Brevet FR2359400A1 — publié le 19780217

La présente invention a pour objet des dispositifs pour étalonner des capteurs analogiques qui délivrent un signal électrique. Le secteur technique de l'invention est celui de la construction des dispositifs électroniques de mesure et/ou de régulation. Les dispositifs électroniques de mesure et/ou de régulation comportent des capteurs analogiques appelés également transducteurs qui délivrent un signal électrique, généralement une tension, qui est proportionnel à une grandeur physique téle- qu'une température, une pression, une différence de pression, une force etc..., et dont les variations représentent analogiquement les variations de la grandeur physique. Ces capteurs comportent un étalonnage de calibration, constitué par une résistance déterminée, qui permet de connaître le coefficient de proportionnalité entre le signal électrique et la grandeur physique et qui permet de faire varier ce coefficient et l'échelle de mesure Ces capteurs comportent un deuxième moyen d'étalonnage du zéro qui permet de supprimer le coefficient constant dans la relation qui relie le signal électrique à la grandeur physique. Un bon étalonnage du zéro des capteurs est très important en pratique car la plupart des chanesélectroniques de mesure comportent des circuits intégrateurs du signal électrique et Si celui-ci comporte un terme constant, les circuits integrateurs dérivent et tout le bon fonctionnement de la chaîne est perturbé. Avant chaque mesure et fréquemment au cours d'une expérience prolongée, il est nécessaire de vérifier et de réajuster le bon étalonnage du zéro des capteurs. Les capteurs sont généralement insérés dans un port de mesure tel qu'un pont de résistances ou d'impédances et le signal de sortie est la tension qui apparaît dans la diagonale du pont lorsque celui-ci est déséquilibré. Si l'étalonnage du zéro est parfait, lorsque la grandeur à mesurer est nulle, le pont doit être parfaitement équilibré. Pour vérifier et ajuster l'étalonnage du zéro, on connecte habituellement la sortie du pont sur un millivoltmetre, on applique sur le capteur une grandeur nulle et on agit sur un potentiomètre qui fait varier la tension de sortie du pont jus qu'à ce que millivoltmètre indique une tension sensiblement nulle. Cette méthode présente plusieurs inconvénients. En effet, la précision de la lecture du millivoltmètre dépend d'un opérateur et peut donc varier avec celui-ci. D'autre part, il n'est pas possible de faire varier cette précision avec les exigences de chaque expérience dont certaines nécessitent un étalonnage du zéro très précis, avec une tolérance très faible, de tordre du millivolt, qui est difficile à obtenir par lecture d'un appareil de mesure. D'autre part, on ntobtient pas par cette méthode un signal qui indique le passage par zéro, soit au moment de l'étalonnage, soit en cours de mesure et qui peut être très utile et même indispensable dans certaines expériences. Un autre inconvénient des dispositifs connus d'étalonnage du zéro des capteurs réside dans le fait qu'il ne permet pas de déplacer facilement le zéro. Dans certains cas on désire réguler une grandeur physique pour maintenir celle-ci constante et égale à une valeur déterminée différente de zéro. Les objectifs de la présente invention sont de procurer des dispositifs perfectionnés d'étalonnage des capteurs qui permettent d'ajuster le zéro du capteur avec une tolérance qui est ellememe ajustable et qui peut être très faible et qui permettent d'obtenir un signal logique qui indique immédiatement si ltetalonnage recherche est atteint ou non et qui peut être utilisé pour réguler automatiquement une grandeur physique afin de la maintenir constante ou pour réguler automatiquementl'etalonnage du zéro. Les dispositifs d'étalonnage qui font l'objet de la présente invention s'appliquent à des capteurs analogiques qui comportent des moyens connus, incorporés au capteur, pour régler le zéro du capteur. Les objectifs de l'invention sont atteints au moyen d'un dispositif qui comporte un circuit électronique d'étalonnage, connectable à la sortie du capteur, qui compare la tension de sortie du capteur à un seuil et qui émet un signal logique lorsque la valeur absolue de la différence entre la tension de sortie du capteur et ledit seuil est inférieure à une valeur de référence, lequel circuit électronique comporte des moyens pour déplacer le seuil et des moyens pour faire varier ladite valeur de référence. De préférence, le circuit électronique d'étalonnage est composé d'un premier étage qui compare la tension de sortie des capteurs à un seuil déplaçable et qui délivre une tension de sortie proportionnelle à la différence entre la tension de sortie du capteur et ledit seuil et d'un deuxième étage qui est connecte à la sortie du premier étage et qui compare cette différence à une valeur de référence ajustable et qui délivre un signal logique lorsque la valeur absolue de cette différence est inférieure à ladite valeur de référence, c'est-à-dire lorsque la tension de sortie du capteur se trouve à l'intérieur d'une fenetre centrée sur ledit seuil et ayant une largeur ajustable égale à deux fois ladite valeur de référence. La présente invention a pour résultat un nouveau moyen pour étalonner le zéro des capteurs qui permet d'étalonner successivement plusieurs capteurs. Un dispositif selon l'invention présente l'avantage de permettre d'étalonner le zéro rapidement, avec une précision ajustable à volonté en faisant varier la largeur de la fenêtre qui peut être très faible. Le signal logique fourni par le circuit d'étalonnage peut etre utilisé pour commander une signalisation, par exemple l'allumage d'une lampe qui indique avec certitude que l'étalonnage du zéro est réalisé avec la tolérance affichée. Il permet également de déplacer le seuil de sorte que, sans modifier l'étalonnage incorporé au capteur, on obtient un signal logique chaque fois que la grandeur physique que l'on mesure se trouve à l'intérieur d'une fenêtre, aussi étroite qu'on le désire, centrée sur un seuil déterminé, qui peut être nul ou différent de zéro. Ce signal logique peut être utilisé pour signaler le passage d'une grandeur variable par une valeur déterminée ou pour réguler automatiquement, par tout ou rien, cette grandeur de sorte qu'elle reste toujours incluse dans une fenêtre encadrant le seuil. On obtient ainsi un dispositif de régulation peu onéreux. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent des exemples de réalisation et d'application d'un dispositif selon l'invention, sans aucun caractère limitatif. La figure I est un schéma d'un ensemble de capteurs et de circuits électroniques qui sont utilisés pour étudier des phénomènes respiratoires. La figure 2 est un bloc diagramme d'un dispositif selon l'invention. La figure 3 est un schémasimplifié des circuits essentiels de la figure 2. La figure 4 est un schéma des circuits comparateurs de la figure 5. La figure 5 est un diagramme des signaux logiques en fonction de la tension d'entrée. La figure I représente une application particulière d'un dispositif selon l'invention dans une chaîne de capteurs et de circuits électroni- ques utilisés pour étudier des phénomènes respiratoires. Il est précisé que cette application est donnée à titre d'illustration sans aucun caractère limitatif et que les dispositifs selon l'invention peuvent être utilisés dans toutes sortes d'installations de mesure comportant un ou plusieurs capteurs analogiques qui délivrent des signaux électriques qui sont ensuite traités électronîquement. Dans le seul domaine physiologique; des dispositifs selon l'invention peuvent équiper des dispositifs électroniques de surveilI-ance, de réanimation de respiration artificielle, de circulation extra corporelle en cours d'opération, de reins artificiels etc.... La figure I représente en 1 une cabine étanche, appelée plethysmographe, dans laquelle se trouve un patient 2 qui respire à l'intérieur de la cabine et dont on désire mesurer certains paramètres respiratoires tels que la compliance qui est l'inverse de l'élasticité pulmonaire et qui est égale au rapport tV entre les variations de volume respiré et de pression ou bien la capacité résiduelle fonctionnelle (CFR) qui est le volume pulmonaire au repos ou encore la résistance des voies aériennes (R.V.A.) qui est égale au rapport entre la perte de charge dans les voies aériennes et le débit. Pour effectuer ces mesures, on utilise quatre capteurs analogiques Cl à C4 connectés chacun sur un préamplificateur AI àA4. Le capteur Cl est un capteur i Aapression dans l'oesophage dont on déduit la pression intrathoracique. Le capteur C2 est un capteur de pression buccale du patient. Le capteur C3 indique la pression dans la cabine I ou pression pléthysmographique. Cette pression permet de connaître la pression dans les alvéoles pulmonaires du patient. Enfin le capteur C4 est un capteur de pression différentielle qui indique le débit instantané d'air aspiré ou expire. Les tensions délivrées par les quatre préamplificateurs,qui représentent analogiquement les pressions ou les débits,sont envoyées sur divers appareils électroniques de traitement et d'affichage. La tension délivrée par A4 est intégrée dans un circuit intégrateur 3 qui délivre, au cours de chaque demi cycle respiratoire,une tension intégrale égale au volume inspiré ou expiré depuis le début du demi cycle. Un premier oscilloscope 4 affiche suivant deux coordonnées rectangulaires x et y, d'une part, la pression intra thoracique délivrée par AI et, d'autre part, le volume délivré par l'intégratèur 3 de sorte que la pente de la courbe affichée correspond à la compliance. Un deuxième oscilloscope 5 affiche suivant deux coordonnées rectangulaires, d'une part la pression buccale délivrée par l'amplificateur A2 et, d'autre part, la pression pléthysmographique délivrée par l'amplificateur A3 et la pente de la courbe affichée parmet de déterminer la capacité résiduelle fonctionnelle. Un troisième oscilloscope 6 affiche suivant deux coordonnées rectangulaires d'une part le débit délivré par l'amplificateur A4 et, d'autre part, la différence ~entre la pression à la bouche et la pression alvéolaire et la pente de la courbe permet de connaître la résistance des voies aériennes. La précision des mesures dépend de la pression des capteurs et en grande partie de l'étalonnage du zéro des capteurs ou plutôt de l'ensemble capteur-préamplificateur, car la dérive des amplificateurs peut introduire un décalage du zéro. Les capteurs comportent un potentiomètre intégré qui permet de faire varier le zéro et on vérifie habituellement le bon étalonnage du zéro de chaque capteur ou de chaque paire capteur-préamplificateur en connectant la sortie du capteur sur un millivoltmètre, mais cette méthode manque de précision et exige des opérations relativement longues de sorte qu'habituellement on ne répète pas la vérification en cours d'expérience alors que le zéro peut se déplacer. Les déplacements du zéro des capteurs associés à un intégrateur tel que 3 sont une cause importante d'erreur car l'intégrateur intègre le terme constant et se met à dériver, Pour pallier cette cause d'erreur et pour accroître en même temps la précision de l'étalonnage du zéro, tout en facilitant celui-ci, de sorte qu'il peut être vérifié plusieurs fois au cours d'une meme expérience, sans perdre de temps et sans interrompre celle-ci, on utilise un dispositif d'étalonnage qui est composé d'un circuit électronique 7 dont l'entrée est connectée sur la sortie d'un commutateur 8 qui permet de connecter successivement sur le circuit 7 les sorties des différents préamplificateurs A1 à A4.Ce circuit 7 compare la tension délivrée par chaque amplificateur à un seuil S qui est déplaçable au moyen d'un commutateur et il délivre un signal logique, par exemple un signal de polarité négative, chaque fois que cette tension se trouve à l'intérieur d'une fenêtre encadrant le seuil S. Le circuit 7 comporte,en outre, des moyens pour ajuster la largeur de la fenêtre selon la précision exigée. Le signal logique délivré par le circuit 7 agit sur une signalisation, par exemple sur une lampe 9 qui s'allume lorsque la tension préamplifiée est dans la fenêtre. Ainsi, on peut vérifier aisément, en observant la lampe 9, si l'étalonnage du zéro de chaque capteur est réalisé avec une tolérance égale à la demi largeur de la fenêtre. Le signal logique délivré par le circuit 7 peut également servir à commander des opérations de traitement des signaux électriques. Par exemple, dans l'exemple de la figure, ce signal commande une porte analogique 10, constituée par un transistor monté en interrupteur dans la boucle de contre-réaction de l'intégrateur 3 qui commande la mise à zéro de I'inté- grateur chaque fois que le signal délivré par le préamplificateur A4 se trouve à l'intérieur de la fenêtre, c'est-à-dire chaque fois que le débit devient nul. Ces remises à zéro de l'intégrateur 3 permettent d'obtenir à la sortie de celui-ci, en permanence, des tensions qui mesurent le volume total expiré ou inspiré depuis le début de chaque phase d'expiration ou d'inspiration. De plus, le signal logique délivré par le circuit 7 peut ~ servir à commander automatiquement l'enregistrement de certains paramètres lorsque le débit est nul ce qui permet de calculer, par exemple la compliance statique qui est la compliance à débit nul. La figure 2 est un bloc diagramme simplifié d'un dispositif d'étalonnage selon l'invention. On retrouve sur cette figure, quatre capteurs CI à C4 qui sont connectés chacun sur l'entrée d'un préamplificateur AI à A4. Chaque préamplificateur comporte un réglage d'échelle ou de calibration 11 et un réglage 12 du zéro. Les sorties des quatre préamplificateurs sont connectées sur les bornes d'entrée du commutateur 8. La sortie des commutateurs 8 est connectée, en parallèle, sur un appareil de mesure 13, par exemple un voltmètre, et sur l'entrée d'un circuit électronique détecteur 7 qui est un comparateur à seuil et à fenêtre qui comporte, d'une part, un moyen 14 pour déplacer lerseuil et un moyen 15 pour faire varier la largeur de la fenêtre qui encadre le seuil. Chaque fois que la tension V provenant du commutateur 8 se trouve à l'intérieur de la fenêtre, le circuit 7 émet un signal binaire, par exemple une tension de polarité négative et inversement, il émet le signal binaire contraire lorsque la tension V est située hors de la fenêtre.Le signal logique émis par le dispositif 7 agit sur la signalisation lumineuse 9 qui s'allume par exemple lorsque la tension V est dans la fenêtre. Dans cet exemple, le signal logique émis par le détecteur 7 commande également les remises à zéro automatiques d'un circuit intégrateur 3 par la ligne RAZ. La figure 3 est un schéma plus détaillée des circuits de la figure 2. On retrouve sur cette figure un capteur C qui est constitué par un pont de résistances dont l'une d'elles ou bien deux d'entre elles, montées en différentiel, varient en fonction d'une grandeur physique X. Les bornes B1 et B2 sont les bornes d'alimentation du pont. Les bornes El et E2 sont les bornes de sortie. La tension v entre El et E2 représente analogiquement la grandeur physique X, c'est-à-dire que v et X sont reliées entre elles par une équation (1) de la forme v = kX + vo dans laquelle k et vo sont des constantes. Les bornes El et E2 sont connectées sur les bornes d'entrée d'un préamplificateur A qui est un amplificateur à courant continu. Le capteur comporte une résistance étalonnée R1 qui peut être insérée dans le circuit au moyen d'un interrupteur 16. Cette résistance correspond à une valeur déterminée de la grandeur physique X et permet donc de connaître le coefficient de proportionnalité k de l'équation (1) précédente. Le capteur C comporte, en outre, un potentiomètre Fi qui permet d'ajouter une tension variable à la tension de sortie du pont de façon à ramener cette tension de sortie à zéro lorsque la grandeur physique X est égale å zéro. Le potentiomètre P1 permet donc d'annuler la coefficient constant vo de ltequation (1), c'est-à-dire de régler ou d'étalonner le zéro du capteur. La sortie de l'amplificateur A est connectée sur une des bornes du commutateur 8 dont les autres bornes sont connectées sur les sorties d'autres amplificateurs non représentés. La sortie du commutateur 8 est connectée sur une borne d'entrée d'un amplificateur différentiel 7 dit comparateur à seuil et à fenetre qui compare la tension V délivrée par l'amplificateur A à un seuil S qui peut etre déplacé aujiloyen du potentiomètre P2. Lorsque la valeur absolue de la différence entre V et S est inférieure à une tension de référence L, c'est-à-dire lorsque la tension V se trouve à l'intérieur d'une fenetre de largeur 2L centrée sur le seuil S, le comparateur 7 émet un signal logique binaire Z.La-largeur L de la fenêtre est ajustable au moyen du potentiomètre 15 et peut etre réglée à une valeur très faible de sorte que si l'on choisit un seuil S égal zéro etune largeur L très réduite, par exemple L = 1 mV, le comparateur 7 émet un signal Z de polarité déterminée uniquement lorsque le zéro du capteur est obtenu avec une très grande précision, la tolérance étant égale à i L. La sortie du détecteur 7 est connectée sur le voyant 9 qui s'allume lorsque la tension V est dans la fenêtre ce qui permet d'être prévenu, sans aucun risque d'erreur de lecture d'un appareil de mesure, que le zéro de l'appareil est bien réglé avec la précision voulue. On a représenté également sur la figure 3 l'intégrateur 3 qui fait partie des circuits électroniques de mesure et qui est constitué par un amplificateur opérationnel muni d'une boucle de contre réaction comportant un condensateur 16 et une porte analogique 17 constituée par un transistor monté en interrupteur. La sortie du détecteur 7 est connectée sur la base du transistor 17 de sorte que celui-ci est saturé chaque fois que la tension V passe à l'intérieur de la fenêtre de largeur +L et la capacité 16 se décharge en remettant l'intégrateur à zéro. La figure 4 est un schéma plus détaillé d'un mode de réalisation préférentiel du circuit détecteur 7 à seuil et à fenêtre. Ce circuit est composé de deux étages montés en cascade et composés tous deux d'un amplificateur différentiel 7a et 7b. L'amplificateur 7a est monté en circuit analogique totalisateur ou différenciateur. La borne positive est connectée au potentiel zéro, c'est-à-dire à la masse. La borne négative est connectée sur une boucle de contre réaction 18 et, par l'intermédiaire de deux résistances 19 et 20, elle est connectée d'une part, sur la sortie du commutateur 8 qui délivre une tension V et, d'autre part, sur la sortie d'un potentiomètre 14 qui délivre une tension de seuil S déplaçable. L'amplificateur 7a effectue et amplifie avec un gain G, la différence V-S. Comme cette différence peut etre positive ou négative, la boucle de contre réaction comporte deux diodes 21a et 21b montées en parallèle et orientées en sens inverse de sorte que la différence V-S est redressée et l'on prélève à la sortie de l'étage 7a, une tension inverse des alternances positives de V-S. L'amplificateur 7b est également monté en circuit analogiques totalisateur. La borne positive est à la masse. La borne négative est connectée sur une boucle de contre réaction 22 et, en outre, par l'intermédiaire d'une résistance 23, sur la sortie du premier étage; par l'intermédiaire d'une résistance 24 sur le potentiomètre 14; par l'intermédiaire d'une résistance 25 sur la sortie du commutateur 8 et par l'intermédiaire d'une résistance 26 sur la sortie du potentiomètre 15 qui délivre une tension de référence L ajustable. La boucle de contre réaction comporte deux diodes 27a et 27b montées en parallèle et orientées en sens inverse qui redressent le signal. Si 1V - S1 est > L c'est-à-dire si V est situé à l'extérieur d'une fenè- tre de largeur +L centrée sur S, la tension de sortie Z de l'amplificateur 7b est de polarité positive et égale par exemple à +5 Volts. Si au contraire 1V - #l La figure 5 représente en abscisses la tension V, le seuil S et la fenêtre de largeur L centrée sur S et en ordonnée la tension Z délivrée par le circuit détecteur 7b. La figure 4 représente > en outre, le transistor 17 qui fait fonction de porte analogique. On a représenté également sur cette figure une borne M de repos du commutateur 8 qui est connectée sur un potentiomètre 28. Lorsque le dispositif d'étalonnage du zéro n'est pas utilisé, on place le commutateur sur la position M et le potentiomètre 28 est réglé de telle sorte que la tension qu'il délivre soit Située en dehors de la fenêtre de sorte que l'on ne risque pas des fonctionnements intempestifs. Bien entendu, sans sortir du cadre de l'invention, les divers élé- ments constitutifs des circuits qui viennent d'etre décrits à titre d'exemple pourront etre remplacés par des éléments équivalents, remplissant les memes fonctions. -- R E V E N D i C A T I O N S 1 - Dispositif pour étalonner un capteur analogique qui délivre une tension électrique et qui comporte des moyens incorporés pour régler le zéro dudit capteur, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit électronique d'étalonnage > connectable à la sortie dudit capteur, qui compare la ten sion de sortie dudit capteur à un seuil et qui émet un signal logique lorsque la valeur absolue de la différence entre ladite tension de sortie et ledit seuil est inférieure à une valeur de référence déterminée, ler quel circuit électronique comporte des moyens pour déplacer ledit seuil et des moyens pour faire varier ladite valeur de référence. 2 - Dispositif selon la revendication 1 pour étalonner successivement plu sieurs capteurs analogiques, caractérisé en ce que la borne d'entrée dudit circuit électronique est connectée sur la sortie d'un commutateur dont chacune des bornes d'entrée est connectée sur la sortie de l'un desdits capteurs. 3 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit circuit électronique est composé d'un premier étage qui compare la tension de sortie des capteurs à un seuil déplaçable et qui délivre une tension de sortie proportionnelle à la différence entre ladite tension de sortie du capteur et ledit seuil et d'un deuxième étage, qui est connecté à la sortie du premier étage et qui compare ladite diffé rence à une valeur de référence ajustable et qui délivre un signal logique lorsque la valeur absolue de cette différence est inférieure à ladite valeur de référence. 4 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux éta ges dudit circuit électronique sont des amplificateurs opérationnels montes en totalisateurs qui comportent, dans la boucle de contre réaction, deux diodes montées en parallèle et orientées en sens inverse l'une de l'autre. 5 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'une des bornes d'entrée de l'amplificateur opérationnel qui constitue le premier étage est maintenue au potentiel zéro, tandis que la deuxième borne d'en trée est connectée à la boucle de contre réaction et, par l'intermédiaire de deux résistances, sur la sortie dudit capteur et sur un potentiomètre qui détermine le niveau du seuil. 6 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'une des bornes d'entrée de l'amplificateur opérationnel qui constitue le deuxième étage est maintenue au potentiel zéro tandis que la deuxième entrée est connectée, par l'intermédiaire de résistances,sur la boucle de contre réaction, sur la sortie du premier étage, sur la sortie du capteur, sur ledit potentiomètre du premier étage et sur deuxième potentiomè tre qui permet dtajuster la largeur de la fenetre au centre de laquelle est situé le seuil. 7 - Dispositif pour ltetude des phénomènes respiratoires comportant un circuit électronique d'étalonnage selon l'une quelconque des revendica tions 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs capteurs analo giques de débit et de pression et au moins un circuit intégrateur qui intègre la tension délivrée par chaque capteur de débit pour fournir une mesure de volume et lesdits circuits intégrateurs comportent une remise à zéro qui est commandée automatiquement par ledit signal logique qui est délivré par ledit circuit électronique d'étalonnage chaque fois que le signal de sortie du capteur de débit est situé dans une fenêtre de largeur déterminée encadrant un seuil déterminé.