Brevet FR2209105A1 — publié le 19740628

L'invention concerne un dispositif de mesure de la vitease d'écoulement d'un fluide ou de son débit ; ce dispositif permet, en particulier, d'effectuer des mesures sur la vitesse dtdcoulement d'un gaz, par exemple, vitesse de l'air inspiré ou soufflé par une personne ; il permet également de mesurer des vitesses d'ecoulement de liquide, par exemple, vitesse d'écoulement d'urIne i la sortie de l'urètre chez un malade0 Les dispositifs qui, A l'heure actuelle, sont aptes è mesurer des vitesses d'écoulement avec une précision satisfaisante sont, généraloeient, de structures complexes et de coft élevé ; on outre, l'encombrement de leurs divers éléments limite considérable- ment leurs domaines d'application : ils ne peuvent, en particulier, astre utilisés pour la mesure de vitesses d 1écoulements se produisant dans des sections de faibles dimensions.Par ailleurs, ces dispositifs classiques sont généralement inaptes i détecter des variations rapides des vitesses d'écoulements en raison de leur inertie import tante. La présente invention se propose de fournir un dispositif de mesure palliant les insuffisances des dispositif s classiques et, bénéficiant, en particulier, d'une sensibilité élevée, d'une inertie d'ensemble négligeable le rendant apte à déceler et mesurer des va, riations rapides de vitesses, enfin d'un prix de revient réduit par rapport aux dispositifs connus. À cet effet, un dispositif de mesure de la vitesse d'écot liement d'un fluide'ou de son débit comprend - une électrode tournante d'inertie propre négligeable, montée sur pivots et dotée de pales adaptées pour déterminer, sous l'action du fluide, la rotation de ladite électrode, - une électrode fixe située radialement à une faible dis tance d'une zone de passage des extrémités des pales de l'électrode tournante, - un élément de liaison électrique couplé à l'électrode fixe, - un oscillateur à fréquence fixe générant un signal dleo- trique de haute fréquence, - un circuit de modulation couplé à l'oscillateur précité et accordé sur le flanc de sa courbe de résonance, l'élément de liaison précité étant raccordé audit circuit de modulation de sorte que la capacité variable créée entre l'électrode fixe et l'électrode tournante soit insérée dans ce circuit et engendre une modulation en amplitude du signal haute fréquence, - un étage de détection couplé à la sortie du circuit de modulation et fournissant un signal dont la fréquence est, à chaque instant, égale à la fréquence de passage des pales devant lié- lectrode fixe, - enfin des moyens de traitement transformant le signal précité en une grandeur exploitable représentative de la vitesse d'écoulement du fluide. Le diamètre de l'électrode tournante précitée est bien entendu adapté à l'application envisagée et peut être extrtmement réduit, de l'ordre de un à quelques millimètres, ce qui rend le dispositif apte à effectuer des mesures de vitesses ponctuelles de fluide. Sous l'influence des forces développées par le fluide sur les pales, cette électrode est animée d'un mouvement de rotation dont la vitesse est, en raison de l'inertie négligeable, directement proportionnelle à la vitesse d'écoulement du fluide ; au cours de la rotation, 1 'extrémité de chaque pale de l'électrode se rapprc- che de l'électrode fixe, passe en regard de celle-ci, puis s > en éloigne de sorte que la capacité électrique existant entre électrode mobile et électrode fixe subît des variations qui se traduisent par des variations de 1 'impédance du circuit de modulation accordé et, par voie de conséquence, par une modulation en amplitude du si gnal haute fréquence généré par l'oscillateur. I1 est à noter que le circuit de modulation étant accordé sur le flanc de la courbe de résonance de l'oscillateur, une variation extremement faible de l'impédance de ce circuit se traduit par une modulation notable du signal haute fréquence.Le signal haute fréquence, ainsi modulé, est ensuite inJecté dans l'étage de détection qui en extrait un signal basse fréquence, dont la fréquence est modulée à l'image de la fréquence des passages de pales devant l'électrode fixe. Ce signal est ensuite traité selon l'application envisagée pour fournir à l'opérateur une indication sur le paramètre qui l'intéresse : vitesse moyenne d'écoulement pendant une période donnée, vitesse instantanée (en fait, vitesse moyenne pendant une courte période donnée, limitée inférieurement par la durée qui sépare deux passages de pales successifs, etc...). Le dispositif peut permettre d'eifeo- tuer une lecture directe de la valeur du paramètre, ou bien de réa- liser un enregistrement de celle-ci, ou encore d'utiliser le signal représentatif pour opérer un asservissement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention se dégageront de la description qui suit, en regard des dessins annexés, lesquels représentent, à titre d'exemple non limitatif, un mo-. de de réalisation de cette invention ; sur ces dessins, qui font partie intégrante de cette invention : - la figure 1 est une vue partielle, en perspective, à échelle très dilatée, d1un dispositif de mesure selon l'invention, cependant que la figure 2 en est lzne coupe axiale, également à échelle dilatée, - la figure 3 est un schéma symbolique du dispositif, montrant 1 1eichainement des unités qui le constituent, cependant que les figures 4a, 4b et 4c sont des diagrammes représentant 1 'aI- lure des signaux à divers étages du dispositif, - la figure 5 présente, à titre d'exemple, les montages électriques qui composent les unités symbolisées à la figure 3, - la figure 6 est un schéma symbolique d'une channe de traitement du signal modulé, cependant que les figures 7a, 7b, 7c et 7d présentent l'allure des signaux aux divers étages de cette channe. Le dispositif de mesure représenté, à titre d'exemple, comprend une électrode tournante 1 en forme d'hélice (figures 1 et 2), constituée par quatre pales identiques telles que 2, portées par un moyeu 5 dans lequel sont insérés deux rubis tels que 6 chaque rubis comporte une petite cavité conique dans laquelle vient s'introduire l'extrémité d'une aiguille 3 : l'électrode tournante est ainsi articulée avec des frottements négligeables autour de ces aiguilles qui définissent un'ase de rotation coincidant avec l'ase de symétrie de cette électrode.Chaque aiguille 3 est maintenue par un support en forme de fourche comprenant une embase 13 et des brava, ches telle que 4, profilées pour engendrer des perturbations négligeables dans le flux du fluide. 1 'électrode tournante 1 peut avoir des dimensions très réduites, par exemple, un diamètre total de trois millimètres environ ; elle peut, le cas échéant, strie entourée par un tube appelé à canaliser le fluide. Par ailleurs, une électrode fixe 17 est disposée dans le plan de rotation de l'électrode tournante à proximité du passage de L'extrémité des pales ; de la sorte, la capacité qui prend naisse ce entre ces électrodes, présente une valeur maximum lorsqu'une pale est positionnée en face de 1 'électrode 7 et une valeur minimum inférieurs à cette première valeur, lorsque l'électrode tournante est dans une position telle que l'électrode 7 soit située à michemin entre les deux pales. Lorsque 1 'électrode 1 tourne autour de son axe, la capacité créée entre elle-même et l'électrode fixe, varie, donc, entre cette valeur minimum et cette valeur maximum. L'électrode 7 est solidaire d'un conducteur 8 entouré d'une couche cylindrique 9 d 1isolant, elle-mSme entourée par une gaine conductrice rigide 10, pour former un coaxial de type classique. La gaine 10 de ce coaxial comporte un embout Il fileté qui permet de visser des bagues taraudées 12 et 12' entre lesquelles est pincée l'embase 13 au support ; cette embase est, bien entendu, percée d'un ajour pour permettre l'introduction de l'embout il de la gaine. Le conducteur central 8 du coaxial est soudé à son autre extrémité à un fil conducteur 14, cependant que la gaine 10 est reliée à un fil conducteur 15, notamment au moyen d'une bague 16 SBIC rée à l'aide d'une vis 17 autour de celle-ci. Les fils conducteurs 14 et 15 permettent d'insérer dans un circuit de modulation, qui sera décrit ci-dessous, le circuit capacitif défini par les deux électrodes, leur support et le coaxial.Dans ce circuit, deux capacités sont en série, à savoir la capacité entre l'électrode tou=ax te I et l'électrode fixe 7 et les capacités entre le moyeu 5 et les aiguilles 3 ; toutefois, seule, la capacité entre l'électrode tour nante I et l'électrode fixe 7 est variable, l'autre capacité en série étant parfaitement invariable (de meme que la capacité entre conducteur central du coaxial et gaine située en parallele par rapr port à celles-ci) ; les variations de capacité, décelables entre les fils 14 et 15 sont donc directement liées aux variations de'la capacité prenant naissance entre les électrodes fixe 7 et tournante 1.Comme on sait qu'une telle électrode 1 d'inertie négligeable tourne avec une vitesse de rotation proportionnelle à la vitesse d'écoulement du fluide moteur, la fréquence des variations capacitives décelées entre les fils 14 et 15 sera directement proportionnelle à cette vitesse d'écoulement dans une plage de vitesses fonction des caractéristiques mécaniques de construction de 1 'électrode tournante. La channe symbolisée à la figure 3 fournit un signal de sortie Vs représentatif du passage des pales devant l'électrode 7 en fonction do temps. Cette chine est composée d'un circuit de modulation 18 dans lequel est insérée la capacité variable sus-mentionnée ; ce circuit est couplé à un oscillateur 19 à fréz > uencè fixe stabilisée, générant un signal électrique de haute fréquence le couplage du circuit 18 et de l'oscillateur 19 est réalisé de sorte que ledit circuit de modulation soit accordé sur le flanc de la courbe de résonance de ltoscillateur : les variations capacitives du système précédemment décrit se traduisent ainsi par une modulation d'amplitude du signal haute fréquence généré par i 'oscil- lateur 19. On a dessiné à la figure 4a, la courbe représentative du signal haute fréquence généré par l'oscillateur 19, cependant que, à la figure 4b a été représenté le signal haute fréquence mod- lé en amplitude par le circuit de modulation. Ce signal modulé est, ensuite, de préférence, injecté dans un étage séparateur 20, avant d'tre traité par un étage de d6- tection 21 : l'étage séparateur 20 isole dans lé sens amont-aval l'étage de détection, de sorte que ce dernier n'ait aucune réaction sur le circuit de modulation 18 et sur l'oscillateur 19.Ce circuit de détection permet, de façon classique, d'extraire un signal basse fréquence, du type de celui représenté b la figure 4c dont la courbe be représentative reproduit les modulations en amplitude du signal haute fréquence ; la modulation de fréquence de ce signal basse fr6- qnence est, donc, directement représentative de la variation de fréquence de passages des pales de l'électrode tournante devant l'électrode fixe. Le signal basse fréquence peut ensuite être injecté daxi un circuit d'adaptation d'impédance 22 permettant de réduire l'if pédance de sortie de l'ensemble qui délivre un signal Vs dont la fréquence est représentative de la vitesse d'écoulement du fluide et qli est susceptible d'trie traité selon l'application envisagée. Avant de décrire un exemple de traitement, on va donner ci-dessous une description sommaire d'un mode de réalisation des circuits électroniques qui composent les diverses unités, quoi que chacune de celles-ci puisse entre réalisée de différentes manières, classiques en elleE-mames. Cet exemple est représenté à la figure 5. L'oscillateur (délimité par des tirets en 19 sur cette figure) est un oscillateur piloté par un cristal de quartz 23, comprenant essentiellement, d'une part, un circuit de charge accordé sur la fréquence du quartz et formé par le primairè 24 d'un transforme- teur ct, d'autre part, un amplificateur opérationnel 25 de type classique, performant en haute fréquence.Cet oscillateur pilot8 par quartz fournit un signal haute fréquence dont la fréquence est stabilisée à 10 9 près. Le circuit de modulation (délimité par les tirets 18') comprend le secondaire 26 du transformateur, auquel est associé le système à électrodes déjà décrit et qui est accordé sur le flanc de la courbe de résonance de ltoscillateur, de sorte qu'une variation capacitive, mSme faible, entre électrodes provoque une modulation en amplitude du signal haute fréquence. Le circuit de modula tion est, en outre, équipé de façon classique d'une résistance 27 et d'une diode Zeener 28 de polarisation du circuit séparateur. L'étage séparateur représenté en 20' sur la figure 5, est composé de façon classique d'une résistance 29 et d'un transistor 30 dont la base reçoit le signal haute fréquence modulé et dont le collecteur est polarisé positivement. Cet étage séparateur élimine les risques de modulation parasite au niveau du circuit de modulation par une variation d'impédance de l'étage de détection. Cet étage de détection 21' est, de façon connue, composé d'une série de résistances et de capacités convenablement choisies et disposées, et d'une diode 31 qui produit lteffet de détection. Enfin, le circuit d'adaptation 22' est, en l'exemple, composé d'un amplificateur opérationnel de type classique 32 et d'une série de résistances et de capacités, agencées comme le repr6- sente le schéma. On ne donnera pas plus de détails sur ces circuits qui sont, chacun en eux-mmes, tout à fait classiques. Les moyens de traitement qui transforment le signal de sortie Vs en une grandeur directement exploitable dans 1 'applica- tion envisagée, dépendent bien entendu de cette application ; on va décrire ci-dessous, en référence aux figures 6, 7a, 7b, 7c et 7d, un exemple particulier de traitement qui permet de lire directement sur un indicateur, une valeur de la vitesse d'écoulement du fluide. Les moyens de traitement se composent de plusieurs éléments classiques : un trigger de Schmidt 33, un étage de différenciation 34, un univibrateur 35 enfin, un indicateur de valeur moyenne 36 qui peut btre un appareil de cadre mobile, associé à un circuit dont la constante de temps est réglable. Le trigger de Schmidt 33 transforme le signal modulé Vs (dont la courbe représentative est dessinée à la figure 7a) en un train d'ondes rectangulaires du type de celui dont la courbe représentative est dessinée à la figure 7b. Le seuil du trigger de Schmidt est, de préférence, réglé à une valeur St aussi voisine que possible du maximum ou du minimum de tension Vs, respectivement se lon que la capacité d'accord du circuit de modulation est choisie inférieure ou supérieure à la capacité qui correspondrait au maximum de la courbe de résonance. Il est possible d'intégrer directement le signal fourni par le trlgger 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 l'électrode fixe et, par conséquent, se prSte, 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 34 et uii univibrateur 35,.tous 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 35 fournit, en effet, à partir du tzfdn d'ondes rectangulaires émis par le trigger de Schmidt, un ensemble de brèves impulsions positives et négatives (figure 7c) qui correspondent respectivement au début et à la fin de chaque onde rectangulaire. Les impulsions positives servent à déclencher unLuni- vibrateur 35 qui fournit pour chaque impulsion positive un signal rectangulaire de durée constante. déterminée (figure 7d). On confit aisément en comparant les figures 7a et 7d, que pour chaque période du signal Vs, la chatne de traitement ci-dessous décrite génère un sigal rectangulaire de durée constante : en con, séquence, comme une période du signal Vs correspond, comme on l'a déjà dit, au temps qui sépare deux passages successifs de pales de l'électrode tournante, la fréquence des signaux fournis par 1 'univi- brateur est égale à celle des passages de pales : puisque 1 'amplit de de ces signaux et leur durée sont constantes, leur valeur moyenne pendant une unité de temps donnée sera directement proportionnelle à la vitesse de rotation de l'électrode tournante 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 36. 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'éGoule entre deux passages successifs de pales. Le dispositif de mesure décrit a des applications extra mement diverses ; il peut, par exemple, être utilisé en apiromètre 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 intérêt justifié sur un exemple détaillé, les demandeurs s'en réservent l'exclusivité pendant toute la durée du brevet sans limitation au- tre que celle des termes des revendications ci-après. BEVEDICBTIONS 1 - Dispositif de mesure de la vitesse d'écoulement d'un fluide ou de son débit, caractérisé en ce qu'il comprend une électrode tours nante d'inertie propre négligeable, montée sur pivots et dotée de pales adaptées pour déterminer, sous l'action du fluide, la rota- tion de ladite électrode, une électrode fixe située radielaent à une faible distance d'une zone de passage des extrémités des pales de l'électrode tournante, un élément de liaison électrique couplé à l'électrode fixe, un oscillateur à fréquence stabilisée générant un signal électrique de haute fréquence, un circuit de modulation cou, plé à l'oscillateur précité et accordé sur le flanc de sa courbe de résonance, l'élément de liaison électrique précité étant raccordé audit circuit de modulation de sorte que la capacité variable créée entre l'électrode fixe et l'électrode tournante soit insérée dans ce circuit et engendre une modulation en amplitude du signal haute fréquence, un étage de détection couplé à la sortie du circuit de modulation et fournissant un signal dont la fréquence est égale à la fréquence de passage des pales devant 1 'électrode fixe, enfin des moyens de traitement transformant le signal précité en une grandeur exploitable représentative de la vitesse d 'écoulement du fluide. 2 - Dispositif de mesure selon la revendication 1 caractérisé en ce que ltéldment de liaison électrique précité est constitué par le conducteur central d'un coaxial rigide comprenant une gaine externe couplée à 1 'électrode tournante. 3 - Dispositif de mesure selon l'une des revendications I ou 2, ca ractérieé en ce que i 'oscillateur à fréquence stabilisée est un os- cillateur piloté par quartz, comprenant un circuit de charge accordé sur la fréquence du quartz. 4 - Dispositif de mesure selon la revendication 3 caractérisé en ce qu'il comporte un transformateur servant à coupler le circuit de modulation et 1 'oscillateur et comprenant, dlune part, un primaire accordé sur la fréquence quartz et qui forme le circuit de charge de l'oscillateur, d'autre part, un secondaire faisant partie du circuit de modulation et accordé sur le flanc de la courbe de résonance de 1 1oscillateur. 5 - Dispositif de mesure selon 1 'une des revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisé en ce qu'un étage séparateur est inséré en amont de l'étage de détection, en vue d'isoler celui-ci de l'oscillateur et du circuit de modulation, dans le sens aval-amont. 6 - Dispositif de mesure selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4 ou 5, caractérisé en ce qu'un circuit d'adaptation est inséré en aval de l'étage de détection, en vue de réduire l'impédance de sortie, en amont des moyens de traitement. 7 - Dispositif de meaure selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caractérisé en ce que les moyens de traitement comprennent un trigger de Schmidt transformant le signal de sortie en un train d'ondes rectangulaires, associé à un indicateur de valeur moyenne disposé en fin de channe. 8 - Dispositif de mesure selon la revendication 7 caractérisé en ce qu'un étage de différenciation associé à un univibrateur est disposé en aval du trigger de Schmidt. 9 - Dispositif de mesure selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ou 8, caractérisé en ce que l'électrode tournante est entourée par un tube appelé à canaliser le fluide à proximité de cel le-ci.