Technische Beeinflussbarkeit der Geschmacksache Kaffee - Benutzerbeiträge [de]

Glasboilermaschine

2024-07-23T19:12:01Z

Ze Lee: /* ToDo-Liste 1 Zylinder */

<htmltag tagname="img" src="http://vg04.met.vgwort.de/na/b0d68a04d4d54f498c331933d33efebf" width="1" height="1" alt=""></htmltag>
[[Datei:Breites Logoband.png|mini|zentriert|hochkant=2.5]] 

= Die Glasboilermaschine - MMM Style =

[[Datei:20230226 Glasboilermaschine Stand Feb2023.png|thumb|750px|gerahmt|zentriert|alternativtext=Armin Rohnen, Glasboilermaschine|Armin Rohnen, Glasboilermaschine]]

Durch eine Idee auf Worl of Coffee 2018 in Amsterdam (WOC18) wurde 2018 damit begonnen zu forschen, ob Borosilikat-Glas als Material für den Wasserboiler einer Siebträger-Espressomaschine verwendet werden kann.

Durch die spezifischen Material-Eigenschaften wie Hitzebeständigkeit, Geschmacksneutralität und den guten Isolationseigenschaften, die Borosilikat-Glas in doppelwandiger Ausführung mit sich bringt, erschien es als Fertigungsmaterial für den Boiler besonders geeignet zu sein. Trotzdem ist die Verwendung dieses Materials in der Industrie bei den etablierten Herstellen bis jetzt gänzlich unbekannt. Boiler handelsüblicher Maschinen werden meist aus Stahl gefertigt und sind im Gehäuse der jeweiligen Maschine versteckt.

Bei einem Boiler aus Borosilikat-Glas kann der Nutzer, sofern die freie Einsehbarkeit des Boilers gewährleistet ist, den Erhitzungsvorgang des Wassers von Anfang bis Ende miterleben. Das Sprudeln des Wassers während des Betriebs des Boilers sehen zu können ist eine absolute Neuheit, die in Kombination mit der Ästhetik und den Materialeigenschaften des Borosilikat-Glases seinesgleichen sucht.

Erste Versuche mit einem behelfsmäßigen Versuchsaufbau zeigten, dass Borosilikat-Glas in der Realität tatsächlich als Material für den Boiler geeignet ist und mehrere Vorteile gegenüber dem herkömmlichen Stahl mit sich bringt.

Daraufhin wurde beschlossen, das Konzept des Borosilikat-Glasboilers weiterzuverfolgen und ein Entwicklungsprojekt für eine eigene Siebträger-Espressomaschine zu starten, die mithilfe studentischer Projekt- und Abschlussarbeiten an der Fakultät 03 der Hochschule München konzipiert werden soll.

In den letzten drei Jahren arbeiteten mehrere studentische Projektgruppen an der Thematik, sodass mittlerweile eine große Menge an Dokumenten und Versuchsergebnissen vorhanden ist.

= Dokumente und Arbeiten =
* [[:Datei:20220112_Entwicklung_einer_Siebträger-Espressomaschinemit_Borosilikat-Glasboiler.pptx|Projektpräsentation Stand Januar 2022]]
* Wintersemester 2018/2019: [[Abschlussarbeit Tritschler]]
* Wintersemester 2019/2020: [[Versuche Glasboiler 2020|Projektarbeit Florian Fritz, Sebastian O'Reilly, Tim Kittelmann, Johannes Kastner]]
* Sommersemester 2020: [[Konstruktion Labormaschine 2020|Projektarbeit Tobias Blädel, Til Ahlgrim, Lukas Ankner, Yasin Bolat, Fabian Weber, Florian Michal (Abschnitt 2.1 und 5.2)]]
* Wintersemester 2021/2022: [[Abschlussarbeit Isabell Nuissl 2021|Abschlussarbeit Isabell Nuißl]]
* Felix Kistler, [[Business Case Glasboilermaschine 2022|Business Case Glasboiler-Maschine]], Stand 01.02.2022
* Sommersemester 2022: [[Projektarbeit Mustafa Inaltekin, Luca Simon Kurbjuweit]]
* Sommersemester 2022: [[Abschlussarbeit Erik Reitsam]]
* Sommersemester 2022: [[Design MMM Style "on Table", Forschungsmaster, Felix Kistler]]
* Sommersemester 2022: [[Projektarbeit Felix Kistler]]
* Wintersemester 2022/23: [[Projektarbeit Martin Aspacher, Michael Albrecht, Stefanie Diener]]
* Wintersemester 2023/24: [[Projektarbeit Thomas Neumeier, Edmond Sogor, Florian Wörle|Prototypenbau 1-Zylinder Glasboilermaschine]]
* Wintersemester 2023/24: [[Abschlussarbeit Felix Kistler|Entwicklung 2-Zylinder Glasboilermaschine]]
* Sommersemester 2024: [[Projektarbeit Florian Buchholz, Felix Forster, Michael Richter, Ferdinand Harbauer|Weiterführung Prototypenbau 1-Zylinder Glasboilermaschine]]
* Sommersemester 2024: [[Projektarbeit Amir Braun, Ze Lee, Leonhard Schöner|Entwicklung von Sensoren und Aktoren]]
* Sommersemester 2024: [[Projektarbeit Vivien Denise Hoffmann, Aurelia Zerle, David Kamm|Detailkonstruktionen]]

= ToDo-Listen Glasboilermaschinen - MMM Style =
== Status ==
10 - Erfasst 
30 - in Bearbeitung 
50 - Lösung definiert 
70 - in Umsetzung 
90 - Umsetzung abgeschlossen 
99 - Abbruch per Beschluss (Dokumentation dazu erforderlich) 
100 - Maßnahme bestätigt 

== ToDo-Liste 1 Zylinder ==
{| class="wikitable sortable"
|+
|-
! Arbeitspaket !! ToDo !! Wer !! Priorität !! Status !! WV
|-
| Technische Planung || [http://www.institut-fuer-kaffeetechnologie.de/Intern/index.php?title=Teilenummern_1_Zylinder_Glasboilermaschine Teilenummern 1 Zylinder Glasboilermaschine] || alle || 1 || 90 || laufend
|-
| Konstruktion || [[Style-Global:Verspanndeckel|Verspanndeckel]] || || 1 || 70 ||
|-
| Konstruktion || [[Style-Global:Tank|Tank]] || || 1 || 70 ||
|-
| Konstruktion || [[Style-1-Zylinder:Abtropfwanne|Abtropfwanne]] || || 1 || 10 ||
|-
| Konstruktion || [[Style-1-Zylinder:Abtropfblech|Abtropfblech]] || || 1 || 10 ||
|-
| Konstruktion || [[Style-Global:Brühturm|Brühturm]] || || 1 || 90 ||
|-
| Konstruktion || [[Style-Global:freitragende Brühgruppe|freitragende Brühgruppe]] || || 1 || 90 ||
|-
| Konstruktion || [[Style-Global:Brühgruppenabdeckung|Brühgruppenabdeckung]] || Vivien Hoffmann||1 || 30 ||29.07.2024
|-
| Konstruktion || [[Style-Global:Vertikalhebel|Vertikalhebel]] || David Kamm||1 || 70 ||29.07.2024
|-
| Konstruktion || [[Style-Global:Dampflanze|Dampflanze]] || || 1 || 10 ||
|-
| Konstruktion || [[Style-Global:Teewasserlanze|Teewasserlanze]] || || 1 || 10 ||
|-
| Konstruktion || [[Style-Global:Glasboiler|Glasboiler]] || || 1 || 90 ||
|-
| Konstruktion || [[Style-Global:Isolierung|Isolierung zwischen den Zylindern]] || || 1 || 10 ||
|-
| Konstruktion || [[Style-1-Zylinder:Unterbau|Unterbau]] || || 1 || 90 ||
|-
| Konstruktion || [[Style-1-Zylinder:Bodenplatte|Bodenplatte]] || || 1 || 90 ||
|-
| Konstruktion || [[Konstruktionsanpassungen der Brühgruppe|Konstruktionsanpassungen der Brühgruppe (labortechnische Espressomaschine)]] || || 1 || 90 ||
|-
| Inbetriebnahme || [[Style-1-Zylinder:Teilemanagement|Teilemanagement]] || || 1 || 30 ||
|-
| Inbetriebnahme || [[Style-1-Zylinder:Glasboiler|Glasboiler]] || || 1 || 70 ||
|-
| Inbetriebnahme || [[Style-1-Zylinder:Verrohrung und Verkabelung Boilergruppe|Unterbau Verkabelung]] || Ferdinand Harbauer|| 1 || 50 ||20.06.2024
|-
| Inbetriebnahme || [[Style-1-Zylinder:Tanks|Tanks]] || || 1 || 30 ||
|-
| Inbetriebnahme || [[Style-1-Zylinder:Lanzen|Lanzen]] || || 1 || 10 ||
|-
| Inbetriebnahme || [[Style-1-Zylinder:Inbetriebnahme Unterbau|Unterbau Verrohrung]] || Michael Richter|| 1 || 50 ||20.06.2024
|-
| Inbetriebnahme || [[Style-1-Zylinder:Abtropfbereich|Abtropfbereich]] || || 1 || 10 ||
|-
| Inbetriebnahme || [[Style-1-Zylinder:Brühturm|Brühturm]] || Ferdinand Harbauer|| 1 || 90 ||18.07.2024
|-
| Inbetriebnahme || [[Style-1-Zylinder:Mechatronik|Sensoren/Aktoren (Mechatronik)]] || || 1 || 10 ||
|-
| Inbetriebnahme || [[Style-1-Zylinder:Elektronik|Elektronik, Netzteil, NOT-AUS]] || Ferdinand Harbauer|| 1 || 90 ||20.06.2024
|-
| Inbetriebnahme || [[Style-1-Zylinder:Software|Software]] || Florian Buchholz|| 1 || 30 ||20.06.2024
|-
| Inbetriebnahme || [[Style-1-Zylinder:Dichtheit|Dichtheitsprüfung]] || Florian Buchholz, Felix Forster|| 1 || 90 ||
|-
| Inbetriebnahme || [[Style-1-Zylinder:Funktionstest|Funktionstest]] || Ferdinand Harbauer|| 1 || 10 ||20.06.2024
|-
|Inbetriebnahme
|[[Erstellung einer gesamthaften Montageanleitung]]
|Felix Forster
|1
|30
|20.06.2024
|-
| Sensoren und Aktoren || [[Alternative Drucksensoren|Alternative Sensoren]] || || || 100 ||
|-
| Sensoren und Aktoren || [[AVS Römer SmartFlow Außenzahnradpumpe]] || || || 10 ||
|-
| Sensoren und Aktoren || [[Sensorkonstruktion|Konstruktion Temperatursensor, Drucksensor und Dosierventil]] || Amir Braun|| 1|| 30 ||24.07.2024
|-
| Sensoren und Aktoren || [[Prüfprozesse|Prüfprozesse für Temperatursensor, Drucksensor und Dosierventil]] || Ze Lee|| 1|| 30 ||24.07.2024
|-
| ZB|| [[Hydraulikplan Style und Labor]] || Armin Rohnen ||1 || 90 ||
|-
| ZB|| [http://www.institut-fuer-kaffeetechnologie.de/Intern/index.php?title=Die_Glasboilermaschine_-_Style#Armin_Rohnen%2C_04.04.2022 CAD-Daten MMM Style 1-Zylinder] || || || ||
|-
| ZB|| [http://www.institut-fuer-kaffeetechnologie.de/Intern/index.php?title=Montageanleitun(en)_1_Zylinder_Glasboilermaschine Montageanleitung(en) MMM Style 1-Zylinder] || || || ||
|-
| ZB || [[Style-1-Zylinder:Konstruktionsänderungen|Konstruktionsänderungen, Festigkeitsnachweise, Mängelliste]] || || 1 || 30 ||
|}

== ToDo-Liste 2 Zylinder ==
[[Datei:20240523 Finale Ansicht-2-Zylinder-Maschine ohne BG.png|thumb|500px|gerahmt|rechts|alternativtext=Felix Kistler, 2-Zylinder-Maschine|Felix Kistler, 2-Zylinder-Maschine]]
{| class="wikitable sortable"
|+
|-
! Arbeitspaket !! ToDo !! Wer !! Priorität !! Status !! WV
|-
| ZB|| [[Hydraulikplan Style 2-Zylinder]] || ||1 || 100 ||
|-
| Technische Planung || [http://www.institut-fuer-kaffeetechnologie.de/Intern/index.php?title=Teilenummern_2_Zylinder_Glasboilermaschine Teilenummern 2 Zylinder Glasboilermaschine] || alle || 1 || 90 || laufend
|-
|Technische Planung
|[[Maschinenkonzept 2-Zylinder]]
|
|1
|100
|
|-
|Konstruktion
|[[Style-Global:Glasboiler|Glasboiler]]
|Felix Kistler
|1
|90
|
|-
|Konstruktion
|[[Style-Global:Tank|Tank]]
|Felix Kistler
|1
|90
|
|-
|Konstruktion
|[[Style-Global:Brühturm|Brühturm]]
|Felix Kistler
|1
|90
|
|-
|Konstruktion
|[[Style-2-Zylinder:Abtropfwanne|Abtropfwanne]]
|Felix Kistler
|1
|90
|
|-
|Konstruktion
|[[Style-1-Zylinder:Lanzen|Lanzen]]
|Felix Kistler
|1
|90
|
|-
|Konstruktion
|[[Style-2-Zylinder:Unterbau|Unterbau]]
|Felix Kistler
|1
|90
|
|-
|Konstruktion
|[[Style-1-Zylinder:Bodenplatte|Bodenplatte]]
|Felix Kistler
|1
|90
|
|-
|Technische Planung
|[[Style-2-Zylinder:Kostenkalkulation und Kostenoptimierung|Kostenkalkulation und Kostenoptimierung]]
|Felix Kistler
|1
|90
|
|}

Projektrücksprache 19.06.2024

2024-06-24T18:59:13Z

Ze Lee: Protokoll am 19.06.2024 einpflegen

== Besprechungsprotokoll ==
Ort: Hochschule München

Datum: 19.06.2024

Teilnehmer: Amir Braun, Ze Lee, Leonhard Schöner, LbA Rohnen

Moderator: Leonhard Schöner

Protokollant: Ze Lee

== Top 1) Genehmigung Protokoll letzte Rücksprache ==
Das Protokoll der letzten Rücksprache vom 05.06.2024 wurde inhaltlich genehmigt und bereits ins Wiki aufgenommen.

== Top 2) Prüfprozesse für Temperatursensor, Drucksensor und Dosierventil ==
Während des Versuchs zur Untersuchung der Endlagen wurde ein Spannungseinbruch festgestellt. Um dieses Problem zu beheben, sollte der Strom für einen kurzfristigen Betrieb auf bis zu 2 A erhöht werden. Des Weiteren stellte sich das Problem, dass der Motor zwar gebrummt hat, sich aber nicht gedreht hat. Es wurde daher empfohlen, die Schaltung des Schrittmotors mit dem Leistungstreiber gemäß dem Schaltplan zu überprüfen. Im nächsten Schritt soll geprüft werden, ob der Motor den Widerstand des Kugelhahns überwinden kann, ohne Halbschritte zu verlieren. Die Ergebnisse dieser Untersuchung sollen beim nächsten technischen Rücksprachetermin am 24.06.2024 präsentiert werden, um das weitere Vorgehen zu diskutieren.

== Top 3) Konstruktion Temperatursensor und Berechnung Dosierventil ==
Es wurde allgemein betont, dass eine Terminvereinbarung effektiver ablaufen sollte, anstatt ständig hin und her zu kommunizieren.

Für die Berechnung des Setzverhaltens wurde darauf hingewiesen, dass die Kenndaten des Druckmaterials, wie die Rautiefe, herangezogen werden sollen, da diese sich von Stahl unterscheiden. Um den Schrittmotor korrekt arretieren und prüfen zu können, soll die Halterung demnächst gedruckt werden. Hierzu ist der G-Code mit PrusaSlicer zu erstellen, damit das Bauteil mittels Prusa MK4 mit einer 0,4 mm Düse aus PLA gedruckt werden kann.

== Top 4) MATLAB® GUI ==
Damit die Multi-MCU-Initialisierung funktioniert, dürfen außer den Microcontrollern keine anderen freien Ports existieren. Die Liste der nicht gebundenen COM-Ports kann über das MATLAB Command Window abgerufen werden.

In den nächsten Tagen soll die Pumpe umgebaut werden, wobei auf eine ordentliche Arbeitsweise geachtet werden muss. Die Pumpe muss erst initialisiert und danach an die Versorgungsspannung von 24 V angeschlossen werden, da der DAC vor der Initialisierung einen Wert ausgibt, der ein ungewolltes Anspringen der Pumpe verursachen würde.

== Top 5) Nachverhandlung Zielvereinbarung ==
Die Nachverhandlung der Zielvereinbarung wurde nicht akzeptiert, da der aktuelle Stand der einzelnen Aufgaben, die weitere Vorgehensweise und die erreichbaren vereinbarten Ziele fehlten. Sollten die Aufgaben an die Nachgruppe durch LbA Rohnen übergeben werden, sind diese Punkte konkret zu definieren, damit die Nachgruppe nicht überlastet wird und die Aufgaben ordentlich übernehmen kann.

Es wurde jedoch empfohlen, eine Verschiebung des Abgabedatums um eine Woche anzustreben, da nach den Prüfungen mehr Kapazität in den Projektaufwand investiert werden könnte. Beim nächsten einzelnen technischen Rücksprachetermin am 24.06.2024 soll ermittelt werden, wo die Projektteilnehmer stehen, was erledigt wurde, was noch zu tun ist, welche Maßnahmen zu ergreifen sind und was noch leistbar ist.

== Top 6) Blick in den Projektplan ==
Dieser Punkt wurde übersprungen, da er vor der Nachverhandlung hätte vorgestellt werden sollen.

== Top 7) Allgemeine Infos zur KW 27 ==
Vom 01.07 bis 03.07. ist LbA Rohnen außer Haus. Ein Laborbesuch sollte daher entweder mit Patricia Viebke oder Dominik Bichler geplant werden. Am 04.07. sind sowohl Patricia Viebke als auch LbA Rohnen aushäusig, wobei LbA Rohnen zusätzlich um 16 Uhr einen Termin hat. In der KW 27 ist der Laborbesuch daher eher kritisch. Der Rücksprachetermin am 03.07. wird deshalb auf den 10.07. verschoben. Ob der Termin am 17.07. ebenfalls verschoben wird, bleibt noch offen und wird im nächsten Rücksprachetermin besprochen.

Prüfprozesse

2024-06-17T08:23:48Z

Ze Lee: Software Dosierventil

= Ze Lee, 17.06.2024 =

= Konzept für die Soft- und Hardware für die Prüfprozesse =

= Temperatursensor =
Der Widerstand eines NTC-Thermistors ändert sich in Abhängigkeit der Temperatur. Um den Widerstandswert messen zu können, kommt ein Spannungsteiler zum Einsatz, der sich aus einer Reihenschaltung von zwei Widerständen mit dem gleichen Widerstandswert (10 kΩ) zusammensetzt, wobei ein Vorwiderstand vor dem NTC vorgeschaltet wird. Der Spannungsabfall am NTC wird an einem definierten Analogeingang am MCU (STM32H743ZI) erfasst. Um präzise Wandlungsergebnisse zu erzielen, wird eine 4096 mV Referenzspannungsquelle (MCP1541) vor dem 16-Bit-ADC geschaltet. Die anliegende Spannung lässt sich mit der folgenden Formel berechnen:

<math>U_{Aus} = X_{Pin}.\frac{4.096 V}{65525}</math>

wobei die Speisespannung des Spannungsteilers 4,096 V beträgt und <math>X_{Pin} </math> der gelesene Wert vom angegebenen analogen Pin. Die Reaktionszeit des Temperatorsensors wird über die NI-Messkarte des Pumpenprüfstands erfasst und mithilfe von MATLAB ausgewertet. Die Messschaltung wird auf einem Steckbrett aufgebaut. Es wird eine Messung mit 20000 Messwerten je Sekunden definiert. Das ergibt eine Zeitauflösung von 0,05 ms. Die Messung wird gestartet und der Prüfling schlagartig einer Temperaturänderung ausgesetzt, indem er in eine Tasse mit heißem Wasser getaucht wird. Die Messung dauert ca. 45 Sekunden. Ebenso wurde nach dem gleichen Prinzip die entgegengesetzte Richtung (von heiß nach kalt) untersucht. Aus den erfassten Daten lässt sich die Reaktionszeit, T65 ermitteln. Für die Kalibrierung werden die Zieltemperatur und die Anzahl der Kontrollpunkte in der GUI angegeben. Bei Erreichen einer stabilen Kontrolltemperatur an jedem Kontrollpunkt wird mit einem MicroPython Skript eine Messung über das STM32 ausgeführt. Beim Anklicken des nächsten Kontrollpunktes wird die Temperatur erhöht, gehalten und die Messschleife für die Zwischenstufe durchgeführt. Die Spannungswerte und die den einzelnen Spannungen zugeordneten Temperaturen werden gegenübergestellt und daraus wird eine Kalibrierkurve erstellt. Das bedeutet, dass bei der Initialisierung des Pumpenprüfstands die Verwendung der STM32 MCU berücksichtigt werden muss.

=== Hardware ===
Als Anforderung an die MCU wird ein Anschluss an einen ADC-Pin benötigt. Der Baustein MCP1541 benötigt eine Spannungsversorgung von 5 V. Der Einsatztemperaturbereich für den Betrieb der AVS Römer Außenzahnradpumpe beträgt bis + 95 °C. Angenommen liegt die minimale Wassertemperatur bei 10 °C (283,15 K) und die maximale bei 95 °C (368,15 K), lassen sich die Spannungswerte in dem zu erwartenden Temperaturbereich zurückrechnen. Diese liegen zwischen 0,3 V und 2,7 V. Da die I/O Struktur des PA0 Pins FT_a ist, was ein 5 V-toleranter Pin bedeutet, liegt der zu erwartende Spannungsbereich unter dem zulässigen Spannungswert, <math>V_{In}</math> des PA0 Analogpins von 5,22 V.

<math>V_{In} = Min(V_{DDA}) + 3.6 V</math>

Der Spannungswert ist im Datenblatt unter dem Abschnitt „6.3.1 General operating conditions“ zu entnehmen.

=== Software ===
Von MATLAB aus wird ein Pin als Analogeingang für die Spannungsmessung mit den Codezeilen

<code>writeline(stm32, 'import machine‘);</code>

<code>writeline (stm32, 'adc = machine.ADC(machine.PIN(„PA0“))‘;</code>

definiert. Dann wird der digitale Wert des ADCs zu den Zeitpunkten gelesen, zu denen die Spannungsmesswerte benötigt werden.

<code>writeline(stm32, 'print(adc.read_u16())‘);</code>

In der Datenverarbeitungsfunktion in der MATLAB-GUI, die der STM32 zugeordnet ist, wird der gelesene Wert in einen Spannungsmesswert umgerechnet und gepaart mit dem eingeregelten Temperaturmesswert des Pumpenprüfstands in eine .csv Datei geschrieben. Je Kontrolltemperatur werden 25 Spannungsmessungen durchgeführt, welche dann gemittelt und gepaart mit der Prüfstandtemperatur in eine .csv Datei abgelegt werden.

= Drucksensor =
Grundsätzlich ist der Nullpunkt- und Verstärkungsabgleich mit Multimeter durchzuführen. Um die Nullpunktabweichung zu ermitteln, wird der Drucksensor im unbelasteten Zustand (Relativdruck = 0 bar) an eine 5 V Spannungsversorgung angeschlossen. Die Ausgangsspannung soll an einem definierten Pin (PA1) des Mikrocontrollers null Volt betragen. Falls dennoch eine Spannung anliegt, ist diese mittels des Potentiometers auf der Verstärkerplatine so anzupassen, dass der Nullwert korrekt eingestellt wird.

Der Abgleich der Verstärkung des Drucksensors erfolgt ähnlich wie der Nullpunktabgleich. Dazu wird der Sensor mit dem Maximaldruck von 12 bar belastet und das Ausgangssignal wird so verstärkt, dass ein Spannungswert von 5 V am definierten Pin gemessen werden kann. Es ist bekannt, dass sich die gleichzeitige Justierung der Parameter gegenseitig beeinflussen kann. Daher muss der Abgleich der Potentiometer durch eine Versuchs- und Irrtumsmethode erfolgen. Nach jeder Justierung des einen Potentiometers wird überprüft, ob die andere Einstellung noch korrekt ist.

=== Hardware ===
Als Anforderung an der MCU wird ein Anschluss an einen ADC-Pin (PA1) benötigt. Der PA1 hat eine I/O Struktur von FT_ha. Unter FT ist nach der Pinoutangabe als 5 V tolerant I/O zu verstehen.

Die Messverstärkerplatine wird mit 5 V gespeist und es wird über zwei Potentiometer der Nullpunkt und die Verstärkung eingestellt.

=== Software ===
In der MATLAB GUI wird ein ADC-Pin (PA1) an der MCU definiert. Ähnlich dem Temperatursensor wird in der Pumpenprüfstandinitialisierung der Drucksensor mit beachtet werden. Der digitale Wert des ADCs wird zu den Zeitpunkten gelesen, zu denen die Spannungsmesswerte benötigt werden, also wenn bei jedem Kontrollpunkt der Kontrolldruck gefahren wird. In der Datenverarbeitungsfunktion in der MATLAB-GUI wird der gelesene Wert in einen Spannungsmesswert umgerechnet. Es wird ein Funktionsaufruf für externe MATLAB-Funktionen hinterlegt. Diese Funktion liegt als funktionslose Hülse immer vor und wird beim Aufruf gegen ein für die Datenerfassung funktionsfähiges Skript ausgetauscht. Je Kontrolldruck werden 25 Spannungsmessungen durchgeführt, welche dann gemittelt und gepaart mit der Prüfstanddruck in eine .csv Datei abgelegt werden.

= Dosierventil =
Der Kugelhahn des Dosierventils wird über eine Kupplung mit einem SM158-35S-75 Schrittmotor verbunden. Dieser Schrittmotor hat einen Schrittwinkel von 7,5°, was bedeutet, dass er 48 diskrete Schritte benötigt, um eine vollständige 360°-Drehung zu vollziehen. Zudem besitzt er ein Übersetzungsverhältnis von 75:1. Daher benötigt die Abtriebswelle im Vollschrittbetrieb 3600 Schritte für eine vollständige Umdrehung, wobei jeder Schritt die Abtriebswelle um 0,1° bewegt.

Im Halbschrittbetrieb halbiert sich der Schrittwinkel auf 3,75°, was zu 7200 Halbschritten für eine vollständige Umdrehung führt. Dies entspricht einer Bewegung der Abtriebswelle um 0,05° pro Halbschritt. Um den Kugelhahn vollständig zu öffnen oder zu schließen, ist eine Drehung von 90° erforderlich. Die dafür benötigte Schrittzahl ergibt sich aus dem Quotienten von 90° und 0,05°, was 1800 Halbschritte ergibt.

Bei der Initialisierung soll berücksichtigt werden, dass das Dosierventil sicher in eine der Endlagen gefahren wird. Es liegt bereits eine Initialisierungsroutine des Schrittmotors vor. Die Halbschrittzahl für die Ansteuerung des Schrittmotors für das Öffnen und Schließen des Dosierventils ist dementsprechend anzupassen. Es muss ermittelt werden, mit welcher Pausenzeit zwischen den Stellvorgängen gefahren wird.

Um die Funktion des Dosierventils zu überprüfen, wird der Kugelhahn schrittweise mit bestimmter Schrittzahl zugedreht, für eine definierte Zeit gehalten und der Druckanstieg im Druckmessstrang wird erfasst.

=== Hardware ===
Für die Ansteuerung des Schrittmotors beläuft sich der Spannungsbereich des Leistungstreibers („Driver Voltage Range“) zwischen 8 – 36 V. Da die vorhandene Schrittmotorsteuerung im Pumpenprüfstand mit 5 V gespeist wird, ist eine externe Schrittmotorsteuerung erforderlich, die mit 24 V vom Pumpenprüfstand eingespeist wird. Es gibt noch verfügbare Pins auf der MCU der Pumpe, die verwendet werden können, um den Schrittmotor anzusteuern. 4 Pins der MCU werden als digitale Ausgänge definiert und mit den Eingangspins (IN1, IN2, IN3 und IN4) des Motorleistungstreibers (L293D) verbunden. Am Treiber wird der Pin 8 (VS) mit der 24 V-Spannung vom Pumpenprüfstand versorgt, während Pin 16 (VSS) mit der 5 V-Logikspannung von der MCU verbunden wird. Für die Dosierventilversuche wird nicht die Funktionalität des Pumpenprüfstands verwendet, sondern es wird eine eigene Implementierung erforderlich sein.

=== Software ===
Im ersten Schritt werden die 4 Pins der MCU initialisiert und auf Logisch 0 gesetzt. Dann werden die Bestromungssequenzen der Motorwicklungen definiert. Nach diesen Sequenzen werden die Logikzuständen der vier für die Schrittmotorsteuerung definierten Digitalausgänge geschaltet. Die Funktionalitäten Zudrehen und Aufdrehen werden durch die Funktionen ''forwardStep'' und ''backwardStep'' realisiert. Für einen definierten Rundlauf des Schrittmotors muss ein Schritt nach dem anderen angesteuert werden.

= Ze Lee, 31.05.2024 =

== Reaktionszeitmessung für den ersten Prototyp des Temperatursensors ==

=== Versuchsbeschreibung ===
Der erste Prototyp des Temperatursensors wurde auf die Reaktionszeit getestet, mit der er auf Temperaturwechsel reagiert. Hierzu wurde die Messschaltung auf einem Steckbrett aufgebaut, die Spannung wurde über die NI-Messkatte des Pumpenprüfstands erfasst und mithilfe von MATLAB ausgewertet. Bei dem Versuch wurde der Temperatursensor in eine Tasse mit kaltem Wasser getaucht, die Messung in MATLAB® gestartet und dann wurde der Prüfling schlagartig einer Temperaturänderung ausgesetzt, indem er in eine Tasse mit heißem Wasser getaucht wurde. Die Messzeit wurde sinnvoll auf 45 s festgelegt. Ebenso wurde nach dem gleichen Prinzip die entgegengesetzte Richtung untersucht, in der der Sensor schlagartig von einem hohen Temperaturniveau, einer niedrigen Temperatur ausgesetzt. Die entstandenen Messdaten wurden mit Hilfe von MATLAB® geplottet, die Kurve geglättet und anschließend die Zeitkonstante der Sprungantwort ausgewertet. Diese wird auch als T65-Zeit bezeichnet und entspricht dem Zeitwert, bei dem der Sensor 65% des Endwertes erreicht hat.

=== Zielsetzung ===
Zielvorgabe von dem neuen Temperatursensor ist es, in etwa die Zeiten eines AVS-Römer Temperatursensors und eines in einer vorangegangenen Projektarbeit konstruierten Temperatursensors [122] von 0,459 s bzw. 1,470 s zu erreichen.

=== Testergebnis ===
Bei dem Versuch wurden 6 Messungen je Temperaturwechselrichtung durchgeführt. Bei der Zeitanalyse zeigte sich, dass der Sensor auf einen Temperaturwechsel von heiß nach kalt mit einer gemittelten Reaktionszeit von 2,48 s reagiert hat, während auf einen Temperaturwechsel von kalt nach heiß mit einer durchschnittlichen Reaktionszeit von 4,22 s.
{| class="wikitable"
|+Reaktionszeiten der durchgeführten Messungen für den ersten Prototyp des Temperatursensors
!Messung
!Zeitkonstante, τ (heiß nach kalt) [s]
!Zeitkonstante, τ (kalt nach heiß) [s]
|-
|1
|3,22
|4,65
|-
|2
|2,67
|3,89
|-
|3
|2,20
|4,13
|-
|4
|2,23
|4,22
|-
|5
|2,27
|3,82
|-
|6
|2,28
|4,63
|-
|Mittelwert
|2,48
|4,22
|}

== Reaktionszeitmessung für den zweiten Prototyp des Temperatursensors ==

=== Versuchsbeschreibung ===
Der zweite Prototyp des Temperatursensors wurde nach dem gleichen Prinzip des ersten Versuchs auf die Reaktionszeit getestet. Die Messzeit wurde auf 20 s angepasst, da der Endwert ohne die Messinghülse schneller erreicht wurde.

Am Aufbau des Temperatursensors selbst fällt das Einkleben des NTCs in eine Messinghülse weg. Stattdessen wird eine Schicht Harz auf die Messstelle und ein Schrumpfschlauch um den Bereich zwischen der Messstelle und der Vergleichsstelle herum aufgebracht. Für den Versuch wird der Sensor bis zur Stelle des Schrumpfschlauchendes ins heiße und kalte Wasser abwechselnd eingetaucht.

=== Zielsetzung ===
Zielvorgabe von dem neuen Temperatursensor ist es, in etwa die Zeiten eines AVS-Römer Temperatursensors und eines in einer vorangegangenen Projektarbeit konstruierten Temperatursensors [122] von 0,459 s bzw. 1,470 s zu erreichen.

=== Testergebnis ===
Bei dem zweiten Versuch wurden 5 Messungen je Temperaturwechselrichtung durchgeführt. Bei der Zeitanalyse zeigte sich, dass der Sensor auf einen Temperaturwechsel von heiß nach kalt mit einer gemittelten Reaktionszeit von 1,58 s reagiert hat, während auf einen Temperaturwechsel von kalt nach heiß mit einer durchschnittlichen Reaktionszeit von 1,20 s.
{| class="wikitable"
|+Reaktionszeiten der durchgeführten Messungen für den zweiten Prototyp des Temperatursensors
!Messung
!Zeitkonstante, τ (heiß nach kalt) [s]
!Zeitkonstante, τ (kalt nach heiß) [s]
|-
|1
|1,92
|0,94
|-
|2
|1,49
|1,27
|-
|3
|1,50
|1,21
|-
|4
|1,48
|1,30
|-
|5
|1,49
|1,28
|-
|Mittelwert
|1,58
|1,20
|}

= Armin Rohnen, 06.05.2024 =
Für die eigenentwicklungen des Temperatursensors, der Drucksensoren und des Dosierventils müssen Prüfprozesse entwickelt werden. Für diese Prüfprozesse wird der Pumpenprüfstand eingesetzt.

Prüfprozesse

2024-06-17T08:14:28Z

Ze Lee: Konzept für die Prüfprozesse

= Ze Lee, 17.06.2024 =

= Konzept für die Soft- und Hardware für die Prüfprozesse =

= Temperatursensor =
Der Widerstand eines NTC-Thermistors ändert sich in Abhängigkeit der Temperatur. Um den Widerstandswert messen zu können, kommt ein Spannungsteiler zum Einsatz, der sich aus einer Reihenschaltung von zwei Widerständen mit dem gleichen Widerstandswert (10 kΩ) zusammensetzt, wobei ein Vorwiderstand vor dem NTC vorgeschaltet wird. Der Spannungsabfall am NTC wird an einem definierten Analogeingang am MCU (STM32H743ZI) erfasst. Um präzise Wandlungsergebnisse zu erzielen, wird eine 4096 mV Referenzspannungsquelle (MCP1541) vor dem 16-Bit-ADC geschaltet. Die anliegende Spannung lässt sich mit der folgenden Formel berechnen:

<math>U_{Aus} = X_{Pin}.\frac{4.096 V}{65525}</math>

wobei die Speisespannung des Spannungsteilers 4,096 V beträgt und <math>X_{Pin} </math> der gelesene Wert vom angegebenen analogen Pin. Die Reaktionszeit des Temperatorsensors wird über die NI-Messkarte des Pumpenprüfstands erfasst und mithilfe von MATLAB ausgewertet. Die Messschaltung wird auf einem Steckbrett aufgebaut. Es wird eine Messung mit 20000 Messwerten je Sekunden definiert. Das ergibt eine Zeitauflösung von 0,05 ms. Die Messung wird gestartet und der Prüfling schlagartig einer Temperaturänderung ausgesetzt, indem er in eine Tasse mit heißem Wasser getaucht wird. Die Messung dauert ca. 45 Sekunden. Ebenso wurde nach dem gleichen Prinzip die entgegengesetzte Richtung (von heiß nach kalt) untersucht. Aus den erfassten Daten lässt sich die Reaktionszeit, T65 ermitteln. Für die Kalibrierung werden die Zieltemperatur und die Anzahl der Kontrollpunkte in der GUI angegeben. Bei Erreichen einer stabilen Kontrolltemperatur an jedem Kontrollpunkt wird mit einem MicroPython Skript eine Messung über das STM32 ausgeführt. Beim Anklicken des nächsten Kontrollpunktes wird die Temperatur erhöht, gehalten und die Messschleife für die Zwischenstufe durchgeführt. Die Spannungswerte und die den einzelnen Spannungen zugeordneten Temperaturen werden gegenübergestellt und daraus wird eine Kalibrierkurve erstellt. Das bedeutet, dass bei der Initialisierung des Pumpenprüfstands die Verwendung der STM32 MCU berücksichtigt werden muss.

=== Hardware ===
Als Anforderung an die MCU wird ein Anschluss an einen ADC-Pin benötigt. Der Baustein MCP1541 benötigt eine Spannungsversorgung von 5 V. Der Einsatztemperaturbereich für den Betrieb der AVS Römer Außenzahnradpumpe beträgt bis + 95 °C. Angenommen liegt die minimale Wassertemperatur bei 10 °C (283,15 K) und die maximale bei 95 °C (368,15 K), lassen sich die Spannungswerte in dem zu erwartenden Temperaturbereich zurückrechnen. Diese liegen zwischen 0,3 V und 2,7 V. Da die I/O Struktur des PA0 Pins FT_a ist, was ein 5 V-toleranter Pin bedeutet, liegt der zu erwartende Spannungsbereich unter dem zulässigen Spannungswert, <math>V_{In}</math> des PA0 Analogpins von 5,22 V.

<math>V_{In} = Min(V_{DDA}) + 3.6 V</math>

Der Spannungswert ist im Datenblatt unter dem Abschnitt „6.3.1 General operating conditions“ zu entnehmen.

=== Software ===
Von MATLAB aus wird ein Pin als Analogeingang für die Spannungsmessung mit den Codezeilen

<code>writeline(stm32, 'import machine‘);</code>

<code>writeline (stm32, 'adc = machine.ADC(machine.PIN(„PA0“))‘;</code>

definiert. Dann wird der digitale Wert des ADCs zu den Zeitpunkten gelesen, zu denen die Spannungsmesswerte benötigt werden.

<code>writeline(stm32, 'print(adc.read_u16())‘);</code>

In der Datenverarbeitungsfunktion in der MATLAB-GUI, die der STM32 zugeordnet ist, wird der gelesene Wert in einen Spannungsmesswert umgerechnet und gepaart mit dem eingeregelten Temperaturmesswert des Pumpenprüfstands in eine .csv Datei geschrieben. Je Kontrolltemperatur werden 25 Spannungsmessungen durchgeführt, welche dann gemittelt und gepaart mit der Prüfstandtemperatur in eine .csv Datei abgelegt werden.

= Drucksensor =
Grundsätzlich ist der Nullpunkt- und Verstärkungsabgleich mit Multimeter durchzuführen. Um die Nullpunktabweichung zu ermitteln, wird der Drucksensor im unbelasteten Zustand (Relativdruck = 0 bar) an eine 5 V Spannungsversorgung angeschlossen. Die Ausgangsspannung soll an einem definierten Pin (PA1) des Mikrocontrollers null Volt betragen. Falls dennoch eine Spannung anliegt, ist diese mittels des Potentiometers auf der Verstärkerplatine so anzupassen, dass der Nullwert korrekt eingestellt wird.

Der Abgleich der Verstärkung des Drucksensors erfolgt ähnlich wie der Nullpunktabgleich. Dazu wird der Sensor mit dem Maximaldruck von 12 bar belastet und das Ausgangssignal wird so verstärkt, dass ein Spannungswert von 5 V am definierten Pin gemessen werden kann. Es ist bekannt, dass sich die gleichzeitige Justierung der Parameter gegenseitig beeinflussen kann. Daher muss der Abgleich der Potentiometer durch eine Versuchs- und Irrtumsmethode erfolgen. Nach jeder Justierung des einen Potentiometers wird überprüft, ob die andere Einstellung noch korrekt ist.

=== Hardware ===
Als Anforderung an der MCU wird ein Anschluss an einen ADC-Pin (PA1) benötigt. Der PA1 hat eine I/O Struktur von FT_ha. Unter FT ist nach der Pinoutangabe als 5 V tolerant I/O zu verstehen.

Die Messverstärkerplatine wird mit 5 V gespeist und es wird über zwei Potentiometer der Nullpunkt und die Verstärkung eingestellt.

=== Software ===
In der MATLAB GUI wird ein ADC-Pin (PA1) an der MCU definiert. Ähnlich dem Temperatursensor wird in der Pumpenprüfstandinitialisierung der Drucksensor mit beachtet werden. Der digitale Wert des ADCs wird zu den Zeitpunkten gelesen, zu denen die Spannungsmesswerte benötigt werden, also wenn bei jedem Kontrollpunkt der Kontrolldruck gefahren wird. In der Datenverarbeitungsfunktion in der MATLAB-GUI wird der gelesene Wert in einen Spannungsmesswert umgerechnet. Es wird ein Funktionsaufruf für externe MATLAB-Funktionen hinterlegt. Diese Funktion liegt als funktionslose Hülse immer vor und wird beim Aufruf gegen ein für die Datenerfassung funktionsfähiges Skript ausgetauscht. Je Kontrolldruck werden 25 Spannungsmessungen durchgeführt, welche dann gemittelt und gepaart mit der Prüfstanddruck in eine .csv Datei abgelegt werden.

= Dosierventil =
Der Kugelhahn des Dosierventils wird über eine Kupplung mit einem SM158-35S-75 Schrittmotor verbunden. Dieser Schrittmotor hat einen Schrittwinkel von 7,5°, was bedeutet, dass er 48 diskrete Schritte benötigt, um eine vollständige 360°-Drehung zu vollziehen. Zudem besitzt er ein Übersetzungsverhältnis von 75:1. Daher benötigt die Abtriebswelle im Vollschrittbetrieb 3600 Schritte für eine vollständige Umdrehung, wobei jeder Schritt die Abtriebswelle um 0,1° bewegt.

Im Halbschrittbetrieb halbiert sich der Schrittwinkel auf 3,75°, was zu 7200 Halbschritten für eine vollständige Umdrehung führt. Dies entspricht einer Bewegung der Abtriebswelle um 0,05° pro Halbschritt. Um den Kugelhahn vollständig zu öffnen oder zu schließen, ist eine Drehung von 90° erforderlich. Die dafür benötigte Schrittzahl ergibt sich aus dem Quotienten von 90° und 0,05°, was 1800 Halbschritte ergibt.

Bei der Initialisierung soll berücksichtigt werden, dass das Dosierventil sicher in eine der Endlagen gefahren wird. Es liegt bereits eine Initialisierungsroutine des Schrittmotors vor. Die Halbschrittzahl für die Ansteuerung des Schrittmotors für das Öffnen und Schließen des Dosierventils ist dementsprechend anzupassen. Es muss ermittelt werden, mit welcher Pausenzeit zwischen den Stellvorgängen gefahren wird.

Um die Funktion des Dosierventils zu überprüfen, wird der Kugelhahn schrittweise mit bestimmter Schrittzahl zugedreht, für eine definierte Zeit gehalten und der Druckanstieg im Druckmessstrang wird erfasst.

=== Hardware ===
Für die Ansteuerung des Schrittmotors beläuft sich der Spannungsbereich des Leistungstreibers („Driver Voltage Range“) zwischen 8 – 36 V. Da die vorhandene Schrittmotorsteuerung im Pumpenprüfstand mit 5 V gespeist wird, ist eine externe Schrittmotorsteuerung erforderlich, die mit 24 V vom Pumpenprüfstand eingespeist wird. Es gibt noch verfügbare Pins auf der MCU der Pumpe, die verwendet werden können, um den Schrittmotor anzusteuern. 4 Pins der MCU werden als digitale Ausgänge definiert und mit den Eingangspins (IN1, IN2, IN3 und IN4) des Motorleistungstreibers (L293D) verbunden. Am Treiber wird der Pin 8 (VS) mit der 24 V-Spannung vom Pumpenprüfstand versorgt, während Pin 16 (VSS) mit der 5 V-Logikspannung von der MCU verbunden wird. Für die Dosierventilversuche wird nicht die Funktionalität des Pumpenprüfstands verwendet, sondern es wird eine eigene Implementierung erforderlich sein.

= Ze Lee, 31.05.2024 =

== Reaktionszeitmessung für den ersten Prototyp des Temperatursensors ==

=== Versuchsbeschreibung ===
Der erste Prototyp des Temperatursensors wurde auf die Reaktionszeit getestet, mit der er auf Temperaturwechsel reagiert. Hierzu wurde die Messschaltung auf einem Steckbrett aufgebaut, die Spannung wurde über die NI-Messkatte des Pumpenprüfstands erfasst und mithilfe von MATLAB ausgewertet. Bei dem Versuch wurde der Temperatursensor in eine Tasse mit kaltem Wasser getaucht, die Messung in MATLAB® gestartet und dann wurde der Prüfling schlagartig einer Temperaturänderung ausgesetzt, indem er in eine Tasse mit heißem Wasser getaucht wurde. Die Messzeit wurde sinnvoll auf 45 s festgelegt. Ebenso wurde nach dem gleichen Prinzip die entgegengesetzte Richtung untersucht, in der der Sensor schlagartig von einem hohen Temperaturniveau, einer niedrigen Temperatur ausgesetzt. Die entstandenen Messdaten wurden mit Hilfe von MATLAB® geplottet, die Kurve geglättet und anschließend die Zeitkonstante der Sprungantwort ausgewertet. Diese wird auch als T65-Zeit bezeichnet und entspricht dem Zeitwert, bei dem der Sensor 65% des Endwertes erreicht hat.

=== Zielsetzung ===
Zielvorgabe von dem neuen Temperatursensor ist es, in etwa die Zeiten eines AVS-Römer Temperatursensors und eines in einer vorangegangenen Projektarbeit konstruierten Temperatursensors [122] von 0,459 s bzw. 1,470 s zu erreichen.

=== Testergebnis ===
Bei dem Versuch wurden 6 Messungen je Temperaturwechselrichtung durchgeführt. Bei der Zeitanalyse zeigte sich, dass der Sensor auf einen Temperaturwechsel von heiß nach kalt mit einer gemittelten Reaktionszeit von 2,48 s reagiert hat, während auf einen Temperaturwechsel von kalt nach heiß mit einer durchschnittlichen Reaktionszeit von 4,22 s.
{| class="wikitable"
|+Reaktionszeiten der durchgeführten Messungen für den ersten Prototyp des Temperatursensors
!Messung
!Zeitkonstante, τ (heiß nach kalt) [s]
!Zeitkonstante, τ (kalt nach heiß) [s]
|-
|1
|3,22
|4,65
|-
|2
|2,67
|3,89
|-
|3
|2,20
|4,13
|-
|4
|2,23
|4,22
|-
|5
|2,27
|3,82
|-
|6
|2,28
|4,63
|-
|Mittelwert
|2,48
|4,22
|}

== Reaktionszeitmessung für den zweiten Prototyp des Temperatursensors ==

=== Versuchsbeschreibung ===
Der zweite Prototyp des Temperatursensors wurde nach dem gleichen Prinzip des ersten Versuchs auf die Reaktionszeit getestet. Die Messzeit wurde auf 20 s angepasst, da der Endwert ohne die Messinghülse schneller erreicht wurde.

Am Aufbau des Temperatursensors selbst fällt das Einkleben des NTCs in eine Messinghülse weg. Stattdessen wird eine Schicht Harz auf die Messstelle und ein Schrumpfschlauch um den Bereich zwischen der Messstelle und der Vergleichsstelle herum aufgebracht. Für den Versuch wird der Sensor bis zur Stelle des Schrumpfschlauchendes ins heiße und kalte Wasser abwechselnd eingetaucht.

=== Zielsetzung ===
Zielvorgabe von dem neuen Temperatursensor ist es, in etwa die Zeiten eines AVS-Römer Temperatursensors und eines in einer vorangegangenen Projektarbeit konstruierten Temperatursensors [122] von 0,459 s bzw. 1,470 s zu erreichen.

=== Testergebnis ===
Bei dem zweiten Versuch wurden 5 Messungen je Temperaturwechselrichtung durchgeführt. Bei der Zeitanalyse zeigte sich, dass der Sensor auf einen Temperaturwechsel von heiß nach kalt mit einer gemittelten Reaktionszeit von 1,58 s reagiert hat, während auf einen Temperaturwechsel von kalt nach heiß mit einer durchschnittlichen Reaktionszeit von 1,20 s.
{| class="wikitable"
|+Reaktionszeiten der durchgeführten Messungen für den zweiten Prototyp des Temperatursensors
!Messung
!Zeitkonstante, τ (heiß nach kalt) [s]
!Zeitkonstante, τ (kalt nach heiß) [s]
|-
|1
|1,92
|0,94
|-
|2
|1,49
|1,27
|-
|3
|1,50
|1,21
|-
|4
|1,48
|1,30
|-
|5
|1,49
|1,28
|-
|Mittelwert
|1,58
|1,20
|}

= Armin Rohnen, 06.05.2024 =
Für die eigenentwicklungen des Temperatursensors, der Drucksensoren und des Dosierventils müssen Prüfprozesse entwickelt werden. Für diese Prüfprozesse wird der Pumpenprüfstand eingesetzt.

Glasboilermaschine

2024-05-31T11:55:03Z

Ze Lee: Wiedervorlagedatum Prüfprozesse für Temperatursensor, Drucksensor und Dosierventil

<htmltag tagname="img" src="http://vg04.met.vgwort.de/na/b0d68a04d4d54f498c331933d33efebf" width="1" height="1" alt=""></htmltag>
[[Datei:Breites Logoband.png|mini|zentriert|hochkant=2.5]] 

= Die Glasboilermaschine - MMM Style =

[[Datei:20230226 Glasboilermaschine Stand Feb2023.png|thumb|750px|gerahmt|zentriert|alternativtext=Armin Rohnen, Glasboilermaschine|Armin Rohnen, Glasboilermaschine]]

Durch eine Idee auf Worl of Coffee 2018 in Amsterdam (WOC18) wurde 2018 damit begonnen zu forschen, ob Borosilikat-Glas als Material für den Wasserboiler einer Siebträger-Espressomaschine verwendet werden kann.

Durch die spezifischen Material-Eigenschaften wie Hitzebeständigkeit, Geschmacksneutralität und den guten Isolationseigenschaften, die Borosilikat-Glas in doppelwandiger Ausführung mit sich bringt, erschien es als Fertigungsmaterial für den Boiler besonders geeignet zu sein. Trotzdem ist die Verwendung dieses Materials in der Industrie bei den etablierten Herstellen bis jetzt gänzlich unbekannt. Boiler handelsüblicher Maschinen werden meist aus Stahl gefertigt und sind im Gehäuse der jeweiligen Maschine versteckt.

Bei einem Boiler aus Borosilikat-Glas kann der Nutzer, sofern die freie Einsehbarkeit des Boilers gewährleistet ist, den Erhitzungsvorgang des Wassers von Anfang bis Ende miterleben. Das Sprudeln des Wassers während des Betriebs des Boilers sehen zu können ist eine absolute Neuheit, die in Kombination mit der Ästhetik und den Materialeigenschaften des Borosilikat-Glases seinesgleichen sucht.

Erste Versuche mit einem behelfsmäßigen Versuchsaufbau zeigten, dass Borosilikat-Glas in der Realität tatsächlich als Material für den Boiler geeignet ist und mehrere Vorteile gegenüber dem herkömmlichen Stahl mit sich bringt.

Daraufhin wurde beschlossen, das Konzept des Borosilikat-Glasboilers weiterzuverfolgen und ein Entwicklungsprojekt für eine eigene Siebträger-Espressomaschine zu starten, die mithilfe studentischer Projekt- und Abschlussarbeiten an der Fakultät 03 der Hochschule München konzipiert werden soll.

In den letzten drei Jahren arbeiteten mehrere studentische Projektgruppen an der Thematik, sodass mittlerweile eine große Menge an Dokumenten und Versuchsergebnissen vorhanden ist.

= Dokumente und Arbeiten =
* [[:Datei:20220112_Entwicklung_einer_Siebträger-Espressomaschinemit_Borosilikat-Glasboiler.pptx|Projektpräsentation Stand Januar 2022]]
* Wintersemester 2018/2019: [[Abschlussarbeit Tritschler]]
* Wintersemester 2019/2020: [[Versuche Glasboiler 2020|Projektarbeit Florian Fritz, Sebastian O'Reilly, Tim Kittelmann, Johannes Kastner]]
* Sommersemester 2020: [[Konstruktion Labormaschine 2020|Projektarbeit Tobias Blädel, Til Ahlgrim, Lukas Ankner, Yasin Bolat, Fabian Weber, Florian Michal (Abschnitt 2.1 und 5.2)]]
* Wintersemester 2021/2022: [[Abschlussarbeit Isabell Nuissl 2021|Abschlussarbeit Isabell Nuißl]]
* Felix Kistler, [[Business Case Glasboilermaschine 2022|Business Case Glasboiler-Maschine]], Stand 01.02.2022
* Sommersemester 2022: [[Projektarbeit Mustafa Inaltekin, Luca Simon Kurbjuweit]]
* Sommersemester 2022: [[Abschlussarbeit Erik Reitsam]]
* Sommersemester 2022: [[Design MMM Style "on Table", Forschungsmaster, Felix Kistler]]
* Sommersemester 2022: [[Projektarbeit Felix Kistler]]
* Wintersemester 2022/23: [[Projektarbeit Martin Aspacher, Michael Albrecht, Stefanie Diener]]
* Wintersemester 2023/24: [[Projektarbeit Thomas Neumeier, Edmond Sogor, Florian Wörle|Prototypenbau 1-Zylinder Glasboilermaschine]]
* Wintersemester 2023/24: [[Abschlussarbeit Felix Kistler|Entwicklung 2-Zylinder Glasboilermaschine]]
* Sommersemester 2024: [[Projektarbeit Florian Buchholz, Felix Forster, Michael Richter, Ferdinand Harbauer|Weiterführung Prototypenbau 1-Zylinder Glasboilermaschine]]
* Sommersemester 2024: [[Projektarbeit Amir Braun, Ze Lee, Leonhard Schöner|Entwicklung von Sensoren und Aktoren]]
* Sommersemester 2024: [[Projektarbeit Vivien Denise Hoffmann, Aurelia Zerle, David Kamm|Detailkonstruktionen]]

= ToDo-Listen Glasboilermaschinen - MMM Style =
== Status ==
10 - Erfasst 
30 - in Bearbeitung 
50 - Lösung definiert 
70 - in Umsetzung 
90 - Umsetzung abgeschlossen 
99 - Abbruch per Beschluss (Dokumentation dazu erforderlich) 
100 - Maßnahme bestätigt 

== ToDo-Liste 1 Zylinder ==
{| class="wikitable sortable"
|+
|-
! Arbeitspaket !! ToDo !! Wer !! Priorität !! Status !! WV
|-
| Technische Planung || [http://www.institut-fuer-kaffeetechnologie.de/Intern/index.php?title=Teilenummern_1_Zylinder_Glasboilermaschine Teilenummern 1 Zylinder Glasboilermaschine] || alle || 1 || 90 || laufend
|-
| Konstruktion || [[Style-Global:Verspanndeckel|Verspanndeckel]] || || 1 || 70 ||
|-
| Konstruktion || [[Style-Global:Tank|Tank]] || || 1 || 70 ||
|-
| Konstruktion || [[Style-1-Zylinder:Abtropfwanne|Abtropfwanne]] || || 1 || 10 ||
|-
| Konstruktion || [[Style-1-Zylinder:Abtropfblech|Abtropfblech]] || || 1 || 10 ||
|-
| Konstruktion || [[Style-Global:Brühturm|Brühturm]] || || 1 || 90 ||
|-
| Konstruktion || [[Style-Global:freitragende Brühgruppe|freitragende Brühgruppe]] || || 1 || 90 ||
|-
| Konstruktion || [[Style-Global:Brühgruppenabdeckung|Brühgruppenabdeckung]] || Vivien Hoffmann||1 || 30 ||30.05.2024
|-
| Konstruktion || [[Style-Global:Vertikalhebel|Vertikalhebel]] || David Kamm||1 || 30 ||30.05.2024
|-
| Konstruktion || [[Style-Global:Dampflanze|Dampflanze]] || || 1 || 10 ||
|-
| Konstruktion || [[Style-Global:Teewasserlanze|Teewasserlanze]] || || 1 || 10 ||
|-
| Konstruktion || [[Style-Global:Glasboiler|Glasboiler]] || || 1 || 90 ||
|-
| Konstruktion || [[Style-Global:Isolierung|Isolierung zwischen den Zylindern]] || || 1 || 10 ||
|-
| Konstruktion || [[Style-1-Zylinder:Unterbau|Unterbau]] || || 1 || 90 ||
|-
| Konstruktion || [[Style-1-Zylinder:Bodenplatte|Bodenplatte]] || || 1 || 90 ||
|-
| Konstruktion || [[Konstruktionsanpassungen der Brühgruppe|Konstruktionsanpassungen der Brühgruppe (labortechnische Espressomaschine)]] || || 1 || 90 ||
|-
| Konstruktion || [[Style-1-Zylinder:Konstruktionsänderungen|Konstruktionsänderungen und Festigkeitsnachweise]] || || 1 || 30 ||
|-
| Inbetriebnahme || [[Style-1-Zylinder:Teilemanagement|Teilemanagement]] || || 1 || 30 ||
|-
| Inbetriebnahme || [[Style-1-Zylinder:Glasboiler|Glasboiler]] || || 1 || 70 ||
|-
| Inbetriebnahme || [[Style-1-Zylinder:Verrohrung und Verkabelung Boilergruppe|Unterbau Verkabelung]] || Ferdinand Harbauer|| 1 || 10 ||20.06.2024
|-
| Inbetriebnahme || [[Style-1-Zylinder:Tanks|Tanks]] || || 1 || 30 ||
|-
| Inbetriebnahme || [[Style-1-Zylinder:Lanzen|Lanzen]] || || 1 || 10 ||
|-
| Inbetriebnahme || [[Style-1-Zylinder:Inbetriebnahme Unterbau|Unterbau Verrohrung]] || Michael Richter|| 1 || 30 ||20.06.2024
|-
| Inbetriebnahme || [[Style-1-Zylinder:Abtropfbereich|Abtropfbereich]] || Projektgruppe|| 1 || 10 ||
|-
| Inbetriebnahme || [[Style-1-Zylinder:Brühturm|Brühturm]] || Ferdinand Harbauer|| 1 || 30 ||18.07.2024
|-
| Inbetriebnahme || [[Style-1-Zylinder:Mechatronik|Sensoren/Aktoren (Mechatronik)]] || || 1 || 10 ||
|-
| Inbetriebnahme || [[Style-1-Zylinder:Elektronik|Elektronik, Netzteil, NOT-AUS]] || Ferdinand Harbauer|| 1 || 10 ||20.06.2024
|-
| Inbetriebnahme || [[Style-1-Zylinder:Software|Software]] || Florian Buchholz|| 1 || 30 ||16.05.2024
|-
| Inbetriebnahme || [[Style-1-Zylinder:Dichtheit|Dichtheitsprüfung]] || Florian Buchholz, Felix Forster|| 1 || 30 ||05.06.2024
|-
| Inbetriebnahme || [[Style-1-Zylinder:Funktionstest|Funktionstest]] || Ferdinand Harbauer|| 1 || 10 ||20.06.2024
|-
|Inbetriebnahme
|[[Erstellung einer gesamthaften Montageanleitung]]
|Felix Forster
|1
|30
|20.06.2024
|-
| Sensoren und Aktoren || [[Alternative Drucksensoren|Alternative Sensoren]] || || || 100 ||
|-
| Sensoren und Aktoren || [[AVS Römer SmartFlow Außenzahnradpumpe]] || Leonhard Schöner|| 1|| 30 ||22.05.2024
|-
| Sensoren und Aktoren || [[Sensorkonstruktion|Konstruktion Temperatursensor, Drucksensor und Dosierventil]] || Amir Braun|| 1|| 30 ||22.05.2024
|-
| Sensoren und Aktoren || [[Prüfprozesse|Prüfprozesse für Temperatursensor, Drucksensor und Dosierventil]] || Ze Lee|| 1|| 30 ||05.06.2024
|-
| ZB|| [[Hydraulikplan Style und Labor]] || Armin Rohnen ||1 || 90 ||
|-
| ZB|| [http://www.institut-fuer-kaffeetechnologie.de/Intern/index.php?title=Die_Glasboilermaschine_-_Style#Armin_Rohnen%2C_04.04.2022 CAD-Daten MMM Style 1-Zylinder] || || || ||
|-
| ZB|| [http://www.institut-fuer-kaffeetechnologie.de/Intern/index.php?title=Montageanleitun(en)_1_Zylinder_Glasboilermaschine Montageanleitung(en) MMM Style 1-Zylinder] || || || ||
|}

== ToDo-Liste 2 Zylinder ==
{| class="wikitable sortable"
|+
|-
! Arbeitspaket !! ToDo !! Wer !! Priorität !! Status !! WV
|-
| ZB|| [[Hydraulikplan Style 2-Zylinder]] || ||1 || 100 ||
|-
| Technische Planung || [http://www.institut-fuer-kaffeetechnologie.de/Intern/index.php?title=Teilenummern_2_Zylinder_Glasboilermaschine Teilenummern 2 Zylinder Glasboilermaschine] || alle || 1 || 90 || laufend
|-
|Technische Planung
|[[Maschinenkonzept 2-Zylinder]]
|
|1
|100
|
|-
|Konstruktion
|[[Style-Global:Glasboiler|Glasboiler]]
|Felix Kistler
|1
|90
|
|-
|Konstruktion
|[[Style-Global:Tank|Tank]]
|Felix Kistler
|1
|90
|
|-
|Konstruktion
|[[Style-2-Zylinder:Brühturm|Brühturm]]
|Felix Kistler
|1
|90
|
|-
|Konstruktion
|[[Style-2-Zylinder:Abtropfwanne|Abtropfwanne]]
|Felix Kistler
|1
|90
|
|-
|Konstruktion
|[[Style-2-Zylinder:Lanzen|Lanzen]]
|Felix Kistler
|1
|90
|
|-
|Konstruktion
|[[Style-2-Zylinder:Unterbau|Unterbau]]
|Felix Kistler
|1
|90
|
|-
|Konstruktion
|[[Style-2-Zylinder:Bodenplatte|Bodenplatte]]
|Felix Kistler
|1
|90
|
|-
|Technische Planung
|[[Style-2-Zylinder:Kostenkalkulation und Kostenoptimierung|Kostenkalkulation und Kostenoptimierung]]
|Felix Kistler
|1
|50
|
|}

Prüfprozesse

2024-05-31T11:52:28Z

Ze Lee: Reaktionszeitmessergebnisse für die 2 Temperatursensorprototypen werden dokumentiert

= Ze Lee, 31.05.2024 =

== Reaktionszeitmessung für den ersten Prototyp des Temperatursensors ==

=== Versuchsbeschreibung ===
Der erste Prototyp des Temperatursensors wurde auf die Reaktionszeit getestet, mit der er auf Temperaturwechsel reagiert. Hierzu wurde die Messschaltung auf einem Steckbrett aufgebaut, die Spannung wurde über die NI-Messkatte des Pumpenprüfstands erfasst und mithilfe von MATLAB ausgewertet. Bei dem Versuch wurde der Temperatursensor in eine Tasse mit kaltem Wasser getaucht, die Messung in MATLAB® gestartet und dann wurde der Prüfling schlagartig einer Temperaturänderung ausgesetzt, indem er in eine Tasse mit heißem Wasser getaucht wurde. Die Messzeit wurde sinnvoll auf 45 s festgelegt. Ebenso wurde nach dem gleichen Prinzip die entgegengesetzte Richtung untersucht, in der der Sensor schlagartig von einem hohen Temperaturniveau, einer niedrigen Temperatur ausgesetzt. Die entstandenen Messdaten wurden mit Hilfe von MATLAB® geplottet, die Kurve geglättet und anschließend die Zeitkonstante der Sprungantwort ausgewertet. Diese wird auch als T65-Zeit bezeichnet und entspricht dem Zeitwert, bei dem der Sensor 65% des Endwertes erreicht hat.

=== Zielsetzung ===
Zielvorgabe von dem neuen Temperatursensor ist es, in etwa die Zeiten eines AVS-Römer Temperatursensors und eines in einer vorangegangenen Projektarbeit konstruierten Temperatursensors [122] von 0,459 s bzw. 1,470 s zu erreichen.

=== Testergebnis ===
Bei dem Versuch wurden 6 Messungen je Temperaturwechselrichtung durchgeführt. Bei der Zeitanalyse zeigte sich, dass der Sensor auf einen Temperaturwechsel von heiß nach kalt mit einer gemittelten Reaktionszeit von 2,48 s reagiert hat, während auf einen Temperaturwechsel von kalt nach heiß mit einer durchschnittlichen Reaktionszeit von 4,22 s.
{| class="wikitable"
|+Reaktionszeiten der durchgeführten Messungen für den ersten Prototyp des Temperatursensors
!Messung
!Zeitkonstante, τ (heiß nach kalt) [s]
!Zeitkonstante, τ (kalt nach heiß) [s]
|-
|1
|3,22
|4,65
|-
|2
|2,67
|3,89
|-
|3
|2,20
|4,13
|-
|4
|2,23
|4,22
|-
|5
|2,27
|3,82
|-
|6
|2,28
|4,63
|-
|Mittelwert
|2,48
|4,22
|}

== Reaktionszeitmessung für den zweiten Prototyp des Temperatursensors ==

=== Versuchsbeschreibung ===
Der zweite Prototyp des Temperatursensors wurde nach dem gleichen Prinzip des ersten Versuchs auf die Reaktionszeit getestet. Die Messzeit wurde auf 20 s angepasst, da der Endwert ohne die Messinghülse schneller erreicht wurde.

Am Aufbau des Temperatursensors selbst fällt das Einkleben des NTCs in eine Messinghülse weg. Stattdessen wird eine Schicht Harz auf die Messstelle und ein Schrumpfschlauch um den Bereich zwischen der Messstelle und der Vergleichsstelle herum aufgebracht. Für den Versuch wird der Sensor bis zur Stelle des Schrumpfschlauchendes ins heiße und kalte Wasser abwechselnd eingetaucht.

=== Zielsetzung ===
Zielvorgabe von dem neuen Temperatursensor ist es, in etwa die Zeiten eines AVS-Römer Temperatursensors und eines in einer vorangegangenen Projektarbeit konstruierten Temperatursensors [122] von 0,459 s bzw. 1,470 s zu erreichen.

=== Testergebnis ===
Bei dem zweiten Versuch wurden 5 Messungen je Temperaturwechselrichtung durchgeführt. Bei der Zeitanalyse zeigte sich, dass der Sensor auf einen Temperaturwechsel von heiß nach kalt mit einer gemittelten Reaktionszeit von 1,58 s reagiert hat, während auf einen Temperaturwechsel von kalt nach heiß mit einer durchschnittlichen Reaktionszeit von 1,20 s.
{| class="wikitable"
|+Reaktionszeiten der durchgeführten Messungen für den zweiten Prototyp des Temperatursensors
!Messung
!Zeitkonstante, τ (heiß nach kalt) [s]
!Zeitkonstante, τ (kalt nach heiß) [s]
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= Armin Rohnen, 06.05.2024 =
Für die eigenentwicklungen des Temperatursensors, der Drucksensoren und des Dosierventils müssen Prüfprozesse entwickelt werden. Für diese Prüfprozesse wird der Pumpenprüfstand eingesetzt.

Projektrücksprache 08.05.2024

2024-05-20T12:42:13Z

Ze Lee: Protokoll am 08.05.2024 einpflegen

=Besprechungsprotokoll=
Ort: Hochschule München

Datum: 08.05.2024

Teilnehmer: Amir Braun, Ze Lee, Leonhard Schöner, LbA Rohnen

Moderator: Leonhard Schöner

Protokollant: Ze Lee

= Top 1) Anmerkung zur Arbeitsweise und den Umgangsformen =
Es wurde darauf hingewiesen, dass der Output bei der Projektarbeit aufgrund mangelnder technischer Rückfragen kaum spürbar ist. Die Projektbearbeitenden wurden angeregt, zur Klärung spezifischen und tiefgehenden Fragen mehr technische Rücksprache mit LbA Rohnen zu halten. Es wurde zudem auf die Schritt-für-Schritt Dokumentation der Arbeitsweise aufmerksam gemacht, damit sie vernünftig ins Wiki eingeplegt werden kann.

= Top 2) Genehmigung Protokoll letzter Rücksprache =
Das Besprechungsprotokoll der Projektsprache vom 24.04.2024 wurde genehmigt.

= Top 3) Aufgabenanalyse =
Die Aufgabenanalyse wurde angenommen und bereits ins Wiki eingepflegt.

= Top 4) Projektplan =
Der Projektplan wurde vorgestellt. Es ist die Anforderung, den Projektplan in die Agenda für die nächsten Rücksprachetermine mit aufzunehmen. Im Projektplan wurden etwaige Unstimmigkeiten festgestellt: Es fehlen noch Verknüpfungen zwischen Pumpenprüfstand und Prüfprozessen (Prüfungen können erst durchgeführt werden, nachdem die Pumpe ausgetauscht wurde. Die MATLAB GUI kann erst angepasst werden, wenn Messkonzepte für die Prüflinge vorliegen.) Dementsprechend müssen die Daten kontinuierlich eingepflegt werden. Dabei sollte auf das Projektenddatum geachtet werden, falls ein Verzug auftritt und die Termine nach hinten verschoben werden müssen.

= Top 5) Konstruktionsentwürfe für die Bauteile =
Allgemein wurde es auf das Merkblatt hingewiesen, dass eine CAD-Datei als STEP Übergabeformat zwingend erforderlich ist.

Temperatursensor: Es wurde die Anwendung des Klebstoffs (X60) vorgeführt, um den NTC in der Messinghülse zu fixieren. Der Klebstoff hat eine Aushärtezeit von ca. 20 – 30 Minuten aufgewiesen, ist jedoch nicht lebensmittelzertifiziert. Daher entstand die Anregung zur Lösungsfindung durch mehr praktische Erprobung im Labor.

Drucksensor: Für den Anschluss zur ELSA-Verschraubung besteht die Möglichkeit, das Gehäuse mit dem Gewinde hinzu 3D zu drucken. Es stellt sich die Frage, ob das gedruckte Gewinde dem entstandenen Druck (12 bar Leistungsdruck; laut Druckbehälterverordnung bis zu 16 bar Betriebsdruck, 24 bar Prüfdruck, 48 bar Auslegungsdruck) standhalten kann. Die Festigkeit des Sensors sollte auf Basis des höchsten Drucks, also des Auslegungsdrucks, nachgewiesen werden. Interessant wäre die Zugfestigkeit des Bauteils, insbesondere in Z-Richtung. Das Datenblatt über die Zugfestigkeit des einzusetzenden Filaments (GreenTEC Pro) beim 3D-Druck von LbA Rohnen zur Verfügung gestellt werden.

Dosierventil: Der erste Konstruktionsentwurf für die Halterung des Schrittmotors und des Kugelhahns wurde aufgrund des großen Platzbedarfs und des zusätzlichen Materialbedarfs (Schrauben) abgelehnt. Wünschenswert wäre ein 3D-druckbares Gehäuse, da dies leichter umsetzbar ist. Die Wellenkupplung muss ebenfalls neu konstruiert werden.

= Top 6) Aufstellung über den Änderungsumfang in der Prüfstandsoftware =
Dieser Punkt wurde aufgrund der technischen Rücksprache am 07.05.2024 zwischen Leonhard Schöner und LbA Rohnen übersprungen.

= Top 7) Vorgehensweise für die Kommunikation-Initialisierung der MCUs =
Dieser Punkt wurde aufgrund der gestrigen technischen Rücksprache am 07.05.2024 zwischen Leonhard Schöner und LbA Rohnen übersprungen.

= Top 8) Konzept für die Soft- und Hardware für die Prüfprozesse =
Für das Messsystem der Prüflinge bietet sich ein dritter MCU (NUCLEO-H743ZI) an. Zu klären ist, in welchem Spannungsbereich der MCU belastet werden darf. Es ist bei der Konzeptausarbeitung auch zu hinterfragen, wie die Temperatur mit dem NTC gemessen werden kann. Bei Maximaldruck des Drucksensors sollte ein Spannungswert von 5 V vorliegen.