Capteur pour compteur d'eau SCHLUMBERGER | ACTdetect0ARIS (V2)

1 Les impératifs techniques
2 Rapidité des mesures de débit
3 La stratégie des fabricants
3.1 Stratégie
3.2 Le sens
4 Étendue de mesure
5 Le principe retenu par ACTARIS
6 Mes essais
6.1 Lecture optique
6.2 Principe capacitif
6.3 Principe Selfique et magnétique

6.3.1 Oscillateurs en limite d'oscillation
6.3.2 Double oscillateur et battements
6.3.3 La self de capture
6.3.4 La réalisation complète
6.3.5 Mise au point réglages

7 Conclusions

Si vous arrivez directement sur cette page par un moteur de recherche, vous pouvez avoir accès à la table des matières et à chaque article, en page d'accueil.    L'accès se fait par l'un des deux liens en tête de colonne de droite ----->

 


Préambule

Cet article intéressera ceux qui veulent faire des mesures automatiques de débit notamment sur les circuits primaires de panneaux solaires, dans le cas où ceux-ci seraient équipés de compteurs d'eau de marque ACTARIS.
ACTARIS est le nom d'une Société très connue qui fabrique entre autres produits, des compteurs d'eau. C'est une marque déposée.
(ACTARIS est la nouvelle dénomination de l'ancienne société SCHLUMBERGER dont le nom figure encore sur les anciens compteurs, voire même CDC pour Compagnie Des Compteurs située à Montrouge et ayant donné elle-même naissance à SCHLUMBERGER).

J'avais donc mis en place pour mon panneau solaire un vieux compteur de récupération de cette marque et de modèle "Flodis". Ces compteurs utilisés essentiellement en eau froide fonctionnent tout de même en eau "pas trop chaude"  mais sont peut-être aussi un peu moins précis...
Mais c'est aussi parce que j'ai eu des doutes sur la constance des débits d'eau primaire de mon panneau solaire que je me suis intéressé à penser à la future régulation solaire qui devrait prendre en compte ce débit pour pouvoir effectuer les calculs d'énergie cédée au cumulus.
Enfin, dans le cas de la future gestion du débit variable, ce débit pourrait être mesurable de façon simple par une entrée logique standard. (Comptage de tops)
Vous retrouverez un article sur les mesures sur un panneau solaire à l'aide du datalogger (Article déjà publié), et les premières mesures m'ont incité à relever en même temps que les températures, les débits d'eau primaire, sous la forme d'un top à chaque volume élémentaire. CALC fera ensuite les calculs…!
De plus le débit indique également l'état de fonctionnement de la pompe (lorsqu'il y en a une)

(Pour les panneaux solaires en thermosiphon, le système devrait aussi fonctionner et être encore plus utile puisqu'il devrait alors indiquer un débit variable en permanence, mais cet article reste tourné vers les systèmes équipés d'une pompe et donc nécessairement avec une régulation).

1 Les impératifs techniques

Il s'agit donc d'utiliser une marque précise de compteur (ACTARIS), le type étant peu important puisque tous les compteurs d'une même marque sont en général équipés de la même tête de comptage comportant le totalisateur et un dispositif permettant de transmettre l'information de volume élémentaire passé.

Un point important est de réaliser un capteur pouvant s'insérer facilement et de façon fiable sur un compteur sans l'altérer physiquement.
Le capteur devra pouvoir mesurer des débits (ou volumes) de l'ordre de 5 à 50 / 80 L/H par M² de surface captante.

Mesurer en un temps très court de l'ordre de quelques secondes un débit est seulement un souhait… autorisant une régulation rapide.
Ce ne sera malheureusement pas le cas, avec les compteurs d'eau potable qui mesurent principalement des volumes en M3.

L'information la plus fine issue de la majorité des petits compteurs de DN15, est le litre, (information potentiellement transmissible numériquement) soit dans l'application solaire avec les débits cités d'environ un top par minute, alors que l'on souhaitait environ un top par seconde !

(De plus la majorité des capteurs sur les têtes compteurs ne peuvent dépasser une fréquence de 10 Hz soit une période de 100 ms entre tops. Ceci est à noter pour la mise en forme du signal de sortie. Enfin, en général un compteur de DN15 est vendu pour un débit nominal de 1.5 M3/H et pourrait accepter une surcharge temporaire du double, soit un top tous les 0.8 secondes).

2 Rapidité des mesures de débit

Dans le cadre du circuit d'eau primaire d'un panneau solaire, ce point est primordial, car il conditionne la pertinence de mesure des volumes et par voie de conséquence permet de mesurer l'énergie transportée suivant la formule connue :
   
W(KWH)=0.00116*V(litres)*T°(delta temp °C)

Dans une régulation solaire classique, on mesure la température du haut du panneau et celle du cumulus. Quand cette différence positive atteint un seuil prédéterminé, la pompe primaire est enclenchée, mais va commencer par refroidir le bas du cumulus, car l'eau des conduites est présentement froide car elle a séjourné dans les tuyaux.

L'énergie calorifique ne va réellement arriver qu'après 2 à 5 minutes (Suivant les longueurs de canalisations) et les équilibres thermiques ne seront stabilisés qu'à partir d'une dizaine de minutes (Aller et retour) .

Dans ce contexte une mesure du débit ne devrait pas demander plus de quelques secondes pour pouvoir réagir rapidement et corriger au besoin la vitesse du circuit primaire pour éviter des arrêts toujours gênants car générateurs de pertes ou au contraire confirmer une nécessité d'arrêt pour éviter une inversion des échanges thermiques imminente.

Tout décalage dans le temps est toujours très gênant.
Je l'ai déjà mentionné dans un autre article (pyranomètre)...
Une mesure qui dure trop longtemps est une mesure réputée fausse, car elle ne réalise alors qu'une mesure de valeur moyenne.

Ainsi, une mesure de débit devrait donner une précision suffisante en quelques secondes, pour effectuer les commandes de correction voulues.

Ce ne sera pas le cas non plus pour l'ensemble de tous les compteurs d'eau de DN15, toutes marques confondues.

En effet dans le cas de la plupart des compteurs, le seul élément qui puisse donner une information de débit élémentaire est ce secteur argenté ou ce petit aimant qui font une révolution d'UN TOUR PAR LITRE.

Il y a aussi un "pseudo disque optique" dans ce type de compteur, et detect14qui pourrait permettre de cerner plus finement le volume passé (situé au centre du compteur, mais assez "profondément", flèche jaune ci-contre). Mais la distance et le manque d'accès empêchent de réaliser quelque chose de fiable à ce niveau.

Ce "disque" optique n'est pas initialement fait pour cela, car c'est ce que l'on appelle le plus souvent "le témoin de fuite" qui tourne en général à la vitesse de la turbine (ou assimilé).
Il faut aussi penser que certains d'entre vous seraient tentés d'utiliser ce dispositif à d'autres fins, et notamment au niveau du compteur d'arrivée d'eau, et que dans ce cas, il est rigoureusement interdit "d'attaquer" le compteur pour faire une fixation solide ou pénétrer au travers de la surface…!

Donc ce petit témoin optique, donnant une définition de plusieurs dixièmes de litre n'est pas non plus exceptionnel. La notion du centilitre serait tout à fait intéressante et au pire, des tops au décilitre seraient encore acceptables...Mais ce n'est même pas le cas !

Il reste alors l'utilisation d'un petit débitmètre bon marché (fournisseur bien connu), mais cela ne me parait pas convenir pour le modèle fournissant 1800 impulsions au litre, uniquement à cause de la température maxi de 60°C et de la section des tubulures de 6 mm qui reste faible et d'un raccordement "hypothétique" par serrage, cependant le nombre d'impulsions au litre serait particulièrement "généreux" !

3 La stratégie des fabricants

3.1 Stratégie

En ce siècle d'automatismes, les compteurs d'eau évoluent rapidement et tous les fabricants ont élaboré un principe physique d'envoi à distance de l'information d'un Volume élémentaire pour obtenir automatiquement, et par comptage, la valeur des indexes.

Les différents principes physiques retenus vont rendre la compatibilité "numérique" totalement impossible entre constructeurs à cause de principes physiques différents. C'est commercialement voulu et c'est bien dommage, mais chaque marque aura "ses têtes spécifiques".

Mais c'est ainsi, et on verra deux grands principes physiques pour compter à distance les volumes qui sont passés dans un compteur d'eau.

Le premier principe est magnétiqdetect10ue :

Un petit aimant tourne sur l'axe des décilitres (Flèche jaune photo ci contre) et actionne un interrupteur à lames souples (ILS) lors d'une révolution complète (1 litre). ILS faisant partie d'un petit équipement posé et clipsé sur de dessus du compteur.
Ce principe simple ne requiert aucune énergie et est issu d'une habitude normale à la profession, puisque l'entraînement des totalisateurs tend maintenant à se généraliser par un couplage magnétique de la turbine et du totalisateur (dans la tête compteur). Ceci évite les compteurs de type "noyés". Des marques très connues de compteurs utilisent ou ont utilisé ce principe (SAPPEL, KENT, SOCAM…etc)

Ce principe de transmission magnétique est intéressant car il ne consomme pas la moindre parcelle d'énergie (En frottements d'étanchéité seulement !). Il permet aussi d'éviter les "recoins" du totalisateur favorables au développement microbien.

Ce principe magnétique avec des ILS qui était très simple (Mais pouvant manquer à de très rares occasions de fiabilité à cause des contacts) va peut être évoluer vers des détecteurs basés sur le principe de l'effet HALL, mais il y a de grandes chances qu'il faille un minimum d'énergie car il faut bien un courant pour qu'il y ait effet HALL !
A mon sens, ce n'est pas obligatoirement la panacée, car il faut rester lucide et considérer le contexte d'une famille qui consomme 200 M3 d'eau par an. En 15 ans il y aura seulement 3 000 000 contacts établis, or ces ILS très fiables peuvent effectuer une à deux dizaines de millions de manœuvres sans problèmes. Alors troquons nous "un cheval borgne pour un aveugle" ? Le mieux serait-il l'ennemi du bien ? (La durée de vie des compteurs n'excède pas 15 années).
Une remarque faite concernant les capteurs magnétiques m'a été faite, car si ce qui est décrit est bien la réalité, cette réalité date de 2006/2007. Et effectivement les toutes nouvelles têtes n'ont plus d'aimant, mais simplement une portion de disque métallique. Le principe est donc totalement différent avec certainement l'utilisation des capteurs à effet Hall ainsi qu'évoqués. N'ayant aucune expérience de ces nouveautés, je ne m'aventurerai pas sur ce sujet, à moins que le constructeur veuille bien me consacrer quelque visite de courtoisie.

C'est un petit secteur circulaire métallique vraisemblablement en aluminium et assez brillant, qui est entraîné au rythme des décilitres (1 litre par tour) pour les petits compteurs de DN15.
Les capteurs utilisant ce principe répondent au nom commercial de "capteur Cyble".
Ce principe nécessite impérativement de l'énergie pour assurer la détection de ce secteur métallique en rotation, et en soi, je n'apprécie pas cette nécessité alors que l'on peut faire sans énergie. (Piles dont la durée de service voisine les 15 ans, matière chimiques à recycler, pollution, etc….)
Mais j'ai un vieux compteur de ce type alors je vais l'utiliser, mais ce n'est pas ma tasse de thé pour le principe même !

(Un troisième principe existe aussi, mais est une déclinaison de l'un des deux autres, et concerne seulement pour l'instant des compteurs d'eau de grande section (>80), entièrement électroniques, n'ayant plus de totalisateur mécanique, et transmettant directement des impulsions et dialoguant avec des bus de terrain genre CAN, JBUS/MODBUS ou équivalents.
Ces nouveaux appareils donnent directement les indexes et les débits instantanés, mais le principe d'acquisition de l'information de volume unitaire reste parmi ceux examinés).

3.2 Le sens

Déterminer le sens de rotation nécessite d'avoir deux ou trois capteurs, mais cet article à destination des amateurs restera au niveau le plus simple d'un seul capteur. Il ne sera donc pas possible de différentier les "marches arrières".

En d'autres termes, si vous n'avez pas de clapet à votre installation, le compteur et les tops comptés seront le plus souvent en désaccord, car les retours d'eau compteront alors comme une marche en avant.
Dans les circuits primaires de capteurs solaires, vous devrez le plus souvent installer un clapet anti-retour sous peine de voir les calories s'envoler dans la nature…
Le problème de la "marche arrière" ne se posera donc pas dans cette application fort heureusement.

4 Étendue de mesure

Ce paramètre est important, car en solaire thermique, les débits d'échanges sont relativement faibles et de l'ordre de 5 à 50 | 80 Litres par heure et par M² de surface captante.

Mesurer des débits faibles (ou des vitesses ce qui revient presque au même), avec un nombre important de tops ou un rafraîchissement de mesure très rapproché n'est pas très facile.
Pour pouvoir agir rapidement, les débits devraient être connus en quelques secondes, ce qui impliquerait des procédés très différents des compteurs d'eau potable par exemple.

Ces compteurs peuvent donner un top tous les litres soit à 60 litres/heure par exemple, cela donne un top toutes les minutes…C'est beaucoup !
Je n'envisage pas pour le moment de modifier un compteur existant pour obtenir un nombre d'impulsion plus élevé. On verra par la suite si c'est réellement utile.

Les vitesses n'auront pas une grande étendue de mesure (EM), car les pertes dans les canalisations du circuit primaire ne permettent pas de fonctionner avec un gain thermique positif pour de très faibles vitesses.

Aussi un ratio de 10 dans les vitesses (ou débits) serait suffisant.

5 Le principe retenu par ACTARIS

ACTARIS a développé toutes ses têtes de compteurs d'eau suivant ce principe unique du petit secteur métallique argenté ("Cyble"). Habituellement et sur les petits compteurs de DN15, un tour de "Cyble" correspond à un litre passé.
Détecter un tel secteur argenté est plus délicat que de placer un ILS en détection magnétique. En effet plusieurs principes physiques peuvent diriger le comptage de ces nombres de tours de "Cyble".

On distinguera deux types très différents d'applications, celles où l'énergie du secteur électrique est présente, ce sera le cas pour la régulation solaire, et celles où il faut une alimentation par pile (comptage d'eau potable par exemple).

On peut déjà éliminer la lecture optique, car trop gourmande en énergie et pouvant avoir quelques soucis lorsque le compteur baignera dans l'eau (Parfois boueuse) d'un regard.

Alors quel principe physique ACTARIS a retenu ? Eh bien c'est le mystère complet et je ne connais absolument rien de ce principe. J'ai donc dû inventer quelque chose qui fonctionne sans savoir si c'est la solution du fabricant !

6 Mes essais

Je rappelle que mon seul objectif est de mesurer le débit de mon circuit primaire de chauffe eau solaire. (Cette mesure est réalisée en intérieur sans risques d'inondations et dans des conditions idéales avec l'énergie du secteur présente).

Dans tous les principes utilisables avec compteur d'eau, il suffit de mesurer le temps entre deux impulsions c'est-à-dire 1 litre. Cette mesure nécessite de connaître le temps avec une précision de l'ordre du 1/10 de seconde, ce  qui donnera une valeur précise à 1.6 °/°°, ce qui est parfait.
Le seul problème est ce minimum d'une minute d'attente qui reste bien long…!

(Encore une précision à donner concernant la mesure d'un débit. Il est aussi possible de compter les impulsions durant un certain temps...Ce certain temps pour une précision de seulement 10% est évalué à 10 minutes ! On voit tout de suite que cette méthode est totalement inadaptée dans cette application. J'ai tout de même vu des champions de l'automatisme le faire...!)

6.1 Lecture optique

Étant en intérieur j'ai tout de même essayé de faire un petit "bricolo" pour voir ce que donnait ce principe de détection optique sur le secteur argenté....
Une diode IR et une photodiode ne m'ont pas donnés satisfaction en termes de réflexion optique sur la "Cyble", vraisemblablement à cause des angles de réflexion qui doivent être assez précis, et comme je ne connais pas les distances précises, le sujet a été vite classé (et peut être même un peu trop vite !) Il y a aussi la réfraction sur la partie transparente de la tête, qui doit aussi gêner.

De toutes façons ce principe reste un peu gourmand en énergie et pour être totalement fiable et indépendant de la lumière ambiante, il serait préférable de moduler le signal IR et d'appliquer le même principe de détection côté photodiode.
Beaucoup trop "usine à gaz" pour un petit truc simple au départ !

On remarquera que l'état de surface du petit secteur argenté n'est pas nécessairement garanti brillant 100%, et que cela pourrait changer….On notera aussi que ce secteur fait un angle d'environ 120°.
Une formule similaire serait une détection avec fibre optique E/R par réflexion. Ce principe devrait fonctionner et y compris avec des produits d'automatismes de détection optique déjà existants.

Pour continuer sur la partie optique, je n'ai pas essayé sur le détecteur de fuite implanté très profondément dans le compteur, car là c'est encore pire, du fait que ce sont, non pas des secteurs noirs et blancs, mais simplement 3 branches blanches à 120° sur un fond transparent en "demi teinte" assez éloigné.

En effet dans une régulation solaire prenant en compte les débits d'eau primaire et pouvant les faire varier, il est important de connaître le débit rapidement. Dans de nombreux cas, il faut environ 1 à 5 minutes pour observer des variations des températures. Or ce temps minimum de mesure de 1 minute est bien long pour prendre la décision d'arrêter ou de continuer le pompage, car au minimum 1/5 de la variation d'énergie sera déjà "introduite" dans les tuyaux !

L'idéal est de connaître le débit par mesure du temps entre deux impulsions. Si l'on considère une moyenne de 60 L/H, il faudrait donc une minute pour avoir un résultat. C'est beaucoup !

6.2 Principe capacitif

Faire un condensateur avec deux demi secteurs couvrant la totalité du secteur argenté de la "Cyble" et fabriquer un oscillateur dont la fréquence varierait suivant la position de la "Cyble" parait très difficile, tant la capacité (variable) serait faible. (Il faut deux demi secteurs isolés car le secteur "Cyble" reste inaccessible mécaniquement et électriquement)

Cela nécessiterait de monter assez haut en fréquence. Or plus on monte en fréquence, plus les pertes augmentent dans les circuits, plus les consommations d'énergie augmentent.
L'emploi d'un PLL semblerait impératif, et donc assez délicat vers des fréquences de plusieurs dizaines de Mhz.

Ce principe ne m'a pas semblé à la portée d'une très petite réalisation d'amateur. Ce principe ne me semble pas non plus industriellement applicable ? Je n'ai donc fait aucun essai en ce sens, mais je me trompe peut-être ?

On remarquera aussi que la nature du plastique utilisé peut varier et que cela aurait une conséquence sur la fréquence par la constante diélectrique. C'est donc délicat.
Enfin dans le cas de présence d'eau ou non, la capacité varierait fortement car l'eau a une constante diélectrique très élevée (en supposant l'absence de problèmes d'isolation). On peut raisonnablement supposer que ce principe n'est pas celui retenu par ACTARIS.

La détection de phase reste aussi d'un domaine très délicat, surtout à ces fréquences, et je ne l'ai pas non plus envisagée.

6.3 Principe Selfique et magnétique

En réfléchissant un peu, il faut reconnaître que prendre le sujet par le magnétisme HF semble plus adapté que la partie capacitive.
Il faut donc faire finalement un détecteur de métaux (En poste fixe) ! Alors j'ai cherché quelque chose de très simple avec 1 ou 2 circuits intégrés au maximum.
J'ai trouvé effectivement un schéma dans "300 circuits" et la réplique exacte d'un stage étudiant qui avait copié son sujet dans 300 circuits…(Petit galopin !)

Je n'ai pas voulu partir de rien, car le sujet peut être considéré comme "accessoire" dans mon projet de mesures, mais un peu plus utile dans la future reprise de la régulation solaire existante.

Plusieurs possibilités existent sur ce principe général. En voici quelques unes.

6.3.1 Oscillateurs en limite d'oscillation

Ce principe repose sur un procédé selfique. Toute partie métallique approchée d'une self parcourue par un courant Haute Fréquence (HF), va induire des pertes dans le métal par courant de Foucault.
Si la self fait partie d'un oscillateur, alors la fréquence va se trouver modifiée, et/ou l'oscillateur peut même se bloquer si la réaction positive est trop faible.

C'est un principe particulièrement économique en énergie, car il suffit de détecter l'arrêt d'un oscillateur tout juste en limite de "décrochage" (Arrêt des oscillations").

Ce principe peut paraître attrayant, mais pose de réelles difficultés techniques notamment au niveau du démarrage et de l'arrêt de l'oscillateur, car il faut un peu plus d'énergie pour démarrer un oscillateur, et si l'on maintient un niveau d'énergie trop élevé, on risque de ne pas pouvoir arrêter l'oscillateur lors des pertes par courant de Foucault.

(Pour imager un peu c'est comme une voiture à déplacer à la main, c'est dur, mais une fois qu'elle roule il faut beaucoup moins d'énergie pour continuer à la faire rouler...)

Il y a une hystérésis à maîtriser parfaitement et donc une régulation du niveau des oscillations pour pouvoir arrêter sur des pertes, même très faibles, et redémarrer à coup sûr en absence de pertes !

Cela est certainement possible industriellement de réaliser ce principe, mais avec mes petits moyens techniques, j'ai dû abandonner par manque de stabilité démarrage/arrêt. (Je n'ai pas même poursuivi vers des essais de stabilité en température)
D'autre part la limite d'oscillations donne des valeurs de tensions alternatives HF extrêmement faibles. La détection nécessite alors d'amplifier ces niveaux avant de pouvoir les détecter.

Bref, encore une "usine à gaz" pour le profane !

6.3.2 Double oscillateur et battemdetect3ents

Finalement j'avais un peu peur de me lancer dans ce principe qui est pourtant simple dans l'esprit seulement…
Cette fois c'est toujours une détection selfique, mais le principe s'il reste toujours identique, ne prend pas appui sur l'arrêt d'un oscillateur, au contraire, il faut deux oscillateurs !

Cette fois on fabrique un oscillateur avec une petite self posée en périphérie de la "Cyble" (Et non pas centrée). Lorsque le secteur argenté (Métallique mais à priori en aluminium) passe devant une partie de la self, celui-ci va "modifier" la valeur de la self et donc la fréquence des oscillations si cette self fait partie d'un circuit oscillant.
(A cette fréquence, la valeur de la self doit normalement diminuer pour les métaux et alliages, et la fréquence doit donc augmenter).

Bien entendu le circuit aura une self de faible valeur pour des questions detect6d'encombrement, et en conséquence la capacité sera un peu plus élevée. f=1/2pi*rac(LC)
On remarquera aussi que L devra aussi être faible, car les variations de L devront être significatives.
Parallèlement on ne pourra pas faire une bobine "énorme" car sa taille doit être en relation avec la taille de la "Cyble".

Maintenant que la fréquence assez élevée (455 KHz) va pouvoir varier "un peu", il faut détecter cette faible variation de fréquence de 1/1000 environ.

La réception radio "classique" type superhétérodyne nous donne la réponse avec la méthode des battements issue de la décomposition en série de Fourrier de deux ondes qui donne les sommes et différences des deux fréquences (Sinusoïdales !).
Un deuxième oscillateur de fréquence fixe (Et stable) est ajouté pour "battre" (Se mélanger) avec le premier.
La différence des deux fréquences nous donnera une composante BF audible (et tout une multitude d'autres fréquences heureusement de niveau faible, et dues au caractère rectangulaire dans ce cas, des deux fréquences).
Cette composante différence devra être isolée des autres signaux très nombreux et détectés par un filtre passe bas. (Par chance la différence des deux fondamentales est la plus petite des  fréquences !)

Dans ce principe nous aurons donc un oscillateur réalisé avec une self posée en périphérie de la "Cyble" et un autre oscillateur de référence.
On règlera le seul oscillateur variable avec "Cyble" pour qu'en absence du secteur ardetect15genté, on ait une fréquence différence nulle. Dès apparition du secteur argenté, la fréquence peut augmenter de 0 à plus de 15KHZ.

Il faudra donc détecter la composante BF de 0 à plus de 15 KHZ, noyée au milieu de la HF et des parasites.
On limitera cette augmentation à 1 ou 2 KHz, car lorsque la fréquence augmente, le niveau diminue à cause de l'élimination des fréquences élevées et pourrait ne plus être significatif pour une entrée PIC, MOS ou TTL. (Oscillogramme ci contre).

Cette limitation d'excursion en fréquence est réalisée par la proximité plus ou moins importante de la self et de la "Cyble". (Rotation du support autour de la vis de fixation)

Que se passe-t-il vers le battement zéro ? Je pense qu'à partir d'un écart de fréquences donné très faible, les deux oscillateurs arrivent à se synchroniser parfaitement, car l'énergie nécessaire à cette synchronisation reste faible. Il n'en sera pas de même si les oscillateurs ont une fréquence trop différente, lors du passage de la "Cyble" par exemple. Dans ce cas il n'y a plus de synchronisation possible, et c'est le battement qui prend le dessus.

Mon premier essai avait été réalisé avec un transformateur moyenne fréquence à 455 KHz, mais ce montage pouvait fortement dériver avec la température. J'avais alors adjoint un monostable, mais finalement j'ai pu me procurer un résonateur 455 KHz à 3 pattes.
Cet élément de coefficient de qualité (Q) élevé, est assez stable quelque soit la température.
Ce point est extrêmement important car il conditionne le signal de sortie. En effet en fonctionnement normal, le compteur pourra s'arrêter dans une position quelconque de la "Cyble" relativement à la self.
Lors d'un arrêt pompe ou de débit nul en général, on peut donc être, sans présence de battements, donc n’avoir aucun signal de sortie, ou au contraire être partiellement ou totalement sous le secteur aluminium, et générer dans ce cas des battements permanents.

La règle de base sera de donner un signal logique permanent (0 5V) en fonction des battements ou de leur absence.

On comprendra qu'il y a finalement 3 possibilités pouvant remplir cette fonction, suivant que la fréquence du circuit accordé "Cyble" se trouve exactement (Ou très proche) de la fréquence du résonateur, ou qu'il se trouve plus bas ou plus haut.
Dans ces deux derniers cas, il faut être certain que le temps de présence à la fréquence du résonateur sera suffisant pour déclencher.
Le signal de sortie pourra être inverse puisque majoritairement toujours à 1 sauf au passage à la fréquence centrale. (Voir explications en § "mise au point réglages" ci-après)

6.3.3 La self de capture

C'est un composant un peu délicat à réaliser. Pour ce faire il faut detect16prendre un petit cylindre de diamètre 5 mm (Colonnette nylon par exemple), auquel on ajustera en forçant un peu, deux flasques en époxy de circuit imprimé de diamètres 16mm environ.
On règlera l'écartement des flasques à 2 mm environ.
Un des flasques aura un passage pour le fil à ras de l'axe (un "V" fait à la petite lime triangulaire) ainsi qu'un petit trou à 0.7 presque sur le diamètre extérieur.
On sortira donc les fils d'un même côté.
Les flasques seront recouverts intérieurement de ruban adhésif électrique, pour éviter que la colle utilisée ci-après ne vienne se coller aux flasques et permettre le "démoulage" de l'ensemble.

On bobinera alors 100 spires de fil émaillé 16/100 dans ce faible intervalle des flasques. On essayera de réaliser des couches (voir l'article sur le bobinage des petits transformateurs au besoin).
Pour avoir un bobinage mince qui se tient tout seul, il n'y a pas de miracle il faut de la colle. On utilisera de la colle "Scotch" de bureau en gel. On alignera des traces de colle sur le fil émaillé, juste avant de le bobiner, par petites longueurs de 20 à 30 cm.

Après "démoulage" on obtient un tore de fil de cuivre émaillé que l'on va placer dans un detect13support époxy qui sera vissé (Sans forcer) sur la tête du compteur, en ayant eu soin de prendre une petite vis de 4mm. Le trou taraudé permettant de visser est le plus souvent masqué par un cache dissociable en plastique bleu. (Photo ci contre flèche verte)
La longueur de la vis variera suivant l'épaisseur de l'époxy utilisée, et ne devrait jamais être supérieure à 7 mm environ. La partie dans le compteur est de longueur 5 mm MAXIMUM. (Une vis nylon de 4 serait encore mieux qu'une vis Inox).

L'étape suivante sera de coller la petite self dans l'épaisseur d'une petdetect5ite plaque d'époxy qui sera vissée sur la tête compteur. Il faudra "ajuster", car je n'ai pas relevé les cotes. La "lumière" recevant la petite self devra être positionnée en partie basse de l'axe de la "Cyble" et positionnée pour que la self puisse RECOUVRIR partiellement le secteur aluminium. Le tout sera immobilisé avec une colle bi composants, y compris la sortie du fil blindé de raccordement
et son attache câble.
Une butée devra être faite car tout écart de positionnement modifie la fréquence du battement et donc la limite supérieure en fréquence du battement.

(Je recommande de prendre un morceau d'Epoxy assez grand et de l'ajuster lors de la mise au point).

Il n'y aura pas de deuxième (voire troisième) self pour le sens ainsi qu'il a été dit. De plus il y aurait un problème de place et les risques de synchronisation sont élevés et nécessiteraient un peu plus d'études.

6.3.4 La réalisation complète

Voici le capteur terminé avec son immobilisation dans la colle bi composants. Il ne redetect9ste plus qu'à le fixer sur le comdetect7pteur.

 

Ainsi que déjà dit, l'électronique est en CMOS, et consomme 2 mA sous 5V.
C'est un peu trop pour une alimentation sur piles, mais dans ce cadre précis de régulation de panneau solaire, il y a de l'énergie disponible.
Voici le schéma :detect5

 

 

 

 

On repère facilement l'oscillateur IC1A avec son résonateur , et en dessous le deuxième oscillateur variable avec la "Cyble" IC1C avec la self précédemment réalisée qui sera raccordée par un fil blindé.

Le circuit IC1C est à peine plus compliqué par le fait qu'il ne faut pas court-circuiter entrée et sortie (C7) et qu'il faut aussi prévoir d'ajuster TRES finement la fréquence.
A cet effet deux condensateurs à choisir sont prévus sur picots (C10 et C14) et un ajustable de 20 pf permettent de finaliser le réglage pour faire le point zéro.

Le mélange des signaux se réalise dans la porte B du CD4011 et donne toutes les fréquences sommes et différences des fondamentales (et harmoniques) dont une fréquence BF variable de 0 jusqu'à 15 KHz environ.

IC1D est un étage d'isolation et de mise en forme du signal.

(Lors du montage initial avec transformateur MF, il avait été impossible dans le cadre de la place disponible et de la simplicité souhaitée, d'obtenir une fiabilité dans le temps).

L'oscillateur le plus "exposé" (Celui constitué avec la "Cyble") ne manquera pas de se synchroniser sur celui qui sera le plus  stable. 

Dans le montage actuel, le résonateur pallie à ce problème de detect18dérive, car sa stabilité est suffisante pour forcer le battement zéro, quand les fréquences sont proches, car le coefficient de qualité du résonateur est élevé.
Pour cela, un petit condensateur avait été prévu (C9) pour aider à obtenir une synchronisation avec un niveau d'énergie faible, et autorisant une synchronisation sur des deltas de fréquence peu élevés. L'augmentation trop importante de la valeur du condensateur de synchronisation ne manquerait pas de bloquer toute variation de la fréquence de l'oscillateur de la Cyble.

Ce condensateur n'est à priori pas nécessaire, car la synchronisation se réalise à un niveau satisfaisant, simplement par l'alimentation et les rayonnements parasites.
(En cas d'oscillations TBF gênantes vous pourriez l'installer pour une valeur de quelques pf à quelques dizaines de pf. Il pourrait être constitué de seulement 2 fils isolés de quelques cm torsadés).

L'oscillateur fixe est donc constitué d'un résonateur TOKO  455 KHz à 3 pattes. (Composant rouge sur la photo. Dans le cas d'un résonateur à 2 pattes, on placera un condensateur de chaque côté à la masse : oscillateur type COLPITTS).

Je crois que le principe le plus important est le battement de fréquence avec un circuit intégré CMOS très connu. Je ne suis pas l'auteur du schéma de base, et je reconnais avec plaisir que ce petit schéma est génial de simplicité.

On notera l'alimentation directe en 5V issue de la future régulation solaire. Une self de 2 µH sur un petit tube de ferrite (6 spires 25/100) est surtout présente pour éviter toute transmission de HF dans la régulation. Son action est tout aussi réversible et protège le montage des parasites générés par la régulation.

En point complémentaire, j'ai apprécié la mise en place d'un petit buzzer d'une vieille montre aux bornes de Q1, car cela indique clairement le fonctionnement. (Ajouter un interrupteur au besoin)

Le principe de la détection est un peu particulier.
Cette détedetect16ction est constituée de R8 et C4, mais aussi de R7 !
En effet la constante de temps à la décharge du condensateur C4 (R8) est de 100 ms seconde alors que celle pour la charge C4 (R7) est de 22 ms.
Ceci fait qu'il sera préférable de baser le comptage sur les fronts montants assez raides, alors que les fronts descendants marqueront une belle exponentielle de décharge.
La sortie sera à 0 en l'absence de battement ou lorsque la "Cyble" ne sera pas sous la self, et inversement la sortie sera à 1 avec "Cyble" présente sous la self.
Il sera nécessaire de ne pas monter trop haut dans les fréquences BF, car le niveau de détection baisse sensiblement avec la fréquence. Une excursion de 0 à 1 ou 2 KHZ est suffisante. (Voir l'oscillogramme déjà présenté ci avant)

(Les fréquences très basses (TBF) de l'ordre de 10 Hz ou moins n'existeront pas, car elles seront "masquées" par la synchronisation des deux oscillateurs).

6.3.5 Mise au point réglages

Cette partie est importante car il est nécessaire d'avoir un oscilloscope pour y parvenir, mais c'est tout ! Un fréquencemètre serait utile mais on peut s'en passer (Je n'en ai pas !).

Que faut-il donc savoir ? Que l'approche d'un élément métallique près de la self "modifie" celle-ci en la diminuant et augmente la fréquence des oscillations.

Voici un petit schéma pour aider à mieux comprendre detect17ce qui se passe lors des battements. Il faut arriver grâce au scope à régler la fréquence de l'oscillateur "Cyble" au plus près de celle de l'oscillateur fixe avec résonateur à 455KHz.

On commencera par placer le condensateur ajustable CT1 à mi-course. Puis on va jouer sur les condensateurs C14 et C10 pour trouver cette même fréquence de 455 KHz à l'aide du scope et le plus précisément possible.
Au sein d'un même lot de condensateurs, les valeurs divergent très sensiblement et l'ajustage se fera à moins de 10 pf près. C'est très fin, mais sans véritables problèmes.

Vous allez ensuite trouver à un moment donné la fréquence audible du battement, (dans le buzzer) mais vous pourrez peut-être avoir de la chance et tomber "pile" sur 455 ?

Dans les deux autres cas, vous allez peut-être vous trouver en dessous de 455 KHz et lorsque vous allez approcher régulièrement du métal de la self vous allez passer par zéro puis remonter ensuite. Ceci indiquera que vous devrez jouer sur C10 ou C14 pour les DIMINUER pour faire monter la fréquence (cas des repères bleus). En général ce sera au maximum 20 pf.

Si au contraire le fait d'approcher un objet métallique ne fait qu'augmenter la fréquence audible du battement, sans repasser par le battement zéro alors vous êtes situé sur la courbe magenta. Dans ce cas il faudra ajouter quelques picofarads sur C10 ou C14.

Il faut comprendre cette courbe qui ne peut être parcourue que dans le sens des flèches lors de l'approche de la pièce métallique. (Préférez l'aluminium d'un papier chocolat par exemple pour les essais)

Enfin si vous n'arrivez pas avec l'ajustable à faire le zéro il faut encore "titiller" plus finement. N'oubliez pas que 455 et 455.5 représentent une tonalité audible de 500 Hz mais que cela n'est qu'une variation de fréquence de l'oscillateur de l'ordre de 1/1000 ce qui est très peu. Donc les valeurs à ajuster sont relativement faibles.

Attention aussi à la longueur du fil blindé de raccordement, car il apporte une capacité non négligeable de quelques dizaines de picofards, aussi j'ai donné les valeurs moyennes pour 2.5 mètres de fil blindé (de mon type "à moi" !).
Dans le cas d'une longueur supérieure, je pense qu'il serait préférable déplacer l'électronique à proximité du compteur d'eau primaire et de véhiculer l'alimentation et le signal de sortie vers la régulation.

Il y a tout de même 2 autres cas, celui ou vous allez entendre la fréquence sonore baisser sans passer à zéro. (Vous êtes beaucoup trop bas en fréquence, il faut diminuer C10 C14.

Enfin l'autre cas ou le son ne pourra que monter, alors vous êtes beaucoup trop haut en fréquence. Ajouter alors une petite valeur à C10 ou  C14.
Cinquième cas  ? Oui,  on n'entend rien du tout ! Alors il faut peaufiner la fréquence au scope, car vous êtes trop haut ou trop bas et en tous cas, distant de plus de 15 KHz des 455 KHz (Fréquence inaudible)

Dernières modifications en date du 13/02/2011

Le condensateur C9 de 1.2 pf doit être remplacé par un 10pf pour permettre une meilleure synchronisation lors de faibles écarts de fréquences et limiter ainsi la dérive en température.

Le condensateur C4 de 1µF sera remplacé par un 68 nF et la résistance R8 de 100K sera remplacée par une résistance de 1MOhm. (Cette dernière modif ne change pas fondamentalement la constante de temps mais permet un amortissement moindre et un meilleur niveau de sortie).

Le montage dans la régulations solaire nouvelle génération n'a pas donné de bons résultats, car la dérive est trop importante. Le montage donne parfois plusieurs impulsions et il n'y a donc plus moyen de connaître la durée d'un top compteur. Alors je dois refondre totalement ce montage qui n'est pas fiable à mon grand regret !

7 Conclusions

C'est une petite réalisation qui tient dans une surface de 5.6 cm x 3.5 cm. Il n'y a donc pas de place pour faire compliqué ! Tout devra être simple et fonctionner. Le PIC qui sera chargé d'examiner les impulsions du circuit primaire, pourra aussi assurer la vraisemblance.
Néanmoins ce dispositif ne pourra pas servir à faire une régulation PID, à cause de son temps de réaction trop important.
Il pourra servir de contrôle, à posteriori lors d'une commande de vanne. En effet le temps de commande de vanne déterminera directement le débit par étalonnage initial.
Ce montage permettra ainsi de vérifier la modification du débit (Mais pas d'asservir).

Parallèlement, il aura aussi un rôle important pour le contrôle de l'énergie cédée au niveau de l'échangeur du chauffe eau. Ce sera certainement là, l'utilisation la plus utile, puisqu'il n'y aura pas alors de nécessité de paramétrer dans le PIC cette valeur de débit nominal.
L'énergie dans le cas d'une commande à débit variable pourra alors être intégrée et se rapprocher plus près de la réalité, puisque l'intégration sera possible à la minute près.

Vous pourrez également faire avec ce montage de la détection de métaux au sens général, et à une distance de quelques centimètres. Une spire en court-circuit à proximité est détectée à plusieurs centimètres.
Si vous prenez une très grande self, je pense que les distances vont encore augmenter.
Je vous laisse le soin de faire un circuit résonant parallèle accordé sur 455 KHz et de voir ce qui se passera.

Les essais et quelques observations à postériori...
L'accord dépend largement de la longueur du câble blindé de raccordement, et il faut donc faire les réglages avec la longueur définitive. De plus le circuit présente une certaine dérive qu'il faut parfois compenser. A la place du trimmer d'accord, je pense qu'il aurait été préférable de mettre une diode varicap pour accorder et pourquoi pas utiliser cette possibilité pour l'asservissement de fréquence en température. Cela reste ouvert à toutes les suggestions et si quelqu'un à une idée très simple d'amélioration je suis intéressé.

Suite à la modif du 13/02/2011, j'ai essayé de mettre un diode 1N4148 en varicap, mais l'écart de fréquence est trop faible. Une véritable varicap devrait donner de meilleurs résultats.

Un petit montage à essayer si le cœur vous en dit, mais n'en attendez pas de miracles!

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