PLUVIOMETRE Automatique

18 mai 2008

PLUVIOMETRE Automatique
1 Principe
2 Pourquoi automatiser
3 Les principes de base
3.1 Le récipient
3.2 Le vidage du pluviomètre
3.3 L'électronique capacitive de mesure
4 L'électro-aimant
5 L'alimentation
6 La sonde de mesure
7 Le système d'électrovanne
8 Réalisation
9 Mise au point
10 Conclusions
11 Avertissements (V3)

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Préambule

Il eut été anormal de parler d'eau potable et de ne pas dire un petit mot de la pluviométrie. Ce manque va être comblé par cet article et cette réalisation.

Les lecteurs de bricolsec et lokistagnepas, qui ont parcouru bon nombre d'articles, savent ou se doutent que je relève de façon hebdomadaire tout ce qui concerne l'énergie, l'eau, la température, la pluviométrie, etc….

Sur cette base, il est exact que je relevais de façon hebdomadaire, jusqu'à ce jour, la pluviométrie avec le pluviomètre traditionnel à 1 € que l'on trouve partout et de capacité 30 mm d'eau au M2.

Il faut bien reconnaître que lorsqu'il pleut un peu, cela est plus une corvée qu'une satisfaction. On me pardonnera j'en suis sûr cette simple "luxation" à l'écologie, car l'énergie nécessaire n'est prélevée qu'une fois par semaine et pour quelques joules seulement. (énergie)

Alors naturellement il a bien fallu faire quelque chose pour limiter cette corvée au strict minimum. C'est l'objet de cet article.

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Vous pourrez bien entendu revenir à cet article pour comprendre
les raisons de l'abandon du dispositif de vidage

1 Principe PLUV12

Un pluviomètre relève la quantité d'eau qui tombe à un endroit donné durant un espace de temps. Cette quantité peut être très variable sur quelques kilomètres de distance. Par exemple, à l'approche d'un relief montagneux, cette pluviométrie augmente très sensiblement. Cette pluviométrie peut ainsi passer du simple au triple sur 15/20 kilomètres.
(Voir exemple de Météo France ci contre, pour un secteur de l'Est de la France dont la hauteur du graphique est de l'ordre de 20 KM)

Les unités de mesure représentent des millimètres d'eau par Mètre Carré ou, ce qui revient exactement au même, des litres par Mètre Carré. (Rappel : La valeur numérique est identique entre mm et litres -pour 1 mètre carré seulement-)

Il est alors parfaitement possible de parler indifféremment de millimètres ou de litres. Ainsi relever une hauteur en mm (/M²) dans un récipient étalonné équivaut aussi à des litres /M².

Le pluviomètre cumule les quantités jusqu'à ce qu'il soit vidé pour repartir sur une nouvelle mesure cumulative correspondant à une période de temps donnée.

Le pluviomètre doit être judicieusement placé en terrain découvert, éloigné de toute construction ou haie.
Sa hauteur doit être "suffisante" pour ne pas subir de perturbations dues à des éclaboussures par exemple, ni a être éclaboussé de projections de terre.

Sa surface pour raison d'encombrement est naturellement beaucoup plus petite qu'un mètre carré. Les bords du récipient sont arrondis pour permettre une ligne de partage de l'eau équitable. Il faut comprendre aussi que la précision dépend largement de l'importance de la surface collectrice d'eau.

Sa surface de captage est obligatoirement circulaire pour éliminer toute influence due aux vents et au type de précipitation.

Les précipitations n'ayant pas toutes le même profil de densité, de légers écarts semblent normaux entre les calculs théoriques de volume et la réalité.

L'évaporation peut jouer un rôle parfois important. A cette fin on réalise une surface de collecte plus importante que la surface de stockage. (D'où la forme habituelle d'un pseudo entonnoir). Le vidage régulier permet largement de s'en affranchir.

Certaines régions sont sujettes à une rosée importante. Celle-ci doit normalement être prise en compte.

L'hiver, une forme conique du réservoir devrait faciliter l'augmentation du volume lors de la transformation de l'eau en glace, mais cela reste assez hypothétique, puisque j'ai pu constater que mon modèle standard n'avait pas résisté !

Le cône ainsi utilisé donne une échelle non linéaire en millimètres, mais utile pour les faibles précipitations. La non linéarité d'échelle est voulue, mais paliée par une sérigraphie adaptée.
Ce manque de linéarité volume réel et hauteur d'eau, suit la loi de progression du volume d'un tronc de cône…V=pi*h/3*(R²+r²+R*r)…

2 Pourquoi automatiser

Vu que la meilleure position est au milieu des champs, c'est donc là que le problème devient délicat, car il faut aller dehors et marcher dans la terre, en ramener à la maison, et je vous passe la suite…
Outre cela il faut ajouter que prendre l'averse par obligation n'est jamais un plaisir, surtout en hiver.

La principale raison d'automatisation est la facilité de réaliser la mesure de la pluviométrie, et de ce fait de pouvoir rapprocher les valeurs cumulées, sans que cela ne devienne ingérable en termes de contraintes. (Cette facilité de mesure a un corollaire qui est la nécessaire vidange du récipient).

Ainsi faire la mesure de hauteur d'eau dans le pluviomètre depuis des locaux, vidanger l'appareil et contrôler que la vidange est bien réalisée est l'objectif à atteindre. C'est celui que je me suis fixé, dans une formule simple de mesure à distance et d'exécution de vidange. C'est donc une automatisation minimale de confort.

Une autre méthode appuyée par la domotique est tout à fait envisageable suivant le même principe. Ainsi un ordinateur peut très bien assurer le relevé journalier des précipitations à heure fixe, enregistrer ces valeurs, assurer la commande de vidange et contrôler que le récipient est vide. Ce n'est pas la solution que j'ai retenue, car elle devrait s'intégrer dans un ensemble complet de mesures type station météo, projet trop ambitieux dans l'immédiat.

3 Les principes de base

3.1 Le récipient

Le plus simple était bien naturellement d'utiliser le traditionnel pluviomètre, et de l'adapter à sa nouvelle destination.
Cette solution simple permet un autocontrôle pour la mise au point. C'est celle que j'ai retenue.

Il faut remarquer qu'aucun volume significatif ne doit être adjoint ou rester mort lors des opérations. Cette contrainte qui n'apparaît pas au premier abord, est cependant très difficile à réaliser. En effet, une électrovanne quelle qu'elle soit, introduirait un volume parasite plus ou moins important. Dans cette optique, la relation entre la mesure visuelle et la mesure réelle aurait un "talon" non pris en compte, et il serait nécessaire de l'ajouter aux chiffres des relevés visuels ou automatiques.
Il sera nécessaire de disposer sur le fond de l'appareil, (et non latéralement) d'un orifice pour la vidange

Il également possible d'abandonner ce dispositif et de refaire quelque chose de neuf et parfaitement adapté. C'est plus compliqué ! Il faudrait aussi tout ré-étalonner ! Cela peut être cependant une solution utile pour mieux adapter le procédé. (on verra le sujet lors de la mise au point)

3.2 Le vidage du pluviomètre

Une fois la valeur lue, le pluviomètre doit être vidé…
Une électrovanne a un coût non négligeable, d'autant qu'elle devrait être à commande directe sans membrane d'accompagnement du fait qu'il n'y a pratiquement aucune pression.

Cette solution d'électrovanne n'est donc pas envisageable. Le plus simple est d'utiliser un mini-clapet anti-retour que l'on trouve dans une douille de purge. Ce mini-clapet est réellement très petit. (On en trouve aussi parfois maintenant dans les tuyaux d'arrosage).
Au pire, un clapet anti-retour de compteur d'eau ferait l'affaire (il est à peine plus gros).

Ce clapet sera introduit au fond du récipient, ajusté parfaitement en diamètre et l'étanchéité sera assurée par un joint silicone. Ce joint sera déposé malheureusement en partie extérieure pour deux raisons :
Il est impossible d'accéder facilement à l'intérieur du récipient à cause de son faible diamètre, et il ne faut pas non plus assurer de sur-épaisseur qui laisserait un volume mort.

Il n'y a pas moyen de faire plus "mécanique" sans autres développements spécifiques.

Je ne l'ai pas encore dit, mais ce clapet sera ouvert en poussant vers le haut par un petit axe (tube) pour vidanger le contenu. Ce sera donc l'électrovanne "maison" qui devra supporter une pression de 0.02 bars !

Un électro-aimant assurera la poussée du petit axe au centre du clapet. Cette montée ne devra pas cependant arriver en limite d'ouverture du clapet sous peine de forcer sur le montage délicat du clapet.

Le dispositif de vidange est constitué d'un petit axe en aluminium guidé en deux points par un étrier en nylon. Le guidage doit être très léger (environ 5/10 de jeu).

L'électro-aimant commandera cet axe par une petite équerre souple destinée à éviter tout forçage sur le clapet et à permettre le glissement nécessaire du mouvement circulaire vers un mouvement linéaire.
L'eau de l'appareil s'écoulera sur l'axe aluminium puis au sol…

En dernier lieu, il y a les problèmes généraux des clapets qui ne sont pas toujours étanches. Il y a les feuilles, les pollens, les "chiures" d'oiseaux, et tout ce qui est "naturel" qui peut provoquer une mauvaise fermeture. C'est à surveiller, et il serait utile de prévoir un filtre dans la partie renflée du captage. Ce filtre aurait l'avantage de ne pas trop perturber la mesure et d'assurer un petit centrage complémentaire à la sonde de mesure.
Un filtre aluminium a été essayé (voir §9 photo de mise au point), mais pose d'autres problèmes de "mouillage" du tamis, car les gouttes restent souvent prisonnières des mailles, pour des questions de tensions de surface et diamètres des trous. Il faut donc des mailles assez lâches et une trame fine.
On verra dans les paraghraphes qui suivent que la sonde devra être fixée plus solidement par une petite entretoise en PVC.

Pour l'anecdote lors des premiers essais en extérieur, alors que cela n'est jamais arrivé sur le modèle standard, j'ai eu droit à un scarabée au fond ! (et pas facile à déloger)

3.3 L'électronique capacitive de mesure

Cette électronique est directement issue de l'article sur la mesure de hauteur d'eau de citerne. Le principe reste parfaitement identique, aux adaptations d'échelle nécessaires. L'électronique est issue du schéma de "njhurts" que vous pouvez récupérer à cette adresse njhurts : (Je ne veux pas plagier cet excellent site et c'est mieux ainsi)

De larges explications sont données dans mon article sur la mesure de hauteur d'eau de citerne, vous pourrez vous y reporter, car c'est rigoureusement le même montage aux quelques exceptions ci-dessous.
Il sera nécessaire de modifier C1 par 180 pf, et R12 par 390 KOhms.
Comme je n'avais plus de régulateur LM7812 (12V), j'ai mis un LM7810 (10V), mais il ne devrait pas y avoir de grands changements avec un 7812 (mis à part la tension de sortie).

Cette électronique est située dans le boîtier étanche en contrebas opposé du récipient. Elle est simplement bloquée (ajustée) entre les presse-étoupe latéraux en plastique souple.

J'attire une nouvelle fois votre attention sur la nécessaire imprégnation au vernis de cet ensemble. Il sera encore plus soumis aux contraintes climatiques, du fait qu'il sera exposé au soleil, au froid et à la pluie (ce qui n'était pas le cas pour l'appareil dans la citerne). Je pense même qu'il sera nécessaire de peindre en blanc le boîtier extérieur pour que la chaleur ne soit trop intense. (placer la tranche au sud sud/ouest si c'est possible, permettrait de limiter la surface)

Il n'est pas possible de mettre cet ensemble électronique en intérieur pour le protéger à cause des longueurs de fils de la sonde ! Les fils de la sonde seront raccordés par des cosses "Berg" dorées qui se brancheront sur les pins du CI. Un parcours au mieux et sans gaine est nécessaire pour limiter les perturbations. Une ligne de partage des gouttes pour les fils, suivra le bord du récipient. Un simple guidage par deux petits colliers est suffisant. (Toute gaine ne manquerait pas de se remplir d'eau, et ne manquerait pas de fausser totalement les mesures).

Des phénomènes de tension de surface se manifestent avec le fil téflon de la sonde. Le fil ne pénètre pas facilement dans l'eau. "njhurts" n'a sans doute pas constaté ce point, et moi non plus d'ailleurs lors de la réalisation de la sonde de citerne. Il a fallu descendre à une échelle inférieure pour remarquer cela.
Ce phénomène affectera les très faibles niveaux dans le pluviomètre. (voir photo en § mise au point)

Un point important à signaler est la sortie du signal analogique de cette électronique. Comme il va y avoir un électro-aimant consommant quelques centaines de mA, les pertes en lignes modifieraient sensiblement la valeur de sortie. Aussi il sera préférable d'avoir une masse (référence de tension) spécifique au signal et à la consommation du circuit de mesure.
La masse d'alimentation de l'électro-aimant sera spécialisée, car la consommation en courant est importante et fausserait les mesures à cause des chutes de tension.
(Le point commun de ces masses sera uniquement côté boîtier intérieur, sur le moins du pont redresseur).
En réalité, j'ai utilisé 3 paires torsadées pour éviter tout problème.
Une pour l'électro-aimant.
Une pour l'alimentation 15V.
Une pour le signal de sortie.

L'électronique consomme environ 12 mA pour une alimentation en 15 volts pré-régulée (L'électronique étant elle-même régulée à 10 volts (voire 12V))

Nota : Le site "njhurst" devient difficile d'accès et ce n'est pas la première fois que je le constate. Si vous n'arrivez pas à le joindre, voici une copie de son schéma ci-contre.

4 L'électro-aimant

L'électro-aimant à noyau plongeur est récupéré d'un vieux photocopieur. La grande majorité de ces équipements est en 48 V=.
C'est cet électro-aimant qui va conditionner l'alimentation du montage. En effet, il y a une force à créer, et pour cela, il faut un peu d'énergie !
Mesures réalisées, le modèle que j'avais sous la main consommait 350 mA en 52 Volts (48 V). On s'en accommodera !

Il faut pourtant regarder les éléments de façon sereine, et notamment en fonction du temps. On peut bien entendu considérer que l'action de cet électro-aimant sera de type occasionnel, puisque ce sera au pire une fois par jour, et plus habituellement une fois par semaine.
Cependant, l'électro-aimant devra être maintenu tout le temps du vidage de l'eau. Il ne devra pas griller avant la fin du vidage. Cette durée représente environ 5 secondes pour le clapet choisi, sa course et avec de l'eau jusqu'au changement de diamètre (40 mm environ).

Quelle solution retenir ? En premier lieu ne pas traîner une "centrale nucléaire" en guise d'alimentation. Donc un filtrage assez léger s'impose. De plus ce filtrage assez léger donnera une petite ondulation à la composante continue qui aura tendance à augmenter l'impédance et donc à limiter le courant. Ce filtrage sommaire induira en même temps une petite vibration à 50 HZ de l'électro-aimant, ce qui n'est pas vraiment un mal, car au moins on peut entendre si il est excité.

La règle numéro un est d'arriver à "coller" l'électro-aimant, ou ce qui revient au même, à ce que le noyau soit bien engagé dans la bobine, pour que la force soit importante. Cette étape peut se réaliser par la création d'un petit levier qui permettra outre l'écartement de l'électro-aimant du récipient, l'inclinaison du levier vers le bas pour que l'eau qui s'écoule n'aille pas dans le mécanisme, et enfin le positionnement du noyau (déjà bien introduit dans la bobine).

Il faut s'assurer que l'électro-aimant acceptera le courant jusqu'à ce que l'eau soit évacuée. Dans le cas contraire, il faudra mettre une résistance en série qui sera essayée pour que le noyau fasse son travail, pluviomètre rempli au maxi. Si c'est encore de trop, prévoir un économiseur qui donnera un courant maxi un court instant puis un courant moindre pour le maintien en position. Cela nécessite un condensateur en // sur la résistance série (ici de 10 Ohms) La valeur à prévoir sera de l'ordre de 3300 µF 10 volts, et suivant ce que vous aurez pu trouver comme électro-aimant. (Respecter les polarités)
La puissance de la résistance de limitation de 10 Ohms est à calculer en fonction de l'électro-aimant, ici 1 W. Pour des durées courtes de 5 secondes, il est possible d'utiliser des résistances de 0.5 W que l'on peut trouver plus facilement. (au besoin faire des séries //)

L'aspect des fils et des distances doit être bien appréhendé et traité dès le départ. C'est pourquoi le schéma indique précisément les nombres de fils qui seront nécessaires.

5 L'alimentatio n

L'alimentation est réalisée à partir d'un transformateur 220V/35V Cette alimentation à tension unique du transformateur est des plus rudimentaire. Elle alimentera l'électro-aimant vers 48 V=, mais alimentera aussi la petite électronique à mesure capacitive de hauteur d'eau.
Un redressement double alternance sera choisi pour limiter la taille du condensateur de filtrage.
Un condensateur de 220 µ 200 V est utilisé à cette fin.

L'alimentation de l'électronique qui consomme seulement 12 mA sera réalisée par une résistance et une diode zener, chargée de mettre à 15 volts (ou un peu plus) la tension qui sera ultérieurement de nouveau régulée dans le boîtier à 10 (ou 12 V). Les 15 Volts ne sont pas critiques et dépendent seulement de la limite de tension maxi du régulateur utilisé en entrée de l'électronique de mesure capacitive. Cette tension ne doit pas non plus être inférieure à la tension mini du régulateur, sous peine de mauvaise régulation.
Pour rappel le calcul de la résistance en série avec la zener est donné ainsi :
R=(Utotal - Uzener) / Izener+Imontage (avec Iz de l'ordre de 15 mA). Un petit condensateur chimique peaufine cette tension.

Une zener de 15 volts associée avec une résistance de 1.2 K, ATTENTION en 1 watt de puissance.
Cette tension de 15 volts transitera du + au – sur des fils spécifiques depuis le boîtier de départ jusqu'au boîtier du pluviomètre. De plus la masse (0 volt) de cette alim 15 volts sera également la référence de la tension de sortie indiquant la hauteur d'eau dans le pluviomètre.

Une LED rouge est ajoutée en série sur l'alimentation de l'électronique. Elle fait office de voyant sous tension et indique aussi la bonne alimentation de l'électronique capacitive. Si la tension était trop faible pour réguler, il conviendrait de reporter cette LED en série sur la résistance d'alimentation de la zener de 1.2 K. Le courant serait cependant un peu important mais pas "dramatique" (environ 27 mA).

Pour simplifier (c'est toujours mieux), un poussoir manuel assurera l'excitation de l'électro-aimant (type bouton de sonnette). Cela évitera de laisser l'interrrupteur sur ON et de griller l'électro-aimant. Dans une version automatique, une commande par darlington sera à réaliser, pour pouvoir être commandée par un niveau logique.

Voir le schéma pour les détails. La diode anti-surtension de l'électro-aimant sera placée dans le boîtier de départ.

Dans cette alimentation, il avait été prévu une alimentation 9 Volts pour un voltmètre de tableau (consommation 1 mA type PMLCDL) permettant l'affichage de la valeur de mesure. Malheureusement il s'est avéré que ce type d'appareil bon marché ne peut pas avoir de commun entre la tension à mesurer et la tension d'alimentation.
Seule solution dans l'immédiat : une pile de 9V. Tant pis je ferai avec !
L'alimentation 9V 1 mA prévue ne sert donc à rien dans l'immédiat. Bien que le courant soit très faible, il est nécessaire de couper la pile quand elle ne fonctionne pas. On utilisera donc un interrupteur secteur double, avec un pôle 220 V et un pôle 9V. A ce régime, la pile devrait durer très longtemps (à vie peut-être ?).
(Je trouve cela assez dur à comprendre qu'un appareil de tableau ne puisse avoir de commun alim et mesure ! Mais j'aurai peut-être un jour une réponse ?...)

6 La sonde de mesure

J'ai réalisé deux sondes, une première pour "voir" et réaliser les essais de l'électronique, et la deuxième un peu plus "pro" pour la réalisation finale (voir les photos).

Naturellement la première sonde était en "ferraille" et après quelques heures dans l'eau, on devinait déjà un peu la rouille…La première sonde demandait un pliage serré, et délicat surtout avec du laiton. Ce principe a donc été éliminé pour la version définitive. Cette sonde m'avait servi pour la mise au point de l'électronique, mais n'aurait pu être inscrite dans la longévité.

Il faut impérativement utiliser une tige en laiton (diamètre 3 mm) que l'on trouve en GSB. Le fil est assez fin et est comme pour la citerne en téflon, (mais un bon fil de petite section type câblage devrait aller aussi). Du fil émaillé de transformateur devrait aussi aller, et même s'il est plus fragile, il est à essayer ainsi que l'on verra par la suite.

La tige laiton sera taraudée au diamètre 3X0.5 pour assurer le passage de 3 écrous laiton (1 comme support du ressort et 2 pour le serrage de la cosse de tige).

La tête est constituée d'un cylindre demi-spérique d'un côté découpé dans une tige transparente de commande de rideau ! Une rainure est réalisée suivant un méridien de la partie sphérique. Cette rainure recevra le fil qui pourra ainsi être très proche du fond du récipient, mais protégé. Elle est réalisée par un trait de scie à métaux.
Un perçage au diamètre 3 permettra un ajustage "serré" sur la tige de 3 mm qui évitera de perdre ce tout petit morceau.
Deux trous de passage de l'eau sont percés suivant le diamètre et un suivant l'axe, pour que l'eau fasse son office de diélectrique régulièrement.

Le fil est ensuite passé au travers d'une petite languette en époxy de circuit imprimé. De simples nœuds bloquent les fils. Un seul fil sera utilisé, pour raison de facilités de connexions, cela ne changeant rien au principe.

Le haut de la tige laiton est fileté sur environ 2 centimètres et la languette époxy tendue par un ressort (en inox de préférence) prenant appui sur un écrou (laiton). A peine plus haut 2 écrous complémentaires pincent un petit clinquant laiton faisant office de cosse à souder, et recevant le deuxième fil qui constitue la deuxième électrode "du condensateur".

Cela étant directement aux intempéries, j'ai placé un petit capuchon en plastique (pied de chaise) surtout pour le ressort qui est des plus "rouillable". (Je l'ai tout de même soigneusement passé au vernis incolore pour le prolonger un peu). Ce capuchon est tel que les gouttes qui tombent dessus doivent toujours aller dans le récipient.
Pour ce faire les fils de la sonde sont repliés sur le bord du récipient pour deux raisons : placer la sonde verticalement dans le récipient, et permettre le partage de l'eau sur le bord au niveau des fils.

Le comportement du téflon avec l'eau est assez spectaculaire...(voir photo d'un fil qui repousse l'eau de plusieurs millimètres). Cela se passe comme les gouttes d'eau sur les feuilles de choux ! Les tensions de surface sont telles que des ménisques se forment contre le fil, et que cela ne manquera pas de perturber les faibles hauteurs d'eau.
A cette fin, je me pose la question de savoir s'il ne vaudrait pas mieux utiliser du fil émaillé de transformateur, pour lequel ce phénomène est certainement restreint et plus adapté à ce cas particulier des faibles hauteurs à mesurer.
Pour l'instant, je préfère publier ainsi, car cet article apparemment simple, a duré très longtemps pour cause de réalisation de 2 circuits et d'un boîtier en tôle. Ceux qui voudront essayer le fil émaillé, avant que je ne m'y lance de nouveau seront les bienvenus, et je publierai leurs essais.

7 Le système d'électrovanne

C'est peut être la partie la plus délicate à réaliser, car il faut percer le plastique fragile du récipient. Le mieux est de percer à 10 mm et de finir à la queue de rat en vérifiant souvent si l'on peut faire un "petit ajustage serré"

Un petit empilage de barres en nylon ou plastique recevra le petit axe en aluminium (petit tube alu de diamètre 5 mm). Ce tube sera bloqué dans l'étrier formé, par un petit axe en aluminium aussi (rivet alu). La course de l'ensemble de butée à butée devra dépasser légèrement la course possible du clapet.

La partie suivante est l'électro-aimant qui est nécessairement déporté pour permettre à l'eau qui s'écoulera de ne pas le noyer.
Là, les réalisations se font à la demande. Pour ma part et avec le matériel existant, la palette de commande a un axe fixe, puis le noyau de commande et enfin le bout du levier avec une petite équerre assez souple recevant le bout du petit tube alu (avec jeu) .
La principale règle à respecter est qu'il n'y ait aucun dur sur tout l'ensemble. (voir schéma précédent en § 3.2)

A noter que l'électro-aimant avec le bras de levier aura environ 20 à 25 grammes de pression du ressort de rappel du clapet, plus la hauteur de colonne d'eau à vaincre soit environ 20 à 25 grammes également, donc un total de 40 à 50 grammes. Ces forces sont compatibles avec tous les petits électro-aimants habituels.

L'électro-aimant sera protégé des intempéries par un capot étanche sur le dessus et les côtés. Ici réalisé en tôle de laiton soudée.

8 Réalisation

Tout l'ensemble extérieur est fixé sur une plaque de plastique épais (6.5 mm) d'un ancien capot d'imprimante. Le récipient sera pré-positionné sur son support livré et bloqué "gras" par un collier à tuyau PVC de 40, qui assurera la stabilité à la fois latérale et verticale permettant au petit tube aluminium d'être positionné exactement dans l'axe du récipient, mais aussi ajusté verticalement "serré".

L'ensemble, support noir (livré avec le pluviomètre) et le collier, permet une rotation et un écartement du récipient par rapport à la plaque support, ce qui permet de mettre dans l'axe le récipient avec le petit tube aluminium.

L'ajustement vertical est délicat car le petit support du tube alu est alors positionné pour qu'il y ait un jeu d'un petit millimètre au repos ET que la butée haute n'atteigne pas la limite haute de débattement du clapet. Il faut en effet se souvenir que ce clapet tient assez peu (très léger ajustement).
(Lors de la vidange, le tube aluminium ne devra jamais pousser le clapet jusqu'à sa butée pour ne pas forcer).

Trois trous seront prévus sur une ligne verticale pour la fixation sur un piquet.

Les liaisons entre les deux boîtiers seront réalisées en petit fil de câblage, et seront au nombre de 5 mini (voire 6 ce qui serait mieux). Suivant les niveaux de bruit (parasites), il pourrait être nécessaire de blinder la sortie analogique ? La sortie torsadée avec la masse parait largement suffisante aux essais. La stabilité est on ne peut mieux.

9 Mise au point

Il est nécessaire de faire la mise au point en local. Il est exclu de procéder à la pose directement car il faudrait 6 mains pour arriver à tout faire...

Il faut commencer par réaliser la partie électronique et la mettre au point. procéder dès cet instant à l'étalonnage grossier et au pré-réglage du zéro.

Réaliser ensuite le circuit imprimé pour l'alimentation. Au pire, il est même possible de tout réaliser en simple liaisons soudées. ce n'est pas très "pro", et je n'ai pu m'y résoudre pour le présenter ici, mais je crois que je l'aurais volontiers fait ainsi. Il y a ensuite la réalisation du coffret (là ça craint !) Si vous avez une opportunité pour faire, profitez en ! Vient ensuite la mise en coffret de l'ensemble et les essais. Pour essayer la LED mettre une résistance de 1K à la masse pour simuler l'électronique capacitive.

Installez vous sur le bord d'une auge ou d'un évier. Faire les liaisons provisoires de 5 ou 6 fils entre les équipements (ou mieux calculez vos longueurs +2 mètres et utilisez ce fil définitif). Bien vérifier les liaisons et branchez le tout. Ça doit marcher ! Remplissez, mesurez, réglez de nouveau le zéro.

C'est maintenant prêt à être installé et raccordé.

Les mesures maintenant...l'ensemble marche bien, mais les niveaux en dessous de 1 à 1.5 millimètres sont imprécis. Je pense que cela est dû aux tensions de surface du fil téflon utilisé. Ce n'est pas trop gênant. (Pour prendre en compte ces quelques gouttes, il est utile de ne pas vidanger l'appareil lorsqu'il indique le minimum.)

Ce minimum obtenu est de 0.03 V, ce qui représente toutes les tensions de déchet incontournables en mono alimentation. Cela est aussi la capacité minimum pluviomètre vide.

Lors de calculs très antérieurs, avec le tronc de cône, l'échelle sérigraphiée et les hauteurs en millimètres, je n'avais pas trouvé de rigueur absolue dans l'échelle sérigraphiée et la hauteur. J'avais attribué cela à une mauvaise sérigraphie. J'ai aussi pensé que le résultat était obtenu à partir d'essais réels. (mais je n'y crois pas trop !)

La courbe ci dessus représente la tension de sortie pour les valeurs LUES sur l'échelle sérigraphiée. (La sonde mesure des HAUTEURS en mm et non des volumes équivalents).
Aussi je ne suis pas trop étonné de voir une courbe "moyennement" linéaire. Attention cependant que si le volume d'eau par unité de surface est toujours correct, du fait du cône, la hauteur d'eau s'amenuise surtout en partie haute, ce que l'on constate sur l'échelle sérigraphiée et sur la courbe.
Je pense que cette courbe en forme de demi parabole est normale, car elle représente le volume du cône pour les VOLUMES d'eau, et non pour les hauteurs d'eau en millimètre.

L'étalonnage se réalisera donc sur l'échelle sérigraphiée faute de mieux. Attention cependant que tout objet (de densité supérieure à l'eau) introduit dans le pluviomètre, modifie en premier lieu la hauteur d'eau, mais perturbe significativement la mesure capacitive. (Même pour un morceau de bois).

Ceci étant toute variation de position de la sonde affecte aussi un peu les mesures. Il a donc été nécessaire de placer un petit centreur en PVC perpendiculaire à l'axe de la sonde et reposant sur le rebord. (Ce petit centreur est juste visible sur la photo de tête d'article). On remarquera sur cette même photo le capuchon de la sonde, constitué d'un pied plastique de chaise, et simplement déformé en ovale pour adhérer à la languette en époxy qui assure la tension des fils.

On peut voir sur la photo de mise au point un essai de filtre en aluminium qui n'a pas donné satisfaction, car les trous sont trop petits et modifient sensiblement la quantité d'eau atteignant "l'eau active". Je n'ai pas encore de bonne solution pour ce sujet.

(Noter qu'un étalonnage est également possible sur place en actionnant la palette de l'électro-aimant manuellement)

10 Conclusions

Petite réalisation n'offrant pas de réelles difficultés particulières. Elle réclame cependant de la minutie, car il s'agit de très petites pièces et très petits efforts à gérer. Elle réclame aussi deux équipements distincts et des liaisons entre, avec tous les petits soucis inhérents.

En résumé si vous avez apprécié la mesure de niveau de citerne et que la pluviométrie vous intéresse, ne manquez pas de faire 2 circuits imprimés en même temps, vous gagnerez du temps !

On peut reprocher que le bas de la sonde, pourrait bien éclater par le gel, mais cela reste à voir ? Dans l'immédiat, je n'ai pas d'autre solution plus simple que de vider l'appareil au mieux chaque fois qu'il risque de geler, et maintenant c'est facile !
Je crois avoir dit aussi que le récipient lui-même avait gelé, alors...cela protégerait les deux à la fois.

Rappel : ceux qui veulent faire des essais avec du fil émaillé peuvent le faire, je publierai...

Pour conclure réellement je vous propose ces gros nuages qui vont faire le baptême de l'appareil, et bonne pluie d'orage !

11 Avertissements

Une fois n'est pas coutume, c'est ce chapitre qui clôturera ce sujet. Un problème est apparu sur ce procédé. Il ne s'agit pas de l'électronique ni de la réalisation, mais vraisemblablement d'un phénomène physique que malheureusement je ne peux expliquer.

Voici le contexte : Une pluie d'orage de 5.5 mm de hauteur d'EAU s'est produite. La mesure était parfaitement stable, puis après une douzaine d'heures, il y a eu une chute de tension exponentielle de 0.2 Volt soit environ - 1.2 mm d'eau équivalent après une douzaine d'heures. Bien entendu pas d'évaporation ni de fuite. Voici la courbe de décroissance :

L'appareil de mesure, et donc la sonde sont totalement hors tension. Hormis le potentiel de terre qui reste présent sur le 0V, aucune tension n'est présente dans l'appareil entre les mesures.

A ce jour, je ne sais pas pour quelle raison cette baisse qui est relativement brutale se produit. Il pourrait s'agir d'un phénomène physique lié à la molécule d'eau qui est d'après les recherches tout de même très spéciale. Une modification de la structure moléculaire par des bactéries ne serait pas exclue, et affecterait peut être la constante diélectrique.

Je n'exclu pas non plus un problème de Ph toujours avec conséquence sur la constante diélectrique. Je pense aussi au problème de nettoyage des sondes ou électrodes qui existe pour d'autres types de mesures.

Je vais également essayer prochainement un fil émaillé de transformateur en lieu et place du fil isolé au téflon. J'ai également peur vis à vis des tensions de surface et de ce type de matériau. Il est évident que pour la citerne, les proportions étant si différentes, je n'ai pas constaté de problème de ce type.
Pour le pluviomètre ce cas m'est apparu 2 fois, avec pour la première une mise en alerte seulement puisque cela paraissait "étrange", mais sans pouvoir faire de meusures.
Il y a également possibilité d'effecteur un nettoyage de la sonde et d'attendre l'eau de pluie. L'eau du robinet ne peut être utilisée car elle n'a pas les mêmes propriétés.
Un autre essai à faire est de vider l'eau de pluie, nettoyer la sonde et remplir de la même valeur avec l'eau du robinet et voir si la mesure s'est rétablie. Refaire également avec eau de pluie etc...

Outre cela, ces essais peuvent être longs, donc les explications définitives ne sont pas pour demain.

Si vous avez des informations sur la physique moléculaire et les causes de variation de la constante diélectrique de l'eau de pluie, je suis preneur et je publierai votre information.

11.1 Première information

Renseignements pris, la constante diélectrique de l'eau varie en fonction de la température, mais cela avait été signalé par njhurst.
Cette constante varie également en fonction de la composition chimique. Or celle-ci change au fil des jours en cas d'eau stagnante, ce qui est le cas.

En point complémentaire, j'ai essayé de changer le fil en téflon par du fil émaillé de transformateur, comme je l'avais dit précédemment. Le résultat est pire qu'avec le téflon, et cette fois très sensible à la température et en positif au lieu de négatif.

Il me reste encore un essai de fil assez fin, style fil de wrapping. Il est vraisemblablement aussi en téflon, mais je n'en suis pas certain. Une chose est sûre, est qu'il résiste au fer à souder ! Cet essai fera l'objet d'une publication à la suite.

11.2 Deuxième information

Cette fois j'ai avancé un peu dans la recherche du manque de stabilité...
Je viens d'essayer le fil de wrapping genre téflon. Comme il n'a pas plu, j'ai pu constater que durant l'étalonnage c'était très stable. Après en fin d'après-midi, je vérifie pour le niveau zéro et cette fois je suis au dessus de quelques dixièmes de Volts.
Le soir "à la fraîche", retour à la norme. La question ne se pose plus maintenant, c'est l'électronique qui dérive.

J'ai eu un doute sur la régulation de tension, et en plus j'ai amené le régulateur (7810) dans le boîtier intérieur au lieu de le laisser à la chaleur. Le phénomène existe toujours ! (Dans ce cas d'application, il me semble préférable de réguler la tension dans les locaux et non dans l'électronique extérieure)

La LED en série sur l'alim n'est pas une bonne idée pour la stabilité en température. Je l'ai donc enlevée. J'ai mis la LED série avec la zener pour augmenter un peu la tension, et j'ai augmenté le courant de zéner mais peine perdue, ça dérive toujours.
Pour l'instant je préfère déclarer statu-quo, et remettre un 7812 comme inialement prévu et rechercher le composant qui dérive le plus.
Eventuellement je ferai une petite correction avec une CTN si il n'y a pas d'autre solution.

(La sonde intiale en fil téflon ne devait pas être trop mauvaise)

Ce montage reste donc en attente...

La dernière nouveauté est le manque d'étanchéité du petit clapet...Cette solution sans pesée ne semble pas très fiable !
Le but initial était d'éviter la jauge de contrainte dont le prix est très élevé... Je vais encore réfléchir, mais j'ai quelques doutes sur un aboutissement fiable dans ce contexte.

11.3 Troisième et dernière information

Voilà un hiver bien dur presque passé (27/02/2009) et je vais encore ajouter un problème de plus au compte de cet appareil. Il n'est plus étanche !

Le système de clapet avec son étanchéité n'a pas résisté aux intempéries ! La pluviométrie m'intéresse tout de même pas mal et je vais poursuivre vraisemblablement vers une solution plus simple dans deux directions :

Mise à l'abri de l'électronique pour éviter les dérives, avec fil blindé de faible capacité en liaison ou enfouissement de l'électronique au pied, voire compensation de la dérive en température suivant les résultats.

Pour le système de vidage de l'eau, je crois avoir été un peu trop optimiste en utilisant quelque chose de trop complioqué : une pseudo électrovanne ! Que fait on habituellement ?
On saisi le récipient et on le retourne pour le vider ! Dans ces conditions il n'y a plus d'électrovanne. Il suffit de faire un rotation à 180° pour vider et revenir du même angle ! CQFD.

Voilà donc je pense les nouvelles orientations que je prendrai d'ici quelques mois (pas pour l'instant). Il est d'ailleurs possible que je modifie l'électronique pour rendre le dispositif numérique en stockant les valeurs journalières. C'est en projet !

Donc pour ceux qui veulent démarrer une réalisation il est urgent d'attendre quelque chose de plus opérationnel, voire de plus abouti....Cet article présent aura au moins eu le mérite d'éviter que quelques uns d'entre vous "se prennent les pieds dans le tapis".
Je pense que je ferai un nouvel article sur cette deuxième réalisation le moment venu.

Suite 22/05/2009...Le nouveau système de vidage du pluviomètre fonctionne ! L'électronique a été essayée à la température et de gros écarts de valeurs ont été éliminés. Deux composants se sont révélés particulièrement sensibles : il s'agit de C2 et de R12.
C2 a été remplacé par un condensateur d'une autre "race" (en enrobage plastique rectangulaire), et il ne dérive plus du tout. Quant à R12 qui avait été ajustée pour le niveau maxi et composée de 120K en série avec 15 K a été remplacée par 2 résistances de 270 K en //. On remarquera que R12 était constituée de deux résistances de tolérances différentes (2 et 5%)

Chaque essai individuel a été réalisé avec la pointe du fer à souder, et l'ensemble au sèche cheveu. Il n'y a plus maintenant que 10 ou 20 millivolts de dérive dans des conditions "volcaniques".
Tout cet ensemble sera cependant confirmé dans la version qui verra le jour durant cet hiver...
Dès cet instant je ne cache pas ma surprise de voir certains composants autant dériver avec la température, et finalement la recherche de ceux-ci est à priori assez aisée.