El agua desaparece. ¿Adónde va el agua? Selección de un método de medición

Convierte los electrodomésticos «clásicos» en «inteligentes» y controlados desde el teléfono (a través de Bluetooth o WiFi). Es decir, se incorpora un módulo electrónico con un canal de radio. Si un fabricante de equipos desea actualizar un modelo de equipo existente, podemos implementar nuestro propio tablero de control, que se comunica con una aplicación móvil especial. También puede desarrollarlo desde cero o realizar cambios adicionales en la placa, la aplicación o el paquete.

De alguna manera, un cliente se acercó a nosotros y nos pidió que desarrolláramos un método (sensor) para medir el volumen de agua en una tetera, para que el usuario pudiera ver estos datos en una aplicación móvil. El diseño del sensor debe ser simple y adecuado para cualquier modelo de hervidor. No teníamos una especificación formal: el cliente quería que el hervidor pudiera determinar cuánta agua se vertía en él.

Además, se plantearon los siguientes requisitos:

  • El error de medición no debe ser superior a 40 ml;
  • El error no cambia a temperaturas del agua de 5 a 100 grados centígrados;
  • El método de medición debe tener un impacto mínimo en el costo del hervidor y en los costos de cambiar los procesos de producción.

Estos requisitos se convirtieron en pautas para elegir un método para medir el volumen de agua dentro del matraz de la tetera. El último punto fue el más importante, ya que en el campo de los electrodomésticos, el precio influye fuertemente en la elección del comprador. No podíamos darnos el lujo de usar trucos caros y exóticos.

Selección de un método de medición

Decidimos que la forma más fácil sería pesar el agua en la tetera usando galgas extensométricas y traducir los datos a volumen. Pero era necesario proponer y probar varios métodos de medición alternativos: cualquier cliente prefiere elegir entre varias opciones diferentes. Él sopesará los pros y los contras y tomará la decisión final. Entonces, en paralelo con la creación de las escalas integradas, consideramos y probamos otros métodos.

Inmediatamente decidió abandonar los métodos de flotación y ultrasonidos. El flotador definitivamente no entraría en producción. Además, una tetera con un flotador en el interior podría asustar a los compradores: quién quiere beber agua en la que flota constantemente un objeto extraño. Y tarde o temprano, varias impurezas del agua comenzarán a depositarse en el flotador.

El método ultrasónico fue rechazado porque no funcionaría durante la ebullición del agua: el sensor daría lecturas incorrectas.

sensor capacitivo

Una opción interesante parecía ser el método capacitivo. Detengámonos en ello con más detalle.
Al principio, los desarrolladores decidieron utilizar dos placas de metal como condensador. Sin embargo, esta solución constructiva no tuvo éxito: la mano que toca la tetera introduce capacidad adicional en el sistema y las lecturas «flotan» en tiempo real.

A continuación, se utilizaron dos tubos de latón de 8 y 4 mm de diámetro. Cada uno fue barnizado, y luego insertado uno en el otro. Estos tubos se han convertido en una alternativa a las placas. Sirvieron como un condensador, cuya capacidad debería cambiar cuando se sumerge en agua. Al mismo tiempo, un tubo apantallaba al otro, lo que lo protegía de interferencias, como en un cable coaxial.

Se perforó un agujero en el centro del matraz de la tetera para instalar el sensor. Me gustaría colocarlo más cerca del borde, pero esto fue impedido por un elemento calefactor (calentador eléctrico tubular) alrededor del perímetro de la suela del hervidor. La carcasa de los tubos se imprimió en una impresora 3D. También se fabricó una junta de silicona aislante, que se suponía que debía proteger el dispositivo de fugas de agua.

El agua desaparece. ¿Adónde va el agua? Selección de un método de medición

Cuando se probó con diferentes volúmenes de agua fría, el sistema funcionó correctamente. Sin embargo, cuando se hirvió y se probó con agua caliente, se encontró que la laca con la que se recubrieron los tubos de latón estaba agrietada. El lacado fue originalmente una solución temporal. Es mejor usar silicona en su lugar. Pero la silicona tendría que estar certificada para la industria alimentaria, y esto conduciría a un aumento significativo en el costo del hervidor terminado. El cliente no estuvo de acuerdo con esto. Y consideramos que el método en sí es de baja tecnología, ya que es necesario que la capa de silicona sea muy delgada: unas décimas de milímetro, es decir, comparable a una capa de barniz. Y finalmente, el alfiler que sobresalía dentro de la tetera estropeó mucho la apariencia del dispositivo. Se vería especialmente intimidante dentro de un modelo de vidrio.

También probamos un método capacitivo completamente sin contacto: los electrodos se fabricaron fuera del bulbo de vidrio. Se descubrió otro factor que pone fin al método capacitivo: el vapor. Durante la ebullición, el vapor se condensa contra las placas o en la zona de los electrodos, lo que provoca la distorsión de los datos obtenidos. En otras palabras, tan pronto como apareció el condensado, no pudimos determinar de manera confiable el nivel del líquido.

Sensor de un par de electrodos

Se decidió realizar el segundo experimento con un sensor que calcularía el volumen de agua a partir de su conductividad eléctrica. Para instalar dicho sensor, colocamos una placa con varios pares de electrodos a lo largo de la pared del matraz.

El principio de funcionamiento es bastante simple: el agua ingresa a uno de los pares de electrodos y una corriente eléctrica comienza a fluir entre ellos. Sabiendo entre qué par fluye la corriente, puede determinar fácilmente el nivel del agua. Y cuantos más electrodos se encuentren dentro del matraz, más precisa será la medición del volumen.

En la foto de abajo, una tetera de muestra con dos tipos de sensores a la vez.

El agua desaparece. ¿Adónde va el agua? Selección de un método de medición

El agua desaparece. ¿Adónde va el agua? Selección de un método de medición

En el caso del método de electrodos para medir el volumen de agua en una tetera, la precisión de la medición es directamente proporcional al costo y la complejidad del diseño. Cuanta más precisión queramos lograr, más caro será el producto final.

La condensación dentro del matraz dio un problema mucho mayor. Las gotas se asentaron por encima del nivel real del agua y activaron los electrodos: el sensor dio datos erróneos. Ni el hardware ni el software pudieron resolver este problema. Además de eso, el sensor de electrodo también requeriría una certificación costosa para la industria alimentaria.

medidor de tensión

Entonces, descartamos dos métodos de inmediato, dos más, después de la prueba. Volvemos al pesaje: es casi imposible encontrar algo más simple y más conveniente que este método. Por lo tanto, convertimos la tetera en una báscula usando celdas de carga.

El agua desaparece. ¿Adónde va el agua? Selección de un método de medición

También nos esperaban dificultades con el método tensométrico. Primero, la parte de la tetera tuvo que ser ajustada para encajar los sensores, que habrían cambiado los moldes durante la producción.
En segundo lugar, cuando imprimimos la parte del cuerpo con los asientos en una impresora 3D, instalamos los sensores y ensamblamos el hervidor, quedó claro que el soporte base debería estar hecho de un plástico más rígido de lo habitual. Durante las pruebas, las lecturas de los sensores flotaron un poco, ya que el soporte estándar de la tetera se hundió ligeramente.

En tercer lugar, era necesario resolver el problema de la desviación de las lecturas de los sensores debido al calentamiento por elementos calefactores. El diseño original…

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