Temperatursimulation einer Rancilio Miss Silvia

so, das wird jetzt ein bisschen technisch.

Ich habe mich eingehend mit den Beiträgen von octabeer zum Temperaturverhalten der Rancilio Miss Silvia beschäftigt.
Danke hierfür. Bei Ihm stand natürlich die PID-Regelung im Vordergrund. Ähnliche detaillierte Informationen zum Temperatursurfen hab ich allerdings nicht gefunden, daher hab ich versucht sie mir selbst herzuleiten. Die Ergebnisse könnten allerdings auch für die PID-Regelung interessant sein.

Ausgegangen bin ich von der Frage:
Welche Temperatur stellt sich beim Temperatursurfen nach einer Wartezeit von x Minuten während dem Bezug im Siebträger ein?

Um nicht endlose Messreihen durchführen und auswerten zu müssen hab ich mir vorgestellt das Ganze in Matlab zu simulieren.

Schritt 1: Thermisches Modell einer Einkreis-Espressomaschine

Im Modell sollten alle Temperaturbestimmenden Komponenten der Maschine enthalten sein:





Die farbigen Komponenten stehen für energiespeichernde Bauteile (in Form von Wärme) die entweder durch Wärmeübergang oder durch Wasserfluss (mit Massetransport) verbunden sind. Sie haben eine bestimmte Masse und spezifische Wärmekapazität.
Die grauen Blöcke zwischen den Komponenten beschreiben die Wärmeübergänge. Herrscht ein Temperaturunterschied zwischen zwei Komponenten wird Wärme übertragen, bis sich die Temperatur ausgeglichen hat.
Der Blaue Pfeil ist der Wassertransport. Wasser einer bestimmten Temperatur wird von einer Komponente zur nächsten transportiert. Ist die Wassertemperatur des einströmenden Wassers niedriger als die des ausströmenden Wassers, dann kühlt sich der Inhalt ab (z.B. Boiler). Wie viel Wasser fließt hängt von der Pumpe ab. (z.B. während dem Bezug ca. 1 ml/s, Flushen 6 ml/s).
Die Heizung hängt über die Bimetall-Schalter die auf dem Boiler montiert sind von der Temperatur des Boilers ab (Heizung ein, bis T_Boiler>100°C; Heizung aus bis T_Boiler<80°).
Diese drei Effekte bestimmen das dynamische Temperaturverhalten des Systems.

Schritt2: Abbildung des Modells in Matlab
Die physikalischen Formeln dazu erspar ich euch vorerst.

Schritt3: Kalibrieren des Modells
Kalibrieren heißt die Temperaturwiderstände, Wärmekapazitäten, Massen der Komponenten zu ermitteln. Grundlage dafür bilden Messdaten von der Espressomaschine.
Mir fehlt noch das geeignete Messsystem, daher habe ich die Parameter durch Ausprobieren ermittelt, bis die Grundwerte ungefähr erreicht wurden:
Heizzyklus-Zeit (Aufheizen ca. 45 sec, Abkühlen ca. 6 Minuten)
Maximale Temperatur des Wassers (92°C)
etc.

Ganz ohne Messergebnisse gehts leider doch nicht ;-).
Um die Parameter genau ermitteln zu können wäre ich dankbar für ein paar Messergebnisse (vom Temperatursurfen), am besten von jemandem der Boiler und Brühgruppe mit einem Temperatursensor versehen hat. Ideal wäre natürlich ein Sensor der die Brühtemperatur direkt misst. Ich weiß, dass jemand der einen Temperatursensor verbaut hat wohl gerne seinen PID nutzt, aber vielleicht kann man das ja für eine Messung mal auf die Bimetallschalter umstellen.
Da nicht jeder die Temperaturfühler an der gleichen Stelle montiert hat, wären die Beschreibung der Montagepunkte wichtig.

Schritt4: Simulationsergebnisse ermitteln und auswerten

OK, hier steh ich noch am Anfang. Hier mal zwei vorläufige Simulationsergebnisse. Ich werde diese bei Gelegenheit erweitern.

a. Aufheizzyklen unterbrochen von einem Bezug


T Rohrleitung = Temperatur der Leitung zum Magnetventil.
T RohrleitungB = Temperatur der Leitung durch die Brühgruppe


b. Temperatur während einem Bezug







soweit so gut, ein andermal mehr.

Gruß simmerl

 

AW: Temperatursimulation einer Rancilio Miss Silvia

Hallo,


danke, hatte auch viel Spaß dabei das ganze zu entwickeln (irgendwann entsteht ein gewisser Sog dem man sich nicht entziehen kann ;-)).


@ walter_68:
Die Wassertemperatur des Tanks hängt wohl mehr davon ab, ob ich kurz vorher noch Leitungswasser nachgefüllt habe oder ob das Wasser vom Vortag noch drin steht und mit aufgeheizt wird.
Der Bereich liegt schätze ich zwischen 15° und 25° C, vielleicht auch höher. Ich hab die Umgebungstemperatur und die Temperatur des Wassers erst mal gleich gelassen.

@espresso-addict:
Der Wasserfluß wäre 1 ml/s bei Single, 2 ml/s Doppelter. Bei der Berechnung kann man beides berücksichtigen. In der Brühtemperatur sollte sich hier durchaus ein Unterschied ergeben, weil die Boilertemperatur beim doppelten schneller sinkt. Wenn man es genau betrachtet, könnte es sein, dass der Wasserfluß wärend des Bezugs leicht zunimmt, zumindest hab ich den Eindruck.
Für die ersten 3 Sekunden des Bezugs habe ich 6 ml/s angenommen, das sieht man auch am steilen Anstieg der violetten Kurve. Dann hat sich ausreichend Druck aufgebaut, der den Wasserfluß auf 1ml/s bzw. 2ml/s reduziert.

Beim Kesselvolumen habe ich mich an die Kaffeewiki-Seite gehalten.
Der Teufel steckt im Detail, daher könnte es durchaus wichtig sein ob der Boiler nun 250ml oder 330ml fasst. Ich schätze, dass ich irgendwann einmal ein Feintuning machen muss.

@domimü:
Wenn man die Simulation weiter entwickelt, könnte man unterschiedliche Maschinenprofile berücksichtigen und zwischen Thermostattyp 110° und 100° unterscheiden.
Meine Silvia hab ich im Dezember 2011 neu gekauft, mit 100° Thermostat (steht auch so im Kaffeewiki). Den Wert verwende ich auch in meiner Berechnung.
Man sieht es auch bei der Abbildung b, die grüne Kurve ist die Temperatur des Boilers, wenn diese 100°C erreicht, wird die Heizung abgeschaltet.
Im Vergleich dazu die blaue Kurve, die Temperatur des Boilerwassers, die gerade unterhalb von 105° wieder sinkt.
Der noch folgende Anstieg der Temperatur des Boilers ist durch den Wärmeausgleich zwischen Wasser (105°) und Boiler (100°) nach dem Ausschalten des Heizelements bedingt.
Auch der Wärmeüberschuß im Heizelement trägt noch ein bisschen zum Anstieg der Boilertemperatur bei.

@andhii:
Willkommen im Board, freut mich trotz meiner noch kurzen und jungen Boardkarriere schon jemanden zur Anmeldung bewegt zu haben .
"Rohrleitung" ist meine (unglückliche) Begriffswahl für die Leitung zwischen Boiler und Siebträger.
Anfangs habe ich sie als eine Einheit betrachtet, inzwischen hab ich sie in meinem Modell in zwei Teile aufgeteilt, der erste Teil ist die Leitung zum Magnetventil, die thermisch haupsächlich vom Boiler beeinflusst wird.
Der zweite Teil ist die Leitung vom Magnetventil bis zum Siebträger, die Temperatur dieser Leitung habe ich mal mit der Brühtemperatur gleichgesetzt.
Wahrscheinlich muss ich hier noch einen Schritt weiter gehen und wie Walter_68 vorgeschlagen hat die Brühtemperatur als Mischtemperatur im Siebträger ermitteln.


Grüße simmerl

 

AW: Temperatursimulation einer Rancilio Miss Silvia

Danke für den Hinweis. Ich bin bisher davon ausgegangen, dass das Luftvolumen und das äußere Gehäuse über die Temperaturübergänge von Boiler, Brühgruppe und Siebträger zur Umgebungsluft ausreichend mitbeschrieben ist. Jetzt bin ich mir nicht mehr so sicher.

Da ich die Messungen zum Einstellen der Modellparameter (Heizykluszeiten) immer mit einer aufgeheizten Maschine gemacht habe, könnte es auch sein, dass die Simulation anfangs bei kalter Maschine ungenauer arbeitet als später bei heißer Maschine.

 

AW: Temperatursimulation einer Rancilio Miss Silvia

Weiter wie oben sichtbar bin ich noch nicht gekommen. In letzter Zeit war bei mir immer viel los. Ich schraube immer mal wieder ein wenig dran rum, sobald wieder Ergebnisse da sind, werd ich sie hier natürlich posten.

Messwerte hab ich bisher noch keine bekommen, ich werde die bella Macina also wohl selbst mal vermessen müssen.

Wahrscheinlich werde ich mir dazu irgendwann mal ein arturo kit einbauen, damit kann man dann ja noch ein paar mehr Sachen anstellen ;-).

Gruß simmerl

 

AW: Temperatursimulation einer Rancilio Miss Silvia

Hallo,

ich hatte (wetterbedingt) mal wieder ein wenig Zeit.

Ich wollte auf meine ursprüngliche Frage konzentrieren, welche Temperatur stellt sich nach x-Minuten Wartezeit im Siebträger ein. Genauer, wie ändert sich die Temperatur im Shotverlauf, wenn man sofort nach dem Ausschalten der Heizung, 15s, 30s, 45s ... danach den Bezug startet.

Mit Hilfe der Simulation (aktueller Stand, nicht kalibriert) komme ich zu folgenden Ergebnissen



Doppelter Espresso


Wenn der Bezug innerhalb der ersten Minute gestartet wird, ist der Boiler noch wesentlich wärmer als die Brühgruppe. Der Temperaturunterschied gleicht sich erst im weiteren Zeitverlauf ein wenig an. Aus dem Grund sind auch die Temperaturunterschiede innerhalb des Shots sehr hoch (3-6°C). Zusätzlich ist die Temperatur zum Ende des Shots höher als zu Beginn. (Lösen von mehr Bitterstoffen ???)
Nach ca. 1 Minute bildet sich der geringste Temperaturunterschied innerhalb des Shots heraus.
Anfangs steigt die Temperatur im Verlauf des Shots immer, erst ab ca. zwei Minuten sinkt die Temperatur im Verlauf des Shots.

Folgende Regeln ließen sich eventuell daraus ableiten:

• Um eine geringe Intershot-Temperaturänderung zu haben sollte nach Ausschalten der Heizung einige Zeit (hier 45 Sekunden) gewartet werden, damit sich die Brühgruppe der Temperatur des Boilers ein wenig angleichen kann.
• Startet man den Bezug 60 Sekunden nach Ausschalten kann man mit ca. 91,5°C Brühtemperatur rechnen.
• Ab diesem Zeitpunkt kann man pi*Daumen mit einer Temperaturverringerung von ca. 1,5°C/Minute rechnen.

Die Ergebnisse gelten hier natürlich nur für eine fiktive Maschine, da die Simulation nicht kalibriert ist. Die Kennwerte lassen sich also noch nicht direkt auf die Rancilio Miss Silvia übertragen. Unterschiede könnten sein, dass die absolute Temperatur höher oder niedriger ist oder dass die Maschine schneller oder langsamer auskühlt.
Qualitativ lassen sich die Ergebnisse aber durchaus übertragen, z.B. anfangs steigende später fallende Temperatur innerhalb des Shots.

Hier nochmal die gleiche Kurve wie oben, allerdings mit weniger Wassermenge also für einen einzelnen Espresso

Einzelner Espresso

Insgesamt ist die Temperatur ein wenig kühler wie beim Doppelten, dafür sind die Intershot-Temperaturschwankungen geringer.

Grüße
simmerl

 

AW: Temperatursimulation einer Rancilio Miss Silvia

Hallo octabeer,


danke für das Interesse an dem Modell.

Zu deiner ersten Frage, phasenverschobenes Schwingen der Brühgruppe gegenüber dem Boiler:
Da in meiner Simulation die Heizung mit dem Thermostat gesteuert und nicht mit einem PID geregelt wird, kann ich das erst mal nicht nachsimulieren.
Ich nehme an, dass der Leerbezug ca. 5-10 Sekunden dauert und der Temperatur-Setpoint kurz vor dem Leerbezug um 2 Grad nach unten verstellt wurde. Die Erwartung wäre, dass die Temperatur von Brühgruppe und Boiler nach dem Leerbezug sinkt und sich beim neuen Setpoint stabilisiert.
Ich hätte zwei Theorien zu dem abweichenden Verhalten:
Für beide gilt, dass durch das Flushen Wärme in die Brühgruppe transportiert wird, während kühles Wasser in den Boiler strömt.
Rein von der Überlegung her wäre meine erste Idee, dass die Wärme sich anfangs im Bereich rund um den Wasserkanal konzentriert und sich danach erst in der Brühgruppe ausbreitet. Wenn der Sensor auf der Oberfläche der Brühgruppe angebracht ist würde die gemessene Temperatur hier nacheilen, aber 30s wäre dafür schon eine sehr lange Zeit. In dem Fall wäre mein Modell nicht geeignet um das Verhalten zu simulieren, da für die Brühgruppe mit einer Durchschnittstemperatur gearbeitet wird.
Die zweite Idee wäre, dass sich beim Leerbezug durch das heiße Wasser zusätzlich zum Bereich rund um den Wasserkanal auch die Duschplatte und der Siebträger erwärmen. Danach gleicht sich die Temperatur innerhalb der Brühgruppe aus, außerdem wird Wärme von der Duschplatte und dem Siebträger an die Brühgruppe abgegeben.
Um meine Überlegung zu überprüfen könntest du die Messung mit ein paar Variationen wiederholen. Die sollte geringer ausfallen, wenn du den Siebträger entfernst, oder zusätzlich auch die Duschplatte. Der Effekt sollte überhaupt nicht auftreten, wenn du das Wasser über die Dampflanze ablässt.

Das Modell basiert auf physikalischen Überlegungen. Ich habe die Espressomaschine in einzelne Komponenten aufgeteilt, jede Komponente hat eine Wärmekapazität abhängig von Material und Gewicht. Es handelt sich also um Energiespeichernde Elemente. Zur Bestimmung der Größe der Energiespeicher habe ich bisher geschätzt (Gewicht, Volumen, Material ->spezifische Wärmekapazität, …).
Bestimmte Teile im Model sind allerdings generisch, z.B. die Wärmeübergänge, sie sind natürlich schon physikalisch beschrieben (Energieübertritt bei Temperaturdifferenz), korrekterweise müsste man aber den Energietransport innerhalb von Metallen, Wasser und Luft, sowie an den Übergängen genau berücksichtigen.
Zu deiner Frage ob die Gruppe kriecht, die Hypothese die du aufstellst (Überkompensation des geringen Wärmegefälles) kann ich mit meinem Modell nicht nachvollziehen. Ich hab meine Simulation mal mit 20°C Lufttemperatur und mit 23°C Lufttemperatur laufen lassen und die Temperaturen der Brühgruppe im Maximum nach dem Aufheizen verglichen.
Bei 20 °C Lufttemperatur ist die maximale Temperatur der Brühgruppe 85,4 °C, bei 23 °C liegt sie bei 85,8 °C. Das ist jetzt natürlich Zufall, dass hier ca. 1,5° herauskommt, bei der derzeit ungenauen Kalibrierung wären aber auch 1° oder 2° eine klare Tendenz. Daher würde ich eher davon ausgehen, dass die Umgebungstemperatur in dem Fall die Ursache für die wärmere Brühgruppe am Nachmittag war.

Zur Weiterentwicklung des Modells bzw. zu deiner Anmerkung Espressopuck und Siebträger zu simulieren:
Die Temperatur die ich jetzt als Brühtemperatur bezeichne ist genau wie du schreibst die von der Espressomaschine bereitgestellte Brühwassertemperatur.
Hier auch die Mischtemperatur im Siebträger zu ermitteln und dazu den Siebträger und den Puck als Elemente mit in das Modell aufzunehmen wurde auch schon von Walter angemerkt.
Ich denke das ist der nächste Schritt. Die Überlegungen oben zu deiner ersten Frage legen nahe auch die Duschplatte separat von der Brühgruppe als eigene Einheit mit in die Simulation aufzunehmen.
Die Auswirkungen dieser Veränderungen am Modell (Hinzufügen von Duschplatte, Siebträger und Puck in die Simulation) könnten sein, dass die Brühtemperatur von den Diagrammen in meinem letzten Beitrag nochmal abweicht. Wenn man die Temperaturverläufe nahe am Boiler betrachtet und mit denen der Elemente auf dem Weg zur Brühgruppe vergleicht stellt man fest, dass die Temperatur immer stabiler wird. Es kann also durchaus sein, dass doch noch ein wesentlich stabilerer Temperaturverlauf während dem Shot erreicht wird, und dann macht Temperatursurfen vielleicht doch keinen soo großen Unterschied.
Eine zusätzliche sinnvolle Erweiterung des Modells wäre die Heizungsregelung mittels PID. Um nahe an der Realität zu bleiben sollte ich eventuell den Sensor mit simulieren.

Zu den Messungen die ich benötige um das Modell zu kalibrieren ist wahrscheinlich vieles geeignet. Ich muss nur sicherstellen können, dass ich die Messung mit meinem Modell nachahmen kann. Wenn gleichzeitig zur Messung auch die Heizleistung aufgezeichnet wird, kann ich auch mit Daten von einer Maschine arbeiten die eine PID Regelung hat. Ich werde mir die benötigten Messungen mal überlegen und dann hier reinsetzen.

Ich habe das Modell entwickelt um die Vorgänge beim Temperatursurfen zu verstehen und es hat mir schon einige Erkenntnisse gebracht. Ich hab mit dem Temperatursurfen ziemlich gute Erfahrungen gemacht (d.h. mir schmeckt der Espresso den ich mache, des öfteren kann ich das Ergebnis auch reproduzieren ;-)), wobei ich aber bisher keine Maschine mit PID bedient habe. Wenn das Modell mal steht, dann ist der Schritt zum PID wahrscheinlich nicht mehr weit.


Grüße
simmerl

 

AW: Temperatursimulation einer Rancilio Miss Silvia

Hallo zusammen,


wie im letzten Beitrag geschrieben wollte ich die benötigten Messungen hier reinsetzen.
Auch Messungen an Maschinen mit PID Regelung sind hilfreich, gut wäre dabei wenn auch die Heizleistung aufgezeichnet wird.

Folgende Vergleichsmessungen wären für die Kalibrierung interessant (die fett geschriebenen würde ich als erstes durchführen)

• Bei Thermostatsteuerung
  • Aufheizen
  • Heizzyklus bei Espressothermostat
  • Heizzyklus bei Dampfthermostat
  • Espressobezug 1, direkt nachdem die Heizung aus gegangen ist
  • Espressobezug 2, eine Minute nachdem die Heizung ausgegangen ist
  • Leerbezug 1, 2 Minuten nachdem die Heizung ausgegangen ist, so lange bis Heizung wieder anspringt
  • Leerbezug 2, kurz nachdem die Heizung angegangen ist für 5 Sekunden Wasser beziehen
  • Wasserbezug über Dampflanze
  • Messung der Wassertemperatur ohne Siebträger

• Bei PID-Regelung
  • Aufheizen
  • Espressobezug
  • Aufheizen von Espresso- auf Dampftemperatur
  • Abkühlen von Dampf- auf Espressotemperatur
  • Wasserbezug über Dampflanze

Folgende Informationen würde ich bei Messungen für mein Modell sammeln (die wichtigsten Daten sind fett geschrieben):

Benötigte Systeminformationen

• Typ der Temperatursteuerung
• Bei PID die PID-Parameter und den Typ des PID
• Genaue Positionen der Sensoren
• Typ der Sensoren

Generelle Informationen für jede Messung

• Zimmertemperatur
  
• Wassertemperatur (Wasserbehälter)
• Wasser bzw. Espressomenge (bei Shot, Flush oder Wasserbezug)
• Falls möglich Stromverbrauch der Maschine während der Messung

Aufzeichnung der Messung (Intervall 1s oder weniger)

• Zeitstempel
  
• Temperatur Boiler
• Temperatur Brühgruppe
• Brühtemperatur (Kaffee-Puck) z.B. mit Scace
• Stärke der Heizung
• Schalterstellung (Bezug, Dampf, Wasser über Dampflanze)

Grüße
simmerl

 

AW: Temperatursimulation einer Rancilio Miss Silvia

Hallo octabeer,


ja, das sieht erst mal aufwändig aus.
Das wären die Informationen, die ich persönlich bei Messungen sammeln würde, weil ich sie mit Werten die in meiner Simulation auftauchen vergleichen kann. Messungen mit dem vollen Umfang mache ich mal, wenn ich meine Maschine aufgerüstet habe (was wahrscheinlich noch ein bisschen dauern wird).

Ich will aber niemanden durch unnötige Komplexität abschrecken. Teilmessungen sind im jetzigen Stadium der Simulation besser als gar keine Messung. Es geht mir auch darum das Modell zu plausibilisieren, vielleicht hab ich ja was wichtiges vergessen.
Wenn mit einem Easy Kit oder ein Arturo Kit ausreichende Messwerte aufgezeichnet werden können (oder auf einen PC übertragen werden können) lässt sich der Aufwand für die ersten Messungen wahrscheinlich im Rahmen halten. Die meisten Temperaturkurven die man im Kaffee-Netz findet sind ja immer Screenshots der Caffe-Software. Bietet die Software auch die Möglichkeit diese Daten in eine Datei (*.csv, *.txt oder ähnlich) zu exportieren bzw. zu speichern? Ist damit auch eine kontinuierliche Messung möglich, oder nur die 30-40 Sekunden die der Bezug dauert? Eventuell lässt sich ja einfach alles was ans LCD-Display übertragen wird aufzeichnen.

Eine mögliche einfache Messung mit einem Arturo-Kit könnte ich mir so vorstellen:

1. Anschluss des Arturo-Kit an einen Computer (Annahme: jede Sekunde wird der aktuelle Messwert jedes angeschlossenen Sensors und die Heizleistung an den PC übermittelt) der die Messwerte in eine Datei schreibt.
2. Ermitteln von Raumtemperatur und Wassertemperatur (im Wasserbehälter) mit einem normalen Thermometer (z.B. Küchenthermometer)
3. Normales Bedienen der Espressomaschine, nach dem Bezug wird gemessen wie viel Espresso bezogen wurde (z.B. Gewicht der Espresso-Tasse mit und ohne Inhalt)

Einen Sensor hab ich vergessen, der unter Umständen sehr nützlich sein könnte, der Sensor der die Flussrate an der Pumpe misst. Die einzige Frage die ich mir stelle ist, ob die gemessene Flussrate ab einem bestimmten Druck nicht mehr der Flussrate im System entspricht, da ja bei hohem Druck ein Teil des Wassers in den Wasserbehälter zurückgeleitet wird, oder täusche ich mich? Kann man die Flussrate im System berechnen, wenn man zusätzlich noch den Druck des Systems kennt?

Zu den Sensorpositionen, um die Messungen einfach zu gestalten will ich keine genaue Position vorschreiben, ich muss aber wissen, wo genau der Sensor angebracht ist.
Falls eine Wahl der Sensor Position besteht, sollte der beste Platz für eine durchschnittliche Boilertemperatur in der Mitte des Boilers liegen (wegen der Temperaturschichtung im Boiler). Bei der Brühgruppe würde ich die Position des Sensors oben in der Mitte der Brühgruppe wählen.

Falls du nicht viel Zeit hast, eine Messung mit einmal Aufheizen und anschließend Espresso beziehen würde schon mal weiterhelfen. In deinem Thread über die Lelit PL60 plus T hab ich gesehen, dass du derzeit ein Scace zur Verfügung hast (hattest?), Eine Messung mit Brühtemperatur wäre natürlich das Sahnehäubchen.

Generell ist es mir nicht eilig mit den Messungen, ich hab selbst nicht soviel Zeit an der Simulation weiter zu basteln.



Grüße
simmerl