Installation eines Temperatursensors in Silvia-Brühgruppe

Ziel: Temperaturverläufe im Sieb realistisch messen (um z.B. zu erkennen, welchen Effekt das Warm-Up-Programm von leva! auf die Brühtemperaturkurve hat). Versuche, es unkomplizierter mit durchbohrtem Sieb und dort eingeführtem Sensor zu messen, hatten sich als aussichtslos herausgestellt - extremes Channeling entlang des Sensors.

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Plan (inspiriert von octabeer): Das M5-Sackloch-Gewinde für die Duschträgerschraube zum Durchgangsgewinde verlängern, so dass an Pos. A eine Sensor-Klemmverschraubung installiert werden kann. Die Gruppe ist dort 10mm dick. Die Duschträgerschraube der Länge nach aufbohren, um von A einen Sensor bis in den Brühraum einführen zu können. Durch die Position in der Mitte der Dusche wird die Puckoberfläche beim Einspannen des Siebträgers nicht vom Sensor zerrisssen werden.

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Sensor: Ø0,5mm-Thermoelement (Ansprechzeit in Flüssigkeiten: Sekundenbruchteil), hier noch in Schutzverpackung abgebildet. Messpunkt ist die äußerste linke Spitze. Der 150mm lange Sensor ist empfindlich und leicht verformbar. Es handelt sich um ein "grounded"-Thermoelement, d.h. der Kontaktpunkt der Thermoelement-Drähte im Inneren des Edelstahlmantels ist elektrisch leitend mit der Spitze verbunden. Dieser Typ ergibt die schnellste Ansprechzeit, erfordert aber ein galvanisch von Erde (damit auch vom PC) getrenntes Messgerät, z.B. ein batteriebetriebenes Multimeter mit optischer PC-Schnittstelle wie das Brymen 869S oder ein arturo-Modul mit digitalem Isolator.

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Die gewählte Klemmbverschraubung für 0,5mm-Sensoren (KV11-0.5-PTFE) besitzt einen PTFE-Klemmring. Dünne Sensoren erfordern Klemmringe aus PTFE statt Stahl, damit sie nicht beschädigt werden. Diese ist für Drücke bis 40bar geeignet. Zur Installation ist ein Standard-M5-Gewinde erforderlich. Das entspricht dem vorhandenen Gewindetyp der Silvia-Gruppe.

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Das M5-Gewinde der Gruppe wird in mehreren Schritten zum Durchgangsgewinde verlängert:

• Eine auf einige Millimeter gekürzte M5-Schraube wird mit 2mm-Bohrer der Länge nach durchbohrt und zur Führung des Bohrers in das Gewinde der Gruppe geschraubt.
• Die vorhandene Gewindebohrung wird mit dem 2mm-Bohrer von unten nach oben weiter gebohrt. Auf der Gruppe entsteht ein 2mm-Loch an Pos. A. Die Führungsschraube erlaubt es, notfalls ohne Bohrständer mit Proxxxon IB/E, Dremel o.ä. zu arbeiten.
• Die Führungsschraube wird entfernt und gegen eine M5-Schraube getauscht, die bis zum Anschlag in das vorhandene Gewinde gedreht wird (zu dessen Schutz).
• Das erzeugte 2mm-Loch wird von oben mit einem 4,2mm-Bohrer aufgebohrt - der Kernlochdurchmesser für M5-Gewinde.
• Schlussendlich wird das Gewinde von unten nach oben zu Ende geschnitten. Mit Einschnitt-Gewindebohrer der Form D, Windeisen und Schneidpaste (geht leicht, es müssen nur wenige Millimeter Gewinde neu geschnitten werden).

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Die Klemmverschraubung wird mit einem 8mm-Gabelschlüssel angezogen. Zur Dichtung kommt ca. 12cm PTFE-Band (12mmx0,075mm) zum Einsatz.

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Die Herstellung einer durchbohrten Duschträgerschraube beginnt mit dem Kürzen einer M5x20-Messing-Senkkopfschraube mit Schlitz (Messing weil es leicht zu bearbeiten ist). Die Länge muss so gewählt werden, dass die Schraube im Gewinde nicht mit der Klemmverschraubung kollidiert. In meinem Fall (Senkkopfschraube im Nachrüst-Duschsieb mit Ansenkung): 12mm incl. Kopf. Zum Kürzen und Durchbohren kommen Mini-Modellbau-Bohrmaschine (Proxxon IB/E) mit Bohrständer (MB 140/S) und Koordinatentisch (KT70) zum Einsatz. Die gekürzte Schraube wird mit einem 1,5mm-Bohrer der Länge nach durchbohrt. 1,5mm ist einer der Größen, für die es von Proxxon eine passende Spannzange gibt. Man hätte sonst auch auch 1,2mm wählen können.

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Ziel ist eine gerade und zentral durchbohrte Schraube.

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Der Sensor wird mit PTFE-Schlauch mit 0,6mm Innendurchmesser gegenüber der Messingschraube thermisch (etwas) isoliert. Deshalb wurde die Bohrung größer ausgeführt.

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Quelle für das PTFE-Stück war eine TEFLON-Dosiernadel der Größe 20GA bzw. 0,6mm Innendurchmesser (ebay: Teflon Tip 20GA, 25GA & 27GA, totally 15pcs Dispensing Needle Tip).

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Zur Befestigung wird ein Aluwinkel mit 8mm-Loch angefertigt. Er wird mit hitzebeständigem Klebeband (akasa AK-TT12-80) angeklebt werden. Der Sensor besitzt ein Feingewinde, erfordert also eine Mutter mit M8x1-Gewinde statt normaler M8 Mutter (M8x1,25). Die Verwendung der abgebildeten Kunststoffmuttern ist diesem Umstand geschuldet - sie waren zufällig vorhanden.

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Die Oberflächen wurden vor dem Kleben an der linken Seitenwand mit Isopropyl-Alkohol entfettet.

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Die Anschlussdrähte des Sensors werden mit Thermoelement-Leitung (nicht normaler Litze) unter Beachtung der Polarität zum Messgerät verlängert. Alternativ könnte man ein konfektioniertes Typ-K-Thermoelement mit Stecker opfern (Messperle abschneiden) und als Verlängerung einsetzen – die sind preiswert über ebay zu beziehen. Es sollte sich um eine Ausführung mit hitzefester Isolierung handeln, z.B. PTFE. Nicht PVC.

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Die Spitze des Sensors wird in der gewünschten Länge in die Klemmverschraubung eingeführt, dann wird der Klemmring fest mit einem 8mm-Schlüssel angezogen.

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Bei dieser Installation steht der Sensor nur minimal über – so wird er beim Abwischen des Siebs nicht beschädigt.

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Zum Anziehen/Lösen der Schraube zwecks Entfernen von Sieb und Duschträgerplatte zwecks Reinigung wird ein geschlitzter Schraubendreher benötigt. Als Notlösung reicht ein Blechstück mit Schlitz.

 

Das Thermoelement musste noch einmal ausgebaut werden und in den Kochtopf, weil ich vergessen hatte, es zu kalibrieren. Wenn man seit langem nur noch TSic-Sensoren verwendet hat (bei 90 Grad auf <0,3 Grad Fehler Hersteller-kalibriert), denkt man nicht mehr an Sensorfehler. In allen folgenden Diagrammen ist der bei der Kalibration ermittelte Fehler des Thermoelements von 1,6 Grad herausgerechnet.

Ein kostenloses Online-Buch zum Thema Sensoren und Kalibrieren von testo: Temperaturfibel - Messtechnik und Kalibrierung​

Im Zusammenhang mit der Kalibration wurde ausprobiert, wie sich die Eintauchtiefe auswirkt. Die Temperaturfibel empfiehlt beim Kalibrieren 5 x Fühlerrohrdurchmesser für eine Genauigkeit von 1 Prozent. Das scheint auch ein guter Richtwert für Installationen zu sein. Der - zwischen den Tests mit Leitungswasser abkühlte - Sensor wurde testweise erst einige cm, dann 5mm und schließlich 1mm in einen Topf mit heißem Wasser eingetaucht:

^ 30mm Eintauchtiefe im Kochtopf

^ 5mm Eintauchtiefe im Kochtopf (Link: Großes Bild)

^1mm Eintauchtiefe im Kochtopf​

Wenn man den Sensor 5mm eintaucht, verhält er sich praktisch so, als ob man ihn mehrere Zentimeter eintauchen würde und erfasst einen Temperatursprung in ca. 0,4s zu 90% (Sample-Rate 0,2s). Wenn man ihn 1mm eintaucht, ist die Messung erheblich langsamer. Deshalb wurde der Sensor jetzt mit mehr Überstand installiert (4-5mm):

Sensor mit mehr Überstand installiert​

Damit der Sensor im Alltag beim Abwischen der Gruppe nicht verbogen wird, wird nach Messungen eine andere Dusche mit anderer Schraube installiert werden: Während Messungen eine angesenkte Dusche mit Senkkopfschraube, sonst eine Standard-Rancilio-Dusche und eine dicke Sechskantschraube zum Schutz des Sensors:

Dicke Schraube zum Schutz des Sensors im Alltag (links)​

Es wurden diverse Varianten für die bei Messungen installierte, aufgebohrte Senkkopf-Schraube ausprobiert: Aus Messing oder aus Kunststoff; hinter dem Kopf quer durchbohrt (für direkten Wassereintritt zum Sensor) oder nicht; durchgehend durchbohrt oder am Kopf nur ein kleines Loch (um den Sensor in der Längsbohrung zu zentrieren). Das im ersten Beitrag abgebildete Teflon-Stück wurde nicht eingesetzt.

Diverse hohlgebohrte Schrauben​

Die feinste Variante ist eine Kunststoffschraube, die durch Einspannen einer Nadel statt eines Spiralbohrers durchbohrt wurde. Lochdurchmesser ca. 0,7mm:

Nadeldurchbohrt​

Der in der Luft hängende Sensor ist bei Leerbezügen sowie in den ersten Sekunden normaler Bezüge nicht notwendigerweise oder zumindest nicht durchgehend mit fließendem Wasser in Kontakt. Die Tropfen treten an zufälligen Stellen durch. Hier ein Video von einem Flush mit durch leva! reduzierter Leerbezugsrate:

Flush (Link: Video) - Mit durch leva!-reduzierter Leerbezugsrate, deshalb leise​

Das Wasser tritt dezentral hinter der Duschträgerplatte ein, verteilt sich dort in einem Hohlraum, fließt zentral durch die Duschträgerplatte zum Strahlbrecher, der das Wasser im Raum hinter dem Duschsieb verteilt. Von dort tritt es schließlich an zufälligen Stellen durch das Duschsieb.

Rückseite einer demontierten Duschträgerplatte​

Gruppe ohne Duschträgerplatte​

Der Sensor reagiert so schnell, dass die Zufälligkeit der Umströmung beim Leerbezug zu sehen ist. Hier ein besonders extremes Beispiel (meistens sieht es besser aus):

Flush: Zufällige Messwerte durch in der Luft hängende Sensorspitze​

Für erste Tests mit Espresso im Sieb werden folgende Randparameter gewählt:

• Die Heizung wird beim Start der Pumpe ausgeschaltet. Die grüne Sollwertkurve endet deshalb, wenn der rote Pumpenzeitbalken (unter Rand) beginnt.
  
• 94ºC beim Start (PID-Einstellung)
• Ca. 15,5g – 15,8g Espresso im 2er-Sieb
• Nach 22-25s ca. 30g in der Tasse
• Bodenloser, unten offener Siebträger
• Tankwassertemperatur knapp 30ºC
• Pressure-Profiling und Preinfusion ausgeschaltet

Mit diesen Parametern soll unnötige Verwirrung durch die PID-Temperatur-Regelung, das Temperatur-Niveau, 1er-Sieb-Flussrate und Pressure-Profiling erst mal ausgeschlossen werden, um die Kurven zu verstehen. Erste Messung mit einem Brymen 869S:

Messung mit Brymen 869S​

Da so ein Diagramm schwer zu verstehen ist, habe ich die ito-Statusmonitor-Software dahingehend modifiziert, dass sie sich zusätzlich zu den Werten von leva! (Druck, Fluss, Boilerwandsensor-Temperatur) auch die Mantelthermoelement-Messungen per sigrok-Treiber vom Brymen-Multimeter holt und als "AUX 1"-Kurve integriert. Dann kann man die Multimeter-Messungen des Sieb-Sensors im Kontext von Pumpenlaufzeit (roter Balken), Druck (schwarze Kurve) und PID-Boilerwandsensor (rote Kurve) betrachten. Wenn im folgenden die Rede von "dem Sensor" ist, ist immer das neue 0,5mm-Mantelthermoelement unter der Dusche gemeint, also die blaue AUX1-Kurve.

So sieht nun ein Bezug im Statusmonitor aus, wenn der Sensor in einer quer durchbohrten Messing-Schraube installiert ist:

Messung mit quer durchbohrter Messingschraube (Link: Großes Bild)​

• Der Sensor bohrt sich schätzungsweise 0-1mm in die Oberfläche des trockenen Pucks (es wurde ein konvexer Tamper verwendet). Später, wenn der Puck aufgequollen ist, könnten es bis zu 4mm sein. Durch die geringe Eintauchtiefe in den trockenen Puck und die geringe Wärmekapazität von Kaffeepulver wird der anfängliche Messwert nur teilweise vom Kaffee bestimmt. Das Pulver in der Nähe des Sensors kühlt diesen kurz ab, bevor es selbst von ihm erwärmt wird.
• In den Sekunden nach dem Einschalten der Pumpe, vor dem eigentlichen Druckaufbau (Hochschnellen der Manometernadel, wenn die luftgefüllten Hohlräume geflutet sind), tropft Wasser rein. Mangels Druck kommt kein Durchfluss durch den Puck zustande. Die oberste Schicht wird angefeuchtet, der Sensor erfasst das, aber da das erste Wasser zufällig verschiedene Punkte der Oberfläche trifft, sind die ersten Sekunden im Temperaturverlauf zufällig. Ich hab schon andere Verläufe gesehen.
• Sobald der Raum um den Sensor mit Wasser gefüllt ist, der eigentlichen Druckaufbau kommt und die kontinuierliche Durchströmung beginnt (damit auch die kontinuierliche Umströmung des Sensors), springt die Temperatur hoch. Das könnte bei 0,5bar beginnen. Bei 1,0bar dauert es ~30s, bis man beim bodenlosen Siebträger die ersten Anzeichen von Espresso am Sieb erkennt.
• Es folgt ein ausgeprägter, 6 Sekunden dauernder +2,0°C-Buckel gegenüber dem Durchschnitt des Bezugs. Die Erklärung dafür ergaben weitere Messungen: Das ist frisches, heißes Wasser, das den Sensor durch die Querbohrung in der Schraube (unter dem Sieb der Dusche liegend) direkt trifft. Messungen mit Schrauben ohne Querbohrung zeigen diese Überhöhung nicht.
• Danach bleibt die Temperatur bis zum Ende des Bezugs fast konstant. Vom Temperaturabfall des Boilerwand-Sensors - wegen abgeschalteter Heizung und 2er-Sieb-Flussrate erheblich - ist im Sieb nichts zu messen.

Als nächstes eine Messung, bei der der Sensor in einer PA6.6-Kunsstoffschraube mit 500 mal geringerer Wärmeleitfähigkeit installiert wurde, um den Einfluss der Wärmezufuhr zum Sensor über die Einspannung / Schraube zu reduzieren (das Hauptproblem dieser Installation im Vergleich zu einem Sensor, der von unten kommt). Diese Schraube ist nicht quer durchbohrt.

Messung mit Kunststoffschraube (Link: Großes Bild)​

Der Sensor wird nun beim Einspannen des Siebträgers stärker abgekühlt und erwärmt sich danach langsamer: Der Einfluss des eingespannten Mantels auf die Sensorspitze scheint wie gewünscht kleiner auszufallen. Der 2 Grad-Buckel im Thermoelement-Verlauf ist verschwunden. Bei Messungen mit Kunststoffschraube bleibt davon typischerweise eine leichte, 6s andauernde Erhöhung von 0,5 Grad gegenüber dem Durchschnitt des Bezugs. Die könnte auf die anfänglich (bis zum Aufquellen des Pucks) vorhandene reine Wasserschicht unter der Dusche zurückzuführen sein.

Um den Einfluss der zentralen Wasserzufuhr auf den Sensor weiter zu reduzieren, wurde zusätzlich zur Verwendung einer Kunststoffschraube ein O-Ring installiert, der eine Strömung durch das Gewinde der Schraube unterbinden oder wenigstens reduzieren soll:

O-Ring, um die Schraube vom Durchfluß zu isolieren​

Zum Abschluss drei überlagerter Messungen mit nadeldurchbohrter Kunststoffschraube und O-Ring:

3 Messungen mit nadeldurchbohrter Kunststoffschraube (Link: Großes Bild)
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Aus diesen Messungen sollte man noch nicht "den" Sensor-zu-Sieb-Offset einer leva!-Silvia mit TSic-Sensor auf der Boiler-Seitenwand ablesen. Diese Messkurven sind vermutlich vom Durchfluss abhängig und könnten mit 1er-Sieb (welches ich nicht besitze) anders aussehen.

 

Es folgt eine Messung mit Aufwärmprogramm: Der erste Bezug des Tages, ca. 12min nach dem kalten Einschalten, wenn zuvor das 10-minütige Warm-Up-Programm von leva! lief:

Erster Bezug nach Aufwärmprogramm (Link: Großes Bild)​

Die Wassertemperatur im Sieb fällt 2,5°C höher aus, als bei einer stundenlang betriebenen Silvia. Ich benutze meine Maschine meistens so: Anschalten, Warm-Up-Programm, Espresso, Ausschalten. Meine bevorzugten PID-Einstellungen (92,5°C, 94°C) dürfte dementsprechend unter denen von Usern liegen, die ihre Espressomaschine stundenlang betreiben.

 

Die Messungen kommen mir geradezu verdächtig temperaturstabil vor. Ich hoffe, dass kein systematischer Fehler dabei war. Die bisherigen Messungen waren insofern noch praxisfremd, als die Bezüge ohne Belastung des Boilers durch Tassenvorwärmen durchgeführt wurden und weil das Wasser im Tank wegen der langen Messreihen (über zwei Tage bei einem Verbrauch von mehr als 1,5kg Bohnen) erheblich wärmer als üblich war. Wenn der Tank zwischenzeitlich nachgefüllt werden musste, wurde - zum Erhalt der Randbedingungen - aus dem Heisswasserhahn nachgefüllt.

 

> glaub, dass die Sensorposition den Sensor vor allem thermisch stark an die Duschplatte ankoppelt... und du weniger das Wasser misst.

Zur Duschträgerplatte besteht kein direkter Kontakt. Wärmeleitung zwischen Platte und Sensor wäre nur indirekt über das Plastik der Schraube möglich (mit Umweg über den Strahlbrecher) sowie beim Bezug über das Wasser, das die Duschträgerplatte umfließt (zu messender Effekt, kein Artefakt). Es ist unwahrscheinlich, dass Wärmeleitung zwischen Platte und Sensor eine Rolle spielt, Plastik ist ein zu schlechter Wärmeleiter.

Die Einspannung des Sensors, wo es auch Festkörperwärmeleitung gibt, ist weit von der Sensorspitze entfernt und besteht im Inneren überwiegend aus PTFE - wird keine kurzfristige Rolle spielen.

IMHO besteht in den 25s keine Möglichkeit einer nennenswerten Festkörperwärmeleitung von der metallischen Umgebung zur Sensorspitze.

Bevor das Wasser fließt, erwärmt die Umgebung (v.a. durch Wärmestrahlung und Konvektion?) den Sensor, so dass dieser nach und nach ~75°C heiß wird. Sobald Wasser den Sensor trifft, ist das vorbei (z.g.T schon beim Berühren des trockenen Pucks), dann sollte dessen Temperatur praktisch ausschließlich vom Wasser bestimmt werden. Wasser hat im Vergleich zum Metall des Sensors eine ~10 mal höhere spez. Wärmekapazität (= packt viel mehr Wärmeenergie), d.h. es reicht eine winzige Menge, um den feinen Sensor einzustellen.

 

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So sieht das Mantel-Thermoelement im Detail aus: Der hohle, geschlossene Mantel hat einen Durchmesser von 0,5mm und ist 150mm lang. Die Wand ist den Bruchteil eines Millimeters dick, die Thermodrähte im Inneren sind dünn wie Haare (links unten geöffnet im Größenvergleich zu einem typischen, weniger als halb so schnellen offenen Thermoelement, wie es manchen Multimetern beiliegt). Die Thermoelementdrähte (einer aus NiCr, der andere aus Ni) treffen sich in der Spitze in einer Schweissperle, die gleichzeitig mit dem Mantel verschweisst ist ("geerdetes Thermoelement"). Dort entsteht die Thermospannung, d.h. nur dort wird gemessen. Der Rest des Sensors hat keine Funktion bei der Messung und dient nur zur Befestigung. Der Aufbau ist insbesondere nicht mit einem Kapillarthermostat vergleichbar, bei dem sich im dünnen Röhrchen eine Flüssigkeit befindet, die die Wärme zur eigentlichen Messung am "dicken Ende" transportiert.

 

Hier wurde mit einem 60s-Bezug getestet, wann - ohne Heizung - Schluss mit der stabilen Temperatur im Sieb ist: Man hat beim 2er-Sieb-Bezug rund 30 Sekunden (ab echtem Druckanstieg), bevor ein Temperaturabfall im Sieb beginnt. Man beachte, dass dieses Diagramm und das folgende eine andere Zeitskala nutzen - sie sind 90s statt 60s breit:

Temperaturen über 60s ohne Heizung (Link: Großes Bild)​

Gleicher Test, aber mit 30s/1bar-Preinfusion. Am Ende der PI zeigt sich Kaffee am Boden des Siebs, aber es tropft noch nichts in die Tasse. Da der PID während der PI nicht abgeschaltet war (sondern mit Feed-Forward-Anteil regelt), ist im Boiler praktisch kein Temperaturabfall durch die PI vorhanden. Für den Temperaturverlauf am Sieb-Sensor hatte diese Preinfusion dennoch – physikalisch bedingt - drastische Folgen:

Temperaturen mit 30s-Preinfusion (Link: Großes Bild)​

Der Puck hat sich in der 30s andauernden Preinfusion mit Wasser vollgesaugt, ist dabei aber - zumindest am Messpunkt - 7°C kälter geblieben, als im normalen Bezug (es ist vergleichsweise wenig Wasser in den Puck eingedrungen = geringe Wärmeenergiezufuhr). In der durchtränkten Form fällt der Temperaturverlauf beim Einsetzen der vollen Pumpenleistung dort ganz anders aus, als beim normalen Bezug.

 

Zum Vergleich Messungen ohne Puck, mit einem Trichter aus Laserfolie. Das Wasser fällt direkt in den Trichter. Es hat keinen Kontakt zu Kaffee oder Sieb.

Trichter aus Laserfolie, offenes Thermoelement. Etwas langsamer als der Gruppensensor.
(Link: Video einer Messung)​

Die Förderrate wurde elektronisch ungefähr auf Espressoflussrate reduziert. Am Ende landen ca. 45g in 30s in der Tasse. Echte Bezüge beginnen allerdings - bis zum eigentlichen Druckaufbau - mit doppelt so hoher Flussrate. Das habe ich nicht simuliert. Bei denen kommt schneller Wärmenergie in die Gruppe (doppelte Flussrate = doppelte Wärmeenergiemenge), als bei dieser Messung. Die Gruppe, speziell die Duschträgerplatte, nimmt besonders anfangs Wärmeenergie auf - dann ist sie noch 10-15°C kühler als das Boilerwasser.

Temperaturverlauf im Trichter ohne PID - Heizung aus (Link: Großes Bild)​

Das Temperaturniveau liegt etwa 3°C über einer Messung mit Puck.

Temperaturverlauf mit PID-Heizung und Feed-Forward-Kopplung an Flowmeter (Link: Großes Bild)​

Dezente Feed-Forward-Heizung, wie hier, hat den Vorteil, dass die Temperatur im Boiler selbst beim Leerbezug so gut unter Kontrolle bleibt, dass man praktisch pausenlos Bezug an Bezug oder Bezug an Tassenaufwärmen reihen könnte. Die PID-Ausregelzeit bis zur Wiederherstellung genauer Temperatur nach dem Stop der Pumpe liegt dadurch unter 30s.

 

Es folgt ein Temperaturverlauf mit Originalthermostat, Originalsiebträger, Original-2er-Sieb, und 15,75g Espresso. Dummie-Vorgehen (nach Anleitung, d.h. nur Lampe abwarten) und die Folgen:

1. Einschalten; Siebträger ist eingespannt
2. Warten bis Lampe verlöscht (Arbeitstemperatur erreicht); zwischenzeitlich mahlen
3. Wasser zum Vorwärmen von 2 Tassen beziehen
4. Warten bis Lampe leuchtet, d.h. Nachheizen abwarten
5. Warten bis Lampe verlöscht (Arbeitstemperatur erreicht)
6. Bezug

Temperaturen mit Original-Thermostat und Dummy-Vorgehen (Link: Größeres Bild)​

Durch die hohe Temperatur im Boiler nach Abschalten des Thermostats ergibt sich ein stark ansteigender Temperaturverlauf im Sieb. Da die Gruppe mit diesem Vorgehen aber nur unzureichend aufgewärmt wurde, beginnt der Brühvorgang bei zu niedriger Temperatur (74°C) und endet auch, trotz starken Anstiegs, zu niedrig (80°C).

 

Störgrößenaufschaltung (Feed Forward*) bei Silvia-Shots:

Bezug mit PID + Feed-Forward (Link: Größeres Bild)​

Für den Brühtemperaturverlauf mit Kaffee im Sieb erscheint, zumindest bei der Silvia, eine konstantere Boilertemperatur (d.h. Boilersensortemperatur) während Shots nach dieser Messung paradoxerweise unvorteilhaft: Die Wärmeenergiezufuhr gelangt auch zur Gruppe und zieht die Temperatur im Sieb stetig nach oben. Die Temperatur im Sieb wäre konstanter, wenn die Temperatur des Boilers im Shot-Verlauf weniger konstant wäre ... wenn man nur geringfügig, später oder gar nicht heizen würde (in leva! unter Ramp&Soak->Shot Output für 0-25s auf 0% setzen).

Hier war Pressure-Profiling dabei. Nicht heizen zu müssen verbessert Pressure Profiling. Der Spannungsabfall im Hausnetz durch die sekündlichen Schaltvorgänge der 5,2A-Heizung schlägt auf die Leistung der Pumpe und damit Pressure Profiling durch (man hört den Sekundentakt im Geräusch der Pumpe): Kann Zacken im Druckverlauf geben.

* Heizleistungszuschlag auf Basis des Flowmeters: Der PID regelt per Temperatursensor, aber ein Durchflusssprung führt zur sofortigen Addition einer berechneten Leistung - ohne abzuwarten, bis der Sensor reagiert. Dadurch kann ein größerer Temperaturabfall erst gar nicht entstehen. Der PID kann den, der übrig bleibt, schneller ausregeln. Ideal zum Stabilisieren der Boilertemperatur beim Tassenaufwärmen, insbesondere beim Flush mit reduzierter Leerbezugsrate.

 

Messungen von Temperaturumstellungen

1. Erhöhung von 92°C auf 94°C: Änderung des Sollwerts am PID > Erreichen der Temperatur abwarten > Tassenaufwärmebezug > Ausregeln abwarten > Bezug:

Sollwerterhöhung und Tassenaufwärmen (Link: Größeres Bild)​

Erster Bezug mit 94°C direkt nach Sollwerterhöhung (Link: Größeres Bild)​

Zweiter Bezug 20min nach Sollwerterhöhung (Link: Größeres Bild)​

Die Temperatur im Sieb fällt im ersten Bezug direkt nach der PID-Umstellung um 1°C niedriger aus, als bei 94°C erwartet.

Wenn man es sehr genau nimmt, müsste man noch berücksichtigen, dass die Pause zwischen Einschalten der Pumpe und Druckaufbau vom Zufall geprägt ist: Je nach Zustand des Fluidsystems (Füllzustand; Druck im Einkreiser-Boiler, auch durch Heizen) sind es mal 1-2 Sekunden und mal 6 Sekunden. Wenn im Boiler Druck vorhanden ist, drückt der beim Bezugsbeginn einen Schwall Wasser in das Sieb, wodurch die Temperaturkurve im Sieb etwas anders ausfallen dürfte.

2. Absenken von 94°C auf 92°C: Änderung des Sollwerts am PID > Erreichen der Temperatur abwarten > Tassenaufwärmebezug > Ausregeln abwarten > Bezug:

Sollwertabsenkung und Tassenaufwärmen (Link: Größeres Bild)​

Erster Bezug mit 92°C direkt nach Sollwertsenkung (Link: Größeres Bild)​

Zweiter Bezug 40min nach Sollwertsenkung (Link: Größeres Bild)​

Die Sollwertabsenkung kommt schnell in der Tasse an: Schon der erste Bezug nach dem Umstellen erreicht die gleiche mittlere Temeratur, wie einer 40 Minuten später (85,6°C vs 85,7°C).

2 Grad mehr/weniger am PID (am seitlichen Boilersensor) verschieben die Temperaturkurve im Sieb um ~2°C (PID=92°C ergibt Sieb=85,5°C; PID=94°C ergibt Sieb=87,0°C-87,5°C).