Fermotron

Fermotron ist eine modulare DIY-Gärbox, die aus der eigentlichen Box mit dem Gärgefäß sowie der zentralen Steuerungseinheit CTRL besteht. CTRL übernimmt die Steuerung und Überwachung der Prozessbedingungen. Die Temperatur des Gärraums wird über eine Peltier-Einheit aktiv gesteuert. Eine Sensorik erfasst die relevante Betriebstemperatur für die Überwachung. Die Regelung des Gärprozesses erfolgt durch einen Operator oder in einer Hintergrundsoftware über das Internet.

Entwurf, Aufbau und Funktion der Hauptkomponenten sind in den folgenden Abschnitten zu finden.

1. Design der Box
2. CTRL - Steuerungseinheit
3. Funktionsweise
4. Materialien

Das folgende Bild zeigt die wesentlichen Bestandteile.

Fermotron wurde inspiriert von Ferminator/Fercubator.

1. Design - Fermotron Box

Disclaimer: Das Design wurde mit Hilfe von Google Gemini ausgearbeitet. Für die Visualisierungen wurde Gemini angewiesen, Python Skripte für die Generierung der Zeichungen zu erzeugen.

• Skripte: *.py in box/
• Generierte Zeichnungen: *.png in images/

Grundkonzept

Das Box-Design besteht aus 40mm Extrudiertem Polystyrolschaum (XPS) Platten. Für die Konstruktion der XPS-Box werden die Platten mit einem 20 mm Falz überlappt. Zusammengehalten werden die Platten mit Magneten. Somit ist die Box werkzeuglos auf- und abbaubar. Die XPS Platten werden mit PU Lack lackiert, damit sie abwischbar sind.

Maße

Das Gesamt-Innenmaß der fertig montierten Box beträgt 48 cm x 48 cm x 79 cm. Hier ist die genaue Aufschlüsselung der Außen- und Innenmaße für jedes einzelne Teil, basierend auf einem umlaufenden Innenfalz (jeweils 20 mm breit und 20 mm tief auf der Innenseite der Platten):

1. Boden (1 Stück)

• Außenmaß: 56 x 56 cm
• Falz-Bearbeitung: Umlaufend an allen 4 Kanten auf der Oberseite (20 mm breit, 20 mm tief).
• Innenmaß (Spiegelfläche innerhalb des Falzes): 52 x 52 cm

2. Deckel (1 Stück)

• Außenmaß: 56 x 56 cm
• Falz-Bearbeitung: Umlaufend an allen 4 Kanten auf der Unterseite (20 mm breit, 20 mm tief).
• Innenmaß (Spiegelfläche innerhalb des Falzes): 52 x 52 cm

3. Längs-Seitenteile (2 Stück)

• Außenmaß: 56 x 83 cm
• Falz-Bearbeitung: Umlaufend an allen 4 Kanten auf der Innenseite (20 mm breit, 20 mm tief).
• Innenmaß (verbleibende volle Materialstärke): 52 x 79 cm

4. Quer-Seitenteile (2 Stück)

• Außenmaß: 52 x 83 cm
• Falz-Bearbeitung: Umlaufend an allen 4 Kanten auf der Innenseite (20 mm breit, 20 mm tief).
• Innenmaß (verbleibende volle Materialstärke): 48 x 79 cm

Box-Dimensionen im Überblick

Bauteil	Außenmaß des Teils	Reines Innenmaß des Teils (ohne Falz-Lippe)	Funktion im Verbund
Boden	56 x 56 cm	52 x 52 cm	Bildet die Grundfläche
Deckel	56 x 56 cm	52 x 52 cm	Bildet den Abschluss
Längsseite 1 & 2	56 x 83 cm	52 x 79 cm	Schließt außen bündig mit Boden/Deckel ab
Querseite 1 & 2	52 x 83 cm	48 x 79 cm	Sitzt vertikal in den Falzen der Längsseiten
Fertige Box (Gesamt)	56 x 56 x 87 cm	48 x 48 x 79 cm	Komplett zusammengesteckt

Visualisierung

Schnittmuster: Die Schnittmuster werden von fermotron_schnittmuster.py generiert.

Explosionszeichnung: Die Grafik wird von fermotron_explosionszeichnung.py generiert.

Montage der Magnete

Es werden starke kreisrunde Neodym-Magnete eingesetzt. Jeder Magnet ist 10 x 2.2 mm. Die Haftkraft beträgt ca. dem Äquivalent von 2 kg.

Da die Kraft mit der Entfernung nach einem Potenzgesetz abnimmt, ist es für eine optimale Haltekraft notwendig, dass die Magnete paarweise exakt deckungsgleich auf den aufeinanderliegenden Stufenflächen des Falzes sitzen müssen.

Anbringung der Magnete

1. Verbindung: Bodenplatte zu den Seitenteilen

Der Boden trägt das Gewicht der Wände. Die Seitenteile stehen auf dem Falz des Bodens.

• Wo am Boden? Die Magnete werden von oben in die waagerechte, abgesenkte Fläche des Falzes (die 20 mm breite Lippe) eingelassen.
• Wo an den Seitenteilen? Die Gegenmagnete sitzen unten in der Stirnseite (Unterkante) des Kernbereichs.
• Verteilung: Es werden 2 Magnete pro Kante und jeweils ca. 10 cm von den Ecken entfernt in den Falz platziert (insgesamt 8 Magnete im Boden).

2. Verbindung: Ecken der Seitenteile (Längs- zu Querseite)

Hier entsteht der meiste Druck, da die Box von innen stabil geschlossen bleiben muss. Die Querseite schiebt sich in den Falz der Längsseite.

• Wo an der Längsseite? In der senkrechten Innenstufe des Falzes (die Fläche, die nach innen zeigt).
• Wo an der Querseite? Auf der stirnseitigen Außenkante (die Schnittkante, die an die Längsseite anstößt).
• Verteilung: Aufgrund der Höhe von 83 cm werden 4 Magnete pro Ecke eingesetzt (insgesamt 16 Magnete für alle vier Ecken). Alle Maße gelten ab Unterkante des Seitenteils
  • Magnet 1 (unten): 10 cm von unten
  • Magnet 2 (mittig-unten): 31cm von unten
  • Magnet 3 (mittig-oben): 52 cm von unten
  • Magnet 4 (oben): 73cm von unten (entspricht 10 cm von oben)

3. Verbindung: Deckel zu den Seitenteilen

Der Deckel muss für die Probenentnahme oder das Hineinstellen des Gärgefäßes leicht abnehmbar sein, darf aber nicht verrutschen.

• Wo an den Seitenteilen? Die Magnete werden bündig von oben in die obere Stirnfläche der Wände eingelassen.
• Wo am Deckel? Die Gegenmagnete sitzen in der waagerechten, tiefen Stufe der Deckel-Unterseite.
• Verteilung: Wie beim Boden reichen hier 2 Magnete pro Seite (insgesamt 8 Magnete), jeweils 10 cm von den Ecken eingerückt.

Überblick

Wichtig: Polarität (Nord oder Süd) der Magnete beachten!

Bauteil	Anbringung	Anzahl Magnete	Polarität
Boden	waagerechte Innenstufe des Falzes	8	N
Deckel	waagerechte Innenstufe des Falzes	8	N
Längsseite 1 & 2	senkrechte Innenstufe des Falzes (die Fläche, die nach innen zeigt)	12 + 12	S
Querseite 1 & 2	stirnseitigen Außenkante (Schnittkante)	12 + 12
- unten	kurze Schnittkante	2 + 2	S
- oben	kurze Schnittkante	2 + 2	S
- rechts	lange Schnittkante	4 + 4	N
- links	lange Schnittkante	4 + 4	N
Fertige Box (Gesamt)		64	32xN, 32xS

Visualisierung

Die Grafik wird von fermotron_magnete.py generiert. Die roten Punkte markieren die Positionen der Magnet-Paare.

DIY Tool für das Schneiden der Falze

Die Box wird aus XPS Platten zusammengesetzt. Das unten abgebildete DIY Heißdrahtschneidegerät wurde gebaut, um die Falze der Wand- und Bodenteile auszuschneiden. Der Draht ist für eine Falztiefe vom 20mm gebogen. Der Winkel wird entlang eines Anschlags, z.B. Wasserwaage oder Alu-Profil geführt, während sich der Draht durch das XPS schmilzt.

Befestigungsrahmen

Der Befestigungsrahmen wird in eine Aussparung des Längsseitenteils eingesetzt und trägt die Peltier-Einheit und die Anschlüsse für die Steuerungseinheit CTRL.

TBD

2. CTRL - Fermotron Steuerungseinheit

Steuerungseinheit oder Controller der Gärbox versorgt und schaltet die technischen Komponenten.

• Peltier-Element zum Kühlen und Heizen
• Lüfter
• Temperatursensoren

Somit kann eine temperaturüberwachte Steuerung der Bedingungen in der Gärbox ermöglicht werden.

Alle Anschlüsse an CTRL sind als Buchsen ausgeführt.

• Peltier-Element: 12 V/24 V Zigarettenanzünder-Buchse, 20 A, 14 AWG
• Lüfter: 3.5mm Klinkenbuchse, 18AWG 12VDC, 5A
• Sensoren: RJ11 Buchse (6P4C)

An der Box müssen entsprechende Stecker mit den Komponenten verbunden sein. Damit kann der Abstand zwischen CTRL und Box durch Verlängerungskabel auf die Einsatzsituation angepasst werden.

Schaltplan

Der Schaltplan wurde mit QEletroTech erstellt.

TBD

• .pdf Datei: fermotron_ctrl.pdf
• .qet Datei: fermotron_ctrl.qet

3. Funktionsweise

Fermotron befindet sich in verschiedenen Betriebszuständen. Die Implementierung erfolgt über eine Hintergrundsoftware, die mit der Steuerungseinheit CTRL kommuniziert. Für die Funktion ist eine WLAN Verbindung notwendig. Im Gärbetrieb werden Kühlung und Heizung gesteuert. Ansonsten werden die Komponenten abgeschaltet. Ein Übergang zwischen Kühlen und Heizen wird durch den Vergleich der Ist-Temperatur des Gärprodukts (Ist_Bier) mit dem Sollwert ausgelöst. Eine Hysterese schützt die Peltier-Einheit vor zu häufigem Ein- und Ausschalten in der Nähe des Sollwerts.

Variable	Beschreibung
Ist_Bier	Ist-Temperatur des Gärprodukts
Sollwert	Zieltemperatur des Gärprodukts
Hysterese	Größe des einseitigen Bereichs, um den Sollwert, in dem die Ist-Temperatur als dem Sollwert gleich betrachtet wird
Max_Temp	festgelegte max. Temperatur der Außenseite der Peltier-Einheit, ab der eine Überhitzung droht
Min_Temp	festgelegte max. Temperatur der Außenseite der Peltier-Einheit, ab der ein Einfrieren droht
Element	Ist-Temperatur der Außenseite der Peltier-Einheit

Die Hintergrundsoftware empfängt die Messwerte von CTRL und bestimmt den nächsten Betriebsmodus. Im Fall eines Fehlers wird der Operator benachrichtigt. Das folgende Zustandsdiagramm zeigt die verschiedenen Betriebszustände und Ereignisübergänge während des Betriebs.

4. Materialen

Box

• 6 Platte XPS 40mm
• PU Lack
• PVC Hartschaupaltten für den Befestigungsrahmen
• Peltier-Einheit
• 3x DS1820 Temp.Sensoren
• Magnete

CTRL

• Sicherungskasten als Gehäuse
• Shelly Plus 2PM
• Shelly Plus Zusatzmodul
• Netzteil 135,6W, 12DCV 11,3A
• Eltako ER12-002-UC, Schalt- und Steuerrelais, 2 Wechsler, 16A, 230V
• FI/LS Sicherung