PID i sterowanie temperaturą

W naszym cyklu dotyczącym wyboru ekspresu dotarliśmy już niemal na sam koniec. Oczywiście otwartą kwestią pozostanie jeszcze kilka zagadnień takich jak ekspresy dźwigniowe lub profilacja ciśnienia, lecz jeżeli jesteśmy dopiero na początku swojej przygody z ekspresami kolbowymi, to dotychczasowa seria  w zupełności wystarczy, żeby wybrać sprzęt odpowiedni dla siebie, a następnie zebrać argumenty, by przekonać żonę/męża (niepotrzebne skreślić) o konieczności tego zakupu.  Nie przedłużając więc zbytnio, przechodzimy do omówienia sposobów kontroli i sterowania temperatury wody w naszym ekspresie.

Na samym początku przypomnimy tylko, że celem jaki sobie stawiamy jest uzyskanie odpowiedniej temperatury (około 92-93^oC). Woda jest podgrzewana do temperatury docelowej z wykorzystaniem grzałki (mechanizm działania jest identyczny jak w czajniku – podłączona do źródła prądu elektrycznego grzałka rozgrzewa się, zaś nadmiar ciepła oddaje do otaczającej ją wody). Omówione w dzisiejszym wpisie sposoby sterowania różnią się od siebie stopniem skomplikowania, który z kolei zapewnia większą precyzję utrzymywania temperatury wody, co przekłada się na bardziej powtarzalne espresso.

TERMOSTAT

Najprostszym rozwiązaniem w dostępnych na rynku ekspresach kolbowych jest termostat, który dość powszechnie występuje w lodówkach lub klimatyzacji. Jest to dość proste i tanie urządzenie mechaniczne o prostej zasadzie działania. Gdy załączamy ekspres i temperatura wody oscyluje w granicach temperatury pokojowej dwie metalowe blaszki we wnętrzu termostatu są zetknięte, płynie przez nie prąd elektryczny, który dociera do grzałki i daje jej sygnał „masz grzać”. Wraz ze wzrostem temperatury blaszki zaczynają się rozciągać i w pewnym momencie przestają się stykać. Obwód elektryczny zostaje przerwany i grzałka przestaje pracować. Z czasem temperatura w bojlerze zaczyna spadać i blaszki zaczynają się kurczyć. W pewnym momencie dochodzi do sytuacji, w której zetkną się one ponownie, co z kolei aktywuje ponownie grzałkę. Układ zacznie się nagrzewać i tak w kółko.

Spośród oferowanych przez nas ekspresów w termostat są wyposażone dwa bardzo solidne modele, idealnie nadające się do rozpoczęcie swojej przygody z kolbą – Rancilio Silvia i ECM Casa V.

PRESOSTAT

Każdy lubi poczucie władzy, a takie niewątpliwie daje w naszym ekspresie kolbowym lepsza kontrola parametrów. Jak więc ją uzyskać? Paradoksalnie wykorzystując prestostat, czyli urządzenie, które nie jest sterowane bezpośrednio zmianą temperatury, lecz ciśnienia. Jest to kolejne urządzenie mechaniczne, w którym występują dwie blaszki. Jedna z nich jest zamontowana na sprężynie, która wraz ze wzrostem ciśnienia wewnątrz bojlera zaczyna być ściskana, co prowadzi do rozdzielenia blaszek, przerwania obwodu i wyłączenia grzałki. Po przestygnięciu ciśnienie spada, sprężyna się rozciąga i blaszki ponownie się stykają co aktywuje grzałkę.

Może jednak pojawić się pytanie, jak urządzenie działające w oparciu o zmianę ciśnienia, może sterować temperaturę i to precyzyjniej niż to aktywowane termicznie? Dzieje się tak ponieważ temperatura jest ściśle powiązana pewną zależnością fizyczną z ciśnieniem pary wodnej i  dzięki odpowiedniemu wyskalowaniu przyrządu pozwala na pośrednią regulację temperatury. A czemu robi to precyzyjniej? Wynika to z budowy urządzenia i faktu, że jest on w stanie reagować na znacznie mniejsze zmiany ciśnienia, niż w przypadku termostatu i zmian temperatury.

Co również ciekawe, instalowane w ekspresach  presostaty zapewniają do pewnego stopnia możliwość sterowania ciśnieniem rozłączającym obwód, co pośrednio wpływa również na maksymalną temperaturę osiąganą w bojlerze – im niższe ciśnienie, tym niższa temperatura. Największym mankamentem tej regulacji jest jednak konieczność rozkręcenia ekspresu, nieraz w dużym stopniu. 

PID

Na szczęście producenci zdecydowali się na jedno jeszcze bardziej precyzyjne i komfortowe rozwiązanie, które będzie de facto głównym bohaterem dzisiejszego wpisu – PID. Te trzy literki są skrótem od sterownika proporcjonalno-całkująco-różniczkującego (ang. proportional-integral-derivative). Tak, wiemy że brzmi to strasznie i niektórym z czytelników przeszły ciarki na samo wspomnienie tych nazw z matematyki, ale postaramy się wytłumaczyć zasadę działania PID-a najkrócej i najprościej jak to tylko możliwe.

W przeciwieństwie do poprzednio opisywanych rozwiązań, PID jest urządzeniem elektronicznym, a nie mechanicznym – nic się tutaj nie rusza i nie odgina, lecz na podstawie pomiarów temperatury każdy z członów podejmuje decyzję co on zrobiłby z grzałką w danej chwili. Następnie sygnał z każdego członu z odpowiednią „wagą” (wzmocnieniem) wędruje do urządzenia sterującego grzałką, które decyduje czy w danej chwili grzałka ma być włączona czy wyłączona. Im większa „waga” przypisana do danego członu, tym więcej ma on do powiedzenia.

Jak więc zachowują się poszczególne człony? Pierwszy z nich to człon proporcjonalny (nazwiemy go P). Jest to taki prosty chłopak, co działa w dość bezmyślny sposób – temperatura jest za niska? No to grzejemy. Temperatura jest wyższa niż docelowa? No to wyłączamy grzałkę. Przypomina to trochę, i słusznie, działanie termostatu. Na szczęście P ma wsparcie bardziej rozgarniętych kolegów. Weźmy na przykład takiego I (człon całkujący). Można go porównać do takiego myśliciela, który lubi analizować nie tylko czy temperatura różni się od zadanej, ale również jak duża jest ta rozbieżność i jak długo trwa. W związku z tym jest w stanie ocenić, czy rozbieżność wymaga zdecydowanej czy raczej spokojnej reakcji, czego nie można powiedzieć o trzecim z bohaterów, czyli D (człon różniczkujący). D ma w sobie coś z panikarza, który bardzo niepewnie się czuje, gdy sytuacja zmienia się zbyt dynamicznie, dlatego jego odpowiedź stara się jak najszybciej zdusić jakąkolwiek rozbieżność w układzie. Jeżeli jednak już dojdzie do dużych skoków wartości to reaguje on bardzo gwałtownie, co z kolei wymusza interwencję I.

Dobór tych trzech członów jest nieprzypadkowy i pozwala na najbardziej precyzyjne sterowanie temperaturą spośród wszystkich dostępnych. U osób nieznających wcześniej PID-a może jednak pojawić się uzasadniona obawa – „czy poradzę sobie ze zmianami tych wszystkich ustawień dla każdego członu, by uzyskać dobrą kawę?” Odpowiedź brzmi: tak, bo producent robi to za nas. W niemal wszystkich dostępnych ekspresach z PIDem zmieniamy temperaturę bezpośrednio klikając na przycisk z plusem i minusem przy małym wyświetlaczu na przedniej lub na dotykowym wyświetlaczu LCD, a PID automatycznie przelicza sam sobie jakie wzmocnienie powinien uzyskać każdy z członów.

Z dziennikarsko-kawowego obowiązku przypomnimy, że zwiększenie temperatury (do około 95-96^oC) jest dobrym pomysłem w przypadku kawy jasno palonej lub gdy nasze espresso wychodzi zbyt cienkie, zaś obniżenie temperatury (w okolice 90^oC lub nieco niżej) to wskazane posunięcie w przypadku kaw ciemno palonych lub gdy espresso to zbyt mocna i gorzka „siekiera”.