Всем привет! Наша компания превращает «классическую» бытовую технику в «умную» и управляемую с телефона (по Bluetooth или WiFi). То есть в неё встраивается электронный модуль с радиоканалом. Если производитель техники хочет провести модернизацию существующей модели техники, то мы можем внедрить свою управляющую плату, которая связывается со специальным мобильным приложением. А ещё можно разработать её с нуля или внести дополнительные изменения в плату, приложение или корпус.
Как-то к нам пришёл заказчик и попросил разработать способ (датчик) для измерения объёма воды в чайнике, чтобы потом пользователь мог видеть эти данные в мобильном приложении. Конструктивное исполнение датчика должно быть простым и подходить для любой модели чайника. Формального ТЗ у нас не было: заказчик хотел, чтобы чайник мог определять, сколько воды в него налито.
Дополнительно были выдвинуты следующие требования:
- Погрешность измерений должна составлять не более 40 мл;
- Погрешность не меняется при температуре воды от 5 до 100 градусов Цельсия;
- Метод измерения должен минимально влиять на себестоимость чайника и на затраты по изменению технологических процессов производства.
Эти требования стали ориентирами в выборе способа измерения объема воды внутри колбы чайника. Последний пункт был самым важным, так как в области бытовой техники цена сильно влияет на выбор покупателя. Мы не могли позволить себе использовать дорогие и экзотические приемы.
Выбор метода измерения
Мы решили, что проще всего будет взвешивать воду в чайнике при помощи тензодатчиков и переводить данные в объем. Но нужно было предложить и проверить несколько альтернативных способов измерения: любой заказчик предпочитает выбор из нескольких разных вариантов. Он сам взвесит «за» и «против» и примет окончательное решение. Так что параллельно с созданием встроенных весов мы рассмотрели и испытали другие методы.
Сразу решили отказаться от поплавкового и ультразвукового способов. Поплавок точно бы не пошел в производство. К тому же чайник с поплавком внутри мог отпугнуть покупателей: кто захочет пить воду, в которой постоянно плавает посторонний предмет. А ещё на поплавок рано или поздно начнут оседать разнообразные примеси из воды.
Ультразвуковой способ был забракован, поскольку он не сработал бы во время кипения воды: датчик выдавал бы некорректные показания.
Ёмкостный датчик
Интересным вариантом показался ёмкостный метод. Остановимся на нём поподробнее.
Сначала в качестве конденсатора разработчики решили использовать две металлические пластины. Однако это конструктивное решение оказалось неудачным: рука, касающаяся чайника, вносит дополнительную ёмкость в систему, и показания «плавают» в реальном времени.
Далее были использованы две латунные трубки диаметром 8 и 4 мм. Каждую покрыли лаком, а затем вставили одну в другую. Эти трубки стали альтернативой пластин. Они выполняли функцию конденсатора, чья ёмкость должна изменяться при погружении в воду. При этом одна трубка экранировала другую, что защищало от наводок, как в коаксиальном кабеле.
Для установки датчика в центре колбы чайника просверлили отверстие. Хотелось бы разместить его ближе к краю, но этому помешал ТЭН (трубчатый электронагреватель) по периметру подошвы чайника. На 3D-принтере был напечатан кожух для трубок. Также была изготовлена изолирующая силиконовая прокладка, которая должна была защитить прибор от протечки воды.
При испытании с разными объемами холодной воды система работала исправно. Однако при кипячении и тестировании с горячей водой обнаружилось, что растрескался лак, которым были покрыты латунные трубки. Покрытие лаком изначально было временным решением. Вместо него лучше использовать силикон. Но силикон пришлось бы сертифицировать для пищевой промышленности, а это привело бы к значительному увеличению стоимости готового чайника. На это заказчик не согласился. Да и сам метод мы сочли нетехнологичным, так как есть необходимость делать силиконовый слой очень тонким: несколько десятых миллиметра, то есть, сопоставимо со слоем лака. И наконец, торчащий внутри чайника штырь сильно портил вид прибора. Особенно устрашающе это смотрелось бы внутри стеклянной модели.
Нами также был опробован полностью бесконтактный емкостной метод: снаружи стеклянной колбы были выполнены электроды. Был обнаружен ещё один фактор, который ставит крест на ёмкостном методе — пар. Во время кипения пар конденсируется напротив пластин или в зоне электродов, что ведёт к искажению получаемых данных. Иными словами как только появлялся конденсат мы не могли достоверно определить уровень жидкости.
Датчик из пары электродов
Второй эксперимент было решено провести с датчиком, который вычислял бы объём воды по её электропроводности. Чтобы установить такой датчик, вдоль стенки колбы мы разместили пластину с несколькими парами электродов.
Принцип работы довольно прост: вода попадает на одну из пар электродов, и между ними начинает течь электрический ток. Зная, между какой именно парой идет ток, можно легко определить уровень воды. А чем больше электродов будет расположено внутри колбы, тем точнее будет измерение объема.
На фото ниже чайник-образец сразу с двумя видами датчиков.
В случае с электродным способом измерения объема воды в чайнике — точность измерений прямо пропорциональна стоимости и сложности конструкции. Чем большей точности мы захотим добиться, тем дороже будет готовая продукция.
Гораздо большую проблему давал конденсат внутри колбы. Капли оседали выше реального уровня воды и приводили в действие электроды – датчик выдавал ошибочные данные. Ни аппаратным, ни программным способом эту проблему решить не удалось. Ко всему прочему электродный датчик также потребовал бы дорогостоящей сертификации для пищевой промышленности.
Тензометрический датчик
Итак, два способа мы отмели сразу, ещё два – после испытаний. Возвращаемся к взвешиванию: вряд ли можно придумать что-то проще и удобнее этого метода. Поэтому мы превращаем чайник в весы с помощью тензодатчиков.
С тензометрическим способом нас также ожидали трудности. Во-первых, деталь чайника пришлось подогнать под датчики, что при производстве привело бы к изменению пресс-форм.
Во-вторых, когда мы распечатали корпусную деталь с посадочными местами на 3D-принтере, установили датчики и собрали чайник, стало понятно, что подставка-база должна быть изготовлена из более жесткого пластика, чем обычно. При испытаниях показания датчиков немного плыли, поскольку стандартная подставка под чайник слегка прогибалась.
В-третьих, пришлось решать проблему дрейфа показаний датчиков от нагрева ТЭНами. Исходная конструкция чайника не позволяла расположить датчики в подставке чайника, так как электроника в модернизируемой модели изначально располагалась в ручке. С влиянием температуры нам удалось успешно справиться. В ходе испытаний температура датчиков не превысила максимально допустимую при пяти опытных включениях чайника подряд.
Разобравшись с технической стороной эксперимента, мы приступили к анализу данных. Ниже – график зависимости единиц измерения АЦП весов от времени.
- В начале эксперимента ничего не происходит, чайник выключен.
- Пик соответствует нажатию на кнопку чайника. Здесь всё более-менее логично: палец создает кратковременное давление, а датчик опознает это как увеличение массы воды.
- Однако сразу после нажатия показания не возвращаются на изначальный уровень и становятся немного больше – на 1-2 грамма. Объяснения этому эффекту мы пока не нашли. Возможно, в комментариях кто-то предложит собственную гипотезу.
- Пройдя участок 3, масса воды постепенно уменьшается и к моменту закипания становится меньше изначальной. Полностью списать этот провал на выкипание нельзя: после измерений выяснилось, что воды при кипячении испарилось меньше, чем показал график. Сначала мы заподозрили механический дефект конструкции: показания могли измениться из-за плохо закрепленных датчиков. Однако с датчиками всё было в порядке. Мы интерпретировали это следующим образом: при кипении растворенный газ поднимается в воде, сплошность среды нарушается, она становится сжимаемой, что в конечном счете влияет на показания датчиков.
- Точка между участками 4 и 5 – это момент отключения ТЭНа и начало остывания воды. По разнице между началом и концом графика видно, что часть воды выкипела. Последующие измерения показали, что за пять циклов закипания испарилось примерно 50 г воды, т.е. по 10 г на один пуск.
Итог
Вполне ожидаемо, в работу прошел вариант с тензодатчиками. Сейчас опытный образец дорабатывается, чтобы в скором времени выйти в серийное производство.
Но пока мы решали эту задачу, накопилось ещё несколько. И они касаются не только платы, управляющей программы и конструкции прибора, но также приложения и проектирования сервера. Уже есть парочка интересных и нестандартных решений, но о них мы расскажем в другой раз.
Автор: ready_for_sky_team
