Brevet FR2560988A1 — publié le 19850913

La présente invention concerne les instruments du type compteur de débit de fluides gazeux et plus particulièrement les appareils destinés à mesurer la capacité et l'efficacité du cycle respiratoire, c'est a dire le volume d'air brassé entre une inspiration et une expiration, ceci dans tous les cas d'investigations pulmonaires médicales ou sportives. Dans les dispositifs connus vesce genre, on mesure un débit d'air,non pas en volume, mais en établissant une relation entre la pression d'une insufflation et la durée de celle-ci, d'autres dispositifs, déintvés du pnéomètre an; cestral ne seront pas évoqués. Les premiers du genre ne donnent que des résultats très relatifs, ils ne seront pas évoqués plus avant. De plus, étant donné la vigueur du souffle imposée aux patients,ils ne peuvent pas être employés dans les cas d'examens pulmonaires d'enfants, de vieillards ou de malades. Le dispositif selon l'invention permet la mesure correcte, envolume et dé- bit dans le temps sans demander d'effort aux patients. De plus il peut totaliser et afficher,en données réelles, les volumes d'air brassée tant a l'inspiration qu'a l'expiration. Etant donné que le compteur de débit qui fait l'objet du présent délivre des impulsions brèves, il devient facile d'interpréter ces dernières en les injectant dans des circuits électroniques de comptage qui, étant connus, ne seront décrits que par schémas synoptiques. Le dispositif, objet de l'invention comporte une chambre annulaire dont le volume est connu et dans laquelle se déplace, dans un mouvement de rotation libre,une roue à ailettes en métal- de faible densité. Cette roue à ailettes est conçue de telle façon que le volume d'air contenu entre chacune de ces dernières est connu. La vitesse de rotation de cette roue a ailettes peut être étalonnée pour qu'a chaque tour elle délivre un nombre déterminé d'impulsions comptabilisant exactement le nombre de centimètres cube d'air débité.Le flanc de cette roue est muni d'un nombre convenable d'ouvertures qui, en passant devant une source lumineuse, délivrent des signaux qui impressionnent une photocellule, cette dernière traduit en signaux électriques qui seront transmis aux compteurs digitaux, d'une part, et à des chronomètres 3 lecture directe, d'autre part.Il n'y a donc aucun contact mécanique ou électrique qui pourrait influencer défavo- rablement la rotation du rotor a ailettes, d'autres dispositifs concernant ce derniers seront décrits dans les explications qui vont suivre. Une fois étalonné le dispositif ne subira aucune dérive du fait même du comptage par impulsions et du traitement du roulement mécanique du rotor a ailettes. D'autres objets et avantages de l'invention seront mieux compris a l'aide de la description qui va suivre et des dessins sur lesquels: - La figure 1 est une vue perspective de la partie mobile du dispositif, la roue a ailettes ou rotor. - La figure 2 est une vue de face du rotor dans son enceinte,repré- sentée ouverte et ou figurent les entrées et sortie d'air ainsi que les soupa d 'étalonnage. - La figure 3 est une vue en coupe de la figure 2, selon a-b, ou figure l'élément de fermeture de la chambre annulaire. - La figure 4 représente une vue perspective et en éclaté, montrant la position des différents organes qui constituent le compteur de débit de fluides gazeux. - La figure 5 représente un schéma synoptique d'un exemple de comptage et d'affichage. La figure 1 ,à laquelle on se reportera,représente, en détail, la forme de l'élément rotatif du dispositif principal de la présente invention, qui est constitué d'un disque en alliage métallique de faible densité 1 , à la périphérie duquel on a découpé une série d'ailettes repliées à quatrevingt dix degrès d'angle 2 . Cette disposition générale forme une turbine qui peut être animée d'un mouvement de rotation, étant munie en son centre d'un coussinet 4 qui lui est solidaire. Ce coussinet 4 est auto-lubrifié par silicone de façon à être relativement insensible aux changements de température. Pour des raisons qui seront développées à la suite des explications, le disque-turbine 1 sera traité anodiquement en noir mat.On remarquera ensuite les ouvertures 3, disposées en couronne, c'est précisément par ces ouvertures que se fera le comptage par obturation séquentielle d'un rayon lumineux. On remarquera que les ouvertures disposées en couronne 3, sont au nombre de cinq, ce chiffre est arbitraire, en effet, on pourra à volonté en modifier le nombre, ainsi s'il n'existe qu'une seule ouverture, le comptage se fera par tour entier du disque 1 , par contre, si on en a disposé deux, le comptage se fera deux fois par tour, tout dépendra des résultats de comptage qu'on aura fixé comme but.Il reste bien évident que les ailettes 2 doivent être disposées de telle façon que le volume d'air contenu entre-elles soit connu, dans le cas de la figure 1, le diamètre de la turbine 1 est d'environ cinquante huit millimètres, la hauteur des ailettes étant de dix millimètres, le volume d'air contenu entre deux d'entre-elles sera d'environ deux centimètres-cube, ces particularités seront développées dans la suite de la description. En indication, le disque-turbine 1, conçu en duralumin de O,I millimètre d'épaisseur présente un poids de cinq grammes, cette remarque ayant pour but précis la démonstration de la faible masse inertielle de l'ensemble, celle du coussinet 4 étant négligeable dans les résultats obtenus, un très faible déplacement d'air suffisant à mettre l'ensemble 1 et 2 en mouvement de rotation. On se reportera ensuite à la figure 2 qui représente la turbine 1, en place dans une chambre circulaire 5 dont le coussinet 4 a été introduit sur l'axe fixe 9 autour duquel il peut tourner librement. Comme déja indiqué dans la figure 1, on remarquera les ouvertures 3 disposées sur le flanc de l'élément rotatif 5 dont le rôle a déja été expliqué, ainsi que les ailettes 2, disposées sur la périphérie de l'élément rotatif 1. Le cercle figuré en trait interrompu fixe les limites d'une chambre annulaire 13 ou, seules, les ailettes 2 se déplacent dans la limite d'un volume d'air connu. Le fonctionnement est le suivant,la tubulure 14 - 5 est disposée de telle façon que le conduit d'air intérieur presse - la surface des ailettes motrices 2 de la turbine 1, il suffira d'un déplacement d'air dans le sens de l'une ou l'autre des flèches pour que la turbine 1 se mette en mouvement de rotation dans un sens préferentiel.#Ainsi la turbine 1 agira aussi bien à l'inspiration qu'altexpiration dans le cas d'un spiromètre, le comptage des impulsions étant identique dans un sens quelconque de rotation.On remarquera ensuite la présence,-dans la coupe partielle 15, d'un diaphragme interchangeable 8 qui, dans la pratique de mesures spiromêtriques, limite le débit d'air inspiré ou expiré se lon qu'on veuille associer une mesure de pression à celle d'une capacité thoracique, cette mesure se déterminera par adjonction d'un indicateur manomètrique (non indiqué sur la figure). Comme il est très difficile de déterminer exactement un débit en volume d'air en se basant uniquement sur un volume d'air contenu entre deux palettes 2 du rotor 1 et leur totalisation, on pourra aisément étalonner l'appareil par comparaison avec un étalon connu en agissant sur une ou l'autre des soupapes réglables 6 ou 7, qui sont une des originalités duprésent brevet d'invention. On observera ensuite la figure 3 qui représente la coupe selon a,b dela figure 2, ou l'on peut voir la paroi extérieure 5 de la chambre annulaire avec l'axe 9 sur lequel l'ensemble de la turbine à ailettes 2 peut tourner librement. La fermeture 12 de la chambre annulaire 5 dont le centre 26 vient délimiter le volume de la chambre annulaire dans laquelle se déplacent les#.tai- lettes 2 de la turbine. On remarquera ensuite les ouvertures réglables d'étalonnage 6 qui, en libérant une plus ou moins grande quantité d'air ralentit la vitesse de rotation de la turbine 2, et la 7, disposée à l'opposé de 6,qui augmente la vitesse de rotation de la turbine 2 par effet de décompression de l'air entrainé par les palettes 2 , ces fonctions, comme déja dit dans ce qui précède représentent une des originalités du présent brevet. Toujours figure 3, on remarquera en 10 la présence d'une diode luminescente, placée face aux ouvertures de comptage réservées dans le flanc de la partie plane du rotor et en 11 une photocellule qui, une fois la fermeturel2 en place est située en face de 10 à une distance de quelques millimètres de la diode luminescente 10, ce sont ces dernières qui vont enregistrer et déliver,l'une en continu une émission lumineuse et l'autre, la photocellule 11, une suite de signaux électriques correspondants au comptage des passages des ouvertures réservées dans le flanc du rotor wa ..-?'. il a été noté que ledit rotor était traité anodiquement en une couleur noire mate, cette précaution évite les reflets et éclats de lumière sur un metal brillant gui fausserait l'exactitude du comptage des signaux lumineux émis pendant la rotation de la turbine 1 . On peut voir en I4'la section d'arrivée ou de départ d'air de la tubulure. La figure 4 représente , vue en perspective et en éclaté, la position des différents organes qui constituent le compteur de débit de fluides gazeux qui fait l'objet du présent. On peut y voir le carter 5 qui forme la paroi extérieure de la chambre annulaire 13 , ses entrées-sorties d'air 14 et 15, l'em- placement du ou des diaphragmes interchangeables 8 ,les soupapes 6,pour l'éta- lonnage du ralenti et 7 pour celui de l'accélération relative, l'orifice 16 ou passe le rayon de lumière émis par la diode luminescente 10 et l'axe fixe 9 sur lequel le coussinet 4 du rotor-turbine 1 viendra se centrer.Sur le rotorturbine 1 on remarquera les ailettes périphériques 2 ainsi que les orifices 3 destinés au comptage de tours par obturation périodique du rayon lumineux matérialisé par le trait interrompu partant de la diode luminescente 10 pour atteindre la photocellule 11 placée dans son alvéole 17 , de la joue 12 dont la partie centrale 26 délimitera la partie centrale de la chambre annulaire 13, une fois ladite joue 12 en place sur le carter extérieur 5. Toujours figure 4, comme la turbine-rotor 1 n'indique pas son sens de rotation lors des expirations et respirations,on peut adjoindre une gachette 23 placée sur une poignée support (non indiquée sur la figure) qui peut être actionnée ,soit par le patient lui-mème, ou alors être placée sur un tableau de bord , par exemple pressée pour l'expiration et relachée pour l'inspiration. En réalité la gachette ou poussoir 23 est un inverseur de direction 24 des signaux électriques émis par la photocellule 11, ce qui permettra l'enregístre- ment.des expirations sur un compteur totalisateur et les inspiration sur un deuxième totalisateur. On pourra indiquer les changements de sens de rotation du rotor turbine 1 par un dispositif électronique avec une marge d'erreur d'environ dix pour cent, c'est cette dernière qui est à l'origine de l'inversion de changement de marge manuel adoptée dans le présent brevet. Les conducteurs souples 18 , 25 et 19 seront connectés sur les.compteurs totalisateurs 27, complétés par des chronomètres numériques ou autres -# circuits électroniques exigés par la pratique médicale, sportive ou de kinésithérapie. il reste un important problème à résoudre, celui de l'hygiène, en effet le dispositif qui vient d'être décrit va être parcouru par l'air expiré par les patients, quels qu'ils soient, il y a donc danger de contamination des uns par les autres, on à résolu ce problème majeur de la façon suivante,toujours figure 4, on observera que, si l'on emploie un polyméthacrylate permé able à acertaine radiations ultraviolettes germicides pour mouler les car- ters 5 et 12, et si on entoure la diode luminescente 10 et la photocellule il d'un tube en plastique obscur à la lumière, on aura la possibilité de pouvoir désinfecter rapidement l'ensemble turbine-carters ,ce qui n'empêchera pas la désinfection périodique par plongées dans un liquide désinfectant adéquat, on pourra également prévoir un tampon désinfectant dans le tube admettant l'air dans l'appareil lors de expirations. La figure 5 représente un schéma synoptique possible parmis d'autres qui pourront être adoptés selon les critères imposés ou résultats a obtenir du point de vue comptage des volumes gazeux et du temps. On peut y voir I'entrée 27, contitué de conducteurs souples reliés à la photocellule par 19, à la diode électroluminescente par 18 et à l'inverseur par 25. On a figuré, en 28 un circuit calibreur des signaux électriques issus de la photocellule, un amplificateur 29 est prévu pour disposer d'une amplitude ou puissance necessaire àu#dêclanchement des circuits de comptage de volume gazeux 32 et 34 ainsi que ceux des chronomètres 31 et 33 sans affaiblissement sensible des signaux dans les circuits inverseurs 30.Il est évident qu'on pourra, dans les modèles de réalisations les plus simples destinés aux sportifs,sur le stade, supprimer les compteurs d'inspirations 32 ainsi que son chronomètre 31, ce qui en diminuera le prix de revient permettant ainsi une plus grande diffusion dans les milieux scolaires.Des remises a zéro on été prévus en 35 et 36, pour ce modèle portable on a prévu une alimentation électrique par piles 37, la consommation d'énergie électrique étant faible et à basse tension. Toujours figure 5, a partir des compteurs de volume gazeux 32 et 34, et des chronomètres 31 et 33, on peut disposer de signaux nécessaires a l'animation de traceurs de courbes par intégrateurs interposés ou encore d'osci}- loscopes et d'ordinateurs à imprimantes. L'invention qui vient d'être décrite et son dispositif de turbine-rotor de faible masse et de capacité volumique inter-ailettes connue et déte#minée pourra subir diverses modifications sans sortir du cadre du présent. REVENDICATIONS. 1 - Dispositif compteur de débit de fluides gazeux particulièrement destiné à mesurer la capacité et l'efficacité du cycle respiratoire dans tous les cas d'utilisations médicales ou sportives, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens #.5 - 12;:---- qui, associés forment une cavité annulaire 13 dans laquelle un organe ipetit être animé d'un mouvement libre de rotation par un faible déplacement d'air, cet organe 1~étant muni d'un autre moyen de comptage de tours 3 sans contact mécanique. L'ensemble formant une turbine dont le rotor est mis en mouvement par l'air inspiré ou expiré admis par une tubulure 14 - 15. 2 - Dispositif compteur de débit de fluide selon la revendication i, caractérisé par le fait que l'élément rotatif, ou turbine ,est constitué d'un disque 1, muni d'ailettes obtenues par découpe-pliage d'tin métal de faible densité pouvant être animé librement d'un mouvement de rotation autour d'un axe fixe 4, la caractéristique essentielle de cette turbine consiste en ce que les ailettes 2 sont disposées de telle façon que la capacité en volume entre ces dernières est connue et calculée dans ce sens pour qu'une fois en position dans une chambre annulaire 13, le volume d'air déplacé par sa rotation soit également connu. Chaque tour correspondant au déplacement d'un certain nombre de centimètrescube qui sont comptabilisés. 3 - Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la comptabilisation s'opère, à chaque tour de la turbine-rotor 1, par un ou plusieurs orifices 3 ménagés dans le flanc de cette dernière qui laissent passer un rayon lumineux réunissant une diode électroluminescente 10 à un photodiode 11, dont les impulsions électriques peuvent être traitées par tous dispositifs électroniques du genre à affichage numérique. 4 - Dispositif compteur de débit de fluide selon les revendications 1 , 2 et 3 , caractérisé par le fait que, l'air en mouvement présentant une certaine élasticité il était nécessaire de pouvoir étalonner le dispositif général turbineet chambre annulaire 13 , ce résultat à été obtenu par l'action de deux soupapes réglables dont l'une 6 , créant une fuite d'air, ralentit le rotor et l'autre 7,créant une décompression d'air entre les palettes 2, augmente la vitesse dudit rotor. 5 - Dispositif compteur de débit de fluide selon les revendications 1 , 2, et 4, caractérisé par l'emploi d'un matériau perméable a un rayonnement germicide pour le moulage des carters 5 et 12 ainsi que les conduits d'air 14 et 15.