Abschlussarbeit Patricia Viebke
Leistungsvereinbarung
Die Bachelorarbeit umfasst das Fortsetzen der Inbetriebnahme des Messsystems für Siebträger Espressomaschinen. Das aktuelle Messsystem besteht aus vier NTCs, zwei Drucksensoren, einem Durchflusssensor, einer Wägezelle und einem Infrarotthermometer. Mit der vorhandenen GUI hat der User die Möglichkeit Messungen durchzuführen. Da bei dem aktuellen Stand des Messsystems Probleme bei der Signalaufnahme bzw. Weiterverarbeitung aufgetreten sind, müssen diese mit oberster Priorität behoben werden. Die Sensorik ist aktuell mit dem Raspberry Pi verbunden, dessen Eignung in Frage gestellt wird aufgrund der herrschenden Problematiken. Durch Probemessungen mit dem aktuellen Messsystem an der Espressomaschine Lelit Mara X ergeben sich zwei große Problemstellen. Zum einen ist beim Aufnehmen der Temperatur mit einem NTC aufgefallen, dass das Signal eine Störfrequenz aufweist in Form eines Sinussignals. Mit einer Fourier Transformation wurde festgestellt, dass bei einer Abtastrate von 500 eine Störfrequenz von 6 Hz vorliegt, während bei anderen Abtastraten eine 50 Hz Störfrequenz im Signal auftritt. Es wurde herausgefunden, dass das Sinussignal auftritt, wenn das Raspberry Pi nicht geerdet ist. Mit einer provisorischen Erdung wies das Signal die Störfrequenz nicht auf. Durch das Austauschen der Messelektronik, also unter Verwendung einer NI Messkarte statt dem Raspberry Pi war das Signal ebenfalls frei vom Sinus. Es wurde festgestellt, dass das Sinussignal aus dem Problem einer Masseverbindung folgt. Da der NTC und die Espressomaschine eine Erdung aufweisen, wird das Erdungsproblem bei der Messelektronik untersucht. Hierfür müssen passende Lösungen recherchiert auf Kompatibilität geprüft und am Messsystem getestet werden. Da das Sinussignal nur anhand eines NTCs festgestellt werden konnte, muss untersucht werden, ob und wie sich das Problem bei den anderen Sensortypen verhält.
Die zweite große Problemstelle befindet sich beim Messen mit dem Durchflusssensor. Der Sensor ist für das Messen des Wasserdurchflusses bei einem Kaffeebezug zuständig. Der verwendete Digmesa Nano Brass gibt ein Rechtecksignal aus, dass bei einem Flankenwechsel ein Interrupt Service Request auf dem Raspberry Pi auslöst und dadurch ein Zeitstempel generiert wird. Ein Flankenwechsel wird ausgelöst, wenn 139,9𝑐𝑚3=0,025 𝑚𝑙 Wasser durch den Sensor fließen. Das Problem hierbei liegt nicht bei der Messdatenerfassung, sondern bei der Verarbeitung der Signale. Der Sensor liefert zu viele bzw. zu schnell einen Flankenwechsel, so dass das Raspberry Pi nicht hinterherkommt, den ISR auszulösen und den passenden Zeitstempel zu generieren. Durch das Betriebssystem Linux, mit dem das Raspberry Pi arbeitet, ist eine Zeitverzögerung bei der Datenverarbeitung gegeben und es werden ungenügend Zeitstempel generiert. Ein Mikrokontroller, der mit MicroPython arbeitet, besitzt statt einem Betriebssystem eine Laufzeitumgebung und bietet somit eine Möglichkeit das Problem zu beheben. Hier müssen Lösungsvorschläge recherchiert und auf Eignung im Messsystem untersucht werden. Es muss festgelegt werden, ob die aktuelle Messelektronik erweitert wird, oder ob sie ersetzt wird. In beiden Fällen müssen die notwendigen Bauteile durch Bestellen bzw. durch den Laborbedarf gedeckt werden.
Sind die Signale sauber und werden die Zeitstempel des Durchflusssensors richtig aufgenommen, wird das Messsystem um die Messtechnik für Espressomaschinen ohne E61 Brühgruppe erweitert. Zu dem aktuellen Messsystem wird ein NTC für das Messen der Temperatur vor dem Kaffeepuck und ein Drucksensor für das Messen des Druckes vor dem Kaffeepuck hinzugefügt. Da Espressomaschinen ohne E61 Brühgruppen über keine passende Messstelle bzw. Bohrung verfügen, muss hier ein Adapter geprüft und zum Fertigen in Auftrag gegeben werden. Für den Adapter sind Konzepte der Vorgruppen vorhanden. Die Konzepte müssen nochmals überprüft werden. Sind diese nicht ausreichend, muss ein neuer Adapter konstruiert und gefertigt werden. Die Fertigungs- und Lieferzeiten sind zu beachten.
Nachdem die Sensorik vollständig vorhanden und messbereit ist, liefern die Sensoren noch inkorrekte Werte. Für die NTCs und den IR Sensor ist eine Umrechnung in der MATLAB GUI vorhanden, für die restlichen Sensoren noch nicht. Eine Umrechnung von den Messwerten in mV bzw. V zu den physikalischen Größen muss aufgestellt werden. Die aktuell vorhandenen Sensoren liefern trotz korrekter Umrechnung noch nicht die richtigen Werte. Dies liegt an der fehlenden Kalibrierung. Diese muss für alle Sensoren durchgeführt werden. Es wird vorgesehen die Kalibrierung mit dem Kalibrierprüfstand durchzuführen. Ist dieser nicht verfügbar, gilt es die Kalibrierung über Ersatzsysteme durchzuführen. Für den Durchflusssensor ist die Kalibrierung nicht notwendig, da dieser digital misst. Für diesen ist eine Signalanalyse aus den generierten Zeitstempeln durchzuführen. Da die Lelit Mara X mit einer Vibrationspumpe arbeitet, muss die Durchflussbestimmung im Zusammenhang mit dem Signal der Vibrationspumpe analysiert werden. Das im Messsystem vorhandene Wägesystem wird von einer separaten Bachelorarbeit bearbeitet. Es wird nur die elektrische Schnittstelle zum Wägesystem betrachtet.
Das Ziel der Bachelorarbeit ist es, mit dem fertigen Messsystem die Betriebsparameter einer Espressomaschine mit und ohne E61 Brühgruppe aufzunehmen. Die Temperaturen vor der Brühgruppe, der Brühgruppe, vor dem Kaffeepuck und am Siebträgerablauf werden richtig aufgenommen. Auch der Druck bei der Espressomaschine mit und ohne E61 Brühgruppe wird korrekt aufgenommen. Das Messsystem ist so aufgebaut, dass es ohne großen Aufwand an eine Vielzahl an Siebträgerespressomaschinen angeschlossen werden kann.
Globale Arbeitspakete
Durch die Einteilung der Hauptaufgaben in globale Arbeitspakete, ist eine leichtere Abschätzung der Ressourcen durchzuführen. Korrekte Signalaufnahme
Es wurde anhand eines NTCs festgestellt, dass eine Störfrequenz in Form eines Sinussignals vorhanden ist. Bei einer Abtastrate von 500 beträgt die Störfrequenz 6 Hz, bei anderen Abtastraten beträgt diese 50 Hz. Dieses Problem lässt sich auf ein Masseproblem bei der Messelektronik zurückführen. Mit einem provisorischen Erdungsanschluss des Raspberry Pis ist das Problem nicht mehr vorhanden. Das Aufnehmen der Messwerte durch eine NI-Messkarte löst ebenfalls das Problem. Hier muss früh möglichst entschieden werden, welche Messelektronik weiterhin im Messsystem benutzt wird. Für die Problematik mit dem Sinussignal wurde bislang entschieden, dass das Raspberry Pi geerdet werden muss, ansonsten muss es durch andere Messelektronik ersetzt werden. Auf dem Signal der Temperaturmesswerte ist außerdem ein Grundrauschen mit einer Amplitude von 10 mV festgestellt worden. Es muss ein Lösungsansatz für die Bereinigung des Signals erarbeitet und angewendet werden. Für die Temperatur- und Drucksensoren muss das Grundrauschen mit 20 mV in physikalischen Größen ausgedrückt werden und überprüft werden, ob dies noch in der vereinbarten Toleranz liegt. Die Abweichung des Temperaturmesswertes sollte dadurch nicht mehr als ± 0,1 °𝐶 betragen.
Des Weiteren muss eine Lösung für die Generierung der Zeitstempel vom Durchflusssensor Signal gefunden werden. Durch das Erzeugen eines Flankenwechsels im Sensorsignal generiert das Raspberry Pi durch eine nachgeschaltete Signalanalyse einen passenden Zeitstempel. Dies läuft aktuell nicht zuverlässig, da der Sensor zu viele bzw. zu schnell einen Flankenwechsel durchführt. Der Flankenwechsel wird ausgelöst bei einem Wasserdurchfluss von 0,025 𝑚𝑙. Hier muss entschieden werden, ob es ausreicht, das Raspberry Pi zu Erweitern mit z.B. passenden HATs (Hardware Attached on Top). Ist diese Lösung nicht umsetzbar, gibt es die Möglichkeit die Flowmeter Signale in Spannungswerte umzuwandeln und über das Raspberry Pi aufzunehmen und zu verarbeiten. Zeigt das Raspberry Pi keine Verbesserung bei der Generierung der Zeitstempel, so muss es durch einen Mikrocontroller ersetzt werden. Hier wird eine schnellere Datenverarbeitung erwartet und somit eine detailliertere Erzeugung der Zeitstempel. Wird für die Lösung eines Mikrocontrollers entschieden, muss bestimmt werden, welcher Mikrocontroller verwendet wird und ob dieser allein eingesetzt werden kann oder zusätzliche Hardware benötigt. Erweitern des Messsystems und Kalibrierung
Das aktuelle Messsystem ist nur für Espressomaschinen mit einer E61 Brühgruppe ausgestattet. Für die Betriebsaufnahme von Parametern bei Espressomaschinen mit anderen Brühgruppen muss das Messsystem um einen NTC und einen Drucksensor erweitert werden. Da die Espressomaschinen keine E61 Brühgruppe besitzen an denen der Druck bzw. die Temperatur per Bohrung gemessen werden können, ist hier eine Adaption an die Brühgruppe vorzunehmen. Die Erweiterung befindet sich am Siebträger und ist folgendermaßen umzusetzen. Der Siebträger der Espressomaschine ohne E61 Brühgruppe ist bodenlos und besitzt einen gedruckten Kunststoffeinsatz, der das Brühwasser an eine zweite Brühgruppe überleitet. Die zweite Brühgruppe ist ebenfalls zu fertigen. Sie besitzt eine passende Bohrung, die direkt in den Wasserfluss leitet, um den Druck und die Temperatur dessen aufzunehmen. Um einen realen Brühwasserdruck beizubehalten, wird unter die zweite Brühgruppe ein Universal Siebträger mit Kaffeepuck eingesetzt.
Für die Drucksensoren und die Wägezelle sind Umrechnungen in physikalische Größen anhand der Kennlinien aufzustellen. Für alle Sensoren gilt es eine Kalibrierung durchzuführen, entweder mithilfe des Kalibrierprüfstandes oder mit zuverlässigen Ersatzsystemen. Die Kalibrierung hat die Verbesserung der Messgenauigkeit zum Ziel. Der IR Sensor misst die Temperatur, jedoch nicht exakt. Das Wägesystem mit der Wägezelle muss für die komplette Vervollständigung mit dem Messsystem verbunden und in der GUI integriert werden. Testen des Messystems Um die vollständige Funktion des Messsystems zu Testen, muss es an einer Espressomaschine mit E61 Brühgruppe und einer Espressomaschine ohne E61 Probemessungen durchgeführt werden. Hierbei müssen die Parameter wie Druck, Temperatur und Durchfluss aufgenommen werden. Für das Wägesystem muss die elektrische Schnittstelle im Messsystem funktionsfähig integriert sein.