Au campus Arts et Métiers de Metz, une des maquettes pédagogiques utilisées en travaux pratiques a été modifiée pour être utilisable en distanciel. Il s’agit du banc d’étude du transfert de chaleur par ébullition, fabriqué au Royaume-Uni par l’entreprise PA Hilton et distribué en exclusivité en France par l’entreprise PRODIDAC :

Le banc d’étude du transfert de chaleur par ébullition, avant modification © David VANTYGHEM, licence CC BY-SA 4.0

Le banc d’étude du transfert de chaleur par ébullition permet d’étudier différentes formes de transfert de chaleur : convection naturelle, ébullition avec bulles et ébullition superficielle. Le fonctionnement du banc d’étude est relativement simple. Un liquide se trouve enfermé dans un cylindre pressurisé et est chauffé par une résistance électrique insérée dans une poutre cylindrique en cuivre. Un thermomètre mesure la température du liquide lors des différents types d’ébullition, un thermocouple mesure la température à la surface de la poutre.

Modification du banc d’étude

Ce banc d’étude a été modifié afin de pouvoir lire à distance toutes les mesures (température à la surface de la poutre, température du liquide, pression du gaz, tension aux bornes de la résistance électrique, courant dans la résistance électrique, forme d’ébullition) et afin de pouvoir le commander à distance (interrupteur marche/arrêt, puissance électrique, débit d’eau dans le circuit de refroidissement). Les étudiants peuvent maintenant effectuer les TP depuis chez eux (cas d’un confinement) ou depuis un autre campus Arts et Métiers, dans une autre ville.

Les boutons de commande, les afficheurs, les capteurs et les instruments de mesure ont été remplacés, le couvercle du cylindre a été modifié pour permettre le passage d’une sonde de température tout en conservant l’étanchéité du cylindre. Nous avons ajouté un automate JUMO, avec un système Linux, une interface OPC UA <-> MQTT (Node-RED), un module routeur, un module d’entrées analogiques, un module de sorties analogiques, un module relais, un variateur de puissance. La programmation de l’automate JUMO et la construction d’une interface web de contrôle et de commande ont été faites avec CODESYS. L’interface web permet d’afficher les valeurs des mesures et de commander le banc d’étude depuis l’afficheur numérique tactile ajouté sur le banc d’étude ou depuis un navigateur web sur un ordinateur situé dans le même réseau. La programmation avec Node-RED permet d’afficher les valeurs des mesures et de commander le banc d’étude depuis une plateforme IdO ou depuis une application abonnée aux topics MQTT de la plateforme IdO. L’utilisation de Node-RED permet aussi de changer facilement de plateforme IdO, sans modifier la programmation faite avec CODESYS.

Une prise connectée Shelly permet de mettre le banc d’étude sous/hors tension à distance et de mesurer la consommation électrique. Elle est montée en parallèle avec un interrupteur manuel, un commutateur en amont permet de choisir entre la prise connectée et l’interrupteur.

Une caméra est fixée sur le banc d’étude pour filmer l’interface liquide/poutre chauffante où a lieu l’ébullition du liquide. Le flux vidéo est transmis sur le Web avec une faible latence, via une plateforme de diffusion vidéo en continu et en direct.

La modification du banc d’étude a été faite par l’entreprise JUMO, le nouveau banc d’étude est opérationnel depuis septembre 2023.

Le nouveau banc d’étude du transfert de chaleur par ébullition © David VANTYGHEM, licence CC BY-SA 4.0

L’intérieur du banc d’étude communicant © David VANTYGHEM, licence CC BY-SA 4.0

On peut maintenant faire les TP à distance via Internet, avec la plateforme IdO SCorp.io :

Affichage des mesures et pilotage du banc à distance avec la plateforme IdO SCorp.io © David VANTYGHEM, licence CC BY-SA 4.0

Sécurité

Le liquide contenu dans le cylindre était du R141B. Il pouvait être utilisé tant que le banc d’étude fonctionnait. Après modification du banc d’étude, l’utilisation de ce liquide n’était plus autorisée. Nous avons donc commandé chez PRODIDAC un kit de recharge pour passer au liquide SES36 et de nouveaux bouchons en caoutchouc pour remplacer les anciens bouchons fissurés.

Le kit de recharge de liquide SES36 © David VANTYGHEM, licence CC BY-SA 4.0

La programmation de l’automate JUMO intègre les valeurs limites de sécurité notées dans les notices en français et en anglais (température à la surface de la poutre et pression du gaz dans le cylindre).

Un audit a été fait par un organisme de contrôle afin de s’assurer de la conformité du banc d’étude aux normes de sécurité, avant sa remise en service.

L’automate JUMO, la prise connectée et la caméra sont branchés dans un réseau informatique dédié à l’Internet des Objets, séparé logiciellement (VLAN) du reste du réseau privé. Les flux en périphérie du réseau IdO sont surveillés, pour se protéger d’une éventuelle attaque depuis les autres réseaux.

Remerciements

Ce projet a pu aboutir grâce à l’aide et aux travaux d’Ozlay KORKMAZ, de Jean-François NOLLER et de Sébastien SCHMEER. Un grand merci à eux.

Auteurs : Michaël HEYER, David VANTYGHEM <david.vantyghem@ensam.eu>. Ce document est mis à disposition selon les termes de la Licence Creative Commons Attribution – Partage dans les Mêmes Conditions 4.0 International.

Image en vignette : Banc d’étude du transfert de chaleur par ébullition © David VANTYGHEM, licence CC BY-SA 4.0.

Documentation technique avant modification du banc d’étude

Bulletin technique.

Manuel d’utilisation et de maintenance.

Documentation technique après modification du banc d’étude

À notre demande, les schémas, logiciels et notices ont été fournis par JUMO sous licence Open Source :

• Description des modifications : fichier LibreOffice ou fichier PDF.
• Schémas électrotechniques et fiche collée en façade du banc : fichiers DXF et fichiers PDF.
• Programme Node-RED.
• Notice de paramétrage du variTRON 300 : fichier LibreOffice ou fichier PDF.
• Notice d’utilisation : fichier LibreOffice ou fichier PDF.

Sonde de température Pt100 JUMO : Réglage du décalage de mesure de la sonde Pt100 : fichier LibreOffice ou fichier PDF.

Système d’automatisation JUMO variTRON 300 :

• Aperçu du système.
• Unité centrale : Fiche technique et Notice de mise en service.
• Module routeur à 1 port : Fiche technique et Notice de montage.
• Module relais à 4 canaux : Fiche technique et Notice de mise en service.
• Module d’entrées analogiques à 4 canaux : Fiche technique et Notice de mise en service.
• Module de sorties analogiques à 4 canaux : Fiche technique et Notice de mise en service.

Variateur de puissance à thyristors JUMO TYA 201 : Fiche technique et Notice de mise en service.

Convertisseur de pression JUMO dTRANS p30 : Fiche technique et Notice de mise en service.

Alimentation 24V JUMO 705090/06-33 : Fiche technique.

Vanne pilotée.

Commutateur réseau Westermo SDI-550 : Caractéristiques, Dimensions et Guide d’installation rapide.

Afficheur tactile tci E10A-XI : Gabarit de perçage, Manuel d’utilisation.

Article de présentation de l’interrupteur connecté Shelly Pro 1PM.

Documentation pédagogique et données

Le danger du « burn out » pendant l’ébullition : fichier LibreOffice ou fichier PDF.

Pour ouvrir, modifier et imprimer les fichiers LibreOffice, téléchargez et installez LibreOffice. Si vous n’avez pas le droit d’installer un logiciel sur votre ordinateur, téléchargez LibreOffice Portable et enregistrez-le dans un dossier, il fonctionne immédiatement sans installation.