Thema: Projektbericht: Einbau eines Temperatursensors in die Brühgruppe einer Miss Silvia

Hallo!


Ich habe diesen Thread eröffnet um von dem Einbau eines Temperaturfühlers in die Brühgruppe einer Miss Silvia zu berichten.
Das Umbauprojekt geht zurück auf die Diskussionen in diesem Thread:
Temperaturstabilität von Einkreisern: PID, Pre-Infusion und kaltes Fluten.
Diskussionen über Sinn oder Unsinn dieses Umbaus sollten am besten dort geführt werden.

Interesse der Debatte war herauszufinden welche Brühtemperatur eine Miss Silvia während des Shots hat. Nachdem sich verschiedene Behelfsmessungen als schwierig erwiesen und ich die tatsächliche Brühtemperatur über das faustino-board auch dauerhaft in meinem Espressoalltag sehen möchte, habe ich mich entschieden einen Temperatursensor in die Brühkammer meiner Miss Silvia einzubauen. Für die Funktionalitäten, die sich daraus ergeben siehe hier:
Darf ich vorstellen: Miss Silvia Faustino mit Paddle und USB!


Dennoch habe ich einen eigenen Thread eröffnet, da der Einbau eines Temperatursensors in einen Kessel oder eine Brühgruppe von allgemeinem Interesse ist (Temperaturmessung im Brühkopf mit PT100-Fühler) und so dieser „Bauplan“ auch in 3 Jahren leichter gefunden wird.

Vorab:
Ich bin nicht der erste auf dem Mond, natürlich. Jumosan hat das vor ein paar Wochen schon eingebaut. Er hat etwas davon berichtet:
Temperaturstabilität von Einkreisern: PID, Pre-Infusion und kaltes Fluten.
und hier
Temperaturstabilität von Einkreisern: PID, Pre-Infusion und kaltes Fluten.
Vielleicht hat das davor schon mal jemand gemacht.

Für alle die schon mal ein Gewinde geschnitten haben und sich mit Metallbearbeitung etwas auskennen, ist das Projekt vermutlich einfach, für Leute, die einen Bohrer erkennen können, machbar (Solange man nicht, wie ich, der Meinung ist es müsse ein 0,5 mm dicker Sensor sein, aber dazu später mehr). In meinem Fall, war es die Hilfe von McGyver2K ohne dessen technische Tipps und Hilfe beim Einbauen ich das nicht hinbekommen hätte. Er hat 90% des Sachverstandes beigesteuert, aber ich immerhin 97% des Wahnsinns das tatsächlich auszuprobieren.


Auswahl der Temperatursensoren:
Eigentlich gibt es vorher noch einen Schritt, nämlich die Messplattform auswählen. Das dürfte bei den meisten hier im Board entweder ein Multimeter oder ein Board von faustino sein (dort kann man neben dem Sensor auf dem Boiler, der den PID für die Heizung steuert, weitere Sensoren anschließen, bis zu, äh 6?, sehr viele!). Jumosan hat dafür Bauteile von Jumosan verwendet, letztlich gibt es dutzende Möglichkeiten das zu realisieren. Eine dauerhafte Messplattform macht natürlich bei einem dauerhaft installierten Sensor mehr Sinn.

Bei den Sensoren kamen für mich zwei Typen in Frage: Pt100, teuer, träge (ich habe jedenfalls keine 1mm dicken Sensoren gefunden?), aber dafür korrekte Absolutwerte (bitte Ergänzungen, Änderungen, wenn jemand hier eine Sensortypologie posten will, nur zu!) oder ein Typ-K billig (hrm, hrm, siehe unten), schnell, muss aber kalibriert werden für passende Absolutwerte.

Da für mich Ansprechzeit sehr wichtig war und das Faustinoboard eine komfortable Funktion zum kalibrieren über Eiswasser (ich kriege jetzt von der Tiefkühltruhe immer zugerufen: „Ist das destilliertes Wasser oder Eiswürfel?“) und kochendes Wasser verfügt, habe ich mich für einen Typ K entschieden.

Ziel des Einbaus ist es, über Heizprogramme („Ramp and Soak“ heißt die Funktion auf dem faustino board), die Brühtemperatur zu stabilisieren, deshalb wählte ich schließlich einen 0,5mm dicken Typ K Mantelfühler, weil die T90 Zeit (Zeit bis 90% eines Messwertsprungs vom Fühler abgebildet werden) bei einer bestimmten Wasserfließgeschwindigkeit bei 0,2 Sekunden liegt. So viel Wasser fließt in der Silvia nicht, aber nach weniger als 1 Sekunde bin ich im Bilde, wie nun die Brühtemperatur aussieht, bei 1,5mm waren das durchaus 4-6 Sekunden.
Für solche Übertreibungen zahlt man einen hohen Preis: Der Sensor ist super erz-mega-über- empfindlich! Also überlegt euch, ob ihr es auch so genau wollt, ich habe jetzt jedenfalls ein gespanntes Metallhaar in meiner Maschine verlegt, keine gutes Gefühl, wenn man „nur mal eben was machen will“. (Für andere Silvia-Nutzer mit faustino Produkten, bietet sich durch die Vergleichbarkeit des T-Sic auf dem Boiler an, einfach einen etwas trägeren Sensor zu verbauen und die Werte mit meinen abzugleichen).



Auswahl der Einbaumethode
Soweit wie ich das überschaue gibt es drei Möglichkeiten, um einen Temperatursensor dauerhaft in eine Flüssigkeit zu tauchen:

1) Tauchhülse: Ein Metallstift mit Gewinde, der in der Mitte eine Bohrung hat in die von oben der Sensor gesteckt werden kann. Dann gehen auch Sensoren, die nicht wasserfest sind. Mehr weiß ich aber auch nicht drüber, insbesondere wie es mit dem Druck des Kessels/der Brühgruppe auf das „Stiftchen“ aussieht.
2) Der Sensor ist fest in einer (möglichst dünnen) Hülle vergossen, wie in meinem Fall, und wird mit (gesundheitlich geeigneten?) Lot einfach fest eingelötet. Das wollte ich nicht, siehe Einbauplan. Ich kenne mich mit dieser Montage auch nicht aus, wenn dazu jemand etwas schreiben möchte?
3) Der Sensor ist fest vergossen und wird über ein Gewinde in ein Loch geschraubt. Nachdem McGyver mir den Floh ins Ohr gesetzt hatte, dass das doch gehen müsste, musste es versucht werden =)


Kauf des Sensors:
Es gibt einige Hersteller, die Typ-K Fühler mit festem Gewinde am Vergussteil anbieten.
Omega bietet eine breite Auswahl, bei Greisinger gibt es die Möglichkeit sich entsprechende Sensoren mit Gewinde anfertigen zu lassen, was aber nicht billig ist. Ein Problem ist, dass der Messfühler meistens zu lange ist, ihr also 10cm Verguss“draht“hülse zwischen Messpunkt und Gewinde habt. Das kann zu Problemen beim verlegen des Sensors führen.

Es gibt auch keinen Hersteller, der so dünne Typ K Fühler mit Verschraubung anbietet. Wäre glaube ich auch wiedersinnig: ein so feiner Sensor, der irgendwo hängen bleibt und beim Einschrauben gedreht wird, bricht einfach ab.

Zweite Möglichkeit: Klemmverschraubungen! Hier wird der Fühler durch einen Kegel geschoben der zwischen zwei Schrauben zugequetscht wird. Es gibt verschiedene Kegel: Edelstahlkegel sind bis zu sehr hohem Druck dicht, aber das nur weil sie sich einmalig in die Ummantelung graben, also nicht wieder löslich sind. Messing Kegel sind so ein bisschen löslich, aber ganz habe ich es nicht kapiert, bei 0,5mm muss man wohl auch eher damit rechnen, den Sensor nicht wieder in einem Stück rauszukriegen. Teflonkegel sind löslich, wenn man vorsichtig ist.
Wer sich das mal als Bild anschauen will: http://www.electronic-sensor.de/kvfte3.gif

Aber: Es gibt keine Hersteller, der Klemmverschraubungen mit Teflonkegel für so dünne Typ K Fühler bei 100° und 15 bar Druck anbietet, die auch wieder von Fühler abgelöst werden können.
Außer *Trommelwirbel*: ES Electronic Sensor GmbH
Ok, die liefern normalerweise nicht an Privatanwender und ich bin endgültig im Forschungsbedarf gelandet (wurde auch gleich mit einem Namensvetter aus der technischen Thermodynamik verwechselt, leider hat das nicht bis zu Rechnung angehalten ), aber ich habe mein Equipment bekommen.

Zusammen mit Porto und Mwst., dann doch etwas über 70€, sonst nicht mal soo teuer.
Alternativ hätte man das Ganze mit einer Klemmverschraubung von Omega versuchen können, da wäre man möglicherweise etwas günstiger gelandet.

Für Projekte bei denen die Trägheit der Messung (T90 Zeit) nicht so entscheidend ist, weil man etwa die Temperatur des Wassers im Kessel messen will, bieten sich hier Möglichkeiten vertretbar günstig an Sensoren zu kommen (für den Einbau eines Sensors in den Boiler einer Silvia siehe Jumos Projekt).

10.000 Wörter, pffff.

Das gekaufte Material:
Typ K Fühler 0,5mm (1 Stck. IKT 05/10)
Klemmverschraubung mit Teflonkegel (1 Stck. SG 05 T)

Teflonband 1€ vom Baumarkt
Gewindeschneider M8x1 (8mm Gewinde mit einem 1mm Steigung Feingewinde passend zur Klemmverschraubung) 8€ inklusive Porto von dem Händler „powergenerator“ aus der Bucht

Gesamtkosten: ca. 80€
Wenn man langsamere Sensoren verwendet und es über eine Klemmverschraubung dauerhaft fixiert, könnte es sein, dass dieses Projekt auch knapp unter 50€ möglich ist.


Sonstiges verwendetes Werkzeug:
Bohrmaschine
Bohrmaschinenständer (Vielleicht kann man das auch freihand bohren, aber bei Jumo hat es die Bohrmaschine verzogen)
3er Bohrkopf für das Vorbohren
7er Bohrkopf für das Kernloch
Imbusschlüssel/Schraubenzieher/etc. um die Miss Silvia zu demontieren (ggf. auch gleich Entkalken bei der Gelegenheit, ich habe Kesselkorallen in der Größe des great barrier reef zerstört)

Die Position des Sensors:
Wir haben hier verschiedene Einbaupositonen diskutiert:
Temperaturstabilität von Einkreisern: PID, Pre-Infusion und kaltes Fluten.

Zentrales Problem war die Demontierbarkeit des Duschsiebs zu Reinigungszwecken.

Zur Auswahl standen drei Einbauformen:



McGyvers hat für Variante „1b“ votiert, die wir auch umgesetzt haben:
Es wird ein 7er Loch durch die eigentliche Brühgruppe gebohrt, dann gerade darunter ein 3er Loch durch die Verteilerplatte der Dusche und das Gitter der Dusche bleibt unangetastet.
Das bedeutet der Sensor (siehe Diskussion) ist vor mechanischer Belastung beim Einspannen geschützt, kann also nicht abbrechen. Große Gefahr: er misst nicht unmittelbar über dem Kaffeepuck, aber diese Sorge hat sich als völlig unbegründet erwiesen (s.u.).

Wenn man einen robusteren Fühler hat, wie Jumo, kann man den Sensor aber auch in der Schraube der Dusche unterbringen.


Der Einbau:
Der Einbau beginnt mit einem Ausbau. Die Maschine wird komplett demontiert, weil man am Ende die Brühgruppe bearbeitet. Wir wollten von unten, also von der Brühkammer her bohren, um den richtigen Punkt zu wählen. Ich weiß nicht ob es empfehlenswert ist, die Brühgruppe eingebaut zu lassen und von oben zu bohren, man kann sich da mit 0,5cm versetzt, schon in erhebliche Schwierigkeiten bringen. Die Demontage erkläre ich nicht, das ist in den verschiedenen Entkalkungsthreads ja schon erläutert.

Die Position des Bohrlochs ist auf der gegenüberliegenden Seite des Zulaufs:



Aus mehreren Gründen:
Auf der Oberseite ist nicht so viel Platz, wegen des Blechs, das die Brühgruppe bedeckt.
Wir wollten nicht den Zulauf anbohren.
Insgesamt ist wegen der 7er Bohrung erstaunlich wenig Platz, das ganze muss einigermaßen mittig auf den Kreis zwischen der Vertiefung für die Dichtung am Rand und der Erhöhung für das Duschsieb in der Mitte.

Daraus ergibt sich folgendes Bohrloch:



Das Bohren durch das Messing ging ziemlich leicht. Mit einem 3er vorbohren und dann mit dem 7er auf die Größe des Kernlochs. Ab und an hat der Bohrer sich mit Spänen verklemmt, aber mit mittlerer Geschwindigkeit und wenig Druck auf dem Bohrer ging es Problemlos.

Dann von oben die beiden Gewindeschneider ansetzen und reindrehen:



Der Gewindeschneider hatte einen Kopf zum Vorschneiden und einen zweiten Kopf, der den Rest des Gewindes reingräbt. Und fertig war ein perfektes M8x1 Gewinde. Die Gewindeschneider in das Messing zu drehen, ging sehr leicht.

Ein Problem bleibt, das Frontblech passt nicht:


Das haben wir, weil die Stelle unsichtbar ist, etwas grob mit einer Metallschere ausgeschnitten.

Jetzt fehlt noch die Bohrung durch die Verteilerplatte: 3er Loch, nicht weiter schwierig.

Der Sensor muss noch kalibriert werden, in Ermangelung von geeigneten Vergleichssensoren, habe ich das mit einem Eiswasserbad aus destilliertem Wasser in einer Thermoskanne und mit kochendem destilliertem Wasser (hier gibt es ein Programm mit dem man aus dem Tagesaktuellen Luftdruck den Kochpunkt von destilliertem Wasser ausrechnen kann: Water Altitude Boiling Point Calculator) gemacht.

Dann wird von oben der Sensor durchgeschoben und an zwei Stellen mit Kabelbinder fixiert, damit Bewegungen an dem Kabel nicht den dünnen „Vergussdraht“ unter dem der Sensor liegt, abreißen:





Der finale Einbauschritt ist etwas heikel: der Sensor ist zu weit durchgeschoben, die Verteilerplatte wird eingefädelt und nach oben geschoben. Metallsieb und Schraube werden angesetzt und hochgeschoben, während gleichzeitig der Sensor passend rausgezogen wird. Am Ende sollte die Spitze des Sensors am Gitter des Duschsiebs anliegen.

Weil das etwas heikel ist, habe ich den Sensor mit einem zweiten Typ-K Sensor verifiziert:



Es ist ein Typ-K mit 1,5mm Dicke in einem Siebträger unter einem Styroportrichter. Dieser Sensor wurde ebenfalls kalibriert.

Mit dem Status monitor von faustino habe ich aufgezeichnet, wie bei einem verringerten Durchfluss die Temperatur an den beiden Sensoren gemessen wird.
Der neue Sensor in der Gruppe ist dunkelblau und gibt die Temperatur des Brühwassers an. Der Sensor im Siebträger ist dunkelrot und misst ebenfalls das Brühwasser, nur eben 1cm weiter unten (die Beschriftung des Dunkelroten in der Grafik ist falsch! Ich habe vergessen das vorher zu ändern):



Das hätte ich mir nicht mal zu träumen gewagt! Der neue Sensor hinter dem Gitter gibt die Temperatur fast ganz genauso wieder, wie es ein Sensor im Siebträger tut! Es gibt einen Offset von 0,5-1°, aber der Verlauf ist sehr parallel. Was man auch sehr schön sieht sind die T90 Zeiten der beiden Sensoren, auch wenn der Sensor im Siebträger einen größeren Hohlraum über sich hat, der erst noch gefüllt werden muss.
Ich kann in Zukunft verlässlich prüfen, welche Temperatur das Brühwasser hat. Damit kann ich auch die Ramp and Soak Funktion des faustino boards nutzen, indem ich per Heizrampe das Brühwasser genau so heize, dass die Brühtemperatur konstant ist. Oder fallend oder steigend oder wie auch immer. Temperatureprofiling eben.

Nicht mehr als 10 Grafiken,

Hier noch ein Grafik wie exponiert der Sensor ist. Ich nehme den Siebträger bei Sekunde 2 aus der Brühgruppe:



Schon nach 1 Sekunde registriert der Sensor eine fallende Temperatur hinter dem Gitter des Duschsiebs. Der Sensor misst also nicht nur die Temperatur des Wassers von oben relativ genau, sondern auch die Temperatur der Brühgruppe insgesamt, ohne dass das umgebende Metall zu sehr moderierend eingreift.

Schließlich noch der erste aufgezeichnete shot:



Das geht sicher noch besser, die Heizung war zu stark, weil die Temperatur ansteigt. Der Hubbel am Anfang gibt mir noch Rätsel auf, den kann ich auch erst jetzt mit so einem schnellen Sensor sehen. Vielleicht ergeben sich daraus nochmal andere Ansätze wie man die Brühtemperatur einer Silvia beeinflussen sollte.

Ausblick:
Tja, alles ist denkbar! Vielleicht kann man die Silvia dazu bekommen völlig Temperaturstabil zu arbeiten, vielleicht gibt es Grenzen. Vielleicht führt Temperatureprofiling nirgendwohin. Ich hatte Lust es auszuprobieren, dafür ist aber dieser Messaufbau notwendig (vgl. Temperaturstabilität von Einkreisern: PID, Pre-Infusion und kaltes Fluten.).

Als Alternative ergeben sich für die Silvia zwei alternative Einbaupunkte, die einem das Bohren und Gewindeschneiden ersparen würden:

Die Öffnung für die Dampflanze auf dem Boilerdeckel:
Könnte man hier nicht das Dampfrohr über ein T-Stück oder ähnliches anschließen und über eine Klemmverschraubung und das T-Stück zugleich einen Sensor in den Kessel einfädeln? Dann hätte man einen PID der das Kesselwasser regelt, nicht die Boilerwand. Wobei da vielleicht Jumo noch etwas zu schreiben kann, weil er beide Messpunkte in Betrieb hat.

Die Bohrung für den Zulauf in die Brühkammer:
Bane hatte mich darauf aufmerksam gemacht: Am Fuß des Boilers ist eine Schraube, die ein fertiges Gewinde hat. Schraube auf, Klemmverschraubung und Sensor rein, fertig. Wenn sich hier ebenfalls ein konstanter Offset ergibt, würde man hier technisch relativ einfach die Brühtemperatur messen können. Effekte wie die Temperatur des Siebträgers etc. dürfte man hier aber sicher nicht mehr drin haben.


Oups, das ist etwas lang geworden.
Viele Grüße
octabeer

Zitat von octabeer

Oups, das ist etwas lang geworden.

Einschüchternd lang.
Ich traue mich kaum was zu schreiben. Vermutlich ist das eh schon lange beantwortet....

Müsste der unerklärliche Hubbel nicht die "Temperatur" des Brühwassers aus dem Boiler sein? Zu diesem frühen Zeitpunkt ist noch kein abgekühltes Wasser (der Puck ist ja kalt) aus dem Siebträger zurückgeströmt.

Ich habe die umgekehrte Temperaturkurve: Mit einem Sensor im Kaffeemehl und zwar ziemlich direkt über dem Siebboden habe ich das Temperaturmaximum erst ca. 10-12 Sekunden nach Bezugsstart; davor ist es dort viel kälter (der Hubbel also andersrum).
Edit: Das ist ziemlich genau deine dunkelrote Kurve...

Hei Indigo!


Das ist eine gute Idee! Wenn man am Sensor sieht, dass man den Siebträger rausnimmt, dann müsste man doch auch sehen, ob sich unter dem Sensor eine "Pfütze" kühleren Wassers bildet. Dann hätte man am Sensor tatsächlich die reale Brühtemperatur. Ich könnte das so testen: Mit faustino eine niedrige Flussrate einstellen und das Wasser einmal ins Leere und einmal über den Styroporpuck laufen lassen. Wenn die Kurven deutlich verschieden sind, kann man auch wenn das Wasser von oben nach unten die meiste Wärme transportiert, am Sensor registrieren was genau auf dem Puck passiert. Ich meine letzten Endes liegt der aufgequollene Puck ja auch am Gitter an, das heißt auch am Sensor. Herrje, hundert neue Fragen =)...
Aber dafür mache ich nochmal einen eigenen Thread auf, weil es dann ja schon um die Brühprogramme des faustino geht...

Viele Grüße
octa

hallo Octa,
Respekt, du bist ja wirklich hartnäckig und super engagiert.
Ich benutze meine Silvia "nur noch" zum Espressomachen, lese aber mit viel Freude deine Beiträge und warte auf praktisch verwertbare Ergebnisse für mich, am besten ein R&S Programm, was die Brühwassertemperatur konstant hält.

Hallo Octa,

super gemacht, Gratulation! Mich würde vor allem folgende Messunge interessieren:

Brühtemperatur bei gleicher Boilertemperatur, aber stark unterschiedlicher Brühgruppentemperatur. Zum Beispiel ein Bezug vor und nach dem Milchschäumen, bei wieder eingeschwungenem Boiler.

Lg,

Jumo

Hallo!



OT:
@Pit: Merkwürdigerweise sind Umbau und meine Diplomarbeit gleichzeitig fertig geworden ... Ich weiß gar nicht, was ich jetzt während meiner Diss machen soll. Eine Gewichtsgesteuerte Waage? Aber ich habe mir wohl endgültig den Weg zum Upgrade "verbaut".
/OT.

@Jumo: Ja, die Temperatur der Brühgruppe muss ich mit reinnehmen in meine Messungen. Gerade arbeite ich daran zu verstehen wie ich die Brühkurven glatt ziehen kann. Mittlerweile ist auch sogar der Drucksensor drin und dank Dämpfung zeigt er jetzt auch Druckkurven an:



Aber gut, eigentlich wollte ich ja für die Brühkurven und Heizrampen einen eigenen Thread starten. Vielleicht unter Titeln wie: "100% God shot?" oder "Größenwahn für weit Fortgeschrittene". Mal sehen, was sich in den nächsten Tagen so ermitteln lässt.

Beste Grüße
octa

Hallo!

EDIT: Und eben doch nicht. , siehe unten.../EDIT

@Indigo: Deine Idee erschien mir sehr plausibel, aber es sieht doch eher nach Flussrate aus. Mit Preinfusion, also verringerter Flussrate am Anfang ließ sich der Buckel vermeiden. Mal sehen wie sich das noch genauer darstellt...

beste Grüße
octa

Hallo!

Weil das auch für zukünftige Einbauer relevant sein könnte, verlinke ich hier auch nochmal einen Beitrag wie genau der Sensor misst und insbesondere woher die merkwürdige Abkühlung zu Beginn des Shots kommt: Temperaturstabilität von Einkreisern: PID, Pre-Infusion und kaltes Fluten.

Oder kurzum: Bei einem Experiment mit einem aufgeheizten Puck verschwand die Abkühlung, die zuvor gemessen wurde. Man kann also an meinem Sensor sehen, wie der Puck auf Extraktionstemperatur gebracht wird. Abkühlung durch höhere Flussraten und damit mehr kaltes Wasser, das in den Boiler nachfließt, sowie Effekte höherer Flussraten am Messpunkt, wirken sich scheinbar kaum aus.
Die Messung ist sozusagen nur etwas asynchron, weil der Prozess der Angleichung der Temperatur des Mahlgutes auf die Temperatur des Brühwassers einen Moment dauert. Der Sensor zeigt die tatsächliche Extraktionstemperatur, die Anfangs zu hoch liegen muss, um nach dem Hochheizen des Pucks im richtigen Temperaturkorridor für die Extraktion zu landen. Das was vermeintlich wie eine Abkühlung aussieht, ist das sich "Treffen" von heißerem Brühwasser mit kaltem Puck bei der richtigen Temperatur. Der Sensor ermöglicht es einer angeschlossenen Steuerung leichte Knicke in der Bezugstemperatur, geglättete Temperaturen sowie eine genaue Bestimmung der Absoluttemperatur mit der gebrüht wurde, durchzuführen und das bei realen Shots stetig mitzuverfolgen.

Sollte ein Nutzer die totale Kontrolle über den Parameter der realen Brühtemperatur haben wollen, scheint mein Bauplan ein gangbarer Weg zu sein, das auch tatsächlich zu erreichen.

Viele Grüße
octa