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UNIVERSITE D’ANTANANARIVO ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE D’ANTANANARIVO MENTION

UNIVERSITE D’ANTANANARIVO ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE D’ANTANANARIVO MENTION GENIE DES PROCEDES CHIMIQUES ET INDUSTRIELS Mémoire de fin d’études en vue de l’obtention du Diplôme de Master Titre Ingénieur en Génie des Procédés Chimiques et Industriels Par RANDRIAMAMPIANINA Fenohasina Soutenu le 02 Février 2017 CONCEPTION D’UN APPAREIL D’ANALYSE THERMIQUE SIMPLE ET DIFFERENTIELLE A L’AIDE DE LA PLATE-FORME ARDUINO® UNIVERSITE D’ANTANANARIVO ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE D’ANTANANARIVO MENTION GENIE DES PROCEDES CHIMIQUES ET INDUSTRIELS Mémoire de fin d’études en vue de l’obtention du Diplôme de Master Titre Ingénieur en Génie des Procédés Chimiques et Industriels Par RANDRIAMAMPIANINA Fenohasina Soutenu le 02 Février 2017 Membres du Jury Président: Professeur RANDRIANA Nambinina Richard Examinateurs : Docteur ELISOAMIADANA Philippine Professeur ANDRIANARY Philippe Antoine Professeur RAKOTOMARIA Etienne Encadreur : Professeur RAKOTOSAONA Rijalalaina Encadreur professionnel : Docteur RAKOTOSAONA Rianasoambolanoro CONCEPTION D’UN APPAREIL D’ANALYSE THERMIQUE SIMPLE ET DIFFERENTIELLE A L’AIDE DE LA PLATE-FORME ARDUINO® « De tout mon cœur, Seigneur, je te rends grâce : tu as entendu les paroles de ma bouche […]. » Ps.137, 1. « Oui, le Seigneur est bon, éternel est son amour, sa fidélité demeure d’âge en âge. » Ps.99, 5. ssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssss ssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssss ssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssss ssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssss ssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssss ssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssss ssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssss ssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssss ssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssss ssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssss ssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssss ssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssss ssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssss ssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssss ssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssss ssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssss ssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssss ssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssss ssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssss ssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssss ssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssss RANDRIAMAMPIANINA Fenohasina Conception d’un appareil d’analyse thermique simple et différentielle à l’aide de la plate-forme Arduino® i Remerciements Ce mémoire n’aurait pu aboutir sans la contribution des personnes à qui j’adresse ici quelques mots, modestes symboles de mon immense gratitude. A l’Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo où j’ai eu la chance d’étudier, au Corps Administratif et au Corps Enseignant, notamment au Directeur de l’Ecole, le Professeur ANDRIANAHARISON Yvon qui a permis la publication et la présentation de ce mémoire, et aussi au Responsable de la mention Génie des Procédés Chimiques et Industriels, le Professeur RANDRIANA Nambinina Richard qui me fait l’honneur de présider le jury. Aux enseignants qui me font l’honneur d’examiner ce travail : le Docteur ELISOAMIADANA Philippine, le Professeur ANDRIANARY Philippe Antoine, et le Professeur RAKOTOMARIA Etienne. A mes directeurs de mémoire : le Professeur RAKOTOSAONA Rijalalaina et le Docteur RAKOTOSAONA Rianasoambolanoro, qui nous ont efficacement guidés, moi et toute l’équipe de recherche, tout le long de cette aventure. A Monsieur RAKOTOSOA ANDRIANIAINARIVELO Armand, pour son aide dans l’usinage de l’appareil. A tous mes amis et à mes camarades de classe pour leurs encouragements. A Mahefa, mon plus grand soutien, pour toute son aide et ses conseils, et surtout pour m’avoir prêté son « Kit Arduino® » qui a été d’un grand secours durant la réalisation de ce mémoire. Aux membres de ma famille qui m’ont aidée de diverses façons pour la finalisation de ce mémoire mais aussi durant mes études universitaires, moralement ou matériellement. A mon petit frère et à ma petite sœur, pour leur soutien patient et aimable durant la préparation de ce mémoire comme toujours. A Papa et Mama, pour leurs conseils durant la réalisation de ce mémoire, pour tous leurs efforts et leurs sacrifices pour mes études, pour leur amour et leur soutien infinis. Que ce mémoire soit un symbole digne de leur réussite, fruit de tout ce qu’ils ont entrepris pour mon éducation. A tous ceux qui m’ont aidée, quelle que soit la manière, pour ce mémoire. Merci à vous tous ! Fenohasina RANDRIAMAMPIANINA RANDRIAMAMPIANINA Fenohasina Conception d’un appareil d’analyse thermique simple et différentielle à l’aide de la plate-forme Arduino® ii Liste des abréviations, sigles et unités °C degré Celsius °F degré Fahrenheit µA microampères µF microfarad µV microvolts AFNOR Association Française pour la NORmalisation ATD Analyse Thermique Différentielle ATS Analyse Thermique Simple c.à.d. c’est-à-dire cm centimètre CTN Coefficient de Température Négatif CTP Coefficient de Température Positif fém. force électromotrice IDII Interaction Design Institute Ivrea ISO International Standardization Organization K Kelvin Kb kilobits kΩ kilo ohms LED light-emitting diode mA milliampères Mac OS Mac Operating System mm millimètre mn minutes ms millisecondes mV millivolts Ni Nickel PID Proportionnelle Intégrale Dérivée Pt Platine R résistance RAM Random Access Memory ref référence T température USB Universal Serial Bus V Volts W Watts ΔT différence de température θ température μV microvolts Ω ohms RANDRIAMAMPIANINA Fenohasina Conception d’un appareil d’analyse thermique simple et différentielle à l’aide de la plate-forme Arduino® iii Liste des figures Figure 1 : Les différentes formes de l'analyse thermique. ........................................................ 3 Figure 2: Principe général du dispositif d'analyse thermique simple. ....................................... 4 Figure 3: Principe général du dispositif d'une analyse thermique différentielle. ...................... 5 Figure 4: Exemples de réalisation de têtes d'analyse thermique différentielle. ...................... 6 Figure 5: Bloc d'ATD à fluide cryogénique. ............................................................................... 7 Figure 6:Forme générale et exploitation d'une courbe d'ATD. ................................................. 7 Figure 7: Effet d'une impureté organique sur le thermogramme de fusion de l'acétanilide. .. 8 Figure 8: Mélange binaire des corps A et B. .............................................................................. 9 Figure 9: Thermogramme de réactions. ................................................................................. 10 Figure 10: ATD du formiate de magnésium dans l'azote et dans l'air. ................................... 11 Figure 11: Utilité pratique, prix et exactitude d'un dispositif thermométrique. .................... 18 Figure 12: Canne pyrométrique. ............................................................................................. 20 Figure 13: Détail de l'élément sensible d'une sonde de platine. ............................................ 21 Figure 14: Thermistances. ....................................................................................................... 23 Figure 15: Effet Peltier. ............................................................................................................ 24 Figure 16: Effet Thomson. ....................................................................................................... 24 Figure 17: Effet Seebeck. ......................................................................................................... 25 Figure 18: Courbe de sensibilité du thermocouple cuivre/constantan entre -10 et 100°C. ... 26 Figure 19: Schéma de montage d'un thermocouple. .............................................................. 27 Figure 20: Principe de montage des câbles de liaison. ............................................................ 30 Figure 21: Logo de l'Arduino® ................................................................................................. 32 Figure 22: Carte Arduino® UNO. .............................................................................................. 34 Figure 23:Principe de la compilation Arduino®. ...................................................................... 35 Figure 24: Déroulement d'un programme Arduino®. ............................................................. 37 Figure 25: Le chemin du programme à travers la carte Arduino®. ......................................... 37 Figure 26: Les constituants du microcontrôleur Arduino®. .................................................... 38 Figure 27: Exemple d’image obtenue à la fin de l'ATS. ............................................................ 45 Figure 28: Forme générale des données dans le fichier d'enregistrement. ............................ 46 Figure 29:Exemple de courbe ATD résultante ......................................................................... 48 Figure 30: Vue de dessous du bloc d'aluminium. .................................................................... 49 Figure 31: Les éléments constitutifs du four ............................................................................ 49 Figure 32: Le four et ses creusets ............................................................................................. 50 Figure 33: Notions mises en jeu dans une régulation ............................................................ 52 Figure 34: Circuit électrique du relais statique. ....................................................................... 54 Figure 35: Un thermocouple K et un amplificateur MAX31855............................................... 57 Figure 36: Montage d'un thermocouple K et d'un MAX31855 pour une ATS. ........................ 58 Figure 37: Montage des thermocouples K et des MAX331855 pour une ATD. ....................... 59 Figure 38: Un capteur DS18B20 en boitier TO-92. .................................................................. 63 Figure 39: Deux sondes DS18B20 étanches ............................................................................. 63 Figure 40: Les différents pins d'un capteur DS18B20. ............................................................ 63 Figure 41: Montage d'un DS18B20 pour une ATS. ................................................................... 64 RANDRIAMAMPIANINA Fenohasina Conception d’un appareil d’analyse thermique simple et différentielle à l’aide de la plate-forme Arduino® iv Figure 42: Montage des deux DS18B20 pour une ATD. ........................................................... 65 Figure 43: Un LM35 en boitier TO-92 vu de dessous. ............................................................. 69 Figure 44: Photo d'un LM35DZ ................................................................................................. 69 Figure 45: Les différentes sortes de capteur LM35. ................................................................ 69 Figure 46: Schéma de fonctionnement d'un capteur LM35. .................................................. 70 Figure 47: Montage pour une ATS utilisant un LM35DZ. ......................................................... 71 Figure 48: Montage pour une ATD utilisant deux LM35DZ...................................................... 72 Figure 49: Essai à blanc avec les thermocouples K .................................................................. 77 Figure 50: Essai à blanc avec les sondes DS18B20 ................................................................... 77 Figure 51: Courbes ATS utilisant des thermocouples K et de la paraffine ............................... 78 Figure 52: Courbe ATD résultante des thermocouples K et de la paraffine ............................ 79 Figure 53: Courbes ATS utilisant des thermocouples K et de la cire d’abeille ........................ 80 Figure 54: Courbe ATD résultante des thermocouples K et de la cire d’abeille ...................... 80 Figure 55: Mise en évidence de la convolution des courbes constituant la courbe ATD obtenue avec la cire d'abeille ................................................................................................... 81 Figure 56: Courbes ATS utilisant les DS18B20 et de la paraffine ............................................. 81 Figure 57: Courbe ATD résultante avec les DS18B20 et de la paraffine .................................. 82 Figure 58: Courbes ATS utilisant les DS18B20 et de la cire d’abeille ....................................... 82 Figure 59: Courbe ATD résultante des DS18B20 et de la cire d’abeille ................................... 83 Figure 60: Comparaison des courbes ATD paraffine et paraffine-pétrole avec des thermocouples K ...................................................................................................................... 84 Figure 61: Comparaison des courbes ATD paraffine et paraffine-pétrole avec des DS18B20 84 Figure 62: Comparaison des courbes ATD cire d’abeille et cire d’abeille-pétrole avec des thermocouples K ...................................................................................................................... 85 Figure 63: Comparaison des courbes ATD cire d’abeille et cire d’abeille-pétrole avec des DS18B20 ................................................................................................................................... 86 Figure 64: Construction du diagramme des phases correspondant à la paraffine. ................. 87 RANDRIAMAMPIANINA Fenohasina Conception d’un appareil d’analyse thermique simple et différentielle à l’aide de la plate-forme Arduino® v Liste des tableaux Tableau 1: Table de conversion du thermocouple cuivre/constantan. .................................. 26 Tableau 2: Les différents types de thermocouples et leurs caractéristiques. ........................ 29 Tableau 3: Fils de compensation. ............................................................................................ 30 Tableau 4: Rôle des coefficients dans une régulation PID ...................................................... 52 Tableau 5: Résultats de l'étalonnage 1 .................................................................................... 75 Tableau 6: Résultats de l'étalonnage uploads/Industriel/ arduino.pdf