realisation d’un viscosimetre
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UNIVERSITE D’ANTANANARIVO
DOMAINE SCIENCES ET TECHNOLOGIES
MENTION : PHYSIQUE et APPLICATIONS
Laboratoire de Thermodynamique Thermique et
Combustion
Parcours : Énergétique
Sur :
Présenté par :
RANDRIANARISOA Rijaniaina
Devant la commission d’examen composée de :
Président de Jury RAKOTOMALALA Minoson Sendrahasina Professeur Titulaire
Rapporteurs RANDRIAMANANTANY Zely Arivelo
RASAMIMANANA François de Salle
Professeur Titulaire
Maître de Conférences
Examinateur RANAIVO-NOMENJANAHARY Flavien Noel Professeur Titulaire
REALISATION D’UN VISCOSIMETRE
ROTATIF BASE SUR ARDUINO UNO
Mémoire en vue d’obtention du Diplôme de Master en ENERGETIQUE
Le 11 Aout 2017
UNIVERSITE D’ANTANANARIVO
DOMAINE SCIENCES ET TECHNOLOGIES
MENTION : PHYSIQUE et APPLICATIONS
Laboratoire de Thermodynamique Thermique et
Combustion
Parcours : Énergétique
Sur :
Devant la commission d’examen composée de :
Président de Jury RAKOTOMALALA Minoson Sendrahasina Professeur Titulaire
Rapporteurs RANDRIAMANANTANY Zely Arivelo
RASAMIMANANA François de Salle
Professeur Titulaire
Maître de Conférences
Examinateur RANAIVO-NOMENJANAHARY Flavien Noel Professeur Titulaire
REALISATION D’UN VISCOSIMETRE
ROTATIF BASE SUR ARDUINO UNO
Mémoire en vue d’obtention du Diplôme de Master en ENERGETIQUE
Le 11 Aout 2017
Présenté par :
RANDRIANARISOA Rijaniaina
REMERCIEMENTS
Ce travail a été réalisé au sein du Laboratoire Thermodynamique, Thermique et
Combustion (LTTC) de la Mention "Physique et Applications" en collaboration avec le
Laboratoire Pharmacologie du Domaine "Sciences et Technologies" et en partenariat avec
l’Institut pour la Maîtrise de l’Énergie (IME) de l’Université d’Antananarivo.
Je tiens à remercier vivement Monsieur RAHERIMANDIMBY Marson, Professeur Titulaire à
l’Université d’Antananarivo, Responsable du Domaine "Sciences et Technologies" de
l’Université d’Antananarivo, d’avoir bien voulu m’autoriser à m’inscrire dans le parcours
"Énergétique".
J’adresse également mes remerciements respectueux à Monsieur Le Professeur
RAKOTONDRAMIARANA Hery Tiana, Responsable de la Mention "Physique et
Applications" au sein du Domaine Sciences et Technologies de l’Université d’Antananarivo
d’avoir bien voulu autoriser la présentation de ce mémoire
J’adresse mes vifs remerciements respectueux à Monsieur RAKOTOMALALA Minoson
Sendrahasina, Professeur titulaire, Responsable du parcours "Énergétique" au sein de ladite
Mention pour m’avoir intégré dans son équipe de chercheurs et d’avoir bien voulu présider le
jury de ce mémoire.
Ma profonde reconnaissance et mes sincères remerciements s’adressent à Madame
RANDRIAMANANTANY Zely Arivelo, Professeur Titulaire à l’Université d’Antananarivo et
Monsieur RASAMIMANANA François de Salle, Maître de Conférences en Physique et
Applications, d’avoir bien voulu assurer la réalisation de ce mémoire grâce à leurs efforts et
aides.
J’adresse aussi mes vifs remerciements respectueux à Monsieur RANDIMBIVOLOLONA
Fanantenanirainy, Professeur Titulaire, Responsable du Laboratoire Pharmacologie et à tous
les Membres de l’équipe de ce Laboratoire de m’avoir accepté de réaliser l’expérimentation
de notre dispositif de mesure dans son laboratoire. Ses conseils précieux ont assuré le bon
déroulement de mes travaux de mémoire.
Je tiens à exprimer ma gratitude à Monsieur RANAIVO-NOMENJANAHARY Flavien Noel,
Professeur Titulaire qui m’a fait l’honneur de siéger dans le jury de ce mémoire malgré ses
innombrables occupations.
Je suis arrivé à ce stade grâce aussi à l’intervention pertinente des membres du corps
professoral de la Mention Physique et Applications. J'aimerais leur exprimer mes
remerciements respectueux.
Ma plus profonde reconnaissance va de même à mes parents, mes frères, sœurs ainsi qu’à
tous mes amis qui ont fait preuve de soutien moral et financier et de patience tout au long de
la réalisation du présent mémoire.
Enfin, je ne peux terminer sans mentionner ici tous ceux qui, quotidiennement, m’ont
soutenu et qui, de près ou de loin, ont contribué à mes études. Je leur adresse mes vifs
remerciements.
i
TABLE DES MATIERES
LISTE DES ACRONYMES ........................................................................................ iv
LISTE DES FIGURES ................................................................................................ v
LISTE DES TABLEAUX ............................................................................................ vi
INTRODUCTION GENERALE ................................................................................... 1
Chapitre I : GENERALITES SUR LE MICROCONTROLEUR ARDUINO ................. 2
I-1-Généralités sur le microcontrôleur ............................................................................... 2
I-2- Microcontrôleur ARDUINO ............................................................................................ 3
I-2-1- Partie hardware et matériels ......................................................................................... 3
I-2-2-Quelques différents modèles d’ARDUINO ................................................................. 3
I-2-3- ARDUINO UNO .................................................................................................................. 3
I-2-4- Généralités sur le logiciel ARDUINO .......................................................................... 5
I-2-5- Présentation et structure de logiciel .......................................................................... 5
Chapitre II- VISCOSITE ............................................................................................. 7
II-1- Étude préliminaire d’un fluide ..................................................................................... 7
II-1-1- Introduction ...................................................................................................................... 7
II-1-2- Quelques propriétés d’un fluide ................................................................................. 7
II-1-3- Régime de l’écoulement ................................................................................................ 8
II-2-Viscosité d’un fluide ...................................................................................................... 8
II-2-1- Introduction ...................................................................................................................... 8
II-2-2- Définition ........................................................................................................................... 9
II-2-3- Profil de vitesse ............................................................................................................... 9
II-2-4- Viscosité dynamique...................................................................................................... 9
II-2-5- Viscosité cinématique ................................................................................................. 10
II-3- CONCEPTION DU VISCOSIMETRE ROTATIF .......................................................... 11
II-3-1- Définition du viscosimètre ......................................................................................... 11
II-3-2- Principe du viscosimètre rotatif ................................................................................ 12
II-3-3- Conception du viscosimètre rotatif ......................................................................... 12
Chapitre III- MATERIELS UTILISES A LA REALISATION ..................................... 15
III-1- Afficheur LCD ............................................................................................................. 15
II-3-2- Caractéristiques de l’afficheur 20x4 caractères ................................................... 15
III-1-2- Brochage de l’afficheur LCD 20x4 caractères avec ARDUINO ........................ 17
ii
III-2- Capteur de température DS18B20 ........................................................................... 18
III-2-1- Caractéristiques du DS18B20 ............................................................................... 18
III-2-2- Câblage du DS18B20 avec ARDUINO .................................................................. 18
III-3- Moteur à courant continu .......................................................................................... 19
III-3-1- Principe de fonctionnement ...................................................................................... 19
III-3-2- Stator et rotor ............................................................................................................... 20
III-4- Capteur de vitesse : « tachymètre » ........................................................................ 21
III-4-1- Principe de fonctionnement ............................................................................22
III-4-1- Liaison du capteur avec ARDUINO .................................................................22
III-5- Mobile tournant ou kit Spindle et récipient............................................................. 23
Chapitre IV- SIMULATIONS SUR PROTEUS ......................................................... 24
IV-1- Logiciel PROTEUS ..................................................................................................... 24
IV-1-1-ISIS de PROTEUS .............................................................................................24
IV-1-2- ARES ................................................................................................................25
IV-2- Présentation du travail sur PROTEUS .................................................................... 26
IV-3- Organigramme du travail .......................................................................................... 28
Chapitre V- MONTAGE DE L’APPAREIL ET PRÉSENTATION DES RESULTATS
................................................................................................................................. 31
V-1- Principe de réalisation ............................................................................................... 31
V-2- Cout des matériels nécessaires à la réalisation ..................................................... 31
V-3- Structure générale de l’appareil ............................................................................... 32
V-4- Présentation des résultats ........................................................................................ 34
V-5- Interprétation des résultats et discussions ............................................................. 34
CONCLUSION ......................................................................................................... 36
REFERENCES ......................................................................................................... 37
iii
NOMENCLATURE
Symbole Définition Unités
Z Axe suivant la verticale m
V Vitesse
F Force de cisaillement N
S Surface
Masse volumique
T Température
T Temps s
Coordonnée cylindrique rd
R Coordonnée cylindrique m
Rayons des cylindres m
L Longueur du cylindre m
Moment du couple de frottement
Vitesse angulaire
Moment de la force tangentielle
D Taux de cisaillement
Viscosité mPa.s
iv
LISTE DES ACRONYMES
FPGA Field-Programmable Gate Array
ROM Read Only Memory
RAM Random Access Memory
EEPROM Electrically Erasable Programmable Read Only Memory
CAN Convertisseur Analogique Numérique
AVR Automatic Voltage Regulator
PIC Programmable Intelligent Control
LED Light-Emitting Diode
PWM ou MLI Pulse Width modulation ou Modulation de Largeur
d'Impulsion
SRAM Static Random Access Memory
PC Personnal Computer ou Ordinateur
LCD Liquid Cristal Display
EDA Electronic Design Automation
ISIS Intelligent Schematic Input System
ARES Advanced Routing&Editing Software
v
LISTE DES FIGURES
Figure 1 : Architecture générale d'un microcontrôleur. ........................................................... 2
Figure 2 : Mode de fonctionnement d’ARDUINO et ses capteurs. ......................................... 3
Figure 3 : Architecture externe d’ARDUINO UNO. ................................................................. 4
Figure 4: Présentation du logiciel ARDUINO ......................................................................... 6
Figure 5 : Barre d'outils du logiciel ARDUINO. ....................................................................... 6
Figure 6 : Écoulement laminaire. ........................................................................................... 8
Figure 7 : Écoulement turbulent. ............................................................................................ 8
Figure 8: Profil de vitesse dans l'écoulement. ........................................................................ 9
Figure 9: Deux couches successives de fluide dans l'écoulement, [13]. ...............................10
Figure 10: Géométrie de l'écoulement de Couette, [17]. .......................................................13
Figure 11: Principe de fonctionnement général de l'appareil. ................................................14
Figure 12: Afficheur LCD 20x4. ............................................................................................15
Figure 13: Broches de l'afficheur de LCD 20x4. ....................................................................16
Figure 14: Présentation de brochage de l'afficheur. ..............................................................17
Figure 15: Présentation de DS18B20. ..................................................................................18
Figure 16: Mode de brochage du DS18B20 à la commande, [22]. ........................................18
Figure 17: Présentation externe de moteur à courant continu. ..............................................19
Figure 18: Structure interne d'un moteur à courant continu [24]. ...........................................19
Figure 19: Présentation du stator, [24]. .................................................................................20
Figure 20: Présentation du rotor, [24]. ..................................................................................20
Figure 21: Moteur à courant continu complet. .......................................................................21
Figure 22: Capteur de vitesse : tachymètre. .........................................................................21
Figure 23: Roue codeuse et tachymètre. ..............................................................................22
Figure 24: Liaison de tachymètre avec D’ARDUINO. ...........................................................23
Figure 25: Présentation du spindle et du récipient ................................................................23
Figure 26 : Présentation d'ISIS de PROTEUS. .....................................................................25
Figure 27: Présentation de l'ARES du PROTEUS. ...............................................................26
Figure 28: Circuit de l’appareil sur ISIS. ...............................................................................27
Figure 29: Organigramme de fonctionnement du viscosimètre. ............................................28
Figure 30: Schéma synoptique de la structure externe de l'appareil. ....................................29
Figure 31: Schéma synoptique de la structure interne de l'appareil. .....................................30
Figure 32: Circuit de commande du projet. ...........................................................................33
Figure 33: Schéma réel de l'appareil. ...................................................................................33
vi
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1: Nom de brochage de l'écran LCD. ......................................................................17
Tableau 2: Coût des matériels ..............................................................................................32
Tableau 3: Viscosité de l'eau 22,6 .....................................................................................34
Tableau 4: Viscosité du vinaigre à 22 ................................................................................34
1
INTRODUCTION GENERALE
Le développement de la recherche scientifique a besoin des appareils de mesure
pour évaluer les résultats obtenus lors d’une l’expérimentation. Vis-à-vis de ce besoin, au
niveau mondial, des chercheurs, techniciens et industriels travaillent ensemble pour en
trouver des solutions fiables et performantes. Pour développer les résultats de recherche au
niveau du Laboratoire Pharmacologie du Domaine Sciences et Technologies, nous allons
créer un appareil à partir des matériels existants sur le marché local capable de mesurer la
viscosité des différents liquides. Différents viscosimètres selon la gamme de viscosité
existent déjà sur les marchés local et international, mais ils coûtent chers.
Dans ce cadre se place le présent mémoire intitulé « réalisation d’un viscosimètre
rotatif basé sur ARDUINO UNO ». Nos travaux de mémoire consistent ainsi à concevoir et à
réaliser un viscosimètre rotatif équipé d’un capteur de vitesse, d’un capteur de température,
d’un écran d’affichage, d’un moteur à courant continu avec un rotor bien défini et d’un
récipient bien déterminé, le tout est géré et commandé par ARDUINO UNO. Le principe
fondamental du viscosimètre rotatif est basé sur le viscosimètre de Couette (1890), [1]. La
mesure du couple résistant lié à la mise en rotation d’un cylindre tournant dans un récipient
contenant un fluide visqueux permet de connaître sa viscosité.
Pour atteindre les objectifs visés, notre travail se compose en cinq chapitres à part
l’introduction générale et la conclusion. Ainsi :
Le premier chapitre concerne des généralités du microcontrôleur ARDUINO. On
trouve dans ce chapitre, les généralités sur les microcontrôleurs et les
caractéristiques du microcontrôleur ARDUINO qui comprend sa partie hardware ou
matériel et sa partie software ou logiciel.
Le deuxième chapitre parle de l’étude de la viscosité d’un fluide à travers ses
propriétés et comportement devant divers paramètres. L’idée essentielle dans ce
chapitre est faire l’étude préliminaire du fluide à travers sa viscosité et la conception
du viscosimètre rotatif.
Nous allons mettre dans le troisième chapitre les matériels utilisés lors de la
réalisation en parlant de leurs caractéristiques et principes de fonctionnement suivi
des modes de brochages d’ARDUINO.
La simulation de notre appareil en décrivant sa structure générale est détaillée dans
le quatrième chapitre. Nous y étudions quelques points essentiels du logiciel
PROTEUS et montrons le circuit du projet après simulations.
Nous réservons dans le dernier chapitre le montage de l’appareil et les résultats
obtenus pendant l’expérimentation de notre viscosimètre.
2
Chapitre I : GENERALITES SUR LE MICROCONTROLEUR ARDUINO
I-1-Généralités sur le microcontrôleur
Le microcontrôleur est un circuit imprimé intégrant, à lui-même, un maximum de
fonctions dans un boitier. Lors de ses fonctions dans le même environnement, il permet de
créer des applications plus simples dans la vie quotidienne de l’homme, [2].
Un microcontrôleur est un petit processeur informatique associé à des entrées et des
sorties numériques ou analogiques (voir figure 1). Il est capable de mémoriser un
programme à partir des entrées et de l’exécuter en agissant aux sorties. D’une manière
générale, la programmation d’une carte microcontrôleur se fait à l'aide d'un ordinateur. De
nos jours, plusieurs domaines utilisent le microcontrôleur pour réaliser des projets
incroyables, disons par exemple, dans le domaine de l’industrie : les automates
programmables, contrôles de processus divers, supervision, etc., [HYPERLINK \l "ARD" [2], [3].
Il y a plusieurs types de microcontrôleur selon le constructeur : les microcontrôleurs
PIC de Microchip qui sont des circuits intégrés bien connus des électroniciens depuis de
nombreuses années, les microcontrôleurs field-programmable gatearray (FPGA), les
microcontrôleurs ARDUINO qui sont une plateforme avancée, etc.
La figure 1 montre la structure simplifiée d’un microcontroleur.
Figure 1 : Architecture générale d'un microcontrôleur.
3
I-2- Microcontrôleur ARDUINO
I-2-1- Partie hardware et matériels
La carte ARDUINO est un dispositif électronique programmable, [4 ]. Elle est destinée
à être utilisée dans une création artistique interactive. Un microcontrôleur ATMEGA est
implanté sur la carte. En général, la carte ARDUINO marche sous la tension 9 à 12V DC.
Pour l’utilisateur, il peut brancher différents types d’élément externe à travers ses
ports entrées/sorties .Les capteurs sont connectés aux entrées analogiques de la carte, [2].
La figure 2 montre le mode de fonctionnement d’ARDUINO avec ses capteurs.
Figure 2 : Mode de fonctionnement d’ARDUINO et ses capteurs.
I-2-2-Quelques différents modèles d’ARDUINO
Il y a plusieurs modèles d’ARDUINO qui diffèrent suivant leur forme, leur taille
comme : ARDUINO Diecimila, ARDUINO Pro (Non USB), ARDUINO Duemilanove,
ARDUINO Leonardo, ARDUINO MEGA, ARDUINO Robot, ARDUINO Esplora, ARDUINO
NANO, ARDUINO UNO, ARDUINO Ethernet (AVR + W5100), etc.
Chaque type de modèle a son domaine correspondant selon le besoin de l’utilisateur.
Parmi ces modèles, les plus reconnus dans le commerce de l’industrie sont ARDUINO UNO,
ARDUINO MEGA et ARDUINO NANO.
I-2-3- ARDUINO UNO
a. Présentation
Le modèle ARDUINO UNO est une carte électronique de taille petite, de dimensions
égales à 68.6mm x 53.3mm et son cœur est un microcontrôleur ATMEL de référence
ATMEGA328. Le microcontrôleur ATMEGA328 est un microcontrôleur 8bits de la famille
AVR dont la programmation peut être réalisée en langage C. La figure 3 montre l’architecture
externe de ce modèle.
4
Figure 3 : Architecture externe d’ARDUINO UNO.
b. Caractéristiques de la carte ARDUINO UNO
Les caractéristiques d’ARDUINO UNO sont les suivantes :
Processeur : Le composant principal de la carte est le microcontrôleur ATMEGA328,
c’est-à-dire le cœur ou le cerveau de la carte. Ce cerveau stocke les programmes à
traiter dans sa mémoire et l’exécute. La fréquence de son horloge est égale à
16MHz, [5].
Alimentation : la carte peut être alimentée de deux modes différents, soit directement
par la connexion du port USB de l’ordinateur, tension d’alimentation interne de 5V,
soit par le branchement à une source d’énergie au jack d’alimentation de la carte, la
tension d’alimentation recommandée étant de 7 à 12V, limitée entre 6 à 20V. Il peut
fonctionner de manière autonome, [2], [3].
Entrées/sorties : la carte possède 14 pins ou broches des entrées et/ou sorties
numériques dont 6 pins sorties PWM qui permettent de connecter aux actionneurs et
aux détecteurs et 6 pins entrées analogiques A0 à A5 qui permettent de brancher au
capteur ou diverses interfaces, [5].
Les entrées et/ou sorties numériques reçoivent ou envoient des signaux numériques
et les convertissent en tension continue de 0 à 5 V. De plus, les sorties numériques
peuvent interagir avec de nombreux composants comme la LED, la résistance, le
transistor, etc. La sortie de tension de 5V peut fournir du courant de 40mA et la sortie
de tension de 3,3V peut fournir 50mA. Nous remarquons que le signal aux 6
5
entrées/sorties numériques PWM joue le rôle de production de tension variable à
partir d’une tension fixe, [5].
Mémoire : en commençant par la mémoire Flash qui est la mémoire programme de la
carte qui stocke le programme à exécuter, cette mémoire n'est accessible qu'en
lecture et l’on peut effacer le programme avec son contenu et réinscrire un autre
nouveau programme. Dans notre cas, cette mémoire contient 32 ko, [3].
Ensuite, la mémoire EEPROM qui est la mémoire des données de la carte ayant les
mêmes propriétés que celles de la mémoire Flash. Cette mémoire est non volatile
(mémoire morte), elle contient1 ko dans notre carte, [6].
La mémoire SRAM est une mémoire vive de la carte et elle contient les variables du
programme. Elle est dite mémoire temporaire et volatile car elle s’efface lorsqu’on
coupe l’alimentation d’ARDUINO UNO et elle contient 2ko. Cette mémoire est
accessible en lecture et en écriture, [6].
I-2-4- Généralités sur le logiciel ARDUINO
ARDUINO fournit un environnement de développement avec un éditeur de source,
les opérations de compilation et de chargement dans la mémoire du microcontrôleur étant
ramenées à des clics sur des boutons dans la barre d’outils. L’ordinateur et la carte se
communiquent par le port USB.
Le développement sur ARDUINO est facile à utiliser car il fonctionne sur tout système
d'exploitation. En premier lieu, on fait le code d'application sur l’éditeur de la source : le
langage utilisé est basé sur les langages C/C++, avec des fonctions et des librairies
spécifiques à ARDUINO pour gérer les entrées /sorties des ports. En deuxième lieu, on relie
la carte ARDUINO à l’ordinateur et on transfère le programme sur la carte et après on peut
utiliser le circuit.
I-2-5- Présentation et structure de logiciel
ARDUINO est un logiciel de programmation par code qui contient plusieurs
commandes différentes. La syntaxe d’un langage de programmation est l’ensemble des
règles d’écriture liées à son propre langage. Le schéma de la figure 7 montre la structure
générale du logiciel lorsqu’on clique sur l’icône verte, [7].
6
Figure 4 : Présentation du logiciel ARDUINO
Les boutons de la barre d’outils se structurent selon la figure 5.
(1) : Vérifier, bouton de vérification du contenu du programme
(2) : Téléverser, bouton de transfert du programme vers la carte
(3) : Nouveau, bouton de nouvelle feuille du programme
(4) : Ouvrir : bouton qui ouvre le programme existant
(5) : Enregistrer : bouton d’enregistrement.
Figure 5 : Barre d'outils du logiciel ARDUINO.
Lors de la compilation, tout le programme respecte la structure imbriquée dans les
deux fonctions obligatoires suivantes, [8] :
Setup : fonction contenant le code effectué en une seule fois à l'initialisation, par
exemple, configuration entrée/ sortie du port, initialisation matériel, etc.
Loop : fonction contenant des boucles principales du programme répétées
automatiquement.
Si nécessaire est, on peut créer des différents fonctions et sous-programmes
éventuels ainsi que des définitions des variables globales en dehors de ces deux blocs.
Barre d’outils Barre de
menu
Zone
d’écriture du
programme
principal
Zone de messages
des actions en
cours
Console d’affichage
des messages de
compilation
Onglets des
fichiers ouverts
7
Chapitre II- VISCOSITE
II-1- Étude préliminaire d’un fluide
II-1-1- Introduction
Un fluide se divise en deux grandes parties : le fluide parfait et le fluide réel. La
viscosité permet de faire la distinction entre ces deux parties. Dans le fluide parfait,
l’écoulement se déroule sans perte d’énergie tandis que dans le fluide réel, il y a pertes
d’énergie au cours l’écoulement à cause de l’existence des forces dites forces visqueuses.
Ces forces sont dues à des frottements qui existent entre les couches de vitesse différente et
aussi sur les parois, [9]. Quelque soit l’état de la matière liquide ou gazeuse, la viscosité est
un phénomène intrinsèque. On utilise communément le qualificatif de visqueux pour décrire
une chose qui n'est ni liquide ni solide. La viscosité est en fait une caractéristique de la
matière, quel qu'en soit son état physique : gazeux, liquide ou à la limite du solide, y compris,
lorsqu'il existe des stades intermédiaires polyphasiques, [10]. Vers 1713, Newton définit le
rôle de la viscosité en hydrodynamique et en donne l'expression analytique fondée sur une
hypothèse généralisée ensuite par Lamé : à température et à pression données, il y a
proportionnalité de la tension visqueuse à la vitesse de déformation pure, suivant une même
direction. Le facteur de proportionnalité est appelé coefficient de viscosité. Ce concept
implique que, en présence de compressibilité, les variations isotropes de volume
n'introduisent pas de glissement relatif. La précédente notion de comportement newtonien
peut alors être étendue aux gaz. La plus grande partie des fluides dits simples obéissent à
ce principe et ils sont ainsi qualifiés de fluides newtoniens.
II-1-2- Quelques propriétés d’un fluide
Nous constatons que la mobilité des fluides est donnée par notre sensation. On peut
supposer que le fluide est une matière déformable, alors il prend la forme du récipient qui le
contient. Pour le cas de la matière solide, on a besoin de force importante pour avoir une
petite déformation tandis que dans le cas de fluide, une force, aussi faible soit-elle, peut
provoquer une déformation importante. En général, si l’on considère un fluide de volume de
masse volumique , les propriétés de ce fluide dépendent à la fois de sa température et de
sa pression, [11].
Pratiquement, un fluide peut être considéré comme isobare c’est dire que la pression
est constante. Nous allons aussi supposer que le fluide utilisé est incompressible pour que
sa masse volumique soit constante dans toute situation.
En tenant compte de l’augmentation de la viscosité d’un fluide, sa capacité à
s’écouler diminue. Dans le cas d’un liquide, sa viscosité diminue en général lorsque la
8
température augmente. On pourrait croire que la viscosité d'un fluide croît avec sa densité
mais ce n’est pas valable dans tous les cas de fluide, [9].
II-1-3- Régime de l’écoulement
a. Écoulement laminaire
Dans l’écoulement laminaire, le champ des vitesses du fluide varie de façon régulière
dans l’espace et dans le temps. Chaque diverse couche du fluide glisse les unes sur les
autres, [10]. Dans ce cas, toutes les particules se déplacent dans des directions parallèles
au sens général de l'écoulement (voir la figure 6). Cela signifie que tous les vecteurs vitesses
individuelles sont parallèles entre eux et aussi parallèle au vecteur vitesse moyenne,[9].
Figure 6 : Écoulement laminaire.
b. Écoulement turbulent
Dans l’écoulement turbulent, le champ des vitesses du fluide varie de façon
irrégulière et aléatoire, les lignes de courant se mélangent et la turbulence se forme,[9]. Le
phénomène convectif apparait dans le fluide. Les vecteurs vitesses peuvent prendre
n’importe quelle direction, ce qui se traduit par l'apparition de tourbillons, mais la résultante
de ces vitesses reste dirigée dans le sens global de l'écoulement, [10].
Figure 7 : Écoulement turbulent.
II-2-Viscosité d’un fluide
II-2-1- Introduction
La viscosité d'un fluide fait partie de la rhéologie qui étudie la science des
écoulements de la matière. Dans notre cas, nous étudions principalement la viscosité du
liquide. En général, la mesure de la viscosité est liée à la qualité et aux performances d'un
9
produit. En recherche ou en développement, la mesure de la viscosité d’un fluide doit être
faite pour pouvoir caractériser son flux, [12]. La connaissance de la viscosité d’un fluide nous
donne l’information pour comprendre son comportement. Ce comportement peut être forcé
pour avoir le comportement désiré. De nos jours, il y a diverses techniques dont les
viscosimètres pour la mesure de la viscosité correspondant à des matériaux spécifiques.
Ces appareils font partie intégrante de programme de recherche, de développement et de
contrôle pour illustrer certains des facteurs importants à la performance des produits. Le
choix du viscosimètre se fait selon la connaissance du phénomène à étudier par l’utilisateur.
II-2-2- Définition
La viscosité d'un fluide représente la résistance de l'écoulement uniforme et sans
turbulence se produisant dans la masse d'une matière. El plus, la friction interne des
molécules de chaque liquide détermine la facilité avec laquelle il s'écoule. En fait, la viscosité
est liée au comportement du fluide, alors elle joue un rôle essentiel dans la phase de
production d'un produit.
II-2-3- Profil de vitesse
Dans un fluide, chaque molécule s’écoule à une vitesse différente grâce aux forces
d'interaction entre elles et celles entre le fluide et la paroi. La vitesse de chaque couche varie
en fonction de sa distance z à un plan fixe : V = V(z). On représente par un vecteur, la
vitesse de chaque particule située dans une section droite perpendiculaire à l'écoulement
d'ensemble, la courbe lieu des extrémités de ces vecteurs représente le profil de vitesse (voir
figure 8). On peut dire que le mouvement du fluide est considéré comme résultant du
glissement des couches de fluide les unes sur les autres, [13].
Figure 8 : Profil de vitesse dans l'écoulement.
II-2-4- Viscosité dynamique
La viscosité dynamique associe à la contrainte de cisaillement l'existence d'un
gradient de vitesse d'écoulement dans la matière. En considérant deux plans successifs
10
entre lesquels existent des forces de frottement F à leur surface de séparation. Ces forces
de frottement sont dans le sens opposé à celui du glissement d'un plan sur un autre, comme
le montre la figure 9, [14].
.
Figure 9 : Deux couches successives de fluide dans l'écoulement, [13].
En établissant cette force de cisaillement F responsable de la diminution de la vitesse
dV de déplacement des plans successifs et la variation de hauteur dz de la surface S de ces
deux plans considérés, la relation est donnée par la loi de Newton :
(1)
Le facteur de proportionnalité est le coefficient de viscosité dynamique du fluide dont les
dimensions sont [ ] = [m L-1 T-1] et l’unité, le Poiseuille (Pl) tel que 1Pl = 1kg.m-1.s-1. En cgs,
son unité est le Poise (Po) avec 1Pl = 10Po = 1daPo = 103cPo.
II-2-5- Viscosité cinématique
La viscosité cinématique d’un fluide tient compte de la masse volumique de ce
fluide à la même température. Au cours de l’écoulement, un fluide ne dépend pas seulement
de la viscosité mais aussi de son propre poids. Dans de nombreuses formules, apparaît le
rapport de la viscosité dynamique et de la masse volumique [15].Ce rapport est appelé
viscosité cinématique.
(2)
Ses dimensions sont telles que :[ ] [L2 T-1] et ses unités, dans uSI, m2.s-1 et dans cgs, le
Stokes (St) tel que St = 1cm2.s-1 = 10-4 m2. s-1.
D’après les études expérimentales, les fluides peuvent être classés en deux familles :
fluides newtoniens et les fluides non-newtoniens.
11
Les fluides newtoniens obéissent la loi de Newton, [15]. Ils ont un coefficient de
viscosité indépendant du gradient de la vitesse à laquelle ils sont agités ou mélangés. La
viscosité des fluides newtoniens dépend seulement de la température du milieu, par
exemple : eau, liquides purs à faible masse molaire et certaines huiles.
D’autre part pour les fluides non-newtoniens comme les purées, gels, boues, sang, la
plupart des peintures et le ketchup, etc., leur viscosité varie en fonction de la force exercée,
[15]. En outre, cette viscosité dépend à la fois de la température du liquide, du taux de
cisaillement appliqué et de sa durée. Ainsi, on peut classer les liquides non-newtoniens en
différentes catégories selon leurs comportements :
Thixotropiques : ce sont des fluides classés comme substances de type gel au repos,
puis devenus liquides quand ils sont agités ou mélangés comme les peintures
thixotropiques, le ketchup et la plupart des variétés de miel. De plus, leur viscosité
décroit avec le temps, lorsqu'il est soumis à un cisaillement constant, [16].
Rhéopexiques : ce sont des substances ayant un comportement opposé à celui des
thixotropes. Ainsi, leur viscosité augmente avec le temps lorsqu'il est soumis à un
taux de cisaillement constant comme certains lubrifiants, [16].
Rhéopectiques : ces fluides ont une viscosité qui augmente avec le temps. Les
liquides rhéopectiques sont très rares car, pour la plupart des liquides, leur viscosité
diminue avec le temps à cause de la destruction de leur structure, [16], [14].
Pseudoplastiques : ces fluides présentent une viscosité décroissante lorsque le taux
de cisaillement augmente cela signifie que l’on a une fluidification par cisaillement,
[16], [1].
Dilatants : ce sont des fluides dont la viscosité augmente avec le taux de cisaillement.
Cela signifie que les fluides s'épaississent par cisaillement, par exemple les
suspensions à base de riz, la farine de maïs ou les solutions de sucre concentrées
[14], [1].
Plastiques : Ces produits présentent un seuil d'écoulement, c'est-à-dire qu'il faut
appliquer une certaine contrainte de cisaillement pour qu'ils s'écoulent. Un fluide de
ce type est dit à seuil et il faut dépasser un seuil en contrainte avant qu'il puisse
s'écouler, [12].
II-3- CONCEPTION DU VISCOSIMETRE ROTATIF
II-3-1- Définition du viscosimètre
Le viscosimètre est un appareil qui sert à mesurer la viscosité d’un fluide. Pour
pouvoir déterminer la viscosité d’un liquide, de nombreux dispositifs expérimentaux existent
et ils utilisent, par exemple, la mesure de la vitesse de chute d’une bille dans un fluide. Ce
type de viscosimètre s’appelle viscosimètre de chute bille. Certains sont basés sur la mesure
12
du débit à travers un tube sous une pression donnée et ce type de viscosimètre s’appelle
viscosimètre à tube capillaire. A part de ces deux viscosimètres très répandus, il existe des
viscosimètres rotatifs.
II-3-2- Principe du viscosimètre rotatif
On peut aussi mesurer la viscosité dynamique des liquides à partir des viscosimètres
rotatifs. Leur principe consiste à mesurer le couple résistant lié à la mise en rotation d’un
mobile tournant dans l’échantillon dont la viscosité est à mesurer. On combine le couple
mesuré et la vitesse de rotation du mobile tournant et leurs caractéristiques permettent de
calculer la valeur de viscosité du liquide étudié.
II-3-3- Conception du viscosimètre rotatif
Le viscosimètre rotatif est connu par le nom le rhéomètre de Couette qui est celui le
plus utilisé dans la recherche fondamentale. Il y a deux types de rhéomètre de Couette, le
rhéomètre cylindrique et le rhéomètre cône-plan. Ces deux types de viscosimètre permettent
d’évaluer le taux de cisaillement à cause des géométries connues des outils utilisés, [1].
Dans notre mémoire, nous optons pour le viscosimètre cône-plan parce, grâce à la
forme conique du fond intérieur du cylindre horizontal, tout effet parasite dans le fluide est
évité.
Il existe deux manières pour déterminer la viscosité, soit imposer la vitesse de
rotation du cylindre à l’intérieur en mesurant le couple exercé, soit mesurer la vitesse de
rotation après avoir imposé le couple. Dans notre cas, nous avons imposé le couple exercé
par le moteur et nous mesurons la vitesse de rotation du rotor.
En régime permanent, nous considérons un fluide newtonien de viscosité , compris
entre deux cylindres coaxiaux de rayons R1 et R2 comme le montre la figure 10. Le cylindre à
l’intérieur tourne à la vitesse angulaire tandis que le cylindre à l’extérieur est fixe, [9].
Dans le système de coordonnées cylindriques , la vitesse de rotation est
définie par ses composantes .
13
Figure 10 : Géométrie de l'écoulement de Couette, [17].
Nous cherchons le meilleur moyen pour stabiliser l’écoulement obtenu aux faibles
vitesses : écoulement stationnaire, symétrie axiale et il n’y a pas de translation verticale
(indépendante du temps t, et z). En tenant compte de la symétrie du problème par rapport
aux plans perpendiculaires à l’axe de rotation, la vitesse suivant l’axe z est nulle . De
plus, la vitesse tangentielle est indépendante de . D’après l’équation de conservation de la
masse et les conditions aux limites sur les cylindres, la vitesse radiale est aussi nulle ( =0)
au sein de tout le fluide, [1]. L’équation du mouvement de Navier-Stokes est ainsi simplifiée
pour donner par la relation suivante :
(3)
Où A et B sont des constantes à déterminer à partir des conditions aux limites.
Comme le cylindre extérieur est fixe, alors et le cylindre intérieur tourne à
la vitesse angulaire et aussi, . Alors, le profil de vitesse entre les deux
cylindres coaxiaux, en régime laminaire, s’écrit, [1]:
(4)
D’après l’équation (3), le taux de cisaillement, noté D, exercé sur le cylindre à
l’intérieur (r = R1) est donné par l’expression, [1]:
|
|
(5)
14
En conséquence, le moment des forces tangentielles de viscosité qui s’exercent sur
les cylindres peut être calculable. Sur le cylindre intérieur de rayon R1, le tenseur des
contraintes est donné par relation (4) par, suivant la composante r , [17]:
(4)
En notant par M, le couple de frottement visqueux total qui s’exerce sur le cylindre
intérieur par unité de longueur suivant l’axe de rotation, la valeur nécessaire de ce couple
pour faire tourner le cylindre à la vitesse de rotation est égale au produit de par la
surface sur laquelle s’exerce la contrainte et par la distance R1 entre l’axe et le point
d’application des forces, d’où la relation suivante, [17] :
(5)
En imposant la valeur du moment M et connaissant les caractéristiques du mobile
tournant dans le fluide, on mesure la valeur de la vitesse angulaire pour avoir la viscosité
La structure de ce principe est donnée par la figure 11.
Figure 11 : Principe de fonctionnement général de l'appareil.
15
Chapitre III- MATERIELS UTILISES A LA REALISATION
III-1- Afficheur LCD
Les afficheurs Écran à Cristaux aux Liquides ou Liquid Cristal Display (LCD) sont
indispensables dans les systèmes techniques qui nécessitent l’affichage de paramètres de
fonctionnement du système étudié. Ces afficheurs permettent de réaliser un affichage de
messages aisés qui est commandé par la carte ARDUINO, [18].
Ce type d’écran équipe presque tous les appareils électroniques : montres
électroniques, tableau de bord de voiture, calculatrices, etc. Il peut utiliser des formes plus
complexes comme pour la plupart des écrans des téléviseurs à écran plat et les écrans de
l’ordinateur, [19]. L’emploi de l’écran LCD est défini par l’utilisateur selon ses utilisations.
D’une manière générale, l’afficheur LCD fonctionne en deux modes d’affichage : affichage en
mode texte ou en mode graphique. Dans ces deux grandes familles, il y a plusieurs
catégories : afficheurs alphanumériques, afficheurs graphiques monochromes, afficheurs
graphiques couleurs. Mais la première catégorie est la plus utilisée, elle affiche ainsi des
lettres, des chiffres et quelques caractères spéciaux tandis que les deux dernières
catégories sont plus avancées et elles servent à afficher des dessins plus évolués. Dans
notre cas, nous allons utiliser un LCD alphanumérique affichant 20x4 caractères qui sont les
valeurs mesurées des paramètres étudiés dans notre étude.
II-3-2- Caractéristiques de l’afficheur 20x4 caractères
L’afficheur LCD alphanumérique à 20x4 caractères est un afficheur rétro-éclairé
bleu avec un contrôleur intégré (voir la figure 12). Ce contrôleur dispose trois mémoires : la
mémoire intégrée CGROM qui stocke les caractères prédéfinis, la mémoire CGRAM pour
mémoriser les caractères pouvant être redéfinis et la mémoire DDRAM qui sert à
sauvegarder des données d'usage général, [20].
Figure 12 : Afficheur LCD 20x4.
16
L’afficheur contient 4 lignes de 20 caractères et est connecté à l’extérieur à l’aide
d’une rangée de broches, en haut à gauche. Ce connecteur conduit plusieurs signaux dont
une partie forme un bus de communication parallèle 4 ou 8 bits selon la configuration choisie
et les signaux permettant de contrôler la communication entre ARDUINO et l’écran. A partir
de la programmation, on peut faire différentes actions sur l’écran : effacement ou affichage
ou extinction de l'écran, affichage/extinction du curseur, clignotement caractère, décalage de
l'écran ou du curseur, [21]. La figure 13 montre la nomenclature des broches de connecteur
de l’écran.
Pour le mode de commande 4 bits, l’intérêt est de limiter le nombre de broches
connectées avec ARDUINO. Il faut utiliser 7 broches des ports de la carte ARDUINO
configurées en sorties de manière à commander l’afficheur. Et pour le mode de commande 8
bits, on utilise plus de broches d’ARDUINO. Il faut utiliser 11 broches des ports de la carte
configurées en sortie de manière à commander l’afficheur, [18]. La broche V0 permet de
régler le contraste. Il suffit de connecter cette broche à un potentiomètre de réglage, un 10kΩ
par exemple, dont les broches externes sont connectées à l’alimentation (+5V) et à la masse
(GND) et la broche centrale à V0. A l’aide de ce potentiomètre, il suffit de le régler avec
patience jusqu’à ce que le contraste soit correctement choisi.
Figure 13 : Broches de l'afficheur de LCD 20x4.
Le tableau 1 montre les numéros de chaque broche de l’écran LCD 20x4 ainsi que son rôle.
17
Tableau 1: Nom de brochage de l'écran LCD.
Numéro Nom Rôle
1 VSS Masse 0V
2 VDD Alimentation +5V
3 V0 Tension de réglage du contraste
4 RS Sélection du registre donnée ou commande
5 RW Lecture ou écriture
6 E Activation pour un transfert
7 D0 Bit 0 de la donnée/commande
8 D1 Bit 1 de la donnée/commande
9 D2 Bit 2 de la donnée/commande
10 D3 Bit 3 de la donnée/commande
11 D4 Bit 4 de la donnée/commande
12 D5 Bit 5 de la donnée/commande
13 D6 Bit 6 de la donnée/commande
14 D7 Bit 7 de la donnée/commande
15 A Anode (+) du rétro-éclairage
16 K Cathode (-) du rétro-éclairage
III-1-2- Brochage de l’afficheur LCD 20x4 caractères avec ARDUINO
La figure 14 indique le brochage de l'afficheur LCD.
Figure 14 : Présentation de brochage de l'afficheur.
18
III-2- Capteur de température DS18B20
Nous utilisons le capteur de température DS18B20 pour acquérir la température de
l’échantillon du fluide étudié, sa viscosité étant fonction de sa température.
III-2-1- Caractéristiques du DS18B20
DS18B20 est un capteur de température numérique que l’on ne peut pas brancher
sur l’une des 6 entrées analogiques d’ARDUINO. Il a une plage de température entre -55 et
125°C avec une tolérance comprise entre -0.5°C/+0.5 si la valeur acquise est comprise entre
-10 et 80°C. La température acquise par le capteur peut être codée dans une variable entre
9 bits à 12bits, ces 4 variables nous donnent une résolution de 0.0625°C sur 12 bits.
Cependant, le temps d’acquisition de ces données, pour les 9 bits, est de 93.75ms tandis
que pour les 12 bits, il est de 750ms, [22].
Il y a deux types de capteur DS18B20 : type en boitier TO92 et type en étanche
comme le montre la figure 15. Le premier type c’est-à-dire le TO92 est la forme la plus
connue de l’ensemble des composants électroniques tandis que le deuxième type est aussi
disponible en format sonde étanche. L’utilisation de ces deux types dépend de l’utilisateur et
dans notre cas, le deuxième correspond à notre besoin.
Figure 15 : Présentation de DS18B20.
III-2-2- Câblage du DS18B20 avec ARDUINO
Les caractéristiques du DS18B20 avec son mode de brochage sont montrées sur la
figure 16.
Figure 16 : Mode de brochage du DS18B20 à la commande, [22].
19
III-3- Moteur à courant continu
Nous avons besoin d’un moteur à courant continu, comme le montre la figure 17,
pour faire tourner le cylindre immergé dans l’échantillon du liquide étudié. Un moteur à
courant continu est constitué de deux parties : une partie fixe et une partie mobile.
Source[23]
Figure 17 : Présentation externe de moteur à courant continu.
III-3-1- Principe de fonctionnement
La partie fixe du moteur à courant continu s’appelle stator et celle mobile, rotor (voir
figure 18). Les deux aimants colorés en rouge et bleu constituent le stator tandis que les fils
de cuivre enroulés sur un support lui-même monté sur un axe constituent le rotor et l’axe est
l’arbre de sortie du moteur, [24]. Cet arbre de sortie transmet le mouvement à un objet que
l’on veut faire tourner. Lorsqu’on relie l’alimentation du moteur, une interaction magnétique
se crée entre le stator et le rotor et cette interaction met en mouvement le moteur. Si la
tension d’entrée est inversée, le moteur tourne dans le sens inverse, [24].
Figure 18 : Structure interne d'un moteur à courant continu [24].
20
III-3-2- Stator et rotor
Le stator est la partie immobile de notre moteur. Il est fait par d’aimants permanents
et est entouré de châssis. Les aimants avec leurs pôles Nord et Sud se placent sur les côtés
contre le châssis, (voir figures 19 et 20), [24].
Figure 19 : Présentation du stator, [24].
Le rotor est la partie en rotation du moteur et est constitué de bobinage. Cette partie
est une pièce maitresse qui reçoit le courant qui va induire un champ magnétique dans le
stator.
Figure 20 : Présentation du rotor, [24].
Nous avons besoin d’autres composants pour pouvoir faire bien fonctionner notre
moteur, il s’agit de collecteur et de charbon. Le collecteur se situe sur l’arbre de rotation du
moteur qui est composé de deux pastilles métalliques reliées aux extrémités des bobines.
Lorsqu’on branche l’alimentation du moteur, il y a un contact électrique entre le générateur
(pile) et les bobines à travers le collecteur et le charbon. Ces deux éléments jouent le rôle de
21
porteur de courant dans la bobine en mettant un contact électrique. On peut voir sur la figure
21 le schéma qui montre la structure complète d’un moteur à courant continu, [26].
Figure 21 : Moteur à courant continu complet.
En outre, un moteur est caractérisé par son couple et sa vitesse de rotation. Le
couple d’un moteur est défini par sa capacité à faire tourner quelque chose lourd ou léger
autour de son axe de rotation. L’unité légale du couple est le Newton.mètre (N.m). Si on
applique une force à une certaine distance de l’axe de rotation, le couple varie dans le même
sens que cette distance.
Lorsqu’on branche l’alimentation, le rotor tourne et sa vitesse de rotation est réglable
selon le besoin et est mesurée en radians par seconde dans le système international, mais
on utilise souvent le nombre de tours par minute.
III-4- Capteur de vitesse « tachymètre »
Le but d’utilisation un tachymètre est de déterminer la vitesse de rotation du moteur
au cours de la mesure de la viscosité d’un liquide.
Le tachymètre est utilisé dans des nombreux domaines comme détecteur de la
vitesse de rotation d’un moteur, etc. Dans notre cas, ce capteur est utilisé pour détecter la
vitesse de rotation du moteur, (voir figure 22).
Figure 22 : Capteur de vitesse : tachymètre.
22
III-4-1- Principe de fonctionnement
On place un petit objet entre les montants d'une fourche optique. L’une de ces
fourches contient une LED infrarouge qui émet un faisceau lumineux et l’autre reçoit ce
signal lumineux à l’aide d’un photodétecteur qui détecte la présence d’un objet sans contact
direct. Nous utilisons une roue à encoches qui tourne devant le capteur, la première fourche
renvoie ainsi une série d'impulsions. La connaissance de la fréquence de la roue permet de
déterminer sa vitesse de rotation et la photodiode ou le phototransistor récepteur transmet
rapidement le signal vers ARDUINO, [26].
Figure 23 : Roue codeuse et tachymètre.
On fixe une roue dentée qui tourne avec le moteur devant la fourche, la coupure
périodique du faisceau lumineux provoque une impulsion à chaque passage d’une dent. Et le
nombre de tours par minute est le produit du nombre d’impulsions/sec par le nombre
d'encoches sur la roue x 60.
Notre fourche optique obéit aux critères pour qu’il soit un capteur : sa sortie doit être
digitale 0 ou 1 et elle doit avoir un niveau suffisant (amplifié). Notre capteur permet de
mesurer une fréquence allant à 8 kHz avec ARDUINO UNO. Si on veut mesurer une
fréquence supérieure à cette valeur limite, il faut utiliser un circuit diviseur et une autre
librairie, [27].
III-4-1- Liaison du capteur avec ARDUINO
L'alimentation peut être de 3.3 à 5V et 2 LEDs témoins sur le PCB sont utilisées, (voir
figure 24) :
- LED rouge allumée veut dire power on.
- LED verte allumée indique que s’il n’y a pas d'obstacle dans la fourche, elle
s'éteint et le faisceau est coupé.
23
Figure 24 : Liaison de tachymètre avec D’ARDUINO.
III-5- Mobile tournant ou kit Spindle et récipient
Le mobile tournant est un cylindre plein de rayon R1, de longueur L et tournant à une
vitesse connue. Il est immergé dans le liquide à analyser. A partir de la forme géométrique
de ce spindle et sa vitesse de rotation, on fait la mesure de la résistance exercée par le
liquide. De plus, on utilise un récipient en tenant compte de sa forme géométrie. Notre
récipient a une forme cylindrique de rayon R2 et de longueur strictement supérieure à celle
du spindle (voir figure 25).
Source : [1]
Figure 25 : Présentation du spindle et du récipient.
24
Chapitre IV- SIMULATIONS SUR PROTEUS
IV-1- Logiciel PROTEUS
Le logiciel PROTEUS est un logiciel composé de nombreux modules. En général, on
utilise souvent les deux principaux logiciels qui permettent de faire une Conception Assistée
par Ordinateur ou Electronic Design Automation (EDA). Il est édité par la Société Labcenter
Electronics, [28]. Ses deux logiciels principaux sont :
L’éditeur de schéma ISIS ;
L’outil de conception de circuit imprimé ARES.
Dans l’environnement électronique, PROTEUS est très apprécié. Grace à sa capacité
de faire combiner plusieurs circuits, de nombreux entreprises et organismes de formation et
beaucoup de chercheurs utilisent et travaillent avec ce logiciel. En plus de la popularité de
ses outils, PROTEUS possède aussi d'autres avantages très intéressants. Il est un outil de
création de prototype virtuel permettant de réduire les coûts matériels et logiciels lors de la
conception d'un projet. De plus, il a des supports techniques très performants et il contient
aussi des packs logiciels qui sont faciles et rapides à manipuler.
IV-1-1-ISIS de PROTEUS On utilise le logiciel ISIS de PROTEUS pour éditer des schémas électriques ou
structurels d’un circuit électronique. Il est aussi le lieu pour faire l’assemblage des
composants électroniques avec leurs caractéristiques bien précises (valeurs et références)
et leurs liaisons par des connexions électriques. En plus, ISIS est capable de pressentir
certaines erreurs lors de l'étape de conception à travers des simulations de ces schémas
avec PRO SPICE, [28]. Ce simulateur effectue des calculs basés sur des modèles
mathématiques. Le contrôle de la majorité de l'aspect graphique de ces circuits se fait aussi
par ISIS. A cause de sa possession des modules additionnels, ISIS permet également les
simulations des comportements d’autres microcontrôleurs (comme : PIC, Atmel, ARM) ainsi
que leurs interactions avec les composants qui les entourent,[29]. La figure 26 montre
l’interface ISIS.
25
Figure 26 : Présentation d'ISIS de PROTEUS.
IV-1-2- ARES ARES de PROTEUS est un module de conception de circuit imprimé. La place des
composants peut se faire en mode automatique ou manuel ou semi-automatique. En plus, à
partir d’ARES, on peut faire aussi le routage des liaisons sur plusieurs couches de ces
mêmes modes. Ce mode routage complète parfaitement ISIS. Alors, après avoir effectué
notre circuit imprimé ou Printed Circuit Board (PCB) avec ARES, on réalise le schéma
électrique sur ISIS, un support permettant de maintenir et de relier électriquement l’ensemble
des composants électriques entre eux. On a plusieurs intérêts à faire le circuit sur ISIS et
ARES parce qu’ils facilitent la réalisation du circuit électrique conçu, aussi complexe soit-il,
sur une plaque électronique. La figure 27 montre la présentation d’ARES.
26
Figure 27 : Présentation de l'ARES du PROTEUS.
IV-2- Présentation du travail sur PROTEUS
La figure 28 montre le circuit issu lors de la simulation du travail sur ISIS. Ce circuit
présente les liaisons des capteurs (de vitesse et de température) avec ARDUINO, ainsi que
le circuit qui commande notre moteur.
Barre de menu Barre d’outils de commande
Vue de l’ensemble
Ouverture de bibliothèque
Sélecteur d’objet
Barre d’outils de sélection de mode
Sélecteur de couches
Zone de travail ou
fenêtre d’édition de
circuits
Barre d’outils de simulation
27
Figure 28 : Circuit de l’appareil sur ISIS.
Ecran
Capteur DS18B20
Tachometer
Moteur
Arduino
28
IV-3- Organigramme du travail
La figure 29 montre l’organigramme indiquant le mode de fonctionnement de notre
viscosimètre.
Figure 29 : Organigramme de fonctionnement du viscosimètre.
29
IV-4- Schéma synoptique de l’appareil
Les deux figures 30 et 31 schématisent les structures respectives externe et interne
de l’appareil.
Figure 30 : Schéma synoptique de la structure externe de l'appareil.
30
Figure 31 : Schéma synoptique de la structure interne de l'appareil.
31
Chapitre V- MONTAGE DE L’APPAREIL ET PRÉSENTATION DES
RESULTATS
V-1- Principe de réalisation
Selon le paragraphe II-3, notre appareil est constitué de deux cylindres coaxiaux
verticaux dont le cylindre à l’intérieur (appelé spindle) de rayon et de
longueur . Il est fabriqué en aluminium et est entrainé par un moteur à courant
continu. Le cylindre à l’extérieur (récipient), de rayon , est maintenu fixe. La
surface supérieure du fluide est libre.
En imposant la valeur du couple effectué par le moteur, on mesure la valeur de sa
vitesse angulaire à partir d’un « tachymètre ». Ce capteur est aussi commandé par
ARDUINO. En outre, la viscosité d’un fluide dépend de plusieurs paramètres comme sa
densité, sa pression,… mais la température joue aussi un rôle dans son comportement.
Dans notre cas, nous utilisons un capteur de température DS18B20 pour suivre la variation
de la température du fluide à analyser. DS18B20 est aussi commandé par ARDUINO.
D’après le principe de la commande, l’afficheur LCD affiche la valeur de la viscosité
de l’échantillon du fluide à analyser en mPa.s, la valeur de la vitesse en tours par minute, le
taux de cisaillement et la température du fluide.
V-2- Cout des matériels nécessaires à la réalisation
Comme nous avons dit dans le chapitre III, l’appareil est composé de plusieurs
circuits électroniques complémentaires. En plus, nous avons besoin d’un support mécanique
pour obtenir la forme générale présentée selon les figures 30 et 31.
Le tableau 2 donne les coûts des matériels électroniques et mécaniques utilisés lors
de la réalisation de notre viscosimètre.
32
Tableau 2 : Coût des matériels
Matériels Cout en Ariary
ARDUINO UNO R3 50 000
Écran LCD 20x4 20 000
Module I2C 7 000
Capteur de vitesseTachometer 10 000
Capteur de température DS18B20 8 000
Moteur à courant continu 10 000
Fils connecteurs 20 000
Transistor 4 500
Interrupteur 3 000
résistances+ condensateur+ diode 2 000
Potentiomètre 2 500
Connecteur + pin +étain 5 000
Plaque de montage 3 000
Spindle avec support 12 000
Boite en bois + support de capteur 6 000
Support en acier 8 000
Écrou 1 000
Oscillateur + vis 6 000
Soudure 9 000
Soudure 9 000
Total 192 000
V-3- Structure générale de l’appareil
Après la simulation sur PROTEUS, nous avons réalisé le circuit sur une plaquette
électronique. La figure 32 montre cette réalisation sur plaquette.
33
Figure 32 : Circuit de commande du projet.
En combinant l’outillage mécanique et les outils électroniques, nous avons obtenu la
structure générale de l’appareil selon la figure 33.
Figure 33 : Schéma réel de l'appareil.
Connecteurs du
moteur vers Arduino
et son alimentation
Connecteurs de l’écran
avec son alimentation
Connecteurs du
capteur de
température avec
son alimentation
34
V-4- Présentation des résultats
Nous avons testé notre viscosimètre dans les mesures des viscosités de l’eau et du
vinaigre. Plusieurs mesures ont été faites. Nous avons fait cinq (5) mesures successives à la
même température dans chaque série d’expérimentation. Nous avons trouvé la viscosité de
l’eau affichée sur l’écran à la température de selon le tableau 3, pour chaque mesure.
Tableau 3 : Viscosité de l'eau 22,6
Numéro de mesure Viscosité dynamique en mPa.s
1 0,985
2 1,042
3 1,063
4 0,992
5 1,121
Nous avons vérifié dans la deuxième série d’expériences la viscosité du vinaigre à la
température de . Les cinq (5) mesures ainsi obtenues sont tabulées dans le tableau 4.
Tableau 4 : Viscosité du vinaigre à 22
Numéro de mesure Viscosité dynamique en mPa.s
1 1,141
2 1,220
3 1,180
4 1,283
5 1,190
V-5- Interprétation des résultats et discussions
Tout d’abord, nous constatons que les résultats obtenus sont assez stables malgré
leur oscillation autour de la valeur moyenne de . Au cours des mesures, les
valeurs obtenues sont proches de la valeur de référence de à
. Ainsi, l’erreur de calcul faite par l’appareil de mesure est sensiblement égale à 0,038.
En adoptant le même principe que celui précédemment, la viscosité du vinaigre
donnée par le tableau 5 est égale à tandis que la valeur de viscosité du
vinaigre à est égale à . Nous pouvons alors dire que la viscosité du vinaigre
donné par l’appareil est sensiblement égale à .
35
Nous pouvons adopter comme précision donnée par l’appareil la valeur égale à 4%.
Selon le principe de fonctionnement de notre viscosimètre, ces erreurs sont causées par les
capteurs à cause de leur étalonnage.
En ensuite, au cours de l’expérience, nous remarquons que l’appareil ne détecte pas
la viscosité à la température inférieure à 5 .
Par ailleurs, nous ne pouvons pas remplir tout le récipient contenant le fluide, pour
deux raisons essentielles : débordement de fluide et empêchement de mouvement lors de la
rotation du cylindre intérieur.
En plus, l’appareil fonctionne à faible vitesse de rotation. En conséquence, la gamme
de mesure effectuée est entre .
36
CONCLUSION GENERALE
La qualité des produits dans le domaine de la rhéologie comme les gels, les produits
laitiers ou des fluides comme huiles lubrifiants, glycérol dépend beaucoup sur leur viscosité.
Dans ce travail, notre objectif est de réaliser un appareil qui peut mesurer la viscosité de
l’échantillon d’un fluide. Cet appareil est connu sous le nom de viscosimètre .Pour pouvoir
atteindre cet objectif, nous avons suivi une procédure à différentes étapes d’étude bien
déterminées.
Avant de faire la réalisation du projet, nous avons fait une étude théorique sur la
viscosité, le microcontrôleur ARDUINO et ses périphériques .Nous avons simulé aussi le
circuit de notre projet avec le logiciel PROTEUS. Ce logiciel nous a permis de rendre un peu
facile le montage du circuit pour chaque composant avec la carte ARDUINO.
Nous avons combiné dans une boite tous les composants électroniques utilisés et la
partie rotor a été introduite dans un récipient contenant le fluide à analyser. Nous avons
aussi monté le support de la boite en ayant ajusté la hauteur correspondante du récipient qui
contenait le fluide au cours de la mesure de sa viscosité.
L’appareil de mesure a été conçu pour mesurer la valeur de la viscosité d’un fluide.
Notre expérimentation au sein du Laboratoire Pharmacologie a permis de montrer qu’il est
utilisable et pratique grâce à sa faible erreur pendant la mesure. Les résultats ainsi obtenus
ont permis de faire le contrôle de qualité des produits pour développer la recherche au sein
de tout domaine utilisant l’appareil.
Comme perspectives de ce travail, notons qu’il y a des travaux de recherche à faire
pour améliorer les résultats obtenus. Par exemple, il est possible de changer plusieurs fois la
partie rotor introduite dans le fluide et de mesurer ainsi l’effort effectué par le moteur.
37
REFERENCES
BIBLIOGRAPHIQUES
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TITRE : REALISATION D’UN VISCOSIMETRE ROTATIF BASE SUR ARDUINO
UNO
Résume
La qualité d’un fluide dépend beaucoup de sa gamme de viscosité. Pour pouvoir mesurer la
viscosité d’un fluide, ce travail propose un viscosimètre rotatif qui est un appareil destiné à
faire cette mesure. L’appareil est basé sur ARDUINO UNO en utilisant des capteurs de
vitesse et de température et un écran qui affiche les résultats obtenus. Pour atteindre
l’objectif visé, la méthode consiste à mesurer la valeur du couple résistant lié à la mise en
rotation du spindle introduit dans un récipient contenant le fluide à analyser.
Mots-clés : viscosimètre, ARDUINO, couple résistant, spindle.
Abstract
The fluid quality depend a lot of their range of viscosity. To be able the measure the viscosity
of a fluid, this work achieves a rotary viscosimeter that is a device to destine to make this
measure. The device is based on the card ARDUINO UNO while using the sensor of speed
and temperature and a screen displays the gotten results. To reach the aimed objective, the
method consists in measuring the value of resisting couple bound to the setting in rotation of
a spindle introduces in a containing container of a fluid to analyze.
Keywords : viscosimeter, ARDUINO, resisting couple, spindle.
Encadreurs
RANDRIAMANANTANY Zely Arivelo
Professeur Titulaire
RASAMIMANANA François de Salle
Maître de Conférences
Impétrant
RANDRIANARISOA Rijaniaina
Tél : 0346425791
Email : [email protected]
Adresse : C.U Ankatso I Bloc Taratra 17