Le problème de l’eau “dure”, c’est-à-dire excessivement chargée en calcaire, affecte beaucoup de régions et de villes, car le précieux liquide prélevé dans les nappes phréatiques est fort riche en sels minéraux… parfois même trop riche, en ce sens que bonne quantité de ces sels ne font pas du bien aux personnes et pas davantage aux structures collectives de distribution ni aux installations domestiques (chaudières, chauffe-eau, canalisations et robinetterie).
Les problèmes touchant l’eau potable sont sur le devant de la scène médiatique depuis plusieurs années : on s’est mis, en effet, à prêter attention à ce qui sort du robinet en même temps qu’on a commencé à se préoccuper de sa santé par la nature et la qualité de ce qu’on avale (solide et liquide) et respire (gazeux). De même que l’oxygène est meilleur à respirer que les NOx et que les salades bio sont meilleures à croquer que les salades aux nitrates, l’eau faiblement ou moyennement calcaire (comme celle que l’on trouve dans les sources des régions volcaniques) est meilleure que l’eau dure, hyper chargée en carbonate de calcium.
On s’est ainsi rendu compte que, d’une ville à l’autre, on peut trouver de l’eau alcaline ou légèrement acide, cette dernière étant le résultat du traitement par le chlore. A ce propos, une méthode efficace pour déterminer la qualité de l’eau consiste en la mesure du pH (concentration des ions H+ dans un liquide) à l’aide de papier tournesol : celui-ci est une tige revêtue d’un composé réagissant à l’acidité en virant au rouge, alors qu’il répond à une solution basique par la couleur bleue. Bien sûr, pour une analyse plus fine, on a recours à la microbiologie, permettant de découvrir à peu près tout. Mais en l’absence de supports scientifiques, tout un chacun peut, par un geste simple, se rendre compte du type d’eau auquel il a à faire : il suffit de prendre une savonnette, même neutre (pH = 7), et de se laver les mains sous l’eau courante. Si le savon est rincé rapidement, l’eau est neutre ou légèrement acide (elle a une légère odeur d’eau de Javel) et si en revanche les mains restent longtemps visqueuses, savonneuses, l’eau est alcaline, dure. Dans ce dernier cas, pas mal d’inconvénients sont à attendre, certains très connus et d’autres moins : l’un de ceux-ci est la faible efficacité des détersifs et des savons. Si vous avez des doutes à ce sujet, regardez sur un baril de lessive, à la main ou à la machine, les doses préconisées en fonction de la dureté de l’eau !
A défaut de ces indications, faites des essais : le nombre de dosettes nécessaires augmente énormément si l’eau est dure ou très dure.
Mais outre la plus grande consommation de poudre à laver on déplore les dépôts et incrustations (on a du mal à ne pas penser à l’athérome de nos artères, malgré la trivialité de la comparaison) sur les parois des tuyaux et de la robinetterie et, particulièrement, sur tout ce qui est appelé à chauffer, du serpentin du chauffe-eau à gaz à la résistance du chauffe-bain électrique en passant par la bouilloire ou la cafetière (pour le fer à repasser à vapeur, comme on le peut, on préfère utiliser de l’eau déminéralisée !). Là, en effet, le calcaire cristallise et réduit l’efficacité de l’appareil en isolant peu à peu l’eau de la source de chaleur : lave-linge, lave-vaisselle, etc., ont besoin de davantage d’énergie et de temps pour atteindre la température de travail (d’autant que le débit est amoindri) et, quand l’élément chauffant est entièrement calcifié, il faut le déposer et le remplacer. Bref, le calcaire est ruineux pour la santé des machines domestiques (figure 3).
Notre réalisation
Pour limiter l’ampleur des dégâts, divers systèmes ont été mis au point, parmi lesquels les dispositifs électroniques à induction électromagnétique : il s’agit d’appareils en mesure d’induire dans les tuyaux un champ électromagnétique de fréquence relativement basse, permettant de minimiser l’agglomération des particules de calcaire dissout, ce qui empêche les dépôts sur les parois et l’obstruction de celles-ci.
Le montage que nous vous proposons, est précisément un anticalcaire électronique à induction : il est constitué d’un générateur de signal modulé en fréquence et de deux fils à bobiner autour du tuyau d’eau. Les fils, parcourus par le signal modulé, jouent le rôle d’une antenne et irradient le signal en induisant dans le tuyau un champ capable d’intervenir positivement par empêchement du dépôt de calcaire. Le dispositif a été dimensionné pour agir sur des conduites d’un diamètre compris entre 15 et 20 millimètres (3/8” et 1/2”) et il peut donc être appliqué avant un chauffe-bain ou une chaudière murale. On peut en monter plusieurs pour traiter l’adduction d’eau de toute une maison, en privilégiant, bien sûr, la protection des appareils chauffants (cités dans l’introduction). Le résultat n’en sera que meilleur sans que le coût en soit exorbitant (d’autant moins que la consommation électrique de nos appareils anticalcaires est minime).
Le schéma électrique
Pour comprendre comment fonctionne et de quelle manière agit l’anticalcaire, il faut avant tout analyser le schéma électrique de la figure 1 afin d’en connaître les points les plus importants.
Avant de voir les composants eux mêmes, disons que le circuit n’est rien d’autre qu’un générateur d’impulsions modulées en fréquence : il produit une onde rectangulaire de 36 V environ d’amplitude et dont la fréquence passe d’un minimum à un maximum puis retourne au minimum et recommence, accomplissant ce qu’on pourrait nommer un “sweep” (balayage) cyclique. Les impulsions produites sont amplifiées par un “driver” (pilote), pilotant deux morceaux de fils de cuivre, jouant le rôle d’une antenne, bobinés autour du tuyau d’eau et produisant un champ électromagnétique. Pour obtenir la forme d’onde balayée, on part d’un circuit intégré CD4046, un CMOS contenant un PLL (“Phase Lock Loop” ou boucle à verrouillage de phase) complet dont nous n’utilisons que le VCO (“Voltage Controlled Oscillator” ou oscillateur contrôlé en tension). Ce dernier est un générateur de signal rectangulaire dont la fréquence peut varier d’un minimum (paramétré par la valeur d’un condensateur externe) à un maximum selon le potentiel appliqué à une broche de contrôle.
La valeur minimale est 1 kHz et la maximale 6,8 kHz environ.
L’entrée de contrôle est localisée sur la broche 9 et, dans notre cas, elle reçoit un signal en dents de scie produit par un oscillateur à SCR, correspondant au thyristor T1 lequel, dûment relié au pont R10/R11, à R2 et à C3, s’amorce périodiquement et décharge, justement, cet électrolytique. Le fonctionnement peut être synthétisé ainsi, en faisant l’hypothèse que C3 est initialement complètement déchargé.
T1 est bloqué et le condensateur se charge à travers R2, jusqu’à ce que la tension présente sur la cathode de T1 soit plus faible que celle de la gâchette (potentiel déterminé par les valeurs du pont R10/R11). Le thyristor entre alors en conduction et décharge instantanément C3 et par conséquent se bloque car la tension à ses bornes s’annule.
Un nouveau cycle recommence et l’électrolytique se charge jusqu’à provoquer un nouvel amorçage.
Ceci détermine une tension en dents de scie renversées, due à la charge lente de C3 et à sa décharge rapide quand le SCR est amorcé. Ce signal a une fréquence de 3,5 Hz environ, déterminée par les valeurs de C3, de R1 et du pont R10/R11. L’amplitude des dents de scie est limitée par la tension de la zener D2 (9,1 V), celle-là même qui alimente le PLL U1. La forme de chaque période est constituée par une rampe descendante et par un segment très pentu : précisément comme une dent de scie à l’envers.
La tension ainsi obtenue arrive directement à l’entrée de commande du VCO et impose la production d’un signal allant d’une fréquence minimale de 1 kHz pour atteindre progressivement 6,8 kHz et retourner ensuite à 1 kHz et ainsi de suite. Cette tension, découplée par l’électrolytique C4, pilote le NPN T2 avec lequel on obtient la visualisation (clignotement) de la progression de la séquence : en d’autres termes, la LED D3 émet des impulsions dont l’intensité diminue progressivement et qui reflètent l’allure des dents de scie produites par le SCR.
L’onde rectangulaire modulée en fréquence sort de la broche 4 (VCO out) du CD4046 pour être appliquée, à travers R8, au transistor T3 : ce dernier est un NPN chargé d’amplifier les impulsions afin de les mettre au niveau nécessaire pour une émission correcte dans la tuyauterie. Le collecteur du NPN est alimenté par la tension (36 V environ) obtenue, à partir des 9 à 12 V de l’alimentation principale, au moyen du réseau correspondant au CMOC U2b. Il s’agit essentiellement d’un élévateur de tension dans lequel l’ensemble U2a/U2b est un multivibrateur astable produisant une onde rectangulaire de 25 kHz et U2c/U2d fonctionnent en inverseurs, ce qui est nécessaire pour augmenter l’amplitude des impulsions chargeant C6, C7 et C8. Ces derniers font partie d’un duplicateur de tension réalisé à l’aide des diodes D4, D5, D6 et D7. De leurs cathodes sortent des impulsions trois fois plus élevées que l’amplitude de l’alimentation générale du circuit (9 à 12 V) : ces impulsions chargent C9, aux bornes duquel nous trouvons donc une tension continue de quelque 36 V, avec laquelle est alimenté le transistor T3, jouant le rôle de “buffer” de sortie. Chaque fois que T3 reçoit sur sa base une impulsion rectangulaire du VCO, son collecteur est pratiquement fermé à la masse, alors que, pendant les pauses, il demeure bloqué et laisse C11 accessible à une impulsion de 36 V.
Sur le point OUT, on connecte un des deux morceaux de fils de cuivre jouant le rôle d’une antenne : il produira un champ électrique pulsé du fait de la commutation de T3. Sur le point GND (ensuite relié au négatif de l’alimentation principale) on connecte l’autre fil, jouant quelque peu le rôle d’une prise de terre dans un récepteur d’ondes moyennes. Le premier fil est enroulé d’un côté du tuyau en sens horaire et l’autre (celui de terre) de l’autre côté du tuyau et en sens inverse (antihoraire).
Nous expliquerons ceci ainsi que d’autres détails un peu plus tard, à propos de la construction et de la mise en oeuvre. Un dernier mot sur l’alimentation : le circuit étant alimenté, on l’a dit, par une tension continue de 9 à 12 V, l’alimentation doit pouvoir produire un courant d’au moins 200 mA.
Figure 1 : Schéma électrique de l’anticalcaire électronique.
Figure 2 : Organigramme de l’anticalcaire électronique.L’organigramme éclaire le fonctionnement du circuit de notre anticalcaire. Un signal en dents de scie pilote un VCO, un oscillateur contrôlé en tension, dont la fréquence de sortie varie en continu entre 1 et 6,8 kHz environ, avec une période de 3 cycles par seconde environ. Cette forme d’onde se révèle la plus efficace pour empêcher l’agrégation et l’accumulation des particules de calcaire. L’amplitude de l’onde carrée produite est amplifiée en tension par le “buffer” de sortie alimenté en 36 V continu environ. Cette tension est obtenue grâce à un élévateur de tension capacitif (diode/condensateur), utilisant une onde carrée à 25 kHz, produite par un simple oscillateur. La forme d’onde ainsi obtenue est utilisée, au moyen de deux enroulements de sens opposés autour du tuyau d’eau, pour créer un champ électromagnétique dans la conduite d’eau à traiter. Les molécules de calcaire présentes dans l’eau sont normalement en suspension, mais elles tendent à s’agréger à cause de leur affinité mutuelle. En d’autres termes, la charge au niveau moléculaire est telle qu’elles s’attirent et que celles qui se déposent sur la paroi interne de la conduite exercent une attraction sur les plus proches en suspension. Le champ électromagnétique produit par le circuit contrecarre ce phénomène, détache les sédiments existants (en 3 mois en moyenne) et libère les conduites.
Figure 3 : Le calcaire et la dureté de l’eau.Nous entendons souvent parler de l’eau potable et de ses caractéristiques dans des termes techniques parfois incompréhensibles (une telle langue de bois doit bien profiter à quelques-uns et ce n’est certainement pas aux usagers !). Quand il s’agit des dépôts et de l’obstruction des conduites, on utilise fréquemment le terme “dureté de l’eau”, permettant de quantifier le contenu en sels de calcium et de magnésium (et plus généralement de sels de la famille des métaux alcalino-terreux).
Parmi ces sels, le plus abondant est le carbonate de calcium. La dureté de l’eau est communément mesurée en degrés français (°F) : un °F équivaut à un milligramme de carbonate de calcium par litre. Le calcium et le magnésium présents dans l’eau peuvent produire des dépôts de calcaire.
Cela advient quand le bicarbonate de calcium se transforme en carbonate de calcium, lequel, à la différence du premier, est un composé insoluble dans l’eau. La précipitation du carbonate de calcium est directement proportionnelle à la température et ceci explique pourquoi les tuyaux contenant de l’eau chaude sont plus sujets au phénomène de dépôt que ceux contenant de l’eau froide. Le calcium n’étant pas une substance toxique, d’un point de vue sanitaire, aucune norme de limite de concentration maximale admissible pour le calcium dans l’eau potable n’existe. En revanche, il existe bien des exigences technologiques liées à la formation des dépôts dans les salles de bains, chaudières, machines à laver (linge, vaisselle) : elles font l’objet de contrôles constants. Les dommages provoqués par le calcaire sont désormais bien connus : robinets obstrués et rouillés, appareils perdant leur efficacité et dont la longévité diminue, réseaux hydrauliques complètement bouchés, coûts énergétiques croissants.
Rappelons quelques détails :
- obstruction des tuyaux avec pour conséquence la diminution du débit de l’eau ;
- dépérissement et rupture des conduites ;
- résistances ou serpentins calcifiés avec diminution de leur capacité à chauffer et à transmettre leur chaleur à l’eau, usure plus rapide de ces éléments ;
- diminution du rendement des machines industrielles et des appareils domestiques comme les machines à laver (linge, vaisselle), fers à repasser à vapeur, chaudières, échangeurs de chaleur, dispositifs de refroidissement, vasques d’hydromassage, etc. ;
- apparition d’auréoles et taches de rouille sur les sanitaires, les faïences, la robinetterie, les mélangeurs, les diverses vasques émaillées et les accessoires en général ;
- augmentation des coûts énergétiques dus aux pertes de chaleur par effet d’isolement thermique créé par les dépôts sur les surfaces atteintes ;
- augmentation de la consommation de détersifs pour le nettoyage et le détartrage ;
- dommages écologiques causés à l’environnement par l’utilisation des acides, sels, détersifs et autres produits chimiques voués à l’élimination du calcaire.
Dureté exprimée en °F Type d’eau
< 10° douce
entre 10° et 20° dureté moyenne
entre 20° et 30° dure
> de 30° très dure
Figure 4a : Schéma d’implantation des composants de l’anticalcaire électronique.
Figure 4b : Photo d’un des prototypes.
Figure 4c : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé. Il pourra être réalisé par la méthode décrite dans l'article : "Comment fabriquer vos circuits imprimés facilement ?".Liste des composants
R1 = 180 Ω
R2 = 10 kΩ
R3 = 470 Ω
R4 = 750 kΩ
R5 = 1 kΩ
R6 = 10 Ω
R7 = 100 kΩ
R8 = 4,7 kΩ
R9 = 10 kΩ
R10 = 8,2 kΩ
R11 = 2,7 kΩ
R12 = 680 Ω
R13 = 75 kΩ
C1 = 47 μF 50 V électrolytique
C2 = 100 nF céramique
C3 = 22 μF 50 V électrolytique
C4 = 22 μF 50 V électrolytique
C5 = 100 nF céramique
C6 = 220 nF céramique
C7 = 220 nF céramique
C8 = 220 nF céramique
C9 = 22 μF 50 V électrolytique
C10 = 22 nF céramique
D1 = 1N4007
D2 = Zener 9,1 V
D3 = LED verte 5 mm
D4 = 1N4148
D5 = 1N4148
D6 = 1N4148
D7 = 1N4148
T1 = Thyristor CR02A
T2 = 2PC1815
T3 = 2PC1815
U1 = 74HC4046
U2 = 4011
Divers :
1 Support 2 x 7
1 Support 2 x 8
1 Prise d’alimentation
La réalisation pratique
Tout d’abord procurez-vous ou fabriquez, par la méthode décrite dans l'article : "Comment fabriquer vos circuits imprimés facilement ?", le circuit imprimé dont le dessin à l’échelle 1 est visible figure 4c.
Quand les cartes sont gravées et percées, vous pouvez commencer à insérer et souder les composants dans l’ordre : montez toutes les résistances puis les diodes, en ayant soin d’orienter leurs bagues dans le sens indiqué par les figures 4a et 4b. Poursuivez avec les supports des circuits intégrés 4046 et 4011.
Montez ensuite tous les condensateurs en respectant bien la polarité des électrolytiques, toujours en vous aidant des figures 4a et 4b (la patte la plus longue est le +). Profitez-en pour monter la LED verte, puisqu’elle est dans le même cas que les condensateurs électrolytiques : polarisée, sa patte la plus longue est l’anode + (aidez-vous cette fois du schéma électrique de la figure 1 en plus des figures 4a et 4b).
Insérez et soudez les transistors et le thyristor (attention, ne les confondez pas, tous deux sont en boîtier TO92) : les méplats seront orientés comme le montre la figure 4a.
Soudez la prise d’alimentation. Soudez les deux fils d’antenne/terre, soit directement, soit par l’intermédiaire d’une prise bipolaire, comme celles utilisées pour la sortie des amplificateurs ou l’entrée des enceintes acoustiques (figure 6) : respectez bien la polarité, ne confondez pas OUT et GND. C’est terminé pour les soudures.
Il ne vous reste qu’à enfoncer (avec des doigts de fée, pas à coup de marteau) les deux circuits intégrés (ne les intervertissez pas !) dans leurs supports, en prenant grand soin d’orienter leurs repère-détrompeurs en U dans le bon sens, montré par les figures 4a et 4b, soit vers la gauche.
Le montage dans le boîtier
Il faut ensuite protéger la carte en l’installant dans un boîtier plastique adapté, si possible déjà pourvu de colliers ou clips sur le fond : cela facilitera la fixation à la tuyauterie. Les clips ou colliers peuvent être choisis de type métallique à vis pour plomberie ou de type plastique pour tubes électriques PVC. Dans les deux cas, ils seront fixés d’un côté au fond du boîtier plastique avec des vis ou des rivets pop (à isoler à l’intérieur afin qu’ils ne produisent pas un court-circuit avec les pistes du circuit imprimé) : voir figures 5 et 6.
Figure 5 : Montage dans le boîtier.Les dimensions et la forme de la carte sont choisies pour pouvoir l’insérer à l’intérieur du boîtier plastique protégeant l’appareil. Ce boîtier est muni de clips permettant la fixation sur le tuyau d’eau (figure 6).
Le circuit doit être constamment alimenté : pour cela, il est nécessaire d’utiliser une petite alimentation secteur 230 V / 9 à 12 V continu.
L’installation et les essais
Quand le tout est assemblé, fixez le boîtier sur le tuyau à traiter, à l’aide des colliers. Si vous avez du mal parce que le tuyau est un flexible à tresse d’inox, comme on en trouve souvent, justement, à l’entrée des appareils sanitaires, fixez le dispositif dans le voisinage le plus immédiat de la conduite à traiter, de manière à limiter la longueur des fils d’antenne. Prenez le fil partant du point OUT (point “chaud”) et bobinez-le sur ce côté du tuyau dans le sens des aiguilles d’une montre : faites 7 spires jointives et immobilisez-les avec du ruban adhésif ou du mastic au silicone. Coupez le fil excédentaire.
Prenez l’autre morceau de fil, celui partant du point GND (point de masse ou terre) et enroulez 7 spires jointives sur le tuyau, de l’autre côté du dispositif, dans le sens contraire des aiguilles d’une montre cette fois. Immobilisez les spires de la même manière et coupez la longueur de fil excédentaire.
Si vous pouvez fixer l’appareil sur le tuyau d’eau, les deux enroulements seront plus proches : les 7 spires en sens horaire avec le fil venant de OUT sont bobinées à gauche du dispositif, les 7 autres en sens antihoraire du fil venant de GND sont bobinées à droite : voir figures 5 et 6.
Quand cela est fait, l’appareil est prêt à fonctionner : procurez-vous une alimentation secteur avec fiche concentrique en mesure de fournir de 9 à 12 V sous 200 mA de courant. Branchez la fiche dans la prise de l’appareil et reliez au secteur 230 V. La LED commence à clignoter, ça marche. L’appareil ne réclame aucun réglage. Il suffit qu’il reste alimenté en permanence.
Figure 6 : Installation sur la tuyauterie.Le boîtier, comme on peut le voir figure 5 et ici, dispose de deux clips permettant de le fixer facilement sur des conduites à traiter de divers diamètres. Deux conducteurs isolés bobinés sur les côtés du boîtier autour du tuyau d’eau (lire texte), produisent le champ électromagnétique influant sur les caractéristiques ioniques des molécules de calcaire pour en empêcher l’agrégation et le dépôt sur les parois de l’intérieur des conduites.
Conclusion
Vous ne le verrez pas directement mais songez qu’à partir de ce moment le flux électromagnétique commence à ioniser les molécules de carbonate de calcium de telle manière qu’elles ne parviendront plus à s’agglomérer entre elles à l’intérieur de la tuyauterie de votre installation sanitaire (figures 2 et 3).
