Ladda ner artikeln på 500 kbyte här (länk, pdf). Fler tekniska rapporter finns på etn.se/expert

I träningsklockor mäter tryckgivaren barometertrycket för att sedan beräkna höjdändringen. Informationen används för att övervaka träning, och ge positiva återkoppling till användaren – men det är inte enbart wearables som kan dra nytta av tekniken, utan även exempelvis en tvättmaskin.

ST Microelectronics släppte nyligen den vattentåliga trycksensorn LPS33HW. Den ger 24-bit data ut och har mycket hög upplösning. Den känner av tryck från 260 mBar till 1 260 mBar. Likaså har den en 16-bitars temperatursensor inbyggd. 

Trycksensorn kommer kapslad i en CCLGA 10L/1, som är 3,3 × 3,3 mm och dessutom har en 1,6 mm cylindrisk öppning som sätter avkänningselementet i kontakt med vatten (figur 1 och 2). Den kan hålla trycket 10 atmosfär (atm) i vatten och 20 atm i luft.

I en tvättmaskin används vanligen en trycksensor som inte är vattentät för att mäta vattennivån. Sensorn ansluts till en luftkupol genom en flexibel slang (figur 3). När vattennivån stiger, ökar lufttrycket i kupolen. Trycket övervakas av sensorn som vanligtvis är monterad på tvättmaskinens övre panel.

Om en vattentät trycksensor används kan den istället monteras inuti ­luftkupolen. Metoden ger två fördelar jämfört med dagens. För det första sänker den kostnaden då slangen kan ersättas av ett SPI/I2C-gränssnitt. För det andra undviker man problem med en slang som åldras, böjs eller blockeras, vilket minskar eventuella kostnader för reparationer eller byte av delar. 

Vi har utfört flera experiment för att visa på potentialen hos den vattentäta trycksensorn i denna tillämpning. För att testa sensorns känslighet när vattennivån mäts använde vi ST:s utvärderingskort STEVAL-MKI109V2 med en vattentålig trycksensor ombord. Sensorn var ansluten via en luftslang, som i sin tur var placerad i det inre tvättmaskinsröret.

Tvättmaskinen i testet hade fem vattennivåer: mycket låg, låg, medium, hög och mycket hög. I diagrammet (figur 4) som visar resultatet av experimentet syns det tydligt att lufttrycket ändras när vattennivån stiger. Förändringen i tryck är direkt kopplad till vattennivån. Experimentet verifierade att sensorn är tillräckligt känslig för att kunna avgöra förändringen hos vattennivån.

Det andra experimentet testade om sensorn kan mäta vattennivån då vattnet flödar. Återigen används ett utvärderingskort från ST, men denna gången var sen­sorn monterad på botten av en stor bägare (250 fl oz, ca 7,3 liter) där den var direkt utsatt för vattnet (se ovan).

Resultatet visas i figur 5. Det är tydligt att sensorn noggrant följer vattennivån i bägaren: trycket ökar i takt med att vattennivån stiger.

I det föregående experimentet demonstrerades också temperaturavkänning. Här använde vi en vattentemperatur som höll sig mellan 25,6 °C och 26,1 °C.
En viktig funktion hos en tvättmaskin är just att kunna känna av och styra vattentemperaturen. Vintertid kan vattnet som pumpas in tvättmaskinen vara under 15 °C. Då måste sensorn kunna reglera temperaturen till önskat värde så att tvättmedlet kan lösa sig och kläderna blir rena. I ett experiment med en vattentemperatur på 40 °C mätte sensorn temperaturen korrekt (figur 6). Sensorn kan både övervaka och styra temperaturen under tvättcyklerna, allt för att säkerställa att tvätten blir ren. 

En trycksensor som tål vatten och har en inbyggd temperatursensor kan vara användbar i ett antal tillämpningar. Vi frågade oss exempelvis om den kan ge svar på frågor som: Hur mycket vatten drack jag idag? Kan mina mobilapp eller mitt träningsband påminna mig om att dricka mer? 

I ett experiment användes en flaska (20 fl oz, ca 591 ml) fylld med vatten. Även denna gång använde vi ett utvärderingskort från ST med en trycksensor. Ett luftrör anslöts till sensorn. 

När luftrörets spets stoppades in i flaskan blev det tydligt att tryckförändringen indikerar hur djupt spetsen förs ner i den vattenfyllda flaskan. Så svaret är alltså – ja, det går att avgöra hur mycket vatten som finns i flaskan och påminna dig om att dricka mer. Lösningen är att montera sensor på flaskans botten, där den kan känna av vattennivån.

Men tillämpningen är inte begränsad till vatten. I ett experiment användes istället flytande tvättmedel och en mätbägare (250 fl oz, cirka 7,3 liter) med en ansluten sensor. Tvättmedlet hälldes i den stora bägaren. En kort paus på några sekunder gjordes vid nivåerna 100, 150 och 200 fl oz (cirka 3,0, 4,4 och 5,9 liter). Resultatet syns tydligt i figur 7. 

Experimenten som presenterats här visar lovande resultat för hur en absolut trycksensor kan användas för att mäta nivån hos vatten, men också andra vätskor. Samtidigt visar de bara grunderna. Det återstår självklart tekniska utmaningar som denna artikel inte tar upp. Det handlar exempelvis om hur man upprättar en basavläsning när vätska börjar fyllas på, hur man hanterar den potentiella risken att sensorns cylind­riska öppning täpps igen, liksom mätnoggrannhet och temperatur­effekter. 

Hur som helst, den vattentäta trycksensorn visar definitivt att den kan känna av och mäta olika nivåer. Dessutom adderar den inbyggda temperatursensorn ett mervärde, samtidigt som den minskar den totala systemkostnaden.