Funktionsweise einer Vibrationspumpe (E5), Fragen zum genauen technischen Verständnis

Diskutiere Funktionsweise einer Vibrationspumpe (E5), Fragen zum genauen technischen Verständnis im Grundsätzliches Forum im Bereich Fragen und Tipps; Hallo! Dieses Thema dient dem genauen technischen Verständnis einer Vibrationspumpe und des zugehörigen Motors am Beispiel einer Ulka E5...

  1. #1 octabeer, 06.07.2009
    Zuletzt bearbeitet: 27.07.2010
    octabeer

    octabeer Mitglied

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    Hallo!
    Dieses Thema dient dem genauen technischen Verständnis einer Vibrationspumpe und des zugehörigen Motors am Beispiel einer Ulka E5 (Suchtag: EP5/EX5) und dem Verhalten von Druck und Durchfluss am Beispiel einer Miss Silvia. Es handelt sich um einige theoretische Fragen, die ich mir mit Google, coffee-geek, Kaffee-wiki und diesem Forum nicht beantworten konnte. Sollte ich einen Link übersehen habe, bin ich für jeden Hinweis sehr dankbar.

    Edit: Die Fragestellung hat in Form des faustino boards eine praktische Antwort erfahren. In bezug auf die untenstehende Diskussion lässt sich sagen: eine Phasenanschnittsteuerung erlaubt die Leistungsreduktion einer Ulka, die damit auch niedrigere Arbeitspunkte fahren kann.

    Zusätzlich gab es folgende (exotische) Idee eines Boardies: Man könnte einen Bypass mit einem Magnetventil versehen, das schnelle Verschlusszeiten erlaubt. Das Magnetventil würde von einer Regelung ständig geöffnet/geschlossen, sodass der Abfluss und damit der Druck reguliert werden kann.

    Hintergrund der Frage sind die hier im Forum entwickelten Ansätze den Druck solcher Pumpen zu reduzieren:
    Etwa elektronisch im Fall der Platine von Dietmar:
    http://www.kaffee-netz.de/espresso-...-und-brain-box-vorstellung-pcu644-18-a-4.html
    Oder Gunnar und Bane:
    http://www.kaffee-netz.de/espresso-und-kaffeemaschinen/27167-pimp_my_silvia.html
    Verbunden sind diese Fragen mit der Diskussion zu Pressure Profiling oder zumindest Preinfusion:
    http://www.kaffee-netz.de/espresso-...er-n-chste-hype-nach-dual-boiler-und-pid.html

    Frage 1: Ist die Beschreibung der Funktionsweise einer Vibrationspumpe Ulka E5 wie folgt richtig?
    [​IMG]
    [​IMG]

    Auf Espressoxxl ist für die Ulka EX5 vermerkt, dass eine Diode verbaut ist. Damit wird von der Steckdosenspannung nur ein Spannungsbuckel durchgelassen. Dieser lenkt über die Spulen den silbernen Zylinder (auf dem Foto viertes Teil von links) aus, dessen eines Ende zwischen den Federn eingeklemmt ist und das andere Ende ist der eigentliche Kolben für das Pumpen. Durch die Diode übt der Motor nur eine Kraft in eine Richtung aus, die Rückbewegung des Kolbens wird von einer Feder übernommen. (Die andere Feder dämpft die elektrische Bewegung).
    Beim Herausbewegen des Kolbens wird die rosane Kammer mit Wasser aus dem Tank geflutet, ein Rückschlagventil (Blauer Kopf mit Feder an roter Befestigung) verhindert, dass Wasser, das bereits in die Maschine gepumpt wurde, zurückströmt. Wird der Kolben wieder in den Zylinder gedrückt, muss das Wasser durch das blaue Rückschlagventil in die Maschine fließen, weil sich das altrosane Rückschlagventil im Zylinderkopf schließt. Leider konnte ich die Website, nicht besser verstehen, weil sie auf Französisch ist. Ist das was ich verstanden habe, so richtig beschrieben?

    Hierzu habe ich eine Reihe von Folgefragen:
    1.1) Die Pumpe schwingt mit den 50 Herz des Stromnetzes (50 von der Diode durchgelassen Stromimpulse auf der Spule, sind 50 Halbschwingungen in die eine Richtung, die von der Feder mit 50 Rückstellbewegungen „beantwortet“ werden)?
    1.2) Gibt es irgendwo genauere elektrische Daten zum Motor der Ulka? Einen Schaltplan?
    Das hier waren die einzigen Motordaten`, die ich gefunden habe: Ulka Motors Division (ich weiß aber nicht ob das der Motor in der Ulka ist, ist auf jedenfall mit einer höheren Wattzahl versehen).
    1.3) Eine ausgesprochen theoretische Frage, die mit den Folgefragen in Frage 2 verbunden ist: Wasser komprimiert sich nicht und wenn in der Maschine bereits Druck besteht, nimmt die Fördermenge ab. Eine Abnahme der Fördermenge heißt, dass weniger Wasser aus der rosanen Kammer verdrängt wird, also der Kolben weniger tief in diese Kammer gedrückt werden kann, weil die Kraft bei geöffnetem blauen Rückschlagventil nicht ausreicht, die volle Hubhöhe zu erreichen. Die Pumpe schwingt also bei höherem Druck mit der gleichen Frequenz aber einer geringeren Amplitude/Auslenkung? Oder sorgt der Gegendruck auf dem Rückschlagventil selbst für eine Art Phasenanschnitt: nur der höchste Teil des Spannungsbuckels induziert hinreichend Kraft, dass der Kolben in die rosane Kammer gedrückt werden kann?

    1.4) Die entscheidende Frage: welche Regelungs- und Steuerungsmöglichkeiten ergeben sich hier?
    Dietmar verwendet einen Phasenanschnitt (Phasenanschnittsteuerung ? Wikipedia), wenn ich das richtig verstanden habe. Der Thyristor reduziert die Leistung, indem er die Amplitude der Kolbenauslenkung verringert (Rückstellbewegung sobald der Thyristor „zündet“). Dietmar schafft damit einen Verschlussdruck von 2 bar, wenn ich das richtig verstanden habe.
    Es gäbe ebenfalls die Möglichkeit eine PWM (Pulsweitenmodulation, Pulsweitenmodulation ? Wikipedia) zu verwenden: Die Schwingungsdauer wird lang gezogen und die Leistung der Pumpe ebenfalls reduziert. Haben diese verschiedenen Methoden, verschiedene Effekte auf die Pumpenkennlinie? Beim Phasenanschnitt wird die Amplitude (der Hubweg) reduziert und bei der Pulsweite die Schwingungshäufigkeit.


    Frage 2 betrifft Druck und Durchfluss, die von der Pumpe geleistet werden und wie diese verändert werden können mit PWM oder Phasenanschnitt.

    [​IMG]
    Die entscheidende Kenngröße einer Pumpe ist die Pumpenkennlinie, also das Verhältnis zwischen Druck und Förderleistung. Die Pumpe stellt eine fixe Leistung bereit, die mehr Durchfluss bei weniger Druck oder mehr Druck bei weniger Durchfluss erlaubt. Aus Perspektive der Pumpe sind Druck und Durchfluss strikt umgekehrt proportional.
    Die Lage verkompliziert sich mit dem OPV/Expansionsventil: Das System ist geflutet (sonst würde Luft durch den Kaffeesatz gepresst werden und diesen erwärmen/verbrennen) und die Pumpe schiebt Wasser in ein verschlossenes System, weil der Kaffeesatz zunächst kein Wasser durchlässt. Der Druck steigt sehr schnell an, bis das Expansionsventil öffnet (optimaler Weise auf 9 Bar eingestellt), gleichzeitig weicht der Kaffeepuck durch und schließlich weicht das Wasser auch durch den Kaffeesatz aus. Angenähert fördert die Ulka bei 9bar 250ml Wasser in einer Minute. Der Anpressdruck und Mahlgrad werden solange verändert, bis in 25 Sekunden durch den Kaffeepuck 60ml fließen, dem entspricht gemäß der Pumpenkennlinie und einer 9bar Einstellung am OPV wiederum angenähert eine Rückflussmenge durch das Expansionsventil von 45ml in diesen 25 Sekunden.2) richtig?
    2.1) Hat das Expansionsventil eine Kennlinie oder ein fixes Verhältnis Flussmenge/Druck?
    2.2) Sind mit den Abweichungen in der Kennlinie der Ulka Produktionsungenauigkeiten gemeint oder fördert jede Ulka je nach Tagesform innerhalb dieser doch beachtlichen Bandbreite? Woher kommen im zweiten Fall diese deutlichen Schwankungen?


    Frage 3 bezieht sich auf eine Veränderung der Pumpenleistung und den daraus resultierenden Möglichkeiten zur Pre-Infusion und Pressureprofiling.

    Frage 3: Ist folgende Erklärung richtig?
    Wenn man die Pumpenleistung verändert, ergeben sich neue Druck/Durchflusskennlinien. Da die elektrische Leistung reduziert wird, müsste die neuen Kennlinien zwischen einem niedrigeren Verschlussdruck und geringeren Höchstförderleistungen liegen. Das bedeutet, dass sich die Kennlinien nach linksunten verschieben, wahrscheinlich mehr oder weniger parallel zur ursprünglichen Kurve.
    Hier ergeben sich Verhältnisse von Durchflussraten und Druck, die nicht mehr zu 9Bar und in 25 Sekunden 60ml durch den Espresso und 45ml durch das Expansionsventil passen.
    3.1) Pre-Infusion wäre mit „falschen Flussraten“ möglich: Die Leistung der Pumpe wird so reduziert, dass der Puck bei 2 Bar durchtränkt wird. Man müsste dann entweder den Druck messen und das System regeln, oder eine Menge Wasser annehmen, die zum Durchfeuchten bei der Preinfussion gebraucht wird, sodass man eine elektrische Leistung wählen kann, der wiederum eine Kennlinie entspricht bei der die Wassermenge, die für die Preinfusion abfließt, genau 2 Bar hat. Wären diese falschen Flussraten für die Pre-infusion irgendwie bedeutsam oder ist entscheidend, dass das Wasser mit weniger Druck den Puck durchtränkt
    3.2) Ich kenne zwei Regelungstechniker, die für mich einen Mikrocontroller entwerfen, der entweder mit PWM oder mit Phasenanschnitt die Leistung der Pumpe reduziert. Im Fall der PWM könnte man dem Zylinder über verschiedene Signale auf die Spule jedes Schwingungsverhalten abverlangen, dass die physische Trägheit des Zylinders und der Feder zulässt. Wäre es in diesem Rahmen vorstellbar andere Zusammenhänge von Fördermenge und Druck zu realisieren? Also doch Pressureprofiling?
    [​IMG]

    Theoretisch doch ja: die Kennlinien bei reduzierter Leistung liegen links unterhalb der alten Kennlinie. Dh. die ursprüngliche Flussrate von 250ml bei 9 bar MIT Expansionsventil kann nicht bei niedrigeren Drücken (=niedrigere elektrische Leistung) erreicht werden. Aber OHNE den Rückfluss durch das Expansionsventil braucht man ja nur 120ml pro Minute für den korrekten Espressodurchfluss (die rote senkrechte Linie) und das könnte auch mit Kennlinien links unterhalb der ursprünglichen Kennlinie erreicht werden (blaue Linien).
     
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  2. boing

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    AW: Funktionsweise einer Vibrationspumpe (E5), Fragen zum genauen technischen Verstän

    Gleich vorweg: die meisten der folgenden Aussagen beruhen auf eher theoretischen Überlegungen meinerseits und sind nicht unbedingt durch praktische Erfahrungen belegt.

    Genau.
    Der Antrieb erfolgt lediglich ueber eine große Spule die das Magnetfeld erzeugt und eine in Reihe geschaltete Diode. Die Spulendaten könnte man ausmessen wobei die Rückwirkung durch den sich mehr oder weniger stark bewegenden "silbernen Zylinder" vom Arbeitspunkt abhängen werden. Selbst für eine Regelung oder Steuerung benötigt man meiner Ansicht nach diese Daten nicht, da man entweder eventuelle Fehler durch den geschlossenen Regelkreis ausregelt oder bei einer reinen Steuerung ohnehin die Kennlinie des Gesamtsystems benötigt. Die Leistung ist außerdem so gering, dass die Schaltelemente (Triac, SSR, o.ä.) ausreichend überdimensioniert werden können um eine genaue Betrachtung des Stromverlaufs überflüssig zu machen.

    Würde ich annehmen, das Geräusch der Pumpe deutet auch darauf hin (sie vibriert weniger stark).
    Könnte ich mir auch vorstellen, weiß es aber nicht. Ich bin mir auch nicht sicher, ob der "silberne Zylinder" eine kontinuierliche Bewegung ausführt (Resonanz) oder ob es eher einzelne (eher unabhängige) Phasen sind.

    Vermutlich sieht die Kennlinie nicht identisch aus, aber auch das weiß ich nicht. Die zweite Methode (PWM) wäre vermutlich aufwendiger (Gleichrichtung, Spannungsregelung, ...) und im Fehlerfall riskanter, da ein nur durch den ohmschen Widerstand der Pumpe begrenzter Dauergleichstrom durch die Pumpe fließen könnte. Außerdem besteht bei variierenden Frequenzen immer das Risiko irgendwo eine Ghäuseresonanz o.ä. zu treffen was bei konstant 50Hz einfacher vermeidbar ist.

    So ideal scheint die Pumpe nicht zu sein, sonst müsste die Kennlinie eine Hyperbel sein. Sie sieht eher nach einer Geraden aus.
    Müsste hinkommen (ca. 104ml/25s, davon 60 in die Tasser ergibt 45 fürs OPV)
    Ein ideales 9bar-OPV sollte eine Kennlinie haben, bei der für <9bar praktisch kein Durchfluss vorhanden ist und bei dem oberhalb von 9 bar ein steiler Anstieg des Durchflusses stattfindet (Steigung durch den Widerstand des Ventils gegeben).

    Wenn nichts genaueres angegeben ist müssten beide Effekte zusammen bei einer neuen Pumpe innerhalb dieser Bandbreite liegen.
    Das Verschieben der Kennlinie würde ich ähnlich sehen. Dass die Pumpe dann nicht mehr 104ml/25s @9bar fördert ist natürlich klar. Da sich zunächst die Wassermenge durch das OPV ändert sollte das anfangs für die Extraktion keine Auswirkung haben.
    Wenn man bei der Preinfusion auch die normale Flussrate habe wollte, dann wäre es doch keine Preinfusion mehr.;-) Geschmacklich kann ich mangels Testmöglichkeit nichts dazu sagen.
    Das sollte genau so auch mit Phasenanschnittsteuerung funktionieren.

    Ich würde für weitere Betrachtungen das OPV ignorieren (da alleine mit der Pumpe geregelt werden kann wenn der Druck gemessen wird) und die Kennlinie der Rohre und des Pucks einzeichnen (beginnt im Ursprung und geht irgendwie nach rechts oben). Der Arbeitspunkt müsste dann auf dieser Kennlinie liegen, da kann die Pumpenkennlinie noch so phantasievoll sein.
     
  3. #3 octabeer, 07.07.2009
    octabeer

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    AW: Funktionsweise einer Vibrationspumpe (E5), Fragen zum genauen technischen Verstän

    Hallo Boing!

    Vielen Dank für deine ausführliche Antwort! Du hattest mich ja erst auf diese Spur gesetzt vor einigen Wochen. :-D

    1.2) Der silberne Zylinder ist also ein permanent Magnet der durch das elektromagnetisch Feld in Bewegung versetzt wird. Die Eigenbewegung des Magneten in der Spule induziert dort wiederum "Strömchen", die den Sinus der Steckdose eindellen?

    1.3) Ich habe nochmal nachgedacht, eigentlich müsste es in jedem Fall funktionieren wie ein "Phasenanschnitt": Die Spule induziert das elektromagnetische Feld, es wirkt eine Kraft auf den Kolben. Er erfährt aber in entgegengesetzter Richtung eine Kraft, die der in der Maschine vorhandene Druck auf das Rückschlagventil (Blauer Kopf, rote Befestigung) ist. Erst wenn die elektrische Leistung soviel Kraft aufweist, dass das Rückschlagventil aufgedrückt werden kann, fließt neues Wasser. Die Hubbewegung wird wegen der kürzeren Zeit, die sich der Kolben bewegt kürzer.

    1.4) Vielen Dank für den Resonanzhinweis! Daran habe ich noch gar nicht gedacht. Tatsächlich scheint sich eine PWM quasi Standardmäßig auf Mikrocontrollern zu befinden, sodass man weniger Arbeit hat, als mit einem Phasenanschnitt.

    2) Ja, da habe ich mich missverständlich ausgedrückt! Der Zusammenhang ist natürlich nicht perfekt umgekehrtproportional. Worum es mir ging war der Grundzusammenhang: ENTWEDER mehr Druck ODER mehr Durchfluss.

    2.1) Das OPV begrenzt den Druck also sehr gut auf 9 Bar? Aber dämmert mir jetzt auch: Die Federhärte ist konstant -> Mehr Druck -> Mehr Kraft auf Feder -> Größere Abflussöffnung -> Größere Förderung -> Druck fällt ab -> Kraft nimmt ab -> Feder entspannt -> Öffnung wird kleiner -> Abfluss nimmt ab -> usw...
    Aus weiterem theoretischem Interesse:
    Wie funktioniert dann der Übergangsbereich, wenn Wasser durchs OPV fließt und gleichzeitig durch den Kaffeepuck?



    Kannst du mir genauer erklären, was du mit Kennlinie der Rohre und des Pucks meinst? Das ist eine Komplizerung über die ich noch nicht nachgedacht habe, weil ich zunächst davon ausgegangen bin, dass der Druck sich mehr oder weniger unvermindert zum Puck durchsetzt.


    und schließlich und endlich ein neuer Themenkomplex 4: Regeln oder Steuern?

    Was müsste man für Zustände reproduzierbar hinbekommen?
    - Preinfusion bzw. langgezogener Druckaufbau. Hier wäre die entscheidende Frage ob der Reale Druck nahe am Verschlussdruck liegt, weil nur sehr wenig Wasser im Puck verschwindet.
    - Enddruck mit korrekter Flußrate von 120 ml/min

    Steuern:
    Wenn die Abweichung der Pumpe weniger "tragisch" sind, als das im Kennlinienbild der Ulka aussieht, würden Pulsweiten oder Phasenanschnitte vertretbar genau Durchfluss/Druck Zuständen der Pumpe entsprechen. Man müsste dann Daten sammeln und könnte die im Mikrocontroller ablegen.
    Riesenvorteil wäre, dass man nur einen Mikrokontroller auf die Anschlüsse des Ulkamotors aufsetzt und dem per USB/Bluetooth Brühkurven verpassen könnte...
    Wahrscheinlich geht das nicht so, das werde ich aber ausprobieren.
    Ein Risiko bei dem Modell wäre die Preinfusion: es fließt so ein bisschen Wasser. Wenn man das vertretbar mit Verschlussdruck annähern kann, könnte man also Kennlinien wählen, deren Verschlussdruck knapp oberhalb des Drucks den die Preinfusion haben soll, lägen.


    Mit einer Regelung könnte man vorallem weil das System so schnell schwingt, wahrscheinlich relativ genau den wirklich im System anliegenden Druck regeln. Hättest du eine Idee wo der Drucksensor sinnvoller Weise liegen sollte?


    Noch einmal vielen Dank!
    Sonst noch jemand Ideen/Hinweise?
     
  4. boing

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    AW: Funktionsweise einer Vibrationspumpe (E5), Fragen zum genauen technischen Verstän

    Würde es nicht reichen, wenn er aus einem ferromagnetischen Material wäre (z.B. Eisen oder Nickel)?

    Phasenanschnitt ist ja auch fast PWM, nur eben netzsynchron. Der µC muss nur den Nulldurchgang der Netzspannung detektieren, der Rest ist mit Timern&Co. einfach zu realisieren.

    Einfach mal die Kennlinien für das OPV und den Puck (stark vereinfacht um das Prinzip zu verdeutlichen eine Gerade durch den Ursprung nach "rechts oben", in der Realität wohl wesentlich komplexer) skizzieren. Da bei beiden der selbe Druck anliegt kann man für jeden Druck die beiden Flüsse addieren und erhält die neue Kennlinie. Wenn man den Schnittpunkt dieser mit der Pumpenkennlinie ermittelt erhält man den Druck und kann dann in den beiden einzelnen Kennlinien die beiden einzelnen Flüsse (durch das OPV und druch den Puck) ablesen. Ich halte diese Betrachtung jedoch nur für sinnvoll um einen qualitativen Eindruck zu bekommen und nicht um dann tatsächlich damit exakt zu rechnen.

    Wahrscheinlich war das unnötig kompliziert und die Rohre sind einfach vernachlässigbar. Bei einem Leerbezug beginnt bei mir das Manometer schon leicht zu zittern, aber die Flussrate ist ja auch viel höher als während des Bezugs. Falls die Rohre, Ventile oder was auch immer nicht vernachlässigbar wären müsste man die bei einem bestimmten Fluss entstehenden Drücke eben addieren um die Kennlinie zu erhalten. Wie für die Pumpe gibt es auch hierfür dann eine Kennlinie (die sich auch ändern könnte...).

    Was für das Ergebnis in der Tasse optimal ist kann ich noch nicht sagen, aber dazu gibt es hier Berichte von Leuten die das wesentlich qualifizierter beurteilen können.

    Ich würde in beiden Fällen einen gewünschten Druckverlauf (z.B. zunächst ca. 2 bar, dann ca. 9 bar mit geeignetem Übergang) vorgeben. Eine Regelung mit Drucksensor würde diesem mehr oder weniger optimal folgen, bei einer reinen Steuerung müsste man eben experimentieren um die optimale Ansteuerung zu ermitteln und hoffen, dass die Schwankungen nicht zu stark sind. Wo sich der Drucksensor befindet sollte relativ egal sein falls der Druckunterschied zwischen Pumpe und Brühkopf nicht zu groß ist (Rohre, Boiler etc.). Mit einer Stichleitung (z.B. mit Manometerverschraubung) oder über ein Kapillarrohr (zur Dämpfung) sollte aber auch der Heißwasserbereich kein Problem darstellen.
    Bei einem einfachen keramischen Drucksensor könnte trotz Dämpfung eine Filterung des Signals erforderlich werden, da die 50 Hz der Pumpe noch voll übertragen werden.
     
  5. #5 octabeer, 09.07.2009
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    AW: Funktionsweise einer Vibrationspumpe (E5), Fragen zum genauen technischen Verstän

    Hallo Boing!

    Vielen Dank für deine Antwort! Ich habe schon wieder drei neue Fragen: :-?

    A) Wo würdest du eine Stichleitung im Heißwasserbereich setzen bei der Silvia? ab dem Boiler ist ja alles massiv, deswegen dachte ich gibt es gar keine andere leicht zu realisierende Stelle für einen Drucksensor als der kurze Schlauch zwischen Boiler und Pumpe.


    B) Ich habe heute ein Experiment unternommen wegen des Durchflusswidestands der Silvia und habe ein ganz und gar verwirrendes Ergebnis bekomen:
    Ich habe einfach die Wassermenge eines Leerbezugs ohne Siebträger gemessen und SEHR merkwürdige Mengen erhalten: dreimal um die 250ml in einer Minute!
    Noch seltsamer war, dass das Expansionsventil geöffnet hat und etwa 50ml durchgelaufen sind!
    Kann das jemand erklären?
    Der Espresso funktioniert eigentlich, Crema, Geschmack, alles super.

    Ist die Pumpe kaputt?
    Sorgt Silvia beim Durchflossen werden für einen Druckabfall von 8 Bar? Denn das wäre der von der Pumpe geleistete Druck bei dieser Fördermenge (300ml wenn man Expansionsventil und Brühgruppe zusammen nimmt)..

    Ich mache einen Denkfehler oder? Ich dachte eigentlich dass Silvia einen niedrigen Widerstand beim Durchströmen hat und um den halben Liter fördert. Die Erklärung wäre dann irgendwie so, dass eine Engstelle irgendwo die Durchflussmenge auf 300ml begrenzt, das aber keinen so großen Druckverlust mehr bedeutet, wenn die Menge durch den Kaffeepuck und das Expansionsventil ohnehin begrenzt ist.


    C) Ich suche nach einem Flowmeter. Dietmar hat ein einfaches Flowmeter verbaut, das auch in Vollautomaten drin ist. Ich habe aber irgendwo Spezifikationen gefunden, die besagen, dass das nur bis 0,3 bar funktioniert.
    Wie muss ich das auf eine Stelle direkt hinter der Ulka auffassen? Fällt dort nicht so viel Druck ab, weil das Wasser ja durchfließen kann?


    Herrje, die Quintessenz dieser Fragen ist, dass ich immer noch nicht verstanden habe wie Druck funktioniert (Kraft mal Fläche, ne?).

    Helfende Hände/Geister vor!
    Vielen Dank!
    octa
     
  6. #6 octabeer, 12.07.2009
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    Durchflusswiderstand, Formel

    Hallo!

    Ich bin weiter meinen wirren theoretischen Überlegungen gefolgt und verstehe meine Silvia nicht so ganz.

    Ich habe das Experiment wiederholt: Durchfluss mit Siebträger OHNE Kaffesatz
    - 100ml in 30 sekunden, also etwa 200ml in einer Minute
    - 42ml durch Expansionsventil in 30 Sekunden, also etwa 85 ml in einer Minute
    Starke Abweichung zu den Experimenten davor, die habe ich aber eine Minute gemacht..

    Warum öffnet das Expansionsventil bei 8 bar?
    Hat jemand mit einer Silvia Lust das Experiment so zu wiederholen oder habe ich einen Thread übersehen, wo jemand dafür Werte angibt (manchmal fluche ich etwas über Kaffeemaschinen in Signaturen ;-), da kommt die Silvia in JEDEM Thema vor).

    Ich habe mich gestern kurz mit einem Versorgungsingenieur unterhalten und ich bin nicht sicher, ob ich alles richtig verstanden habe:
    Der Durchflusswiderstand ist ähnlich wie im Stromkreislauf, nur dass der Durchfluss quadratisch in die Formel eingeht.
    Also analog zu URI > Druck = Durchflusswiederstandskennzahl eines gegebenen Systems * Durchflussmenge²
    Stimmt das so?

    Dann wäre 300ml pro Minute die Durchflusszahl bei der sich die Widerstandkennlinie von Miss Silvia mit der Kennlinie der Pumpe schneidet. Bei 300ml leistet die Pumpe einen Druck von 8 bar.

    Aber das kann doch nicht der Druckverlust sein?? Dann würde der Espresso ja nie mit 9bar extrahiert werden. Beim Durchfeuchten schon, aber sobald 250ml für die 9bar fließen würde der Leistungsverlust zum Durchströmen der Silvia dafür sorgen, dass auf dem Puck weniger Druck lastet.


    Hat jemand eine Idee wie man das erklären kann? Oder ist meine Pumpe kaputt und die Werte sind daher schlicht falsch.

    Vielen Dank für alle Ideen!:cool: Ich für meinen Teil finde es spannend die Silvia technisch "ganz und gar" zu verstehen. Gerade dann kann man technischen Verbessrungsmöglichkeiten ansehen, ob sie überhaupt Sinn ergeben (Siehe meinen Post zum "Pre-Infusions"-Auber...

    Sonnige Grüße
    octa
     
  7. boing

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    AW: Funktionsweise einer Vibrationspumpe (E5), Fragen zum genauen technischen Verstän

    Nochmal kurz die Warnung, das das folgende im wesentlichen auf theoretischen Überlegungen meinerseits basiert die nicht unbedingt korrekt sein müssen.

    Zur Strömung würde ich mal (ohne allzu viel Ahnung davon zu haben) nach Hagen-Pouiseuille (laminare Strömung) und Reynolds-Zahl (Übergang laminar->turbulent) suchen. Bei einer laminaren Strömung hätte ich demnach einen linearen Zusammenhang vermutet, aber das wird hier sowieso relativ egal sein da man den Druckabfall - wenn man ihn wirklich kennen möchte - ohnehin messen müsste.

    Zu A) Da das normalerweise druckbegrenzende Magnetventil sich auch im Kaltwasserbereich befindet und damit gute Ergebnisse zu erreichen sind müsste ein Drucksensor an dieser Stelle eigentlich OK sein. Ich wollte nur sagen, dass ich bei einer lang genugen Stichleitung keine Überhitzung des Drucksensors erwarten würde und nicht dass es notwendig oder sinnvoll ist ihn unbedingt im Heißwasserbereich anzuordnen.

    zu B) Ich kenne die Silvia nicht, aber das sich bei einem Leerbezug das OPV öffnet kommt mir irgendwie etwas seltsam vor. Ist da vielleicht etwas verstopft, ist der Widerstand des Magnetventils so hoch oder gibt es da noch eine weitere Engstelle? Eine kaputte Pumpe dürfte eigentlich nicht zum öffnen des OPV führen. Mit den Messungen würde ich immer erst nach dem Druckaufbau beginnen.

    zu C) Das einfache Flowmeter (z.B. von Digmesa) ist für den Einbau vor der Pumpe gedacht. Wenn ein OPV verbaut ist muss man natürlich dessen Schlauch über ein T-Stück mit dem Pumpeneingang verbinden und das Flowmeter in den einzigen resultierenden Schlauch zum Tank einbauen. Ich hatte zunächst Bedenken wegen des Druckabfalls auf der Saugseite der Pumpe (Kavitation?), aber das war wohl übertrieben.

    Für den Druck nach der Pumpe sind das Teil und die Anschlüsse nicht ausgelegt. Für den Einsatz nach der Pumpe (und nach dem OPV) wäre ein druckfestes Flowmeter erforderlich, passende gibt's z.B. von Gicar ab ca. 40€.
     
  8. #8 octabeer, 26.09.2009
    octabeer

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    Steuerungsmöglichkeiten einer Vibrationspumpe (E5)

    Hallo! In diesem Posting wird es etwas theoretisch/technisch. Wer Wörter wie "Leistungs-Mosfet" nicht mag, sei vor diesem Thread gewarnt.

    Hallo Boing!

    Vielen Dank für deine Antworten! Spanien verlassen und in Deutschland eine schönde Bleibe für Silvia zu finden, haben mich etwas in Anspruch genommen, so dass ich meine Recherchen erst jetzt beschreibe.

    A) Gut, dann tue ich das auch nicht! Ich will keine Löcher in den armen Boiler bohren. Ein Bausatz den man auf der Kaltwasserseite unter dem Wassertank anbringt, macht weniger Kopfzerbrechen.

    B) Tja, gute Frage. Ich bin dem nicht weiter auf den Grund gegangen. Ich teste das in den nächsten Tagen und Frage dann nochmal im Forum nach, wie das bei den anderen Silvia Besitzern ist. Ich war auch sehr überrascht!
    Der Espresso ist allerdings in Ordnung (erst recht mit der neuen Mazzer Spielgefährtin) und auch sonst wirkt alles funktionierend...

    C) heißt das du hast das Flowmeter bei dir verbaut?

    Steuerungsmöglichkeiten einer Ulka:
    Hier aber der eigentlich Grund meines Posts, die wirrste Graphik in der Geschichte der Pumpenkunde:
    [​IMG]

    Ich habe diese Graphik gebastelt, um meine Überlegungen zu dokumentieren, wie man die Pumpleistung der Ulka steuern könnte.
    Wie oben dargelegt nehme ich an, dass eine Diode nur einen Buckel der Netzspannung durchlässt (Rot eingezeichnet). Aus diesem Grunde sind die Sinusphasen im negativen Bereich gestrichelt; hier findet die Rückstellbewegung des Pumpenkolbens durch die Feder statt.
    Der Positive Spannungsbuckel zieht einen Stromsinus in der Spuhle der Ulka nach sich, der Stromsinus eine Sinusförmige elektromagnetische Kraft in der Spuhle, die den Pumpkolben mit einer Sinusförmigen Kraft auslenkt.
    Das ganze dürfte zwar Phasenverschoben sein, aber im wesentlichen verläuft die eigentlich Kraft analog zum Strom, also Sinusförmig.

    Die Pumpkraft drückt gegen eine Gegenkraft, nämlich das Rückschlagventil. Auf diesem Rückschlagventil lastet der Druck, der schon in der Espressomaschine ist. Daraus folgt: Nur wenn die Kraft der Pumpbewegung größer ist als der Gegendruck wird das Rückschlagventil überhaupt geöffnet und weiteres Wasser in die Espressomaschine gedrückt.
    Der schon herrschende Wasserdruck schneidet folglich die Sinusflanken ab, bei denen die zugehörige Kraft nicht größer ist, als die Gegenkraft durch den schon herrschenden Wasserdruck (Blau eingezeichnet).

    Regelungsmöglichkeiten:
    I) Phasenanschnitt (im ersten Sinusbuckel eingezeichnet): Thyristor zündet im Nulldurchgang oder auf Deutsch: der Sinus der Steckdose wird kurz ausgeschaltet und nur ein Teil der Sinuswelle wirkt. Dadurch, dass der Gegendruck selbst schon Sinusflanken abschneidet, gibt es ein Problem (das vielleicht erklären könnte, warum du mit deinem Dimmer damals nur bis 6 bar gekommen bist): Bei hohem Gegendruck wirkt ein Phasenanschnitt des ersten drittels der Phase gar nicht, weil diese Flanke vom Rückschlagventil ohnehin schon abgeschnitten wird.
    In der Folge bedeutet gleicher Phasenanschnitt bei verschiedenem Gegendruck verschiedene Leistungsreduktion. Klingt für mich schwierig.

    II) Pulsweitenmodulation (Nicht eingezeichnet): Das Sinussignal wird von einem Mikrocontroller künstlich hergestellt. Problem: man bräuchte entweder eine 24V Ulka (für die man dann 24V Gleichstrom zur Verfügung stellt) oder eine gleichgerichtete 230V Spannung (Ich habe meine Zweifel, dass die Netzspannung das hergibt). Vielleicht irre ich mich da aber auch.
    Wenn jemand eine Idee hat mit welchem Bauteil man ein PWM-Signal von einem Mikrocontroller so verstärkt, dass es die Ulka treiben kann, immer her damit!

    III) Stelltransformator (Zweiter Sinusbuckel):
    Man nimmt einen Stelltransformator, der die 230V nach Bedarf runter transformiert. Ein niedrigerer Spannungsbuckel = geringere Stromamplitude = geringere Kraftamplitude.
    Hier habe ich den Preis geeigneter Bauteile noch nicht recherchiert.


    Die Frage ist jetzt ob Lösung II oder III billiger/geschickter ist. Wenn also jemand genug elektrotechnischen Sachverstand hat, wäre ich sehr gespannt.
    Vielen Dank für alle Ideen, Meinungen/Kritiken!

    Viele Grüße octa
     
  9. #9 betateilchen, 26.09.2009
    betateilchen

    betateilchen Gast

    AW: Steuerungsmöglichkeiten einer Vibrationspumpe (E5)

    Wo ist das Problem? Die Ulka Pumpen werden auch in 24V hergestellt und verkauft - in vielen Maschinen von Solis und Schaerer sind diese auch verbaut.

    Aber mal ganz was anderes:

    Wieso nimmst Du nicht einfach zwei Pumpen parallel und steuerst das Ganze so, daß jede Pumpe nur mit je einer einzigen Halbwelle gesteuert wird? Ich hatte so eine Mimik vor zwei Jahren mal testweise aufgebaut - hat gut funktioniert.
     
  10. #10 gunnar0815, 26.09.2009
    gunnar0815

    gunnar0815 Mitglied

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    AW: Funktionsweise einer Vibrationspumpe (E5), Fragen zum genauen technischen Verstän

    Na ich schreib mal was zur Ex-Ventil und Preinfusion.
    Das Ex-Ventil wird wohl proportional zum eingestellten Druck bzw. zur Pumpenleistung sein.
    Es besteht ja nur aus einer Feder was ein Ventil zu hält bis ein bestimmter Gegendruck aufgebaut wird und es öffnet. Je höher die Flussrate der Pumpe oder je geringer der eingestellte Druck der Ventils desto mehr öffnet es.
    Zur Preinfusion der Druck sollte konstant 1,5 bis 2,5 Bar sein. Der Kaffee sollte aber auch nicht nur Tröpfchenweise benetzte werden. 70 ml in 10 Sek. ohne Gegendruck kommt dort genauso gut hin wie bei dem normalen Bezug. Eine noch höhere Flussrate hab ich noch nicht getestet. Könnte mir aber vorstellen das die sogar noch besser ist. Die 70 ml/10 Sek. sind ja nur optimal bei einer Maschine mit Düse ohne Preinfusion. Ein schnellerer Druckaufbau nach der Peinfusion ( über 200 ml/10 Sek.) ist auf jeden Fall besser.
    Ich würde den Bezug in Phasen aufteilen die mögliches schnell erreicht werden sollten. Zur Zeit haben wir zwei gefunden die Preinfusion (1,5 bis 2,5 Bar) und die Brühung (7 bis 10 Bar je Kaffee)

    Gunnar
     
  11. #11 octabeer, 26.09.2009
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    Expansionsventil und PreInfusion

    Hallo!

    Vielen Dank für eure Hinweise/Einfälle.

    @betateilchen: mit 24V gibt es nur ein 29.90€ großes Problem. Da die elektrische Steuerung noch nur in der Planung existiert, dachte ich weiterhin die 230V Pumpe zu verwenden sei die einfachste Lösung. Wenn sich aber herausstellt, dass PWM mit 24V Gleichstrom, die elektrisch einfachste Lösung ist, ist das kein Problem.

    Deine Idee mit den Zwei Pumpen klang sehr spannend, ich habe es aber leider nicht ganz kapiert. Wie meinst du das genau?


    @gunnar: die Idee ist gegenwärtig von deiner Lösung zu einer frei definierbaren Druckkurve zu kommen. Unabhängig von Unsinn oder Sinn dieser Lösung, interessiert mich bei dem Projekt, ob man zu einem vertretbaren Preis die Leistung der Pumpe elektrisch reduzieren kann. Wenn das geht, können auch die Kurven frei definiert werden.
    Das jetzt schon in der Silvia verbaute Expansionsventil - dachte ich - könnte man lahmlegen, also nur noch als "Sicherheitsventil" auf 14 bar einstellen. Die korrekten Durchfluss/Druck Punkte werden per elektrischer Pumpenregelung bereitgestellt.

    Oder genau: Die Pumpe bekommt per Mikrocontroller und Drucksensor mit, dass der Druck ansteigt, weil der Fluss abnimmt, sie reduziert entsprechend die Leistung. Der Nutzer muss dann per Tampen und Mahlgrad/Menge die Duchflussparameter hinbekommen (ich will noch ein Flowmeter verbauen, damit man das mal genau mitbekommt).

    Weißt du ob Düsen in der Silvia verbaut sind?
    Und darf die Maschine +Kaffeepuck nicht als riesiger Ersatzwiderstand aufgefasst werden?
    D.h. der Widerstand der Maschine ist gegeben. Im ganzen System herrscht der annähernd der selbe Überdruck gegen die Umgebung und der selbe Durchfluss. Der Nutzer bekommt Flussrate und Druck angezeigt und kann einen Druckverlauf festlegen, stimmen die Durchflussraten nicht kann er nur den Puck beeinflussen. Oder gibt es da bauliche Limitationen der Silvia (und anderer Espressomaschinen ähnlicher Bauart)?

    Oder gibt es dazu prinzipielle Einwände..

    Viele Grüße
    octa
     
  12. #12 gunnar0815, 27.09.2009
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    AW: Funktionsweise einer Vibrationspumpe (E5), Fragen zum genauen technischen Verstän

    @octabeer
    Ich gehe mal davon aus das bei einer Reduzierung des Drucks über die Pumpe auch deren Leistung abnimmt. Wie willst du dann noch auf/über 70 ml/10 Sek. kommen. Da sehe ich den Knackpunkt. Was bringt die eine tolle genaue Steuerung denn die Vorderleistung nicht mehr stimmt?
    Gunnar
     
  13. #13 octabeer, 27.09.2009
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    AW: Funktionsweise einer Vibrationspumpe (E5), Fragen zum genauen technischen Verstän

    Hallo Gunnar!


    Ja, die Förderleistung "stimmt" notwendig nicht mehr, wenn wir die elektrische Leistung, die die Pumpe treibt, reduzieren. Weiter oben im Thread hatte ich dazu folgende Überlegung vorgestellt:
    Mit 230 Volt gibt es die untenstehende Kennlinie in schwarz, die für jeden Druck die Durchflussrate angibt. Mehr Druck heißt immer weniger Durchfluss und umgekehrt.

    [​IMG]

    Wenn man aber die Leistung reduziert müssten sich neue Durchfluss-Druck-Kennlinien ergeben, die immer links unterhalb der ursrpünglichen Kennlinie liegen müssen (Dargestellt als blauer Pfeil und rote neue Kennlinie). Theoretisch kann jeder Punkt (also spezifisches Druck/Durchfluss-Verhältnis) unterhalb der ursprünglichen Kurve angefahren werden, praktisch wird es da natürlich Limitationen der Genauigkeit geben.

    Ob die neuen Kennlinien linear sind, ist natürlich die Frage, ich hoffe aber, dass die beiden Regelungstechniker, die mir bei der Umsetzung helfen, dass gesteuert kriegen. Für mein Beispiel habe ich jetzt einfach mal eine lineare Verschiebung angenommen.

    Die 70ml/10 Sekunden, habe ich als 420ml/min in den Graphen eingezeichnet. Hier sehen wir, dass die Ulka, wenn man die Leistung nicht erhöht (was ich nicht vorhabe), diese Förderrate bis zu einem maximalen Druck von 4bar schafft. Jeder Wert darunter müsste mit einem Drucksensor und einer Regelung anfahrbar sein. Ob das wirklich so ist, will ich eben ausprobieren. Diese Restriktion wird natürlich bleiben: eine Preinfusion mit 5 bar und 70Ml/10 Sekunden wird nie gehen. Weiter oben im Thread findest du auch noch die analoge Grafik für den Espressobezug: 60ml/25 Sekunden oder 144 ml/min ist dort als blaue Vertikale eingezeichnet und zeigt, dass bei 12 bar Schluss ist, wenn man eine korrekte Durchflussrate haben will und die Leistung der Pumpe nicht elektrisch erhöhen will.

    Ich habe aber nochmal zu eine Frage zu dieser Durchflussrate insgesamt: habe ich das richtig verstanden, dass du deine Preinfusion 10 Sekunden lang machst und der Puck dabei 70ml aufsaugt? Ist das wirklich so viel?
    Der Puck selbst wiegt trocken nur 15 Gramm, da nochmal 70 Gramm Wasser? Dann würde doch die höhere Flussrate eher darauf hindeuten, dass am Anfang noch das Brühsieb und der Siebträger geflutet werden, ist zu dem Zeitpunkt der Druck aber nicht noch nahe 0?
    Ich dachte für die Preinfusion ist entscheidend mit welchem Druck das Wasser den Puck durchfeuchtet und man hätte in dieser Phase sehr niedrige Flussraten, weil gar nicht mehr so viel Wasser zwischen das Mahlgut passt?


    Vielen Dank für deine Hilfe
    Viele Grüße
    octa
     
  14. boing

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    AW: Funktionsweise einer Vibrationspumpe (E5), Fragen zum genauen technischen Verstän

    Die erreichbaren Arbeitspunkte sind (wie oben beschrieben) nach oben durch die Pumpenkennlinie begrenzt. Durch Eingriffe (ohne weitere Pumpen...) können auch Arbeitspunkte unterhalb der "normalen" Pumpenkennlinie erreicht werden. Ob ich jetzt die Leistung der Pumpe reduziere oder das zuviel an Leistung ueber das Expansionsventil ablasse sollte relativ egal sein.

    Die Reduktion der Pumpenleistung bei einer Druckregelung kommt erst dann zum Tragen, wenn der gewünschte Druck ereicht ist. Wenn ich z.B. eine Präinfusion mit 2 bar vornehmen möchte, würde die Pumpe (bei sinnvoller Regelung) zunächst mit voller Leistung laufen (und damit auch die Leerlaufflussmenge von z.B. 70ml/10s erreichen) und erst (wie z.B. ein PID-Regler bei der Temperatur) kurz vor erreichen des gewünschten Drucks die Leistung passend reduzieren. Nicht viel anders ist es mit dem geschalteten Expansionsventil: unter 2 bar steht die vole Pumpenleistung am Ausgang zur Verfügung, oberhalb wird die verfügbare Leistung durch das Exxpansionsventil reduziert.

    Ein Flowmeter erscheit mir für die Regelung selbst nicht erforderlich zu sein, sondern eher zum Beobachten. Bei der niedrigen Flussrate eines Espressobezugs dürfte der zeitliche Abstand der Pulse zu groß werden, um damit noch sinnvoll zu regeln.

    noch ein paar Gedanken zur Ansteuerung:

    Das passendste und aufwandsärmste erscheint mir eine Phasenanschnittsteuerung (wenn man die mit 230V verbundenen Risiken korrekt berücksichtigt und genau weiß, was man tut...) unter Verwendung eines SSR (ohne Nulldurchgangserkennung). Diese Variante hat den Vorteil, dass bei fehlerhafter Ansteuerung kein "Durchgehen" möglich ist (wie bei Gleichstrom + PWM), außerdem ist kein (großes) 24V-Netzteil erforderlich.

    P.S. die Idee mit den zwei Pumpen* gefällt mir:cool:, ich hatte sie schon als sehr günstige und uneingeschränkt Tanktaugliche Alternative zu einer Rota erwogen und um das Manometer zu beruhigen, bin aber von der wirklichen Notwendigkeit noch nicht überzeugt wenn keine flussbegrenzenden Elemente vorhanden sind.

    *) Wasserseitig parallel angeschlossen, elektrisch antiparallel so dass die beiden Kolben genau entgegengesetzt schwingen.
     
  15. #15 gunnar0815, 28.09.2009
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    @octabeer die Flussrate ist für die schnelle und gleichmäßige Benetzung des Pucks wichtig. Ich warte immer bis zum ersten Tropfen was 5-30 Sek. im Normalfall dauert bei 70 ml/10 Sek. Flussrate ohne Siebträger. Als ich noch die Düse verbaut hatte und dadurch eine geringere Flussrate hab ich die Pumpe einmal ganz kurz zur Benetzung angeschaltet. Muss ich bei der Flussrate jetzt nicht mehr.
    @boing wenn die Regelung erst runter regelt bei erreichten Druck sollte es wirklich sehr ähnlich wie ein Ex-Ventil verhalten. Bin aber erst mal von einer generellen Reduzierung ausgegangen was eine geringe Flussrat mit sich bringen würde was sicherlich nicht optimal wäre.
    Gunnar
     
  16. #16 gunnar0815, 28.09.2009
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    @boing meinst du nicht das der Kessel die Druckschwankungen aufnimmt
    Gunnar
     
  17. boing

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    Die Nadel des im Kaltwasserbereich eingebauten Manometers zittert leider extrem. Der "Kessel" ist sehr klein (der zweite fehlt noch) und auch nicht sonderlich elastisch (Cu-Rohr), außerdem eben hinter dem Manometer angeschlossen. Ich muss mal bei Gelegenheit den Kunststoffschlauch zum Manometer durch ein Kapillarrohr ersetzen das dann hoffentlich ausreichend dämpft.

    Die Idee mit der zweiten Pumpe war, dass dann die Druckschwankungen mit 100 Hz anstatt mit 50 Hz auftreten. Durch die höhere Frequenz könnte die Dämpfung durch die Trägheit des Zeigers und des Wassers besser sein. Oder ich habe die Resonanzfrequenz des Manometers erwischt, dann wäre es bei der doppelten Frequenz auch besser. Für beide Probleme erscheint mir allerdings das Kapillarrohr der bessere Ansatz.
     
  18. #18 gunnar0815, 29.09.2009
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    Ein längeres gerollte Rohr sollte helfen
    Gunnar
     
  19. boing

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    Das dünnes, aufgerolltes Röhrchen steht schon länger mit niedriger Priorität auf der Liste der noch zu besorgenden Gegenstände, scheint aber nicht so ganz einfach erhältlich zu sein. Für das Rohr selbst hatte ich eine Bezugsquelle gefunden, aber 1/8" Lötnippel sind bei den üblichen Verdächtigen anscheinend nur für Rohre mit größerem Durchmesser erhältlich. Wo könnte man die erforderlichen Teile sonst noch bekommen?
     
  20. #20 gunnar0815, 01.10.2009
    gunnar0815

    gunnar0815 Mitglied

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    Vielleicht reicht auch ein dickeres mit eine Düse davor?
    Gunnar
     
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