Espressomaschine mit kalter Brühgruppe

 

PID-Regelung des Kaffeebezugs

Die realisierte PID-Regelung des Kaffeebezugs wird durch die Verwendung von Temperatursensoren, Drucksensoren, Wägezellen und Dosierventilen realisiert.


Es wird sichergestellt, dass die Brühwassertemperatur im Bereich 60°C und 98°C durch den Nutzer als Festwert oder als Temperaturverlauf über die Zeit frei definierbar, im höchsten Maße reproduzierbar und von einem Kaffeebezug zum nächsten veränderbar ist.


Hierzu wird ein PID-Regelkreis mit den Stellgrößen für das Kaltwasser-Dosierventil (siehe Abbildung Position 10!) und das Heißwasser-Dosierventil (siehe Abbildung Position 11!) derart verwendet, dass die Brühwassertemperatur zeitgenau geregelt wird. Als Messwert hierzu dient der Temperatursensor in der Mischkammer.


Zeitgleich wird die zeitgenaue Durchflussrate nebst frei wählbarer Preinfusionszeit mittels PID-Regelkreis geregelt. Die Stellgrößen hierzu sind ebenfalls das Kaltwasser-Dosierventil und das Heißwasser-Dosierventil. Die Kopplung der beiden Regelkreise erfolgt durch Multiplikation der jeweiligen Einzelstellgrößen mit einem Volumenfaktor, welcher aus der Kalibrierung der individuell verbauten Dosierventilen ermittelt wird.


Für die Bestimmung der Istgröße Kaffeevolumen wird eine Wägung (siehe Abbildung Position 6) durchgeführt.


Nach dem Kaffeebezug wird über die Schaltung der Magnetventile bewirkt, dass die wasserführende Leitung ab dem Wendelrohrboiler vom vorhandenen Wasser entleert wird. Dies dient der thermischen Isolierung der Brühgruppe gegenüber den heißen Bauteilen der Kaffeemaschine und lässt Änderungen der Kaffeebezugstemperatur von Brühvorgang zu Brühvorgang zu.


Über den verwendeten Drucksensor wird während des Kaffeebezugs erkannt, dass die im System vorhandene Luft über die Maschinenüberlaufleitung entwichen ist und somit die Preinfusionszeit beginnt. Bei Erkennen des Druckanstiegs wird dieser auf einem Sollwert bzw. Sollwertverlauf gehalten, bis dass die eingestellte Preinfusionszeit verstrichen ist.


Der Temperaturverlauf über die Zeit - das Temperaturprofil - kann durch manuelle Vorgabe des Temperatursollwertes während eines Kaffeebezugs erstellt werden. Gleiches ist für den zeitlichen Verlauf der Durchflussrate - dem Durchflussprofil - realisert.


Für alle Regelungen gilt, dass diese als microcomputergestütze PID-Regelkreise mit I-Faktor größer 0 ausgeführt sind. Die verwendeten Temperatursensoren, die Aufheizcharakteristik der verwendeten Bauteile, die Drucksensoren sowie die Kennlinien der Dosierventile werden individuell werkskalibriert. Hierdurch wird höchste Genauigkeit und höchste Reproduzierbarkeit für den Espressobezug gewährleistet.


Die erste technische Umsetzung dieser Problemstellung erfolgte im Sommersemester 2020 durch Felix Müller (mehr ...)



Verfasser:

Armin Rohnen

Erich Weidler



Institut für Kaffeetechnologie, armini gbr Ingenieursdienstleistungen