Brevet FR2286370A1 — publié le 19760423

La présente invention concerne les procédés et dispositifs, notamment les spiromètres, permettant de mesurer le volume d'un gaz sous pression s'écoulant dans un tuyau. Les appareils de mesure de volume gazeux, et plus particulièrement les spiromètres, connus à ce jour comportent d'une façon générale une cloche gazométrique munie de clapets et un compteur ou enregistreur. Ces appareils sont, dans l'ensemble, d'une mise en oeuvre délicate et d'un prix élevé et ne permettent pas d'obtenir une information instantanée et suffisamment précise en cours de mesure. L'invention a pour but d'éliminer ces inconvénients et de fournir un appareil de mesure de volume gazeux peu coûteux et simple, tout en étant d'une bonne fiabilité et ne nécessitant qu'un entretien aussi réduit que possible, appareil permettant en outre une lecture directe et pratiquement instantanée du volume du gaz écoulé i un instant donné. L'invention vise plus particulièrement un spiromètre susceptible d'être utilisé par le sujet lui-même et permettant la mesure de constantes biologiques dites "capacité vitale" et "volume expiratoire maximum par unité de temps". Pour ce faire, l'invention propose un procédé de mesure du volume d'un gaz sous pression s'écoulant dans un tuyau, caractérisé en ce qu'il consiste à - détecter la pression instantanée du gaz en un point du tuyau - mesurer le temps pendant lequel on détecte la pression instan tanée - et recueillir un signal, fonction des deux grandeurs obtenues, représentatif du volume de gaz écoulé devant le détecteur de pression. Selon un aspect particulier, le procédé conforme à l1inven- tion comprend les étapes suivantes - provoquer la déformation d'un élément déformable sous l'action de la pression instantanée du gaz qui s'écoule - détecter l'amplitude-de la déformation de l'élément déformable, et recueillir une information sous forme d'un signal électrique analogique représentatif de ladite déformation - convertir ce signal analogique en impulsion dont la fréquence est fonction de l'amplitude dudit signal analogique - compter les impulsions engendrées depuis le début de la mesure - et exploiter le résultat du comptage, notamment aux fins d'af fichage. De cette façon le nombre des impulsions comptées est fonction de la pression instantanée du gaz et du temps pendant lequel s'effectue le comptage ; il est donc représentatif de la valeur de l'intégrale got p.dt, et par conséquent du volume de gaz écoulé dans le tuyau entre les instants o et t. L'invention propose en outre un appareil de mesure du volume d'un gaz sous pression mettant en oeuvre le procédé précédent. Selon l'invention, un tel appareil comprend - des moyens sensibles à la pression instantanée du gaz qui s'écoule - des moyens pour déterminer la durée de la mesure - des moyens pour délivrer une information fonction de la pres sion et du temps et représentative du volume du gaz écoulé. Selon un aspect particulier de l'invention, l'appareil comprend en combinaison - des moyens sensibles à la pression instantanée du gaz qui s'écoule et délivrant un signal électrique analogique dont l'amplitude est représentative de la pressioninstantanéedu gaz - des moyens pour convertir le signal analogique en impulsions dont la fréquence est fonction de l'amplitude dudit signal - des moyens pour compter les impulsions engendrées depuis le début de la mesure - et des moyens pour afficher le comptage. Selon un autre aspect de l'invention, les moyens sensibles à la pression instantanée du gaz sont constitués par - une enceinte communiquant avec le tuyau, enceinte dont une paroi est constituée par une membrane déformable - un volet mobile monté de façon à être déplacé par les déforma tions de la membrane - et des moyens pour détecter l'amplitude du déplacement du vo let mobile. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, les moyens pour détecter l'amplitude du déplacement du volet mobile sont d'une part une diode électroluminescente et d'autre part une photodiode, fonctionnant dans le domaine des rayonnements visibles ou infra-rouges, ces deux diodes étant séparées par un espace dans lequel se déplace le volet mobile. L'invention propose également un spiromètre comportant les dispositions principales de l'appareil de mesure du volume d'un gaz sous pression s'écoulant dans un tuyau. Selon un autre aspect de l'invention, le spiromètre conforme à l'invention co#mporte en outre un circuit de chronométrage interrompant le comptage des impulsions au bout d'un temps prédéterminé de référence, par exemple une seconde. De toute façon l'invention sera mieux comprise b l'aide de la description détaillée qui suit et des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est un schéma synoptique de l'appareil de mesure conforme à l'invention - la figure 2 montre le schéma d'un spiromètre réalisé conformé ment à l'invention ; - la figure 3 est une courbe montrant la réponse en tension du système de la figure 3 - la figure 4 est un schéma d'une variante du spiromètre conforme à l'invention. Sur la figure 1, le gaz sous pression circule dans un tuyau 1, par exemple dans le sens indiqué par la flèche 2. En un emplacement du tuyau est disposé un capteur de pression 3 qui délivre sur sa sortie 4 un signal électrique analogique dont l'amplitude est représentative de la pression détectée. Ce signal est amplifié en 5, puis traité par un convertisseur 6 qui transforme ce signal analogique en impulsions dont la fréquence est fonction de l'amplitude du signal. Les impulsions sont envoyées, par l'intermédiaire d'une porte 7, dans un compteur 8, et le résultat est affiché en 9. Un circuit auxiliaire 10, recevant une tension prélevée sur l'amplificateur 5, commande la porte 7 et déclenche le comptage dès que le gaz sous pression agit sur le capteur 3. Les différents circuits composant cet appareil peuvent être réalisés à l'aide de composants à semi-conducteurs qui en réduisent 1'encombrement et augmentent sa fiabilité. A titre d'exemple, on peut concevoir l'utilisation d'un capteur de pression se présentant sous forme d'un circuit intégré qui, associé à l'amplificateur 3 également réalisé sous forme de circuit intégré, est monté directement sur le tuyau 1 et est relié au reste de l'appareil par une connexion longue. Les autres circuits : convertisseur , compteur, décodage pour l'affichage, peuvent également être réalisés à partir de circuits imprimés, et l'affichage lui-même, effectué à l'aide de tubes luminescents miniatures ou de cristaux liquides, n'ajoute rien à l'encombrement de l'appareil. On va maintenant décrire, en se référant à la figure 2, un mode de réalisation de cet appareil, dans son application particulière à un spiromètre. Mais il va de soi que cet exemple n'est nullement limitatif et qu'il peut tout aussi bien convenir pour toute mesure du volume d'un gaz sous pression s'écoulant dans un tuyau. L'air est insufflé par le sujet dans un tuyau 101, par exemple dans le sens repéré par la flèche 102. Une tubulure diaphragmée lOla relie le tuyau 101 à une cavité 101b dont une paroi est constituée par une membrane 103. La membrane 103 se déforme sous l'action de la pression, provoquant le déplacement d'un volet mobile 104 qui en est solidaire. Lors de son déplacement, le volet 104 occulte plus ou moins le faisceau d'un rayonnement émis par une source 1C5 et reçu par un récepteur 106. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la source 105 est une diode électroluminescente émettant un rayonnement visible ou infra-rouge qui excite la photo-diode 106. La quantité de lumière reçue par la photo-diode 106 est fonction du déplacement du volet 104. L'ensemble qui vient d'être décrit permet donc de convertir la pression exercée sur la membrane 1C3 en un signal électrique analogique facilement exploitable. L'utilisation de composants optoélectroniques et d'une membrane qui peut être de petites dimensions permet d'obtenir un capteur d'encombrement qui peut éventuellement être monté directement sur le tuyau, ce capteur étant relié au reste de l'appareil par une connexion électrique longue. De plus les composants optoélectroniques ont une réponse très rapide et permettent de réaliser un appareil à réponse pratiquement instantanée et exempt d'inertie. La photo-diode 106 est connectée à la base d'un transistor 107, du type PNP, dont l'émetteur est relié à une source de tension continue +V par l'intermédiaire d'une résistance 108. Le collecteur de ce transistor 107 est relié à la masse par l'intermédiaire d'une résistance formée d'une résistance 109 de valeur fixe branchée en série avec un potentiomètre 110 dont le rôle sera explicité plus loin. Aux bornes du potentiomètre 110 est branchée une diode Zéner 111 limitrice de tension. Le collecteur du transistor 107 est également relié à la base d'un transistor 112, de type NPN, dont le collecteur est porté å la tension +V et dont la charge d'émetteur est constituée par une lampe témoin 113 dont l'autre borne est mise à la masse. L'éclat de la lampe 113 dépend de l'intensité la traversant et, par conséquent, de la pression exercée sur le diaphragme 103. L'émetteur du transistor 107 est également relié à la base d'un transistor 114, de type PNP, dont l'émetteur est relié à la source de tension +V par l'intermédiaire d'une résistance 115 et dont le collecteur est relié à la masse par l'intermédiaire d'un condensateur 116. Le collecteur du transistor 114 est également connecté à l'électrode de grille d'un transistor unijonction 117 (UJT) dont les'deux autres électrodes sont reliées respectivement à la source de tension +V et à la masse par l'intermédiaire de résistances 118 et 119. Le transistor 114 se comporte comme une résistance variable dont la valeur est déterminée par l'intensité du courant de base qui lui est appliqué par la diode 106 via le transistor amplificateur 107. Ainsi, le circuit constitué par le transistor 114, la résistance 115, le condens/ateur 116, le transistor UJT 117, les résistances 118 et 119 forment un oscillateur délivrant des impulsions dont la fréquence varie en fonction de la résistance émetteur-collecteur du transistor 114, et par conséquent en fonction de l'excitation de la diode 106. On trouve ensuite une bascule bistable 12G dont l'entrée E est reliée au curseur du potentiomètre 110, la tension prélevée sur celui-ci déterminant le seuil de basculement de cette bascule. La sortie S de la bascule 120 est reliée à l'entrée des impulsions d'horloge C d'une bascule JK 121, dont la borne J est portée au niveau 1 et la borne K au niveau 0. Pour ce faire, de façon conventionnelle, la borne J est portée à la tension +Vcc d'alimentation des bascules, et la borne K est mise à la masse. La sortie Q de la bascule 121 est reliée à la commande auxiliaire CA de la bascule bistable 120, tandis que la sortie Q est reliée à la base d'un transistor 122 de type NPN, dont l'émetteur est à la masse et dont la charge de collecteur est une lampe témoin 123. La bascule JK 121 comporte en outre une entrée R de remise à zéro, opération qui peut être effectuée à l'aide d'un poussoir 124, formant un interrupteur ordinairement en position ouverte, branché entre la borne R de la bascule 121 et la masse. La sortie S de la bascule bistable 120 est reliée à l'entrée J d'une autre bascule JK 125, dont l'entrée K est portée au niveau 1 de la façon conventionnelle indiquée plus haut. L'entrée d'impulsions d'horloge C de la bascule 125 reçoit les impulsions à compter qui sont prélevées entre le transistor UJT 117 et la résistance 119. Les impulsions sont recueillies sur l'une des sorties, par exemple Q, pour le comptage et î1affi- chage. Le circuit constitué par les bascules 120, 121 et 125 joue le rôle de commande du circuit de comptage et d'affichage. Son fonctionnement est le suivant. La bascule 121 est supposée avoir été remise à O préalablement ; sa sortie Q est donc au niveau 0, bloquant le transistor 122 (la lampe 123 est donc éteinte) et sa sortie Q est au niveau 1, ainsi donc que la borne CA de la bascule bistable 120. Cette dernière est donc en état de basculer. Au moment où le sujet commence à souffler dans le tuyau 101, aux bornes du potentiomètre 110 apparaît une tension dont une partie est appliquée à l'entrée E de la bascule bistable 120. Lorsque cette tension dépasse la valeur de seuil préréglée à l'aide du curseur du potentiomètre 11C, la bistable 120 bascule, la sortie S passe au niveau 1. La sortie S de la bistable 120 étant reliée à l'entrée de la bascule 125, celle-ci est maintenant en état de transmettre à la sortie Q les impulsions appliquées à son entrée d'horloge C et représentative du volume d'air expiré. Les impulsions recueillies en Q pour le comptage et l'affichage ont une fréquence moitié de cette des impulsions d'entrée. Lorsque le sujet a terminé son expiration, au moment où la tension en E devient inférieure à la tension de seuil, le niveau à la sortie S de la bistable 120 s'annule. Par conséquent, la bascule 121 change d'état ; sa sortie Q passant à 0 bloque la bistable 120, le système ne pouvant alors être remis en marche qu'en appuyant sur le poussoir 124 de remise à zéro. La sortie Q de la bascule 121 passant au niveau 1, le tran sistor 122 devient conducteur, et la lampe 123 s'allume, signalant la fin de la mesure, et le blocage du circuit. Dans le même temps, l'entrée J de la bascule 125 étant au niveau 0, les imposions ne peuvent plus passer, bloquant le comptage et l'on peut lire le résultat affiché. La figure 3 représente la courbe de réponse en tension du système décrit précédemment, cette tension étant mesurée aux bornes de la diode Zéner 111. La courbe présente une partie approximativement rectiligne encadrée par deux parties incurvées. La partie incurvée inférieure, tangente à la droite correspondant à la tension 0, se trouve dans une zone de fonctionnement instable, dans laquelle la pression est insuffisante pour déformer la membrane 103 de façon étalonnable. Le dispositif est alors insuffisamment sensible. La partie incurvée supérieure, tangente à la droite correspondant à la tension de seuil de la diode Zéner, se trouve dans une zone de saturation dans laquelle la réponse du dispositif n'est plus représentative du volume d'air expiré. Il convient donc que le point figuratif du fonctionnement soit situé sur la partie rectiligne, ce qui fournit une réponse linéairement proportionnelle au déplacement du volet 104 sur toute la plage utile de mesure. Le potentiomètre 110 permet de régler le seuil de déclenchement de la bascule bistable 120 de façon å faire fonctionner le dispositif dans la seule zone appropriée. La figure 4 représente une variante du dispositif précédent, variante permettant de mesurer le volume expiratoire maximum par unité de temps. Le débit d'air expiré est alors beaucoup plus important que dans le cas précédent, et est de l'ordre de 3,4 litres par seconde. Si l'on conservait la tubulure utilisée pour la mesure de capacité vitale, l'appareil se saturerait aussitôt. La tubulure normale est donc remplacée par un tube plus large comportant un rétrécissement diaphragmé. La pression exercée sur la membrane est ainsi à peu près du même ordre de grandeur que pour la mesure de capacité vitale. De plus la durée du comptage est limitée à 1 seconde à l'aide d'un dispositif chronométrique. La figure 4 ne montre que la partie du dispositif qui a subi des modifications, les éléments identiques à ceux de la figure 2 conservant les mêmes références numériques. La bascule bistable 120 et les bascules JK 121 et 125 sont connectées de la même façon que représenté sur la figure 2, à l'exception de l'entrée J de la bascule JK 125 qui n'est plus maintenue en permanence au niveau 1 et de son entrée K qui est reliée à la sortie S de la bistable 120. Une troisième bascule JK 126 a son entrée K reliée à la sortie de la bascule bistable 110. L'entrée d'impulsions d'horloge C de cette bascule 126 est connectée, par l'intermédiaire d'un interrupteur 127, à une diode 128, laissant passer la partie positive de la tension du réseau à 50 Hz. Une quatrième bascule JK 129, a ses entrées J et K mises en permanence respectivement aux niveaux 1 et O. Sa sortie Q est reliée aux entrées J des bascules 125 et 126 et la borne de remise à zéro R est connectée au contact travail du poussoir 124. Enfin on trouve deux demi-décades 130 et 131, représentées comme montées dans un même boîtier 132. L'entrée E de la demi-décade 131 est connectée à la sortie Q de la bascule JK 126 et sa sortie S est reliée à l'entrée E de l'autre demi-décade 131, dont la sortie est connectée à l'entrée J de la bascule JK 129. L'entrée R-de chaque demi-décade étant munie d'un inverseur de niveau, la remise à l'état initial s'effectue par remise à 1 des entrées R. Pour ce faire, les entrées R des demi-décades 130 et 131 sont reliées au contact repos du poussoir 124. Le fonctionnement de ce dispositif est le suivant L'ensemble est préalablement remis à zéro en agissant sur le poussoir 124. Ainsi les sorties Q des bascules 121 et 129 sont au niveau 1, et les demi-décades 130 et 131 affichent 0. Par conséquent les bornes J des bascules 125 et 126 sont également au niveau 1. Les bernes K des bascules 125 et 126 sont au même niveau que la sortie S de la bistable 120, c'est-à-dire 0, ce qui empêche le comptage des impulsions venant du transistor UJT 117 et des impulsions de 50 Hz. Au début de l'expiration du sujet, dès que la sortie de la bistable 120 passe au niveau 1, la borne K des bascules 125 et 126 passe au niveau 1, et commencent simultanément le comptage des impulsions provenant du transistor UJT 117 et le comptage des impulsions de 50 Hz. La sortie Q de la bascule 126 fournit donc des impulsions ayant une fréquence de 25 Hz qui sont comptées dans les demidécades 130 et 131 connectées en série. Une fois comptée la vingt-cinquième impulsion, donc une seconde après le début du comptage, la sortie S de la deuxième décade 131 envoie une impulsion sur l'entrée d'horloge C de la bascule 129, dont les bornes J et K sont respectivement aux niveaux 1 et O en permanence. Ses sorties Q et Q passent alors respectivement aux niveaux 1 et 0, ce qui arrête les comptages dtimpulsions en faisant passer au niveau 0 les entrées J des bascules 125 et 126. Le résultat du comptage est alors directement lisible sur le dispositif d'affichage comme dans le cas précédent. La description qui précède concerne deux modes préférés de réalisation, mais il est clair que de nombreuses modifications peuvent être apportées au système sans sortir des limites de l'invention. En particulier, on peut remplacer les diodes opto-électroniques 45 et 46 par un émetteur et un récepteur ultrasoniques ; on peut remplacer l'ensemble constitué par le volet mobile 104 et les diodes 105 et 106 par une transmission mécanique solidaire de la membrane et actionnant le curseur d'un potentiomètre déli- vrant une tension proportionnelle au déplacement de ce curseur ; ou encore le volet mobile opaque peut être remplacé par un volet mobile translucide dont l'opacité varie linéairement ou selon une loi déterminée dans le sens du déplacement du volet, de façon à améliorer la linéarité de la courbe de réponse ou à réaliser une opération mathématique sur les signaux. En outre il est possible d'utiliser le résultat du comptage pour actionner un circuit de commande ou effectuer une opération quelconque, par exemple pour couper le débit de gaz dans le tuyau. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes de réalisation et de fabrication qui ont été plus spécialement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. - REVENDICATIONS 1. - Procédé pour mesurer le volume d'un gaz sous pression s'écoulant dans un tuyau} caractérisé en ce qu'il consiste à détecter la pression instantanée du gaz en un point de tuyau, à mesurer le temps pendant lequel on détecte la pression instantanée, et à recueillir une information, fonction des deux grandeurs obtenues, représentative du volume de gaz écoulé devant le détecteur de pression. 2. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à - provoquer la déformation d'un élément déformable sous l'action de la pression instantanée du gaz qui s'écoule - détecter l'amplitude de la déformation de l'élément déformable, et recueillir une information sous forme d'un signal électrique analogique représentatif de ladite déformation - convertir ce signal analogique en impulsions dont la fréquence est fonction de l'amplitude dudit signal analogique - compter les impulsions engendrées depuis le début de la mesure - et exploiter le résultat du comptage, notamment aux fins d'af fichage. 3. - Appareil pour mesurer le volume d'un gaz sous pression s'écoulant dans un tuyau, caractérisé en ce qu'il comprend - des moyens sensibles à la pression instantanée du gaz qui s'écoule - des moyens pour déterminer la durée de la mesure - des moyens pour délivrer une information fonction de la pression et du temps et représentative du volume du gaz écoulé. 4. - Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison - des moyens sensibles à la pression instantanée du gaz qui s'é coule et délivrant un signal électrique analogique dont l'am plitude est représentative de ladite pression instantanée - des moyens pour convertir le signal analogique en impulsions dont la fréquence est fonction de l'amplitude dudit signal - des moyens pour compter les impulsions engendrées depuis le début de la mesure - et des moyens pour exploiter le résultat du comptage, notam ment aux fins d'affichage. 5. - Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens sensibles à la pression comprennent - une enceinte communiquant avec le tuyau, enceinte dont une pa roi est constituée par une membrane déformable ; - un volet mobile monté de façon à être déplacé par les déforma- tions de la membrane - et des moyens pour détecter l'amplitude du déplacement du volet mobile. 6. - Appareil sebn la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens pour détecter l'amplitude du déplacement du volet mobile comprennent un organe émettant un rayonnement occulté partiellement par le volet mobile et un organe récepteur engendrant un signal électrique en réponse audit rayonnement. 7. - Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que les organes émetteur et récepteur sont respectivement une diode électroluminescente et une photodiode. 8. - Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que les organes émetteur et récepteur sont des convertisseurs électro-accoustiques fonctionnant dans la gamme des ultra-sons. 9. - Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens pour détecter l'amplitude du déplacement du volet mobile sont constitués par un potentiomètre. 10. - Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens sensibles à la pression sont réalisés sous forme d'un circuit intégré délivrant directement un signal électrique. 11. - Spiromètre selon l'une des revendications 3 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un circuit d'inhibition du comptage des impulsions lorsque la pression de l'air insufflé est inférieure à une valeur prédéterminée. 12. - Spiromètre selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un circuit de chronométrage arrêtant le comptage des impulsions après un temps prédéterminé, afin de permettre la mesure du débit maximal expiratoire par unité de temps.