Poprawa stabilności temp. małych ekspresów

Tylko dla orłów!!! Dyskusje o przeróbkach, doróbkach, zmianach, słowem: o tuningowaniu maszyn :) O zamianie dysz też tutaj :)
sinus3121
zagląda śmielej
zagląda śmielej
Posty: 28
Rejestracja: pn 24 paź 2011, 22:02
Sprzęt: Rancilio Silvia + PID, Macap MC4
Lokalizacja: Wieliczka

Poprawa stabilności temp. małych ekspresów

Postautor: sinus3121 » sob 21 gru 2013, 19:03

Podczas ekstrakcji na niewielkim domowym ekspresie, np. Rancilio Silvia, do niewielkiego bojlera ogrzanego do określonej temperatury wlewa się sporo zimnej wody z zewnętrznego zbiornika, co powoduje jego wychłodzenie nawet o kilkanaście stopni. Sprawia to, że stabilność temperaturowa tego typu ekspresów zostawia sporo do życzenia. Drugi negatywny aspekt dużych amplitud na zaPIDowanych bojlerach, to długie czasy stabilizowania się docelowej temperatury, tym dłuższe im bardziej bojler wychłodzi się podczas ekstrakcji.


Jak temu zaradzić?
Włączając grzałkę przyciskiem pary na chwilę przed planowaną ekstrakcją, nagrzewamy grzałkę (która ma sporą bezwładność i potrzebuje dobrych kilka(naście) sekund, by rozpocząć faktyczne podgrzewanie wody) i tym samym podnosimy odrobinę temperaturę wody oraz bojlera, po to by skompensować przyszły spadek temperatury związany z wpłynięciem do bojlera zimnej wody ze zbiornika. Dodatkowo można przed ekstrakcją przelać trochę wrzątku przez grupę, by ją wstępnie dogrzać.

Ktoś może pomyśleć, że w ten sposób woda może być za gorąca na początku ekstrakcji. Racja (wypływająca z bojlera będzie), ale nie zapominajmy, że woda zanim wyleci do sitka, musi przelać się przez szereg kanalików grupy, która to skutecznie przejmie większą część nadwyżki ciepła w początkowej fazie ekstrakcji. Suma summarum amplituda temperatury wypływającej z grupy wody nie będzie już tak duża jak amplituda temperatury wody w bojlerze.

Żeby zapewnić w 100% powtarzalność parametrów temperaturowych dla każdej ekstrakcji, długość załączenia grzałki oraz czas dogrzewania grupy poprzez przelanie wrzątku przez grupę, musi być za każdym razem identyczna.

I tu z pomocą przychodzi nam elektronika. Skonstruowałem sterownik do mojej Sylvi, którym mogę dowolnie konfigurować w czasie moment włączenia/wyłączenia grzałki oraz pompy. Sterownik, przy tych samych parametrach czasowych, zapewnia powtarzalność warunków dla każdej ekstrakcji.

Poniższy wykres obrazuje mniej więcej proces, parametry czasowe mogą być dowolnie konfigurowane.

Obrazek

Tyle teorii.
Teraz najważniejsze pytanie: jak to się sprawdza w praktyce? :)

Różnicę przebiegów temperaturowych Sylvi z samym PIDem (kolor pomarańczowy na wykresie) oraz Sylvi z PIDem oraz sterownikiem (kolor zielony) przedstawia poniższy wykres. Są to dane rzeczywiste dwóch różnych ekstrakcji na moim ekspresie (nagrałem 2 filmiki, na których zarejestrowałem wskazania PIDa, po czym przepisałem je do excela).

Obrazek


Wnioski:
- przebiegi czasowe pokazują, iż stabilność temperaturowa ekstrakcji w przypadku wstępnego dogrzania bojlera jest dużo wyższa, niż w przypadku klasycznego PID, który nie jest w stanie skompensować tak dużych zakłóceń wprowadzonych do układu (zbyt duża bezwładność grzałki, układu)
- ekspres jest gotowy do kolejnego strzału praktycznie zaraz po zakończeniu danej ekstrakcji, podczas gdy sam PID potrzebuje kilku minut na ustabilizowane zadanej temperatury
- oczywiście przebiegi czasowe wyglądają różnie dla różnej gramatury, zmielenia, siły ubicia, a wszystko sprowadza się do ilości zimnej wody, która podczas tych 25 sekund wpada do bojlera, i powyższa gotowość do kolejnego strzału jest oczywiście pochodną zgrania wszystkich zmiennych (a jest ich sporo :) )
- nie mierzyłem temperatury wody wypływającej z prysznica, ale zakładam, że w przypadku zielonej ekstrakcji (praca sterownika) jest ona praktycznie stała podczas całego czasu trwania, gdyż odchylenia rzędu +-2’C są niemal w całości pochłaniane i kompensowane przez miedzianą grupę, która ma sporą pojemność cieplną
- średnia temperatura bojlera podczas ekstrakcji poprzedzonej pracą sterownika to 101,5’C czyli tylko o 1,5’C mniej niż temperatura zadana
- średnia temperatura bojlera podczas ekstrakcji bez sterownika to 98,1’C, czyli o 4,9’C mniej.

Dodatkowo sterownik realizuje takie funkcje jak:
- stoper mierzący czas ekstrakcji, załączający się i zerujący automatycznie,
- możliwość automatycznego zakończenia ekstrakcji po upływie zadanego czasu, np. 25sek,
- możliwość zmiany ustawień poszczególnych parametrów sterujących (np. długości i czasy załączeń) z poziomu urządzenia,
- tryb automatycznego backflush’a, czyli pięciokrotne powtórzenie: 10 sek. pompa, 10 sek. przerwy
- … no właśnie, co tu można jeszcze dodać? Jakich funkcji Wam brakuje w Waszych ekspresach? :)


A jak to się prezentuje w całości?

Obrazek

Obrazek

Pierwsze testy mikrokontrolera AVR na płytce prototypowej.
Obrazek

Wytrawione metodą ‘żelazkową’ płytki drukowane
Obrazek

Sterownik po zlutowaniu i złożeniu, w jednej obudowie z PIDem.
Obrazek

Obrazek

Awatar użytkownika
rusek
stale zagląda do filiżanki
stale zagląda do filiżanki
Posty: 150
Rejestracja: ndz 27 maja 2007, 17:01
Sprzęt: VBM Domobar Junior HX + Macap MC4T
Lokalizacja: Konin

Re: Poprawa stabilności temp. małych ekspresów

Postautor: rusek » sob 21 gru 2013, 19:44

Szczerze - jesteś WIELKI.
Myślisz że warto bawić się w takie coś by niwelować zaledwie niuansy?
Rusek
VBM Domobar Junior HX + Macap MC4T (R-C18) = :)

maciekz
zagląda od święta
Posty: 19
Rejestracja: ndz 07 paź 2012, 19:24
Sprzęt: Rancilio Silvia, Mazzer Super Jolly, Aeropress
Lokalizacja: Warszawa

Re: Poprawa stabilności temp. małych ekspresów

Postautor: maciekz » ndz 22 gru 2013, 0:25

Nie chcę zniechęcać, bo sam mam podobny sterownik w planach, ale mam wątpliwości czy potrzebnie tak bardzo walczysz z temperaturą bojlera w czasie ekstrakcji.
Ktoś może pomyśleć, że w ten sposób woda może być za gorąca na początku ekstrakcji. Racja (wypływająca z bojlera będzie), ale nie zapominajmy, że woda zanim wyleci do sitka, musi przelać się przez szereg kanalików grupy, która to skutecznie przejmie większą część nadwyżki ciepła w początkowej fazie ekstrakcji. Suma summarum amplituda temperatury wypływającej z grupy wody nie będzie już tak duża jak amplituda temperatury wody w bojlerze.
Tak samo przecież jest bez stabilizacji, na początku leci najgorętsza woda, która jest najbardziej chłodzona bo grupa jest jeszcze zimna.
Obejrzyj wykres temperatur na bojlerze i w sitku z wyłączonym grzaniem w czasie ekstrakcji na home-barista:
http://www.home-barista.com/espresso-ma ... html#13252
- przebiegi czasowe pokazują, iż stabilność temperaturowa ekstrakcji w przypadku wstępnego dogrzania bojlera jest dużo wyższa, niż w przypadku klasycznego PID, który nie jest w stanie skompensować tak dużych zakłóceń wprowadzonych do układu (zbyt duża bezwładność grzałki, układu)
- ekspres jest gotowy do kolejnego strzału praktycznie zaraz po zakończeniu danej ekstrakcji, podczas gdy sam PID potrzebuje kilku minut na ustabilizowane zadanej temperatury
Zmień stałe w swoim PIDzie, to poważnie ograniczy ten problem (zakładam, że jego czujnikiem jest termopara, nie wiem jak sobie radzi w przypadku czujników o większej bezwładności). Moje się raczej nie przydadzą, bo mam najtańszego chińskiego PIDa jaki był na rynku i on całkuje tylko ograniczony przedział czasu, którego długość się reguluje, i ta długość oczywiście wpływa na stałe które trzeba ustawić. Ale ekspres jest gotowy do następnego strzału po małych kilkudziesięciu sekundach, na pewno mniej niż minuta.

Co do tego, czy temperatura w czasie ekstrakcji powinna być stała czy delikatnie spadać, to jest to temat szeroko dyskutowany i jeśli chcesz to powinieneś łatwo znaleźć więcej niż być chciał wypowiedzi na ten temat.
- nie mierzyłem temperatury wody wypływającej z prysznica, ale zakładam, że w przypadku zielonej ekstrakcji (praca sterownika) jest ona praktycznie stała podczas całego czasu trwania, gdyż odchylenia rzędu +-2’C są niemal w całości pochłaniane i kompensowane przez miedzianą grupę, która ma sporą pojemność cieplną
Patrząc na wykres o którym pisałem z niezmodyfikowanego wykresu - warto by to było zmierzyć i zobaczyć, czy jest istotna zmiana na plus, ale to może nie być łatwe, bo jak widzę używasz chyba ADC wbudowanego w mikrokontroler, co praktycznie wyklucza łatwe i sensowne pomiary termoparą, a czujniki typu Pt100 są trochę za wolne do pomiaru wody wychodzącej z ekspresu.

Możesz obejrzeć pomysły innych na dodanie elektronicznego sterowania do Silvii żeby zobaczyć co zrobili i się zainspirować:
http://nicolas.kruchten.com/content/201 ... e-control/
http://mackro.se/coffee/

sinus3121
zagląda śmielej
zagląda śmielej
Posty: 28
Rejestracja: pn 24 paź 2011, 22:02
Sprzęt: Rancilio Silvia + PID, Macap MC4
Lokalizacja: Wieliczka

Re: Odp: Poprawa stabilności temp. małych ekspresów

Postautor: sinus3121 » ndz 22 gru 2013, 12:44

Dziękuję.

Wiesz, jedni sklejają modele samolotów, inni szyja na drutach, jeszcze inni przesiadują wieczory z piwem przed telewizorem... moje ostatnie hobby to elektronika, a ten projekt to bardziej wyzwanie :-) kilka dobrych wieczorów na to poświęciłem, czasami nawet przy piwku ;-)

Awatar użytkownika
Jeżyk
kawa w żyłach
kawa w żyłach
Posty: 544
Rejestracja: pn 11 sty 2010, 1:02
Sprzęt: garnek

Re: Poprawa stabilności temp. małych ekspresów

Postautor: Jeżyk » ndz 22 gru 2013, 22:05

Witam. Sporo pracy włożyłeś w ten projekt. Podziwiam taki zapał. Ja skorzystałem z regulatora PID firmy LUMEL RE44. Wykorzystałem autoadaptację, która jest moim zdaniem lekarstwem na mały zbiornik i zachodzące w nim zmiany. Atoadaptacja w tym PID-zie może być z zimnego lub gorącego startu. Wynik jest bardziej niż zadowalający. Oczywiście PID w połączeniu z przekaźnikiem SSR załączanym w zerze sinusoidy. Można też próbować funkcji samodostrajania PID-a, można po prostu zadać parametry i czekać co będzie. Wierz mi, że różnice między PID-owanym ekspresikiem z małym bojlerem a takim obsługiwanym po prostu z pewnym doświadczeniem jest jedynie w komforcie braku potrzeby pilnowania temperatury ekstrakcji. Mam parę pytań. Gdzie umieściłeś czujnik temperatury wody, ile sztuk tych czujników i jakiego typu on (one) jest (są). Są regulatory temperatury mające kilka wejść i pilnujące WYLICZONEJ temperatury w konkretnym miejscu a także zależności zewnętrznych wpływów na te temperatury (np. wpuszczanie zimnej wody do zbiornika) i prędkości dokonywanych tam zmian. Między temp.wody na ciastku kawowym a temp wody w różnych częściach bojlera różnica jest znaczna i np. pomiar temperatury na górnej ściance grupobojlera (tam, gdzie jest termostat) wskazuje 100*C a na sitku prysznica będzie 90*C Grzałki mają bezwładność i po wyłączeniu przez termostat ciągle jeszcze podnoszą temperaturę wody. Dlatego autoadaptacja PID-a "uczy się" bezwładności grzałki, pojemności bojlera i bardzo ładnie dostosowuje czas załączenia i wyłączenia grzania. Bardzo istotnym zagadnieniem jest to, GDZIE damy czujnik temperatury a tym samym CO on będzie mierzył. MOIM zdaniem stosowanie PID-a jest i tak przerostem formy w tak małym bojlerze jaki ma RS i inne tego typu popularne ekspresy. Oczywiście poprawia to kulturę pracy grzałki i samopoczucie właściciela. Jednak NIE DA SIĘ tak do końca stworzyć doskonałych warunków dla zmielonych ziarenek, żeby je zaparzyć w sposób idealny za każdym razem. Gdyby się tak naprawdę zabrać do tego problemu na poważnie to istnieje mnóstwo zmiennych o których mamy blade pojęcie a które MOGĄ mieć wpływ na efekt końcowy. Myślę, że wpływ wilgotności i temperatury zmielonego ziarna, ciśnienie atmosferyczne, fazy księżyca czy inne niezbadane do tej pory zjawiska również mogą mieć wpływ na ekstrakcję. Po różnych próbach przeprowadzanych na przeróżnych maszynkach z PID-ami fabrycznymi i takimi przemysłowymi jak ten LUMEL chociażby, doszedłem do wniosku, że już mi się nie chce i nie ma to najmniejszego sensu. To tak, jakbym chciał roztrząsać, czy w tej akurat zmielonej porcji do sitka wpadło mi mniej czy więcej ziarenek z mieszanki, czy składnika A mam tyle samo co poprzednio a może składnik B lub C albo D,E,F przeważył w sitku teraz? Nie dajmy się zwariować, przeciętny ekspres wyprodukuje przeciętne lub dobre espresso, może czasem coś lepszego uda mu się zrobić? Trzeba zmielić kawę, ubić w sitku, załączyć ekstrakcję i wypić jak espresso wyjdzie dobre. Jak nie, to zmienić coś i próbować do skutku. W pewnym momencie dojdzie się do wprawy i PRAWIE za każdym razem stworzy coś pijalnego. Nie zrażaj się jednak i próbuj, ja po prostu jestem już PO eksperymentach. Załączam ekspres i po 20 minutach mielę kawę do sitka, załączam ekstrakcję i piję to co zrobiłem. Jest to PRAWIE zawsze coś co mi smakuje. Dla poprawy humoru obejrzyj TO

Awatar użytkownika
Oskar1
kawa w żyłach
kawa w żyłach
Posty: 309
Rejestracja: śr 29 lut 2012, 15:45
Sprzęt: Gaggia Classic, cà phê phin, młynek Iberital Challenge, Presso
Lokalizacja: Olsztyn

Re: Poprawa stabilności temp. małych ekspresów

Postautor: Oskar1 » pn 23 gru 2013, 11:25

Dzisiaj rano się zastanawiałem kiedy moja GC kończy gwarancję bo może też bym w niej dłubnął. Programator do AVR cały czas leży w szufladzie.
Spinałeś mikroprocesor z czujnikiem temperatury czy robi tylko za timer? Widzę że sterowanie na triakach - gołe czy dawałeś jakieś dodatkowe zabezpieczenia przepięciowe albo inne?

sinus3121
zagląda śmielej
zagląda śmielej
Posty: 28
Rejestracja: pn 24 paź 2011, 22:02
Sprzęt: Rancilio Silvia + PID, Macap MC4
Lokalizacja: Wieliczka

Re: Poprawa stabilności temp. małych ekspresów

Postautor: sinus3121 » wt 24 gru 2013, 0:38

Jeżyk, odpowiadając na Twoje pytania:
- za czujnik temperatury do PID służy mi termopara K. W górnej części bojlera nawierciłem ok 1cm otwór wzdłuż ścianki i końcówkę termopary zatopiłem w otworze pastą termo.
- czujnik mam tylko jeden, gdyż mój regulator to klasyczny PID

Jeżeli do filiżanki wlewa Ci się 25/50ml naparu w 25 sek to, w przypadku małych bojlerów, pozostaje Ci pilnowanie już tylko jednej zmiennej - temperatury zaparzania. Duże bojlery bronią się same, a małe warto wspomóc. ZaPIDowana Sylvia sprawia, że każdy strzał jest podobny pod względem profilu temperaturowego, więc wystarczy skupić się na uzyskaniu 25/50ml :) Mój sterownik ma za zadanie utrzymać mniej więcej stałą temperaturę ekstrakcji podczas całego czasu trwania strzału, więc jest to mniej lub bardziej udana emulacja ekspresów z większym bojlerem :)


Oskar,
mikroprocesorowy sterownik oraz PID z czujnikiem temperatury łączy tylko wspólna obudowa, nic więcej. PID utrzymuje zadaną temperaturę, a sterownik służy tylko do wstępnego podgrzania bojlera i grupy, ma też jedno wejście 230v do wykrywania pracy pompy. Zastanawiałem się nad zrobieniem od zera własnego PIDa, którego sam algorytm regulacyjny to 'kilka linijek' kodu, ale miałem wątpliwości czy bym sobie poradził z częścią analogową... Tak, elementami wykonawczymi są triaki, zabezpieczone przed 'snubbingiem' równolegle do wyjścia wpiętym R39 razem z 0.01μF.

sinus3121
zagląda śmielej
zagląda śmielej
Posty: 28
Rejestracja: pn 24 paź 2011, 22:02
Sprzęt: Rancilio Silvia + PID, Macap MC4
Lokalizacja: Wieliczka

Re: Poprawa stabilności temp. małych ekspresów

Postautor: sinus3121 » ndz 29 gru 2013, 23:03

hej, jakoś umknął mi Twój, jakże ciekawy, komentarz.
Obejrzyj wykres temperatur na bojlerze i w sitku z wyłączonym grzaniem w czasie ekstrakcji na home-barista:
http://www.home-barista.com/espresso-ma ... html#13252
Przeglądając te i podobne wykresy, rzeczywiście, Sylvia, poza pierwszymi sekundami, trzyma mniej więcej stałą temperaturę na sitku podczas typowej ekstrakcji. Myślałem, że jest gorzej :)
Zmień stałe w swoim PIDzie, to poważnie ograniczy ten problem (zakładam, że jego czujnikiem jest termopara, nie wiem jak sobie radzi w przypadku czujników o większej bezwładności). Moje się raczej nie przydadzą, bo mam najtańszego chińskiego PIDa jaki był na rynku i on całkuje tylko ograniczony przedział czasu, którego długość się reguluje, i ta długość oczywiście wpływa na stałe które trzeba ustawić. Ale ekspres jest gotowy do następnego strzału po małych kilkudziesięciu sekundach, na pewno mniej niż minuta.
hmm..
Przeprowadzałem kilkukrotnie automatyczne strojenie na ciepłej i zimnej Sylvi i uzyskane nastawy stabilizują mi temperaturę w ok 2-3 min. Pierwsza oscylacja to ok 3-4 'C (106-107'C) ponad temperaturę zadaną i potem powoli dochodzi do 103'C... (czasy i temperatury podaję z głowy). Próbowałem tez kiedyś ręcznie modyfikować nastawy, przeprowadzając serię doświadczeń, ale nie udało się znacząco poprawić sterowania.

Mam również taniego, chińskiego PIDa: http://sklep.termoregulatory.pl/index.p ... &id_lang=2

Termopara K.
Może problem to zła lokalizacja termopary?
Gdzie Ty mierzysz temperaturę?

Czy inni posiadacze Sylvi z PIDem również po <1min nie maja już oscylacji ?
Patrząc na wykres o którym pisałem z niezmodyfikowanego wykresu - warto by to było zmierzyć i zobaczyć, czy jest istotna zmiana na plus, ale to może nie być łatwe, bo jak widzę używasz chyba ADC wbudowanego w mikrokontroler, co praktycznie wyklucza łatwe i sensowne pomiary termoparą, a czujniki typu Pt100 są trochę za wolne do pomiaru wody wychodzącej z ekspresu.
Nie, mikrokontroler służy tylko do pasywnego sterowania grzałką, pompą, aADC nie jest wykorzystywany. Nie mam w tym momencie drugiej termopary i czytnika, ale jak dorwę, spróbuję pomierzyć.

Na ile mogę sobie wyobrazić mój przebieg, z racji wstępnego dogrzania grupy, powinien mieć krótszy czas dojścia do docelowej temperatury i raczej nie grozi mu spadek w jej trakcie, abstrahując czy jest to pożądane czy nie :)

maciekz
zagląda od święta
Posty: 19
Rejestracja: ndz 07 paź 2012, 19:24
Sprzęt: Rancilio Silvia, Mazzer Super Jolly, Aeropress
Lokalizacja: Warszawa

Re: Poprawa stabilności temp. małych ekspresów

Postautor: maciekz » czw 02 sty 2014, 0:21

Mierzę temperaturę tam, gdzie był oryginalny termostat. Przykręciłem oryginalną śrubką końcówkę termopary zamiast jednego ze "skrzydełek" termostatu, smarując obficie od strony bojlera pastą termoprzewodzącą. Nie mam pomysłu na lepsze miejsce, chociaż mam świadomość że tam temperatura jest zawyżona.

U mnie automatyczne strojenie dawało podobne rezultaty do Twoich, dlatego zdecydowałem się na zabawę stałymi. Chyba najlepszym pomysłem byłoby na początek zmniejszenie stałych I i D źeby odpowiedź była szybsza.


Wróć do „Tuning”

Kto jest online

Użytkownicy przeglądający to forum: Obecnie na forum nie ma żadnego zarejestrowanego użytkownika i 6 gości