Abschlussarbeit Stach

In der vorliegenden Bachelorarbeit wurde in Kooperation mit der Kaffeewerkstatt München der Prototyp einer labortechnischen Mehrkreis- und Mehrkessel-Espressomaschine entwickelt. Daran lassen sich Wassertemperatur, Brühdruck und Gewicht einer Espressoextraktion messtechnisch erfassen, was bei handelsüblichen Siebträgermaschinen in diesem Umfang bisher nicht möglich ist. Da im Labor für Maschinendynamik der Hochschule München zu diesem Thema noch keine Grundlagenforschung betrieben wurde, musste zunächst ein hydraulisches, messtechnisches und elektronisches Konzept erstellt werden. Darauf aufbauend entstand schließlich der Prototyp. Dieser soll zukünftig dazu dienen, den Zusammenhang zwischen Espressogeschmack und den relevanten Parametern Temperatur, Druck und Gewicht erforschen zu können. Sobald diesbezüglich ausreichend Rückschlüsse gezogen werden konnten, kann der Prototyp zu einer serienreifen, marktfähigen Siebträger-Espressomaschine weiterentwickelt werden.

1 Einleitung und Aufgabenstellung

2 Konzeption einer Espressomaschine mit Siebträger

2.1 Konzept zum mechanischen Grundgerüst

2.2 Hydraulisches Konzept

2.2.1 Wasserversorgung und Pumpe

2.2.2 Brühwasserkreis: Vorwärmboiler

2.2.3 Brühwasserkreis: Hauptbrühboiler

2.2.4 Brühwasserkreis: Heißwasserbezug

2.2.5 Brühwasserkreis: Brühgruppen

2.2.6 Dampfkreis

2.2.7 Hydraulische Verbindung der Komponenten

2.2.8 Ventile

2.3 Messtechnisches Konzept

2.3.1 Konzeption der Messkette

2.3.2 Messung der Temperaturen

2.3.3 Messung der Drücke

2.3.4 Messung der Gewichte

2.4 Elektrisches Konzept

2.4.1 Steuerung – Raspberry Pi 3

2.4.2 Steuerung – Relaisplatine

2.4.3 Herstellung der Platinen

2.4.4 Heizelemente

2.4.5 Elektrische Sicherheit und Berührschutz

2.4.6 Stromversorgung

3 Entwicklung des Prototyps einer labortechnischen Espressomaschine

3.1 Konstruktion mechanischer Grundgerüste

3.1.1 Konstruktion eines Gehäuses für die labortechnische Espressomaschine

3.1.2 Konstruktion eines externen Gerüsts für die elektronischen Komponenten

3.2 Entwicklung der hydraulischen Komponenten

3.2.1 Entwurf der Boiler in der Espressomaschine

3.2.1.1 Auslegung der Materialstärken sowie der Schweißnähte

3.2.1.2 Festigkeitsnachweis der Boilerkomponenten sowie der Schweißnähte

3.2.1.3 Aufheizzeiten der Heizelemente

3.2.1.4 Technische Prüfung der Boiler

3.2.2 Modifikation der E61-Brühgruppe

3.2.3 Modifikation des Siebträgers

3.2.4 Absicherung der Boiler

3.3 Messtechnik in der labortechnischen Espressomaschine

3.3.1 Aufbau der Messketten für die Messplatinen

3.3.2 Temperaturmessung

3.3.2.1 Temperaturmessplatine

3.3.2.2 Widerstandsthermometer Pt-100

3.3.2.3 NTC-Temperatursensor 1K2A1B

3.3.2.4 Präzisions-Temperatursensor TS-NTC-833

3.3.2.5 Kalibrierung der Temperatursensoren

3.3.3 Druckmessung

3.3.3.1 Gehäusekonstruktion der Drucksensoren

3.3.3.2 Elektronische Auslegung der Drucksensoren

3.3.4 Entwicklung der Wägeeinheit

3.3.4.1 Mechanische Auslegung der Wägeeinheit

3.3.4.2 Kräfte in der Wägezelle

3.3.4.3 Zusatzlagerung der Tassenauflage

3.3.4.4 Elektronischer Aufbau der Wägeeinheit

3.4 Elektronik in der labortechnischen Espressomaschine

3.4.1 Übersichtsschaltplan der Espressomaschine

3.4.2 Spannungsversorgungen

3.4.2.1 Stabilisierte 5 V-Spannungsversorgung

3.4.2.2 Symmetrische Spannungsversorgung

3.4.3 Raspberry Pi

3.4.4 Erweiterung der GPIOs des Raspberry Pis

3.4.5 Füllstandsüberwachung

3.4.6 Relaisplatine

3.4.7 Steuern und Regeln

3.4.8 Herstellung der Platinen

4 Beschreibung des Versuchsaufbaus

5 Ergebnisse

6 Interpretation

7 Ausblick

8 Abgeleitete To-do-Liste