pompe a vibration ulka EP5

Guiguidoseur !

Présentation

Voici un billet pour présenter un des projets dont je suis le plus fier en dépit de son titre ridicule, même si ça commence à dater un peu.

   

J’ai eu pendant plusieurs années un aquarium récifal à la maison. Dans ce type d’aquarium, on maintient et l’on fait pousser des coraux vivants. Ces animaux puisent dans l’eau de mer, et fixent dans leur squelette certains éléments chimiques qu’il est donc nécessaire de remplacer : calcium, carbonates, strontium, iode et autres oligoéléments. On se retrouve donc à devoir ajouter dans le bac un certain nombre de produits pour maintenir la stabilité de la composition de l’eau.

Un système de distribution automatique de ces produits est dans ces conditions d’une grande aide. Les systèmes commerciaux sont tous basés sur des pompes péristaltiques. D’une part, ils sont extrêmement coûteux. Le Grotech tec III, appareil de référence qui correspond à l’illustration de gauche, se vend par exemple (sur internet) plus de 350 euros en version 3 canaux et 600 pour 7 pompes !

J’ai cherché ce que je pouvais trouver comme pompe péristaltique pour réaliser mon propre système, malheureusement, je n’ai rien pu trouver à moins de 60€ la pompe à l’époque, ce qui restait beaucoup trop cher pour moi. M’inspirant d’un bricolage décrit par « Alain34 » j’ai cherché une solution pour piloter les pompes de machine à café expresso. Ce sont ces pompes qui sont responsables du bruit et des vibrations de la machine. Le modèle de pompe le plus courant que l’on retrouve dans la plupart des machines est la fameuse pompe rouge fabriquée par Ulka.

Résultat

Le résultat est ce montage qui intègre dans un même boîtier, jusqu’à 9 pompes, et le circuit électronique de pilotage. Le débit de chaque pompe peut être réglé très précisément entre 1 mL et 1L de produit par jour.

  

Les réglages se font avec l’aide des deux boutons et de l’écran LCD. On peut choisir la quantité de produit à distribuer chaque jour, ainsi que la plage horaire à laquelle se fait la distribution. L’appareil se charge alors de calculer la vitesse optimale de fonctionnement de la pompe pour que la dose de produit soit distribuée de manière continue pendant la période choisie. La hauteur de rejet, les différences de viscosité des produits et les variations dans la fabrication d’une pompe à l’autre doivent être prises en compte. Pour cela, l’appareil intègre une procédure permettant une re-calibration automatique de chaque pompe. J’ai même rédigé une doc pour détailler le fonctionnement : Documentation nano doseur

Les pompes sont installées perpendiculairement à la boite, les entrées en dessous et les sorties au dessus. Cette organisation est le point faible du doseur, car cela imposer de percer le support sur lequel il est posé pour installer les bidons dessous. Ma première idée à été de réaliser un coffre en bois, percé pour laisser passer les tuyaux. Par la suite, le doseur à tout simplement migré sur une étagère dans le meuble sous l’aquarium.

   

Le système est parfait pour l’aquariophilie récifale, mais je suppose qu’il doit pouvoir être adapté à d’autres usages, le dosage d’engrais pour l’aquariophilie d’eau douce par exemple, mais aussi probablement la culture hydroponique ou pourquoi pas l’entretient d’une piscine.

Un peu de technique

Fondamentalement, une pompe a vibration Ulka n’est en fait qu’une bobine avec un piston métallique au centre. Quand un courant parcours la bobine, le piston se déplace. Quand le courant cesse, des ressorts le ramène dans sa position initiale. Le mouvement du piston déplace le fluide, et un système de clapet l’empêche de revenir en arrière.
illustration B. Goux
Dans la version 230V des pompes (il existe également des versions 24V), une diode est placée en série avec la bobine. A chaque alternance de l’onde secteur, soit 50 fois par seconde, le piston fait un va et vient entre les deux clapets. La vibration très bruyante de la pompe correspond donc à l’impact du piston qui claque, 50 fois par seconde.

Mon idée était donc de trouver une solution pour modifier la l’intervalle entre deux impulsions du courant alimentant la pompe, de manière à pouvoir contrôler précisément son débit.

Le principe de fonctionnement du système est inspiré de la note d’application Picdim de Microchip. A la base, ce document décrit l’utilisation d’un microcontrolleur PIC pour réaliser un variateur d’éclairage basé sur le retard de phase. Conceptuellement, ce que l’on cherche à réaliser est très proche de la problématique du gradateur : on cherche à détecter le passage au zéro de l’onde secteur, pour pouvoir la filtrer et ne laisser passer que certaines alternances. Ainsi, on peut obtenir une fréquence apparente plus faible que celle du secteur et ralentir a volonté le débit de la pompe. Ce qui nous intéresse pour l’application au pilotage des pompes Ulka, c’est la description de la détection du passage a zéro de l’onde secteur, et accessoirement, l’alimentation sans transformateur

Montage pour la détection du passe au zéro du secteur d

La détection du passage au zéro du courant alternatif se fait en amenant le secteur, via une résistance de 20MΩ directement sur une pin d’entrée du pic. Tant que la tension est entre 0 et 5V, l’entrée est à 0, et quand les 5V sont dépassé, elle passe à 1. La pente de la sinusoïde étant très forte proche du zéro, en pratique les 5V sont situés très proches du zéro. En revanche, en procédant ainsi, on a un montage qui n’est pas isolé galvaniquement du 230V, ce qui impose de prendre toutes les précautions habituelles lorsque l’on travaille avec la tension du secteur.

La seconde chose très intéressante dans cette note d’application, est la description de l’alimentation sans transformateur. C’est un montage qui permet d’alimenter un circuit 5V, à partir du secteur, avec seulement quelques composants peu coûteux, et en particulier, sans un transfo, cher et encombrant. Evidemment, avec ce type d’alim, pas d’isolation de la partie basse tension. En modifiant les valeurs de la note de Microchip, on peut espérer tirer 30mA sans trop de problème, ce qui est suffisant pour alimenter un afficheur LCD, même rétro-éclairé. Si ce type d’alim vous intéresse, Microchip a publié un document de référence sur le sujet avec toutes les équations nécessaires pour les dimensionner.

C’est donc le PIC qui va moduler la vitesse de fonctionnement de la pompe. Après calibration, le logiciel déduit le volume de produit correspondant à 1 mouvement du piston. En fonction de la dose demandée journalièrement, il calcule le nombre d’injection nécessaire et l’intervalle pour que la dose soit distribuée de manière aussi linéaire que possible. Pour simplifier encore le montage, l’horloge du PIC est basée sur la fréquence du secteur qui est une valeur extrêmement bien régulée par EDF.

Exemple concret : on souhaite distribuer 1L par jour. La pompe a un débit de 250ml / mn sous 50Hz, soit 83µl par mouvement de piston. Il faut donc 12000 coup de pistons pour 1L, soit, une injection toutes les 7s. Le PIC va donc compter les passages à O du secteur pour ne laisser passer qu’une alternance de la sinusoide, toutes les 7s.

Il est bon de noter que  ce circuit est parfaitement capable de piloter une pompe beaucoup plus velue que les petites NME4 de 15W, une grosse pompe EP5 de 50W par exemple fonctionne parfaitement sans avoir besoin de modifier quoi que ce soit au niveau du circuit. La seule chose à adapté serait probablement la gamme de . Evidemment, il faudra trouver un coffret adapté à chaque nouveau type de pompe.

Réalisation

Avertissement :
Le montage décrit dans cet article n’est pas isolé de la tension du secteur et représente de ce fait un danger mortel. Ne vous lancez dans cette réalisation que si vous maîtrisez les notions de sécurité liées à ce type de circuit. En aucun cas vous ne devez pouvoir entrer en contact direct avec un conducteur électrique connecté à ce montage lorsqu’il est branché. L’ensemble doit donc être enfermé dans un boitier isolant, y compris la carcasse métallique de l’afficheur LCD .

Vous pouvez télécharger l’archive du projet qui contient les fichiers nécessaires : la liste des composants avec les références pour les acheter chez Gotronic. Le typon, un gabarit de perçage, et le programme pour le PIC.

La gravure du circuit imprimé ne pose pas de problème particulier. Le typon est disponible au format PDF dans l’archive du projet. C’est du simple face, les pistes sont larges. La soudure ne pose pas de problème particulier, sauf peut être le montage des 2 résistance et du condensateur en CMS. Je le regrette aujourd’hui, mais le code à été développé sur une plate-forme propriétaire Mikroelectronika avec un compilateur payant. Je pourrait toujours fournir le code, mais il y a fort à parier que vous ne puissiez pas en faire grand chose.

Pour la préparation du coffret, il faut réaliser des perçages sur chaque face pour passer les entrées et sorties des pompes, et également découper une ouverture pour le LCD. Vous trouverez un gabarit de perçage dans l’archive du projet. Autre point important, le LCD doit être couvert par une vitre. D’un part cela évite à d’éventuelles projection d’eau d’entrer dans le boîtier, et d’autre part, il ne faut pas oublier que le montage n’est pas isolé du secteur, donc cela inclut le cadre en métal du LCD. Il faut deux interrupteurs momentanés. On choisira uniquement des modèles n’ayant aucune partie métallique accessible à l’extérieur.

  

Pour finir, il faut relier les pompes au circuit, attention, étant donné que le module de commande ne laisse passer qu’une demi impulsion de l’onde secteur et qu’il y a une diode en série sur la bobine, le sens de branchement à son importance. Si vous inversez les branchements, cela ne marchera tout simplement pas. Le plus pénible selon moi est de relier l’afficheur LCD au circuit avec la nappe. J’aurais de loin préférer une solution ou l’afficheur aurait été soudé directement sur le circuit, mais je ne suis pas parvenu à obtenir quelque chose de suffisamment compact pour cela.

  

J’ai, par le passé, réalisé des appareils pour d’autres. Je ne souhaite plus le faire désormais car cela me prend beaucoup de temps, aussi bien à la construction que pour le suivi ensuite. En revanche, si vous êtes motivés pour réaliser ce montage, je peux vous fournir le circuit imprimé et le PIC programmé. Il me reste même un peu de stock de composants, je dois avoir de quoi préparer quelques kits pour ceux qui voudraient se lancer. Je n’ai par contre plus de pompes dans mes cartons.


Retour d’expérience

Ayant réalisé plusieurs de ces dispositifs pour des amis il y a quelques années, j’ai aujourd’hui un certain recul dessus. Voici les principaux points :

Le circuit semble assez sensible aux perturbations électromagnétiques. En particulier, on trouve généralement chez les aquariophiles des ballasts HQI pour l’éclairage des bacs.La proximité de ces appareils peut provoquer des plantages du doseur. Mis à part cela, l’électronique est fiable et n’a jamais été prise en défaut. J’ai eu parfois des réparations à faire sur les cartes, pour soudures qui avaient lâché, mais la conception du circuit n’était pas en soi la cause des problèmes.

Il semble que le débit des pompes varie dans le temps. Peut être un phénomène de rodage, ou une dérive due à l’usure. Dans le cadre d’un usage aquariophile, on est pas au mL prêt, et cela n’a pas grande importance. Pour un autre usage ou la valeur absolue des quantités de produits distribuées sera importante, je préconise de contrôler régulièrement la calibration, au moyen de la procédure de test intégrée dans le logiciel.

Avec le temps, les tuyaux en PVC transparent de 6mm que j’utilise sur les sorties finissent par sécher et provoque des fuites. Autant dire qu’une fuite de liquide corrosif juste au dessus d’un circuit en 230V n’est pas une très bonne chose. Pour éviter le problème, je serre un collier colson sur les tuyaux en sortie des pompes.

Les produits à base de chlore très concentrés (méthode Balling) utilisés pour le récifal sont très corrosifs et avec le temps ils dégradent les pièces métalliques (ressorts/piston), pourtant en inox de la pompe. Ces produits doivent êtres dilués pour une utilisation dans le doseur. D’autant plus qu’en diluant, on augmente les volumes, on fait donc plus travailler les pompes et on injecte le produit de manière plus continue. Vu le faible coût des pompes, devoir remplacer le canal d’injection du chlore 1 fois par an n’est peu être pas si grave.

Un système de distribution automatique de ces produits est dans ces conditions d’une grande aide. Les systèmes commerciaux sont tous basés sur des pompes péristaltiques. D’une part, ils sont extrêmement coûteux. Le Grotech tec III, appareil de référence qui correspond à l’illustration de gauche, se vend par exemple (sur internet) plus de 350 euros en version 3 canaux et 600 pour 7 pompes !

J’ai cherché ce que je pouvais trouver comme pompe péristaltique pour réaliser mon propre système, malheureusement, je n’ai rien pu trouver à moins de 60€ la pompe à l’époque, ce qui restait beaucoup trop cher pour moi. M’inspirant d’un bricolage décrit par « Alain34 » j’ai cherché une solution pour piloter les pompes de machine à café expresso. Ce sont ces pompes qui sont responsables du bruit et des vibrations de la machine. Le modèle de pompe le plus courant que l’on retrouve dans la plupart des machines est la fameuse pompe rouge fabriquée par Ulka.

Résultat

Le résultat est ce montage qui intègre dans un même boîtier, jusqu’à 9 pompes, et le circuit électronique de pilotage. Le débit de chaque pompe peut être réglé très précisément entre 1 mL et 1L de produit par jour.

  

Les réglages se font avec l’aide des deux boutons et de l’écran LCD. On peut choisir la quantité de produit à distribuer chaque jour, ainsi que la plage horaire à laquelle se fait la distribution. L’appareil se charge alors de calculer la vitesse optimale de fonctionnement de la pompe pour que la dose de produit soit distribuée de manière continue pendant la période choisie. La hauteur de rejet, les différences de viscosité des produits et les variations dans la fabrication d’une pompe à l’autre doivent être prises en compte. Pour cela, l’appareil intègre une procédure permettant une re-calibration automatique de chaque pompe. J’ai même rédigé une doc pour détailler le fonctionnement : Documentation nano doseur

Les pompes sont installées perpendiculairement à la boite, les entrées en dessous et les sorties au dessus. Cette organisation est le point faible du doseur, car cela imposer de percer le support sur lequel il est posé pour installer les bidons dessous. Ma première idée à été de réaliser un coffre en bois, percé pour laisser passer les tuyaux. Par la suite, le doseur à tout simplement migré sur une étagère dans le meuble sous l’aquarium.

   

Le système est parfait pour l’aquariophilie récifale, mais je suppose qu’il doit pouvoir être adapté à d’autres usages, le dosage d’engrais pour l’aquariophilie d’eau douce par exemple, mais aussi probablement la culture hydroponique ou pourquoi pas l’entretient d’une piscine.

Un peu de technique

Fondamentalement, une pompe a vibration Ulka n’est en fait qu’une bobine avec un piston métallique au centre. Quand un courant parcours la bobine, le piston se déplace. Quand le courant cesse, des ressorts le ramène dans sa position initiale. Le mouvement du piston déplace le fluide, et un système de clapet l’empêche de revenir en arrière.
illustration B. Goux
Dans la version 230V des pompes (il existe également des versions 24V), une diode est placée en série avec la bobine. A chaque alternance de l’onde secteur, soit 50 fois par seconde, le piston fait un va et vient entre les deux clapets. La vibration très bruyante de la pompe correspond donc à l’impact du piston qui claque, 50 fois par seconde.

Mon idée était donc de trouver une solution pour modifier la l’intervalle entre deux impulsions du courant alimentant la pompe, de manière à pouvoir contrôler précisément son débit.

Le principe de fonctionnement du système est inspiré de la note d’application Picdim de Microchip. A la base, ce document décrit l’utilisation d’un microcontrolleur PIC pour réaliser un variateur d’éclairage basé sur le retard de phase. Conceptuellement, ce que l’on cherche à réaliser est très proche de la problématique du gradateur : on cherche à détecter le passage au zéro de l’onde secteur, pour pouvoir la filtrer et ne laisser passer que certaines alternances. Ainsi, on peut obtenir une fréquence apparente plus faible que celle du secteur et ralentir a volonté le débit de la pompe. Ce qui nous intéresse pour l’application au pilotage des pompes Ulka, c’est la description de la détection du passage a zéro de l’onde secteur, et accessoirement, l’alimentation sans transformateur

Montage pour la détection du passe au zéro du secteur d

La détection du passage au zéro du courant alternatif se fait en amenant le secteur, via une résistance de 20MΩ directement sur une pin d’entrée du pic. Tant que la tension est entre 0 et 5V, l’entrée est à 0, et quand les 5V sont dépassé, elle passe à 1. La pente de la sinusoïde étant très forte proche du zéro, en pratique les 5V sont situés très proches du zéro. En revanche, en procédant ainsi, on a un montage qui n’est pas isolé galvaniquement du 230V, ce qui impose de prendre toutes les précautions habituelles lorsque l’on travaille avec la tension du secteur.

La seconde chose très intéressante dans cette note d’application, est la description de l’alimentation sans transformateur. C’est un montage qui permet d’alimenter un circuit 5V, à partir du secteur, avec seulement quelques composants peu coûteux, et en particulier, sans un transfo, cher et encombrant. Evidemment, avec ce type d’alim, pas d’isolation de la partie basse tension. En modifiant les valeurs de la note de Microchip, on peut espérer tirer 30mA sans trop de problème, ce qui est suffisant pour alimenter un afficheur LCD, même rétro-éclairé. Si ce type d’alim vous intéresse, Microchip a publié un document de référence sur le sujet avec toutes les équations nécessaires pour les dimensionner.

C’est donc le PIC qui va moduler la vitesse de fonctionnement de la pompe. Après calibration, le logiciel déduit le volume de produit correspondant à 1 mouvement du piston. En fonction de la dose demandée journalièrement, il calcule le nombre d’injection nécessaire et l’intervalle pour que la dose soit distribuée de manière aussi linéaire que possible. Pour simplifier encore le montage, l’horloge du PIC est basée sur la fréquence du secteur qui est une valeur extrêmement bien régulée par EDF.

Exemple concret : on souhaite distribuer 1L par jour. La pompe a un débit de 250ml / mn sous 50Hz, soit 83µl par mouvement de piston. Il faut donc 12000 coup de pistons pour 1L, soit, une injection toutes les 7s. Le PIC va donc compter les passages à O du secteur pour ne laisser passer qu’une alternance de la sinusoide, toutes les 7s.

Il est bon de noter que  ce circuit est parfaitement capable de piloter une pompe beaucoup plus velue que les petites NME4 de 15W, une grosse pompe EP5 de 50W par exemple fonctionne parfaitement sans avoir besoin de modifier quoi que ce soit au niveau du circuit. La seule chose à adapté serait probablement la gamme de . Evidemment, il faudra trouver un coffret adapté à chaque nouveau type de pompe.

Réalisation

Avertissement :
Le montage décrit dans cet article n’est pas isolé de la tension du secteur et représente de ce fait un danger mortel. Ne vous lancez dans cette réalisation que si vous maîtrisez les notions de sécurité liées à ce type de circuit. En aucun cas vous ne devez pouvoir entrer en contact direct avec un conducteur électrique connecté à ce montage lorsqu’il est branché. L’ensemble doit donc être enfermé dans un boitier isolant, y compris la carcasse métallique de l’afficheur LCD .

Vous pouvez télécharger l’archive du projet qui contient les fichiers nécessaires : la liste des composants avec les références pour les acheter chez Gotronic. Le typon, un gabarit de perçage, et le programme pour le PIC.

La gravure du circuit imprimé ne pose pas de problème particulier. Le typon est disponible au format PDF dans l’archive du projet. C’est du simple face, les pistes sont larges. La soudure ne pose pas de problème particulier, sauf peut être le montage des 2 résistance et du condensateur en CMS. Je le regrette aujourd’hui, mais le code à été développé sur une plate-forme propriétaire Mikroelectronika avec un compilateur payant. Je pourrait toujours fournir le code, mais il y a fort à parier que vous ne puissiez pas en faire grand chose.

Pour la préparation du coffret, il faut réaliser des perçages sur chaque face pour passer les entrées et sorties des pompes, et également découper une ouverture pour le LCD. Vous trouverez un gabarit de perçage dans l’archive du projet. Autre point important, le LCD doit être couvert par une vitre. D’un part cela évite à d’éventuelles projection d’eau d’entrer dans le boîtier, et d’autre part, il ne faut pas oublier que le montage n’est pas isolé du secteur, donc cela inclut le cadre en métal du LCD. Il faut deux interrupteurs momentanés. On choisira uniquement des modèles n’ayant aucune partie métallique accessible à l’extérieur.

  

Pour finir, il faut relier les pompes au circuit, attention, étant donné que le module de commande ne laisse passer qu’une demi impulsion de l’onde secteur et qu’il y a une diode en série sur la bobine, le sens de branchement à son importance. Si vous inversez les branchements, cela ne marchera tout simplement pas. Le plus pénible selon moi est de relier l’afficheur LCD au circuit avec la nappe. J’aurais de loin préférer une solution ou l’afficheur aurait été soudé directement sur le circuit, mais je ne suis pas parvenu à obtenir quelque chose de suffisamment compact pour cela.

  

J’ai, par le passé, réalisé des appareils pour d’autres. Je ne souhaite plus le faire désormais car cela me prend beaucoup de temps, aussi bien à la construction que pour le suivi ensuite. En revanche, si vous êtes motivés pour réaliser ce montage, je peux vous fournir le circuit imprimé et le PIC programmé. Il me reste même un peu de stock de composants, je dois avoir de quoi préparer quelques kits pour ceux qui voudraient se lancer. Je n’ai par contre plus de pompes dans mes cartons.


Retour d’expérience

Ayant réalisé plusieurs de ces dispositifs pour des amis il y a quelques années, j’ai aujourd’hui un certain recul dessus. Voici les principaux points :

Le circuit semble assez sensible aux perturbations électromagnétiques. En particulier, on trouve généralement chez les aquariophiles des ballasts HQI pour l’éclairage des bacs.La proximité de ces appareils peut provoquer des plantages du doseur. Mis à part cela, l’électronique est fiable et n’a jamais été prise en défaut. J’ai eu parfois des réparations à faire sur les cartes, pour soudures qui avaient lâché, mais la conception du circuit n’était pas en soi la cause des problèmes.

Il semble que le débit des pompes varie dans le temps. Peut être un phénomène de rodage, ou une dérive due à l’usure. Dans le cadre d’un usage aquariophile, on est pas au mL prêt, et cela n’a pas grande importance. Pour un autre usage ou la valeur absolue des quantités de produits distribuées sera importante, je préconise de contrôler régulièrement la calibration, au moyen de la procédure de test intégrée dans le logiciel.

Avec le temps, les tuyaux en PVC transparent de 6mm que j’utilise sur les sorties finissent par sécher et provoque des fuites. Autant dire qu’une fuite de liquide corrosif juste au dessus d’un circuit en 230V n’est pas une très bonne chose. Pour éviter le problème, je serre un collier colson sur les tuyaux en sortie des pompes.

Les produits à base de chlore très concentrés (méthode Balling) utilisés pour le récifal sont très corrosifs et avec le temps ils dégradent les pièces métalliques (ressorts/piston), pourtant en inox de la pompe. Ces produits doivent êtres dilués pour une utilisation dans le doseur. D’autant plus qu’en diluant, on augmente les volumes, on fait donc plus travailler les pompes et on injecte le produit de manière plus continue. Vu le faible coût des pompes, devoir remplacer le canal d’injection du chlore 1 fois par an n’est peu être pas si grave.

Category: Electronique, Featured

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