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

Ja, das ist dann eine Vorsteuerung ("Feed forward"). Die kommt natürlich auch noch. Um diese berechnen zu können muss ich natürlich wissen welche Temperatur das Wasser hat welches aus dem Thermoblock raus läuft. Zumindest näherungsweise. Das ist der nächste Schritt. Ich kann ja später beim Mischen auch die Mischtemperatur direkt messen. Da ich das Verhältnis kenne, mit dem ich mische, kann ich auch hier näherungsweise bestimmen welche Temperatur das Wasser hat welches herausfließt. Während dem Bezug ist das auch nicht ganz so schlimm, da ich ja weiß ob ich mehr heißes Wasser oder mehr kaltes zumischen muss, um die korrekte Temperatur zu bekommen. Wenn ich mehr heißes zumischen muss, bedeutet das ja, dass ich die Blöcke mehr heizen muss. Das ist eher interessant wenn ich einen Thermoblock für Dampf und den anderen für Espresso nutze. Dann kann ich aber die Austrittstemperatur direkt messen (da ja der zweite nichts zumischt). Da ist es eher interessant den zukünftigen Verlauf des Bezugs schätzen zu können, da ja alles doch recht träge ist.
Insgesamt sind das aber alles gute Zeichen, dass ich denke dass ich nicht so große Probleme haben werde

Hier übrigens der letzte Test, den find ich schon wirklich sehr gelungen. Die Temperatur schwankt nach 3 Minuten um die +-0,2Kelvin um die Zieltemperatur

 

Die Frage ist eigentlich schon durch den Aufbau geklärt. Wie man an dem Thermoblock sieht, ist die Regelung hier ziemlich träge. Klar, dass ich hier nicht auf schnelle Änderungen reagieren kann. Das muss der Mischer machen. Der Mischer wird aber als Feedforward für die Thermoblockregelung genutzt. So habe ich "außen" einen langsamen Regler, der schaut, dass die Thermoblocktemperatur insgesamt passt, und "innen" einen schnellen Regler, der dafür sorgt dass die Mischtemperatur auch bei schnellen Änderungen passt. Die Trennung liegt also in der Bandbreite.

Bei einem Espresso, der nur über einen Thermoblock gemacht wird, sieht das anders aus und ich muss schauen, dass ich das zukünftige Verhalten voraussagen kann. Beispielsweise wird am Anfang schneller Wasser fließen und später langsamer. Am Anfang wird also das Wasser tendenziell zu kalt sein, und ich muss aber schauen dass ich nicht nachheize, da ja in der Zukunft weniger Wasser fließt, was sowieso zu einer erhöhten Temperatur führt. Wenn ich dann am Anfang heize, ist das deutlich zu heiß. Hier kann im Notfall aber auch der Raspberry die Regelung übernehmen, denn der weiß ja vom Rezept, kann also mehr oder weniger in die Zukunft schauen, der Regler auf dem Mikrocontroller ist dafür zu dumm
Da das ja nur bei einem Cappuccino gemacht wird, ist aber die Temperatur deutlich weniger kritisch als bei einem Espresso.

 

Ja gut, Wasser der selben Temperatur zu mischen ist ja auch nicht wirklich sinnvoll

 

So, ein paar erste Messungen gemacht.

Es waren ein paar interessante Effekte zu beobachten.

Zum einen auf der Elektronikseite. Bisher hing das Thermoelement einfach so "in der Luft" und hat mir immer konstant die Raumtemperatur angezeigt. Das Thermoelement ist vom Typ "grounded", welches sehr schnell reagiert, allerdings dafür an der Spitze eben leitend mit den beiden Thermoleitungen verschweißt ist. Solange nichts berührt wird macht das nicht. Meine Mikrocontroller-Platine war bisher nicht mit dem Rahmen leitend verbunden. Ich habe allerdings an den Montageschrauben nicht plazierte Widerstände vorgesehen, mit welchen man Ground auf das Schraubloch legen kann (eben wegen dem Thermoelement).
Obwohl ich die für den Auswerte-IC eine Duale Spannungsversorgung habe (+-3V), hat der Leitwert des Wassers, welches das Thermoelement berührt, gereicht, dass mir der Temperaturwert hin und her gefloatet ist (also alles zwischen 125°C und 0°C wurde angezeigt). Erst nachdem ich eine Brücke am Schraubloch verbunden habe war dieser Effekt weg und ich habe wirklich die Temperatur am Thermoelement gemessen

Als nächstes habe ich eine Messung gemacht, bei der 1ml/s durch den Thermoblock gelaufen sind. Das ist auch später etwa der Wert mit dem die Espressi bezogen werden (ich habe ja zwei Thermoblöcke, also habe ich etwa 2ml/s, was bei 25 Sekunden eben 50g Espresso macht).
Ich habe den Thermoblock zunächst auf 90°C hochheizen lassen und anschließend den Flow auf 1ml/s gesetzt. Nach 90 Sekunden bin ich wieder auf 0ml/s (das ist die untere blaue Kurve). Hierbei war die Regelung für den Thermoblock noch auf der Zustandsteuerung (was so natürlich nicht viel Sinn macht, allerdings habe ich das fürs erste ignoriert). Der Ausgang des Regler (und damit das Stellsignal für die Heizung, Wertebereich 0 - 0,3) ist schlecht erkennbar in gelb dargestellt.
In rot ist die Temperatur außen am Thermoblock, und in grün ist die Temperatur des Wassers nach dem Thermoblock mit dem Thermoelement gemessen.


Man sieht folgendes:

• Die ersten 20 Sekunden/ 20 ml messe ich eine Luftblase, da der Thermoblock leer ist und dieser etwa 18ml fasst. Danach messe ich wirklich die Temperatur des Wassers.
• Das Wasser ist zu Beginn heißer als der Thermoblock, kann aber auch systematischer Messfehler sein, da nocht nicht kalibriert.
  
• Wenn ich kein Wasser mehr Pumpe, kühlt das Wasser im Rohr recht schnell ab. Anschließend kommt eine Wasserdampfblase und heizt des Thermoelement auf 100°C.
  
• Obwohl die Temperatur außen am Thermoblock abfällt, ist die Temperatur des Wassers recht konstant. Ich vermute, dass das daran liegt, dass die Heizung deutlich näher an dem Edelstahlrohr im Thermoblock liegt als der Temperaturfühler und so das Wasser die Wärme "klaut", bevor der Alublock aufgeheizt wird.
• Interessanterweise heizt der Regler hier (aus Zufall) im Durchschnitt mit etwa 20% der maximalen Heizleistung. Wenn man die Energie überschlägt, welche das Wasser herausträgt: 4J/(g*K)*70K*1g/s = 280W/s und bedenkt die 1300W Heizleistung, sind das ziemlich genau die 20% die der Regler zufällig ausgegeben hat.
  Ich denke deshalb werde ich während dem Bezug auf eine reine Vorsteuerung gehen. Die Varianz dazwischen sollte einfach weggemischt werden können.

Ich habe danach noch ein paar Messungen gemacht und etwas herumgespielt. In den nächsten Messung pumpe ich zunächst 40 Sekunden 2ml/s, dann schalte ich die Heizung ab 45 Sekunden, dann pumpe ich noch einmal 10 Sekunden 1ml/s.

• Die Luftblase wird jetzt noch noch halb so lange gemessen, was die 18ml im Thermoblock bestätigt.
  
• Auch hier ist die Wassertemperatur über der Block-Fühlertemperatur
• Die Temperatur fällt schnell ab und kann nicht mehr gehalten werden. Der Block müsste allerdings auch mit der Vorsteuerung mit 40% heizen, "darf" momentan allerdings maximal mit 30% und tut dies erst gegen Ende.
  
• Ohne Flow fällt die Temperatur im Rohr wieder ab (einmal bei 40 Sekunden und einmal bei 60 Sekunden)
• Die Pause bei 40-50 Sekunden reicht, um all das Wasser im Thermoblock auf Thermoblockemperatur zu bringen. Deshalb ist nach der Pause das Wasser relativ konstant.

Für die nächsten Messungen tausche ich auf jeden Fall das Leitungswasser gegen Espressowasser aus, um der Verkalkung im Thermoblock vorzubeugen. Später kann ich eventuell auch nach dem Espresso wieder 20ml Wasser "zurückziehen", um so Luft in den Thermoblock zu bekommen, damit nicht das ganze Wasser verdampft wird.

Ich muss noch untersuchen warum einer der beiden Schrittmotoren heute stehen geblieben ist. Denn eigentlich war dieser nicht belastet, und der Treiber hat zumindest keine Übertemperaturwarnung ausgespuckt.

Ich melde mich wenn es was neues gibt. Der erste Espresso rückt in greifbare Nähe

 

Das Problem mit dem plötzlich stehendem Motor ist so wie es aussieht gelöst. Der Mikrocontroller hat seine SPI Clock und MOSI Pins nicht aktiv angesteuert wenn er nichts sendet. So ist es ab und zu (ca. jedes 10000. Mal) vorgekommen dass der Treiber ein falsches Bit abbekommen hat nachdem ich etwas gesendet habe und der SPI-Kanal noch aktiviert war. So wurde an die Adresse "111" etwas geschrieben was eigentlich an "011" geschickt werden sollte (Ich frage zyklisch die Treiber ab um Übertemperature oder sonstige Fehler abzufragen). Bei der Adresse "111" wurde dann der Strom auf 0 gesetzt. Wenn ich dieses Register nämlich erneut mit dem richtigen Strom geschrieben habe, lief er wieder.
Die Pins sind jetzt so eingestellt, dass sie auch als Ausgang konfiguriert sind, auch wenn gerade nichts gesendet wird.

Heute noch ein, zwei Messungen mit reinem Feedforward während dem Bezug gemessen (Ablauf ist, wenn kein Flow vorhanden ist regelt die Model Predicitve Control, wenn ein Flow vorhanden ist wird rein nach Forward geregelt).
Zu sehen ist die heißere Hälfte. Hier ist ja der Plan so 5K über der Wunschtemperatur zu bleiben, und mit der kälteren Hälfte (5K unter Zieltemperatur) mischen zu können.
Als Profil habe ich 35s 2ml/s und dann mit einem Übergang 1ml/s für weitere 30s gewählt. Das sollte irgendwo in der Nähe eines zu erwarteten Profils sein.
Zu sehen ist ein kurzes aufheizen und der anschließende "Bezug":


Hier der Zoom auf das Profil:


Ich denke damit kann ich auf jeden Fall arbeiten
Den Faktor zum heizen habe ich noch etwas erhöht um das leichte Gefälle in Zukunft auszugleichen.
Hatte kurz sogar überlegt ob ich den Thermoblock 5K kälter stelle und mir einen Espresso mache

 

Hier, für dich, ist ja schnell gemacht

 

Also der interne Codename lautet: "Kaffeemaschine"
"Offiziell" wird sie Matilda heißen. Deine Namen gefällt mir gut.

Ich habe jetzt mal beide Thermoblöcke in Betrieb genommen. Der zweite hat übrigens ein leicht anderes Modell gebraucht (hat um gut 1°C übergeschwungen). Aber war auch schnell gefittet, so dass jetzt jeder Thermoblock charakterisiert ist.
Ich habe nun ein komplettes Flow-Profil vermessen. Von Anschalten der Maschine bis sie bereit wäre für den nächsten "Bezug" (ok, etwas länger):

In gelb und blau sind die Temperaturen der beiden Thermoblöcke. Grün ist das Mischverhältnis beider Pumpen, allerdings nicht erkennbar und in Simulink gibt es leider keine zweite y-Achse. Lila ist, ab wann ich den Regler für die Mischtemperatur einstelle (bzw. auf welche Temperatur) und rot ist die Temperatur des gemischten Wassers. Man muss natürlich aufpassen, bevor die Motoren laufen (Sekunden 270-335, sieht man auch an der Störungen an der Thermoblocktemperatur) gibt die Mischwassertemperatur natürlich keine sinnvollen Werte.
Hier ist ein Zoom auf dne interessanten Bereich; beim Bezug:


Bis auf den Einbruch um knapp 2 Kelvin in der Mitte sieht es eigentlich ganz gut aus (war der erste Versuch). Man erkennt allerdings, dass der warme Thermoblock recht schnell an Temperatur verliert. Deshalb habe ich die Werte für den Regler erhöht.
Als zweites kam (bei gleichem Fluss-Profil) dann diese Messung heraus:

Hiermit bin ich auch ganz glücklich. Man sieht dass ich immer noch "mehr Power" drauf geben kann. Das "Gezuckel" in der Mitte war übrigens auch bei der dritten Messung vorhanden. Ich weiß nicht genau wo das herkommt, ich bin mir aber relativ sicher dass es "echt" ist. Denn der "Mischer" reagiert nicht so schnell auf Temperaturschwankungen. Ich vermut eher dass sich da die Strömung irgendwie ändert (dort ändert sich auch gerade das Flussprofil), und ich deshalb "mal heißes und mal kaltes Wasser" messe, da es an der Stelle noch nicht gemischt ist. Auswirkungen wird das keine haben, denn unter der Dusche mischt sich das Wasser, so dass ich vermute dass dort eine recht konstante Temperatur sein wird. Beim nächsten Schrauben werde ich vermutlich den Sensor etwas weiter weg von dem "Mischpunkt" herausziehen. Ich habe ihn extra relativ nah dran positioniert, damit ich wenig Totzeit habe. Allerdings stören solche Effekte schon die Reglerauslegung, so dass ich wohl etwas mehr Totzeit in Kauf nehme. Am Ende werde ich sowieso auf die Temperatur in der Dusche regeln und die Temperatur am Mischpunkt benutze ich nur um etwas in die Zukunft zu schauen.
Aller Werte sind übrigens ungefiltert.
Als nächstes schaue ich mal ob ich auch Temperaturprofile fahren kann. Die Regelung für die Heizung hat mittlerweile auch relativ viele Parameter (Mischverhältnis, Flow und Thermoblock-Temperaturfehler, Soll Temperaturdifferenz um die Zieltemperatur (also wieviel der kalte Thermoblock kälter sein soll als der heiße)) welche ich noch genauer justieren muss.
Ich denke ich muss auch auf mehr Wasser umsteigen. Nach dem dritten Test ist das Wasser in meinem 5l "Tank" schon merklich warm geworden. Deshalb jetzt erstmal Pause.

 

Ein "virtueller" Bezug klappt schon einmal.
Also Siebträger mit Blindsieb und Düse eingespannt und einen Probeshot gefahren.

Ich denke die Düse ist doch etwas zu klein im Durchmesser, da der Flow bei 10 Bar nur etwa knapp 1ml/s beträgt. Bei solch niedrigen Flowraten ist das Mischen ungenauer als bei größeren Flowraten (man sieht die Temperatur ist zu Beginn wesentlich genauer). Aber die Probleme mit den Wasserdampfblasen habe ich natürlich bei Druck nicht mehr, so dass das Mischen insgesamt ganz gut klappt.

Was passiert beim Shot?

• Zunächst wird der Thermoblock "entlüftet" indem die ersten ~10 Sekunden Wasser durch den Thermoblock gepumpt wird ('Preheating')
  
• Danach fängt der Mischer an zu regeln
• Wenn die Zieltemperatur getroffen ist, schaltet das Brühventil um und das Wasser läuft in die Brühgruppe
• Das Profil wird abgefahren
• Wenn eine der Bedingungen im Rezept zutrifft (Druck erreicht, Gewicht erreicht, Zeit erreicht...) wird der nächste Schritt ausgeführt
• Nach dem letzen Schritt wird der Bezug beendet und die Zylinder ziehen wieder frisches Wasser nach.

Ein Video von der Maschine ist leider ziemlich langweilig, man sieht ja lediglich etwas Wasser vorne aus der Düse spritzen. Beim Rezept wird bei erreichen von 8 Bar die Preinfusion beendet, dann komt eine 5 sekündige "Saturate" Phase, und das Rezept wird mit dem "Flowout" beendet. Hier das Video des Displays:

 

Langsam geht es gegen das "Ende".
Die Brühgruppe und alles andere ist dicht. Motoren laufen, Regelungen sind so weit implementiert.

Ein Probebezug mit Pucksimulator und variabler Temperatur während dem Bezug habe ich aufgezeichnet (also das Display, bei er Maschine selbst sieht man ja nicht wirklich was, bis auf den Strahl der am Siebträger unten zur Düse herauskommt):


Geht bestimmt noch besser, aber vorerst reicht es.

Was jetzt noch kommt:

• neue, etwas längere Abtropfschale, da mir die aktuelle etwas zu kurz wirkt
  
• Gehäuseoberteil
• Gehäuseseiten
• Kabel ordentlich verlegen
  
• Dampfmodus
• Jede Menge neue Rezepte ausprobieren

Ich denke ich werde mich hier noch einmal melden, wenn alle Teile da sind und ich die Maschine soweit zusammengebaut habe, dass sie in die Küche umziehen darf. Dann natürlich mit obligatorischem Bezug mit dem bodenlosen Siebträger.

Liebe Grüße
Gerald

 

So, eigentlich wollte ich mich ja mit einem Video vom Bezug wiedermelden.

Allerdings sind jetzt alle Teile des Gehäuses komplett und durften probesitzen:




Eigentlich habe ich geplant anstatt eines Tanks direkt die Wasserflasche zu nutzen (damit man sich das Tankputzen erspart) oder später ans Festwasser anzuschließen. Ich fand es aber doch etwas schöner der Maschine einen "Rucksack" anzuziehen:



Mechanik ist soweit wieder eingebaut, jetzt heißt es Kabel ordentlich verlegen und crimpen, dann darf sie in die Küche.

Edit: Es fehlen noch die seitlichen Drehknöpfe und zwei "Stangen" die Quer über die Tassenablage gehen.