Projet de contrôle et de régulation du pH et de la température dans une chaudière

Formation : Master 2 de Chimie- Parcours Ingénierie Chimique

UE MU5CI823 - Optimisation, Contrôle et Digitalisation des Procédés 

Groupe 3

Date de début: Octobre 2025

Date de fin:

Membres du groupe :

Introduction:

Objectif : 

Le système sera conçu pour :

• Surveiller en continu la température et le pH de l'eau dans une chaudière à l’aide de capteurs appropriés.

• Comparer ces mesures aux valeurs cibles prédéfinies grâce au contrôle d’un microcontrôleur (Arduino).

• Réguler automatiquement le chauffage et l’addition d'acide ou de base via des actionneurs.

Liste des composants

La liste des composants essentiels pour notre configuration comprend les éléments suivants, chacun jouant un rôle crucial dans le processus de contrôle et de régulation du pH et de la température dans une chaudière :

• Capteurs : Capteur de température , sonde pH 
• Actionneurs : Cartouche chauffante , 2 électrovannes.
• Carte Arduino UNO : traite les données des capteurs et active les actionneurs en fonction des valeurs consignes.
• Trois récipients distincts (Boites de conserve) : l'un destiné à l'acide et l'autre à la base, et le dernier sera notre "chaudière" ou on pourra faire le mélange. 
• solution acide : vinaigre
• solution basique : bicarbonate de soude 
• Fils de connexion : Ces fils facilitent la connexion électrique entre les différents composants, assurant une communication fluide au sein du système.
  
• Câble d'alimentation : Ces câbles alimentent en énergie les électrovannes et la cartouche chauffante, assurant le bon fonctionnement de ces éléments clés du système.

• Breadboard 

• Moteur d'agitation pour assurer l'homogéniété dans le réacteur .
• 3 relais : électrovanne, moteur d'agitation, bloc chauffant.
• Alimentation externe: pile 9V

14 Octobre 2025 : L’équipe s’est rassemblée pour choisir le thème du projet et discuter des diverses propositions lors d’une séance de brainstorming. Pendant cette phase initiale, trois concepts distincts ont été envisagés, chacun mettant en lumière un aspect particulier de la régulation et du contrôle des procédés :

• Système de tri,
• Traitement d'une eau polluée,
• Régulation de la température dans un réacteur de saponification.

Après avoir discuté de la pertinence et des difficultés potentielles liées à chaque projet, l’équipe a décidé de se concentrer sur le troisième concept. Cependant, la mise en œuvre de la réaction de saponification devra être discutée avec notre tuteur, car nous ne disposons pas des produits chimiques nécessaires pour la réaliser concrètement.

17 Octobre 2025 :

Nous avons envoyé à notre tuteur notre idée de projet en détail, en expliquant le dispositif initial envisagé ainsi que les différents montages potentiels.

28 Octobre 2025 : Première réunion sur ZOOM avec notre tuteur 

Notre tuteur nous a recommandé d’ajouter une régulation du pH en plus du contrôle de la température, afin de rendre le projet plus complet et techniquement pertinent. Nous avons également discuté avec lui du matériel requis pour la mise en œuvre : capteurs pour la mesure du pH et de la température, dispositif de chauffage, moteur d’agitation, électrovannes, récipients appropriés et toute l’électronique de commande nécessaire. Cet échange nous permettra de finaliser la liste du matériel à rassembler avant de commencer réellement l’assemblage du système.

14 Novembre 2025 :

Envoi de la liste des composants à commander et à fournir 

17 novembre 2025 : 

La première partie du matériel a été récupérée à la plateforme d’ingénierie chimique, puis transportée au FabLab, où nous avons effectué les formalités d’inscription et obtenu l’autorisation nécessaire pour commencer le travail sur place.

28 novembre 2024 : Première séance au Fablab :

Aujourd’hui, nous nous sommes réunis pour réaliser un premier câblage et initier l’assemblage du système. Cependant, l’avancement est resté limité. D’une part, plusieurs composants indispensables n’étaient pas disponibles (capteur de température, électrovanne), ce qui a empêché de poursuivre le montage. D’autre part, nous avons remis en question la faisabilité de la réaction de saponification compte tenu des réactifs réellement à notre disposition (bicarbonate de soude comme base). 
Nous avons donc sollicité notre tuteur afin d’obtenir les précisions techniques nécessaires. Le travail pourra reprendre une fois que nous disposerons du matériel manquant ainsi que des informations complémentaires.

01 Décembre : Conception du premier schéma sur Tinkercad

Pour cette première étape de modélisation, nous avons réalisé un schéma fonctionnel sur Tinkercad afin de simuler le comportement de notre système avant l’assemblage réel.

Les capteurs de température et de pH ont été représentés par des potentiomètres. Ceux-ci permettent de modifier manuellement les valeurs simulées et ainsi d’observer la réaction du programme face à différentes perturbations, ce qui facilite la vérification de la régulation. Les actionneurs ont quant à eux été symbolisés par des LED, chacune jouant le rôle d’un élément du système réel :

• LED rouge représente le bloc chauffant : LED allumée (chauffage ON), LED éteinte ( chauffage OFF)
• LED bleue représente l'électrovanne d'acide : LED allumée (électrovanne ouverte), LED éteinte ( électrovanne fermée)
• LED verte représente l'électrovanne de base : LED allumée (électrovanne ouverte), LED éteinte ( électrovanne fermée)

Après avoir chargé le code et lancé la simulation, nous avons constaté que les LED ne s’allumaient quasiment pas, même lorsque nous modifions fortement les valeurs simulées de température ou de pH. Comme le code avait déjà été vérifié plusieurs fois, nous avons supposé que le problème venait du câblage des LED. Nous avons donc transmis la simulation à notre tuteur pour qu’il puisse identifier l’erreur.

04 Décembre 2025 : Deuxieme séance au FabLab + Réunion en présentiel avec notre tuteur

05 décembre 2025 : Troisième séance au FabLab et récupération du matériel manquant 

nous nous sommes rendus sur la plateforme d’ingénierie chimique afin de récupérer les éléments qui nous manquaient pour poursuivre notre montage. Nous avons pu récupérer l’ensemble des composants restants : la sonde pH, le capteur de température, les relais, les tuyaux ainsi que l’écran d’affichage.

Lors de cette séance au FabLab, notre objectif était d’imprimer la palme d’agitation ainsi que la pièce destinée à assurer la liaison avec le moteur. L’impression a débuté normalement, mais après environ 1 h 30, un dysfonctionnement de l’imprimante est survenu. Ce problème a entraîné une déformation de la pièce en cours de fabrication. Nous devrons donc relancer une impression lors d’une prochaine séance. 

Enfin, après que notre tuteur a consulté la simulation Tinkercad, le problème venait en effet du câblage des LED. Une fois cette erreur corrigée, notre schéma électronique fonctionne désormais correctement.

08 Décembre 2025 :  Impression des pales d'agitation

Lors de cette journée au Fab Lab, nous avons procédé à la réimpression en 3D d’une pale d’agitation afin de respecter l’ensemble des dimensions demandées. Cette nouvelle impression s’est révélée conforme. Nous avons également imprimé une pièce complémentaire permettant d’assurer la liaison entre la pale d’agitation et le moteur d’agitation. Après environ deux heures d’impression, des tests ont été réalisés en assemblant la pale, la pièce de liaison et l’agitateur. La pale a été collée à la pièce de connexion, puis l’ensemble a été alimenté à l’aide d’un générateur de courant. Les essais ont montré que le système d’agitation fonctionnait correctement à une tension qui ne dépasse pas (1,5V).

                                                                                 

En parallèle, nous avons travaillé sur la structure de support du dispositif. Une autre partie du projet consistant à concevoir une planche de support destinée à être placée sur la partie supérieure du dispositif afin de maintenir les deux réservoirs d’acide et de base. Sur cette planche, nous avons réalisé deux découpes circulaires correspondant au rayon des réservoirs en acier (3,6 cm). La planche est collée sur le dispositif à l’aide de deux ailes de fixation, une à gauche et une à droite. Les deux réservoirs en acier ont ensuite été perforés selon le diamètre des tuyaux afin de permettre le passage des fluides.

Des tuyaux en plastique ont été installés entre chaque réservoir et son électrovanne, puis entre la sortie des électrovannes et le réacteur. La planche perpendiculaire a également été préparée pour la fixation des électrovannes : quatre trous ont été percés pour chaque vanne à l’aide d’une mèche de petit diamètre, permettant leur fixation à l’aide de colliers en plastique, tout en respectant le sens de circulation du fluide. Avant la fixation,  deux files sont soudés sur chaque électrovanne qui vont servir par la suite aux branchements avec le relais et l'arduino. Enfin, des tests de fuite ont été réalisés sur l’ensemble du circuit. Chaque connexion entre les réservoirs, les tuyaux et les électrovannes a été vérifiée afin de détecter d’éventuelles fuites. En cas de fuite, celles-ci ont été corrigées à l’aide de colle appliquée avec un pistolet à colle, notamment au niveau des sorties des réservoirs.

10 Décembre 2025 : Régulation pH

Lors de cette séance au Fab Lab, nous avons commencé par la fixation définitive des réservoirs. Les réservoirs ont été collés à la planche de support préalablement découpée à l’aide de colle afin de garantir leur stabilité et d’éviter tout risque de détachement. Nous avons ensuite travaillé sur la partie électronique du projet, en particulier le branchement de l’écran à la carte Arduino. L’environnement de développement Arduino IDE a été installé sur le PC afin de permettre la programmation et la communication avec la carte.
Dans un premier temps, l’écran a été testé à l’aide d’un programme simple afin de vérifier son bon fonctionnement et l’affichage des informations. 

Une fois ces tests validés, nous avons poursuivi avec l’intégration du capteur de pH. Une phase de calibration a été réalisée à l’aide d’un code dédié, suivie de l’utilisation d’un second programme destiné à la mesure du pH. Cependant, les résultats obtenus n’étaient pas satisfaisants : bien que la calibration semble fonctionner correctement, les valeurs mesurées par la suite étaient incorrectes. Nous avons constaté que le code de mesure écrasait probablement les paramètres de calibration, ce qui entraînait l’affichage de valeurs de pH erronées.

17 Décembre 2025 : Régulation Ph 2

Cette journée a été entièrement consacrée au développement et à la validation du code de mesure et de régulation du pH. Plusieurs programmes ont été testés au cours de la journée, mais différents problèmes ont été rencontrés. Certains codes n’affichaient pas des valeurs de pH correctes en raison d’une calibration inadéquate, tandis que d’autres affichaient uniquement la valeur brute du signal (RAW) au lieu de la valeur réelle du pH. De plus, avec certains programmes, les électrovannes ne s’ouvraient pas correctement, ce qui empêchait le fonctionnement du système de régulation.
Après l’essai de plusieurs codes (environ quatre versions différentes), un programme final a été sélectionné. Ce code permet dans un premier temps la calibration du capteur de pH à l’aide de solutions tampons de pH 4 et pH 7. À partir de ces valeurs, le programme calcule l’erreur entre les valeurs mesurées et les valeurs théoriques, puis détermine les paramètres d’une droite de correction. Cette correction est ensuite prise en compte lors des mesures suivantes afin d’améliorer la précision du pH mesuré. Le programme permet également d’afficher la valeur du pH et de commander automatiquement l’ouverture des électrovannes : lorsque le pH est inférieur à 7, l’ajout de base est déclenché, et inversement, lorsque le pH est supérieur à 7, l’ajout d’acide est activé. L’ouverture des électrovannes est confirmée par le bruit du relais. Toutefois, malgré le bon fonctionnement logique du système, le débit observé reste très faible : pour la vanne d’acide, le débit correspond approximativement à une goutte toutes les 30 secondes, tandis que pour la vanne de base, le débit est encore plus faible, de l’ordre d’une goutte par minute, ce qui rend l’ajustement du pH lent et difficile.

20 Décembre- 5 Janvier : le FABLAB est fermé

5 Janvier- 23 Janvier : Préparations aux examens

26 Janvier 2026: Régulation température 

Le 26 janvier, nous avons repris le travail sur le projet en nous concentrant principalement sur la régulation de la température. L’objectif de cette séance était d’intégrer le bloc chauffant au dispositif et de le rendre fonctionnel. Nous avons étudié différentes solutions pour positionner correctement le bloc chauffant, puis nous avons procédé à son branchement au relais ainsi qu’à la carte Arduino. Plusieurs codes ont été testés afin de piloter le chauffage, mais malgré ces essais, le bloc chauffant ne fonctionnait pas et ne produisait aucune élévation de température. Nous avons tenté d’identifier l’origine du problème, sans parvenir à une solution concluante au cours de cette séance.
Face à cette difficulté, nous sommes revenus sur la partie régulation du pH afin de vérifier si le système fonctionnait comme lors des essais précédents. Cependant, de nouveaux problèmes ont été constatés, notamment des fuites au niveau des électrovannes, aussi bien à l’entrée qu’à la sortie. De plus, le débit restait insuffisant et l’une des électrovannes ne s’ouvrait pas du tout. En tentant d’ajuster le fonctionnement à l’aide du code, le PC s’est bloqué, ce qui ne nous a pas permis de poursuivre les tests et les corrections lors de cette journée.

28 Janvier 2026: Réunion avec le tuteur 

Lors de la séance suivante, nous avons sollicité l’aide de notre tuteur afin de résoudre les problèmes rencontrés avec le bloc chauffant. Le tuteur est venu au Fab Lab et nous a apporté plusieurs remarques concernant le câblage, notamment sur les branchements à éviter et sur la manière correcte de connecter le bloc chauffant au relais et à la carte Arduino. En tenant compte de ces recommandations, nous avons modifié le câblage et développé un nouveau code de régulation de la température, basé sur une structure de type PID (paramètres Kp, Ki, Kd), similaire à celle étudiée en travaux dirigés. Grâce à ces corrections, le bloc chauffant est devenu fonctionnel et permet désormais de chauffer le système jusqu’à une température de consigne, initialement fixée à 35 °C.
Nous sommes ensuite revenus sur la partie régulation du pH, pour laquelle des fuites persistaient et une électrovanne ne s’ouvrait toujours pas correctement. Afin de résoudre ces problèmes, l’ensemble du circuit a été entièrement démonté : tuyaux, électrovannes et connexions. L’électrovanne défectueuse a été remplacée par une nouvelle, et les tuyaux présentant des fissures ont également été changés, ces défauts étant identifiés comme la cause principale des fuites. Après le remontage complet du système, de nouveaux tests ont été réalisés et le système de régulation du pH a finalement fonctionné correctement.

Diminution de la puissance de chauffe au fur et à mesure que la température se rapproche de température de consigne 

29 Janvier 2026: Séance dédiée à l’assemblage et à la fixation du dispositif — Travail au Fab Lab

Cette séance a été principalement consacrée à la mise en place et à la fixation de l’ensemble des éléments du dispositif. Nous avons commencé par la fixation du moteur d’agitation, en tenant compte à la fois de la position du réacteur et de celle de la pale d’agitation, afin que cette dernière soit parfaitement centrée dans le réacteur et garantisse une agitation homogène. Une première solution à l’aide d’une planche en bois a été envisagée, puis remplacée par une pièce de fixation plus adaptée de type support métallique à ailes, comportant des trous correspondant exactement au diamètre du moteur. Le moteur a ainsi pu être fixé solidement, et des essais d’agitation ont confirmé le bon fonctionnement du système.
Nous avons ensuite procédé à la fixation des différents composants électroniques, notamment la carte Arduino, la breadboard, les deux relais ainsi que la sonde de température. Ces éléments ont été fixés à l’aide de boulons afin d’assurer une bonne stabilité. Les fils des électrovannes ainsi que le câble d’alimentation du moteur d’agitation ont été dirigés vers l’extérieur pour faciliter les branchements.
Par ailleurs, nous avons travaillé sur le branchement de l’écran. Lors de cette étape, un problème est survenu : le relais du chauffage s’est détérioré pendant la phase de fixation, ce qui a nécessité la demande d’un nouveau relais. De plus, l’écran ne fonctionnait pas initialement. Après une seconde tentative de réinitialisation, celui-ci a finalement pu fonctionner correctement. Des tests individuels ont ensuite été réalisés sur les différents sous-systèmes : la mesure du pH et la régulation de la température ont chacune fonctionné correctement lorsqu’elles ont été testées séparément. À l’issue de cette séance, l’ensemble des paramètres du dispositif était opérationnel.

                                                   

Le dispositif après fixation des composés

30 Janvier 2026: régulation des deux paramètres 

Lors de cette séance, nous avons tenté de combiner les deux programmes précédemment développés afin d’obtenir un code unique permettant de réguler simultanément la température et le pH du système. Deux versions du code combiné ont été testées, mais aucune n’a abouti à un fonctionnement correct du dispositif. Afin de déterminer si le problème provenait du programme ou du matériel, nous avons décidé de tester séparément chaque paramètre (régulation de la température seule, puis régulation du pH seule).
Ces tests ont révélé un dysfonctionnement matériel : les deux relais ne s’activaient pas. Nous avons alors sollicité l’aide de notre tuteur, qui nous a conseillé d’utiliser un multimètre afin de mesurer la tension et vérifier la continuité électrique entre les différents composants. Les mesures ont montré qu’il existait une rupture du courant entre la breadboard et les relais. Ce problème était dû à l’organisation de la breadboard : les connexions utilisées se situaient trop loin des rails d’alimentation, empêchant le passage du courant vers les relais. Il a été constaté que la moitié de la breadboard la plus proche de l’alimentation fonctionnait correctement, tandis que la partie la plus éloignée ne permettait pas une alimentation effective.
En conséquence, l’ensemble des fils a été rebranché sur la partie fonctionnelle de la breadboard, située à proximité des rails d’alimentation. Après cette correction, les tests réalisés séparément sur la régulation du pH et de la température se sont révélés concluants. En revanche, malgré ces améliorations matérielles, le code combinant simultanément les deux régulations n’a pas encore permis un fonctionnement satisfaisant du système.

2 Février 2026: régulation des deux paramètres 

Lors de cette séance, les membres du groupe ont travaillé séparément afin de développer un code unique combinant la régulation de la température et du pH. Un programme fonctionnel a finalement été obtenu, intégrant la calibration du pH, la régulation automatique du pH par ajout d’acide ou de base, ainsi que la régulation de la température avec affichage sur l’écran. Les tests ont montré que la température de consigne était atteinte et maintenue, avec une diminution de la puissance du bloc chauffant une fois la consigne atteinte.
Cependant, en fin de tests, des fluctuations du générateur de courant ont été observées, accompagnées de l’allumage du voyant de sécurité, suggérant un possible dysfonctionnement électrique. Après vérification du câblage avec l’aide d’un étudiant en électronique et d’un enseignant, aucun court-circuit n’a été identifié. Les essais ont montré que la régulation du pH fonctionnait toujours, tandis que le chauffage ne répondait plus. Le relais du bloc chauffant a alors été suspecté et un relais de remplacement a été demandé au tuteur afin de poursuivre les tests lors de la séance suivante.

Problème rencontré à cause de relais 

4 Février 2026: régulation des deux paramètres 

Lors de cette séance, le relais de remplacement a été récupéré et installé. Après le branchement du nouveau relais, des tests ont été réalisés en combinant la régulation de la température et du pH. Les résultats obtenus se sont révélés satisfaisants et ont confirmé le bon fonctionnement global du système. Un second test a ensuite été lancé afin de réaliser une vidéo de démonstration, mettant en évidence la régulation du pH, le contrôle de la température ainsi que le bon fonctionnement de l’agitation.

6 Février 2026: Jour de la soutenance — Présentation et retour sur le projet

Le jour de la soutenance, nous avons préparé et installé l’ensemble du montage afin de présenter le fonctionnement du système. Toutefois, le relais associé au bloc chauffant présentait toujours un dysfonctionnement, caractérisé par des fluctuations de tension et un signal de court-circuit, ce qui a empêché le fonctionnement de la régulation de la température. En revanche, la régulation du pH a fonctionné correctement. Nous avons ainsi présenté aux enseignants les parties opérationnelles du dispositif ainsi que celles ayant rencontré des limitations, et nous avons indiqué qu’une vidéo de démonstration, réalisée lors de la séance précédente, serait transmise afin d’illustrer le bon fonctionnement global du système.
Lors des échanges, des questions ont été posées concernant les améliorations possibles du projet. Nous avons notamment proposé d’ajouter une isolation thermique afin de limiter les pertes de chaleur, d’utiliser plusieurs blocs chauffants en série pour augmenter la vitesse de chauffe, et de modifier la stratégie de régulation en réalisant d’abord l’ajustement du pH en amont, avant le chauffage du fluide. Enfin, à la question portant sur l’apport pédagogique du projet, nous avons souligné que ce travail nous a permis de nous familiariser avec l’Arduino, les entrées et sorties numériques, les branchements électriques et les principes de la régulation, alors que ce domaine nous paraissait initialement réservé aux automaticiens. Ce projet a ainsi constitué une expérience à la fois formatrice et enrichissante.

Lien vers les codes et les branchements:

https://docs.google.com/document/d/1FAZxbmAAsxn8b0bvvOQqNAf7TV0nGFJ4e981XUv9aTM/15CIOmtu0aFyoBGfUIUogI1Nbh3j7_Ku2FK0dwSVQkns/edit?usp=sharing

Lien vers la vidéo de fonctionnement: 

https://drive.google.com/drive/folders/1btk4Y8jbnEH7nZg4HLZEEdJzazIQg5QJ?usp=drive_link