Brevet FR2352286A1 — publié le 19771216

La présente invention se réfère aux débitmètres à ultra-sons fonctionnant par effet Doppler, pour liquides chargés de particules, et plus particulièrement à ceux destinés à entre implantés dans un organisme vivant (animal ou homme). On sait que les appareils du genre en question comprennent essentiellement un émetteur propre à envoyer un faisceau d'ultra-sons suivant une direction oblique par rapport à celle de l'écoulement du liquide de manière à frapper les particules renfermées par celuici, un récepteur transducteur destiné à recevoir les ultra-sons réfléchis par ces particules, et un dispositif approprié d'analyse de la sortie du récepteur pour en déduire le sens et la vitesse de l'écoulement, ainsi que le débit auquel celui-ci correspond. Lorsqu'il s'agit de mesurer la vitesse et/ou le débit d'un liquide à l'intérieur d'un organisme vivant, l'on ne peut envisager d'implanter dans ce dernier la totalité d'un tel appareil avec sa source d'alimentation. On établit donc une sonde renfermant l'emet- teur et le récepteur réalisés sous forme miniaturisée, l'on implante cette sonde dans l'organisme considéré et on la relie par des conducteurs au dispositif d'analyse situé en dehors de celui-ci. L'inconvénient est que les conducteurs de liaison sont généralement mal tolérés par l'organisme pour lequel en outre ils risquent d'être une source d'infection. De plus, dans le cas d'un animal, il est difficile d'éviter que ce dernier ne les arrache en faisant ainsi disparaftre toute possibilité de mesure. L'invention vise à éviter ces inconvénients Elle consiste essentiellement à faire comporter une source électrique miniature à la sonde constituée par l'émetteur ultra-sonore et par le récepteur transducteur, et à réaliser par voie électromagnétique la liaison entre cette sonde et le dispositif d'analyse extérieur. Suivant une autre caractéristique de l'invention l'on réalise la liaison sans onde porteuse, par transformation directe des vibrations ultra-sonores en ondes électriques. La sonde peut ainsi renfermer une pile électrique miniature, un oscillateur à quartz en vue d'obtenir une fréquence stable, un cristal transducteur qui transforme les oscillations électriques en ultra-sons, un cristal récepteur effectuant la transformation inverse, un amplificateur recevant la sortie du cristal, et un élément propre à transformer en ondes électromagnétiques une fraction au moins de l'énergie mise en jeu par l'amplificateur. Ce dernier élé- ment peut être constitué par une antenne, mais au moins lorsque le dispositif d'analyse n'est pas très éloigné de la sonde, il semble préférable de l'établir sous la forme d'une bobine. En ce qui concerne le dispositif extérieur d'analyse, celuici peut être du type utilisé jusqu'ici pour les débitmètres à fils de liaison. Il suffit de lui faire comporter une antenne ou bobine réceptrice associée à un amplificateur. On se heurte toutefois à une difficulté du fait que ces dispositifs utilisent normalement l'onde de l'oscillateur de l'émetteur pour le traitement de la sortie du récepteur transducteur. Comme l'onde en question radie évidemment en même temps que celle provenant du récepteur, on pourrait songer à la recevoir séparément pour la fournir au dispositif d'analyse. Mais suivant l'invention l'on adopte une solution plus simple et plus sûre qui consiste à faire comporter à ce dispositif un oscillateur local qu'on synchronise en fréquence et en phase avec l'oscillateur de l'émetteur. Le dessin annexé, donné à titre d'exemple, permettra de mieux comprendre l'invention, les caractéristiques qu'elle présente et les avantages qu'elle est susceptible de procurer Fig. 1 est un schéma représentant l'ensemble propre a être implanté dans l'organisme considéré près du vaisseau dont on désire mesurer le débit. Fig. 2 montre le schéma d'une forme d'exécution de l'oscillateur associé à l'émetteur d'ultra-sons. Fig. 3 indique celui de l'amplificateur associé au récepteur des ultra-sons réfléchis par les particules. Fig. 4 est un schéma général du dispositif extérieur d'analyse et des circuits ou autres composants qu'il comporte pour la mise en oeuvre de l'invention. Fig. 5 montre à titre d'exemple une forme d'exécution de l'ensemble implantable. Fige 1 représente sous forme schématisée la partie de l'appareil suivant l'invention qui est destinée à être implantée dans l'organisme intéressé. On y distingue un oscillateur électronique 1, un premier cristal 2 formant transducteur d'émission et disposé sur un coté du vaisseau 3 dans lequel circule le liquide chargé de particules dont on désire mesurer le débit, ce premier transducteur étant orienté obliquement par rapport à l'axe du vaisseau 3, un second cristal transducteur 4 disposé à peu près symétriquement au premier par rapport à l'axe du vaisseau, un amplificateur 5 qui re çoit la sortie du cristal 4, une bobine émettrice 6 alimentée par la sortie de l'amplificateur 5, une pile 7 alimentant l'oscillateur 1 et l'amplificateur 5, et enfin un interrupteur magnétique 8 commandant le courant de la pile 6.Tous ces composants sont bien entendu réalisés sous forme extrêmement miniaturisée de man4bre å ce que leur ensemble se présente sous un faible volume. D'autre part pour réduire l'influence directe de la partie constituée par l'oscillateur 1 et le premier cristal 2 sur celle comprenant le second 4, l'amplificateur 5 et la bobine 6, l'on agence l'ensemble de façon que la pile 7 constitue écran entre ces deux parties. On comprend que lorsque l'interrupteur 8 est fermé (par ltef- fet d'un aimant ou électro-aimant extérieur à l'organisme considé ré), le cristal 2, excité par l'oscillateur 1, émet un faisceau d'ultra-sons orienté obliquement par rapport à l'axe du vaisseau 3. Quand ce faisceau rencontre une particule P entraînée par le liquide qui circule dans ce vaisseau, celle-ci réfléchit l'onde ultrasonore, une fraction du faisceau réfléchi atteignant le cristal 4 qui émet une réponse électrique correspondante. Celle-ci est amplifiée par l'amplificateur 5 et circule-dans la bobine 6 en créant ainsi un train d'ondes électromagnétiques susceptible d'être reçu à distance par un récepteur approprié. Par suite de l'effet Doppler, la fréquence de cette réponse dépend du sens et de la vitesse de déplacement de la particule.On démontre aisément que la différence entre la fréquence d'émission et celle de réception est donnée par la formule : A F = 2F . v cos oc/c dans laquelle F = fréquence d'émission des ultra-sons = =différence entre les fréquences émise et reçue v = vitesse de la particule c = célérité des ultra-sons Oc = obliquité des axes allant de la particule aux cristaux supposés disposés symétriquement. DF est positive quand la particule se rapproche des cristaux (sens de la flèche f en fig. 1), la fréquence reçue étant supérieure à la fréquence émise. Elle est négative dans le cas contraire, la fréquence reçue étant alors inférieure à la fréquence émise. La mesure de AF permet donc de détecter le sens et la vitesse de déplacement de la particule. Connaisant la section du vaisseau, on en déduit aisément le débit. Fig. 2 montre à titre d'exemple une forme d'exécution avantageuse de l'oscillateur 1. On y reconnaît en 9 un transistor NPN dont le circuit collecteur renferme un premier enroulement 10 formant circuit oscillant avec un condensateur d'accord 11 à travers un condensateur de découplage 12 de grande capacité jouant le rle de court-circuit pour l'onde électrique. L'émetteur du transistor est directement relié à la ligne négative, tandis que sa base l'est à la ligne positive à travers une résistance 13. La réaction nécessaire est assurée par un second enroulement 14 couple avec le premier 10 et relié à la base de 9 à travers un quartz 15. Un tel circuit peut fonctionner de façon parfaitement stable sous une faible tension (par exemple moins de 1,5 V) et à une fréquence de l'ordre de 5 MHz. Sa sortie 16 est prélevée sur le collecteur de 9. Fig. 3 indique une réalisation de l'amplificateur 5. La ligne positive est reliée par une bobine de choc 17 (éventuellement doublée par un condensateur de filtrage placé en amont) à un conducteur 18 relié à son tour à l'une des bornes de la bobine d'émission 6. L'autre borne de cette dernière est reliée au collecteur d'un transistor NPN 19 dont l'émetteur est directement relié à la ligne négative. La base de 19 reçoit par l'entrée 20 le signal venant du cristal transducteur 4. Elle est polarisée par une résistance 21 aboutissant au conducteur 18. Un condensateur 22 découple ce dernier. Enfin un condensateur d'accord 23 est interposé entre la seconde borne de la bobine 6 et la ligne négative, le circuit oscillant se fermant là encore à travers le condensateur de découplage 22 prévu à grande capacité. Il est important de noter que le système de fig. 1 ne comporte pas d'onde porteuse au sens usuel de ce mot, c'est-à-dire une onde modulée en fonction de l'information à transmettre. En effet les ondes ultra-sonores reçues par le cristal 4 sont directement transformées en ondes électromagnétiques de même fréquence (soit donc 5 MHZ dans l'exemple décrit). Toutefois il convient de noter que ces ondes sont complexes en ce sens que le cristal 4 reçoit non seulement les ultra-sons réfléchis par la particule P considérée, mais également ceux qui sont diffusés par le cristal émetteur 2. Toutefois ce problème se présente de même manière dans les appareils connus à fils de liaison et l'on se bornera donc à rappeler qu'il est résolu dans les dispositifs d'analyse existant à ce jour, et dont on peut faire application pour la mise en oeuvre de la présente invention. Fis. 4 indique schématiquement comment l'on utilise un tel dispositif connu, représenté par le rectangle référencé 24. Ce dispositif comporte comme à l'ordinaire deux entrées 24a, 24b, la pre mière étant normalement prévue pour recevoir la sortie du cristal récepteur 4, tandis qu'à la seconde on doit appliquer l'onde de l'os- cillateur émetteur (donc de l'oscillateur 1) en guise de référence de fréquence et de phase. En ce qui concerne la sortie du cristal 4, elle est représentée par la tension aux bornes d'une bobine réceptrice 25 qu'on oriente de manière à ce qu'elle soit influencée par l'onde électromagnétique émise par la bobine 6. Cette tension étant très faible, on l'amplifie par le moyen d'un amplificateur 26 avant de l'appliquer à l'entrée 24a.Pour ce qui est de l'onde de référence de fréquence et de phase, on a prévu un oscillateur local à quartz 27 soigneusement réglé pour comporter la même fréquence que l'oscillateur 1 et l'on assure sa synchronisation parfaite en lui appliquant la tension de sortie de l'amplificateur 26. Il convient de rappeler à cet effet que dans l'information reçue par la bobine 25 la fréquence d'émission de l'oscillateur 1 prédomine considérablement en puissance sur celle provenant de la réflexion sur la particule P. Il en résulte que 27 se synchronise en toute sécurite sur la première et non pas sur la seconde.Quant aux détails d'un tel oscillateur synchronisé, on se bornera à rappeler qu'il s'agit d'un circuit bien connu dans la pratique et dont au surplus il est fait un large emploi en matière de radio-diffusion, de sorte que toute description serait superflue. Fig. 5 montre à titre d'exemple une forme de réalisation de l'ensemble implantable décrit plus haut en référence à la représentation schématique de fig. 1. On y aperçoit la pile 7 interposée entre d'une part l'oscillateur 1 monté avec l'interrupteur magnétique 8 sur une première plaquette 28 à circuits imprimés, d'autre part l'amplificateur 5 établi sur une seconde plaquette 29, le tout étant enfermé dans une pochette 30 faite en un tissu approprié propre à être supporté par l'organisme. Les deux cristaux 2 et 4 sont disposés dans des logements prévus sur les branches respectives d'une petite pince articulée 31 destinée à être placée sur le vaisseau intéressé (vaisseau 3 de fig. 1). Des conducteurs co-axiaux 32 et 33 les relient aux plaquettes 28 et 29 respectives.De même la bobine 6, réalisée sous forme plate, est enfermée dans un sachet 34 et est reliée par un conducteur 35 à la plaquette 29. Tout l'ensemble de fig. 5 est de dimensions suffisamment réduites pour pou voir entre implanté sans difficulté dans l'organisme considéré. L'invention a donc bien permis d'établir un débitmètre à ultrasons fonctionnant par effet Doppler, dans lequel toute liaison par fils conducteurs entre l'ensemble émetteur-récepteur et le dispositif d'analyse de l'information se trouve totalement éliminée, de sorte que l'ensemble précité peut être entièrement implanté dans un organisme vivant et cependant transmettre l'information utile au dispositif d'analyse situé à l'extérieur. Il doit d'ailleurs être entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails d'exécution décrits par tous autres équivalents. On conçoit notamment que bien que destinée à l'étude de l'écoulement des liquides à l'intérieur d'un organisme, cette invention peut s'appliquer à tout autre genre d'écoulement présentant les mêmes problèmes ou des problèmes similaires. REVENDICATIONS 1. Débitmètre directionnel à ultra-sons fonctionnant par effet Doppler, pour liquides chargés de particules, et notamment pour liquides organiques, du genre comprenant un émetteur d'ultra-sons, un récepteur transducteur propre à recevoir les ultra-sons réfléchis par les particules en mouvement et à fournir un signal électrique correspondant, et un dispositif d'analyse qui reçoit ce signal et en déduit le sens et la vitesse de déplacement de la particule, caractérisé en ce qu a l'émetteur et au récepteur transducteur est associée une source électrique qui constitue avec eux un ensemble indépendant, la liaison entre cet ensemble et le dispositif d'analyse étant réalisée par voie électromagnétique. 2. Débitmètre suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la liaison par voie électromagnétique s'effectue sans onde porteuse par la seule transformation directe des ondes ultra-sonores en ondes électriques. 3. Débitmètre suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'ensemble de la source électrique, de l'émetteur ultra-sonore et du récepteur-transducteur comprend en outre un amplificateur et un élément de rayonnement. 4. Débitmètre suivant la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément de rayonnement est constitué par une bobine. 5. Débitmètre suivant l'une quelconque des revendications qui précèdent, caractérisé en ce qu'au dispositif d'analyse sont associés un élément collecteur des ondes électromagnétiques provenant de l'ensemble émetteur-récepteur, un amplificateur du signal reçu par cet élément et qui envoie le signal ainsi amplifié au dispositif précité, et un oscillateur local dont la sortie est également envoyée à ce dispositif, ledit oscillateur étant synchronisé par le signal provenant de l'amplificateur et dont la composante principale correspond à la fréquence et à la phase de l'émetteur. 6. Débitmètre suivant l'une quelconque des revendications qui dans précèdent, caractérisé en ce quE ensemble indépendant, la source électrique est interposée entre l'émetteur d'ultra-sons et le transducteur recepteur de façon à former écran.