PID Steuerung des Heizelements und Bezugszeit der Pumpe einer Gaggia Classic

Hallo miteinander,

ich habe nun mein Arduinoboard Uno R3 und möchte nun mit meinem Projekt beginnen.
Mein Ziel ist es eine Gaggia Classic mit dem Arduino zu steuern ( Bezug und Temperatursteuerung) .

Zum einem möchte ich die Pumpe durch einen Schalter mit Endziel SSR mit Spannung versorgen, um die Zeit für den Bezug von Espresso zu steuern.
Dieser Teil ist jedoch erstmal nicht die erste Priorität.

Zum anderen soll das Heizelement in der Gaggia mit Hilfe der PID Steuerung des Arduinos gefahren werden. Hierzu soll die “PID Library” genutzt werden. Die Temperatur des Heizkessels - mit außenliegender Heizung - soll an mindestens einem Punkt erfasst werden. Der Offset zwischen Kesselaußenwand und Wassertemperatur werde ich durch diverse Tests ermitteln.
Ich bin mir noch nicht sicher, mit welchen Bauelementen ich zu guter Letzt arbeiten werde, deshalb is der beiliegende Schaltplan ein grob eingeschlagener Weg an mein Ziel.

Ich bin gerade dabei herauszufinden, mit welchem Temperatursensor ich die Temperatur am besten ermitteln kann.

Zum einen habe ich in der Schaltskizze einen LM 35 Temperatursensor genommen. Dieser hat jedoch ein Temperaturmaximum bei 150°, was wohl ziemlich eng wird.
Andernfalls würde ich einen PT100 bzw PT1000 nutzen und diesen über einen Spannungsteiler auslesen.

Geschaltet soll das Heizelement (in der Skizze als Spule) nachher mit einem SSR. Hier habe ich bei Reichelt mal ein mMn passendes herausgesucht (S216 S02F).

Was haltet ihr davon?
Welche Tipps könnt ihr mir für mein Projekt geben?
Ist das so realisierbar?
Mein Ziel ist es auch weiter zu recherchieren, jedoch dieses Topic als Basis für meine zusammengetragenen Infos zu nutzen.
Sollte wer Interesse haben, hier mitzuwirken, ist er/sie gerne eingeladen :wink:

Soweit sogut, Danke im Voraus und ich bleib am Ball

Felipe

Hier noch ein paar Randinfos zur Maschine

Technische Daten des Siebträgers
Gesamtleistung : 1300W
Spannung : 230V
Errechneter Strom ? 5,66A

Pumpe (gelsitetes Ersatzteil)
Modell EATON / INVENSYS
Druck max. 15,0 bar
Liter-Leistung: 0,75 ltr. /min
Spulenleistung: 65 Watt / 230V~

Andernfalls würde ich einen PT100 bzw PT1000 nutzen und diesen über einen Spannungsteiler auslesen.

Funktioniert nicht dazu ist die Widestandsänderung zu klein. Du brauchst eine Meßelektronik dazu.

Hast Du Erfahrung mit 230V ? Grüße Uwe

Was die Heizung angeht: bei der Trägheit tut's vermutlich ein Zweipunktregler. Aber da haben wir andere Spezialisten hier, PID ist halt bissel mehr Aufwand bei der Einstellerei.

Hallo,

erstmal Danke für euren schnellen Antworten.

@Uwefed: Durch mein Studium durfte ich diverse Module der Elektrotechnik besuchen, bis hin zu Hcohspannungstechnik. Somit steht mir eine gewisse Basis an theoretischem Wissen zur Verfügung. Praktische Erfahrungen - auch mit 230V - habe ich in meinem Praktikum gesammelt, wenn auch nur geringe und unter stetiger Aufsicht. Ich möchte jedoch die gesamte Schaltung vor Inbetriebnahme von einem Bekannten prüfen lassen. Bei der Entwicklung steht dieser aber nicht zur Verfügung, da ich 600km von meinem Heimatort entfernt bin.

Bzgl des "Spannungsteilers" habe ich mich wohl falsch ausgedrückt. Die fehlende Verstärkung hätte ich wohl mit nennen sollen, damit auch andere - außer mir - das hier verstehen, was ich plane.

@Klaus_ww: Mich reizt explizit die PID-regelung, da ich dann ein selbstkonstruiertes Beispiel hierfür habe und damit mein noch theoretisches Wissen auch hier in die Praxis erweitern kann.

-> Topic:

Ich habe gestern noch eine Weile recherchiert und bin nun der Überzeugung, dass es leider keine große Alternative zu einem PT100/PT1000 gibt, da nur diese den Temperaturbereich "locker" wegstecken können. Die Schaltung passe ich heute Abend hierzu an. Und suche auch ensprechende Angebote heraus.

Vielen Dank soweit!

Felipe

Felipe_Alvaro: @Klaus_ww: Mich reizt explizit die PID-regelung, da ich dann ein selbstkonstruiertes Beispiel hierfür habe und damit mein noch theoretisches Wissen auch hier in die Praxis erweitern kann.

Macht Sinn, Warmwasserbereitung eignet sich meiner Meinung aber nicht ganz so gut wie ein schnelleres System für das Spielen mit PID. Geht aber natürlich trotzdem - gutes Gelingen!

Kuck mal, vielleicht ist das ein geeigneter Sensor: http://www.sensorshop24.de/Sonderposten/SO430-Oberflaechenfuehler-bis-200-C-NTC10k-Sensor-1-0m-Silikon.html

Ich habe gestern noch eine Weile recherchiert und bin nun der Überzeugung, dass es leider keine große Alternative zu einem PT100/PT1000 gibt, da nur diese den Temperaturbereich "locker" wegstecken können.

Welchen Temperaturbereich ? Willst du das Kaffeewasser bei exakt 98.7°C halten und es soll mit dem gleichen Sensor auch auf geeichte 37° genau einstellbar sein? Oder soll die Kaffeemaschine auch funktionieren, wenn sie in -30° Umgebung steht und das Heizelement eingefroren ist?

( Meine hat einen NTC )

Klaus_ww: Was die Heizung angeht: bei der Trägheit tut's vermutlich ein Zweipunktregler. Aber da haben wir andere Spezialisten hier, PID ist halt bissel mehr Aufwand bei der Einstellerei.

Ein D-Anteil ist natürlich übertrieben, aber PI kann man schon machen. Bei meiner Heizung steht in der Bedienungsanleitung das Kesseltemperatur ein Zweipunkt-P-Regler ist und die Heizkreisregelung ein Dreipunkt PI-Regler.

Ein D-Anteil ist natürlich übertrieben

Bedenke, dass die Regelanforderungen evtl. deutlich höher sind als bei der Heizung deines Hauses. Da beim Kaffee brühen ziemlich plotzlich eine hohe Anforderung kommt, sollte man einen eventuell auf niedrig optimierten P - Anteil schon durch ein deutliches D ergänzen. Hängt generell vom Zeitverhalten ab (neigt das System zum Nachheizen) ?

Sonst könnte man ja einfach auf PID verzichten (zu kalt: Heizung ein) Das macht doch keinen Spass.

Ja, geht natürlich. Ich habe mal mit OpAmps einen PID-Regler gebaut um eine Temperatur auf etwa 0,2° genau zu halten. Das war ein elendiges Gefummel :0

Nachheizen ist bei den meisten Heizungen ein Problem. Einfach durch die Größe der Heizelemente oder dem Medium das man aufheizt. Aber das sind auch wieder zwei verschiedene Sachen. Es kann durchaus in Ordnung sein, dass der Regler schwingt, solange er die Solltemperatur schnell erreicht.

Außer einem PT100/PT1000 gibt es noch Thermoelemente. Zusammen mit einem MAX6675 hast Du ein fertiges Thermometer. Aber ein NTC ist billiger. Grüße Uwe

Hllo miteinander,

michael_x:

Ich habe gestern noch eine Weile recherchiert und bin nun der Überzeugung, dass es leider keine große Alternative zu einem PT100/PT1000 gibt, da nur diese den Temperaturbereich "locker" wegstecken können.

Welchen Temperaturbereich ? Willst du das Kaffeewasser bei exakt 98.7°C halten und es soll mit dem gleichen Sensor auch auf geeichte 37° genau einstellbar sein? Oder soll die Kaffeemaschine auch funktionieren, wenn sie in -30° Umgebung steht und das Heizelement eingefroren ist? ( Meine hat einen NTC )

Wie gesagt bzgl des Sensors bin ich mir noch nciht sicher. Die Temperaturanforderungen sind folgende: Betrieb in der Küche Raumtemp zw 15 und 30°C Sobal jedoch das Heizelement angeht, kann dies deutlich höhere Temperaturen als 100°C erreichen, weshalb viele digitalen Sensoren rausfallen. Da der PT1000 bis weit über 200°C geht, scheint mir da am sinnvollsten. U.a. auch, da dieser laut diversen Threads im Netz genauer ist.

Sinn der ganzen Übung ist, die Temperatur in der ersten Nachkommastelle annähernd genau zu bestimmen.

Bzgl der PID Regelung - die Werte hierfür ermittle ich ja ganz am Ende. Wie hoch welcher Wert wird, entscheidet nachher meine Testreihe, weshalb ich mir darüber noch keine genaueren Gedanken mache - außer eben PID als Möglichkeit. (Evtl wird der D-Anteil wegen switchen zwischen vers Modi (Dampf, Bezug..) benötigt.

@michael_x: Du verwendest einen NTC? wie genau schaffst du damit deine Temperatur zu ermitteln? Kannst du mir einen Link zum Projekt geben?

@Klaus_ww: Die Espressomaschine bietet sich an, da diese eh auf der ToDo-Liste steht. Weitere spätere Projekte können dann gerne anspruchsvoller sein ;)

So. Ich werde dann mal heute Abend weiter nachlesen und dann mal ein Feedback bzgl des Temperatursensors geben. Ich denke aber, dass die Idee mit dem PT1000 und enstpechender Verstärkerschaltung am Besten zutrifft.

Vielen Dank für eure Posts

Beste Grüße Felipe

PS: ein Display habe ich mir soeben auch bestellt, welches dann den ensprechenden Modus und die Temperatur-Ist anzeigen soll. Dafür sollten 16x4 reichen.

Sinn der ganzen Übung ist, die Temperatur in der ersten Nachkommastelle annähernd genau zu bestimmen.

Na dann viel Spaß. Wenn Du kein Elektroniker bist wirst Du das nicht zusammenbekommen. Du mußt die Auswertungselektronik auf 0,5% Genauigkeit bringen und das ist schwierig. Außerdem brauchst Du einen externen A/D Wandler weil der in Arduin zu wenig Auflösung hat.

Grüße Uwe

Hi,

was ist denn deiner Meinung möglich, was ich erreichen kann?

Beste Grüße Felipe

uwefed:

Sinn der ganzen Übung ist, die Temperatur in der ersten Nachkommastelle annähernd genau zu bestimmen.

Na dann viel Spaß. Wenn Du kein Elektroniker bist wirst Du das nicht zusammenbekommen. Du mußt die Auswertungselektronik auf 0,5% Genauigkeit bringen und das ist schwierig. Außerdem brauchst Du einen externen A/D Wandler weil der in Arduin zu wenig Auflösung hat.

Grüße Uwe

Hallo,

ich bin nun dabei diverse Sensoren zu vergleichen.

Nehmen wir zu beginn diesen: http://www.voelkner.de/products/27371/Platin-Temperatur-Sensor-Pt-1000-M-222.html mit folgenden Daten: Marke: Heraeus Weitere technische Daten: Signal: DIN EN 60751 Ausführung: Heraeus-Nr. 32 208 571 Toleranz: Klasse B/F0.30 Typ: M222 Widerstand: Pt 1000 Temperatur-Koeffizient: 3850 ppm/K Temperaturbereich: -70 - +500 °C

Dann habe ich einen PT1000 gefunden, welche laut Klasse B F1/3 eine Temperaturabweichung von "1/3 Klasse B: dT = ± (1/3 · (0,30 °C + 0,005 · T))" mit T = 100°C Fehler = ± 1/3*(0,3+0,005*100°C)°C = ±0,2666°C Dies würde/muss ;) meinen Ansprüchen genügen. Schau ich dann in das Datenblatt: http://files.voelkner.de/150000-174999/171832-da-01-en-Temperatursensor_M_FK1020_PT1000.pdf so muss ich feststellen, dass der Temperaturbereich jedoch nur bis 150°C angegeben ist. Was meint ihr dazu?

Alternativ habe ich gerade den gefunden: http://docs-europe.electrocomponents.com/webdocs/1125/0900766b81125508.pdf

Hier liegt die Toleranz bei: ±(0,15+0,002*100)°C = ±0,35°C Auch das wäre ok. Und der Preis mit 8,XX€ ist auch noch ok.

Bzgl der messverstärkung fange ich mal an zu googlen ;).

Komm ich mit einem NTC o. ä. an diese gernige Abweichung ran? Mit Thermoelement Typ T wäre das möglich. Siehe http://www.cik-solutions.com/de/katalog/thermoelemente/, leider scheinen die Preise für diese Bauteile enorm hoch zu sein. Bei den NTCs habe ich bisher meist 0,5-1% Abweichung gesehen. Das übersteigt aber die 0,266°C des PT1000. Weiter sind hier viel nicht mit all zu hohe Temperatur zu belasten.

Könnt ihr mir hier weiter helfen? Weil mein Uniwissen hilft mir in der Bauteilwahl leider nicht sonderlich weit... :/

Danke vielmals Felipe

Entschuldige, Ich habe einen Fehler gemacht.
0,1° Genauigkeit bei ca 120 °C sind unter 0,1% Fehler

Zum Sensor:
Ok jetzt hast Du einen 0,26% genauen Sensor gefunden. jetzt mu0t Du aber den ehler des Verstärkers und der A/D-Wandlers bzw Referenzspannungquelle dazuzählen.
grüße Uwe

Also hinkt meine Vorstellung im Bezug auf das tatsächlich Umsetzbare? Was scheint aus eurer Sicht nach möglich zu sein - evtl auch unter Bachtung der entstehenden Kosten.

PT1000 ist nicht in Stein gemeißelt, aber wie ich eben bisher gelesen habe "der exakteste" Weg und vor allem eben auch unter der Berücksichtigung der auftretenden Temperatur, da ja die Heiztung außen am Kessel sitzt.

Mein Problem ist, dass viele Schaltungen mit Verwendung eines PT1000 oft im Bereich von 20-max80 Grad gehen. da hört bei mir der Bereich aber bei langem nicht auf.

Beste Grüße und danke für eure Hilfe! Felipe

Hi,

ich habe mal ein wenig weiter geschaut und mir noch mal eure Ratschläge beherzigt. Mit einem Typ T Thermoelement, wäre der Fehler vom Element her nur 0,5°C. Nur leider finde ich dies so nicht zu kaufen (also nur als Bauteil)

Weiter habe ich mich nochmals mit div T.-Elementen auseinander gesetzt. Mein Problem hier ist die Genauigkeit. Laut Wiki http://de.wikipedia.org/wiki/Thermoelement sind die anderen "deutlich" schlechter was den Fehler angeht.

Oder verstehe ich den Fehler generell falsch. Ich interpretiere den wie folgt: Ich lege den Fühler an eine Temperatur mit 100°C, er verhält sich jedoch "nur" wie bei bspw. 98,5°C. An einen zweiten Punkt herrschen 150°C, das T.-element suggeriert mir aber 150,5°C. Somit ist der Fehler nicht grudsätzlich gleich, sonder mit der Temperatur in Wechselwirkung und somit nicht durch Regression/Inerpolation zu beheben. Stimmt das so?

Ich bin mittlerweile etwas einsichtiger geworden, was die Genauigkeit angeht. Natürlich möchte ich aber das möglichst beste raus holen - natürlich auch in Hinsicht auf den Preis.

Kurz nochmal zu den Bauteilen:

Pt100/1000 - hohe Genauigkeit aber sehr aufwendig und entsprechende Vorschaltung für Messung von nöten NTC - günstig, aber in Sachen Genauigkeit (zumindest was ich gefunden habe) bei ca 2,5°C Fehler

die Werte stammen aus dem netz. u.a. von hier: http://heraeus-sensor-technology.de/de/technology/vergleichstabelle/vergleichstabelle_1.aspx

Ich bin gerade ziemlich erstaunt, dass das so schwer wird, einen passenden Sensor zu finden, der in diesem Bereich eine "ordentlich" genaue Messung ermöglicht. Ich bitte daher um eure Hilfe.

Vielen Dank im Voraus dafür! Felipe

Hi allerseits,

ich habe nun weiter gelesen und nochmals den ein oder anderen Store durchgeschaut.

Hier habe ich ein Thermoelement gefunden, welches dem Tytp T entspricht. Leider ist das Datenblatt bzgl der Genauigkeit widersprüchlich zu der "Norm" nämlich "±2.5°C or ±0.0075xT" zu laut Wiki ±0,5°C.

Datenblatt: http://docs-europe.electrocomponents.com/webdocs/0800/0900766b80800a90.pdf Thermoelement: http://de.rs-online.com/web/p/thermoelemente/6212209/

Weiter finde ich immer wieder widersprüchlich aussagen bzgl Genauigkeiten/Fehler. Hier spricht einer von einem NTC mit nur 0,5% Fehler: http://www.messbar.de/pdf/s024-025_technik_temperatur.pdf

Ich bin gerade komplett verwirrt und komme gerade nciht weiter. Ich bitte hier um Hilfe. Danke im Voraus!

Hallo,

ich habe mir hier jetzt nicht alles durchgelesen, bin nur über die Möglichkeit der Verwendung eines Thermoelementes gestolpert. Ich möchte hierzu nur darauf hinweisen, dass ein Thermoelement nur eine sehr geringe Spannung abgibt (je nach Typ nur einige mV) und diese Spannung dann auch noch einen Wert für die Differenztemperatur zwischen dem warmen und dem kalten Ende des Thermoelementes darstellt. Man muss also zusätlich die Temperatur am kalten Ende kennen und dann die dieser Temperatur entsprechene Thermospannung mit der gemessenen Thermospannung verrechnen um die Temperatur am warmen Ende zu erhalten. Siehe https://de.wikipedia.org/wiki/Thermoelement Wird die Temperatur am kalten Ende nicht berücksichtigt erhält man entsprechend große Messfehler.