Projet de régulation de température et de pH dans un réacteur

UE MU5CI803-Optimisation et contrôcontrôle des procédéprocédés

Groupe A

Noms et PréPrénoms:

Introduction:

Notre projet s'articule autour de l'objectif central visant àà éétablir un systèsystème sophistiquésophistiqué de contrôcontrôle pour maintenir de manièmanière préprécise le pH et la tempétempérature au sein d'un réréacteur. Pour atteindre cet objectif, nous préprévoyons d'intéintégrer des élééléments cléclés tels qu'un capteur de tempétempérature et une sonde pH, lesquels seront connectéconnectés àà un pH-mèmètre pouvant êêtre contrôlécontrôlé par le biais de la plateforme Arduino. Cette approche permettra une surveillance constante et une rérégulation fine des conditions réréactionnelles.

Dans le domaine spéspécifique de la rérégulation du pH, notre choix stratéstratégique repose sur l'utilisation ingéingénieuse de solutions de jus de citron (acide) et d'une base. Cette combinaison de substances réréactives offre une solution flexible et adaptative, idéidéale pour maintenir le pH àà des niveaux requis tout au long des diffédifférentes phases de la réréaction.

En termes de perspective, notre projet transcende les limites traditionnelles en fusionnant les expertises de l'éélectronique et de la chimie. Cette approche multidisciplinaire revêrevêt une importance particulièparticulière, soulignant la nécessiténécessité d'une collaboration éétroite entre ces deux domaines distincts. La convergence de ces compécompétences permettra d'atteindre de manièmanière efficace et efficiente les objectifs fixéfixés.

En résumérésumé, notre dédémarche intégréintégrée aspire àà crécréer une synergie entre les diffédifférentes disciplines, offrant ainsi un contrôcontrôle optimal des paramèparamètres cléclés, tout en illustrant la capacitécapacité àà naviguer harmonieusement entre les domaines de l'éélectronique et de la chimie pour la réréussite de notre projet.

Liste des composants

La liste des composants essentiels pour notre configuration comprend les élééléments suivants, chacun jouant un rôrôle crucial dans le processus de contrôcontrôle et de rérégulation du pH et de la tempétempérature dans le réréacteur :

• Contenants : Deux rérécipients distincts sont nénécessaires, l'un destinédestiné àà l'acide et l'autre àà la base. Cette séséparation permet de maintenir les réréactifs séparéséparés jusqu'àà leur mémélange contrôlécontrôlé dans le réréacteur.
• BéBécher : Le bébécher sert de réréacteur principal, accueillant le mémélange pour lequel la rérégulation sera faite
• Tuyaux : D'une longueur d'environ 1 mèmètre, les tuyaux servent àà acheminer les solutions acides et basiques du réréservoir vers le réréacteur, en pasant par les éélectrovannes.
• Sonde pH : La sonde pH est un dispositif de mesure qui éévalue l'aciditéacidité ou la basicitébasicité de la solution dans le réréacteur. Elle transmet ces donnédonnées au systèsystème de contrôcontrôle.
• Capteur de pH analogique àà gravitégravité : Ce capteur de pH analogique àà gravitégravité complècomplète la mesure du pH, formant un pH-mèmètre
• Sonde de tempétempérature (DS18B20) : La sonde de tempétempérature surveille en permanence la tempétempérature àà l'intéintérieur du réréacteur, permettant un contrôcontrôle fin pour maintenir des conditions réréactionnelles optimales.
• ÉÉlectrovannes : Ces composants jouent un rôrôle crucial dans la rérégulation du flux des solutions acides et basiques, assurant ainsi un dosage préprécis dans le réréacteur.
• Cartouche chauffante : La cartouche chauffante contribue au maintien de la tempétempérature désirédésirée dans le réréacteur, favorisant ainsi des conditions de réréaction stables.
• Transistor TIP 122: Le transistor intervient dans le contrôcontrôle éélectronique du circuit, assurant l'alimentation de la cartouche chauffante
• Carte Arduino : La carte Arduino fonctionne comme le cerveau du systèsystème, traitant les donnédonnées des capteurs et activant les actionneurs en fonction des paramèparamètres prédéprédéfinis.
• Fils de connexion : Ces fils facilitent la connexion éélectrique entre les diffédifférents composants, assurant une communication fluide au sein du systèsystème.
• Modules relais : Les modules relais sont utiliséutilisés pour contrôcontrôler les éélectrovannes et d'autres dispositifs éélectriques, assurant ainsi une rérégulation préprécise.
• CâCâble d'alimentation : Ces câcâbles alimentent en éénergie les éélectrovannes et la cartouche chauffante, assurant le bon fonctionnement de ces élééléments cléclés du systèsystème.

• Breadboard : Plateforme de prototypage qui facilite le montage temporaire des composants éélectroniques

Journal de bord:

15 octobre 2023: Choix du projet

31 octobre 2023 au 4 novembre 2023 : Listing du matématériel nénécessaire et diffédifférentes schéschématisations du projet

13 novembre 2023 : Rendez-vous avec le tuteur pour éévaluer la faisabilitéfaisabilité du projet et rérévision de la liste du matématériel.

Du 13 novembre 2023 au 22 novembre 2023 : Modification du schéschéma du procédéprocédé suite au rendez-vous et àà l'éévaluation du matématériel disponible.

22 novembre 2023 : RécupéRécupération de la premièpremière partie du matématériel àà la plateforme d'ingéingénierie chimique.

27 novembre 2023 : DépôDépôt du matématériel au Fablab.

Du 27 novembre 2023 au 4 dédécembre 2023 : Recherche des bouts de code associéassociés àà chaque composant pour concevoir le code final.

14 dédécembre 2023 : RécupéRécupération du support àà la plateforme d'ingéingénierie chimique.

15 dédécembre 2023 : PremièPremière séséance au Fablab : dédécouverte des lieux, du matématériel àà disposition, recherche du matématériel nénécessaire au projet (planche, vis, éécrou, rondelle), dédécoupe laser de la planche aux bonnes dimensions, listing du matématériel manquant.

26 dédécembre 2023 au 7 janvier 2024 : Assemblage des bouts de code pour former un seul code Arduino.

8 janvier 2024 : RécupéRécupération de la deuxièdeuxième partie du matématériel et dépôdépôt au Fablab.

8 janvier au 11 janvier 2024 : Modification du schèschèma et recherche de nouveaux codes, car le matématériel nénécessaire n'éétant pas disponible, du matématériel de substitution nous a étéété fourni.

11 janvier 2024 : DeuxièDeuxième séséance au Fablab :

Au cours de cette séséance, un assemblage des composants a étéété effectuéeffectué et rangérangé dans une boîboîte afin de faciliter les branchements sur le support. La planche a éégalement étéété fixéfixée. Pour cela, il a fallu percer les trous dans le support et la planche àà l'aide des perceuses mises àà disposition au Fablab.

15 janvier 2024 : TroisièTroisième séséance au Fablab

La cartouche chauffante mise àà disposition s'est avéréavérée trop petite par rapport àà la taille du bébécher. Pour augmenter la surface de chauffe, une solution a étéété trouvétrouvée en plaçplaçant une plaque mémétallique sur la cartouche.

Pour ce faire, un carrécarré de mémétal de 10*10 cm a étéété découpédécoupé dans une plaque de mémétal àà l'aide d'une dédécoupeuse àà jet d'eau. Cette machine nénécessitant une formation pour son utilisation, le personnel du Fablab ayant cette compécompétence a étéété sollicitésollicité pour dédécouper la plaque.

Ensuite, le processus de fixation des élééléments a commencécommencé. Deux trous ont étéété percépercés dans la planche en bois pour faire passer les tuyaux reliéreliés aux réréservoirs d'acide et de base. ParallèParallèlement, des trous ont étéété réaliséréalisés dans les rérécipients d'acide et de base (bouteilles coupécoupées en deux) pour fixer les tuyaux. Ensuite, les tuyaux ont étéété solidement fixéfixés aux bouteilles et l'étanchéitéétanchéité a étéété assuréassurée, car une fuite éétait survenue en raison d'un trou trop grand. Pour reméremédier àà cela, de la pâpâte àà fixe et un pistolet àà colle ont étéété utiliséutilisés en solution de secours.

Les éélectrovannes ont étéété fixéfixées en perforant le support et en utilisant des colliers de serrage pour les maintenir en place.

Ensuite, les rérécipients ont étéété solidement fixéfixés sur la planche àà l'aide de colle, reliéreliés via des tuyaux en plastique aux éélectrovannes fixéfixées avec des vis et des éécrous.

La cartouche chauffante a éégalement étéété fixéfixée sur le support pour ééviter tout dédéplacement. Une fois la cartouche stabiliséstabilisée, la plaque mémétallique a étéété fixéfixée àà l'aide de pâpâte àà fixe, assurant un bon maintien.

Des trous ont étéété percépercés dans la plaque du support pour faire passer les câcâbles des diffédifférents composants et faciliter leur connexion ainsi que pour fixer les éélectrovannes.

La disposition de la carte Arduino et de la breadboard a étéété effectuéeffectuée àà l'arrièarrière du support dans le but de réréduire au maximum le risque de contact avec les liquides.

19 janvier 2024 : QuatrièQuatrième séséance au Fablab

Au cours de cette séséance, des ajustements ont étéété nénécessaires, impliquant la crécréation de trous supplésupplémentaires pour faciliter le passage des fils de connexion, en particulier ceux destinédestinés au contrôcontrôle des éélectrovannes.

Le processus de câcâblage a étéété globalement accompli, àà l'exception des éélectrovannes, pour lesquelles une probléproblématique spéspécifique est survenue. Plus préciséprécisément, la difficultédifficulté rérésidait dans la manièmanière de fixer les câcâbles de manièmanière sécurisésécurisée sur les connectiques des éélectrovannes.

Les autres composants, tels que le capteur de tempétempérature, la cartouche chauffante, le transistor et l'opHmèopHmètre, ont étéété intégréintégrés avec succèsuccès dans le systèsystème. Cependant, le dédéfi actuel est de rérésoudre la question liéliée àà la fixation des câcâbles pour assurer une connexion fiable avec les éélectrovannes, tout en maintenant l'intégritéintégrité du câcâblage global.

22 janvier 2024 : CinquièCinquième séséance au Fablab

Au cours de cette session, nous avons réréussi àà connecter l'ensemble des composants, finalisant ainsi l'assemblage. En ce qui concerne les éélectrovannes, nous avons rérésolu le problèproblème en utilisant des cosses éélectriques.

De plus, des consolidations entre les câcâbles ont étéété nénécessaires, car certains d'entre eux s'éétaient débranchédébranchés entre les deux séséances, assurant ainsi une connexion stable et fiable.

25 janvier 2024 : SixièSixième séséance au Fablab

Au cours de la séséance, nous avons entrepris des tests visant àà éévaluer le bon fonctionnement de notre montage. Cependant, lors du remplissage des réréservoirs d'acide et de base, une fuite a étéété constatéconstatée au niveau d'un des rérécipients. Cette situation nous a contraints àà remplacer le rérécipient dédéfectueux et àà effectuer des travaux d'étanchéitéétanchéité. Suite àà ces interventions, aucune fuite supplésupplémentaire n'a étéété observéobservée.

Malheureusement, les rérésultats des tests se sont révélérévélés non concluants, car ni la cartouche chauffante ni les éélectrovannes n'ont étéété activéactivées pour assurer la rérégulation nénécessaire. Ce constat soulèsoulève des interrogations quant au fonctionnement correct de ces composants essentiels de notre dispositif. Des investigations approfondies seront nénécessaires pour identifier et rérésoudre les ééventuels problèproblèmes techniques rencontrérencontrés, afin d'optimiser les performances de notre montage expéexpérimental.

29 janvier 2024 : Septième séance au Fablab

Au cours de cettela séséance, nous avons testéinitié lesde différentsnouveaux composantstests pourvisant identifierà lesévaluer problèmesl'efficacité dansde notre prototype.
Lesmontage. testsDans une première étape, nous avons effectué des essais indépendants sur le fonctionnementcapteur desde capteurstempérature et desle codes associés ont été concluants. Les capteurscapteur de pH etpour vérifier leur réactivité.

Nous avons identifié l'absence d'une résistance au niveau des connexions de températurela cartouche. Après son ajout, des résultats ont étéété testésobtenus.

Ces résultats ont été obtenus en immergeant le capteur de température dans de l'eau àdu températurerobinet ambiantelégèrement etchauffée.

renvoient

bien

Pour desle valeurspH-mètre, cohérentes.les Unerésultats résistanceont aété étéobtenus ajoutéedans aude niveaul'eau desde branchementsville sans calibration préalable du capteur en raison de température.l'absence de solutions tampons.

NousPar n'la suite, nous avons pasentrepris réussiune àsérie faired'essais fonctionnervisant lesà vannesélever etla température de la cartouche chauffante,et quià neactiver s'allumel'ouverture des électrovannes. Malheureusement, ces deux tentatives ont rencontré des obstacles. Malgré nos efforts, la chauffe de la cartouche n'a pas même en utilisant un simple code d'allumage sans régulation. Cela peut être du à un problème de branchement (mauvais contact, erreur dansproduit les branchements)résultats ou un problème d'alimentation (alimentation inadaptée ou défectueuse). Nous avons testé différents branchements sans succèescomptés, nouset les commandes visant à ouvrir les électrovannes n'avionsont pas accèsété àexécutées d'autresavec alimentations.succès.

Branchements:

Code:

#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>

const int phMeterPin = A0;  // Broche analogique pour le pHmetre
const int acidValveRelayPin = 8;  // Broche pour le relais de l'éélectrovanne d'acide
const int baseValveRelayPin = 9;  // Broche pour le relais de l'éélectrovanne de base

const int tempSensorPin = 2;  // Broche pour le capteur de tempétempérature DS18B20
const int heatingElementPin = 3;  // Broche pour la cartouche chauffante
const int tempThreshold = 25;  // TempéTempérature cible

OneWire oneWire(tempSensorPin);
DallasTemperature sensors(&oneWire);

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(acidValveRelayPin, OUTPUT);
  pinMode(baseValveRelayPin, OUTPUT);
  pinMode(heatingElementPin, OUTPUT);
}

void loop() {
  // Mesure du pH
  float pHValue = analogRead(phMeterPin) * 0.0049;  // Conversion en pH (ajuster selon le capteur utiliséutilisé)
  
  // RéRégulation du pH
  if (pHValue > 7.0) {
    digitalWrite(acidValveRelayPin, HIGH);  // Ouvrir l'éélectrovanne d'acide
    digitalWrite(baseValveRelayPin, LOW);   // Fermer l'éélectrovanne de base
  } else if (pHValue < 6.5) {
    digitalWrite(acidValveRelayPin, LOW);   // Fermer l'éélectrovanne d'acide
    digitalWrite(baseValveRelayPin, HIGH);  // Ouvrir l'éélectrovanne de base
  } else {
    digitalWrite(acidValveRelayPin, LOW);   // Fermer l'éélectrovanne d'acide
    digitalWrite(baseValveRelayPin, LOW);   // Fermer l'éélectrovanne de base
  }

  // Mesure de la tempétempérature
  sensors.requestTemperatures();
  float tempValue = sensors.getTempCByIndex(0);

  // RéRégulation de la tempétempérature
  if (tempValue < tempThreshold) {
    digitalWrite(heatingElementPin, HIGH);  // Allumer la cartouche chauffante
  } else {
    digitalWrite(heatingElementPin, LOW);   // ÉÉteindre la cartouche chauffante
  }

  // Affichage des valeurs
  Serial.print("pH: ");
  Serial.print(pHValue);
  Serial.print(" | TempéTempérature: ");
  Serial.print(tempValue);
  Serial.println(" °°C");

  delay(1000);  // Attendre 1 seconde entre chaque itéitération
}

La bibliothèbibliothèque "OneWire" est un ensemble de fonctionnalitéfonctionnalités logicielles intégréintégrées au langage de programmation Arduino, conçconçu pour faciliter la communication avec des dispositifs utilisant le protocole OneWire. Ce protocole de communication est particulièparticulièrement adaptéadapté aux situations oùoù plusieurs dispositifs doivent partager une seule ligne de donnédonnées.

Le protocole OneWire utilise une seule ligne de donnédonnées pour la communication bidirectionnelle entre le microcontrômicrocontrôleur (comme celui préprésent sur la carte Arduino) et les dispositifs connectéconnectés, tels que des capteurs de tempétempérature DS18B20. La bibliothèbibliothèque "OneWire" fournit des fonctions de bas niveau qui simplifient l'impléimplémentation de la communication en gégérant les dédétails spéspécifiques du protocole.

Lorsqu'un dispositif compatible avec le protocole OneWire est connectéconnecté au microcontrômicrocontrôleur via une broche spéspécifique, la bibliothèbibliothèque "OneWire" permet de réréaliser des opéopérations telles que l'initialisation de la communication, la lecture et l'éécriture de donnédonnées sur la ligne unique, et la gestion des timings nénécessaires pour garantir une communication fiable.

La bibliothèbibliothèque "DallasTemperature" est une extension spécialiséspécialisée construite au-dessus de la bibliothèbibliothèque "OneWire" pour faciliter l'intéintégration et la gestion des capteurs de tempétempérature de Dallas Semiconductor, en particulier le DS18B20, dans les projets Arduino. Elle offre des fonctions spéspécifiques qui simplifient les opéopérations liéliées àà la mesure de la tempétempérature, en se basant sur le protocole OneWire. Lorsque vous utilisez un capteur de tempétempérature DS18B20, vous pouvez connecter le capteur àà une broche du microcontrômicrocontrôleur compatible avec le protocole OneWire. La bibliothèbibliothèque "DallasTemperature" simplifie alors la communication avec ce capteur, gégérant automatiquement les dédétails du protocole OneWire et fournissant des fonctions spéspécifiques pour interagir avec le DS18B20.

OU

Dans le cadre de cet exemple, la combinaison des bibliothèbibliothèques OneWire et DallasTemperature offre une solution efficace pour la lecture simplifiésimplifiée de la tempétempérature àà partir d'un capteur DS18B20 connectéconnecté àà une broche de donnédonnées spéspécifique sur une carte Arduino.

La bibliothèbibliothèque OneWire agit comme une couche de communication de bas niveau, permettant au microcontrômicrocontrôleur de dialoguer avec des dispositifs utilisant le protocole OneWire via une seule ligne de donnédonnées. Elle gègère les dédétails complexes du protocole, tels que l'éémission de signaux de communication et la réréception des réréponses des dispositifs connectéconnectés.

D'un autre côtécôté, la bibliothèbibliothèque DallasTemperature est construite au-dessus de OneWire et fournit des fonctions spéspécifiques pour simplifier l'interaction avec les capteurs de tempétempérature de Dallas Semiconductor, en particulier le DS18B20. Elle encapsule les opéopérations nénécessaires pour demander et recevoir les donnédonnées de tempétempérature du capteur, offrant ainsi une interface plus conviviale et orientéorientée objet.

Ainsi, l'utilisation conjointe de ces deux bibliothèbibliothèques permet de bénébénéficier de l'efficacitéefficacité de OneWire pour la gestion du protocole de communication àà un seul fil, tout en profitant de la simplicitésimplicité et de la spécificitéspécificité apportéapportées par DallasTemperature pour la lecture de la tempétempérature avec un capteur DS18B20.