Brevet FR2411392A1 — publié le 19790706

La présente invention concerne un débitmètre électronique. L'invention s'applique plus particulièrement à la mesure des débits sanguins tissulaires, notamment en obstétrique pour la mesure des modifications de la micro-circulation utérine maternelle qui laisse prévoir un retentissement sur le développement du foetus et la date prématurée de la naissance. Il a été démontré qutunethermistance chauffée placée dans une aiguille inserrée dans les tissus du corps utérin de la future mère permet d'enregistrer dtintéressantes données thermométriques. Malheureusement cette méthode ne permet pas en particulier de distinguer les variations de - température du milieu ambiant dues aux variations du débit sanguin tissulaire qui assure le transfert de chaleur par convection. Dans l'étude de la micro-circulation cérébrale, on a résolu ce problème en utilisant à proximité d'une première thermistance chauffée, une seconde thermistance dite de référence. Parallèlement, en obstétrique, a été réalisé un appareil permettant de diagnostiquer les atteintes artériolaires susceptibles d'altérer les échanges placentaires pendant la grossesse; cet appareil qui sert à mesurer la chaleur dissipée dans les tissus par la convection liée au débit sanguin, comporte une sonde essentiellement constituée par un corps tubulaire muni à une extrémité d'une aiguille creuse séparée dudit corps par un isolant thermique. Une première thermistance, dite de référence, est logée à l'intérieur de l'aiguille tandis qu'une seconde thermistance associée à une résistance électrique de chauffage est logée à l'intérieur du corps de la sonde; les deux thermistances ainsi que la résistance de chauffage étant reliées électriquement à un circuit électronique de contrôle et d'enregistrement.Le principe de fonctionnement, relativement simple, est le suivant : l'aiguille pla cée à 11 extrémité de la sonde étant à la température ambiante du milieu, la résistance de chauffage logée dans le corps maintient celui-ci à 30C au-dessus de la température de l'aiguille (incrément thermique).Lorsque le débit sanguin varie, la quantité de chaleur dissipée par convection varie proportionnellement et entraine des variations de l'écart de température entre ladite aiguille et le corps de la sonde; pour maintenir cet écart rigoureusement constant, il est nécessaire de fournir une énergie élec trique de chauffage dans la résistance et c'est cette énergie de chauffage dépensée pour conserver l'écart constant qui est mesurée par le système électronique de controle et qui traduit de fa çon mesurable les variations dudit débit sanguin. Le principe de fonctionnement de cet appareil est excellent, malheureusement le mode de réalisation actuel dudit appareil présente de nombreux inconvénients. En particulier~les lestheraistan- ces ne possèdent pas une fiabilité suffisante et pour déterminer la valeur de la puissance dissipée dans la résistance sous forme de chaleur, il convient d'effectuer le produit de la tension aux bornes de cette résistance par la-valeur de l'intensite du courant qui la traverse, ces deux valeurs tension et intensité étant toutes deux variables.Par conséquent, le fait d'avoir à multiplier cette valeur entraine la nécessité d'avoir un système électronique de mesure d'enregistrement relativement complexe; de plus, étant donné que le corps de la sonde ne doit pas être d'un dianetre trop important, le montage de la résistance à l'intérieur de celui-ci s'avère relativement difficile et par conséquent d'un coût assez élevé. Le but de l'invention est donc de proposer un débitmètre électronique comportant une sonde plus performante, plus fiable et moins encombrante que celle existant actuellement ainsi qu'un système électronique de mesure considérablement simplifié donc de coût réduit. Le débitmètre électronique selon 17 invention, utilisé notamment pour la mesure de débit sanguin, comprend une sonde de détection des transferts de chaleur par convection a l'intérieur du milieu ambiant et un circuit électronique de mesure des variations de température relevées par celle-ci, cette sonde comportant une première partie munie d'un capteur prévu pour relever la temp6- rature du milieu ambiant et une seconde partie isolée thermique ment, munie d'un second capteur et chauffée par un moyen de chîaf- fage destiné a maintenir un écart de température constant avec celle de la première partie prise pour référence, le moyen de fage de la seconde partie de la sonde étant constitué par au moins un transistor. Le fait de remplacer, selon l'invention, la résistance électrique de chauffage par au moins un transistor permet, d'une part, de réduire le coût et ltencombrement de la sonde et, d'autre part, d'obtenir une bonne stabilité des caractéristiques de celle ci à long terme; de plus, l'utilisation d'un transistor comme élément chauffant permet de simplifier le système électronique par rapport à celui utilisé conjointement avec une résistance de chauffage, car le transistor étant alimenté avec une tension constante, la valeur de puissance de chauffe nécessaire pour maintenir constant 11 écart de température entre les deux capteurs est directement proportionnelle à l'intensité du courant correspondant et on évite ainsi d'avoir à effectuer le produit des valeurs de-la tension par celle de l'intensité du courant.En d'autres termes, les variations du débit sanguin, qui se traduisent par des variations de la puissance transmise au transistor de chauffage, sont fonction d'un seul paramètre variable, à savoir l'intensité du courant collecteur dudit transistor, au lieu de deux paramètres (tension et intensité) qu'il est nécessaire, en plus de multiplier dans les débits-mètres existant actuellement. L'invention va maintenant être décrite plus en détail en ce référant à des modes de réalisation particuliers cités à titre d'exemple non limitatif et représentés par les dessins annexés fig. 1 représente une coupe d'une sonde à deux aiguilles de détection d'un débitmètre selon l'invention. fig. 2 représente une coupe d'une sonde semblable à celle de la figure 1, mais avec une disposition différente des capteurs et du transistor de chauffage. fig. 3 représente une vue agrandie de l'aiguille chauffée de la sonde représentée sur la figure 2. fig. 4 représente une variante des sondes précédentes. fig. 5 représente une variante d'une sonde selon la figure 4, ne comportant qu'une seule aiguille. fig. 6 représente une variante de la sonde de la figure 5. fig. 7 représente une sonde similaire à celle des figures 1 à 4, appliquée à la mesure des débits dans une conduite. fig. 8 représente un schéma d'un exemple de circuit électronique susceptible d'équiper le débitmètre selon l'invention dans le cas ot la sonde ne comporte que des transistors capteurs et de chauffage. fig. 9 et 10 représentent les tensions de sortie du comparateur Ai, ainsi que les valeurs moyennes correspondantes respectivement pour un débit faible et un débit fort du fluide. Telle que représentée sur la figure 1, la sonde 1 du débitmètre électronique selon l'invention comporte deux aiguilles 2 et 3 disposées parallèlement et dépassant sensiblement de la même longueur hors d'un bottier dans lequel sont logés les cap teurs et le transistor de chauffage associés à ces aiguilles.La première d'entre elles, dite aiguille de référence 2, comporte à sa partie arrière située à l'intérieur du boîtier 4, un premier capteur de température 5; la seconde aiguille 3 comporte, à sa par tie arrière pénétrant à l'intérieur du boîtier 4 et plus longue que celle de l'aiguille 2, un transistor de chauffage 6 et un se coud capteur de température 7 est disposé sensiblement au milieu de ladite aiguille au voisinage de la paroi du bottier 4, ces cap teurs et le transistor étant relié électriquement à un connecteur 8 assurant leur jonction avec le circuit électronique de mesure et d'enregistrement du débitmètre par ltintermédiaire d'un cable 9.La sonde représentée sur la figure 2 comporte les mimes éléments que la sonde de la figure 1, à ceci près que les deux aiguilles 2 et 3 ont sensiblement la même longueur et que le transistor de chauffage 6 est disposé sensiblement à la même hauteur que le capteur 7, sy métriquement par rapport à l'axe de l'aiguille 3. Cette disposition particulière qui assure, d'une part, le chauffage de l'aiguille 3 et, d'autre part, la détection des variations de température de celle-ci, est illustrée plus particulièrement sur la figure 3 où les deux éléments 6 et 7 sont représentés symétriques par rapport à à l'axe de l'aiguille et disposés au voisinage de la paroi du bo;- tier 4, sur l'extrémité arrière de ladite aiguille.Les sondes de type de celles représentées sur la figure 1 et sur la figure 2 peuvent aussi comporter des aiguilles creuses 10 et 11 (figure 4) logeant respectivement,d'une part, le capteur de température am biante 5 et d'autre part, le transistor de chauffage 6 et le cap teur 7 des variations de température de l'aiguille chauffée 11. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 5, ces trois éléments 5, 6 et 7 sont groupés à l'intérieur d'une seule et mem#e aiguille creuse en deux parties 12 et 13 isolées thermiquement entre elles par une partie isolante intermédiaire 14, la partie 13 située en bout de l'aiguille logeant le capteur 5 de la tempéra ture ambiante de référence, et la partie 12, formant le corps de l'aiguille située en arrière de l'embout 13, logeant le transistor de chauffage 6 et le capteur 7 des variations de température de cette partie chauffée 12 Tous les modes de réalisation examinés précédemment et représentés sur les figures 1 à 5 sont conçus principalement pour être utilisés pour la mesure des débits sanguins tissulaires, notamment en obstétrique.Toutefois, il est bien évident que le débitmètre électronique selon l'invention peut également être utilisé dans toute autre application de mesure de débit d'écoulement d'un fluide quelconque, liquide ou gazeux. Il suffit pour cela d'employer une sonde adaptée à la mesure considérée; c'est ainsi que la sonde représentée sur la figure 6, conçue en particulier pour la mesure de débit d'écoulement d'un fluide à l'intérieur d'une conduite, comporte une tige chauffée 15, destinée à être plongée dans le milieu ambiant et portée par un couvercle 16 em- manché à force dans l'alésage 17 d'un corps 18 muni d'un filetage extérieur 19, prévu pour le vissage de la sonde 1 sur la paroi de la conduite, la partie arrière de la tige 15 pénétrant dans l'alésage 17 de ladite sonde portant le transistor de chauffage 6 et le capteur 7 servant à détecter les variations de température de cette tige chauffée; quant au capteur 5 de la température ambiante de référence, il est fixé sur la paroi interne de 11 alésage 17 de manière à relever ladite température de référence à travers le corps 18 de la sonde. Celle-ci comporte un boîtier arrière 4 contenant un connecteur non représente assurant la jonction entre les fils d'alimentation des transistors et le câble d'arrivée 9, ainsi qu'un épaulement 20 muni d'un six-pans extérieur destiné à permettre le vissage de la sonde 1 sur la paroi de la conduite d'écoulement du fluide dont le débit est à mesurer. Une application similaire est représentée sur la figure 7 ot une sonde lncomportant un corps 21 et deux tiges 22 et 23 de détection des variations de température à l'intérieur du fluide en circulation, est vissée sur la paroi d'une conduite 24 dans laquelle s'écoule ce fluide suivant les flèches A. Bien entendu, il est possible d'effectuer toutes les combinaisons, à l'aide des types de sonde décrits précédemment et des montages connus de l'homme de l'art, selon l'application désirée. De plus, on réalisera différentes variantes dans chaque type de sonde selon que les capteurs de température 5 et 7 seront soit des thermistances, soit des thermocouples, soit des diodes, soit encore, de préférence des transistors. Sur la figure n0 8 est représenté un circuit électronique de contrôle, de mesure et d'enregistrement des variations de puissance nécessaires pour maintenir l'équilibre thermique de la sonde du débitmètre selon l'invention dans le cas où celle-ci comporte trois transistors, deux capteurs Q2 et Q3 et un de chauffage 61. Ce circuit électronique alimente le transistor de chauffage Q1 avec une tension collecteur-émetteur sensiblement constante. Le courant est réglé de telle manière que la température du transistor Q2, monté en contact thermique avec Q1, soit maintenu X une température supérieure à celle du transistor Q3 (de l'ordre de + 30 C d1écart). La puissance calorifique dissipée par convection dans le milieu ambiant et due à la circulation du fluide dont on veut mesurer le débit, est compensée par la puissance nécessaire p4ur maintenir la différence de température entre les deux aiguilles où les deux parties d'une aiguille : compte-tenu du fait que, par ailleurs le transistor de chauffage est alimenté avec une tension constante, la puissance de chauffe du transistor de chauffage Q1 et par con séquent le débit du fluide qui assure la convection, sont directement proportionnels au courant collecteur dudit transistor de chauffage 61. Les deux transistors Q2 et Q3 utilisés comme capteurs de température sont branchés en forme de pont avec les résistances R3, R4, R5, R6 et le potentiomètre RV1 utilisé pour ltéquilibrage initial du pont. Les résistances R3 et R5 sont de valeur égale et limitent l'intensxté du courant dans les deux transistors Q2 et Q5, de telle sorte que l'auto-chauffage de ces transistors soit très faible par rapport a la différence de température utilisée. Les deux résistances R4 et R6 sont aussi égales entre elles et de faible valeur pour que la chute de tension produite par le courant qui passe dans chacun des deux transistors soit négligeable par rapport à la tension collecteur-émetteur. La tension collecteur-émetteur d'un transistor dont la base et le collecteur sont reliés, est de l'ordre de 600 millivolts à la température ambiante. La dérive thermique de cette tension est très reproductible, de l'ordre de - 3 millivolts/ C. L'interrupteur Sla et Slb est utilisé pour l'équilibrage du pont sans différence de température entre les deux aiguilles. L'alimentation de l'émetteur du transistor Q1 (transistor de chauffage) est coupée, ainsi que le courant qui passe à travers la résistance R7 branchée sur une tension négative de référence. Avec loin~ terrupteur Sla - Slb ouvert, le potentiomètre RVl est réglé pour avoir une tension nulle entre le collecteur de Q2 et le collecteur de Q3.La fermeture de l'interrupteur Si (position de travail normale) commence deux fonctions : premièrement à cause du courant qui passe à travers la résistance R7 la tension sur ltemetteur du transistor Q3 est changée de l'ordre de 9 millivolts, par conséquent la tension sur le collecteur de Q3 est baissée également de 9mV, ce qui correspond à une différence de température d'environ 3 o C entre les deux transistors Q2 et Q3; deuxièmement la résistance R2 est branchée sur l'émetteur du transistor de chauffage Q1, ce qui permet le passage dtun courant dans Q1 fonction de la tension de sortie de l'amplificateur opérationnel A2.La différence de tension à l'entrée du comparateur Ai résultant du déséquilibrage du pont à cause du courant à travers la résistance R7 est suffisante et dans un sens tel que la tension en sortie du comparateur Ai devient négative. La tension en sortie du comparateur Ai est branchée sur l'entrée de l'amplificateur opérationnel A2 à travers la résistance R10. Grâce au branchement de l'amplificateur opérationnel A2 comme siiveur de tension, la tension négative en sortie du comparateur Ai est reproduite en sortie de A2, ce qui provoque un courant collec teur-émetteur dans le transistor Q1. Par conséquent, le transistor Q1 est chauffé. Le transistor Q1 étant en contact thermique avec le transistor Q2, la température du transistor Q2 est élevee produisant une baisse de la #ension collecteur-émetteur. Quand la température du transistor Q2 correspond avec le décalage introduit par la résistance R7 sur le transistor Q3, la sortie du comparateur Ai change d'état et le chauffage de Q2 par Q1 est arrêté. A cause de l'inertie thermique dans le couplage des transistors Q1 et Q2, il existe un petit dépassement de température du transistor Q2 après l'arrêt du chauffage par Q1.Ce délai dû à l'inertie thermique dans le couplage entre les transistors Q1 et Q2 provoque une oscillation en sortie du comparateur Ai, la valeur moyenne de cette oscillation (lignes tiretées 25 et 26 sur les figures 9 et 10) donne la puissance nécessaire pour avoir un équilibre du système par rapport au débit à travers les aiguilles. Les courbes des tensions de sortie du comparateur Ai représentées sur les figures 9 et lO ainsi que les valeurs moyennes correspondantes matérialisées par des tirets correspondent respectivement à un débit faible (25) et à un débit fort (26) à travers les aiguilles. La tension en sortie du comparateur Ai est intégrée et inversée par l'amplificateur opérationnel A3 et les composants Roll, C5; la résistance Ri3 sert pour déterminer l'amplification en tension continue de ltétage (dans ce cas : unité). La résistance R12 sert pour compenser une dérive en sortie de l'amplificateur opérationnel A3, à cause du courant différentiel entre les entrées dudit amplificateur A3. Le signal en sortie de l'amplificateur A3 est encore intégré et inversé par l'amplificateur A4, qui délivre une tension continue proportionnelle à la puissance de chauffage necessaire pour équilibrer les pertes de chaleur dues au débit à travers l'aiguille sur laquelle sont montés les transistors Q1 et Q2. Cette tension est envoyée à travers R17 sur un circuit additionnel. Ce circuit comporte l'amplificateur opérationnel AS, les résistances R17, Rl9, R18 et le potentiomètre RV2. RV2 est branché sur une référence de tension positive qui donne la possibilité d'équilibrer la tensioenégative en sortie de l'amplificateur A4 de telle sorte que la tension moyenne en sortie de l'amplificateur AS soit nulle.Par contre, les variations de tension en sortie de l'ampli- ficateur A4 sont amplifiées dans un rapport 5 en sortie de l'amplificateur AS. Si le potentiomètre RV2 est équipé d'un cadran calibré, la puissance absolue moyenne peut être déterminée quand ledit potentiomètre est réglé pour avoir une tension nulle en sortie de AS. Les résistances R21, R22 sont en option et servent à limiter les variations de tensions envoyées sur l'enregistreur selon la sensibilité dudit enregistreur. Les fonctionnements des composants qui n'ont pas été décrits ci-dessus du fait de leur caractère secondaire, sont les suivants - la résistance Ri et la diode D1 servent à polariser la base du transistor Q1, - les condensateurs C1, C2, C3 sont prévus pour éviter les oscillations et les parasites qui peuvent être provoqués par le câble entre le système électronique et la sonde, - les résistances R8, R9 et le conden sateur C4 forment un filtre passe-bas à l'entrée du comparateur pour éviter les parasites haute fréquence, - la diode D2 limite la tension positive qui attaque le suiveur A2 et l'intégrateur A3 pour garder une tension efficace proportionnelle a la puissance de chauffage et pour éviter le claquage de la jonction base - émetteur du transistor Q1, - les condensateurs associés avec l'alimentation des amplificateurs servent à filtrer les parasites qui peuvent arriver sur les lignes d'alimentation et à éviter les auto-oscillations dans les amplificateurs, - Ensemble électronique est alimenté par deux tensions d'alimentation stabilisées qui peuvent être + 15 V et - 15 volts. En résumé, l'idée mattresse, à la base même de l'invention, est un capteur de débit qui fonctionne sur le principe du maintien d'une différence de température entre 2 parties dudit capteur, i1 élément chauffant étant un transistor alimenté avec une tension collecteur-émetteur sensiblement constante. Par conséquent, la puissance compensatrice a fournir au transistor pour rétablir l'équilibre est directement proportionnelle à l'intensité du courant collecteur traversant ledit transis- tor et, comme l'intensité de ce courant dépend de la dérive thermique mesurée par un capteur de température placé à proximité du transistor, cette dérive étant elle-meme fonction des variations du débit du fluide à mesurer, lesdites variations sont directement quantifiables par la simple mesure de ladite puissance compensatrice. On réalise immédiatement les avantages susceptibles d'être procurés par l'invention. Outre la réduction des coûts résultant de la simplification du système électronique, on obtient une bonne stabilité des caractéristiques a long terme, une grande fiabilité du système, une grande facilité de réalisation des sondes, des temps de réponse écourtés, la possibilité de miniaturiser les sondes au maximum, ce qui est particulièrement apprécié dans le domaine médical du fait que les aiguilles des sondes sont destinées à pénétrer dans les tissus sans provoquer de lésions internes, et enfin et surtout, dans le cas où les capteurs sont des transistors, le fait que ltextreme sensibilité desdits transistors permet de détecter de très faibles variations de débit, ce qui rend le débitmètre électronique selon l'invention particuliè renient utile pour itétude de microcirculations. Bien entendu, la portée de l'invention n'est pas limitée au seul mode de réalisation décrit précédemment et cité à titre d'exemple non limitatif, mais elle couvre également toutes les variantes qui ne différeraient que par des détails. En particulier, comme il a déjà été dit précédemment, s'il est préférable de n'utiliser que des transistors aussi bien pour le chauffage que pour détecter les variations de température, on peut aussi utiliser deux capteurs constitués soit par deux thermistances, soit par deux thermocouples, soit encore par deux diodes obtenues par exemple en supprimant une sortie des transistors capteurs de température REVENDICATIONS 1 Débitmètre électronique, notamment pour la mesure de débit sanguin, comprenant une sonde de détection des transferts de chaleur par convection à-l'intérieur-du milieu ambiant et un circuit électronique de commande et de mesure des variations de tem pérature relevées par celle-ci, cette sonde comportant une première partie munie d'un capteur prévu pour relever la température du milieu ambiant et une seconde partie isolée de la première, munie d'un second capteur et chauffée par un moyen de chauffage destiné à maintenir un écart de température constant avec celle prise pour référence de ladite première partie, caractérisé en ce que le moyen de chauffage de la seconde partie de la sonde est essentiellement constitué par au moins un transistor. 2. Débitmètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première partie de la sonde de détection est essentiellement constituée par une première aiguille équipée d'un capteur de référence et en ce que la seconde partie est essentiellement constituée par une seconde aiguille munie d'un second capteur et d'un transistor de chauffage, ces trois éléments étant reliés électriquement au circuit électronique de commande et de mesure des variations de température. 3. Débitmètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux aiguilles de la sonde sont creuses et contiennent les capteurs et le transistor, la première aiguille contenant le capteur de référence seul, et la seconde aiguille contenant à la fois le second capteur et le transistor de chauffage. 4. Débitmètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que la sonde ne comporte qu'une seule aiguille qui est creuse et dont l'extrémité avant est séparée du corps arrière de ladite aiguille par un isolant thermique, ladite extrémité avant contenant le premier capteur de référence et le corps arrière logeant à la fois le second capteur et le transistor de chauffage. 5. Débitmètre selón la revendication 1, caractérisé en ce que la première partie de la sonde est essentiellement constituée par le corps de celle-ci qui est creux et sur la face interne duquel est fixé le premier capteur de référence et en ce que la seconde partie de ladite sonde, est essentiellement constituée par une tige faisant saillie hors dudit corps creux et dont la partie arrière logée dans celui-ci est équipée du second capteur et du transistor de chauffage. 6. Débitmètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les deux capteurs servant respectivement à relever la température ambiante de référence et les variations de température de la partie chauffée de la sonde sont essentiellement constitués par des transistors. 7. Débitmètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les deux capteurs de température sont essentiellement constitués par des thermistances. 8. Débitmètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les deux capteurs de température sont essentiellement constitués par des thermocouples. 9. Débitmètre selon l'une quelconque des revendications 1 a 5, caractérisé en ce que les deux capteurs de température sont essentiellement constitués par des diodes. 10. Débitmètre selon 11 une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est utilisé pour la mesure des variations de débit d'une microcirculation de fluide. 11. Débitmètre selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il est utilisé pour la mesure des débits sanguins tissulaires. 12. Débitmètre selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il est utilisé en obstétrique.