Brevet FR2420157A1 — publié le 19791012

La présente invention a pour objet un dispositif sélecteur d'écoulement, notamment pour séparer des gaz inspirés et expirés par un sujet, du type comprenant un conduit principal se divisant en un premier et un second conduits secondaires et des moyens d'obturation sensibles au sens d'écoulement d'un courant de fluide dans le conduit principal pour fermer le premier conduit secondaire et ouvrir le second conduit secondaire lorsque le fluide s'écoule suivant un premier sens dans le conduit principal et pour fermer le second conduit secondaire et ouvrir le premier conduit secondaire lorsque le fluide s'écoule en sens inverse dans le conduit principal. La mesure des différents paramètres respiratoires exige dans un certain nombre de cas la séparation des gaz expirés et des gaz inspirés. Ceci est le cas dans un certain nombre de secteurs de l'exploration fonctionnelle respiratoire, par exemple l'inhalation d'un mélange gazeux différent de l'air, l'analyse du gaz expiré, l'analyse des échanges gazeux d'un malade (capacité de transfert de l'oxyde de carbone, différence alvéolo-artérielle en C02). L'invention peut également trouver des applications en mécanique ventilatoire lorsque celle-ci est étudiée simultanément avec les échanges gazeux ou lorsque le gaz inhalé est un mélange Hé02, Les dispositifs sélecteurs d'écoulement les plus couramment utilisés jusqu'à présent ont recours a des solutions purement mécaniques.En effet, dans ces dispositifs connus, la pression engendrée par le débit expiratoire ou inspiratoire agit sur un clapet, membrane ou bille, obturant l'un des conduits ou voies secondaires et dégageant l'autre de ces conduits ou voies secondaires. Toutefois, ces dispositifs mécaniques connus présentent de nombreux inconvénients et notamment les suivants - une hystérésis importante, les pressions d'ouverture et de fermeture étant différentes du fait qu'il faut vaincre la force de rappel élastique d'un ressort ou d'une membrane élastique - une mauvaise reproductibilité dans le temps due en particulier au vieillissement des éléments de rappel et à l'influence de la vapeur d'eau sur les clapets en caoutchouc (effet de collage) - une fréquence de résonance basse, surtout pour les dispositifs à membrane, d'où il résulte des possibilités d'oscil lations (battement) sur les harmoniques du signal de débit - une pression de collage ou de décollage de la membrane ou de la bille sur son siège non négligeable, l'effort à vaincre étant supporté par le sujet, ce qui, entre autre, fausse la mesure de résistance respiratoire du sujet - une étanchéité fonction de la pression - un temps de réponse variable dépendant de la vitesse de variation du débit et de l'inertie des moyens d'obturation - une résistance à 1 'écoulement non négligeable, de l'ordre de 10 mm d'eau pour un débit de 1 litre/seconde dans le cas des dispositifs les plus performants, du fait des diamètres de passage de l'air et des compromis à adopter pour obtenir des rapidités suffisantes et des espaces morts minima, cet inconvénient ne permettant pas jusqu a présent de faire valablement des mesures d'expirations forcées par exemple ; et - un volume mort non négligeable qui se situe entre 50 et 200 cm3 pour les dispositifs les plus courants. Le but de l'invention est de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus en fournissant un dispositif sélecteur du type précité qui permette la séparation des fluides sans introduire de résistance appréciable à l'écoulement et avec un volume mort réduit. A cet effet, la présente invention a pour objet un dispositif secteur d'écoulement du type précité, caractérisé en ce que les moyens d'obturation comprennent un volet plan monté rotatif entre deux positions dans chacune desquelles il ferme l'un desdits conduits secondaires et dégage l'autre conduit secondaire, un moteur-couple pour entralner ledit volet en rotation, un capteur pour détecter le sens d'écoulement du fluide dans le conduit principal et un circuit électronique pour commander la rotation du moteur-couple dans un sens ou dans l'autre en fonction du sens d'écoulement détecté par le capteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en se référant au dessin annexé donné uniquement à titre d'exemple et sur lequel - la Fig. 1 est une vue en élévation et en coupe du corps du dispositif sélecteur montrant le volet mobile d'obturation rotatif - la Fig. 2 est une vue en coupe prise suivant la ligne 2-2 de la Fig. 1 - la Fig. 3 est une vue en coupe prise suivant la ligne 3-3 de la Fig. 1 ; - la Fig. 4 est un schéma du circuit électronique de commande du moteur-couple d'entraînement du volet obturateur ; et - la Fig. 5 montre la forme d'onde d'un certain nombre de signaux électriques apparaissant dans le circuit de commande de la Fig. 4. On se reportera tout d'abord aux Fig. 1 à 3 qui montrent le corps 1 d'un dispositif sélecteur suivant l'invention destiné à assurer la séparation des gaz expirés et des gaz inspirés par un sujet. Ce corps réalisé en plexiglas transparent usiné dans la masse afin de permettre le contrôle visuel permanent du fonctionnement mécanique, est constitué de deux blocs 2, 3 serrés l'un contre l'autre au moyen de vis 4 reçues dans des trous alignés 5 prévus à la périphérie des deux blocs 2, 3. Le bloc 3 présente un orifice cylindrique 6 dans lequel est reçu un embout 7 défini sa sant un conduit principal et permettant de raccorder le corps 1, par exemple à un pneumotachographe 8. Le bloc 3 est interchangeable, ce qui permet d'adapter facilement le dispositif sélecteur suivant l'invention à différentes utilisations.L'orifice cylindrique 6 du bloc 3 se prolonge par une chambre évasée 9, tandis que l'autre bloc 2 comporte deux orifices cylindriques 10, 11 également munis d'embouts de raccordement 12, 13 définissant des premier et second conduits secondaires. Dans la position assemblée des blocs 2, 3, les orifices débouchent dans la chambre 9. En outre, le bloc 2 comporte un logement ou alvéole 14 de faible épaisseur ménagé dans la face du bloc 2 en appui contre la face adjacente du bloc 3 et dans lequel est monté un volet mince d'obturation 15 réalisé de préférence en métal. Le volet 15, de forme oblongue et symétrique par rapport à son axe longitudinal AA, comporte deux bords latéraux rectilignes 15a, 15b qui divergent à partir d'une extrémité du volet 15 délimitée par un bord circulaire de petit diamètre 15c, tandis que les deux bords latéraux 15a, 15b sont réunis à l'autre extrémité du volet 15 par un bord circulaire de plus grand diamètre 15d. Le volet est monté au niveau du centre C de son bord circulaire de petit diamètre 15c sur l'arbre 16 d'un moteur-couple 17, qui traverse le bloc 2 et dont 11 extrémité est reçue dans un trou borgne 18 de l'autre bloc 3.Le logement 14 présente un profil analogue à celui du volet 15 mais beaucoup plus évasé, c'est-à-dire qu'il comporte un premier rebord latéral 14a de forme identique au contour de la moitié de volet adjacente, un second rebord latéral 14b de forme identique au contour de l'autre moitié de volet adjacente et un rebord supérieur 14c réunissant les deux bords latéraux 14a, 14b et présentant la forme d'un arc de cercle ayant pour centre l'axe de rotation du volet 15.Grâce à cet agencement du volet 15 et de son logement 14, le volet 15 peut tourner devant la chambre 9, dans un plan perpendiculaire à l'axe des conduits, entre deux positions d'extrémité dans chacune desquelles il obture hermétiquement l'un des orifices 10, 11 et dégage l'autre orifice 11, 10 tout en étant appliqué sur la moitie de son contour contre le rebord adjacent du logement 14, ce qui contribue à une bonne étanchéité de l'obturation assurée par le volet 15. Cette solution d'un volet métallique mince rotatif 15 venant obturer les orifices 10, 11 de passage d'air a l'avantage de permettre le dégagement maximal des orifices expiratoires et inspiratoires et une liaison à peu près directe avec l'orifice principal 6, ce dont il résulte une résistance à l'écoulement négligeable et un espace mort réduit. Cependant, pour que le dispositif soit parfaitement efficace, il faut que le volet 15 se déplace à une grande vitesse la plus largement possible indépendante des conditions d'utilisation (par exemple avec ou sans vapeur d'eau). L'adoption d'un moteur-couple permet d'atteindre cette vitesse élevée malgré les couples de frottement qui, pour assurer une bonne étanchéité, sont nécessairement importants entre le volet 15 et les parois adjacentes du corps 1.Un moteur-couple assurant un couple de l'ordre de 2 kg.cm par exemple convient parfaitement et on peut utiliser à cet effet, par exemple le moteur-couple à courant continu sans balais de 24 volts vendu par la Société française PRECILEC sous la référence 23SMOP-05. Par ailleurs, le bloc 2 comporte également deux trous traversant 19 alignés respectivement avec deux trous 20 de l'autre bloc 3, chaque paire 19, 20 de trous alignés étant destinée à recevoir respectivement une diode électro-luminescente D1, D2 et un phototransistor TI, T2 dont les rôles apparaîtront dans la suite de la description. En se référant maintenant aux Fig. 4 et 5, le pneumotachographe 8 monté sur le corps 1 du dispositif sélecteur à volet est relié à un capteur de pression 21 qui détecte les variations de débit dans le conduit principal 7. La sortie du capteur 21 est couplée à un modulateur-démodulateur 22 qui transforme- les signaux de sortie du capteur 21 en tensions électriques. La tension délivrée par le modulateur-démodulateur 22 est amplifiée dans un amplificateur 23 puis filtrée dans un filtre 24 afin d'éliminer toutes les fréquences supérieures à 30 Hz. Le signal de sortie Si du filtre 24 est appliqué à un comparateur 25 qui détecte au millivolt près les points de débit nul, le signal de sortie 52 du comparateur 25 alimentant un voyant 26 signalant les états inspiratoires ou expiratoires.Ce signal de sortie S2 du comparateur 25 est appliqué à un circuit de déclenchement 27 destiné à diminuer les temps de montée et de descente du signal S2 Les sorties complémentées Q et non complémentées Q du circuit de déclenchement 27 sont reliées respectivement aux entrées d'horloge T d'une double bascule bistable 28a, 28b dont les sorties sont connectées aux entrées de portes analogiques 29, 30 constituées par des transistors à effet de champ polarisés respectivement par une source de tension positive et une source de tension négative de, par exemple, +10 V et -10 V, et qui, lorsqu'une tension est appliquée à leur entrée, délivrent une tension de commande positive ou négative S3. Cette tension est ensuite appliquée au moteur-couple 17 par l'intermédiaire d'un amplificateur de puissance 31 et son signe détermine le sens de rotation du moteur. Par ailleurs, le circuit de commande que l'on vient de décrire est complété par deux sous-circuits 32, 33 associés chacun à une paire de diodes électroluminescente et de phototransistor Chacun de ces sous-circuits comprend une diode électroluminescente D1, D2 montée en série avec une résistance aux bornes d'une source de tension de, par exemple, 5 volts. Chaque phototransistor associé T1, T2 est monté en parallèle, en émetteur commun, aux bornes de la source de tension, et sa charge d'émetteur est cons tituée par un circuit de déclenchement 34, 35 dont la sortie alimente une lampe 36, 37 indiquant la fermeture de l'orifice ou conduit 10, 11 associé à la diode et au phototransistor correspondant.En outre, les circuits de déclenchement 34, 35 de ces deux sous-circuits sont respectivement connectés aux entrées S et R de la double bascule bistable 28a, 28b de manière à bloquer la double bascule à l'état O et à interrompre l'alimentation du moteur-couple dès que le volet 15 a atteint sa position de fermeture. Les signaux émis par les circuits de déclenchement 34 et 35 sont désignés S4 et S5 sur la Fig. 6. En fonctionnement, lorsque le débit change de sens dans le conduit principal 7, cette inversion est détectée par le capteur 21, ce qui se traduit par une évolution de la tension, par exemple dans le sens positif, à la sortie du modulateurdémodulateur 22. Il en résulte à la sortie du comparateur 25 et du circuit de déclenchement 27 un échelon de tension qui,appliqué par le circuit de déclenchement 27 à la double bascule 28a, 28b, provoque l'application d'une tension sur la grille de commande de l'un des transistors à effet de champ 29, 30. Ce transistor engendre par conséquent un signal de commande S3 qui, amplifié par l'amplificateur de puissance 31, est appliqué au moteurcouple 17.Celui-ci entraîne donc le volet 15 en rotation à partir de la position qu'il occupait et ce volet vient interrompre le faisceau de lumière entre la diode électroluminescente et le phototransistor#correspondant à la position opposée, par exemple D2 et T2, de sorte que ce phototransistor T2 se trouve bloqué. Il engendre donc un signal vers le circuit de déclenchement correspondant 35 , de sorte que celui-ci alimente la lampe correspondante 37 et bloque la bascule 28b. Le transistor à effet de champ, en l'occurence 30, qui alimentait le moteur-couple 17 par l'intermédiaire de l'amplificateur de puissance 31,se trouve ainsi ramené à l'état non conducteur de sorte que le moteur-couple 17 s'arrête.Le pflototransistôr T2 continueaetre bldaué et, la lampe 37 demeure allumée indiquant que le volet 15 ferme l'orifice 10 jusqu'à ce qu'une inversion du débit soit à nouveau détectée dans le conduit principal7De processus se déroule alors à nouveau mais avec des signes et polarités inverses : le signal du circuit de déclenchement 27 est applique au transistor 29 par la bascule 28a qui n'est pas bloquée, lephototransistor T1 étant conducteur. Par contre, lorsque le volet 15 arrive dans la position où il interrompt le faisceau entre D1 et T1, le phototransistor T1 se bloque et le circuit de déclenchement 34 alimente la lampe 36 et bloque la bascule 28a, interrompant ainsi l'alimentation du moteur-couple 17. A titre d'exemple, des essais ont été réalisés à l'aide d'un appareil tel que décrit ci-dessus ayant des orifices de passage de gaz d'un diamètre de 30 mm. Ces essais ont donné les résultats suivants : - Temps de transit (passage du volet de l'une des positions de fermeture à l'autre position de fermeture) L 25 ms - Temps de réponse électrique :5 ms - Hystérésis : 0,02 % ; - Espace mort : 11,25 cm3 - Immunité au bruit parasite par suppression des fréquences supérieure à 30#Hz - Insensibilité à la vapeur d'eau - Perte de charge faible, de 2 à 2,5 mm d'eau tour un débit de 60 1/mon suivant le type de corps utilisé - Pas de pollution entre l'expiration et l'inspiration (test au CO et à l'hélium) dans des conditions normales d'utilisation. En conclusion, le dispositif sélecteur selon l'invention présente par rapport à ceux couramment employés jusqu'à présent les avantages suivants - Hystérésis pratiquement nulle ; - Définition constante des temps dlouverture et de fermeture ; - Indépendance vis à vis de la vapeur d'eau ; - Fréquence de résonance mécanique élevée ; - Temps d'obturation indépendant des pressions dans des conditions normales d'utilisation - Volume mort réduit de 5 environ par rapport aux obturateurs les plus couramment utilisés en exploration fonctionnelle respiratoire - Résistance à l'écoulement des gaz négligeable dans la gamme respiratoire - Grande souplesse d'utilisation par la possibilité d'inter changeabilité du bloc 3. - REVENDICATIONS 1. - Dispositif sélecteur d'écoulement, notamment pour séparer les gaz inspirés et expirés par un sujet, comprenant un conduit principal se divisant en un premier et un second conduits secondaires et des moyens d'obturation sensibles au sens d'écoulement d'un courant de fluide dans le conduit principal pour fermer le premier conduit secondaire et ouvrir le second conduit secondaire lorsque le fluide s'écoule suivant un premier sens dans le conduit principal et pour fermer le second conduit secondaire et ouvrir le premier conduit secondaire lorsque le fluide s'écoule en sens inverse dans le conduit principal ,caractérisé en ce que les moyens d'obturation comprennent un volet plan (15) monté rotatif entre deux positions dans chacune desquelles il ferme l'un desdits conduits secondaires (10, 11) et dégage l'autre conduit secondaire (11, 10), un moteur-couple (17 > pour entraîner ledit volet en rotation, un capteur (21) pour détecter le sens d'écoulement du fluide dans le conduit principal et un circuit électronique (22, 37) pour commander la rotation du moteur couple dans un sens ou dans l'autre en fonction du sens d'écoulement détecté par le capteur. 2. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un corps (1) dans lequel débouchent, d'un côté les deux conduits secondaires (12, 13) par des orifices (10, 11) et de l'autre le conduit principal (7) par un orifice (6), lesdits orifices étant ouverts sur une chambre (9) ménagée dans ledit corps,et ledit volet (15) se déplaçant devant ladite chambre perpendiculairement aux axes des conduits (7, 12, 13) 3. - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit corps (1) est constitué de deux blocs (2, 3) serrés l'un contre l'autre, l'un (2) desdits blocs comportant les orifices (10, 11) des conduits secondaires (12, 13) et l'autre bloc (3) comportant l'orifice (6) du conduit principal (7) et la chambre (9) 4. - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le volet (15) est disposé dans un logement (14) ménagé dans une face du bloc (2) en appui contre une face adjacente du bloc (3). 5. - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le logement (14) est délimité latéralement par un rebord (14a, 14b, 14c) dont la forme est complémentaire au contour (15a,15d; du volet (15) de sorte que, dans l'une ou l'autre de ses deux positions d'obturation, le volet est approximativement sur la moitié de son contour en appui contre la partie adjacente du rebord du logement (14). 6. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit circuit électronique de commande comprend des circuits (22-27) de mise en forme du signal électrique émis par le capteur (21), et un circuit à bascules (28a, 28b) sensible à la polarité du signal mis en forme pour commander, en fonction de ladite polarité, un circuit (29, 30, 31) générateur d'une tension de commande pour ledit moteur-couple (17). 7. - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les circuits de mise en forme comprennent un circuit de déclenchement (27) présentant des sorties complémentées (Q) et non complémentées (Q), le circuit à bascules étant constitué par deux bascules bistables (28a, 28b) dont les entrées d'horloge (T) sont connectées respectivement auxdites sorties complémentées (Q) et non complémentées (Q) du circuit de declenchement (27), et ledit circuit générateur de tension de commande comprenant deux transistors (29, 30) commandés respectivement par lesdites bascules et adaptés pour délivrerrespectivement une tension de commande négative et une tension de commande positive à un amplificateur de puissance (31). 8. - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'à chacun des deux conduits secondaires (12, 13) est associé un dispositif photoélectrique (D1, T1, D2, T2) adapté pour détecter la venue du volet (15) dans la position de fermeture du conduit (12, 13) correspondant. 9. - Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que chaque dispositif poo#lectrique est monte dans#un sous-circuit (D1, T1, 32 ; D2, T2 ; 33), connecté à la double bascule bistable (28a, 28b), chaque sous-circuit étant adapté pour ramener la bascule associée (28a, 28b) à l'état zéro et supprimer ainsi l'application d'une tension de commande au moteurcouple (17) en réponse à la détection par le dispositif photoélectrique (D1, T1 ; D2, T2) correspondant de la venue du volet (15) dans une nouvelle position d'obturation. 10. - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que chaque dispositif photoélectrique comprend une diode électroluminescente (Dl, D2 > et un phototransistor (T1, T2) disposés dans des trous alignés (19, 20)ménagés respectivement dans lesdits blocs (2, 3), chaque phototransistor (T1, T2) étant monté de façon à être bloqué lorsque ledit volet (15) interrompt le faisceau lumineux émis par la diode électroluminescente (D1, D2) associée.