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Alarme pour bouteille de CO2 vide


Qui n’a pas été confronté à une bouteille de CO2 subitement vide ? Difficile de la surveiller au manomètre. La chute de pression lorsque la bouteille est presque vide est si rapide que c'est souvent mission impossible. Face à l'arrêt du réacteur à calcaire la situation devient critique, c'est toujours une période de stress, les fournisseurs ne sont jamais très nombreux. Encore faut-il qu'ils aient du stock. Pour me donner un peu plus de temps, j'ai donc pensé à un système d'alarme, très simple à mettre en œuvre, pour les nuls.

Le manomètre ne mesure pas la quantité de CO2 liquide dans la bouteille

Nous l'avons tous constaté : le manomètre monté sur nos bouteilles de CO2 relève une pression interne de 50 à 70 bar qui reste constante, quasiment durant toute la durée d'utilisation de la bouteille. Notons au passage que l'unité de pression est aujourd'hui le Pascal (1 bar = 105 Pa). Cette pression chute très rapidement lorsqu'elle est presque vide, pour arriver à zéro en quelques jours, selon la consommation. La chute soudaine est difficile à anticiper, le manomètre monté en sortie de bouteille n' est pas d'une grande utilité, mais pourquoi ?

Notre bouteille est remplie de gaz liquide : du dioxyde de carbone liquéfié. Liquéfié parce que la pression interne est suffisante pour que les molécules restent liées entre-elles. Et pourtant nous prélevons du gaz carbonique, autrement dit, du dioxyde de carbone gazeux. En effet, notre bouteille contient toujours du CO2, à la fois sous forme liquide et sous forme gazeuse. La phase liquide se situe dans la partie basse de la bouteille. La phase gazeuse, de masse moléculaire bien plus faible, est dans la partie supérieure, près du lieu de prélèvement.

Que se passe-t-il dans notre bouteille lorsqu'on prélève du gaz ?À l'ouverture, du gaz s'échappe, la pression interne diminue et dans le même temps une portion de liquide se vaporise sous forme gazeuse, de nouveau prête à l'emploi, et ainsi de suite, le gaz part. Lorsqu'on referme la bouteille, une fraction de liquide continue très brièvement à passer sous forme gazeuse le temps que la pression interne gaz/liquide s'équilibre. Cette pression, dite pression de vapeur (le CO2 gaz est une vaporisation du CO22), est la pression à laquelle le fluide peut être à la fois sous forme liquide et gazeuse. Elle dépend de la température. Celle du CO2 vaut 57,3 bar à 20 °C. Ainsi, au fur et à mesure du prélèvement, le niveau du CO2 liquide baisse (donc son poids), remplacé par du CO2 gazeux (de poids négligeable, puisque sa masse volumique est mille fois moindre). Cet équilibre barométrique est maintenu tant qu'il reste du CO2 liquide à évaporer, la pression lue sur le manomètre n'évolue alors pas. Ce n'est que lorsque la bouteille ne contient plus de phase liquide, que le manomètre révèle la chute de pression gazeuse. Cette période est de courte durée, de l’ordre de 2% du temps d'utilisation. C'est à dire qu'il reste une semaine pour remplacer la bouteille si la consommation se répartit sur une année.

Note de Cap récifal

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Pour réaliser ce bricolage, on a besoin :

D’une balance mécanique. Un vieux pèse personne fait l'affaire.

D’un contacteur magnétique ILS (interrupteur Reed). Le modèle ci-contre, composé du contacteur et de son aimant, est utilisé comme détecteur d'ouverture des portes et fenêtres.

D'un buzzer actif 5 VCC (courant continu). Un buzzer actif produit un son unique sans besoin d'électronique pour fonctionner.

D'une alimentation 5 VCC. Le système peut tout aussi bien fonctionner en 12 VCC. Tous les composants sont alors prévus pour cette tension.

Principe du contacteur ILS

Le contact Reed ou ILS (Interrupteur à lames souples) est un commutateur électrique actionné par un champ magnétique. La source de ce champ magnétique peut être celui d’un aimant permanent ou celui d’une bobine traversée par un courant. Inventé par Bell T en 1936, il se compose d’une paire de contacts enfermés dans une capsule de verre hermétique rempli d'un gaz inerte assurant l'absence d'oxydation. Les contacts peuvent être NO (normalement ouverts comme ci-dessous) ou NF (normalement fermés). À l’approche d’un champ magnétique, ces contacts s’ouvrent ou se ferment. Lorsque le champ magnétique est éloigné, le commutateur à lames souples revient en position initiale.

Lorsque l'aimant est éloigné, l'ILS n'est pas soumis à son champ magnétique. La forme des lames souples les maintient éloignées. Il est à l’état de repos.
Lorsque l'aimant s’approche de l'ILS, les deux lames sont soumises à l'influence de son champ magnétique. Elles se polarisent, les deux pôles nord et sud s'attirent créant leur contact. Le contacteur est à l'état actif.

 

Montage

Le branchement est simple à réaliser. Buzzer et ILS sont connectés en série, aux deux bornes de l'alimentation à courant continu. Le sens du courant n'est pas important.

L’interrupteur ILS est collé au fond de la balance, réhaussé sur des petites cales pour le rapprocher de l’aimant.
Après vérifications, qu'il s'agisse de bouteilles CO2 de 10 kg ou de 6 kg, leurs poids à vide est à peu près 14 kg. Le petit aimant est donc collé sur le disque, a moins de 14 kg. Faire quelques tests pour vérifier le bon fonctionnement.
L'alimentation et le buzzer sont également collés au fond de la balance.

Comme on le voit sur la photo ci-contre, après remontage de la balance la tare n’est pas toujours exactement à zéro. En effet, on relève des écarts de poids de quelques grammes, que ce soit sur les bouteilles vides, pesées entre 13,8 et 14,2 kg, ou pleines, pesées entre 23,6 et 24,0  kg. Ces légères variations se répercutent légèrement sur le moment de déclenchement de l'alarme lorsque la bouteille est vide. Après deux ans d’essais ce problème n'a pu être résolu. Ainsi, quand la sirène sonne alors que la bouteille n’est pas totalement vide, je remonte un peu la tare. Je suis toutefois prévenu qu’il faudra la changer dans quelques jours.

 

Les bouteiles de CO2 sont soumises à la règlementation concernant les appareils sous pression. A ce titre, elles doivent subir une requalification périodique. La date de dernière qualification gravée (ici : aout 2014) vérifiée lors de la recharge, ne doit pas excéder 5 ans. Le poids à vide, également gravé, est exprimé sans la collerette supérieure (ici : tare 17,5 kg).

 

Le montage, basique fonctionne bien ainsi. Avec des amis, nous réfléchissons à l'améliorer encore : éviter que la sirène se déclenche en pleine nuit, la remplacer éventuellement par un voyant ; utiliser un microcontrôleur de type Raspberry Pi ou Arduino avec des alertes par SMS ; utiliser des balances électroniques, les modèles mécaniques se faisant de plus en plus rares ; résoudre le problème des tares variables ; mettre en place le meilleur programme.

 

J'espère que ce bricolage servira à d'autres et sera perfectionné. Ceux qui maitrisent les microcontrôleurs Raspberry Pi ou Arduino pourront améliorer encore son automatisation.

 

Michel LABBÉ

Article publié par Cap Récifal le 17 aout 2017 avec l'aimable autorisation de l'auteur.

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