Brevet FR2209106A1 — publié le 19740628

L'invention concerne un dispositif de mesure de la vitesse d'écoulement d'un fluide transparent ou de son débit ; ce dispositif permet, en particulier, d'effectuer des mesures sur la vitesse d'écoulement d'un gaz, par exemple, vitesse de l'air inspiré ou soufflé par une personne ; il permet également de mesurer des vitesses d'écoulement de liquide transparent, par exemple, vitesse d'écoulement d'urine à la sortie de l'urètre chez un malade. Les dispositifs qui, à l'heure actuelle, sont aptes à mesurer des vitesses d'écoulement avec une précision satisfaisante, sont, généralement, de structures complexes et de coût élevé ; en outre, I'encombrement de leurs divers éléments limite considérablement leurs domaines d'application : ils ne peuvent, en particulier, etre utilisés pour la mesure de vitesses d'écoulements se produisant dans des sections de faibles dimensions. Par ailleurs, ces dispositifs classiques sont généralement inaptes à détecter des variations rapides des vitesses d'écoulements en raison de leur inertie importante. La présente invention se propose de fournir un dispositif de mesure palliant les insuffisances des dispositifs classiques, et bénéficiant, en particulier, d'une sensibilité élevée, d'une inertie d'ensemble négligeable le rendant apte à déceler et mesurer des variations rapides de vitesses, enfin d'un prix de revient réduit par rapport aux dispositifs connus. A cet effet, un dispositif de mesure de la vitesse d'écoulement d'un fluide comprend - une hélice tournante d'inertie propre négligeable, montée sur pivots et dotée de pales adaptées pour déterminer, sous l'action du fluide, la rotation de ladite hélice, - une première fibre optique, dite fibre émettrice, comportant un orifice émetteur débouchant en regard du plan de rotation de l'hélice à proximité du passage des pales, - une source photo-émissive en position adaptée pour émettre dans cette première fibre optique, - une seconde fibre optique, dite fibre réceptrice, comportant un orifice récepteur débouchant en regard de l'orifice émetteur de la première fibre, du côté opposé à cet orifice par rapport au plan de rotation de l'hélice, - un élément photosensible en position adaptée pour recueillir le flux lumineux transmis par la fibre réceptrice et générer un signal électrique modulé, - enfin, des moyens de traitement électriquement reliés audit élément photosensible et adoptés pour transformer le signal modulé en une grandeur exploitable représentative de la vitesse d'écoulement du fluide. Ainsi, lorsque l'hélice est dans une position telle qu'aucune pale ne se trouve sur le trajet allant de l'orifice émetteur de la première fibre optique à l'orifice récepteur de la seconde, le flux lumineux émis par la source photoémissive est conduit par la première fibre et est capté par la seconde fibre qui le conduit vers l'élément photosensible lequel le transforme en un signal électrique. Lorsqu'une pale de l'hélice vient passer sur le trajet du flux lumineux entre orifice émetteur et orifice récepteur, elle fait écran et empeche sa propagation vers la fibre réceptrice : I'élément photosensible n'est plus excité et l'intensité du signal généré décroît brusquement. Sous l'effet des passages successifs des pales entre les orifices émetteur et récepteur, l'élément photosensible génère un signal électrique modulé, dont la modulation est fonction de la fréquence de ces passages et, par conséquent, de la vitesse de rotation de l'hélice. Comme on sait que cette vitesse de rotation est, pour une hélice d'inertie propre négligeable, directement proportionnelle à la vitesse d'écoulement du fluide, on conçoit que le signal modulé soit propre à donner, après un traitement adapté à l'application envisagée, une mesure de cette vitesse d'écoulement. La description qui suit en référence aux dessins annexés, présente à titre d'exemple non limitatif un mode de réalisation de l'invention ; sur ces dessins qui font partie intégrante de la description - la figure i est une vue partielle, en perspective, d'un dispositif de mesure conforme à l'invention, - les figures 2 et 3 sont des vues de détail de ce dispositif, - la figure 4 est un diagramme représentant l'allure du signal engendré, - la figure 5 est un schéma symbolique d'une chaîne de traitements du signal engendré, cependant que les figures 6a, 6b, 6c et 6d, présentent l'allu- re des signaux aux divers étages de cette chaîne. Le dispositif représenté à titre d'exemple à la figure 1 comprend une hélice i constituée par quatre pales identiques telles que 2, portées par un moyeu 3 dans lequel sont insérés deux rubis tels que 4 ; chaque rubis comporte une petite cavité conique dans laquelle vient s'introduire l'extrémité d'une aiguille 5 : I'hélice est ainsi articulée avec des frottements négligeables autour de ces aiguilles qui définissent un axe de rotation cotncidant avec l'axe de symétrie de cette hélice. Chaque aiguille 5 est maintenue par un support en forme de fourche comprenant une embase 6 et des branches telles que 7, profilées pour engendrer des perturbations négligeables dans le flux du fluide. L'embase 6 est solidaire d'un élément de soutien 13 qui permet de la maintenir et de fixer l'hélice dans le flux. L'hélice I peut avoir des dimensions très réduites, par exemple, un diamètre total de trois: millimètres. environ ; elle peut, le cas échéant, être entourée par un tube appelé à canaliser le fluide. A une branche du support est assujettie une fibre optique 8 dont une extrémité est garnie d'une diode photo-émissive, symboliséé en 9 à la figure de détail 2 ; cette diode est alimentée en énergie électrique par des fils électriques 10. L'autre extrémité de la fibre optique 8 est coudée vers l'hélice t de façon que son orifice vienne se disposer dans un plan parallèle au plan de rotation de l'hélice, à proximité de ce dernier ; bien entendu cette fibre optique est choisie de rigidité appropriée pour ne pas subir de déformations, notamment sous l'influence de l'écoulement du fluide. A l'autre branche du support est fixée une fibre optique 11 de meme nature que la première;elle est également coudée à son extrémité supérieure-de façon que son orifice vienne se disposer en regard de l'orifice émetteur de la première fibre, de l'autre côté du plan de rotation de l'hélice, comme représenté à la figure 1. De la sorte, cet orifice reçoit le flux lumineux émis par la diode photo-émissive 9 et transmis par la fibre optique 8, lorsqu'aucune pale ne vient obturer l'espace compris entre les deux orifices. A l'autre extrémité de la fibre optique 11 est disposée une cellule photosensible, symbolisée en 12 à la figure dé détail 3, cette cellule 12 transforme'le flux lumineux reçu, en un-si gnal I électrique Vs. Le signal électrique produit par la cellule photosensible 12 est du type de celui représenté à la figure 4 ; il présente une modulation fonction de la fréquence des passages de pales de l'hélice l sur le trajet compris entre les orifices des fibres. Ce signal est ensuite traité pour obtenir une grandeur directement exploitable dans l'application envisagée; le traitement auquel il est soumis dépend bien entendu de cette application ; on va décrire ci-dessous, en référence aux figures 5, 6a, pb, 6c et 6d, un exemple particulier de traitement qui. permerde lire directement sur un indicateur,-une valeur de la vitesse d'écoule ment du fluide. Les moyens de traitement se composent de plusieurs éléments classiques: un trigger de Schmidt 14, un étage de différenciation 15, un univibrateur 16, enfin un indicateur de valeur moyenne 17 qui peut etre un appareil à cadre mobile, associé à un circuit dont la constante de temps est réglable. Le trigger de Schmidt-14 transforme le signal modulé Vs (dont la courbe représentative est dessinée à la figure 6a) en un train d'ondes rectangulaires du type de celui dont la courbe représentative est dessinée à la figure 6b. Le seuil de trigger de Schmidt est, de préférence, réglé à une valeur St aussi voisine que possible du minimum de tension Vs. II est possible d'intégrer directement le signal fourni par le trigger de Schmidt sur des périodes de temps données (par un choix convenable de la constante de temps d'intégration) pour obtenir la valeur moyenne de ce signal pendant chacune de ces périodes ; cette valeur moyenne est une fonction croissante du nombre de pales qui, pendant cette période, a défilé devant les orifices des fibres optiques et, par conséquent, se prête à l'aide d'une courbe d'étalonnage, à une lecture directe sur l'indicateur, de la vitesse moyenne d'écoulement du fluide. Toutefois, il est préférable d'ajouter un étage de différenciation 15 et un univibrateur 16, tovs deux de type classique, en vue d'obtenir, comme on va le voir, un signal dont la valeur moyenne est directement proportionnelle à la vitesse d'écoulement du fluide. L'étage de différenciation 15 fournit, en effet, à partir du train d'ondes rectangulaires émis par le trigger de Schmidt, un ensemble de brèves impulsions positives et négatives (figure 6c) qui correspondent respectivement au début et à la fin de chaque onde rectangulaire. Les impulsions positives servent à déclencher un univibrateur 16 qui fournit pour chaque impulsion positive un signal rectangulaire de durée constante déterminée (figure 6d > . On conçoit aisément en comparant les figures 6a et 6d, que pour chaque période du signal Vs, la chaîne de traitement ci-dessous décrite génère un signal rectangulaire de durée constante : en conséquence, comme une période du signal Vs correspond, comme-on l'a déjà dit, au temps qui sépare deux passages successifs de pales de l'hélice, la fréquence des signaux fournis par l'univi- brateur est égale à celle des passages de pales entre les fibres optiques : puisque l'amplitude de ces signaux et leur durée sont constantes; leur valeur moyenne pendant une unité de temps donnée sera donc directement proportionnelle à la vitesse de rotation de l'hélice et, donc, à la vitesse d'écoulement du fluide. L'unité de temps pendant laquelle cette valeur moyenne est détectée est fonction, par exemple, de l'inertie du cadre mobile de l'appareil 17. Notons que, pour faire des mesures sur des phénomènes transitoires, il est possible de mesurer une vitesse pratiquement instantanée au moyen d'un intégrateur donnant une mesure du temps qui s'écoule entre deux passages successifs de pales. Le dispositif de mesure décrit a des applications extremement diverses ; il peut, par exemple, être utilisé en spiromètre pour mesurer et enregistrer la vitesse avec laquelle l'air est expiré ou inspiré chez certains malades. L'invention ayant maintenant été exposée et son intéret justifié sur un exemple détaillé, les demandeurs s'en réservent l'exclusivité pendant toute la durée du brevet sans limitation autre que celle des termes des revendications ci-après. REVENDICATIONS 1- Dispositif de mesure de la vitesse d'écoulement d'un fluide transparent ou de son débit, caractérisé en ce qu'il comprend une hélice tournante d'inertie propre néglipeable, montée sur pivots et dotée de pales adaptées pour déterminer, sous l'action du fluide, la rotation de ladite hélice, une première fibre optique, dite fibre émettrice, comportant un orifice émetteur débouchant en regard du plan de rotation de l'hélice à proximité du passage des pales, une source photo-émissive en position adaptée pour émettre dans cette première fibre optique, une seconde fibre optique, dite fibre réceptrice, comportant un orifice récepteur débouchant en regard de l'orifice émetteur de la première fibre, du côté opposé à cet orifice par rapport au plan de rotation de l'hélice, un élément photosensible en position adaptée pour recueillir le flux lumineux transmis par ia fibre réceptrice et générer un signal électrique modulé, enfin des moyens de traitent électriquement reliés audit élément photosensible et adaptés pour transformer le signal modulé en une grandeur exploitable représentative de la vitesse d'écoulement du fluide. 2- Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyes de traitement comprennent un trigger de Schmidt transformant le signal en un train d'ondes rectangulaires et un indicateur de valeur moyenne disposé en fin de chaîne. 3- Dispositif de mesure selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'un étage de différenciation associé à un univibrateur est disposé en aval du trigger de Schmidt. 4- Dispositif de mesure selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'électrode tournante est entourée par un tube appelé à canaliser le fluide vers celle-ci.