Brevet FR2574538A1 — publié le 19860613

La présente invention concerne un d6bitmètre h 61é6- ment thermorésistant ainsi que son procédé d'étalonnage. En spirométrie on utilise couramment des débitmètres h élément thermorésistant comprenant généralement un fil chaud maintenu à température constante. Dans les débitmètres connus de ce genre le fil thermorésistant constitue l'une des branches d'un pont de Wheatstone et pour maintenir cons- tante la température de ce fil on maintient le pont en équi- libre h l'aide d'un asservissement. On ddmontre que pour des 1I fils de même nature et de même diamètre la réponse du débit- mhtre ne dépend que de la température du fil thermoresis- tant. Par ailleurs, pour un débit nul et une orientation donnée du fil dans l'espace, la température de celui-ci ne dépend que de l'intensité du courant qui le traverse. On réalise donc généralement l'étalonnage du débitmètre de la façon suivante: après avoir correctement orienté le débit- mètre dans l'espace,on en bouche au moins une extrémité afin d'assurer un débit nul, puis on fait varier la valeur d'une résistance montée dans la branche du pont de Wheatstone 2n opposée à celle o se trouve le fil thermorésistant, de manière à obtenir dans ce fil un courant d'intensité égal à une valeur de référence et on obtient alors une température du fil réglée à une valeur constante désirée. [ln tel débitmètre présente cependant des inconvé- nients en ce qui concerne son montage et le procédé d'éta- lonnage utilisé. En effet pour obtenir une bonne stabilité de la boucle d'asservissement que l'on utilise conjointement avec le pont de Wheatstone, en vue de maintenir constante la température du fil résistant, on est obligé d'utiliser des composants de grande précision et par conséquent coûteux. Par ailleurs le pont de Wheatstone comprend, dans l'une de ses deux branches d'entrée, une résistance variable pouvant être constituée par un potentiomètre et dont le réglage est effectué manuellement, ce qui constitue une opération qu'il est naturel de chercher à éviter. Pour éviter un tel ré- glage manuel, on pourrait réaliser un ajustement automatique en utilisant, en tant que résistance variable, un transis- tor à effet de champ commandé par un montage électronique mais on serait alors toutefois confronté au prob]ème de la dérive thermique importante d'un tel composant. En ce qui concerne le procédé d'étalonnage des dé- bitmètres connus, ce procédé exige que l'on oriente préala- blement. le dêbitmètre dans une position bien déterminée. Ceci implique donc que l'appareil soit utilisé par du per- sonne] particulièrement bien au courant de son fonctionne- ment, ce qui peut ne pas toujours être le cas. ].n La présente invention vise h remédier à ces inconvé- nients en procurant un débitmètre de conception particuli- rement simple et dont l'étalonnage peut être effectué au- tomatiquement. A cet effet ce débitmètre à élément thermorésistant chaud à température constante est caractérisé en ce qu'il comporte un amplificateur à gain variable 1 dont l'entrée est reliée à la masse par l'intermédiaire d'une résistance constante de faible valeur par rapport à l'impédance d'en- trée de l'amplificateur, l'élément thermorésistant étant connecté entre l'entrée et la sortie de l'amplificateur à gain variable, et des moyens pour ajuster la valeur du gain de l'amplificateur de manière à obtenir la valeur désirée du courant dans l'élément thermorésistant correspondant à la température constante que l'on désire obtenir. Suivant une caractéristique complémentaire de l'in- vention le gain de l'amplificateur est commandé par un mi- croprocesseur qui connaît à chaque instant la valeur du gain appliqué. Le débitmètre suivant l'invention offre l'avantage que l'opération d'étalonnage est considérablement simplifiée et qu'elle peut ère aisément réalisée par un personnel n'ayant pas une formation scientifique poussée. On décrira ci-après, titre d'exemples non limita- tifs, diverses formes d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel: La figure 1 est un schéma électrique d'un dêbitmètre à élément thermorésistant chaud à température constante suivant l'invention. La figure 2 est un schéma électrique d'une forme d'exócution du débitmètre. Le débitmètre él]ément thermorésistant chaud, à température constante, qui est représenté sur la figure] comprend un amplificateur à gain variable 1 qui est pilo- table électroniquement par un circuit de commande du gain 2. L'6]ément thermorésistant 3, en l'occurrence un fil, de r4sistance Rf, dont la température doit être maintenue cons- in tante, est re]ie, 'i l'une de ses extrémités A, a la sortie de l'amplificateur 1 et, à son autre extrémité P, à l'entrée de ce même amplificateur. Le point B est par ailleurs relié à la masse par l'intermédiaire d'une résistance constante 4 de valeur R1 faible devant l'impédance d'entrée de l'ampli- ficateur 1 h gain variable. La tension mesurée entre le point B et --la masse C, au moyen d'un voltmètre 5, donne une indication du débit mesuré. La résistance Rf du fil thermorésistant 3, c'est-à-dire sa température, dépend de la valeur du gain G de l'amplificateur 1. En effet comme on a Vac = (Rf + R1) I, T étant l'intensité du courant traversant le fil thermoré- sistant 3, on a: (Rf + R1) I = G R1 I Rf soit G = 1 + R] Par conséquent si la valeur du gain G est maintenue constante, la valeur de la résistance Rf du fil thermo- résistant 3 est également maintenue constante. L'étalonnage du débitmètre suivant l'invention peut être naturellement rdalisé de la même façon qu'antérieure- ment: autrement dit le capteur étant obstrué et convenable- ment orienté, on joue sur la valeur du gain G pour obtenir la valeur de courant désiré dans le fil thermorésistant 3. Toutefois il est toujours nécessaire d'orienter correcte- ment le capteur. Par contre on peut réaliser la procddure d'6talon- nage suivante: A la température ambiante Ta, le fil a une résistance Rfa telle que: Rfa = Ro (] +iTa) avec Ro = résistance du fil à 00c Il existe donc un gain minimal Ga pour lequel le montage de la figure 1 peut boucler, c'est-à-dire que l'am- plificateur l.débite du courant. On a alors: Rfa Ro In Ca = 1 + - = 1 + (1 + OTa) - I PR] Lorsque le fil thermorêsistant 3 est porté à sa température de fonctionnement, pour Iaquelle sa résistance est: Rf Ro G: 1 + - = 1 + - (1 + T) R1 R1 On a donc la relation suivante: G -,1 1 + "T - Ca- 1 + "Ta 1 +eT soit = 1 + (Ga-1) l +iTa 1 + CT ------- étant un terme constant (aux variations de Ta près), 1 + tTa on voit que I'on peut déterminer la valeur G du gain -à appliquer en connaissant la valeur de Ca. Autrement dit la formule (1) permet de déterminer à partir de la température de fonctionnement à laquelle doit être porté le fil thermorésistant 1 et du gain minimal Ca, la valeur du gain G à laquelle doit être ajusté l'amplifica- teur 1 pour obtenir, dans le fil thermorésistant 3, un cou- rant I assurant l'obtention de la température désirée T du fil. Par conséquent le débitmètre suivant l'invention comporte des moyens permettant de déterminer si le circuit est bouclé, c'est-à-dire si l'amplificateur 1 débite du courant. Ces moyens agissent dans le circuit de commande du gain 2 qui est constitué par un microprocesseur connaissant h chaque instant la valeur du gain G appliqué. Par conséquent, lorsque l'ordre d'étalonnage est donné au microprocesseur 2, par appui sur une touche par exemple, celui-ci applique un gain G = O à l'amplificateur] ln puis il augmente progressivement ce gain n jusqu'h ce que le circuit boucle. A ce moment le microprocesseur 2 détecte que le circuit est bouclé et il détermine que le bouclage est réalisé pour une valeur Ca du gain. A partir de ce moment]e microprocesseur calcule la valeur G par la formule (1) en utilisant la valeur Ga déterminée précédemment, et il ap- plique ce gain à l'amplificateur 1. De ce fait le fil ther- morésistant se trouve parcouru par un courant I assurant le maintien à la température T désirée. Le débitmètre se trouve alors étalonné On voit qu'avec le procédé d'étalonnage précité, le fil thermorésistant 3 n'est pas chauffé pendant l'étalonnage et que par conséquent son orientation dans l'espace n'influe pas sur la précision de cet étalonnage. À Dans la forme d'exécution non limitative de l'in- vention représentée sur la figure 2, l'amplificateur à gain variable 1 est constitué en fait par un ensemble de deux amplificateurs 7 et 8 entre lesquels est branché un conver- tisseur numérique/analogique 9 commandé par le microproces- seur 2. L'amplificateur 7 comprend deux entrées positive et négative, l'entrée positive étant reliée à la masse par une résistance 10, ayant une valeur de 8 kiloohms tandis que son entrée négative-est reliée au point B par une résistance 11 de 10 kiloohms. La résistance 4, qui est branchée entre les points B et C (masse), a une très faible valeur de 20 ohms. Une résistance 12 de 40 kiloohms et un condensateur 13 sont branchés en parall].e entre l'entrée négative de l'ampli- ficateur 7 et sa sortie à laquelle apparaît une tension Vd. Cette tension Vd correspond à la tension Vb amplifiée et inversée par l'amplificateur 7 de gain égal ? - 4. La ten- sion Vd, filtrée par le condensateur 13, est appliquée à l'entrée de tension de référence du convertisseur numéri- que/analogique 9 qui est donc utilisé en multiplieur. Le convertisseur numérique/analogique 9 a deux sor- ties qui sont respectivement connectées aux entrées négative et positive de l'amplificateur 8. Le courant de sortie de l'amplificateur R est amplifié par deux transistors 14 et 15 en cascade et la tension de sortie Va apparaît sur l'émet- 1] teur du transistor]5 auquel est connecté le fil thermoré- sistant 3. Le microprocesseur 2 peut par conséquent multiplier la tension de sortie Vd de l'amplificateur 7 par un coef- ficient compris entre 0 et - 1 et on obtient une tension Va au point A qui est égale à xVb, Vb étant la tension au point B, x étant compris entre 0 et 4. Un condensateur 16 est branché entre l'entrée négative de l'amplificateur 8 et l'émetteur du transistor 15, pour filtrer la tension de sortie Va. REVENDICATInNS I.- Débitmbtre à élément thermorésistant chaud à température constante caractérisé en ce qu'il comporte un amplificateur à gain variable (]) dont l'entrée est reliée à la masse par l'intermédiaire d'une résistance constante (4) de faible valeur par rapport à l'impédance d'entrée de l'am- plificateur,l'élément thermorésistant (3) étant connecté entre l'entrée et la sortie de l'amplificateur à gain va- riable (1), et des moyens (2) pour ajuster la valeur du gain de l'amp] ificateur de manière h obtenir la valeur désirée du courant dans l'élément thermorésistant (3) correspondant à la température constante que l'on désire obtenir. 2.-Débitmètre suivant la revendication 1 carac- térisé en ce que le gain de l'amplificateur (1) est com- mandé par un microprocesseur (2) qui connaît à chaque ins- tant la valeur du gain appliqué. 3.- Débitmètre suivant la revendication 2 caracté- risé en ce que l'amplificateur à gain variable (1) comprend deux amplificateurs (7,8) et un convertisseur numérique/ana- logique (9) qui est connecté au microprocesseur (2), la sortie du premier amplificateur (7) étant reliée à l'entrée de tension de référence du convertisseur numérique/analo- gique dont les sorties sont reliées aux entrées du second amplificateur (8).