Contrôle de Niveau d'Eau

 

Contrôle de Niveau d'Eau

 

Bonjour amis jardiniers.

Pour ma centrale d'irrigation j'utilise soit de l'eau du réseau public, soit de l'eau de pluie quand celle-ci est disponible.

Un réservoir principal de 1500 litres récupère l'eau de pluie d'une toiture grâce à un collecteur :

Collecteur sur tuyau de descente

Un réservoir secondaire de 200 litres situé en hauteur (3m) dans le grenier d'un appentis est utilisé comme réserve intermédiaire. L'eau puisée dans le réservoir principal est aspirée par une pompe et remontée dans le réservoir secondaire. Un interrupteur à flotteur permet d'actionner et d'arrêter la pompe.

J'ai choisi cette solution car elle permet un arrosage en basse pression : 3m de hauteur d'eau correspondent à 0.3 bars.

Elle a un inconvénient : sauf s'ils sont situé dans un local hors gel, il faudra vidanger les réservoirs, la pompe et les tuyaux avant les gelées.

Il y a deux flotteurs :

• un flotteur dans le réservoir secondaire
• un flotteur dans le réservoir principal

Le premier flotteur active la pompe lorsque le niveau d'eau dans le réservoir secondaire est trop bas, et la coupe lorsque le niveau est proche du maximum.

Le deuxième flotteur désactive le système de remplissage du réservoir secondaire lorsque le niveau d'eau dans le réservoir principal est trop bas. Il faut donc basculer l'arrosage sur l'eau du réseau public.

Mon premier problème est que je n'ai aucune envie d'avoir du 230V sur des flotteurs immergés, susceptibles d'être peu étanches, et de fuir. Je préfère les alimenter sous 5V ou 12V, quitte à ajouter un peu d'électronique. Sécurité avant tout.

Mon second problème est le suivant : le contact des flotteurs que je possède se ferme lorsque le réservoir est plein. Si je le branche en série avec la pompe celle-ci va démarrer quand le réservoir sera plein et s'arrêter lorsque celui-ci sera vide.

C'est donc un flotteur de vidange qui serait plutôt adapté à la vidange d'un réservoir ou une cave. Il convient bien par contre pour le réservoir principal.

Pour le réservoir secondaire c'est exactement le contraire de ce que je veux. Plutôt que de racheter un flotteur de remplissage, j'ai créé un petit circuit inverseur à relais. De toutes façons si je veux alimenter les flotteurs en très basse tension ce circuit est obligatoire, quel que soit le modèle de flotteur..

Remarque : il existe des flotteurs assurant les deux fonctions :

• un fil commun
• un fil pour le contact servant au remplissage
• un fil pour le contact servant à la vidange

Pour repérer les fils il suffit d'utiliser un ohmmètre : 

• flotteur en bas :
• résistance très faible : contact de remplissage
• résistance infinie : contact de vidange
• flotteur relevé :
• résistance très faible : contact de vidange
• résistance infinie : contact de remplissage

Bien entendu le montage proposé pourra être également être utilisé, entre autres, pour remplir un réservoir à partir d'un cours d'eau, ou d'un puits.

Différents sujets seront abordés dans cet article :

• blocage et saturation d'un transistor NPN
• protection et anti-parasitage à l'aide d'une varistance
• conception d'une carte pour un boîtier DIN
• tropicalisation

1. La théorie

Théoriquement, il est impossible d'aspirer de l'eau avec une pompe de surface sur une hauteur de colonne d'eau de plus de 10 mètres. Dans la pratique, les pompes de surface sont souvent limitées à 7 ou 8 mètres.

Par contre une pompe est capable de refouler de l'eau sur des hauteurs beaucoup plus importantes.

Si le réservoir à remplir est situé beaucoup plus haut que le réservoir à vider, il faudra donc placer la pompe au point le plus bas. Il faudra ensuite choisir une pompe ayant une hauteur de refoulement suffisante. Certains modèles ont une hauteur de refoulement de 40m, parfois plus.

Choisir entre une pompe de surface et une pompe immergée est une question pratique. La pompe de surface est difficile à amorcer, elle nécessite souvent l'ajout d'un clapet anti-retour. La pompe immergée est probablement la solution la moins problématique.

2. Matériel

2.1. Réservoir et pompe

Le réservoir secondaire est équipé de deux traversées de paroi  20/27 (3/4) en haut (remplissage) et en bas (arrosage) :

Il suffit d'ajouter deux nez de robinet 20/27 (3/4) pour deux tuyaux avec raccords rapides.

A propos de la pompe il y a deux solutions :

• pompe de surface
• pompe immergée dans le réservoir principal (avec son propre flotteur)
  

Dans le premier cas, un flotteur supplémentaire est nécessaire dans le réservoir principal. Il servira à couper l'alimentation du module relais quand le réservoir principal sera vide.

Dans le deuxième cas, le flotteur dont la pompe est équipée est suffisant. Quand le réservoir principal sera vide, il coupera l'alimentation de la pompe.

2.2. Flotteur

Le flotteur est un modèle Renkforce 2302386 acheté chez Conrad :

La hauteur d'eau n'est pas très facile à régler, étant donné qu'elle se fait en réglant la position du contrepoids sur le câble. D'autre part il est possible que le contact ne soit pas adapaté à de la très basse tension et faible courant. Voir le commentaire de jessie25 (au passage, merci à lui) en bas de page.

D'autres interrupteurs à flotteur existent, par exemple :

MEDER-LS03-1A66

Ce genre de capteur se monte sur la paroi de la cuve, à travers un trou de 16mm.

MEDER-LS02-1A66

Celui-ci se monte à la verticale, sous le couvercle de la cuve par exemple.

Le prix est faible : environ 8€.

Il y a de fortes chances que le contact soit du type interrupteur à ILS, et qu'un aimant soit logé dans la partie mobile. Il n'y a aucun risque de fuite électrique puisque le contact est totalement isolé.

Attention le courant maximal est faible : 500mA, mais comme le module relais proposé consomme environ 5mA sur son entrée cela convient parfaitement.

Je pense que ce genre de flotteur est préférable à un modèle à bille comme le Renkforce. La fiabilité est certainement supérieure, et la hauteur maximale d'eau sera plus facile à régler. J'ai profité d'une commande passée chez TME pour acheter le modèle MEDER-LS03-1A66 et je l'ai monté sur la cuve fin septembre :

Le flotteur a fermé le contact quelques centimètres plus bas que prévu, mais ce n'est pas bien important. Le réservoir est plein à 90%.

Il est important de percer le trou du capteur à la bonne hauteur, car le niveau d'eau maximal ne doit pas être trop haut, à cause du trop plein. Ici le niveau maxi est à deux centimètre au dessous de la sortie :

3. Les schémas

3.1. Principe

Le schéma de principe avec une pompe immergée est celui-ci :

Pour plus de clarté j'ai fait passer le trop plein du réservoir secondaire directement à la canalisation d'évacuation des eaux de pluie. Mais en réalité le tuyau de 50mm est relié à la descente de chéneau, au dessus du collecteur de remplissage, ce qui fait que s'il y a un problème de débordement (cas d'un flotteur défaillant par exemple) l'eau retourne au réservoir principal, et n'est pas perdue.

3.2. Module relais

Il y a deux schémas du module relais, un pour chaque type de flotteur.

3.2.1. Avec un flotteur de vidange

Il n'y a aucun microcontrôleur, pour une fois !

Le flotteur SW1 est branché entre la masse et la base d'un PN2222.

Lorsque le contact est ouvert la base du PN2222 est polarisée par la résistance R1, le transistor est saturé et la bobine du relais est alimentée. Le contact du relais se ferme. La pompe démarre.

Lorsque le contact est fermé la base PN2222 est à la masse, le transistor est bloqué et le relais s'ouvre. La pompe s'arrête.

Deux LEDs sont présentes :

• verte : module alimenté
• rouge : pompe alimentée 

La varistance VR1 (SIOV-S10K275) limite les surtensions aux bornes du moteur de la pompe (ou du contacteur qui va alimenter la pompe) et préserve le contact du relais. Elle permet en outre de limiter les parasites engendrés sur le secteur.

On peut ajouter un bouton-poussoir pour forcer le remplissage du réservoir secondaire :

• bouton poussoir NF (Normalement Fermé)
• en série avec le flotteur

3.2.2. Avec un flotteur de remplissage

On pourrait parfaitement utiliser un flotteur de remplissage en le branchant entre le +5V et la base du transistor à travers une résistance :

Ici aussi on peut ajouter un bouton-poussoir pour forcer le remplissage du réservoir :

• bouton poussoir NO (Normalement Ouvert)
• en parallèle sur le flotteur

3.2.3. Alimentation

Il est possible d'adopter une alimentation 12V au lieu de 5V, si l'on fait quelques modifications mineures :

• remplacer le relais : SRD-12VDC-SL-C
• remplacer l'alimentation : 12V
  
• remplacer les résistances de 1KΩ par 2.2KΩ

3.2.3. Module relais

On pourrait remplacer ce montage par un module relais du commerce :

Si l'on possède un flotteur de vidange : si c'est un module relais activable sur niveau bas, brancher le flotteur entre l'entrée du module et GND. Si c'est un module activable sur niveau haut, brancher le flotteur entre l'entrée du module et +5V.

Si l'on possède un flotteur de remplissage, faire le contraire.

Mais mon but est d'intégrer le module relais sur un rail DIN dans un coffret électrique. Avec ce genre de module la chose ne sera pas possible.

3.3. Câblage général

3.3.1. Pompe de surface

Avec une pompe de surface le schéma électrique général est celui-ci :

On retrouve le module relais (K2), avec son entrée pour le flotteur (SENSOR1 et SENSOR2), son entrées 5V et les bornes d'entrée 230V et sortie du relais (OUT1 et OUT2).

Le flotteur SW2 du réservoir secondaire est câblé sur l'entrée du module relais.

Le flotteur SW3 du réservoir principal est en série avec l'alimentation 5V. Le module relais K2 ne sera donc plus alimenté lorsque le réservoir principal sera vide.

Dans ce cas les flotteurs SW2 et SW3 sont donc soumis à une tension de 5V, comme je le souhaitais, et non pas 230V.

3.3.2. Pompe immergée

Avec une pompe immergée le schéma électrique général est légèrement différent :

Le flotteur SW3 est inutile étant donné que la pompe possède le sien. La sortie 5V de l'alimentation sera reliée directement à l'entrée 5V du module relais :

Dans ce cas le flotteur de la pompe immergée sera soumis à une tension de 230V. Il est impératif de choisir une pompe de qualité.

Lorsque le réservoir principal sera vide, le module relais restera alimenté, le relais et le contacteur seront éventuellement fermés si le réservoir secondaire est également vide (la LED rouge restera allumée) . Cela n'est pas un gros problème, mais je préfère ajouter un disjoncteur pour couper le tout, jusqu'à la prochaine pluie. Ce disjoncteur servira également pour la mise hors tension l'hiver.

3.3.3. Le contacteur

Dans les deux cas la sortie du module relais (K2) est câblée sur la bobine d'un contacteur 25A (K3), car le petit relais interne du module relais (SRD-5VDC-SL-C) me paraît peu indiqué pour piloter une pompe de 1000W. Les contacts de ces petits relais chinois ont tendance à rester collés s'ils commutent une charge de puissance, spécialement si la charge est inductive.

Le contacteur K3 alimente la prise 230V de la pompe.

3.3.4. Surveillance du niveau d'eau

Pour l'instant je ne vois pas l'intérêt d'installer un indicateur de niveau pour le réservoir principal, ni de concevoir un basculement automatique entre alimentation en eau de pluie et eau du réseau public. Ce n'est pas un effort insurmontable de soulever le couvercle périodiquement pour vérifier le niveau.

3.3.5. Basculement entre eau de pluie et eau du réseau public

Il est légalement interdit d'opérer un basculement entre eau de pluie, potentiellement polluée, et eau du réseau public, y compris à l'aide d'une vanne 3 voies et de clapets anti-retour classiques. Le risque ZÉRO n'existant pas, un clapet peut rester bloqué en position semi-ouverte et l'eau de pluie peut alors contaminer le réseau public, ce qui peut coûter très cher au responsable.

A lire : Usage domestique d’eau de pluie

Remarque : la norme NF1717 impose des clapets anti-retour antipollution contrôlables (type EA).

Norme NF1717

Ne voulant pas m'engager dans cette voie risquée, en cas de manque d'eau de pluie je préfère donc maintenir un isolement total antre mon circuit d'arrosage et le réseau public, et remplir éventuellement, et manuellement, mon réservoir principal.

4. La conception

La carte est conçue pour être montée dans un boîtier pour rail DIN (tableau électrique) de largeur 35mm :

Kradex Z-106

Ce boîtier est pré-percé en haut et en bas :

• 6 trous espacés de 4.8mm d'un côté
• 4 trous espacés de 7.2mm de l'autre côté

Il faudra donc équiper la carte de borniers adéquats (5mm et 7.62mm).

L'empreinte Kicad du boîtier Kradex est incluse dans le projet.

5. La réalisation

Il est totalement déconseillé de fabriquer cette carte à l'aide d'une plaquette à pastilles. L'écartement entre pastilles est totalement insuffisant pour assurer une isolation correcte sous 230V. En conséquence un PCB s'impose.

J'ai utilisé un petit coffret de tableau prévu pour 8 modules qui recevra les différents composants :

• une prise pour rail DIN pour la pompe
• une alimentation 5V pour rail DIN
• le module à relais
• le contacteur
• un disjoncteur
  

L'alimentation est une MEANWELL:

MEANWELL HDR-15-5

J'avais cette alimentation sous la main, sinon j'aurais utilisé un petit bloc secteur 5V, bien meilleur marché. Qui n'a pas un chargeur de téléphone inutilisé qui traîne dans un tiroir ?

Un câblage correct du flotteur est primordial. En effet, s'il se débranche la pompe tournera sans jamais s'arrêter.

Par sécurité mon réservoir secondaire est équipé d'une sortie trop-plein de 50mm afin d'éviter tout débordement.

6. Photos

Voici quelques images :

L'arrière de la carte

La carte vient de recevoir une couche de vernis de tropicalisation (elle va être installée dans un appentis et je préfère qu'elle soit insensible à l'humidité et à la poussière).

La carte dans son boîtier

Le module relais dans le coffret électrique

On a du mal à voir la LED verte allumée à travers le plexiglas rouge. Le boîtier Z-106 existe aussi avec plexiglas transparent.

De gauche à droite :

• disjoncteur général, pour pouvoir couper le système en hiver
• prise de la pompe
• contacteur 25A
  
• module relais (façade rouge)
  
• alimentation 5V

Ces composants étaient déjà en ma possession (y compris le coffret électrique et le boîtier Kradex Z-106), et proviennent pour la plupart de récupération (prise, contacteur, disjoncteur). Si l'on n'a pas ce genre de matériel à disposition on peut réaliser le montage à moindre frais :

• module relais du commerce
• alimentation 5V de téléphone mobile
• contacteur bon marché (on en trouve pour quelques € sur AliExpress)
  

J'ai ajouté dernièrement un bouton-poussoir NF (Normalement Fermé) en série avec le flotteur du réservoir secondaire. Cela me permet, en appuyant dessus, de remplir le réservoir à raz-bord afin de vérifier si le trop-plein fonctionne.

Si l'on utilise un flotteur de remplissage il faudra un bouton-poussoir NO (Normalement Ouvert), en parallèle sur le flotteur.

7. Coût

Le coût de la carte est très faible (achats réalisés sur AliExpress) :

• 1 relais SRD-5VDC-SL-C : 0.20 (prix par 5 pièces)
• 2 borniers au pas de 5mm : 0.10€ (prix par 20 pièces)
• 2 borniers au pas de 7.62mm : 0.32€ (prix par 20 pièces)
• 1 PN2222 : 0.02€ (prix par 20 pièces)
  
• 3 résistances 1KΩ : 0.05€ (prix par 100 pièces)
• 1 diode 1N4148 : 0.01€ (prix par 100 pièces)
• 1 varistance SIOV-S10K275 : 0.12 (prix par 10 pièces)
• 2 LEDs : 0.05€ (prix par 100 pièces)
• total : 0.87€ hors PCB
  

Il est difficile d'acheter de petits composants à l'unité sur AliExpress ou ailleurs, mais souvent cela vaut la peine d'acheter par lot si l'on bricole souvent. Par exemple le même relais coûtera 1€ ou 1.50€ chez un revendeur local, et pratiquement 4€ les 5 pièces sur Amazon (Jeff Bezos n'est pas l'un des hommes les plus riches de ce monde sans raison).

8. Les essais

J'ai réalisé un essai avec une pompe de surface :

• puissance 1000W
• débit 3300 litres/heure
• raccords 1" (tuyaux 25mm)

Le résultat n'est pas à la hauteur :

• amorçage difficile (nécessite une crépine avec clapet anti-retour)
• pression trop importante (grosses difficultés à étanchéifier les raccords 25mm de la pompe sur les tuyaux)

Je me suis rabattu sur une pompe immergée de petite puissance :

Mac Allister 400W

• débit 2200 litres/heure pour 4m de hauteur de refoulement
• la pompe est équipée d'un flotteur
• elle est livrée avec le matériel suivant :
• canne avec poignée et crochet de suspension (entrée et sortie 20/27 (3/4"))
• adaptateur 20/27 pour raccord rapide
• vanne

J'ai raccordé la pompe au réservoir secondaire à l'aide d'un simple tuyau d'arrosage 12.5mm avec raccords rapides, après avoir vissé sur la pompe l'adaptateur 20/27 livré, sans utiliser la vanne ni la canne.

Le résultat est bien plus intéressant :

• amorçage systématique puisque c'est une pompe immergée
• pression plus faible
• pas de fuites

Cette solution est en contradiction avec le cahier des charges que je m'étais fixé au départ :

Mon premier problème est que je n'ai aucune envie d'avoir du 230V sur des flotteurs immergés, susceptibles d'être peu étanches, et de fuir. Je préfère les alimenter sous 5V ou 12V, quitte à ajouter un peu d'électronique. Sécurité avant tout.

Reste à espérer que la fiabilité sera au rendez-vous avec cette pompe bon marché.

L'idéal pour moi aurait été une pompe de surface auto-amorçable de faible puissance (difficile à trouver), avec un flotteur supplémentaire.

Le trop-plein du réservoir secondaire fonctionne bien également. Comme le tuyau de 50mm est relié à la descente de chéneau, au dessus du collecteur de remplissage, l'eau retourne au réservoir principal, et n'est pas perdue.

9. Téléchargements :

Pour télécharger le projet : https://bitbucket.org/henri_bachetti/rainwater-tank

Cette page vous donne toutes les informations nécessaires :

https://riton-duino.blogspot.com/p/migration-sous-bitbucket.html

10. Conclusion

Voilà un petit montage qui va me permettre de ne pas me soucier du remplissage de mon réservoir.

Cordialement

Henri

11. Mises à jour

30/09/2021 : remplacement du flotteur par un MEDER-LS03-1A66