Koffiepraat.nl forum over koffie, espresso, filterkoffie, horeca en technieken

Wat is PID

Was het eerst nog een nieuwtje, tegenwoordig hebben veel espressomachines een digitaal display waarop de temperatuur kan worden afgelezen. Vaak zit daar een PID achter, maar wat is dat, wat doet het en wat heb je eraan?

Voorheen werden bijna alle boilers in espressomachines op temperatuur gehouden door een drukschakelaar, de pressostaat. Bij een lage druk werd het verwarmingselement ingeschakeld en werd de druk te hoog, dan ging het element uit.

Vroegere versies van zo'n schakelaar waren prachtig om te zien: een metalen trommel die kon uitzetten of inkrimpen al naar gelang de druk hoog of laag was. Daaraan vast een glazen buis met daarin twee draden en een bult kwikzilver. Werd de druk te laag, dan kromp de trommel en rolde het kwik tegen de draden waardoor het verwarmingselement werd ingeschakeld.

Nu is kwik verboden en lang en breed vervangen door een zware magneetschakelaar die je in machines met zo'n pressostaat goed kunt horen. Om de paar minuten, als de boilerdruk de onder-of bovengrens heeft bereikt, schakelt deze pressostaat het element aan even later weer uit.

De druk in zo'n boiler schommelt dus langzaam, tussen bijvoorbeeld 1.3 bar en 1.2 bar en de temperatuur in de boiler loopt daardoor ook steeds iets op en neemt dan weer wat af. De zetgroep is op zijn beurt verbonden met de boiler doordat deze erop zit geschroefd of doordat er een kleine buis heet water uit de boiler aan een kant de zetgroep instroomt en aan de andere kant er iets koeler weer uitstroomt, terug de boiler in.

Het "geheim van de smid" bij de bouw van espressomachines zit 'm in de afmetingen van de boiler, de aansluiting en de vorm en massa van de zetgroep. Klopt die niet, dan wordt de zetgroep na een paar uur te koud of te heet en dan is de koffie niet lekker. Je kunt dan de druk en daarmee de temperatuur van de boiler aanpassen maar dan wordt het weer lastig om met de stoompijp melk op te schuimen. De melk wordt uit de kan geblazen of er komt nauwelijks nog stoom uit. Is de zetgroep te licht uitgevoerd, dan kan tocht door een open deur of een andere tijdelijke kleinigheid de temperatuur en daarmee de smaak van de koffie beïnvloeden.

De perfecte machine heeft genoeg power in de boiler voor stomen terwijl de zetgroep niet te heet wordt in een druk café en niet teveel afkoelt bij spaarzaam thuisgebruik.

Hoe ontwerp je zo'n machine?

Een extra stoomboiler, bijvoorbeeld. Dan is dat probleem alvast opgelost.

Hier komt de PID als geroepen want het is een elektronische koorddanser. Evenwicht bewaren is de PID wel toevertrouwd. Elke drone heeft een PID aan boord om alles stabiel te houden en in een espressomachine is het een 'automatische piloot' voor de temperatuur zoals de cruise control van je wagen. Op kleine en grote tempertuurschommelingen reageert de PID door tijdig het vermarmingselement aan te zetten. De schakelaar die hiervoor wordt gebruikt heeft geen bewegende onderdelen en zo ben je niet alleen verlost van de harte tikken in de machine, de schakelaar kan ook nogeens fracties van een seconde worden aan- en uitgezet. Nu kan het element op 1% van het vermogen worden aangezet, op 100% en alles er tussenin en daarmee kun je het warmteproces van je machine nauwkeurig aansturen.

Stel, er komt vers koud water in de boiler, er worden kort achtereen enkele espresso's gezet, een keukenraam gaat open en koude lucht komt binnen of de zon draait en de machine komt in de warmte te staan.

Voor de werking van een PID is het essentieel dat deze afwijking van de ideale temperatuur snel wordt opgevangen, grote afwijkingen moeten met extra grote veranderingen van het vermogen worden gecorrigeerd maar ook moet de aanpassing tijdig worden afgerond om te voorkomen dat er overdreven wordt ingegrepen.


Hoe doet de PID dat?

Op drie manieren. Proportional, Integral, Derivative

P = Proportional
De PID krijgt informatie van een digitale thermometer die ergens in het systeem is geplaatst, bijvoorbeeld in de boiler. Is de temperatuur iets te laag, dan wordt het element wat langer aangezet, is de temparatuur ver uit de maat dan wordt meer 'gas gegeven'. Als de PID uitsluitend hiermee werkt, dan veroorzaakt deze mogelijk zelf ook schommelingen in de temperatuur, die hij vervolgens tegengaat, waarmee nieuwe schommelingen worden veroorzaakt enzovoorts. P is afhankelijk van de temperatuur NU.

I = Integral
Wordt de P-factor van de PID wat minder fel ingesteld, dan is de schommeling minder maar de doel-temperatuur wordt nooit helemaal gehaald. Het systeem gaat minder hard werken wanneer het doel in zicht komt en uiteindelijk is de temperatuur dan stabiel, maar net te laag of iets te hoog. Wanneer de PID doorkrijgt dat er enige tijd overheen gaat zonder verbetering, dan zorgt de I-factor op zijn beurt voor een energiestroom naar de schakelaar van het verwarmingselement en zolang als nodig is wordt de verandering verder geforceerd. I is dus afhankelijk van de temperatuur van DAARNET.

D = Derivative
Wanneer de temperatuur richting de 'ideale' waarde gaat maar nogal snel verandert, waardoor je kunt zien aankomen dat het straks van het ene uiterste naar het andere gaat, of er is een plotse verandering van buitenaf, dan wordt door de D-factor op zijn beurt het roer tijdig omgegooid. D is dus afhankelijk van de temperatuur van ZOMETEEN.

P, I en D staan voor getallen waarmee de PID intern rekent, bijvoorbeeld P=5, I=40 en D=1 of P=4, I=737, D=14. Er zijn verschillende rekenmethodes om de ideale waarde van deze drie getallen te vinden. Een drone moet veel sneller reageren en een kleine afwijking kan voor een crash zorgen terwijl een boiler van een paar liter en een zetgroep van 4 kilo niet zo snel en dramatisch van temperatuur veranderen.

Een betrekkelijk sloom en log systeem als een espressomachine kan ook volstaan met een versimpelde PID waarin slechts een of twee van de drie mogelijke invloeden worden meegenomen, dus alleen de P of P samen met I. Deze waarden hoef je in elk geval niet zelf te kiezen en ook de fabrikant hoeft dat niet uit te pluizen. Een goede PID is zelflerend en kan tevoren via 'autotuning' de juiste waarden in jouw systeem bepalen.

Opgelost?
Ook een PID kan niet alles. Als het systeem perfect is afgesteld dan werkt het in de meeste gevallen wel, maar een PID kan ook misleidend zijn. Dan wordt bijvoorbeeld de boiler perfect en geruisloos op temperatuur gehouden en lees je op het display wat de zet-temperatuur zou moeten zijn, 93ºC bijvoorbeeld. Dat staat dan erg geruststellend, maar wat als het weer omslaat, een raam gaat open, de centrale verwarming gaat aan. In de boiler, binnen de behuizing van de machine zal dit weinig uitmaken maar de zetgroep is dan wel warmer of juist koeler geworden. Waar lees je dat af? Nergens. Kun je er wat aan doen? Nee, meestal niet.

Machines

De R58 van Rocket heeft een PID en deze zit onderin de behuizing waardoor het niet te heet wordt voor de elektronica. Deze keuze zorgt ervoor dat er vrijwel geen PIDs voortijdig moeten worden vervangen.

De machines van Kees van der Westen hebben vaak nog een ouderwetse pressostaat aan boord, soms zelfs een klein model zoals je die in de La Pavoni tegenkomt. Werkt ook prima.

Machines zoals de Opera van Sanremo hebben een kleine boiler als onderdeel binnen een zeer zware zetgroep. Deze miniboiler wordt met een PID op temperatuur gehouden en wanneer de espresso wordt gezet weet je exact op welke temperatuur dat gebeurt. Verandert de omgevingstemperatuur dan wordt het effect snel gecorrigeerd en als er na het zetten van een espresso water wordt aangevuld dan komt dit uit de grote warme boiler waardoor er nauwelijks hoeft te worden bijverwarmd.
Zulke massieve techniek is kostbaar voor een klein café en overkill voor thuis.

Is dat erg? Nee, we vinden van niet.

Een betaalbare machine met PID zal ongetwijfeld enige schommelingen in temperatuur laten zien als je 'm aan de monitor hangt, maar als het goed ontworpen is blijven deze variaties binnen de perken en is het eigenlijk een mooie manier om de ene keer van dezelfde bonen een net iets donkerder of romiger smaak te hebben dan de andere keer. Fantastische koffie kan zich zo van verschillende kanten laten zien.

mr Blanc schreef: ma 12 apr 2021, 19:37 Bedankt mannen! En idd mooi stukje Frans erg verhelderend!

In fact, the "birth of the PID" happened in the 1920's of the last century when Nicolas Minorsky was designing automatic steering systems for the US Navy. He based his analysis on observations of a helmsman, observing that the helmsman controlled the ship not only based on the current error, but also on past error and current rate of change.