REALISATION D’UN VISCOSIMETRE ROTATIF BASE SUR ARDUINO UNO

Viscosité d’un fluide

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. 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. 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

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, 

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 = 103 cPo. 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 :[ ] [L 2 T -1 ] et ses unités, dans uSI, m 2 .s-1 et dans cgs, le Stokes (St) tel que St = 1cm2 .s-1 = 10-4 m 2 . s-1.

D’après les études expérimentales, les fluides peuvent être classés en deux familles : fluides newtoniens et les fluides non-newtoniens1 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. 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..

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..

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..

Pseudoplastiques : ces fluides présentent une viscosité décroissante lorsque le taux de cisaillement augmente cela signifie que l’on a une fluidification par cisaillement..

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..

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,

CONCEPTION DU VISCOSIMETRE ROTATIF 

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. 

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. 

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 .