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Die Erfindung betrifft eine Heißgetränkezubereitungseinrichtung für Haushaltszwecke mit einem Durchlauferhitzer, mit einem Auslauf des Durchlauferhitzers, mit einem ersten Temperatursensor auf einer Oberfläche des Durchlauferhitzers, mit einem zweiten Temperatursensor im Auslauf, mit einer Pumpe zur Förderung von Zubereitungswasser durch den Durchlauferhitzer, mit einem Signalgeber, mit einem Speicher zur Hinterlegung von Wertpaaren und mit einer Steuerungsanordnung. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Temperatureinstellung in einer Heißgetränkezubereitungseinrichtung der oben genannten Art sowie ein Verfahren zur Steuerung einer derartigen Heißgetränkezubereitungseinrichtung.
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Bei der Zubereitung eines Heißgetränks in einer Heißgetränkezubereitungseinrichtung wird regelmäßig die Tatsache berücksichtigt, dass aus einem vorangegangenen Zubereitungsvorgang noch Restenergie im System der Zubereitungseinrichtung enthalten ist. Dazu wird bekanntermaßen die Heizeinrichtung auf einen immer gleichen Wert abgekühlt, um definierte Verhältnisse für den neuen Zubereitungsvorgang zu erzeugen. Damit einher geht ein Energieverlust.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Heißgetränkezubereitungseinrichtung bzw. ein Verfahren zur Steuerung einer derartigen Einrichtung anzugeben, die bzw. das energiesparender ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Temperatureinstellung in einer Heißgetränkezubereitungseinrichtung für Haushaltszwecke gelöst, wobei die Einrichtung über einen Durchlauferhitzer, einen ersten Temperatursensor, einen zweiten Temperatursensor, eine Pumpe zur Förderung von Zubereitungswasser durch den Durchlauferhitzer, einen Speicher zur Hinterlegung von Wertepaaren aus Differenzwerten und Signalwerten und eine Steuerungsanordnung umfasst. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- a) Erfassen eines ersten Werts der Temperatur am ersten Temperatursensor,
- b) Erfassen eines zweiten Werts der Temperatur am zweiten Temperatursensor,
- c) Bilden einer Differenz aus beiden Werten,
- d) Vergleichen der Differenz mit den hinterlegten Wertepaaren und Ermitteln eines Signalwerts daraus zur Ansteuerung der Pumpe und/oder des Durchlauferhitzers,
- e) Ausgeben des Signalwerts als Steuerungssignal an die Pumpe und/oder den Durchlauferhitzer.
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Die Erfindung wendet sich also ab von einer pauschalen Abkühlung des Durchlauferhitzers vor jedem Zubereitungsvorgang. Dadurch geht nicht nur Energie verloren, sondern es steigt auch der Verbrauch an Zubereitungswasser, den der Benutzer aus einer Abtropfschale oder dergleichen entsorgen muss. Die Erfindung verfolgt vielmehr das Prinzip, den tatsächlichen Energiegehalt des Durchlauferhitzers aufgrund einer vorangegangenen Brühung zu ermitteln. Sie geht dazu von der Erkenntnis aus, dass die Temperaturverläufe an den Messorten des ersten und des zweiten Temperatursensors nach jedem Brühvorgang einen charakteristischen Verlauf annehmen. Ein Brühvorgang ist regelmäßig nach Abschalten der Pumpe beendet, der Durchlauferhitzer in der Regel schon vorher abgeschaltet. Danach sinkt die Temperatur an der Oberfläche des Durchlauferhitzers ab, zunächst stärker und später mit immer geringerem Gefälle. Die Temperatur im Auslauf des Durchlauferhitzers dagegen steigt nach seiner Abschaltung zunächst stark an, kreuzt etwa zum Zeitpunkt des Abschaltens der Pumpe die Kurve der der Oberflächentemperatur des Durchlauferhitzers, steigt weiter steil an bis zu einem Hochpunkt, ab dem sie ebenfalls kontinuierlich, aber mit einem stärkeren Gefälle abfällt, die erste Temperaturkurve ein weiteres Mal kreuzt und unter sie abfällt. Mit Kenntnis dieser beiden Temperaturverläufe lässt sich aus der Differenz zweier gleichzeitig gemessener Temperaturwerte am ersten und am zweiten Temperatursensor diejenige Zeit ermitteln, die zwischen dem Abschalten der Pumpe und dem Zeitpunkt der Messung verstrichen ist. Aus der Kenntnis der verstrichenen Zeit wiederum lässt sich die Restenergie im Durchlauferhitzer ermitteln. Statt sie durch Zubereitungswasser zu vernichten, kann sie gegebenenfalls für den nächsten Brühvorgang verwendet werden. Der ermittelten Zeit kann dazu ein Signalwert zugeordnet werden, der den Durchlauferhitzer bei einem nachfolgenden Brühvorgang entsprechend steuert. Je weniger Zeit seit dem letzten Bezug verstrichen ist, umso mehr Restenergie befindet sich im Durchlauferhitzer und umso geringer kann ein Überschwinger ausfallen, mit dem der Durchlauferhitzer bei einem erneuten Brühvorgang betrieben wird.
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Eine etwas veränderte Ausgangssituation bietet sich dann, wenn ein Kaffeegetränk unmittelbar nach dem Erzeugen von Dampf angefordert wird. Die Restenergie im System und insbesondere im Durchlauferhitzer kann dann noch zu hoch für die Zubereitung eines Kaffeegetränks sein. Außerdem kann nach jedem Dampfbezug regelmäßig eine unbekannte, von Bezug zu Bezug schwankende Restmenge an Wasser im Durchlauferhitzer verbleiben. Sie kann das Ergebnis eines nachfolgenden Brühvorgangs unerwünscht beeinträchtigen. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfinderischen Verfahrens kann daher zunächst festgestellt werden, ob der letzte Vorgang der Zubereitungseinrichtung ein Dampfbezug war. Erfindungsgemäß wird also vor jeder Getränkezubereitung das vorliegende Energieniveau des Systems daraufhin überprüft, ob nicht sogar eventuell zuviel Restenergie infolge eines Dampfbezugs vorliegt. Sollte dies der Fall sein, wird der Durchlauferhitzer auf eine geeignete Zubereitungstemperatur herabgekühlt. Prinzipiell stellt also das erfinderische Verfahren eine bestimmte und damit bekannte Situation hinsichtlich Wassermenge und Temperatur im Durchlauferhitzer her, von der ausgehend der nachfolgende Zubereitungsvorgang gesteuert wird.
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Dazu kann nach einer ersten Variante des erfinderischen Verfahrens vor der Erfassung des zweiten Werts in Schritt d) der Wert am ersten Temperatursensor mit einem Schwellwert verglichen und bei Überschreiten des Schwellwerts ein Verfahren zur Abkühlung des Durchlauferhitzers durchgeführt werden. Der Schwellwert liegt auf einem Temperaturniveau, das nicht von einem Brühvorgang herrühren kann. Sein Überschreiten lässt vielmehr einen vorangegangenen Dampfbezug erkennen.
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Nach einer dazu alternativen zweiten Variante wird jeder Dampfbezug bis zu einer erneuten Getränkeanforderung gespeichert und vor jedem neuen Getränkebezug, also vor der Erfassung des zweiten Werts in Schritt b), abgefragt, ob der letzte Bedienvorgang ein Dampfbezug war. Sofern der letzte Bedienvorgang ein Dampfbezug war, wird ein Verfahren zur Abkühlung des Durchlauferhitzers durchgeführt. Damit lässt sich ein Messvorgang ersparen, der mit dem Risiko von Fehlmessungen behaftet.
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Der Durchlauferhitzer lässt sich grundsätzlich dadurch abkühlen, dass Zeit verstreicht. Allerdings ist dafür ein zu hoher Zeitbedarf erforderlich, der den Benutzer auf sein angefordertes Getränk warten ließe. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfinderischen Verfahrens kann ein Verfahren zur Abkühlung des Durchlauferhitzers wenigstens einen der folgenden Schritte umfassen:
- i) Vergleichen des ersten Werts mit hinterlegten Wertepaaren aus den Temperaturwerten und zugehörigen Signalwerten und Ermitteln und Ausgeben eines Steuersignals an die Pumpe, und/oder
- ii) Vergleichen des ersten Werts mit hinterlegten Wertepaaren aus Temperaturwerten und zugehörigen Signalwerten und Ermitteln und Ausgeben eines Steuersignals an den Durchlauferhitzer.
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Das Steuersignal an die Pumpe sorgt dann für einen geringen Strom an Zubereitungswasser durch den Durchlauferhitzer, um ihn auf eine geeignete Temperatur herabzukühlen, die für die Zubereitung des angeforderten Heißgetränks geeignet ist. Auch dabei wird selbstverständlich Heizenergie vernichtet. Die dabei verloren gehende Energie ist jedoch beträchtlich geringer als derjenige Energiebetrag, der nach Stand der Technik vernichtet wird. Denn durch die Unterscheidung des vorangegangenen Zubereitungsvorgangs nach Kaffeezubereitung und Dampferzeugung kann auf das jeweils vorliegende Energieniveau wesentlich genauer eingegangen werden. Vorliegend wird also der Durchlauferhitzer lediglich vom Niveau der Dampfzubereitung zum Beispiel auf das Niveau der Kaffeezubereitung herabgekühlt. Mit dem Steuersignal an den Durchlauferhitzer kann dann die Getränkezubereitung beginnen. Es berücksichtigt das eingestellte Temperaturniveau und veranlasst den Durchlauferhitzer zu einem ggf. geringeren Überschwinger zu Beginn seines Betriebs.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfinderischen Verfahrens kann die Erfassung des ersten Werts und des zweiten Werts in den Schritten a) und b) gleichzeitig erfolgen. Dadurch kann Zeit eingespart werden, so dass das Verfahren schneller abläuft und ein Benutzer weniger lang auch auf die Zubereitung des angeforderten Getränks warten muss.
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Die bisher beschriebenen Verfahren gingen davon aus, dass das Zubereitungsgerät zur Zubereitung eines Heißgetränks aufgefordert wurde. Selbstverständlich kann auch ein Dampfbezug, beispielsweise zum Aufschäumen von Milch für Cappuccino, gewünscht sein. Die Erfindung schlägt daher ein Verfahren zur Steuerung einer Heißgetränkezubereitungseinrichtung für Haushaltszwecke vor, bei der vor dem Erfassen eines ersten Werts in Schritt a) die Bedienerangabe auf die Anforderung von Dampf überprüft wird und negativenfalls das Verfahren mit Schritt a) gemäß obiger Beschreibung fortgesetzt wird und Positivenfalls unter Auslassung des oben beschriebenen Verfahrens ein Verfahren zur Dampferzeugung vorgenommen wird. Da die Dampferzeugung ein höheres Energieniveau als eine Getränkezubereitung erfordert und zwar das höchste Energieniveau, das die Getränkezubereitungsvorrichtung bereitstellen kann, muss der Durchlauferhitzer also für einen Dampfbezug jedenfalls aufgeheizt werden. Denn durch die normale Abkühlung hat er selbst bei einem vorangegangenen Dampfbezug jedenfalls Energie verloren. Eine Erfassung der vorliegenden Temperatur erübrigt sich damit weitgehend, denn bei der Dampfzubereitung kommt es nicht wesentlich auf das tatsächliche Energieniveau an. Der Überschwinger zu Beginn des Betriebs des Durchlauferhitzers kann also durchaus unterschiedlich ausfallen, ohne dass die Qualität des Dampfs darunter leiden würde, solange er ein Mindestenergieniveau erreicht. Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Abfrage kann damit die Zubereitungsgeschwindigkeit der Getränkemaschine weiter erhöht werden.
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Die der Erfindung gestellte Aufgabe wird bei einer Heißgetränkezubereitungseinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Steuerungsanordnung dazu ausgestattet ist, einen Messwert des ersten und des zweiten Temperatursensors zu erfassen, daraus eine Differenz zu bilden, die Differenz mit hinterlegten Wertepaaren zu vergleichen und daraus ein Steuersignal für die Pumpe und/oder für den Durchlauferhitzer zu ermitteln und abzugeben. Die Heißgetränkezubereitungseinrichtung ist damit in der Lage, die oben beschriebenen Verfahren auszuführen und damit die meisten ihrer Zubereitungsvorgänge zu beschleunigen, Energie bei ihren Zubereitungsvorgängen einzusparen und weniger Zubereitungswasser zu verbrauchen. Sie bietet damit dem Benutzer einen höheren Komfort und verursacht geringere Betriebskosten.
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Das Prinzip der Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielshalber noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1: zeigt ein Ablaufschema für das Steuerungsverfahren einer Heißgetränkezubereitungseinrichtung,
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2: Temperaturverläufe an zwei Messpunkten am Durchlauferhitzer, und
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3: Beispiele für Überschwinger.
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Das Verfahren gemäß 1 beginnt mit dem Schritt S1 durch eine Benutzereingabe. Sie kann beispielsweise in einem Tastendruck bestehen, mit dem ein Benutzer einen Zubereitungsvorgang startet. Im Schritt S2 erfolgt eine Abfrage, ob der Zubereitungsvorgang die Anforderung von Dampf darstellt oder ob ein Kaffeegetränk gebrüht werden soll. Bei einer Dampfanforderung fährt das Verfahren fort mit dem Schritt S3, in dem es in herkömmlicher Weise Dampf erzeugt.
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Andernfalls wird im Schritt S4 die Temperatur T1 an einer Oberfläche eines Durchlauferhitzers und die Temperatur T2 in einem Auslauf des Durchlauferhitzers der Heißgetränkezubereitungseinrichtung gemessen. Anschließend wird im Schritt S5 die Temperatur T1 daraufhin untersucht, ob sie einen Schwellwert überschreitet. Der Schwellwert ist in einem Speicher der Zubereitungseinrichtung abgespeichert. Überschreitet die Temperatur T1 den Schwellwert, ist dies ein Indiz dafür, dass die letzte Aktion der Zubereitungseinrichtung ein Dampfbezug war und ihr Energieniveau noch über demjenigen für eine Getränkezubereitung liegt. Würde jetzt mit einer Getränkezubereitung begonnen, entstünde ein zu heißes Zubereitungswasser, so dass der Geschmack des zubereiteten Kaffees darunter litte.
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Überschreitet der gemessene Wert T1 den Grenzwert, so fährt das Verfahren mit dem Schritt Sa fort. Dem Wert T1 wird dabei einem Signalwert zugeordnet. Dazu sind ebenfalls in einer Speichereinrichtung Wertepaaren aus Temperaturwerten und zugehörigen Signalwert hinterlegt. T1 wird mit den hinterlegten Temperaturwerten verglichen und ihm der entsprechende Signalwert zugeordnet, der für eine erforderliche Abkühlung des Durchlauferhitzers steht. Der Signalwert veranlasst daraufhin die Pumpe, für eine bestimmte Dauer kaltes Zubereitungswasser durch den Durchlauferhitzer zu schicken. Dadurch wird in Abhängigkeit der vorliegenden Temperatur der Durchlauferhitzer auf ein Energieniveau gebracht, das für die Zubereitung eines Kaffeegetränks geeignet ist.
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Im anschließenden Schritt Sb, der auch gleichzeitig mit dem Schritt Sa ablaufen kann, wird aus dem gemessenen Temperaturwert T1 außerdem ein Steuersignal für den Durchlauferhitzer abgeleitet, das den Betrieb des Durchlauferhitzers für das angeforderte Getränk einstellt.
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Im anschließenden Schritt Sc werden beide Steuersignale ausgegeben, so dass die Pumpe und der Durchlauferhitzer ihre Arbeit aufnehmen können, um im abschließenden Schritt S6 die Brühung vornehmen zu können.
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Wurde im Schritt S5 durch die Abfrage des Werts T1 ermittelt, dass er den gespeicherten Grenzwert nicht überschreitet, so deutet dies auf einen Zubereitungsvorgang für ein Kaffeegetränk als letzte Aktion der Zubereitungseinrichtung hin. Da inzwischen Zeit verstrichen ist, ist der Durchlauferhitzer abgekühlt und besitzt nicht mehr das erforderliche Energieniveau für eine erneute Kaffeezubereitung. Um den Durchlauferhitzer nicht vollständig abkühlen zu müssen und damit sowohl Zubereitungswasser als auch Energie zu verbrauchen, wird das Niveau der noch vorhandenen Restenergie ermittelt. Dazu wird in Schritt Sa eine Differenz aus den Temperaturwerten T1 und T2 gebildet. Aus dem Ergebnis kann die Zeit ermittelt werden, die seit dem letzten Zubereitungsvorgang verstrichen ist. Über die Zeit kann auf die noch vorhandene Energie geschlossen werden.
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Grundlage dafür ist die Kenntnis der charakteristischen Temperaturverläufe von T1 und T2 über die Zeit, also die Kenntnis der Abkühlung an der Oberfläche und im Auslauf des Durchlauferhitzers. Die zugehörigen Temperaturverläufe, nämlich die Kurve r für den Temperaturverlauf T1 und die Kurve s für den Temperaturverlauf T2, stellt 2 in einem Diagramm dar. Die Abszisse steht für den Zeitverlauf t in Sekunden, die Ordinate für die Temperaturhöhe T in Grad Celsius.
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Ein Brühvorgang ist regelmäßig mit Abschalten der Pumpe beendet, weil dann kein Zubereitungswasser und folglich auch kein Kaffeegetränk mehr gefördert wird. Dieser Zeitpunkt ist auf der Abszisse mit dem Punkt A gekennzeichnet. Zu diesem Zeitpunkt schneiden sich die zwei Kurven r und s. Die Kurve r der Temperatur T1 an der Oberfläche eingangs des Durchlauferhitzers fällt kontinuierlich, weil nach Abschalten des Durchlauferhitzers keine Energie mehr in das Zubereitungswasser abgegeben wird. Es kühlt anfangs stärker, später mit geringer werdendem Gradienten ab.
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Die Kurve s symbolisiert die Temperaturentwicklung im Auslauf des Durchlauferhitzers. Dort steigt die Temperatur T2 mit Abschalten der Pumpe zunächst steil an, weil kein Zubereitungswasser mehr nachströmt. Die noch verbleibende Heizenergie des Durchlauferhitzers heizt das inzwischen stehende Zubereitungswasser auf, so dass es durch Expansion durch den Auslauf aus dem Durchlauferhitzer hinausgedrückt wird. Da jedoch keine Heizenergie mehr nachgeliefert wird, fällt die Temperatur T2 im Auslauf des Durchlauferhitzers nach Überschreiten eines Hochpunkts und mit dem einsetzenden Auskühlen des Zubereitungswassers immer weiter ab.
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Zu einem Zeitpunkt B kreuzen sich beide Kurven r, s, weil das stehende Wasser im Auslauf des Durchlauferhitzers schneller abkühlt als der Durchlauferhitzer.
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Aus 2 ist zu entnehmen, dass durch Differenz der zu einem beliebigen, zunächst nicht bekannten Zeitpunkt gemessenen Werte T1, T2 eine konkrete Zuordnung zu einem Zeitpunkt jenseits des Zeitpunkts A vorgenommen werden kann. Der Zeitpunkt steht für eine Benutzereingabe im Schritt S1 (s. 1), zu dem die Zeitspanne, sie seit dem letzten Zubereitungsvorgang vergangen ist, nicht bekannt ist. Der Zeitspanne bzw. dem Zeitpunkt entspricht wiederum ein Restenergiegehalt des Durchlauferhitzers. Im Speicher der Zubereitungseinrichtung sind weitere Wertepaare aus den Temperaturdifferenzen einerseits und zugehörigen Signalwerten andererseits hinterlegt. Sie werden vorher werkseitig ermittelt und abgelegt. Die Signalwerte dienen der Steuerung des Durchlauferhitzers in Abhängigkeit seines Restenergiegehalts. Je nach Betrag der Restenergie kann ein Überschwinger, mit dem der Durchlauferhitzer gestartet wird, höher oder geringer ausfallen (s. u. zu 3). Im Fortgang des Verfahrens wird im Schritt SB (1) die Differenz aus T1 und T2 den hinterlegten Signalwerten zugeordnet.
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Daher kann im folgenden Schritt SC ein Steuerungssignal an den Durchlauferhitzer ausgegeben werden, das für die Zubereitung eines Kaffeegetränks geeignet ist. Damit kann im Schritt S6 das Verfahren abgeschlossen und mit der Brühung des Kaffeegetränks begonnen werden.
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3 zeigt zwei Beisiele von Überschwingern U1 und U2. Wie in 2 stellt die Abszisse der 3 die Zeitachse und die Ordinate die Temperaturachse dar. Zu Beginn des Betriebs eines Durchlauferhitzers muss zunächst seine – Masse, die der Brühkammer und Ventile und das in ihm enthaltene Wasser erhitzt werden. Um an seinem Auslauf die gleiche Wassertemperatur wie zu einem späteren Betriebszeitpunkt zu erhalten, ist bei kaltem Durchlauferhitzer zum „Anfahren” zunächst etwa der doppelte Energiebetrag erforderlich wie später, der so genannte Überschwinger. Er verzehrt viel Energie. Über die Zeit betrachtet ergibt sich als Temperaturverlauf die Temperaturkurve U1 eines Überschwingers eines kalten Systems.
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Enthält der Durchlauferhitzer allerdings aus einem vorangegangenen Brühvorgang noch Restenergie, so braucht bei gleicher Wassertemperatur am Auslauf zunächst nur weniger Energie zum „Anfahren” des Durchlauferhitzers investiert zu werden. Der Überschwinger kann geringer ausfallen, so dass sich die Temperaturkurve U2 eines Überschwingers eines warmen Systems ergeben kann. Würde dagegen die Restenergie im Durchlauferhitzer nicht korrekt berücksichtigt, könnte der Überschwinger zu groß oder zu gering ausfallen, was beides einen negativen Einfluss auf das zubereitete Getränk hätte, beispielsweise auf eine Cremabildung oder die Kaffeequalität.
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Da es sich bei den vorhergehenden, detailliert beschriebenen Verfahren um ein Ausführungsbeispiel handelt, kann es in üblicher Weise vom Fachmann in einem weiten Umfang modifiziert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere kann die konkrete Ermittlung eines vorangegangenen Dampfbezugs in anderer Form als in der hier beschriebenen erfolgen. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein” bzw. „eine” nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können.
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Bezugszeichenliste
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- S1:
- Start
- S2:
- Abfrage Dampfanforderung
- S3:
- Dampfbezug
- S4:
- Messen T1, T2
- S5:
- Vergleich T1 mit Grenzwert
- S6:
- Brühung
- SA:
- Differenzbildung
- SB:
- Zuordnung der Differenz zu Signalwerten
- SC:
- Ausgabe des Signalwerts
- Sa:
- Zuordnung von T1 zu Pumpensignalwerten
- Sb:
- Zuordnung T1 zu Signalwerten für den Durchlauferhitzer
- Sc:
- Ausgabe der Steuersignale
- A:
- Zeitpunkt ausgeschalteter Pumpe
- B:
- Temperaturgleiche
- r:
- Temperaturkurve T1
- s:
- Temperaturkurve T2
- U1:
- regelmäßiger Überschwinger
- U2:
- reduzierter Überschwinger
