Bauprojekt: Dual-Thermoblock, Dual-Kolbenpumpe, Single Group Maschine

Fertig.

Nein, natürlich nicht. Wollte nur nicht wieder schreiben, dass es ein Miniupdate gibt.

Doch tatsächlich bin ich mit allen mechanischen Teilen fertig ( sofern keine Änderungen nötig sind).
Das letzte was gefehlt hat war die komplette Dusche.

Hier einmal als Schnitt:


Von unten sieht die Brühgruppe der Maschine so aus:

Ich habe den Auslass in der Mitte, an dem ein Ventil angeschlossen wird. Auf dem Bild links wird der 1mm Typ-K Temperaturfühler durch eine Klemmverschraubung durchgeführt. (Oben und unten sind nur Schraubenlöcher für die Dusche.) Am Einlass rechts wird dieses Ventil mit der "runden Mutter" festgeschraubt:

Der Ring ist 4mm hoch und hat damit die Dicke der darunter montierten Duschplatte. Diese hat einen Ausschnitt für den RIng.
Der Plan ist folgender:
Über dem gezeigten Ventil ist ein T-Stück. Eine Seite davon ist der Einlass für das Wasser von beiden Thermoblöcken, an der anderen Seite wird ein Thermoelement durchgeführt. Am Wassereinlass wird durch ein weiteres T-Stück (tatsächlich eher ein "F-Stück") das Wasser von beiden Thermoblöcken gemischt. Mit dem Thermoelement kann ich also sehr nah an dem Mischpunkt beider Ströme messen und so sehr genau die gewünschte Temperatur regeln. (Als Info, der Mischpunkt ist kein "Punkt" sondern eine Zone. Erst nach etwa zehn mal dem Durchmesser hat sich das Wasser komplett durchmischt, davor ist die Temperatur abhängig davon wo man misst, zumindest bei laminarem Fluss.)
Vor dem Start wird also Wasser gemischt, und durch das Dreiwegeventil zurück in den Tank gedrückt. Wenn die Wunschtemperatur erreicht ist, öffnet das Dreiwegeventil und Wasser wird in die Brühgruppe geleitet.

Es kommt die Montageplatte (oben links), dann der Isolatorplatte (oben rechts), dann die Verteilerplatte (unten rechts) und dann das Duschsieb:

In der Montageplatte habe ich eine Einnietmutter eingepresst, damit ich die anderen Teile mit einer Hohlschraube festschrauben kann. Die Isolatorplatte liegt direkt auf der Montageplatte auf, und hält so das Wasser vom Metall fern. Hierdurch erhoffe ich mir eine gewisse Temperaturstabilität, da ich ja die Brühgruppe nicht heizen möchte. Da Teflon ja thermisch ein viel schlechterer Wärmeleiter (Faktor 100) ist als Metall, hoffe ich, dass das Wasser (sehr) genau die Temperatur behält mit der es durch das Dreiwegeventil kommt.
Anschließend wird es in der Verteilerplatte auf fünf Löcher verteilt, wobei bei einem noch das Thermoelement mit durchgesteckt wird. in dem Hohlraum über der Dusche soll sich dann wieder das Wasser sammeln um gleichmäßig aus der Dusche auszutreten. in diesem Hohlraum möchte ich die Wassertemperatur messen und nach dieser dann die Mischtemperatur nachregeln.

Zusammen sieht das dann so aus:


Das Paket ist von der Höhe her so berechnet, dass es den Standard 17mm hohen E-61 Duschsieben entspricht, damit ich kein Problem mit den normalen Sieben und Siebträgern habe. Anscheinend ist bei helleren Mischungen ja etwas mehr Platz von nöten, hierfür kann man dann einfach die flachere IMS Duschplatte nehmen, dann komme ich auf etwa 15mm, was dem der Decent Espresso Maschine entspricht.

Am Ende vom Bezug wird dann ein anderes Ventil geöffnet, welches über der Hohlschraube angebracht wird. hierdurch muss dann das "schmutzige" Espressowasser aus dem Puck nicht mehr durch die Dusche zurück, sondern hat einen eigenen Weg. Ich hoffe so auf das Rückspülen verzichten zu können, da ja nie Espressowasser in die Zuwasserleitung gelangt.

Am Dienstag kommen die neuen Puffer für die Motoren, dann geht es weiter.

Liebe Grüße
Gerald

 

Hi, ja, da hast du recht. Man muss hier aber vermutlich zwischen einer technisch notwendigen und einer geschmacklich notwendigen Reinigung unterscheiden. In der Dusche reicht ja schon eine dünne Schicht Fett welches ranzig wird, um den Espresso negativ zu beeinflussen. Das sollte ich nicht mehr haben. Bis das Ventil undicht wird oder nicht mehr richtig schließt, ist eine Schicht im Ventil erforderlich welche die beweglichen Teile mechanisch beeinflussen können muss.
Die Reinigung des Ventils würde ähnlich ablaufen wie das Rückspülen, also Blindsieb mit Reiniger. Allerdings muss dann nicht immer Druck aufgebaut und abgelassen werden, sondern ich kann ja Zufluss und Abfluss öffnen, und dann langsam Wasser fließen lassen (also über die Dusche auf das Blindsieb, dann wird der Reiniger durch die Hohlschraube zum Ablassventil transportiert und landet dann in der Auffangschalte). Ich vermute, dass ein langsam fließender Fluss mit Fettlöser auch besser wirkt als das klassische "ruckartige" reinigen, bei dem der Reiniger nur einmal kurz durch die Leitung geschossen wird.
Vielleicht mache ich es auch wie bei den Quickmill Thermoblöcken. Hier wird ja der Druck einfach über den Puck abgelassen. Dann bräuchte ich das Ablassventil nicht und wäre wirklich rückspülfrei. Das kommt einfach darauf an wie beispielsweise die Konsistenz vom Puck bei den verschiedenen Ablassvarianten ist. Ich habe ja prinzipiell alle Möglichkeiten und kann mir die passende aussuchen.

Ja, hier muss ich sagen dass ich auch die "klassische" Argumentation nicht verstehe. Zum einen ist ein Meter Rohr in einem Thermoblock nicht ausreichend um eine konstante Wassertemperatur zu erhalten, zum anderen "muss" man mehrere Kilogramm Brühgruppe auf Temperatur halten, damit in den 10cm, in denen das Wasser Kontakt zur Gruppe hat, sämtliche Temperaturvariationen aus dem Boiler ausgeglichen werden können.

 

So, das Spiel mit dem Wasser hat begonnen.

Die ersten Undichtigkeiten bei den Verklebungen habe ich beseitigt (dort wo ich geklebt habe ohne Aktivator aufzusprühen waren gesamt drei Stellen welche locker/nicht dicht waren).

Die Dusche sieht so von unten aus:


Hier ist ein Video der Dusche bei "Espressodurchfluss", also etwa 2ml/s:


Um mit Druck zu testen habe ich mein Lelit-Blindsieb mit einem 6mm Bohrer durchbohrt und eine 3D-Drucker-Düse mit 0.3mm eingeschraubt. Das soll wohl mehr oder weniger dem Widerstand eines doppelten Espresso-Pucks entsprechen.


Leider dichtet die große Dichtung zwar gut zum Siebträger ab, allerdings nicht nach oben. Normale Siebträger haben das Problem nicht, da die Dichtung ja in einer Nut liegt. Ich muss also den äußeren Ring noch nach oben abdichten. Ich vermute die Flüssigdichtung welche ich für die Rohre genutzt habe hilft hier auch.

Deshalb konnte ich nur bis 5 Bar testen, aber der Regler tut was er soll. Er ist noch etwas aggressiv eingestellt, da ich den kleinen Überschwinger nicht mag, aber insgesamt bin ich sehr zufrieden und das Simulieren hat sich gelohnt:


Wie gewollt wird am Anfang der Flow begrenzt, und wenn der Druck nahe 5 Bar steigt wird der Fluss begrenzt und anschließend geregelt um den Druck nicht zu übersteigen.

Jetzt muss ich die Tage noch die Brühgruppe abdichten, und dann schau ich mal ob alles bis 12 Bar dicht ist.
Dann noch die Thermoblockregelung einstellen (hierfür muss ich noch die Step-Response eines thermoblocks messen) und es sollte ein Espresso möglich sein

Edit:
Hier tritt Wasser durch das Blech:

 

Ja, du deutest die Zeichnung richtig, und ja, gestern Abend habe ich bereits o-Ringe bestellt...

 

Vielleicht ist für den ein oder anderen noch das Video interessant, wenn die Flachdichtung doch nicht so dicht ist wie man gerne hätte (also nach oben, wo sie flach aufliegt. Richtung Siebträger sieht sie dicht aus):


Leider etwas wackelig da ich auf viele Dinge geschaut hatte, nur nicht auf das Handy.
Das klacken am Anfang ist das Ventil. Dann hört man noch das Wasser in den Behälter tropfen/fließen. Wenn man genau hin hört hört man auch das Surren der Motoren. Das Wasser ist wegen der Kameraposition im Vergleich zu den anderen Geräuschen im Video zu laut.
Man hört auch bei ~6s, dass die Motoren kurz gebremst haben. Das kam durch den Regler der erwartet hat dass bald der Maximaldruck erreicht wird. (Leider nur als schlechter Screenshot, da eigentlich nur für mich.):


Man sieht auch, dass gerade so viel Wasser an der Flachdichtung vorbei fließt wie ich in dem Rezept "erlaube" (3ml/s). Der Maximaldruck wird deswegen nicht erreicht (auch das merkt der Regler, der dann den Fluss wieder auf Maximalfluss anhebt). Gegen Ende hatte ich einen fallenden Druck programmiert, der auch ganz am Ende erreicht wurde, weshalb der Fluss vom Regler reduziert wurde.

Das war ein Post der dokumentiert, dass nicht alles klappt wie man sich das vorstellt

O-Ringe kommen vermutlich erst am Montag. Dann geht es hoffentlich dicht weiter.

 

So,
in der Zwischenzeit dachte ich, ich kümmere mich mal etwas um die Thermoblöcke.

Zunächst einmal habe ich die Messsignalqualität überprüft. Im Bild sind zwei Pt1000 Sensoren (je einer pro Thermoblock) und ein Typ K Thermoelement, welcher die Mischtemperatur aus beiden Thermoblöcken messen soll.
Sie sind noch unkalibriert, weshalb das Thermoelement eine andere Raumtemperatur anzeigt. Außerdem erwärmen sich die Pt1000 ja allein durch den Strom den ich zum Messen benötige:


Tatsächlich messe ich mit 100Hz, wobei ich immer zwei aufeinanderfolgende Werte mittle, um die 50Hz heraus zu filtern. Eventuell setze ich auch einen Notchfilter ein, da ich ja schnell genug Werte bekomme, so dass die Verzögerung des Filters egal ist (wie man an der Messung der Sprungantwort am Ende sieht). Die Differenz beider aufeinanderfolgender Werte ist übrigens im Bereich vom 0,3-0,4K, also nicht einfach zu vernachlässigen.

Hier noch als Zoom, einmal beide Thermoblocktemperaturen und einmal das Thermoelement (20 Sekunden mit 10Hz Samplerate):


Finde ich ganz gut

Um den (vermutlich wird es ein) PID Regler einstellen zu können, habe ich außerdem die Sprungantwort des Thermoblocks aufgenommen. Hierfür habe ich an beiden Gewinden des Thermoblocks die Fühler angeschraubt, um herauszufinden ob eine Stelle besser geeignet ist. Zwischen beiden Positionen finde ich aber kaum einen Unterschied:


Der Schritt war übrigens bei 0-250 Sekunden bei 15% der Gesamtleistung, ab 250s wurde wieder auf 0% reduziert. Vermutlich wäre es aus regelungstechnischer Sicht besser gewesen die Thermoblöcke nicht zu isolieren, da sie kaum Wärme "verlieren". Das eröffnet allerdings auch die Möglichkeit die Thermoblöcke nach einem physikalischen Modell (Energieverlust proportional zur Temperatur, Temperatur entspricht der vorhandenen Energie) zu regeln. Das wäre besonders interessant da auch die Energie, welche durch das durchfließende Wasser entzogen wird, recht genau bekannt ist.

Als Modell für ein Pt1-Glied erhalte ich nach einem Fit folgendes Diagramm:

mit den Werten:
K (Gain) = 6378
Tau (Zeitkonstante) = 2439s
Theta (Verzögerung) = 45s

Irgendwie keine hübschen Werte, aber verständlich, da ja auch keine Grenze für die Temperatur in Sicht ist. Nach dem Modell würde bei 15% Leistung der Thermoblock nach etwa 40 Minuten etwa 950°C erreichen

Ich schau mal wie eine PID Regelung auf dieses Modell reagiert, ansonsten wird es vielleicht etwas clevereres.

 

Hi, ich komme aus der Nähe von Karlsruhe. Auf einen Testshot bin ich auch gespannt (noch wenige Woche schätze ich)

Hi,
ja, die 100Hz sind meine grundsätzliche Regelrate (erst einmal willkürlich festgelegt). Durch den I-Anteil im Regler ist quasi ein Filter gegen das Rauschen (auch wenn das Rauschen schon sehr niedrig liegt wenn man die Messwerte anschaut) integriert. Da werden einfach alle Werte gemessen, ob es Sinn macht oder nicht. Also auch beispielsweise die Drucksensoren (kann Sinn machen), aber auch von der Waage oder eben die Temperatur (auch die Mischtemperatur welche sich deutlich schneller als die Thermoblöcke ändern wird).
Tatsächlich habe ich die Steuerung für die Schrittmotoren jetzt auf 1000Hz hoch gestellt, da ich auch die Beschleunigung linear erhöhen wollte (bis zur maximalen Beschleunigung) um den Ruck (Ableitung der BEschleunigung) konstant zu halten, damit Schwingungen nicht angeregt werden (hatte bei Lastwechsel Schrittverluste, ziemlich sicher da ich die Resonanz von Motor, weicher Aufhängung und weichem Riemen irgendwie angeregt hatte).
Da ich ja momentan sowieso noch viel Leerlauf auf dem Controller habe tut mir das nicht weh. interessant wird es, wenn ich mich dazu überwinde die Regelung auf eine "Model predictive control" umzustellen, da muss ich vermutlich runter mit der Servorate für diese Berechnung. Da würde ich aber dann auch vermutlich auf ein FreeRTOS o.ä. Betriebssystem wechseln, da dann die händische Verwaltung der Tasks nicht mehr sinnvoll ist.

Kolbendichtung bisher dicht

 

Also zunächst einmal, die Brühgruppe ist soweit dicht. Das heißt die ganze Maschine ist dicht (zuminderst das was angeschlossen ist, also Kolben, Ventile, Anschluss zur Brühgruppe und Brühgruppe). Thermoblock hatte ich zunächst weg gelassen. Auch der ganze Wasserdampf-Weg.
In dieser Nut ist jetzt ein O-Ring:


Allerdings hat der O-Ring an der Brühgruppe nach oben zum Rahmen nicht gereicht um alles abzudichten. Denn dann ist das Wasser ein Blech weiter unten herausgelaufen. Die Siebträger Flachdichtung hat einfach nicht genügend oben herum abgedichtet. Da ich sowieso kein Fan von Flachdichtungen bin, habe ich mir einen 8mm O-Ring gekauft und eingebaut. Hat direkt auf Anhieb funktioniert. Bezzera hat das soweit ich weiß auch eine zeit lang gemacht.

Als weiteres habe ich mich der Regelung des Thermoblocks gewidmet. Ein einfacher PD-Regler schlug fehl, da die Heizung selbst nach Ausschalten extrem "nachschiebt". Deshalb musste ich den D-Term extrem stark verstärken, damit die Heizung früh genug ausgeschaltet wird. Obwohl ich gut gefiltert habe, und eigentlich eh ein niedriges Rauschen habe, sieht man die große Verstärkung deutlich am verrauschten Signal:

(links in blau die Ist- und in gelb die Solltemperatur, rechts in rot der P-Term Anteil und in grün der D-Term Anteil. Blau ist die Summe davon und damit das Stellsignal für die heizung, wobei dieses auf den Wertebereich 0-1 beschränkt wird. Außerdem wird der D-Anteil nur hinzugerechnet wenn dieser negativ ist.)
Man sieht also, dass zwar nach 20 Sekunden nicht mehr geheizt wird, die Höchsttemperatur liegt aber erst nach 150 Sekunden an.

Tatsächlich habe ich mich dann dafür entschieden, auf eine Model Predictive Control umzustellen. Hierfür habe ich ein Pt2-Glied mit Totzeit an die Stepresponse angefittet. Daraus dann mit Matlab ein diskretes State Space Modell generiert mit einer Samplezeit von einer Sekunde.
Anhand der Ausgabewerte und der Temperatur kann ich nun mit der "Observability Matrix" die beiden States des Modells berechnen (einer entsprich übrigens der Temperatur un einer der Änderung der Temperatur). Und jetzt das Coole:
Da ich eine Servofrequenz von 100Hz habe, berechne ich im ersten Servo-Durchlauf die aktuellen Zustände des Systems, in den folgenden 99 Durchläufen berechne ich je zwei Werte für das Modell, wie es sich in der Zukunft verhält, wenn ich nicht weiter heize. So kann ich jede Sekunde schauen, wie die Temperatur des Thermoblocks anhand der aktuellen Messwerte in den nächsten 198 Sekunden sein wird.
Die Höchsttemperatur merke ich mir. Wenn ich die Soll-Temperatur nicht erreiche, berechne ich anhand eines Faktors wie viel Energie ich noch hineinstecken muss. Komme ich auf die Solltemperatur, höre ich auf mit Heizen.
Das sieht dann so aus:

Links ist die Soll und die Ist-Temperatur. Rechts ist etwas viel aufgetragen: In gelb ist die Maximaltemperatur der nächsten 198 Sekunden, wenn nicht mehr geheizt wird. In Grün sieht man in wieviel Sekunden diese erreicht wird. In rot das Signal (in Prozent) an die Heizung.
Man sieht, dass bei ca. 80 Sekunden das Modell voraussagt, dass in ~130 Sekunden die Zieltemperatur erreicht wird, wenn nicht mehr geheizt wird. Also wird nicht mehr geheizt. Die zukünftige Höchsttemperatur bleibt recht konstant, nur die Zeit bis zu dieser Temperatur wird immer kleiner (logisch, da ja nicht geheizt wird und deshalb die Höchsttemperatur immer die selbe sein wird).
Das Modell ist nicht ganz perfekt, und tatsächlich war dies erst mein dritter Versuch (zwischen den Versuchen muss ja der Thermoblock immer ~2h abkühlen). Aber insgesamt sieht alles ganz gut aus. Interessant ist, dass die Heizung bereits ausgeschaltet wird, wenn gerade mal 60°C gemessen werden, und das, obwohl ich nur mit 25% der Maximalleistung heize. Keine Ahnung wie das Ascaso oder Quickmill ohne digitalen Regler machen. Vielleicht messen die auch an einer besseren Position. Ich messe an der Stelle an der auch Jura misst.

Ich bin mir auch noch nicht sicher ob der Regler bleibt, oder ob ich noch einen "Energieregler" probiere. Ich kenne ja die Menge an Energie die ich in den Thermoblock stecken muss, um ihn um x Grad aufzuheizen. Dann warte ich einfach, bis die Temperatur nicht mehr weiter steigt, schaue wo ich bin, berechne neu wieviel Energie ich brauche usw. Vielleicht funktioniert auch eine Kombination ganz gut. Also am Anfang einen berechneten Energiepuls schicken, und in der Nähe der Soll-Temperatur dann auf die aktuelle Regelung.

Als nächstes messe ich einmal wie sich die Temperatur des Wassers beim Durchfluss durch den Thermoblock verhält. Vielleicht ist die Temperaturabhängigkeit nicht ganz so groß wie immer gesagt wird. Auch hoffe ich, da ich ja auch in der Preinfusion den Fluss limitieren kann, dass gar nicht so viel zu regeln ist (immerhin habe ich ja auch zwei Thermoblöcke, das heißt es fließt sowieso nur ca. die Hälfte durch jeden Thermoblock)

Ich melde mich wenn es wieder was Neues gibt.

 

Ja, bei dem Thermoblock macht auch der I-Teil keinen Sinn. Durch die lange Zeit zwischen Aufhören mit Heizen und Höchsttemperatur würde er immer weiter integrieren, und so weiter heizen. Das führt quasi immer zum Überhitzen. Da es sowieso einen Offset zwischen Wasseraustritt und Thermoblock/Boiler gibt, ist der Offset ohne I-Anteil auch egal. Man muss nur wissen, dass dieser dann mit den Parametern neu eingestellt werden muss.

Ich fahre hier zweigleisig. Es ist alles vorbereitet für Heizpatronen, denke aber nicht dass ich sie brauche. Das Wasser selbst hat keinen Kontakt zur Brühgruppe, sondern nur zum isolierenden Teflon der Dusche, zur Siebträgerdichtung und zum Sieb selbst. Das Sieb selbst ist so dünn, dass es praktisch nichts ausmacht. Das einzige was wirklich in den Espresso mit reinspielt wäre der Siebträger, wenn er denn einen Auslauf hat. Das hat dann auch keinen Einfluss mehr auf die Extraktion, sondern rein auf die Endtemperatur des Espressos. Dies ist für mich allerdings zweitrangig, da ich zum einen eh nur mit dem Bodenlosen beziehen wollte, zum anderen gehöre ich zur kleinen Fraktion, die die Tasse mit Absicht nicht vorwärmen, da mir der Espresso sonst zu heiß ist
Zu Beginn habe ich auch immer schön die Tasse vorgeheizt, nur um dann davor zu sitzen und zu warten bis er auf meiner Trinktemperatur ist. Hat etwas Überwindung gekostet, da das ja irgendwie "festgeschrieben" ist, aber wenn es mir besser schmeckt, dann ist eben so. Außerdem ist der Siebträger aus Edelstahl welcher eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 1/4 von der von Messing besitzt. Das Abkühlen mit Auslauf ist also noch einmal deutlich geringer als sonst.

Das alles hat natürlich auch den Hintergrund der Geschwindigkeit. Da nichts geheizt werden muss, sollte es möglich sein, sobald die Thermoblöcke auf Temperatur sind, einen guten Espresso beziehen zu können. Was etwa nach 3 Minuten ist. Einen Siebträger über die Brühgruppe aufzuheizen, wobei hier ja auch der thermische Kontakt sehr schlecht ist, dauert ja ewig, selbst bei massiver und aufgeheizter Brühgruppe.