Brevet FR2802632A1 — publié le 20010622

L'invention concerne un procédé de mesure de la température et d'une autre grandeur physique d'un gaz présent dans un canal, à l'aide d'un capteur de mesure, qui est chauffé, par un courant chauffant, à une température de travail supérieure à la température du gaz et l'invention concerne également un dispositif permettant de déterminer la température et une autre grandeur physique d'un gaz présent dans un canal, à l'aide d'un capteur de mesure qui est chauffé, par un courant chauffant, à une température de travail supérieure à la température du gaz, capteur qui est relié à un circuit d'alimentation fournissant le courant chauffant. Un dispositif de mesure de la vitesse d'écoulement d'un gaz est connu par le document US 3,645,133. Dans un canal à gaz cylindrique se trouve un capteur de mesure, chauffé à une température de travail, qui fait partie d'un pont de Wheatstone, et le désaccord du pont donne une valeur de mesure proportionnelle à la vitesse d'écoulement du gaz. Afin de compenser l'influence de la température, il est prévu un autre capteur de mesure, qui exerce une influence sur le dispositif d'alimentation en courant du pont de Wheatstone. Des dispositifs de mesure d'écoulement de ce type sont employés, de préférence, dans des systèmes d'assistance respiratoire, pour mesurer le volume de gaz inspiré ou expiré par un patient ou également pour mesurer le volume respiré par minute, en essayant d'obtenir une mesure proche du patient. Afin que la mesure n'importune pas inutilement le patient, la structure du dispositif de mesure doit être aussi simple que possible et doit comporter le nombre minimum de capteurs de mesure, afin que le nombre et l'épaisseur des câbles d'alimentation soient limités au strict nécessaire. L'invention a pour but de fournir un dispositif au moyen duquel un capteur de mesure puisse être employé aussi bien pour mesurer la température du gaz que pour mesurer une autre grandeur physique du gaz, ainsi qu'un procédé de mesure. Ce but est atteint, en ce qui concerne le procédé de mesure, grâce aux étapes qui consistent à: a. lors d'une première étape de mesure, au cours de laquelle le capteur de mesure se trouve à la température de travail, déterminer une première valeur de mesure à partir de la variation du courant chauffant, engendrée par la grandeur physique du gaz, et b. lors d'une deuxième étape de mesure, relier le capteur de mesure à un dispositif de mesure de la résistance et, dans ce cas, proportionner le courant chauffant du capteur de mesure de telle sorte que l'échauffement intrinsèque du capteur de mesure soit faible par rapport à la température de travail, selon l'étape a. et, à partir de la résistance du capteur de mesure, déterminer une deuxième valeur de mesure proportionnelle à la température du gaz. Le but de l'invention est atteint, en ce qui concerne le dispositif de mesure, grâce au fait qu'il comprend un circuit de commande reliant le capteur de mesure, lors d'étapes de mesure prédéterminées, soit avec le circuit d'alimentation, soit avec un dispositif de mesure de la résistance, et que ce circuit est conformé de telle sorte que lors d'une première étape de mesure, au cours de laquelle le capteur de mesure est relié au circuit d'alimentation, il est possible de déterminer une première valeur de mesure, à partir de la variation du courant chauffant engendrée par la grandeur physique, et grâce au fait que, lors d'une deuxième étape de mesure, au cours de laquelle le capteur de mesure agit conjointement avec le dispositif de mesure de la résistance, le courant chauffant est réglé sur une valeur telle que l'échauffement intrinsèque du capteur de mesure soit faible par rapport à la température de travail et qu'à partir de la résistance du capteur de mesure, il est possible de déterminer une deuxième valeur de mesure proportionnelle à la température du gaz. L'avantage apporté par l'invention réside essentiellement dans le fait de pouvoir faire varier le courant chauffant qui circule à travers le capteur de mesure, au moyen d'un circuit de commande, de telle sorte que, lors d'une première étape de mesure, au cours de laquelle le capteur de mesure se trouve à sa température de mesure, la vitesse d'écoulement ou les propriétés du gaz puissent être déterminées et, ensuite, lors d'une deuxième étape de mesure, de pouvoir relier le capteur de mesure à un dispositif de mesure de la résistance et, dans ce cas, de baisser le courant chauffant de telle sorte que l'échauffement intrinsèque du capteur de mesure soit faible par rapport à la température de travail et, en particulier lorsqu'on mesure la vitesse d'écoulement, qu'il soit faible par rapport à la température supérieure à la température du gaz. La température de travail du capteur de mesure, dans ce cas, est la somme de la température du gaz et de la température supérieure. Pour mesurer la vitesse d'écoulement, la température supérieure est maintenue à une valeur constante. Pour prédéfinir la température de travail du capteur de mesure, il faut donc que la température du gaz soit connue. La température de travail du capteur de mesure se situe habituellement, lors de la première étape de mesure, entre 130 et 180 degrés, le capteur de mesure étant maintenu à la température supérieure constante par le courant chauffant. Le refroidissement du capteur de mesure du fait de la vitesse d'écoulement du gaz entraîne une augmentation de la capacité d'acheminement, cette augmentation de capacité permettant de mesurer le débit du gaz. Pour mesurer la température du gaz, lors de la deuxième étape de mesure, le capteur de mesure est relié, par l'intermédiaire du circuit de commande, à un dispositif de mesure de la résistance et, dans ce cas, le courant chauffant est baissé de telle sorte que l'échauffement intrinsèque soit faible par rapport à la température de travail et/ou à la température supérieure. Un échauffement intrinsèque du capteur de mesure de l'ordre de 1 % par rapport à la température de référence est encore acceptable, généralement. Si, lors d'une mesure de la température, on constate un échauffement intrinsèque supérieur, la température du gaz est mesurée dans des plages de vitesses d'écoulement supérieures. Si, par exemple, pour un courant chauffant de milliampères, l'échauffement intrinsèque du capteur de mesure se situe entre 10 et 15 degrés Celsius, on procède à la mesure de la température pour un débit gazeux d'approximativement 10 litres par minute. Un court intervalle de temps, avantageusement compris entre 20 et 50 millisecondes, suffit pour mesurer la température. La température est avantageusement mesurée avec un retard de 20 à 50 millisecondes après la réduction du courant chauffant. Dans le cas d'analyses de gaz respiratoire, les mesures d'écoulement et de température sont effectuées au moins une fois par inspiration ou par expiration. Il est particulièrement avantageux de prévoir, dans le canal, un autre capteur de mesure, également chauffé à une température de travail, avec un corps soumis à la résistance de l'air monté de telle sorte que le corps soumis à la résistance de l'air se trouve dans la zone o l'un des capteurs de mesure exerce une influence sur l'écoulement. Une comparaison entre les signaux de mesure fournis par les capteurs de mesure permet de déterminer la direction d'écoulement, en plus de la vitesse d'écoulement et de la température du gaz. Des dispositifs comportant deux capteurs de mesure chauffés à une température de travail constante et un corps soumis à la résistance de l'air sont certes connus dans l'art antérieur, mais le dispositif selon l'invention permet également de mesurer la température, sans augmentation du nombre de capteurs de mesure. Dans le cas du dispositif comportant deux capteurs de mesure, une forme d'exécution s'est avérée particulièrement avantageuse, dans laquelle un capteur de mesure est continuellement chauffé à la température, supérieure à la température du gaz, constante, afin de mesurer la vitesse d'écoulement, tandis que l'autre capteur de mesure est utilisé pour détecter la direction d'écoulement et mesurer la température. Pour déterminer la direction d'écoulement, les deux capteurs de mesure se trouvent à la température de travail, tandis que la mesure de la température est réalisée lorsque le courant chauffant a diminué. Avantageusement, les étapes a et b du procédé peuvent être mises en oeuvre, au choix, à l'aide d'un des capteurs de mesure. De façon préférée, la deuxième valeur de mesure est utilisée pour corriger l'influence sur la température de la première valeur de mesure. De façon avantageuse, la première valeur de mesure est utilisée pour corriger l'influence sur l'écoulement de la deuxième valeur de mesure. Selon un mode d'exécution avantageux de l'invention, l'étape de mesure c est mise en oeuvre avant les étapes de mesure a et b. De préférence, l'étape de mesure b est mise en oeuvre avant l'étape de mesure a. Avantageusement sont montés, dans le canal, un autre capteur de mesure chauffé à une température de travail et un corps soumis à la résistance de l'air, placé dans la zone o au moins l'un des capteurs de mesure exerce une influence sur l'écoulement. Un exemple d'exécution de l'invention est représenté sur le dessin et va maintenant être expliqué en détail. La figure 1 représente, de façon schématique, la structure du dispositif de mesure selon l'invention, la figure 2 représente, de façon schématique, la structure d'un premier circuit d'alimentation pour un capteur de mesure, la figure 3 représente, de façon schématique, un deuxième circuit d'alimentation. La figure 1 représente schématiquement la structure d'un dispositif de mesure 1, au moyen duquel il est possible de mesurer la vitesse d'écoulement, la direction d'écoulement et la température du gaz. A cet effet, dans un canal 2 traversé par un gaz, sont montés un premier capteur de mesure 3, un deuxième capteur de mesure 4 et un corps soumis à la résistance de l'air 5 placé entre les capteurs de mesure 3, 4. Au moyen d'un premier circuit électrique d'alimentation 6 est produit un premier courant chauffant, traversant le premier capteur de mesure 3, au moyen duquel celui-ci est chauffé à une température, supérieure à la température du gaz, constante. La température de travail qui règne au niveau du premier capteur de mesure 3 résulte de la résistance ohmique du premier capteur de mesure 3. Un deuxième circuit électrique d'alimentation 7 alimente le deuxième capteur de mesure 4 avec un deuxième courant chauffant, au moyen duquel celui-ci est amené à une température supérieure également constante. Les capteurs de mesure 3, 4 sont constitués de fins fils de platine, qui sont fixés sur des fils de support 8, 9 présents à l'intérieur du canal 2. Le corps soumis à la résistance de l'air 5, qui se trouve à la même hauteur que le capteur de mesure 3, engendre, en fonction de la direction d'écoulement, un refroidissement différent du capteur de mesure 3. Les directions d'écoulement possibles, dans le canal 2, sont représentées par une flèche 10. Dans la série de conduites entre le premier capteur de mesure 3 et le premier circuit d'alimentation 6 est monté un circuit de commande 11, se présentant sous la forme d'un commutateur, au moyen duquel le premier capteur de mesure 3 peut être relié soit au premier circuit d'alimentation 6, soit au dispositif de mesure de la résistance 12. Le dispositif de mesure de la résistance 12, qui est conformé en pont de Wheatstone, sollicite le premier capteur de mesure 3 avec un courant de mesure qui engendre un échauffement intrinsèque qui est faible par rapport à la température supérieure. Le courant chauffant est proportionné de façon à obtenir un échauffement intrinsèque de 1 à 2 degrés Celsius. Les circuits d'alimentation 6, 7, le circuit de commande 11 et le dispositif de mesure de la résistance 12 sont reliés à une unité de commande et d'évaluation 14, à partir de laquelle toutes les opérations de commande et de calcul peuvent être effectuées. La figure 2 représente, de façon schématique, la structure du premier circuit d'alimentation 6 destiné au capteur de mesure 3. Les circuits d'alimentation 6, 7 sont conçus de façon identique, les numéros de référence qui correspondent au deuxième circuit d'alimentation 7 et qui sont différents devant être relevés à la figure 3. Les mêmes composants portent les mêmes numéros de référence. Les capteurs de mesure 3, 4, dans les circuits à ponts, sont reliés à deux résistances de ponts 15, 16 fixes et, chacun, à une résistance de pont 18 susceptible d'être modifiée par l'intermédiaire d'un dispositif de réglage 17. Les ponts de Wheatstone des figures 2 et 3 sont alimentés en courant d'alimentation par une source de tension 19, par l'intermédiaire d'un amplificateur opérationnel 20. Les tensions diagonales des ponts de Wheatstone se situent à l'entrée de l'amplificateur opérationnel 20. Les tensions de sortie des ponts de Wheatstone sont prélevées au niveau des résistances de pont 16. Les ponts de Wheatstone et les dispositifs de réglage 17 sont reliés à l'unité de commande et d'évaluation 14 par l'intermédiaire de circuits d'acheminement des signaux 21, 22, 23, 24. Les capteurs de mesure 3, 4 sont amenés à la température de travail par lI'amplificateur opérationnel 20. A cet effet, les courants chauffants produits par les amplificateurs opérationnels 20, qui traversent les capteurs de mesure 3, 4, sont modifiés jusqu'à obtenir une résistance constante au niveau des capteurs de mesure 3, 4, et, par conséquent, jusqu'à obtention de la température de travail prédéterminée. En raison de la circulation du gaz, les tensions diagonales des ponts varient et des tensions de mesure chutent au niveau des résistances de pont 16 et sont transmises à l'unité de commande et d'évaluation 14 par l'intermédiaire des circuits d'acheminement des signaux 21, 22. A partir du rapport des tensions de mesure des capteurs de mesure 3, 4 entre elles, la direction d'écoulement est déterminée à l'intérieur de lI'unité de commande et d'évaluation 14, tandis que la valeur absolue des tensions de mesure représente une mesure de la vitesse d'écoulement. Les variations de la température du gaz à examiner sont compensées par les résistances de pont 18. A cet effet, les dispositifs de réglage 17, par les circuits d'acheminement des signaux 23, 24, reçoivent, de l'unité de commande et d'évaluation 14, un signal de température qui est délivré par le dispositif de mesure de la résistance 12 aux instants o le premier capteur de mesure 3 est relié, par le circuit de commande 11, au dispositif de mesure de la résistance 12 (figure 1). Le dispositif de mesure selon l'invention est de préférence utilisé dans une conduite de gaz respiratoire permettant à la fois l'inspiration et l'expiration. Au début de la phase d'inspiration ou d'expiration, grâce à la comparaison des signaux de mesure des capteurs de mesure 3, 4, la direction d'écoulement du gaz est déterminée par l'unité de commande et d'évaluation 14. Ensuite, le premier capteur de mesure 3 est relié au dispositif de mesure de la résistance 12, par le circuit de commande 11 et la température est mesurée avec un retard de 20 à 50 millisecondes. Le dispositif de mesure de la résistance 12 envoie un signal de mesure, proportionnel à la température du gaz, à l'unité de commande et d'évaluation 14. Ensuite, le premier capteur de mesure 3 est à nouveau relié au premier circuit d'alimentation 6 et chauffé à la température de travail d'origine. Au cours d'une respiration, il est également possible de relever plusieurs signaux de mesure de la température, pendant des intervalles de temps successifs, à partir desquels une valeur moyenne de température peut alors être calculée. Les valeurs de mesure de la vitesse d'écoulement sont déterminées en continu par le deuxième capteur de mesure 4, qui est continuellement chauffé à la température de travail constante. Etant donné que le premier capteur de mesure 3 est utilisé aussi bien pour mesurer la température que pour déterminer la direction d'écoulement, la température peut toujours être mesurée pendant les intervalles de temps au cours desquels il n'est pas prévu de modification de la direction d'écoulement. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure de la température et d'une autre grandeur physique d'un gaz présent dans un canal, à l'aide d'un capteur de mesure, qui est chauffé, par un courant chauffant, à une température de travail supérieure à la température du gaz, caractérisé par les étapes qui consistent à: a. lors d'une première étape de mesure, au cours de laquelle le capteur de mesure (3) se trouve à la température de travail, déterminer une première valeur de mesure à partir de la variation du courant chauffant, engendrée par la grandeur physique du gaz, et b. lors d'une deuxième étape de mesure, relier le capteur de mesure à un dispositif de mesure de la résistance (12) et, dans ce cas, proportionner le courant chauffant du capteur de mesure (3) de telle sorte que l'échauffement intrinsèque du capteur de mesure (3) soit faible par rapport à la température de travail, selon l'étape a. et, à partir de la résistance du capteur de mesure (3), déterminer une deuxième valeur de mesure proportionnelle à la température du gaz. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'est prévu, dans le canal (2), un autre capteur de mesure (4), également chauffé à une température de travail, ainsi qu'un corps soumis à la résistance de l'air (5) monté de telle sorte que le corps soumis à la résistance de l'air (5) se trouve dans la zone o au moins l'un des capteurs de mesure (3, 4) exerce une influence sur l'écoulement et c. et en ce que, lors d'une troisième étape de mesure, une comparaison entre les valeurs de mesure fournies par les capteurs de mesure (3, 4) détermine une troisième valeur de mesure, proportionnelle à la direction d'écoulement du gaz. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les étapes a et b du procédé sont mises en oeuvre, au choix, avec l'un des capteurs de mesure (3, 4). 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la deuxième valeur de mesure est utilisée pour corriger l'influence sur la température de la première valeur de mesure. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la première valeur de mesure est utilisée pour corriger l'influence sur I'écoulement de la deuxième valeur de mesure. 6. Procédé selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que l'étape de mesure c est mise en oeuvre avant les étapes de mesure a et b. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'étape de mesure b est mise en oeuvre avant l'étape de mesure a. 8. Dispositif permettant de déterminer la température et une autre grandeur physique d'un gaz présent dans un canal, à l'aide d'un capteur de mesure (3) qui est chauffé, par un courant chauffant, à une température de travail supérieure à la température du gaz, capteur qui est relié à un circuit d'alimentation (6) fournissant le courant chauffant, caractérisé par un circuit de commande (12) reliant le capteur de mesure (3), lors d'étapes de mesure prédéterminées, soit avec le circuit d'alimentation (6), soit avec un dispositif de mesure de la résistance (12), qui est conformé de telle sorte que lors d'une première étape de mesure, au cours de laquelle le capteur de mesure (3) est relié au circuit d'alimentation (6), il est possible de déterminer une première valeur de mesure, à partir de la variation du courant chauffant engendrée par la grandeur physique, et caractérisé en ce que, lors d'une deuxième étape de mesure, au cours de laquelle le capteur de mesure (3) agit conjointement avec le dispositif de mesure de la résistance (12), le courant chauffant est réglé sur une valeur telle que l'échauffement intrinsèque du capteur de mesure (3) soit faible par rapport à la température de travail et en ce qu'à partir de la résistance du capteur de mesure (3), il soit possible de déterminer une deuxième valeur de mesure proportionnelle à la température du gaz. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que sont montés, dans le canal (2), un autre capteur de mesure (4) chauffé à une température de travail et un corps soumis à la résistance de l'air (5), placé dans la zone o au moins l'un des capteurs de mesure (3, 4) exerce une influence sur l'écoulement.