Automatický sodobar

Vyrobit si svůj vlastní sodobar – výrobník sody mě napadlo v parném létě, kdy jsem pil nějakou limonádu… Dnes se prodává spousta různých výrobníků sody. Začíná to těmi retro – skleněná láhev v pletivu na sifónové bombičky, přes různé výrobníky sody ve stylu SodaStream až po zcela profesionální, většinou kancelářské, nebo průmyslové výrobníky sody v cenách od dvaceti tisíc výše. Dnes jsou zase v móde zadrátované flašky.

Tu starou retro láhev bych určitě taky někde vyhrabal. Bombičky by se musely koupit. Další variantou je SodaStream a jeho klony. Tam je princip v podstatě podobný – nalít vodu, vložit bombičku a natlakovat. Bombičky jsou taky celkem drahé (v poměru na 1 l sody). Na internetu se dají koupit různé redukce na doplňování bombiček, nebo přímo na připojení k velké tlakové láhvi, dají se doplnit v plnírnách cca za 100 Kč, takže cena plynu klesá. Ale stále tu je nákupní cena zařízení a to manuální nalévání vody do láhve a ruční tlakování… Nemá to holt ten správný světácký styl.

Rozhodl jsem si tedy postavit svůj vlastní, zcela automatický sodobar. Jeho cena, bez tlakové láhve je dosti podobná domácím výrobníkům sody. Komfort a cena výsledné sodovky je několikanásobně na lepší úrovni.

Princip fungování – výroba sodovky

Nejprve si rozebereme princip výroby sodovky. Sodovka je voda nasycená oxidem uhličitým (CO₂). V domácích zařízeních je do nádoby s vodou vehnán oxid uhličitý, který se ve vodě rozpustí. Kvůli malé ploše, kde dochází ke kontaktu vody a plynu je nutné s láhví zatřepat, nebo plnění provádět vícekrát. Čim více je plynu ve vodě rozpuštěno, tím více má sodovka „bublinek“. Nevýhodou je nutnost manuálního míchání (ve stroji těžko proveditelné), nebo několikanásobným natlakováním a odtlakováním – voda se tak dostane do styku s CO₂ vícekrát a tedy i na větší ploše. Nevýhoda druhého způsobu je nutnost použití většího množství plynu – není využit na 100 %.

V profesionálních zařízeních je princip opačný, avšak účinnější. Do nádoby se stlačeným CO₂ se tryskou vstřikuje voda. Dochází ke kontaktu vody a plynu na velké ploše – voda je dobře nasycena. Účinnost (využití plynu) je v podstatě 100%. Nevýhodou je nutnost použít vysokotlaké čerpadlo – musí dodat takový tlak, aby přetlačilo plyn v nádobě, voda se rozstřikovala a bylo možné vůbec nádobu naplnit. Tlak bude potřebný alespoň 1 MPa (10 barů).

Konstrukce sodobaru

Protože je tento sodobar v podstatě prototyp, jsou v článku uvedeny poznámky, proč jsou některé části vyrobeny tak, jak jsou a příště bych to udělal jinak.

Protože nemám vysokotlaké čerpadlo, je u mého sodobaru použit princip druhý – několikanásobné vstřikování plynu do vody. Tento princip není tak účinný jako ostatní, ale je konstrukčně nejjednodušší a nepotřebuje žádné speciality jako výše zmiňované vysokotlaké čerpadlo.

Ventil 1 – odtlakování (dekomprese), ventil 2 – plnění nádoby vodou, ventil 3 – plnění nádoby CO₂, ventil 4 – čepování sodovky, ventil 5 – čepování holé vody.

Hlavní část zařízení je vysokotlaká nádoba. Ta je svařena z nerezového plechu a navařovacích víček. Celá nádoba má ve všech místech tloušťku alespoň 2 mm. Jedná se o tlakovou nádobu, takže asi chápete, že nějaký domácí svařování není úplně „košér“. Jako kompromis velikosti a ceny byly zvoleny víčka o průměru 88,9 mm a k nim přizpůsobena výška nádoby, aby její objem byl něco málo přes litr. Na nádobě jsou dále nevařeny mufny, kterými je přiváděna voda a plyn. Do dolní části nádoby je přiváděna čerstvá voda a vypouštěna sodovka.

V horní části je vývod na odtlakování. Zboku je přiváděn stlačený CO₂, který je tryskou o průměru cca 1 mm vstřikován do nádoby. Tato část byla navařována dodatečně, lepší by bylo navařit přívod CO₂ na spodní část nádoby, ale uvnitř spodní části už je difuzor. Difuzor je v nádobě kvůli zamezení rozstřikování vody na elektrody snímání hladiny. Provozní tlak je okolo 0,4 MPa. Nádoba by vydržela víc, ale větší tlak není třeba. Dobré by bylo osadit nádobu pojišťovacím ventilem. Nyní se spoléhám pouze na redukční ventil na láhvi s CO₂. Teoreticky by měl taky povolit silonový špunt v niplu hlídání hladiny.

V nádobě jsou ponořeny dvě nerezové elektrody. Problém byl u utěsnění elektrod. Původní plán utěsnění silikonem jsem nakonec zavrhl a utěsnění provedl jinak. V nerezovém niplu je zalisován váleček ze silonu. Ten je opravdu natěsno. V něm jsou vyvrtány dvě díry o průměru cca 1,8 mm. Do těchto děr je zataven nerezový svařovací drát o průměru 2 mm. Zatavení jsem provedl tak, že jsem drát upnul do aku-vrtačky a opatrně protavil skrz díru. Upevnění je velice těsné. Na elektrody je v horní části přilisována část kabelového oka a na tu přepájeny vodiče. Připojení kladného pólu na nádobu je pomocí šroubku, který je přišroubovaný k niplu.

Další částí jsou ventily a elektronika, která to vše řídí. Ventily jsou obyčejný, z Aliexpressu asi $3,5 za kus. Hadičky o průměru 6 mm a ostatní spojovací materiál je použit stejný, který se používá pro rozvod stlačeného vzduchu. Ventil má povolený pouze jeden směr proudění vody. V opačném směru těsní pouze asi do 1 baru. Pak se začne otevírat. Proto je v cestě vody použit zpětný ventil – jinak by mohlo docházet u upouštění sody do vodovodního řádu. Případně musí být zajištěn z druhé strany ventilu protitlak (nedoporučuji tedy u natlakované nádoby odpojit přívod plynu – z hadičky by tekla voda). Zpětný ventil tedy doporučuji také vřadit na vstup plynu. Dále je třeba ventily spouštět tak, aby při zavírání nenastal tlakový náraz. Ventil by pak zůstal otevřen. Proto je např. mezi plněním vodou a CO₂ časová prodleva. Pokud by tam nebyla, nemusel by se uzavřít ventil odtlakování.

Elektronika je založena na desce Arduino Pro Mini, respektive na jejím klonu. Tento model nemá vestavěný USB port, takže je možné programovat ho pouze pomocí programátoru. V případě napájení ze sítě se nepřipojí celé napájení, ale jenom komunikační linky a GND. Kdybych příště používal zase desku Arduina, tak bych použil tu s USBčkem, nemusí se řešit připojování programátoru – a já mám zrovna ten bez RST signálu. Musím tedy při přeprogramování mačkat tlačítko reset na desce. Výhoda Arduina je jeho možnost programování v něčem, co se dosti podobá C++ a obrovskému rozšíření. Takže připravené knihovny seženete v podstatě na cokoliv. Já mám ale stejně raději Visual Basic, takže tímhle si mě moc nekoupili… Nojo, už taky plácám C#. Jako obrovskou výhodu považuji možnost programovat ve Visual Studiu. Jako Arduino IDE?? WTF!

Zde se můžete podívat na program, co jsem vypotil. Jedná o můj první program v C++, takže ještě neumím nějaký ty „Céčkovský“ triky. Ale program funguje a není v něm jediný příkaz delay();.

Elektronika je napájena z 12V olověného akumulátoru. Je to kvůli použití chlazení, které při provozu bere až 10 A. Jinak je možné použít alespoň 1A spínaný zdroj (jeden ventil má odběr 12 V 0,4 A). Zároveň se spouští maximálně dva. Akumulátor je nabíjen z trvalého zdroje 13,8 V, není nutné ho nijak udržovat.

Samotné Arduino je napájeno 5V z jednoduchého lineárního stabilizátoru. Ten není nijak přetěžován, protože napájí pouze samotné Arduino – výstupy do bází tranzistorů a dvě LED. Na Arduinu používám 6 výstupů (piny 5 až 10 = 5 ventilů a chlazení) a sériovou linku. Výstupy budí přes rezistor 470 Ω darlingtonovi tranzistory TIP120. Chlazení je dále spínáno přes výkonové relé. Vstupy z tlačítek (piny 2, 3 a 4) mají pull-down rezistory 10 kΩ a paralelně kondenzátor 10 nF kvůli zákmitům. Vstup z jumperu (vstup A2 – na desce je jenom pull-down rezistor), stejně jako další rezervní vstupy jsou ošetřeny pull-down rezistory 10 kΩ. Hlídání hladiny je napojeno na analogové vstupy (pin A0 a A1; jsou však použity jako digitální) přes zesilovač z tranzistoru BC327. Tyto vstupy jsou opatřeny pull-up rezistory. Pokud je tedy nádrž zcela prázdná je na obou vstupech log. 1. Pokud je nádrž zcela plná je na obou vstupech log. 0. Pokud je v nádrži hladina mezi elektrodami, je na spodní elektrodě log. 1 a na horní elektrodě log. 0. V případě, že by byla voda málo vodivá lze kontakt elektrody s vodou detekovat pomocí analogové hodnoty, což zatím není potřeba. Na nádrž je pro funkci elektrod přivedeno přes rezistor 22 kΩ kladné napětí +5 V. Není tedy vhodné nádobu propojovat s minusovým pólem zdroje.

Stavy vstupů hlídání hladiny

	Horní sonda	Dolní sonda
	Log. 0zcela naplněno	Log. 0zcela naplněno
	Log. 1běžný provoz	Log. 0běžný provoz
	Log. 1nízká hladina	Log. 1nízká hladina

Výjimečně jsem nepoužil univerzální desku, ale nakreslil jsem si desku vlastní. V podstatě jde pouze o Arduino s tranzistory posílenými výstupy, vstupy s pull-down rezistory a o jednoduchý tranzistorový zesilovač pro hlídání hladiny. Uznávám, není to žádná šaráda. Asi po pěti letech jsem si nainstaloval Eagle, takže jsem chvílemi tápal a dost věcí není tak jak jsem si představoval (prototyp!). Další desku bych rozšířil o jednoduché nabíjení akumulátoru a počítal bych s relé, atd… Dále bych použil silnější cesty a hlavně větší pady. Špatně se to leptalo a o to hůř se na to pájelo. Pár věcí (např. signalizační LED – připojena na výstupní pin 11, vypínatelná diagnostika po sériovém portu – vstupní pin A2) mě napadlo až když byla deska hotova, takže je zespoda pár drátových propojek. Pak bych dal ještě tranzistory „bokem“. Jsou teď takový rozcapený, protože jsem předtím počítal s chladiči – ty tam nakonec nejsou – tranzistory se nehřejí.

 

Ovládací konzole zároveň slouží jako „kohoutek“ ze kterého vytéká soda/voda. Ten je vyroben z nerezu. V joklu jsou vyvrtány díry, do kterých jsou vsazeny nerezové antivandal spínače. Horní je tlačítko „Water“, prostřední „Soda“ a spodní prosvětlené tlačítko je „Cool“. Tlačítkem „Cool“ je možné vstoupit do menu, které je indikováno jeho prosvětlením, blikáním, viz níže. Konzole má vývod kabelem UTP s koncovkou RJ-45. To samé je na sodobaru. Propojení se provede jednoduše spojkou na UTP.

 

Podle stavu vstupů se systém může nacházet v několika provozních stavech. Tyto jsou: 

Plnění vodou

Pokud není v nádrži žádná voda (log. 1 na obou vstupech od hladinových čidel) spustí se napouštěcí procedura. Otevře se ventil 1 (dekomprese nádrže) a ventil 2 (napouštění vody). Dekomprese je nutná, aby voda neměla v uzavřené nádrži protitlak. Napustilo by se potom jenom malé množství vody. Víření vody je omezené použitím difuzoru na dně nádoby. Jakmile je nádoba plná (horní elektroda má log. 0) jsou oba ventily uzavřeny. Voda v nádrži musí pod minimální hladinu klesnout alespoň na 50 ms. Je to ochrana proti zákmitům – krátkodobému přerušení snímání hladiny při „vstřikování“ plynného CO₂. Plyn působí jako izolant – když je v nádrži málo vody, tak odizoluje spodní elektrodu od vody a může začít plnění nádrže i když není zcela vyprázdněná. V tomto režimu nelze vydávat vodu, ani sodu. Lze však vstoupit do menu. Po vstupu do menu se plnění zastaví.

Plnění CO₂

Po naplnění vodou je otevřen ventil 3 (plnění CO₂) na nastavenou dobu. Tato doba se dá upravit v menu č. 1. Je nutné ji nastavit s ohledem na velikost nádoby a napouštěcí tlak.

Plyn musí do nádoby proudit tak dlouho, aby ji zcela natlakoval – až do vyrovnání tlaků. Čas je možné měnit od 1 sekundy do 32 sekund. Pro moji 1,2l nádobu při tlaku 0,4 MPa a velikosti trysky 1 mm stačí asi 10 sekund. Po natlakování se čeká 2 sekundy, aby byla voda schopná plyn pohltit. Pokud je nastaveno více plnění (mě se osvědčili 3 plnění) je z nádrže ventilem 1 (dekomprese nádrže) odpuštěn přebytečný tlak a plnění plynem se opakuje. Počet plnění se dá nastavit v menu č. 2. V tomto režimu nelze vydávat vodu, ani sodu. Lze však vstoupit do menu. Po vstupu do menu se plnění zastaví.

Po naplnění plynem je možné ihned točit sodovku.

Výdej sodovky

Stisknutím tlačítka „Soda“ se jednoduše otevře ventil č. 4 (výdej sody), který ze spodní části nádrže odčerpává sodu. Ta je tlačena zbytkovým tlakem z nádrže. Pro případ, že by byl tlak již nedostatečný je při stiskutí tlačítka otevřen na 750 ms ventil č. 3 (plnění CO₂). Ten nádobu natlakuje pro další výdej. Další variantou je snížit množství vody v nádrži – nad vodou by bylo více hnacího plynu. Současným stisknutím s tlačítkem „Cool“ se spustí průtokové chladící zařízení. Během výdeje sody není hlídána hladina v nádrži, je tedy možné nádrž zcela vyprázdnit. Po uvolnění tlačítka se zkontroluje hladina a v případě její nedostatečné výšky je znovu provedena procedura plnění.

Výdej vody

Vyloženě „bonus“. Sodobar umí pomocí jednoho ventilu vydávat samotnou (a chlazenou) vodu. Stisknutím tlačítka „Water“ se otevře ventil č. 5, který na výstup pustí čistou vodu přímo z řádu.

Chlazení

Sodobar disponuje průtokovým chlazením vody pomocí peltierových článků. Nejideálnější by bylo složitější řešení – chladit zaizolovanou nádrž kompresorovým chlazením. Ale kvůli možnosti dodávat chlazenou vodu (a ne zcela vychlazenou sodu) a jednoduchosti použít průtokové chlazení bylo zvoleno toto řešení. Ale jak říkám – tento sodobar je prototyp. Podle toho, jak se to osvědčí, je možné, že udělám úpravu a bude chlazena celá nádrž na nastavenou teplotu. Tím však přijdu o možnost vydávat chlazenou vodu. Nyní při stisknutí tlačítka „Cool“ dojde k sepnutí tranzistoru, který sepne výkonové relé. To připojí napájení na peltierovy články a chladící ventilátor. Odběr dvou článků je přes 9 A při 12 V. Proto ten akumulátor, který dokáže bez problémů takové proudy dodat.

Nastavení

Aby bylo možné zařízení nastavovat a testovat, obsahuje jednoduché menu ovládané třemi tlačítky. Stav je signalizován jednou diodou. Při držení tlačítka Cool déle než 5 sekund se rozsvítí kontrolka. Po uvolnění tlačítka kontrolka zhasne. Nyní je aktivována položka č. 1 – Nastavení doby plnění CO₂. Stisknutím tlačítka „Water“ se doba prodlouží o 1 s, stisknutím „Cool“ se doba o 1 s sníží. Délka plnění v sekundách je indikována počtem bliknutí LED; 1 bliknutí = 1 s. Další stisknutím tlačítka Cool je aktivována položka č. 2 – Nastavení počtu plnění CO₂. Kontrolka 2× blikne…

Při opuštění menu se kontrolka rozsvítí na 3 s. Po jejím zhasnutí je možné sodobar dále normálně používat. Průběh menu je v tabulce níže. Ve sloupci # je uveden počet bliknutí při vstupu na položku.

Menu

#	Název	Water	Soda	Cool
	Nastavení doby plnění CO2	Zvýší dobu o 1 s	Sníží dobu o 1 s	Další položka	Délka 1 – 32 s
2	Nastaven počtu plnění CO2	Zvýší počet o 1	Sníží počet o 1	Další položka	Počet 1 – 10
3	Naplnění nádrže	Sepne plnění	–	Další položka	Otevře plnění a dekompresi. Voda může vytékat odvzdušněním
4	Vyprázdnění nádrže	Sepne vyprazdňování	–	Další položka	Otevře vypouštění sody a tlakování CO2
5	Service menu	Aktivuje service menu	Deaktivuje service menu	Další položka	Pokud svítí LED je na řadě service menu, jinak návrat do provozu
1	Test ventilu 1	Sepne ventil č. 1	–	Další položka	Otevře ventil č. 1 (nic se nehlídá)
2	Test ventilu 2	Sepne ventil č. 2	–	Další položka	Otevře ventil č. 2 (nic se nehlídá)
3	Test ventilu 3	Sepne ventil č. 3	–	Další položka	Otevře ventil č. 3 (nic se nehlídá)
4	Test ventilu 4	Sepne ventil č. 4	–	Další položka	Otevře ventil č. 4 (nic se nehlídá)
5	Test ventilu 5	Sepne ventil č. 5	–	Další položka	Otevře ventil č. 5 (nic se nehlídá)
6	Test chlazení	Sepne chlazení	–	Další položka	Sepne chlazení (nic se nehlídá)

Celek nyní čeká na zabudování do linky. Pod dřezem bude schovaný sodobar včetně tlakové nádoby a na lince bude pouze výdejní „konzole“. Modrá hadička bude nahrazena nerezovou – až nějakou vhodnou seženu.