开发人员决定使用两个金属板作为电容器。 但是，这种建设性的解决方案却不成功：用手触摸水壶会增加系统的容量，并且读数会实时“浮动”。
接下来，使用两个直径为8和4毫米的黄铜管。 每个都上光油，然后一个插入另一个。 这些管已成为板的替代品。 他们发挥了冷凝器的功能，当浸入水中时，冷凝器的容量应发生变化。 在这种情况下，一根管子屏蔽了另一根管子，就像同轴电缆一样，它被保护免受干扰。
为了安装传感器，在水壶烧瓶的中心钻了一个孔。 我想将其放置在靠近边缘的位置，但这是通过水壶底部周围的加热元件（管状电加热器）阻止的。 将管盖打印在3D打印机上。 还制作了绝缘硅胶垫圈，以防止设备漏水。
当用不同量的冷水进行测试时，系统正常运行。 然而，当煮沸并用热水测试时，发现清漆开裂，黄铜管被涂覆。 清漆最初是一个临时解决方案。 相反，最好使用有机硅。 但是有机硅必须经过食品工业的认证，这将导致成品水壶的成本显着增加。 客户不同意这一点。 而且我们认为该方法本身是非技术性的，因为需要使有机硅层非常薄：十分之几毫米，相当于清漆层。 最后，插在水壶内的销钉严重损坏了设备的外观。 玻璃模型内部看起来特别令人恐惧。
我们还测试了一种完全非接触式电容方法：电极在玻璃灯泡外部制成。 发现了终止电容方法的另一个因素-蒸汽。 在沸腾期间，蒸汽在板的前面或电极的区域中冷凝，这导致获得的数据失真。 换句话说，一旦出现冷凝物，我们就无法可靠地确定液位。
一对电极的传感器
在第二个实验中，决定使用一个传感器，该传感器将通过其电导率来计算水的体积。 要安装这种传感器，我们在烧瓶壁上放置了一块带有几对电极的板。
操作原理非常简单：水进入两对电极之一，并且电流开始在两对电极之间流动。 知道电流在哪一对之间流动，就可以轻松确定水位。 灯泡内放置的电极越多，体积测量就越精确。
在下面的照片中，一个同时装有两种传感器的示例茶壶。
在使用电极法测量水壶中的水量的情况下，测量的精度与设计的成本和复杂性成正比。 我们想要获得的精度越高，成品的价格就越高。
更大的问题是烧瓶内的冷凝水。 水滴落在实际水位之上并为电极供电-传感器给出了错误的数据。 硬件和软件都无法解决此问题。 最重要的是，电极传感器还需要用于食品工业的昂贵认证。
应变片传感器
因此，我们一次取消了两种方法，测试后又取消了两种。 我们回到称量：几乎不可能提出比这种方法更简单，更方便的方法。 因此，我们使用应变计将水壶变成秤。
使用张力测定法，也预期会有困难。 首先，必须将水壶的一部分安装到传感器上，这在生产中将导致模具的更换。
其次，当我们在3D打印机上打印出带有座椅的身体部位，安装传感器并组装好水壶后，很明显，底座应该由比通常更坚硬的塑料制成。 在测试过程中，由于水壶的标准支架略微弯曲，传感器的读数会游些。
第三，有必要解决由加热元件加热引起的传感器读数漂移的问题。 茶壶的初始设计不允许将传感器放置在茶壶支架上，因为升级型号的电子设备最初位于手柄中。 受温度的影响，我们能够成功应对。 在测试过程中，连续5次启动水壶后，传感器的温度未超过允许的最高温度。
处理了实验的技术方面之后，我们开始分析数据。 下面是刻度的ADC单位与时间的关系图。
- 在实验开始时，什么也没发生，水壶被关闭了。
- 峰值对应于按水壶按钮。 这里的一切或多或少是合乎逻辑的：手指产生短期压力，传感器将其识别为水量的增加。
- 但是，按下后，读数不会立即恢复到原始水平，并且会略微变大-1-2克。 我们尚未找到对此效果的解释。 也许在评论中有人会提出自己的假设。
- 通过第3部分后，水的质量逐渐减少，到沸腾时，水的质量变得小于原来的水。 这种失败不能完全归因于沸腾：在测量后发现，沸腾过程中蒸发的沸腾水少于时间表所示。 最初，我们怀疑存在机械设计缺陷：由于传感器固定不良，读数可能会发生变化。 但是，一切都与传感器保持一致。 我们将其解释为：在沸腾期间，溶解的气体在水中上升，介质的连续性被破坏，变得可压缩，最终影响传感器的读数。
- 区域4和5之间的点是加热器关闭且水开始冷却的时刻。 图的开始和结束之间的差异表明部分水已经沸腾了。 随后的测量结果表明，在五个沸腾周期中，约有50 g的水蒸发，即蒸发掉约50g水。 每次10克。
总结
预期带有称重传感器的选件投入运行。 现在，原型正在最终确定之中，以便很快投入批量生产。
但是，当我们解决这个问题时，又积累了一些。 它们不仅涉及板，控制程序和设备的设计，而且还涉及应用程序和服务器的设计。 已经有一些有趣且非标准的解决方案，但是
我们将在下一次讨论它们。