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Aquariums et capteurs de niveau

mercredi 9 mai 2007, par Bricoleau
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Cet article a pour but de présenter les éléments de base, qui permettent de se simplifier la vie, en réalisant soi-même des automates rudimentaires.

Seules quelques notions d’électricité sont requises pour suivre ce qui suit.

Un peu de logique et de bon sens feront le reste !


Matériels utilisés

Le premier d’entre eux est le capteur de niveau, de type industriel :

Il s’agit d’un interrupteur à flotteur, en nylon, totalement étanche et neutre pour nos aquariums.

Le flotteur est constitué d’un cylindre, qui coulisse librement le long de la tige principale.

Par un jeu d’aimants, la position de ce cylindre permet d’ouvrir ou de fermer le circuit électrique enfermé dans la tige principale.

En butée contre la tête du capteur, le courant passe. Dès que le flotteur s’éloigne de la tête, le courant ne passe plus.

Ce type de capteur s’installe verticalement, de manière fixe, dans la cuve que l’on souhaite piloter. La position « tête en haut » ou « tête en bas », permet de choisir le mode de fonctionnement « normalement ouvert » ou « normalement fermé ».

La sensibilité lors des mouvements, est tout à fait adaptée à nos besoins. Un léger clapotis en surface, n’entraîne pas un cycle d’ouverture / fermeture intempestif.

De plus, la marge de débattement du cylindre autour de la tige, permet également son utilisation en aquarium d’eau de mer. Dans une certaine mesure, l’accumulation de sels ne bloquera pas le cylindre, mais un entretien régulier reste indispensable.

Ces capteurs sont disponibles auprès des commerçants en fournitures industrielles.

Personnellement, j’utilise un modèle à 13 euros, commandé en ligne chez www.radiospares.fr, référence 331-017 (Edit : en 2012, cette référence est toujours valide. Les particuliers doivent passer par http://www.rs-particuliers.com et le prix est de 17 euros)

Nous avons donc l’ingrédient de base : l’interrupteur électrique, piloté en fonction du niveau d’eau.

Cependant, il convient de prendre certaines précautions en matière d’électricité.

Je déconseille fortement l’utilisation de ces capteurs directement avec des courants en 220 V.

Bien que cela soit possible, dans certaines circonstances bien précises et limitées, et avec des connaissances plus approfondies en électricité, une règle d’or pour l’aquariophile est d’éviter, autant que faire se peut, d’alimenter en 220 V des équipements immergés.

Le compagnon idéal de notre capteur de niveau est le relais électromécanique.

Il existe de très nombreux modèles de relais de ce type.

Le principe de base est toujours le même : il s’agit d’un interrupteur, piloté par une tension de commande.

Le but est de commander le passage d’un courant fort, à partir d’une faible tension.

Par la suite, nous verrons que malgré leur mode de fonctionnement très basique, les relais peuvent également être combinés entre eux, pour donner naissance à de véritables circuits logiques.

On peut se procurer des relais auprès des commerçants en électricité, électronique, fournitures industrielles, fournitures automobiles...

Personnellement, j’utilise un modèle à 4 euros, qui est également disponible chez www.radiospares.fr, référence 211-1269 (Edit : en 2012, cette référence est toujours valide. Les particuliers doivent passer par http://www.rs-particuliers.com et le prix est de 5 euros)

Ce type de relais a une entrée de commande en 12 V de tension continue, et permet de piloter un appareil électrique en 220 V jusqu’à 300 W de puissance.

Pour son alimentation, il faut prévoir un bloc secteur redressé, que l’on trouve couramment dans le commerce (en photo sur le montage n°5)

Sur le côté du relais, il y a une bobine électrique : c’est le cylindre bleu que l’on voit sur ls photos. Lorsque cette bobine est alimentée en 12 V, un champ magnétique se forme, sur le principe des électroaimants. Ce champ magnétique provoque alors le basculement d’un petit levier, qui permet d’ouvrir ou de fermer le circuit commandé.

Le balancier central fait contact avec l’une ou l’autre des deux bornes, en fonction de l’état de l’électroaimant.

Là aussi, il existe un mode par défaut « normalement ouvert » ou « normalement fermé », qui dépend du branchement effectué : borne centrale + borne de droite, ou borne centrale + borne de gauche.

De mon point de vue, ce type de relais présente plusieurs avantages, qui lui confèrent une grande simplicité d’utilisation :
-  la coque transparente permet de voir où se brancher, en fonction du résultat souhaité
-  la bobine peut être alimentée en 12 V sans se soucier de la polarité
-  les branchements se font sur le dessus et avec des cosses : pas de soudure à prévoir
-  l’ensemble peut être vissé sur son support, via les pattes prévues à cet effet

Nous voici maintenant outillés pour construire nos automates.

Les capteurs de niveau seront alimentés en 12 V, et permettront, via des relais, le pilotage des appareils électriques : pompes, chauffages, électrovannes, ....

De manière plus générale, comme tout autre appareil électrique qui équipe nos aquariums, l’installation devra être reliée à une ligne secteur protégée par un disjoncteur magnéto-thermique, et un différentiel 30 mA.


Montage n°1 : remplissage automatique de cuve

C’est le montage le plus simple.

Dès que le niveau d’eau descend sous la limite de flottaison du capteur, celui-ci actionne le relais qui pilote le dispositif de remplissage.

Ce type de montage peut être utilisé pour réaliser un osmolateur : le capteur de niveau est alors placé dans la cuve principale.

Une cuve annexe contient la réserve d’eau osmosée, avec une pompe de transfert pilotée par le relais.

L’évaporation d’eau de la cuve principale, est automatiquement compensée, en puisant dans la réserve d’eau osmosée.

A noter que d’un point de vue purement logique, le même résultat pourrait être obtenu, en positionnant le capteur de niveau "tête en haut", et en branchant la pompe sur l’autre sortie du relais. Toutefois, ce montage ne convient pas, car le relais se trouve actionné en permanence, alors que le système est au repos. C’est ce type de considération qui permet de déterminer s’il faut installer un capteur "tête en haut" ou "tête en bas" : les relais doivent être en mode repos, lorsque le système est en veille

En option pour un osmolateur : le dispositif peut être complété par un second capteur de niveau, placé en position basse dans la réserve d’eau osmosée, et destiné à éviter la marche à sec de la pompe, quand la réserve est vide.


Montage n°2 : remplissage automatique à deux niveaux

Là, nous avons un montage particulièrement adapté au pilotage d’un osmoseur, via une électrovanne.

Le but est de remplir une réserve d’eau osmosée, en évitant de déclencher l’osmoseur trop souvent, pour de petites quantités, ce qui réduit sa durée de vie.

Une solution simple, mais moins maîtrisée, est d’utiliser le montage n°1 régulé par un programmateur journalier.

On peut ainsi limiter, par exemple à une heure par jour maximum, le fonctionnement de l’osmoseur, ce qui augmente la quantité d’eau osmosée produite en une seule fois.

Le montage n°2 permet une meilleure maîtrise du fonctionnement : l’osmoseur se déclenche dès que le niveau bas est atteint, et s’arrête quand le plein est fait.

A noter que le rôle du premier relais n’est pas de piloter un courant en 220 V, mais bien d’assurer une pseudo logique de fonctionnement.

Le déclenchement du capteur bas provoque la bascule du premier relais.

A partir de là, celui-ci s’autoalimente, ce qui fait que le système ne s’arrête pas lorsque le niveau repasse au-dessus du capteur bas.

L’auto alimentation en 12 V n’est coupée que par l’ouverture du capteur haut, lorsque le plein est fait.

Un dispositif optimal peut ainsi être réalisé, en utilisant le montage n°2 pour alimenter la réserve d’eau osmosée, et le montage n°1 pour l’osmolateur.


Montage n°3 : protection contre la marche à sec

Dispositif similaire au montage n°1

A réserver à l’aquariophile distrait, qui oublie régulièrement de couper ou remettre en marche les pompes et chauffages, lors de ses changements d’eau.

Attention : ce type de montage ne permet pas de protéger une pompe de remontée de la marche à sec, en cas de filtration sous l’aquarium.

En effet, l’arrêt de la pompe s’accompagne alors, dans la cuve de filtration déportée, d’une remontée du niveau d’eau (l’eau retombe dans le filtre).

La pompe va redémarrer, puis s’arrêter à nouveau, puis redémarrer, etc. jusqu’à ne plus redémarrer du tout.


Montage n°4 : protection marche à sec à deux niveaux

Montage particulièrement adapté à la protection des pompes de remontée.

C’est pratiquement le même dispositif que le montage n°2

Le capteur bas doit être positionné à la hauteur limite, qui permet encore à la pompe de fonctionner normalement.

Le capteur haut doit être positionné légèrement au-dessus du niveau atteint au bout de quelques minutes, lorsque la pompe est coupée.

En option : ajout d’un dispositif d’alarme


Montage n°5 : exemple de changement d’eau automatisé

C’est le dispositif que j’utilise pour effectuer des changements d’eau 100% automatisés sur mon bac Malawi.

Mon aquarium est doté d’un trop-plein, relié au tout-à-l’égout.

Le principe du changement d’eau est de déverser quotidiennement une quantité réglable d’eau neuve dans l’aquarium.

J’utilise pour cela une cuve annexe.

Celle-ci se vide une fois par jour dans l’aquarium, puis se reremplit à l’eau du robinet.

L’eau neuve repose ainsi 24 heures avant d’être utilisée, ce qui lui permet de se déchlorer et de se mettre à température ambiante.

Les capteurs de niveau, en se déclenchant, provoquent une bascule des relais de commande.

Ceux-ci s’autoalimentent, ce qui permet "d’avancer" dans le statut du système :
-  phase 1 : vidage vers l’aquarium
-  phase 2 : remplissage à l’eau du robinet
-  phase 3 : changement d’eau terminé

J’ai utilisé des voyants 12 V, qui permettent de visualiser l’état du système.

Ces voyants sont disponibles pour quelques euros, auprès de commerçants spécialisés en électronique, ou auprès d’accessoiristes automobiles.

La réinitialisation du système se fait par une mise hors tension.

Le changement d’eau dure moins de 10 minutes.

Le programmateur alimente le système 15 minutes par jour.

Fixation des capteurs de niveau
Fixation des capteurs de niveau

Chaque capteur de niveau est fixé sur une plaque en PVC, elle-même enfichée sur une sorte d’échelle, également en PVC expansé.

L’écart entre chaque cran est calculé pour avoir un effet de +/- 5 litres sur la quantité d’eau renouvelée à chaque déclenchement du système.

A noter que pour ce montage, comme pour tout autre montage qui viserait à piloter une électrovanne, il est indispensable de se prémunir des inondations.

Il convient d’utiliser systématiquement des cuves dotées d’un trop-plein, permettant par exemple d’évacuer l’eau qui continuerait à couler au travers d’une électrovanne défectueuse.

Faute de disposer d’une telle sécurité, la seule alternative viable est d’opter pour un système semi automatisé, où l’aquariophile :
-  assure manuellement le raccordement à l’eau de distribution (ouverture vanne quart de tour, ou branchement de tuyau)
-  appuie sur un bouton pour lancer le changement d’eau
-  surveille du coin de l’oeil le processus
-  mets le système hors tension et coupe l’alimentation en eau


Montage n°6 : Une réserve d’eau osmosée coupée à l’eau du robinet

Il s’agit ici d’un dispositif en cours de fabrication chez moi (Edit : voir l’article associé)

Le but est de disposer en permanence d’une réserve d’eau, constituée d’un mélange dosé, entre de l’eau de conduite et de l’eau osmosée.

Par exemple 2/3 d’eau osmosée et 1/3 d’eau du robinet.

Cette réserve est directement utilisable pour renouveler l’eau des aquariums, et elle se re-remplit automatiquement, en respectant les proportions prédéfinies eau osmosée/eau du robinet, même après un prélèvement partiel.

Le système comporte :
-  une réserve d’eau osmosée. Celle-ci est remplie automatiquement, via le montage n°2 (non représenté sur ce schéma)
-  une petite cuve de mélange, d’un volume de quelques litres
-  une réserve finale, où est stockée l’eau prête à l’emploi pour les aquariums.

Le sens de fixation de chaque capteur, ainsi que le schéma électrique de l’ensemble, sont le fruit de plusieurs heures de réflexion sur le sujet.

La recette : prendre des feuilles blanches, un stylo, et résoudre le casse-tête.

Point de théorie, juste de la logique.

Le système fonctionne par cycle, au niveau de la cuve de mélange :
-  activation pompe 1 : transfert de l’eau vers la cuve finale, jusqu’au capteur C1
-  activation pompe 2 : remplissage à l’eau osmosée, jusqu’au capteur C2
-  activation électrovanne : remplissage à l’eau de conduite, jusqu’au capteur C3

La hauteur du capteur C2 détermine la proportion eau osmosée / eau de conduite du mélange.

L’ensemble s’arrête quand la cuve finale est pleine, ou quand la réserve d’eau osmosée est vide.

L’arrêt se fait d’ailleurs "en douceur", non pas au moment où le capteur C4 ou C5 ouvre le circuit, mais au moment où l’automate atteint un état stable.

La cuve de mélange reste alors entièrement pleine, ou bien entièrement vide, mais pas entre les deux, ce qui évite les situations où le système se met en route, sans savoir s’il faut commencer par remplir ou vider la cuve de mélange.


Voilà, maintenant vous en savez assez pour vous lancer dans vos propres automates.


[Bricoleau 2007]

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