Beschreibung des Fabier-Fass- und Flaschenfüllers

Wozu ein (Gegendruckab-)Füller? Wer kein Hefesediment in der Flasche haben will, der muss eben in Fässern nachgären. Da diese Fässer (bei mir 20 Liter NC) aber etwas unhandlich sind, und man ja ab und an eine Flasche verschenken oder mitnehmen will, muss das Bier ja irgendwie vom Fass in die Flasche (oder in ein Partyfass etc). Einfach umfüllen geht nicht, da das Fassbier unter Druck steht und beim Umschütten quasi nur Schaum kommen würde - daher Füllen unter Gegendruck. D.h. in der Flasche muss der gleiche Druck herrschen wie im Fass, dann kann ohne CO₂-Verlust abgefüllt werden.

Der alte Füller war aus Messing, Kupfer, vernickelt, blank, Teflonband, Gummistopfen etc. zusammengeschustert - was der Baumarkt halt hergegeben hat. Es gab 1000 Ecken und Kanten, das Zerlegen und Reinigen war immer sehr mühsam und überhaupt: das geht auch besser, dachte ich mir.

Was sollte her? Ein Universalabfüller für Flaschen (0,5l, 1l, 2l) und Partyfässer. Alles aus Edelstahl zur einfacheren Reinigung. Ohne Ecken und Kanten in denen sich Bierreste und/oder Bakterien festsetzen können. Automatisierung!

Das ganze Ding ist mit ca. 100cm letztlich recht groß geworden - etwas kleiner würde auch gehen... Nachfolgend eine kurz Beschreibung der einzelnen Baugruppen.

1. Ständer

Das System ruht auf einer Grundplatte aus Alu. Darauf aufgebaut sind zwei V2A-Wellen, auf denen der Schlitten rauf und runter gleiten kann.

2. Antrieb

Der Füllkopf wird motorgetrieben rauf/runter bewegt. Ein Getriebe wandelt die hohe Drehzahl des Motors in hohes Drehmoment bei geringer Drehzahl. Der Getriebeausgang ist mit einer V2A-Trapezgewindespindel verbunden, die über entsprechende Lager im Ständer verankert ist. Die Drehbewegung der Spindel wird über eine Spindelmutter auf den Schlitten übertragen und in eine Vertikalbewegung umgewandelt. Genau genommen nicht direkt auf den Schlitten, sonder nur mittelbar über zwei Federn. Diese ermöglichen einen hohen Anpressdruck des Füllkopfs auf die Flasche, um den in der Flasche herrschenden Überdruck während des Füllvorgangs zu kompensieren. Beim Absenken drückt also die von der Spindel angetriebene Aluplatte auf die Federn und damit den Schlitten nach unten. Beim Hochfahren zieht diese Platte über ein Drahtseil den Schlitten mit nach oben. Alle Führungen sind mittels Gleitbuchsen spielfrei gelagert.

3. Schlitten mit Füllkopf

Auf dem Schlitten ist der Füllkopf befestigt. Der Füllkopf hat einen ventilgesteuerten Bieranschluss sowie zwei seitliche Bohrungen zum Ausblasen des Gases. Die Anschlüsse sind selbstdichtend bzw. mittels O-Ringen gedichtet, so dass bei der Reinigung kein Teflonband etc. erneuert werden muss.
Die Herausführung der Kontakte des Füllstandssensors ist dergestalt gelöst, dass unter dem eigentlichen Füllkopf eine Kunststoffscheibe angeschraubt wurde. In diese Kunststoffscheibe sind Löcher für die Kontakte gebohrt, sowie seitlich Gewinde eingeschnitten. Dadurch lassen sich die Kontakte über die Schrauben nach außen führen und dort abgreifen. Die Gewinde übernehmen dabei die Dichtwirkung, so dass kein Druck entweichen kann (die Lösung ist noch etwas provisorisch und wird demnächst verschönert, es funktioniert aber bereits jetzt perfekt).

4. Ventil- und Schlauchsystem

Für die Steuerung des Gas/Bier-Flusses werden Magnetventile eingesetzt. Die Gasventile kommen aus dem Schweiß-Zubehör, das Bierventil dagegen hat einen größeren Durchlass und setzt dem Bier somit kaum Widerstand entgegen, was die Schaumbildung während des Füllvorgangs positiv beeinflusst. Sämtliche Verbindungen sind mittels Pneufit-C-Schnellverbindern ausgeführt, so dass eine Demontage zu Reinigungszwecken problemlos möglich ist.

5. Bedienpanel

Das Bedienpanel ist noch provisorisch aus einem Frühstücksbrett gezimmert und wird demnächst durch eine gravierte Alu-Frontplatte ersetzt. Die einzelnen Knöpfe/Signale:

• Grüner Knopf/Licht links oben: Ein/Aus-Schalter/Signal
• Roter Knopf/Licht rechts oben: Schalter/Signal für manuellen Modus
• Darunter: Manuell-Enter zum Einlernenen der Positionen "Oben"/"Auf Flasche"
• Darunter (Drehpoti): Manuelle Richtungs- und Geschwindigkeitswahl
• Die drei roten Knöpfe/gelben Signale: manuelles Betätigen der Ventile bzw. im Auto-Modus die Signalisierung, welche(s) Ventil(e) aktuell geöffnet sind
• Darüber: Der grüne Knopf zum Start eines Auto-Füllvorgangs
• Darüber: Rotes Signal zur Anzeige "Füllstand (nicht) erreicht

Zentrale Komponente ist wie auch bei der Brauanlagen-Steuerung ein AVR ATmega8535. Der Controller läuft mit 4MHz, hat einen Haufen Mehrzweck-IO-Ports und einen 8fach gemultiplexten 10bit Analog-Digital-Wandler.

1. Motor und -steuerung

Der Motor ist ein Modellbau Bootsmotor. 12V DC, 160W, 10000 Umdrehungen/Minute ohne Last. Da 10000 Umin etwas zu schnell für diese Anwendung sind, wird über das o.g. Getriebe Drehzahl in Drehmoment umgewandelt. Dennoch benötigt man eine zusätzliche Geschwindigkeitssteuerung um Ruck beim Anfahren etc. zu vermeiden. Da auch das Umschalten zwischen Vorwärts- und Rückwärtslauf nicht trivial zu realisieren gewesen wäre, wurde kurzerhand ein Modellbau-Fahrtregler eingebaut. Der Regler kann von Haus aus mit den relativ großen Stromstärken (10-15A) umgehen und lässt sich vom Controller mittels eines Pulsbreitensignals ansteuern (1ms=Vollgas zurück, 1.5ms=Stillstand, 2ms=Vollgas vorwärts; Zwischenwerte ergeben entsprechende Geschwindigkeiten).

2. Positionierung des Schlittens

Im Getriebe-Gehäuse sind an der Spindel 4 Magnete angebracht, die entsprechend 4x pro Spindelumdrehung einen Impuls im ebenfalls dort integrierten Hall-Sensor auslösen. Aus der Anzahl der Hall-Sensor-Impulse kann der Controller daher die gefahrene Strecke des Schlittens berechnen und ihn entsprechend positionieren. Da es sich bei der Spindel um eine Tr16x4 handelt, d.h. 4mm Hub pro Umdrehung, lässt sich mit den 4 Magneten eine Positioniergenauigkeit von 1mm erreichen.
Im Handbetrieb kann der Schlitten anhand eines Drehpotentiometers am Bedienpanel mit beliebiger Geschwindigkeit rauf/runter bewegt werden. Es können zwei Positionen gespeichert werden (Position anfahren und die Speichern-Taste drücken), die dann im Auto-Betrieb als Endposition unten (auf Flasche) bzw. oben (Ruhestellung) genutzt werden.
Beim Start des Schlittens aus einer Ruheposition heraus ist eine Ruckreduzierung implementiert, die den Schlitten sanft beschleunigt. Beim Anfahren der Auf-Flasche-Position wird auf den letzten 3cm die volle Motorleistung geschaltet, so dass entsprechend Kraft für das Spannen der Haltefedern vorhanden ist.

3. Ventilsteuerung

Die Ventilsteuerung ist simpel. Sowohl der Controller (Auto-Modus), als auch der Benutzer über entsprechende Schalter am Bedienpanel (Handbetrieb) können Solid-State-Relais schalten, die dann wiederum die 24V AC Magnetventile schalten.

4. Drucksensor

Der Drucksensor misst den Druck im System. Zum Einsatz kommt ein MPX5700DP, der ist zwar mit seinen max. 7bar etwas überdimensioniert, lag aber in der Krabbelkiste noch rum. Der Sensor liest den Systemdruck gegenüber einem Referenzdruck (derzeit: Atmosphäre; geplant: Vakuum - um die Flasche vor dem Befüllen zu vakuumieren und damit die Oxidationsgefahr für das Bier zu reduzieren) und wandelt diesen Wert in eine Spannung. Der Controller liest die Spannung über den Analog-Digital-Wandler ein und rechnet über die Spannung zurück auf den Druck.

5. Füllstandssensor

Der Füllstandssensor ist durch zwei Elektroden realisiert. Sobald das Bier diese erreicht, ändert sich der elektrische Widerstand zwischen ihnen. Diese Änderung des Widerstands wird vom Controller ausgewertet, wieder anhand des Analog-Digital-Wandlers. Über ein Trimm-Potentiometer lässt sich dabei der Schaltpunkt einstellen, so dass evtl. entstehender Schaum nicht zur Abschaltung des Bierzuflusses führen würde wenn dieser die Elektroden erreicht.

6. Software/Programmlogik

Die Software an sich ist in C geschrieben und relativ simpel als Zustandsautomat implementiert. AD-Wandler, Hallsensor und Motorcontroller laufen im Interrupt-Modus, die Schalter werden periodisch abgefragt.
Bei Start des automatischen Füllvorgangs wird zuerst die Endposition 1 und dann die Endposition 2 angefahren (s.o.).
Ist der Füllkopf auf die Flasche gepresst, so erfolgt das Vorspannen mit CO2 über das CO2-Einlassventil. Der Drucksensor erkennt wenn sich der Druck nicht mehr ändert, der Flaschendruck also dem Fassdruck angeglichen ist. Sollte der Füllkopf einmal nicht dicht aufsitzen, dann wird auch das anhand des nicht erreichten Minimaldrucks erkannt und der Füllvorgang abgebrochen.
Ist der Systemdruck erreicht, so beginnt der eigentliche Füllvorgang indem das CO2-Einlassventil ausgeschaltet und das Bierventil eingeschaltet werden. Über das permanent leicht geöffnete Auslassventil-1 entweicht das Gas aus der Flasche und im selben Maß strömt Bier nach. Nach einer kurzen Zeit (einstellbar über ein Trimm-Potentiometer) wird zusätzlich das Auslassventil-2 geöffnet. Dabei strömt das Gas noch etwas schneller aus der Flasche - der Füllvorgang wird somit beschleunigt.
Der Füllstandssensor registriert wenn die Flasche voll ist und Bierventil sowie Auslassventil-2 (das Schnell-Füll-Ventil) werden geschlossen. Über das Auslassventil-1 wird die Flasche auf Atmosphärendruck entspannt. Sobald der Drucksensor Atmosphärendruck meldet, wird der Füllkopf wieder in Endposition 1 gefahren und die Flasche kann entnommen werden. Fertig.
Das ganze sah während der Entwicklung etwas chaotisch aus: Nachdem aber die Funktionstüchtigkeit getestet war, erfolgte der Feinschliff: Es wurde eine Platine entworfen, belichtet, geätzt und schließlich gelötet: