Funktionstest alternatives Dosierventil + CAD-Modell
Felix Kistler, 05.12.2023
Für das alternative Dosierventil bestehend aus Schrittmotor, Wellenkupplung und Kugelhahn wurde ein Adapter konstruiert. Dieser Adapter stellt das Verbindungsstück zwischen Wellenkupplung und Kugelhahn dar. Das Verbindungsstück wird aus einer Hohlwelle mit einem Außendurchmesser von 8 mm gefertigt. Es verfügt auf einer Seite über eine entsprechende Aussparung für den Anschluss an den Kugelhahn und wird mithilfe einer M3x10-Schraube am Kugelhahn befestigt. Auf der anderen Seite ist das Verbindungsstück rund mit einer längs angebrachten Fase. Diese Seite des Verbindungsstücks wird in die Wellenkupplung geschoben und mithilfe der mitgelieferten Madenschrauben und der Fase innerhalb der Wellenkupplung fixiert. Als Werkstoff wurde die Aluminium-Legierung AW-2007 (AlCu4PbMgMn) gewählt, welche sich gut zum Zerspanen eignet.
Um das Einspannen des Bauteils beim Fräsen zu vereinfachen, wurde das Verbindungsstück länger als benötigt konstruiert. Das Bauteil verfügt an beiden Seiten über die Aussparung für den Anschluss am Kugelhahn, sodass über Zuschneiden zwei Verbindungsstücke aus einem Bauteil gefertigt werden können. Beim Prototypenbau erfolgt das Zuschneiden und Anbringen der Fase manuell im Labor.
CAD-Datei und Zeichnung:
Datei:20231129 Kugelhahn-Wellenkupplung Adapter.zip
Florian Todenhagen, 14.02.2023 Anforderung für Abschluss
Um diesen ToDo-Punkt zu einem Abschluss zu führen muss die Initialisierung in der Betriebssoftware implementiert werden. Nähere Informationen finden sich im Punkt Systemsoftware.
Florian Todenhagen, 14.02.2023
Die Festdrosseln wurden in der labortechnischen Maschine entsprechend des Eintrags vom 13.12.2022 ausgetauscht.
Um die Kombination aus manueller Drossel [AVS-Römer, Seite 119] und Schrittmotor SM149-25T-43 betreiben zu können, wurde eine Führung konstruiert. Diese war nötig, da eine Befestigung über Kabelbinder nicht möglich war, ohne die Funktion zu beeinträchtigen. Die Führung wurde mittels 3D-Druck [Prusament PLA] hergestellt und auf Funktion getestet.
Die Halterung des Schrittmotors in der Führung besteht aus zwei Schellen, die mittels zwei M5 Schrauben den Schrittmotor einspannen. Das Gewinde in dem die Schrauben verschraubt werden, stammt von der Firma KerbKonus. Mit einem Haftreibungsbeiwert von 0,3 ergibt sich eine nötige Klemmkraft von 75,62 N. Dies entspricht einem Anziehdrehmoment von 186,29 Nmm.
Florian Todenhagen, 13.12.2022 Ersetzen der Festdrosseln
Die alternativen Dosierventile bestehend aus einer manuellen Drossel [AVS-Römer, Seite 119, RFD-058-P315-6ff] und einem Schrittmotor SM149-25T-43 sollen am Donnerstag, den 15.12.2022 in die labortechnische Espressomaschine eingebaut werden und somit die Festdrosseln an der Brühgruppe und am Pumpen-Bypass ersetzen. Die Position bleibt bestehen, wie in [64] zu erkennen.
Florian Todenhagen, 13.12.2022
Die manuellen Drosseln mit Schrittmotor [56] an der Brühgruppe und am Bypass der Pumpe [64] sollen für die Brühgruppentests von Felix Kistler nur manuell einstellbar sein. Bedeutet vor Beginn des Kaffeebezugs werden für diese Drosseln bestimmte Stellwerte festgelegt, welche dann von den Schrittmotoren vor Beginn des Kaffeebezugs an den manuellen Drosseln eingestellt werden. Hierfür wird der zusätzlich zu verbauende Mikrocontroller verwendet. Kurzfristig gesehen kann dies auch über das Emtwicklungstool Thonny geschehen. Langfristig soll die Einstellung der manuellen Drossel mit Schrittmotor über die GUI geschehen und für die manuelle Drossel mit Schrittmotor am Bypass soll eine Regelung für die Durchflussmenge und ein Notfallmodus (als Überdruckschutz) implementiert werden.
Florian Todenhagen, 01.12.2022 Nachtrag zu Funktionstests verstellbare Drosselventile
Es muss noch geprüft werden ob die Schrittmotoren (SM149-25T-43) die komplett geschlossenen/geöffneten manuellen Drosseln (RFD-058-P315-6ff) wieder öffnen/schließen können.
Hierfür werden die Drosseln mit dem Schrittmotor komplett geschlossen/geöffnet und die Motoren über die Endposition der Drosseln hinaus angetrieben. Daraufhin werden die Drosseln wieder geöffnet/geschlossen.
Dies funktioniert ohne weitere Probleme, womit eine Kalibrierung der Software mit Anfahren und überfahren der Endstellung möglich ist.
Florian Todenhagen, 01.12.2022 Funktionstests verstellbare Drosselventile
Die Kombinationen aus Schrittmotor und Kugelhahn-Ventil oder manuellem Drosselventil werden in einen von Felix Kistler konstruierten Prüfstand [56] eingespannt. Somit kann sich weder der Motor noch das Ventil verdrehen und somit bleibt nur das Öffnen/Schließen als einzige Bewegungsmöglichkeit. Bei zu hohem Widerstand bleibt der Motor stehen, bei kurzen Überlastungen sind aber keine Schäden am Motor bzw. am Getriebe zu erwarten. Die Dauerbelastung mit stillstehendem Motor muss jedoch vermieden werden.
Manuelles Drosselventil mit Schrittmotor
Versuch 1 – manuelle Drossel mit Schrittmotor
(Getriebe 1:43)
(RFD-058-P315-6ff mit SM149-25T-43)
Für den ersten Versuch wurde mit einer manuellen Drossel in direkter Verbindung mit einem Schrittmotor mit einer 1:43 Übersetzung des Getriebes geprüft. Dafür wurden beide Bauteile im Prüfstand verspannt und über die Schrittmotorsteuerung angesteuert.
Die Drossel konnte geöffnet und geschlossen werden. Das Anfahren in den Endzustand (komplett geschlossen/geöffnet) ist möglich.
Versuch 2 – manuelle Drossel mit Schrittmotor (Getriebe 1:21)
(RFD-058-P315-6ff mit SM149-25T-21)
Bei diesem Versuch wurde der Schrittmotor ausgewechselt, wodurch nun ein Getriebe mit einer Übersetzung von 1:21 verwendet wird.
Die Drossel konnte geöffnet und geschlossen werden. Das Anfahren in den Endzustand (komplett geschlossen/geöffnet) ist möglich.
Versuch 3 – manuelle Drossel mit Schrittmotor (Getriebe 1:21)
(RFD-058-P315-6ff mit SM149-25T-21)
Für den Versuch wurde der Schrittmotor und die Verbindung zum manuellen Drosselventil ausgetauscht. Das Getriebe des Schrittmotors hat hier eine Übersetzung von 1:21 und die Verbindung bestand aus einer Wellenkupplung.
Die Drossel konnte geöffnet und geschlossen werden. Das Anfahren in den Endzustand (komplett geschlossen/geöffnet) ist möglich.
Versuch 4 – manuelle Drossel mit Schrittmotor (Getriebe 1:43)
(RFD-058-P315-6ff mit SM149-25T-43)
Hier wurde der Schrittmotor wieder gegen den Schrittmotor mit Getriebe mit einer Übersetzung von 1:43 ausgetauscht. Manuelle Drossel und Wellenkupplung werden nicht getauscht.
Die Drossel konnte geöffnet und geschlossen werden. Das Anfahren in den Endzustand (komplett geschlossen/geöffnet) ist möglich.
Kugelhahnventil mit Schrittmotor
Versuch 5 – Kugelhahnventil (Nr. 5) mit Schrittmotor (Getriebe 1:43)
(3526697 [56] mit SM149-25T-43)
Für die Versuchsreihe wird das manuelle Drosselventil mit einem Kugelhahnventil (Nr. 5) ausgetauscht. Bei den Kugelhähnen gibt es einen erhöhten Widerstand, um das Ventil vollständig zu schließen. Dieser muss vom Schrittmotor überwindet werden können, ansonsten ist der Kugelhahn nicht zu verwenden.
Der Widerstand des Kugelhahnventils für vollständige Schließung konnte nicht überwindet werden. Somit ist kein Anfahren in den Endzustand geschlossen möglich.
Versuch 6 – Kugelhahnventil (Nr. 5) mit Schrittmotor (Getriebe 1:21)
(3526697 [56] mit SM149-25T-43)
Bei diesem Versuch wird der Schrittmotor mit der kleineren Übersetzung verwendet, um die Annahme zu bestätigen, dass dieser, aufgrund der kleineren Übersetzung, das Ventil auch nicht schließen kann.
Die Annahme wird bestätigt, ein Schließen des Ventils ist nicht möglich.
Versuch 7 – Kugelhahnventil (Nr. 1) mit Schrittmotor (Getriebe 1:43)
(1411005 [56] mit SM149-25T-43)
Für diesen Versuch wird das Kugelhahnventil getauscht und das Kugelhahnventil Nr. 1 verwendet. Außerdem wird die stärkere Motor-Getriebe-Kombination verwendet.
Jedoch ist es auch hier nicht möglich das Ventil in den Endzustand zu bringen.
Elektronisches Drosselventil von AVS-Römer
(EFC-20-958P310-6FF)
In diesem Versuch wird die Funktion des elektrischen Drosselventils geprüft. Da die Schrittmotorsteuerung für die Steuerung dieser Ventile ausgelegt wurde, sind hier keine Probleme zu erwarten.
Die Erwartung wird bestätigt, das elektrische Ventil lässt sich problemlos öffnen und schließen.
Außerdem ist dies auch ohne Befestigung im Prüfstand möglich. Somit muss das elektrische Ventil nicht an der labortechnischen Espressomaschine befestigt werden.
Öffnen nach langer Verschlusszeit
Zusätzlich wird geprüft ob die Ventile (manuelle Drossel RFD-058-P315-6ff) nach längerer Verschlusszeit in den Endpositionen (vollständig geöffnet/geschlossen) durch die Schrittmotoren (SM149-25T-43) wieder geöffnet/geschlossen werden können. Eine länger Verschlusszeit ist bei häuslichem Gebrauch bei jedem Abschalten der Maschine der Fall, besonders wenn nur einmal täglich Kaffee bezogen wird.
Nachdem bei den vorhergehenden Versuchen die Kombination aus manuellem Drosselventil und Schrittmotor mit Getriebe sich als gut geeignet zeigte, wird nur diese Kombination geprüft.
Um diesen Vorgang zu simulieren, werden zwei Ventile verwendet. Eines dieser Ventile wird vollständig geschlossen, das andere Ventil vollständig geöffnet. Beide Ventile werden auf Anschlag verschlossen, bis der Motor stillsteht und das Ventil nicht weiter schließen/öffnen kann. Hierbei wurde der Motor mit dem Getriebe mit einer Übersetzung von 1:43 verwendet.
Nach Ablauf von zwei Tagen wird versucht das Ventil wieder zu öffnen, bzw. zu schließen.
Es zeigt sich, dass das Schließen und Öffnen nach Endstellung möglich ist. Allerdings stottert der Motor beim Öffnen des Ventils leicht. Nach Überwinden des Widerstands läuft der Motor wieder ruhig und ohne Leerlauf. Für die genaue Steuerung sollte dies Berücksichtigt werden und vor Bezug das Ventil, wenn möglich, komplett geöffnet werden und erst dann in die gewünschte Position verstellt werden.
Ergebnis der Funktiontests
Bei den Kombinationen aus verschiedenen Kugelhahnventile und Schrittmotoren ist es nicht möglich diese komplett zu verschließen. Somit sind diese Kombinationen nicht für die Verwendung in der labortechnischen Espressomaschine, bzw. für die anderen Versionen der Maschine, geeignet.
Die Kombinationen aus manuellem Drosselventil und Schrittmotor mit Getriebe mit Übersetzung von 1:43 oder 1:21 sind für die Verwendung gut geeignet. Welches Getriebe bei dem Schrittmotor verwendet werden soll muss durch andere Faktoren bestimmt werden. Das Getriebe mit einer Übersetzung von 1:43 bietet eine feinere Auflösung, während das Getriebe mit einer Übersetzung von 1:21 kleiner und somit platzsparender ist. Bei beiden Kombinationen muss die Befestigung gegen Verdrehen beachtet werden.
Das elektronische Ventil ist, aus Sicht der Funktion, das am besten geeignete Drosselventil für die Maschine, da es keine besondere Befestigung benötigt und am schnellsten zu verstellen ist.
Der Kostenfaktor wird hier nicht betrachtet.
Fazit/Empfehlung
Das elektronische Ventil von AVS-Römer sollte am Kaltwasserstrang Einsatz finden, da es schnell schaltet und leicht zu verbauen ist. Außerdem empfiehlt sich die kurze Verstell Dauer, da an dieser Stelle durchgehend bei Kaffeebezug geregelt wird.
An den Stellen vor der Brühgruppe und am Bypass sollten die Festdrosseln durch manuelle Drosselventile in Kombination mit einem Schrittmotor mit Getriebe (Übersetzung 1:43) getauscht werden, da diese kostengünstig sind. Außerdem wird an diesen Stellen das Ventil einmal vor dem Kaffeebezug eingestellt, somit ist die Verstell-Geschwindigkeit nicht von Bedeutung.
Armin Rohnen, 01.07.2022 (colortechnik Antriebstechnik)
Anstelle des relativ großen Nema 17 Motors wäre auch die Verwendung von Schrittmotoren mit Getriebe möglich. Hierzu sind bei der colortechnik Antriebstechnik GmbH die Testantriebe SM149-25T-21 und SM149-25T-43 bestellt (externer Link zum Datenblatt). Die Kosten der Antriebe betragen bei Einzelstücke € 33,20.
Eine weitere Möglichkeit besteht in dem Motor PG15L0050-15P020S0-02 mit einem Einzelstückpreis € 40.
Von allen drei Antriebe sind Testmuster bestellt. Die Lieferung wird zu KW39/40 erwartet.
Armin Rohnen, 01.07.2022 (Versuchsplanung)
== Im Vorfeld ist zu klären
- Terminabsprache mit Jan Budnick, um die Labormaschine zu betreiben
- eine Idee wie die Temperatur an dem Ventil und dem Schrittmotor gemessen kann, was für ein Sensor kann wie daran angebracht werden um Temperaturen einigermaßen korrekt zu messen
- was für eine Messtechnik wird benötigt
- wenn Armin Rohnen benötigt wird, eine Terminabsprache mit ca. 2 bis 3 Wochen Vorlauszeit benötigt
- wie wird der Aufbau mechanisch gehalten?
- Verlegung der Dampfleitung über das Drosselventil
1. Versuch
Bestimmung der Temperatur am Drosselventil und am Schrittmotor im geschlossenen Zustand und bei Boilerdruck 1500 mbar
Messen der Temperaturen, 2 Messwerte je Sekunde, 1 Stunde Messzeit und danach prüfen ob der Temperaturverlauf auf einen Endwert zugelaufen ist.
Wenn eine Endtemperatur noch nicht bestimmt werden kann, den Versuch mit längerer Messzeit wiederholen. Dazu muss zuvor das System erkaltet sein.
Wenn eine Endtemperatur erreicht ist Versuch 2 durchführen
2. Versuch
Feststellung ob der Schrittmotor das Drosselventil dicht geschlossen bekommt
- 5 Umdrehungen öffnen und 1, 2, 3, ... 10 Minuten Dampf auslassen
- 5 Umdrehungen schließen, dann sollte eigentlich kein Dampf mehr austreten
- 3 weitere 0,x Umdrehungen Schließen bis dass gesichert kein Dampf mehr austritt
- Mit Schritt 3.) ermitteln um wieviel mehr zugedreht werden muss um ein gesichertes Schließen zu erreichen
- Bei diesen Vorgängen die Temperaturen mit messen, deren Verlauf und deren maximale Endtemperatur ermitteln.
- Die Schritte 1.) bis 3.) 3 bis 5fach wiederholen
D# urchführung bei kalter Drossel, bei Drossel auf der zuvor ermittelten Endtemperatur, und auf maximaler Endtemperatur.
3. Versuch
Feststellung ob Drosselventil nach Abkühlung wieder geöffnet werden kann
Über Versuch 2 das Drosselventil in maximal Endtemperatur dicht verschließen.
Das Drosselventil auf Raumtemperatur abkühlen lassen.
- 5 Umdrehungen öffnen und Boilerheizung einschalten, relativ bald sollte ein Zischen zu hören sein
- 5 Umdrehungen schließen, dann sollte eigentlich kein Dampf mehr austreten
- weitere 0,x Umdrehungen schließen bis dass gesichert kein Dampf mehr austritt
- Mit Schritt 3.) ermitteln um wieviel mehr zugedreht werden muss um ein gesichertes Schließen zu erreichen
Armin Rohnen, 13.05.2022
Es muß die Dichtheit im Endanschlag für die Kombination AVS Römer Drosselventil (Teile Nr. RFD-058-P315-6ff, 635636) mit dem Schrittmotor Nema 17 17HS4417 ermittelt werden und es muss ein CAD-Modell für dieses Bauteil erstellt werden.
Armin Rohnen, 27.03.2022
Mit der Kombination AVS Römer Drosselventil (Teile Nr. RFD-058-P315-6ff, 635636, mit dem Schrittmotor Nema 17 17HS4417 und einer Wellenkupplung wurden die ersten Versuche durchgeführt.
Die Ansteuerung erfolgte einmal über eine L298N Schrittmotorsteuerung (joy-it MotoDriver2) und ein weiterer Versuch über das Bauelement L293D. Beides ist aktuell nur in sehr begrenzten Stückzahlen im Markt verfügbar. Für Versuche ist von beiden etwas im Bestand.
Benötigt werden vier digital I/O PINs einer MCU zur Ansteuerung des Schrittmotors über den Treiberbaustein.
Der Schrittmotor benötig für eine Umdrehung 200 Schritte. Das ist eine Auflösung von 1,8 °. Eine Ansteuerung in 1/2-Schritten ist möglich, so dass eine Auflösung von 0,9 ° zustande kommt.
Von Anschlag zu Anschlag werden bei AVS Römer Drosselventil 11 Umdrehungen benötigt.
Ergebnis
Auch mit dem Treiberbaustein L293D lässt sich das Drosselventil in den Endanschlag einfahren und wieder herausfahren. Es geht allerdings auch beim herausfahren Drehwinkel verloren.
Ausblick
- In einem Testaufbau am Boiler muss die Dichtheit im erreichbaren Endanschlag geprüft werden.
- Erstellung von Programmcode für die Ansteuerung via MATLAB®