.: recifs.org :. - Fabrication d'une pompe doseuse

Cet article décrit la fabriction de plusieurs types de pompes doseuses. La première date de juillet 2003 et a fonctionné des mois sans aucun incident. Le volume des doses distribuées est précis (précision < 0,1 ml) et paramètrable, et cela pour l'ajout de deux composants. Le modèle présenté est facilement modifiable : augmentation ou réduction du nombre de produits dosés, augmentation du volume des doses, etc... C'est surtout le principe de la pompe qui est important.

Principe

Le principe de fonctionnement est le suivant : chaque jour une ou plusieurs distributions sont programmées pour les deux pompes; à chaque distribution une ou plusieurs doses sont programmées indépendamment pour chaque pompe. Le volume de chaque dose est fixé lors de la construction de la pompe. Dans le cas présent il peut varier de 0,5 ml environ à 5 ml. Mais ce volume peut facilement être augmenté en changeant simplement un des éléments de la pompe qui est la seringue. Depuis 2002, plusieurs versions de ces pompes doseuses ont été réalisées en fonction de leur évolution. J'ai choisi de vous les présenter successivement afin de vous détailler les différences entre chacune et de vous laisser le choix:

Système 1 : 9 doses maximum, 48 distributions maximum

Photo, Jacques Gautret

Système complet : pompes, boitier de commande, bidons

Caractéristiques

2 pompes indépendantes
0 à 48 distributions par jours
0 à 9 doses par distributions et par pompes
volume de chaque dose de 0,5 à 5 ml (extensible)

La mécanique

Le principe repose sur une seringue médicale et sur deux clapets anti-retour utilisés en aquariophilie et montés sur un T (dérivation en T) de manière inversée. Les seringues utilisées ici sont des seringues de 5 ml. Il en existe de 2, 10 et 20 ml (à négocier avec votre pharmacien qui ne manquera pas de se poser des questions...). Il est ainsi possible de moduler le volume des doses distribuées. Le liquide est pompé par la seringue. L'aspiration et le refoulement se font dans deux circuit différents (voir schéma ci-contre).

Photos, Jacques Gautret
Vue de face des pompes : seringues, servo-moteurs et switch
Vue par l'arrière des pompes : servo-moteurs et clapets anti-retour

L'entrainement repose sur le principe de bielle-manivelle. Le moto-réducteur utilisé ici est un servo-moteur de modélisme. Il a l'intérêt de disposer d'un réducteur et d'un palonnier en sortie d'arbre (manivelle). Il est alimenté en 5 volts et il est facilement disponible à un prix modique (à partir d'une douzaine d'euros); un modèle standard convient parfaitement. Pour utiliser ce genre de servo-moteur, il est nécessaire de le modifier comme suit :

suppression du circuit électronique d'asservissement
soudure de deux fils d'alimentation directement sur le moteur
suppression du potentiomètre de recopie (couplé au pignon de sortie)
suppression des butées de rotation (l'arbre de sortie doit pouvoir faire plusieurs tours)

Cette modification est relativement simple à réaliser. Un inconvénient est que ces servo-moteurs sont bruyants. Aussi tout autre moto-réducteur alimenté en 5 volts et ayant une vitesse de rotation inférieure à un demi-tour par seconde conviendra parfaitement.

Photo, Jacques Gautret
Servo modifié, avec rajout d'une capacité anti-parasitage (en bleu).

Le piston est reliée à l'aide d'une vis sur le palonnier du servo-moteur. L'avant de la seringue est monté en force dans un bloc de bois mobile autour d'un axe. De plus, un micro-switch permet de compter les tours (aller-retour) et donc les doses distribuées. Sur la réalisation présentée, le palonnier de sortie du servo-moteur dispose de deux bras diamétralement opposés : un bras plus court sur lequel est accroché le piston de la seringue et un bras plus long pour déclancher le micro-switch. La position de repos piston reculé (seringue pleine) est volontaire. Enfin, un jeu de tuyaux relie le T, la seringue et les clapets anti-retour. Avec un tel système les capacités de refoulement sont très importantes. La pompe présentée permet de refouler sans problème à plus de 2 m en hauteur et d'aspirer à 1 m sous la pompe. A gauche : Vue de détail de la disposition du switch et de l'entrainement de la seringue, Photo Jacques Gautret.

Ce système fonctionne parfaitement avec de l'eau. Cependant, après utilisation avec les deux liquides d'addition, la colonne de refoulement d'une des deux pompes se vidait lentement. Les doses préconisées n'étaient alors plus distribuées - le volume de la colonne étant supérieur à la dose à distribuer. Ceci est probalement dû aux caractéristiques physiques (viscosité ?) du liquide. Un troisième clapet anti-retour a donc été rajouté en sortie du refoulement et le problème a été réglé. A droite Sorties des pompes, le tuyau bleu est la sortie de l'osmolateur. On distingue le clapet anti-retour additionnel, Photo, Jacques Gautret

L'électronique

Les deux pompes sont pilotées par un boitier électronique branché sur le 220V. Sur le boitier on trouve : (photo à droite Face avant du boitier de commande, Photo Jacques Gaudret)

Deux sélecteurs (un pour chaque pompe) qui permettent de définir le nombre de doses dispensées à chaque distribution. Il y a aussi une position "arrêt permanent" et une position "marche permamente".
Deux boutons poussoirs - un pour chaque pompe - qui permettent de relancer une distribution.
Une prise informatique DB9 qui permet de relier les pompes et leur switch.
Deux sorties 12V pour alimenter d'autres équipements. Le boitier dispose d'une alimentation 12V régulée interne.
Le programmateur qui permet de définir l'heure et le nombre des distributions. Il est issu d'un programmateur mécanique du commerce dont le boitier a été retiré.

Le principe de l'électronique repose sur un compteur décimal 4017 à 10 sorties décodées. L'entrée CLK est reliée au micro-switch de la pompe et permet le comptage des tours. Une des 10 sorties du 4017 est relié, via un sélecteur 12 positions, à un transistor PNP. Dès que le nombre de tours sélectionné est atteint, la sortie correspondante du 4017 passe à l'état haut, bloquant alors le transistor. Le moteur n'est plus alimenté et le comptage est arrêté. A chaque mise sous tension, le 4017 est remis à zéro grâce à une capacité et le moteur est alimenté jusqu'au nombre de tours sélectionné. Le circuit réalisé ici dispose de deux circuits de comptage identiques et d'une partie alimentation stabilisée 5V. Le circuit est alimenté en 12V par une alimentation stabilisée au travers du programmateur alimenté en 220V.

Schémas :
A gauche : principe général
A droite : circuit de commande
Illustrations Jacques Gautret

Réalisation

L'alimentation stabilisée, le programmateur débarrassé de son boitier et le circuit des pompes sont placés dans le boitier. L'alimentation stabilisée alimente le circuit des pompes ainsi que deux sorties du boitier.

Photos, Jacques Gautret

Système 2 : Ajout de diverses fonctionalités électroniques

Caractéristiques

0 à 80 distributions par jour
0 à 16 doses par distribution
volume de chaque dose de 0,5 à 5 ml (extensible) en jouant sur la position de fixation de la seringue sur le palonnier du servo

A droite : vue d'ensemble des deux pompes, Photo Jacques Gautret

L'électronique

Chaque pompe est pilotée par un module électronique construit autour d'un microcontrôleur PIC16F84. Les modules sont alimentés en 5V et alimentent directement les moteurs (maxi 1A). A la mise sous tension du module, une horloge interne démarre et déclenche les distributions à la fréquence définie par un jeu de switch. Sur le boitier de chaque module on trouve (de gauche à droite):

Un bouton poussoir de reset qui réinitialise l'horloge interne.
Un bouton poussoir de distribution manuelle qui déclenche une distribution indépendemment du cyle défini.
Un bloc de switch pour définir le nombre de distributions par 24h.
Un bloc de switch pour définir le nombre de doses de chaque distribution.
Une diode rouge indiquant qu'une erreur de distribution s'est produire. Un timer interrompt la distribution et allume la diode rouge si une dose n'est pas ditribuée dans un intervalle de temps donné, par exemple si le moteur est bloqué ou débranché ou si le switch ne fonctionne plus.
Une diode verte qui s'allume pendant la distribution.
La connexion à l'alimentation 5V (2 pins)
La connexion à la pompe (3 pins)

A gauche : face avant du boitier de commande
A droite : alimentation 5V
Photos Jacques Gautret

La sélection du nombre de distributions et du nombre de doses est définie dans le tableau ci-dessous :

Photo, Jacques Gautret

Le principe de l'électronique repose sur un micro contrôleur PIC 16F84 de Microchip. Le timer interne sert d'horloge et déclenche (interruption) les distributions sur une sortie du pic qui commande, via un opto-coupleur, un transistor. Le switch de la pompe est relié à une entrée du pic et permet de compter les doses (interruption). Les switch de sélection du nombre de distributions et de doses sont reliés aux entrées restantes du pic. Le nombre de distributions est lu par le pic à son initialisation. Le nombre de doses est lu avant chaque distribution.

Schémas:
A gauche : principe général
A droite : circuit de commande
Illustrations Jacques Gautret

Réalisation

Le circuit imprimé est réalisé de manière traditionnelle à l'aide du logiciel gratuit TCI et les deux circuits utiles sont pompe2_pic.tci et alim5v.tci. Le programme executable pompe2.hex est chargé dans le pic à l'aide d'Icprog. Le schéma de principe est schema.doc. Le tableau de sélection des distributions et des doses est positions.doc.

Photo, Jacques Gautret
Module de commande

Photo, Jacques Gautret
Alimentation 5V - 1A

Système 3 : Utilisation de pompes péristaltiques

Principe

Le principe de fonctionnement est le suivant : à une période définie par l'utilisateur deux doses identiques sont distribuées simultanément. Le volume de la dose peut être modifié en modifiant le programme du module de commande. Le volume distribué est assez précis (goutte-à-goutte) et peut varier d'une seule goutte à celui qu'on veut. La sélection de la période des distributions se fait par l'intermédiaire de deux blocs de switch. La période est un multiple de 6 minutes. Les switch définissent la valeur du facteur multiplicatif. Ils représentent le codage sur 8 bits de la valeur du facteur multiplicatif moins 1 (on commence à 1).

Photo, Jacques Gautret

Caractéristiques

Période des distributions de 6 minutes à 25h36 (1 à 256 x 6 minutes)
2 doses identiques pour 2 produits par ditribution
volume de la dose : environ 2 ml (modifiable à la programmation)

Photo, Jacques Gautret
Vue d'ensemble des deux pompes

La pompe

La pompe est une pompe péristatique double. Ce type de pompe présente de nombreux avantages : bonne capacité de refoulement, étanchéité parfaite, dosage précis, auto-amorçable et anti-retour. Cette pompe provient d'une imprimante jet d'encre couleur Canon ! Son usage est apparemment d'absorber l'encre lors du nettoyage des têtes d'impression. Elle est actionnée par un moteur pas à pas, ce qui rend son contrôle très facile et le dosage très précis.

On utilise de la durit de 4 mm utilisé pour l'alimentation des moteurs thermiques de modèles réduits. Ce tuyau doit avoir des caractériques les plus proches possible du tuyau original de la pompe pour garantir son bon fonctionnement (Photo Jacques Gautret).

L'électronique

La pompe est pilotée par un module électronique construit autour d'un microcontrôleur PIC16F84. Le module est alimenté en 12V par une alimentation externe (12V - 1A) qui n'a pas besoin d'être régulée mais simplement redressée et filtrée (voir photo). A la mise sous tension du module, une horloge interne démarre et déclenche les distributions suivant la période définie par le jeu de switch. Sur le boitier de chaque module on trouve (de gauche à droite):

Un bouton poussoir de reset qui réinitialise l'horloge interne.
Un bouton poussoir de distribution manuelle qui déclenche une distribution indépendemment du cyle défini.
Deux blocs de switch pour définir la période des distributions
Une diode verte témoin d'alimentation du module
La connexion à l'alimentation 12V (2 pins)
La connexion à la pompe (5 pins)

Photo, Jacques Gautret
Module de commande et son alimentation 12V

Le principe de l'électronique repose sur un micro contrôleur PIC 16F84 de Microchip. Le timer interne sert d'horloge et déclenche (interruption) les distributions. Le pic commande, sur 4 sorties, les phases du moteur pas-à-pas par l'intermédiaire de transistors de puissance (ULN2803). La fréquence des distributions est lue sur 8 entrées à l'initialisation du pic. Le nombre de pas commandés à chaque distribution est défini dans le programme. Le volume de chaque dose est proportionnel au nombre de pas. Ce volume peut donc être modifié en modifiant le programme.

Le circuit imprimé (à droite, photo Jacques Gautret) est réalisé de manière traditionnelle à l'aide du logiciel gratuit TCI. Les fichiers utiles sont :

Le circuit imprimé pompe_pap.tci (format TCI).
Le programme executable pmp_pap.HEX a charger dans le pic à l'aide d'Icprog par exemple.
Le code source du programme pmp_pap.asm pour une éventuelle modification (volume des doses ou autre)
Le tableau de sélection de la période des distributions positions2.doc

Photo Jacques Gautret
Module de commande

Conclusion

Tout ça pour ça : Et voilà un "décor exotique" ;-) pour un bac d'angle de 200L brut.

Photo, Jacques Gautret

Lien utile :

Le logiciel TCI

Article écrit par Jacques Gautret et publié par Récifs.org le 25/04/2005.