Projet d'Automatisation et régulation de la viscosité

UE MU5CI823-Optimisation, contrôcontrôle et digitalisation des procédéprocédés

Groupe 2

Noms et PréPrénoms:

DE LA TAILLE LOLAINVILLE Gregoire (gregoire.de_la_taille_lolainville@etu.sorbonne-universitéuniversité.fr) 21103148

PALAIN Ilies (ilies.palain@etu.sobonne-universitéuniversité.fr) 21400210

HOU Charles (charles.hou@etu.sorbonne-universitéuniversité.fr) 21400213

JIANG Alexandre (alexandre.jiang@etu.sorbonne-universitéuniversité.fr) 21113611

Introduction :

L'objectif de notre projet est de contrôcontrôler la concentration d'une solution aqueuse àà partir de sa viscositéviscosité. Pour cela, nous utiliserons un agent visqueux afin de directement associer la viscositéviscosité du mémélange àà sa concentration en agent visqueux

MatéMatériel utiliséutilisés:

RéRéactifs :

• Eau
• GlycéGlycérine

Composants:

• 1 carte Arduino (Carte Arduino UNO Rev 3)
• 3 pompes (LEX-WATER-PUMP2 Pompe miniature àà eau 1,1 L/min)
• 1 moteur agitateur pour mémélanger (MotoréMotoréducteur 37025GM-12130)
• 2 éélectrovannes (Electrovanne 12 V FDP360L)
• 4 Relais (Module de relais 5 V SRD-05VDC-SL-C)
• 1 capteur ultrason (Capteur de dédétection ultrasons HC-SR04)
• 1 capteur de tempétempérature (Capteur de tempétempérature DS18B20 éétanche DFR0198) : TT (Temperature Transmitter)
• 1 capteur de dédébit (Capteur de dédébit YFS401) : FT (Flow Transmitter)
• 1 BreadBoard
• 4 rérécipients

Avancement du projet:

16/10/2025: Lors de la semaine blanche, nous avons entaméentamé une premièpremière séséance de brainstorming qui nous servait de base prépréliminaire pour choisir le sujet de notre projet. Nous nous sommes ainsi portéporté sur un sujet portant sur la rérégulation du procédéprocédé d'une éélaboration de biodiesel avec une analyse de sa puretépureté.

17/10/2025 : AprèAprès concertation avec notre tuteur de projet, M. JérôJérôme PULPYTEL, nous avons dédécider de modifier notre sujet, tout en gardant l'une des idéidée de base de l'ancien sujet qui est en rapport avec la viscositéviscosité. C'est pour cela que nous sommes donc partis sur l'automatisation de la rérégulation de la viscositéviscosité par une méméthode in-situ. 

17/10/2025 jusqu'au 28/10/2025 : RéRéalisation du schéschéma de notre projet et la prépréparation de la liste de matématériel nénécessaire àà notre projet.

Figure 1 : P&ID de dédépart

17/11/2025 : Nous allons chercher les matématériaux de la liste pour pouvoir ainsi commencer le projet.

19/11/2025: Sciure pour crécréer les supports pour les deux réréservoir des réréactifs de dédépart.

Figure 2 : Support en bois aprèaprès modification

24/11/2025 : Nous dédébutons le montage. Pour cela, on perce des trous dans la plaque en bois pour permettre le maintien des ééquipements. De plus, nous perçperçons les rérécipients pour permettre l'insertion des tuyaux. Nous installons ensuite les premiers élééléments qui sont les rérécipients, une pompe, une éélectrovanne et un capteur.

Figure 3 : Assemblage des premiers élééléments du projet

Figure 4 : Placement des élééléments sous diffédifférents angles

26/11/2025 : 1er essai de modémodélisation du montage éélectrique sur TinkerCad. ModéModélisation 3D de l'héhélice et de la tige àà rattacher au moteur pour nous permettre de mémélanger nos liquide. CréCréation d'un support pour le moteur.

Figure 5 : 1er essai de modémodélisation sur TinkerCad

27/11/2025 : AprèAprès un premier envoi de notre essai de modémodélisation, notre tuteur nous explique qu'il manque des composants sur notre modèmodèle TinkerCad et le code est incomplet. Suite àà cela, nous nous dédécidons de modifier notre envoi de modémodélisation. En parallèparallèle àà cela, nous imprimons en 3D les pales de notre agitateur. Puis nous avons fait des trous dans nos planches pour pouvoir installer les derniers pièpièces manquantes sur le support.

Figure 6 : Pales impriméimprimées en 3D pour l'agitation

Figure 7 : Support comportant tout les emplacements finaux

28/11/2025 : Nous commençcommençons les branchement des modules relais àà l'Arduino. Tous les ééquipements ont d'abord étéété testétesté avec le code correspond afin de vévérifier leur bon fonctionnement. Ils ont ensuite étéété placéplacés sur le support avec les diffédifférents rérécipients et les branchements associéassociés.

Figure 8a : Support comportant les ééquipements, rérécipients et branchements (face avant)

Figure 8b : Support comportant les ééquipements, rérécipients et branchements (face avant)

Du fait d'un dédébit de sortie de l'eau beaucoup trop faible àà cause de la vanne associéassociée, il a étéété décidédécidé de la remplacer par une pompe. Voici le nouveau P&ID du projet : 

Figure 9 : Nouveau P&ID de l'installation

26/01/2025 : Il n'a pas étéété possible d'obtenir de la glycéglycérine pour le projet. Ainsi, la glycéglycérine est remplacéremplacée par un autre liquide visqueux, la grenadine, car disponible àà bas coûcoût et en grande quantitéquantité, la viscositéviscosité a étéété estiméestimé àà environ 1500 CP.

On obtient la courbe d'éétalonnage suivante, grâgrâce àà des diffédifférentes mesures d'eau pure, de grenadine pure, et de mémélange 50/50, :

 

Figure 10 : Graphique montrant l'éévolution du dédébit en fonction de la viscositéviscosité

Vidéo

de

fonctionnement

de

notre

machine:

 https://drive.google.com/file/d/1BzHH6KNIaNU-V8PfrfB-I7nHwKs--mJp/view?usp=sharing

Nous avons également fait leLe code Arduino a été fait en s'aidant de l'IA claude.ai :

// MACHINE DE REGULATION DE VISCOSITE  #include "Ultrasonic.h" // BibliothèBibliothèque pour le capteur de niveau // Valeur de viscositéviscosité cible en centipoise const float VISCOSITE_CIBLE = 500.0;  // Entre 1 et 1500 cP // pin occupéoccupés const int pumpWaterPin = 2;      // Pompe eau const int pumpGrenadinePin = 3;  // Pompe grenadine const int pumpCircuitPin = 4;    // Pompe circuit de mesure const int transferPumpPin = 5;   // Pompe de transfert const int transferValvePin = 6;  // Vanne de transfert const int flowSensorPin = 7;     // Capteur de dédébit const int ultrasonicPin = 8;     // Capteur niveau ultrason // ParamèParamètres const float TOLERANCE_DEBIT = 0.10;    // 10% de tolétolérance sur le dédébit const unsigned long minPulseInterval = 50; // Filtre anti-bruit const int NIVEAU_MIN = 6;  // Niveau minimum en cm (dédébordement si < 6cm) // Variable mesurémesurées volatile int pulseCount = 0; int lastState = HIGH; unsigned long lastPulseTime = 0; float flowReadings[10]; Ultrasonic ultrasonic(ultrasonicPin); unsigned long lastLevelCheck = 0; void setup() {   Serial.begin(115200);      // Configuration des pins   pinMode(pumpWaterPin, OUTPUT);   pinMode(pumpGrenadinePin, OUTPUT);   pinMode(pumpCircuitPin, OUTPUT);   pinMode(transferPumpPin, OUTPUT);   pinMode(transferValvePin, OUTPUT);   pinMode(flowSensorPin, INPUT_PULLUP);      // Tout ééteint au dédépart   digitalWrite(pumpWaterPin, LOW);   digitalWrite(pumpGrenadinePin, LOW);   digitalWrite(pumpCircuitPin, LOW);   digitalWrite(transferPumpPin, LOW);   digitalWrite(transferValvePin, LOW);         // Attente de 3 secondes avant de dédémarrer   Serial.println("DéDémarrage dans 3 secondes...");   delay(3000);      // ETAPE 1: Injection initiale d'eau   Serial.println("INJECTION INITIALE D'EAU");   digitalWrite(pumpWaterPin, HIGH);   delay(5000);   digitalWrite(pumpWaterPin, LOW);      delay(2000); // Pause pour stabilisation      // Boucle de rérégulation   regulateViscosity(); } void loop() {   // Programme terminéterminé, ne fait rien } void regulateViscosity() {   int iteration = 1;      while (true) {     // VéVérification du niveau toutes les 5 secondes     if (millis() - lastLevelCheck >= 5000) {       checkLevel();       lastLevelCheck = millis();     }          // Mesure du dédébit     float avgFlow = measureFlow();          // Calcul de la viscositéviscosité mesurémesurée par interpolation     // Points d'éétalonnage : (1, 0.815), (750, 0.772), (1500, 0.688)     float viscositeMesuree;          if (avgFlow >= 0.772) {       // Entre eau et mémélange : interpolation linélinéaire       // De 0.815 L/min (1 cP) àà 0.772 L/min (750 cP)       viscositeMesuree = 1 + (0.815 - avgFlow) / (0.815 - 0.772) * (750 - 1);     } else {       // Entre mémélange et grenadine : interpolation linélinéaire       // De 0.772 L/min (750 cP) àà 0.688 L/min (1500 cP)       viscositeMesuree = 750 + (0.772 - avgFlow) / (0.772 - 0.688) * (1500 - 750);     }          // Calcul du dédébit cible par interpolation inverse     float debitCible;          if (VISCOSITE_CIBLE <= 750) {       // Entre eau et mémélange       debitCible = 0.815 - (VISCOSITE_CIBLE - 1) / (750 - 1) * (0.815 - 0.772);     } else {       // Entre mémélange et grenadine       debitCible = 0.772 - (VISCOSITE_CIBLE - 750) / (1500 - 750) * (0.772 - 0.688);     }          Serial.print(">>> DéDébit cible: ");     Serial.print(debitCible, 2);     Serial.print(" L/min  |  DéDébit mesurémesuré: ");     Serial.print(avgFlow, 2);     Serial.println(" L/min");          // Calcul de l'éécart sur le dédébit     float ecartDebit = abs(avgFlow - debitCible) / debitCible;     Serial.print(">>> ÉÉcart dédébit: ");     Serial.print(ecartDebit * 100, 1);     Serial.println("%");          // PREMIERE ITERATION : on ignore et on passe àà la suivante puisque l'on a remarquéremarqué que l'on a souvent des valeurs incohéincohérentes lors de la premièpremière itéitération     if (iteration == 1) {       Serial.println("\n--> PremièPremière itéitération: aucun ajustement");       Serial.println("Pause de stabilisation (2 sec)...\n");       delay(2000);       iteration++;       continue;     }          // VéVérification si dans la tolétolérance (àà partir de l'itéitération 2)     if (ecartDebit <= TOLERANCE_DEBIT) {       Serial.println("\n*** DEBIT CIBLE ATTEINT! ***\n");       transferMixture();       Serial.println("\n========================================");       Serial.println("  PROCESSUS TERMINE AVEC SUCCES");       Serial.println("========================================\n");       break;     }          // Ajustement nénécessaire     if (avgFlow > debitCible) {       // DéDébit trop élevéélevé (trop fluide) => Ajouter grenadine       Serial.println("\n--> DéDébit trop élevéélevé: Ajout de GRENADINE (3 sec)");       digitalWrite(pumpGrenadinePin, HIGH);       delay(3000);       digitalWrite(pumpGrenadinePin, LOW);     } else {       // DéDébit trop faible (trop visqueux) => Ajouter eau       Serial.println("\n--> DéDébit trop faible: Ajout d'EAU (3 sec)");       digitalWrite(pumpWaterPin, HIGH);       delay(3000);       digitalWrite(pumpWaterPin, LOW);     }          Serial.println("Pause de stabilisation (2 sec)...\n");     delay(2000);          iteration++;   } } float measureFlow() {   Serial.println("=== MESURE DU DEBIT ===");   Serial.println("Pompe circuit: ON");   digitalWrite(pumpCircuitPin, HIGH);      // 10 mesures de 1 seconde chacune   for (int i = 0; i < 10; i++) {     pulseCount = 0;     unsigned long startTime = millis();          // Mesure pendant 1 seconde     while (millis() - startTime < 1000) {       int currentState = digitalRead(flowSensorPin);              if (lastState == HIGH && currentState == LOW) {         unsigned long currentTime = millis();         if (currentTime - lastPulseTime > minPulseInterval) {           pulseCount++;           lastPulseTime = currentTime;         }       }       lastState = currentState;     }          // Calcul du dédébit     float flowRate = (pulseCount / 450.0) * 60.0;     flowReadings[i] = flowRate;          Serial.print("Mesure ");     Serial.print(i + 1);     Serial.print("/10: ");     Serial.print(flowRate, 2);     Serial.println(" L/min");   }      // ArrêArrêt de la pompe   digitalWrite(pumpCircuitPin, LOW);   Serial.println("Pompe circuit: OFF");      // Calcul de la moyenne   float sum = 0;   for (int i = 0; i < 10; i++) {     sum += flowReadings[i];   }   float avgFlow = sum / 10.0;      Serial.print("\nDénDébit moyen: ");   Serial.print(avgFlow, 2);   Serial.println(" L/min");      return avgFlow; } void transferMixture() {   Serial.println("\n=== TRANSFERT DU MELANGE ===");   Serial.println("Pompe transfert + Vanne: ON (30 sec)");      digitalWrite(transferPumpPin, HIGH);   digitalWrite(transferValvePin, HIGH);      delay(30000);      digitalWrite(transferPumpPin, LOW);   digitalWrite(transferValvePin, LOW);      Serial.println("Pompe transfert + Vanne: OFF");   Serial.println("Transfert terminéterminé!"); } // Mesure de la hauteur du mémélange, arrêarrêt si < 6 cm void checkLevel() {   long distance = ultrasonic.MeasureInCentimeters();      Serial.print("[NIVEAU] Distance: ");   Serial.print(distance);   Serial.println(" cm");      if (distance < NIVEAU_MIN) {     Serial.println("\n!!! ALERTE: RISQUE DE DEBORDEMENT !!!");     Serial.print("Distance mesurémesurée: ");     Serial.print(distance);     Serial.print(" cm < ");     Serial.print(NIVEAU_MIN);     Serial.println(" cm");          // ArrêArrêt de toutes les pompes     digitalWrite(pumpWaterPin, LOW);     digitalWrite(pumpGrenadinePin, LOW);     digitalWrite(pumpCircuitPin, LOW);          Serial.println("\n=== VIDANGE D'URGENCE ===");          // Vidange     digitalWrite(transferPumpPin, HIGH);     digitalWrite(transferValvePin, HIGH);          delay(30000);          digitalWrite(transferPumpPin, LOW);     digitalWrite(transferValvePin, LOW);          Serial.println("\n========================================");     Serial.println("  ERREUR: NIVEAU CRITIQUE ATTEINT");     Serial.println("  Vidange effectuéeffectuée - Programme arrêtéarrêté");     Serial.println("========================================\n");          // ArrêArrêt du programme     while(1) {       delay(1000);     }   } }

Ce programme Arduino contrôcontrôle une machine automatique capable de réréguler la viscositéviscosité d'un mémélange liquide entre 1 et 1500 centipoise (cP). Le systèsystème mémélange de l'eau et de la grenadine pour atteindre une viscositéviscosité cible dédéfinie par l'utilisateur.

Fonctionnement du code

1. ÉÉtalonnage

Le systèsystème s'appuie sur un éétalonnage réaliséréalisé avec trois points de mesure :

• Eau pure : 1 cP →→ dédébit de 0.815 L/min

• MéMélange 50/50 : 750 cP →→ dédébit de 0.772 L/min

• Grenadine pure : 1500 cP →→ dédébit de 0.688 L/min

Ces mesures éétablissent une relation entre le dédébit mesurémesuré et la viscositéviscosité du liquide : plus le liquide est visqueux, plus le dédébit est faible.

2. Processus de rérégulation

ÉÉtape 1: Initialisation

• Injection initiale de 5 secondes d'eau pour crécréer une base de travail

• Pause de 2 secondes pour stabilisation

ÉÉtape 2: Cycle de mesure et ajustement

1. Mesure du dédébit : La pompe de circuit (pin 4) fait circuler le liquide pendant 10 secondes àà travers le débitmèdébitmètre (pin 7). Le systèsystème prend 10 mesures d'une seconde chacune et calcule la moyenne.

2. Calcul de la viscositéviscosité : En utilisant l'interpolation linélinéaire sur les points d'éétalonnage, le programme convertit le dédébit mesurémesuré en valeur de viscositéviscosité.

3. Comparaison avec la cible : Le systèsystème calcule l'éécart entre le dédébit mesurémesuré et le dédébit cible (correspondant àà la viscositéviscosité désirédésirée).

4. Ajustement :

   • Si le dédébit est trop élevéélevé (liquide trop fluide) →→ ajout de grenadine pendant 3 secondes (pin 3)

   • Si le dédébit est trop faible (liquide trop visqueux) →→ ajout d'eau pendant 3 secondes (pin 2)

5. RépéRépétition : Le cycle se répèrépète jusqu'àà ce que l'éécart soit inféinférieur àà 10% du dédébit cible.

6. La premièpremière itéitération sert uniquement àà mesurer l'éétat initial, aucun ajustement n'est effectuéeffectué.

ÉÉtape 3: Transfert Une fois la viscositéviscosité cible atteinte, le mémélange est transférétransféré en activant simultanésimultanément la pompe de transfert (pin 5) et la vanne (pin 6) pendant 30 secondes.

SécuritéSécurité: DéDétection de dédébordement

Un capteur ultrason (pin 8) surveille le niveau du liquide toutes les 5 secondes. Si la distance mesurémesurée est inféinférieure àà 6 cm (risque de dédébordement), le systèsystème :

1. ArrêArrête imméimmédiatement toutes les pompes

2. Effectue une vidange d'urgence (30 secondes)

3. Affiche un message d'erreur

4. Stoppe dédéfinitivement le programme

Configuration matématérielle

Pins utiliséutilisées

• Pin 2 : Pompe d'injection d'eau

• Pin 3 : Pompe d'injection de grenadine

• Pin 4 : Pompe du boucle de mesure

• Pin 5 : Pompe de vidange

• Pin 6 : Vanne de vidange

• Pin 7 : Capteur de dédébit (débitmèdébitmètre SEN0217)

• Pin 8 : Capteur de niveau ultrason

Limites et recommandations

Zone de préprécision réréduite (> 750 cP) Au-delàdelà de 750 cP, la variation de dédébit devient trètrès faible (seulement 0.084 L/min entre 750 et 1500 cP). Le systèsystème devient donc plus sensible aux fluctuations et moins préprécis. Pour ces viscositéviscosités élevéélevées, il est recommandérecommandé d'augmenter la tolétolérance àà 15-20%.

BibliothèBibliothèque requise: Le programme nénécessite la bibliothèbibliothèque Ultrasonic.h pour le capteur de niveau.

Conclusion : 

Ce projet portant sur la conception et la mise en place d’d’un systèsystème d''automatisation et de rérégulation de la viscositéviscosité. Le projet nous a permis de mettre en pratique la théthéorie acquise acadéacadémiquement àà une réréalisation concrèconcrète, en intéintégrant des élééléments mémécaniques, hydrauliques et éélectroniques contrôlécontrôlées par Arduino.

Avec plus de temps, nous aurions pu améaméliorer la robustesse du montage, de meilleurs attaches, réréaliser un câcâble management  ainsi que l’l’optimisation du code pour rendre l'automatisation plus stable et plus préprécise surtout àà haute viscositéviscosité. Une meilleure droite d'éétalonnage et un meilleur débitmèdébitmètre aurait éégalement permis d’d’augmenter la fiabilitéfiabilité des mesures.
 
Ce projet nous a surtout appris àà travailler en ééquipe, àà rérésoudre des problèproblèmes techniques impréimprévus (fuites, erreurs de câcâblage, difficultédifficultés de programmation) et àà adapter notre conception en cours de route. Nous avons retenu l’l’importance des tests progressifs, de la communication entre les membres du groupe et du lien entre théthéorie et pratique dans la réréalisation d’d’un procédéprocédé expéexpérimental.

Cela nous a permis de dédévelopper des compécompétences cléclés, comme le travail d’éd’équipe, la rérésolution de problèproblèmes techniques (fuites, câcâblage, programmation) et l’adaptabilitél’adaptabilité face aux impréimprévus. Il a aussi soulignésouligné l’l’importance des tests réréguliers, d’d’une communication efficace et de l’él’équilibre entre théthéorie et pratique pour mener àà bien une expéexpérience.