Brevet FR2106452A1 — publié le 19720505

La présente invention concerne des instruments destinés à mesurer le débit volumique de gaz. Plus précisemment, elle concerne des appareils destinés à émettre des signaux électriques représentant le débit volumique de l'air, par exemple dans un spiromètre enregistreur. La demande d« brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 738 517, du 20 juin 1968 déposée par J. fi.. LAMBERT, décrit un spiromètre enregistreur portatif comportant une embouchure avec un passage pour l'air par lequel le sujet respire en inspirant et expirant et qui permet d'obtenir un enregistrement photographique permanent à deux dimensions sur lequel le volume de l'air déplacé est porté en ordonnées et le temps en abscisses. Cet enregistrement permet de mesurer la capacité respiratoire en fonction du voluaa d'air respiré, de la capacité vitale maximale, le volume d'air mis en mouvement lors d'une expiration forcée, le débit maximal lors d'une expiration et permet de déterminer par le calcul la capacité respiratoire maximale» Dans l'instrument décrit dans ladite demande, le passage d'air est disposé de manière à permettre d'inverser le sens du courant d'air et contient un rotor à aubes qui est fixé à un arbre orientable à axe fileté moiité sur des paliers fixes. Le déplacement de l'air fait tourner le rotor ainsi que son arbre. Un chariot mobile peut être mis en prise avec les filets de cet arbre et se déplace dans un sens le long de l'axe pendant une expiration du sujet et dans le sens opposé pendant une inspiration. La position du chariot sur cet arbre correspond aux ordonnées de la courbe enregistrée et l'abscisse est déterminée grâce à un moteur à vitesse constante placé dans l'instrument. Cet instrument est basé sur un déplacement mécanique du chariot provoqué par le rotor pour tracer la courbe enregistrée. La présente invention concerne essentiellement des perfectionnements apportés à l'embouchure et aux éléments associés fonctionnellement à un spiromètre enregistreur et, en particulier aux caractéristiques de fonctionnement de ces instruments. Une caractéristique importante recherchée dans un spiromètre concerne son échelle utile de mesure du débit volumique de l'air passant par l'embouchure. Dans la plupart des 32731 - 2 - 2106452 applications pratiques, cette échelle s'étend d'environ 1/b à environ 10 l/s. Etant donné qu'une embouchure réalisée^en pratiquera un diamètre limité, car le sujet doit pouvoir placer ses lèvres directement sur une extrémité, ce diamètre peut être en général voisin de 2 cm et, à l'extrémité supérieure de l'échelle d'utilisation, la vitesse de l'air doit par conséquent atteindre près de 32 m/s. A ce qui précède s'ajoute la condition supplémentaire que l'embouchure ne doit opposer qu'une contre-pression très faible ou négligeable pour tout débit volumique compris entre ces limites. Par exemple, on désire limiter dans certains instruments la contre-pression à 3 cm d'eau au maximum. Cette condition est liée au fait qu'un spiromètre est théoriquement destiné à mesurer la capacité respiratoire d'un sujet sous la pression atmosphérique. Il est évident qu'il est très difficile d'éviter l'apparition d'une contre-pression aux débite élevés. On a observé qu'une des difficultés rencontrées pour obtenir avec une embouchure de spiromètre des débits élevés avec une contre-pression négligeable oonoerne l'obtention du degré de sensibilité désiré, en particulier à l'extrémité inférieure de la gamme d'utilisation. L'invention permet aussi d'obtenir la sensibilité désirée et concerne un instrument qui conserve exactement son étalonnage pour tous les débits dL,ns la gamme d'utilisation, et permet d'obtenir les caractéristiques susmentionnés avec une embouchure réalisée de manière à être entretenue et employée commodément et dans des conditions hygiéniques, afin d'éviter toute contamination mutuelle des sujets. Cette condition exige l'emploi d'une embouchure stérilisable séparément ou d'une embouchure jetée après usage. Dans ce dernier cas, qui doit être le plus pratique pour un appareil portatif utilisable pour les visites à domicile ou sur le terrain, une embouchure simple jetée après usage, qui peut être fabriquée à bon marché, mais sans variation appréciable des caractéristiques de fonctionnement ni d'étalonnage entre les diverses embouchures, est avantageuse. L'invention permet d'améliorer de façon appréciable l'embouchure décrite dans la demande de brevet des Etats Unis 71 32731 - 3 - 2106452 d'Amérique précité et satisfait également aux conditions de fonctionnement décrites ci-dessus grâce à la réalisation d'un spiromètre tenu à la main, à embouchure séparée, qui émet des im -pulsions électriques à une fréquence proportionnelle au débit 5 volumique de l'air dans un passage rectiligne. Un rotor à aubes monté dans ce passage comporte une ouverture transversale par laquelle des impulsions lumineuses sont transmises à une cellule photoélectrique qui émet des impulsions électriques. La source de lumière et la cellule photoélectrique sont montées à l'ex-10 térieur du passage et ne gênent aucunement le passage de l'air. Une membrane annulaire déformable qui se trouve dans un plan sensiblement perpendiculaire au passage du courant d'air entoure ledit rotor . Cette membrane tend à renvoyer l'air radialement vers 1'intérieur, si bien qu'il vient heurter les 15 aubes, ailettes ou palettes du rotor, en particulier aux débits minimaux. Cette membrane se déforme d'autant plus que le débit est plus élevé, par conséquent permet à une fraction croissante de l'air qui circule de passer à côté des aubes. La variation de pression de l'air liée à cette déformation de la membrane 20 est très faible et n'entraîne pas de dépassement de la contre-pression maximale spécifiée. Grâce à la réalisation ci-dessus, le rotor à aubes selon l'invention a une vitesse angulaire qui augmente avec le débit volumique dans toute la gamme d'utilisation. 25 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention res- sortiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 est une vue en élévation latérale avec coupe partielle représentant une forme préférée d'embouchure qui est 30 en place dans son support, d'un spiromètre enregistreur selon l'invention, la figure 2 est une vue en élévation latérale d'une embouchure assemblée, jetée après usage et du type représenté sur la figure 1, 35 la figure 3 est une vue en bout de l'embouchure vue du côté droit de la figure 2, la figure 4 est une vue détaillée de la membrane déformable, 32731 - 4 - 2 1 U 0 4 5 2 la figure 5 est une vue détaillée du rotor à aubes, la figure 6 est une coupe partielle axiale à échelle agrandie, représentant 11 embouchure selon 11 invention avec le roto* à aubes et la membrane fixée au suppçrt, La figure 7 est une coupe suivant la ligne 7-7 de la figure 6 ; et la figure 8 est un schéma représentant l'embouchure reliée aux organes d'enregistrement de l'instrument. On se reportera tout d'abord à la figure 8 et à la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique pour une description détaillée des éléments de l'enregistreur du spiromètre. Oet enregistreur peut être réalisé de la manière décrite dans ladite demande, à part les moyens utilisés pour déterminer la valeur des ordonnées de la courbe sur l'enregistrement photographique. L'ensemble à embouchure décrit ci-après émet des im-pulsisons électriques à une fréquence proportionnelle à la vitesse du rotor. Ces impulsions font avancer un organe supportant une fiVre optique éclairée par rapport à l'extrémité fixe d'un ensemble de fibres optiques décrites dans ladite demande et dont les extrémités opposées se déplacent dans la direction de l'axe des abscisses sur une feuille de papier photographique. La disposition d'ensemble des pièces est représentée sur la figure 8. Les organes d'enregistrement du spiromètre sont représentés schématiquement dans le rectangle en pointillé de la figure 12. Ils sont reliés par un câble souple 14 enroulé en hélice à un support 16 tenu à la main, d'embouchure, dans lequel une embouchure 18 jetée après usage est mise en ■ place. L'instrument 12 est de préférence un petit appareil décrit dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique précitée et comporte un support pour des pellicules planes destinées à l'enregistrement photographique. Ces pellicules sont de préférence du type à développement automatique connu en général sous le nom de film "Polaroid". La bouche du sujet est placée sur l'extrémité droite de l'embouchure 18 telle qu'elle est représentée sur la figure 8 et il souffle par celle-ci de manière à faire tourner 71 32731 2106452 - 5 - 20 le rotor à aubes/qu1elle contient. Le rotor 20 tourne dans un sens pour l'expiration et dans le sens opposé pour l'inspiration. Grâce à un dispositif photoélectrique décrit en détail ci-apri« à propos d'autres figures, ledit rotor engendre des 5 impulsions électriques qui sont transmises par le câble 14 à un cirouit électronique 22 logé dans l'enregistreur. Le circuit 22 a un r01e multiple et ne concerne pas directement la présente invention. Il comporte, par exemple, une source de courant constituée de préférence par une ou plusieurs batteries 10 ou un redresseur de courant destiné à être relié à une prise de courant murale, des moyens pour contrôler la commande et la remise en place des pièces mobiles de l'enregistreur 12 ainsi que des organes pour déterminer la direction du courant d'air et d'autres pour compter les impulsions électriques. 15 Le circuit 22 est relié par un câble 24 à un moteur pas à pas/l^ émet des impulsions électriques amplifiées obtenues par amplification des impulsions transmises, par le câble 24, au moteur pas à pas pour faire avancer son pignon transmetteur 28 d'un angle prédéterminé pour chaque impulsion 20 de manière à faire tourner un engrenage 30. L'engrenage 30 fait tourner un bras 32 contenant une seule fibre optique 34 éclairéé à une extrémité par une ampoule 36. La fibre 34 tourne ainsi à proximité d'un ensemble circulaire fixe d'extrémité de fibre?optiques} ces fibres formant une file 38. 25 L'extrémité opposée ou de sortie de la file 38 est mobile et est de préférence réalisée de manière que les extrémités des fibres soient en ligne droite pour un enregistrement optique sur film photographique: 39. Cette ligne droite est orientée dans la direction des ordonnées de l'enregistrement 30 photographique. Grâce à un moteur d'entraînement à vitesse constante, non représenté, la seconde extrémité de la file peut se déplacer dans les deux sens ce qu'indiquent les flèches F orientées dans la direction des abscisses. Les organes déplaçant l'extrémité de sortie de la file 38 de fibres op-35 tiques sont décrits complètement dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique précitée. Le bras 32 est amené par rotation dans une position dans une relation prédéterminée par rapport à l'extrémité de 32731 - 6 - A i UOhDjL l'ensemble circulaire avant le début de l'enregistrement, tourne dans un sens en réponse à l'avance du moteur pas à pas 26 pendant l'expiration du sujet et tourne an sens inverse en direction du point de départ pendant l'inspiration suivante du sujet. Ceci engendre une image optique d'une courbe ayant la forme générale d'une sinusoïde sur le film enregistreur et quand on observe cette dernière à travers une quadrillage de dimensions convenables, les caractérisques de cette courbe permettent de mesurer la capacité respiratoire du sujet comme indiqué ci-dessus. Pour une description plus complète de 1'embouchure, on se reportera aux figures 1 à 7. le support 16 est une pièce arrondie, creuse, en matière plastique moulée, facile à tenir à la main par le pujet qui ferme ses doigts autour d'elle tout en plaçant ses lèvres sur la partie convenable de 1'embouchure 18. Le support a une forme choisie de manière à loger l'embouchure 18 et une des extrémités de celle-ci comporte une rainure de clavette 40 longitudinale de mise en place (figure 1) qui coopère avec une clavette 42 à l'extérieur de l'embouchure 18. La rainure 40 et la clavette 42 permettent d'orienter correctement l'embouchure par rapport au support. Un rebord 43 annulaire de l'embouchure s'applique contre une extrémité du support et met correctement en place ladite embouchure dans le sens de la longueur par rapport au support. Une plaque annulaire 44 en matière isolante(figure 6) avec un trou central circulaire est logée dans une rainure 46 aménagée dans la paroi intérieure du support 16. Cette plaque est de préférence une plaquette pour circuit imprimé supportant des composants électroniques non représentés, associés aux composants photoélectriques décrits ci-après. Un anneau 48 est placé au contact de la plaque 44, dans la rainure annulaire 46. Cet anneau 48 eomporte, des surfaces intérieures et extérieures de môme diamètre que celles de la plaque 44,- avec deux échancrures diamétralement opposées délimitant des espaces 50 et 52 (figures 6 et 7 ). Chacune de ces échancrures communique avec la surface intérieure par deux trous radiaux, de préférence écartés angulairement de 30° l'un 32731 - 7 - 2106452 par rapport 1 l'autre. Des sources lumineuses 54 et 56 sont placées dans deux de ces trous, et comportent des lentilles collimatrices 57. Des cellules photoélectriques correspondantes 58 et 60 sont placées respectivement dans les trous diamétralement opposées ; ces cellules photoélectriques sont associées à des lentilles 61 destinées à concentrer sur elles la lumière collimatée par les lentilles 57. Les sources lumineuses et les cellules photoélectriques sont reliées par des conducteurs, non représentée, aux éléments de circuit fixés à la plaque 44. Le câble 14 est également relié à ces éléments de circuit. Les éléments décrits ci-dessus sont les parties permanentes de l'ensemble de l'embouchure et comportent la totalité des circuits imprimés et les pièces associées de l'ensemble de l'anneau. L'embouchure consommable 18 est constituée par l'ensemble représenté sur la figure 2 qui est introduit dans le support et fixé par la clavette 42 et la rainure de clavette 40, qui définissent en môme temps de façon précise l'orientation angulaire de l'embouchure par rapport aux composants montés sur l'anneau 48. La partie extérieure de l'embouchure 18 est constituée par deux manchons 62 et 64 en matière plastique moulée transparente sensiblement cylindriques réunis entre eux par des rebords conjugués 66 et 68, respectivement, formant ainsi un passage, ou conduite 70, cylindrique continu et à paroi lisse pour l'air. Le rebord 43 annulaire orienté radialement vers l'extérieur du manchon 64, qui s'appuie contre l'extrémité du support 16 définit avec précision la position longitudinale de 1'embouchure par rapport au support » Deux guides en matière plastique transparente 74 et 76, avec des ailettes, comportant chacun quatre ailettes écartées de 90 sont l'un et l'autre moulés d'une seule pièce avec les manchons ou logés dans les extrémités des manchons 62 et 64, respectivement. Ces guides sont espacés de manière bien déterminée l'un par rapport à l'autre quand les manchons sont assemblés (figure 6). Le guide 76 comporte un moyeu 78 cylindrique solidaire, orienté axialsment, un premier prolongement cylindri 32731 - 8 - 2106452 que rétréci solidaire axial 80 et un second prolongement 82 plus fortement rétréci, solidaire et axial, ce dernier étant logé dans un trou axial 83 ménagé dans un moyeu 84 sur le guide 74. Le rotor 20 est une pièce moulée en une. Une feuille mince annulaire souple en matière plastique formant une membrane 90 avec un trou central 91 (figure 4) est fixée entre les surfaces d'about, au contact des manchons 62 et 64 (figure 6). Cette feuille de matière plastique est de préférence en téréphtalate de polyéthylène ou en matière équivalente pratiquement inattaquable par l'humidité. Cette membrane comporte plusieurs fentes radiales 92 équidistantes qui permettent à cette membrane de se déformer sous l'action de l'air qui circule dans le passage 70. Ces fentes traversent toute l'épaisseur de la feuille mais ne vont pas juqa'à son périmètre extérieur(figure 4). Cette membrane s'étend ra-dialement sur une partie appréciable de l'intervalle entre la paroi intérieure du passage 70 délimitée par les manchons 62 et 64 et le manchon 86. Par ailleurs, elle est placée dans la position longitudinale correspondant au rayon maximal des aubes 88. Le diamètre du trou 91 ménagé dans la siembrane est légèrement supérieur au diamètre maximal du rotor 20, si bien ,il est qu'elle ne touche pas ce dernier, et/cependant préférable de ménager seulement un^Léger jeu entre ces pièces. Le manchon 64 comporte des lentilles en matière transparente moulées d'une seule pièce .avec lui 96, 98, 100 et 102 (figures 2, 6 et 7) formées avec précision dans des évidements 32731 - 9 - 2106452 de sa surface extérieure. Les axes optiques de oes lentilles coïncident avec des droites radiales coupant l'axe de passage 70 pour l'air, qui est également l'axe de rotation du rotor 20 Quand l'embouchure est centrée exactement dans le support 16 comme expliqué ci-dessus, ces mêmes Lignes radiales coïncident également avec les axesybptiques des lentilles 61 et 57, associées respectivement aux cellules photoélectriques 60 et 58 et aux sources lumineuses 54 et 56 (figure 7). Les distances focales de ces lentilles sont toutes deux égales au rayon du passage pour l'air 70, c'est-à-dire elles sont disposées de manière à recevoir la lumière collimatée provenant des lentilles 57 et à former les images des filaments de sources lumineuses 54 et 56 sur l'axe de rotation du rotor, donc du moyeu 78. Par ailleurs, les lentilles 96 et 98 reforment, associées aux lentilles 61 et 57 ces images sur les cellules photoélectriques 58 et 60. Il va de soi qu'on peut obtenir le même résultat en utilisant les lentilles 96, 98, 100 et 102 seules, avec une correction convenable de mise au point ce qui permet de supprimer les lentilles 57 et 61 ou d'utiliser d'autres procédés bien connus des opticiens. Le manchon 86 du rotor opaque 20 comporte deux trous diamétralement opposés 104 et 106 (figures 6et 7) alignés avec les sources lumineuses et les cellules photoélectriques pour transmettre sélectivement les rayons lumineux entre ces éléments, de manière à engendrer des signaux constitués par des impulsions électriques. Comme l'indique la figure 7, les cellules photoélectriques sont excitées successivement, l'ordre de succession 60, 58 représentant une rotation dex-trorsum et l'ordre 58, 60 représentant une rotation sinistror-sum. Des circuits logiques destinés à distinguer ces deux sens sont inclus dans l'ensemble 22 comme exposé ci-dessus et sont réalisés conformément aux règles connues de la technique des calculateurs. Les impulsions provenant des cellules photoélectriques 58 et 60 sont transmises par le câble 14 à l'ensemble électronique 22 de l'enregistreur 12 (figure 8) et utilisées pour faire tourner le moteur pas à pas 26 de la manière décrite ci-dessus. En service, le sujet expire de l'air dans le passage 70 71 32731 - io - 2ÏUÔ45Z dai.â la direction indiquée p L'influence de la membrane 90 sur le débit de l'air dans le passage-70 est liée à la vitesse de l'air et ladite membrane 30 réduit davantage la section de passage de l'air aux faibles vitesses. On obtient ce résultat en créant une barrière annulaire constituée par des tourbillons d'air en amont de ladite membrane, qui tendent à renvoyer l'air vers l'intérieur en direction de l'axe de passage 70 pour l'air, afin d'augmenter 35 le volume de l'air qui heurte les aubes 88 du rotor 20. La configuration de cette barrière annulaire se. modifie quand la vitesse de l'air augmente, en partie à cause d'une augmentation de la vitesse de l'air et en partie à cause de la plus 32731 - n - 2106452 forte déformation de la membrane 90. Il va de soi que cette membrane est confectionnée en une matière très souple qui cède facilement et élastiquement au courant d'air, tout en présentant en même temps une résistance suffisante pour créer la turbulence nécessaire. Par conséquent, la membrane offre au passage de l'air une résistance très faible quel que soit le débit dans la gamme d'utilisation, si bien que la contre-pression engendrée par elle est insufissante pour influer sur la respiration du sujet, Grâce aux perfectionnements ci-dessus,du spiromètre enregistreur décrit dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique précitée, l'utilité de l'instrument a été accrue ainsi que sa fiabilité et sa commodité d'utilisation. L'appareil enregistreur 12 peut être placé de préférence sur une table près du sujet et il suffit que le patient saisisse la poignée 16 et souffle dans l'embouchure 18 alors qu'il se trouve dans une position appropriée, par exemple couché, assis, debout ou remuant sur place. Par conséquent, on peut utiliser œt instrument pour obtenir des mesures précises avec des sujets qui sont très faibles ou ont une faible capacité respiratoire ou au contraire, avec des personnes robustes en bonne santé. L'embouchure 18 jetée après usage est très simple et peut être produite à bon marché. Puisque cette partie de l'instrument est la seule exposée à la respiration du sujet, on empêche efficacement la contamination mutuelle des sujets. Il va de soi que la présente invention n'a été décrite qu'à titre indicatif mais nullement limitatif et qu'elle est susceptible de diverses variantes sans sortir de son cadre. 71 32731 _is_ 2106452 REVENDICATIONS 1. Débitmètre pour fluides caractérisé en ce qu'il comprend un canal comportant un passage tubulaire et des paliers axiaux, un rotor monté dans ces paliers et comportant des aubes orientées radialement en direction de la 5 paroi intérieure dudit passage, une membrane souple fixée à ladite paroi intérieure, faisant saillie en direction des aubes et réalisée de manière à se déformer vers l'aval en réponse à la circulation du fluide dans ledit passage et un ensemble générateur réagissant à la rotation dudit rotor 10 en produisant des impulsions électriques à une fréquence proportionnelle au débit volumique du fluide, notamment un gaz, dans ledit canal. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que leditpassage est pratiquement rectiligne et obstrué 15 uniquement par la membrane, les paliers et le rotor. 3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les supports de paliers axiaux comprennent des ailettes fixées au canal et orientées radialement par rapport à celui-ci, les paliers proprement dits étant supportés par 20 ces ailettes. 4. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites aubes ont une forme sensiblement hélicoïdale. 5. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une fraction importante de la section trans ersale du 25 passage est à l'extérieur du contour radial dudit rotor, ladite membrane fermant presqu'entièrement ladite fraction lorsqu'elle n'est pas déformée. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite membrane comporte une ouverture centrale où se 30 trouve le rotor, ladite ouverture pouvant augmenter de diamètre en réponse à la pression du fluide. 7. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite membrane est une feuille pratiquemment plane, orientée perpendiculairement à l'axe dudit passage et dans 35 laquelle sont ménagés un trou central circulaire et plusieurs fentes sensiblement radiales partant dudit trou et iJ&rvenaivt à proximité de ladite paroi intérieure. 2106452 8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que laditjp feuille est an une matière plastique dont la souplesse n'est pratiquemment pas influencée par l'limpidité. 9. Appareil selon la revendication 1; caractérisé en ce que ledit ensemble générateur comprend un dispositif pour projeter de la lumière sur ledit rotor, une cellule pho-toélectrique destinée à recevoir de la lumière provenant dudit rotor et un générateur d'impulsions commandé par la cellule photoélectrique pour émettre des impulsions électriques. 10. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que le dispositif pour projeter de la lumière, la cellule photoélectrique et le générateur d'impulsions sont à l'extérieur dudit passage. 11. Ensemble selon la iWtndieatioft 10, caractérisé en ce que ledit canal comporte une paroi transparente et à travers laquelle de la lumière est projetée en direotion et en provenance dudit rotor. 12. Appareil selon la revendication 11, oaractérisé en ce que ladite paroi transparente comporte des lentilles qui en sont solidaires et sont destinées à recevoir ladite lumière . 13. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble destiné à projeter plusieurs faisceaux lumineux écartés angulairement autour de l'axe de rotation du rotor, une cellule photoélectrique et un générateur d'impulsions pour chaque faisceau et des circuits logiques destinés à différencier les sens de rotation dudit rotor. 32731 - t3 -