Brevet FR2825484A1 — publié le 20021206

L'invention concerne une soupape servant à réguler le débit d'un gaz, comprenant une soupape, constituée d'un cratère et d'un élément de fermeture de la soupape afin de réquler le débit de gaz, une conduite d'alimentation et une conduite d'évacuation, un système d'entranement S servant à commander la position de l'élément de fermeture de la soupape par rapport au cratère, ainsi qu'un capteur de mesure du débit du gaz et une unité de commande destinée à commander le système d'entranement grâce à un signal de commande. Une soupape connue est décrite, par exemple, dans le brevet US 5,265,594. De tels dispositif sont utilisés, en particulier, dans des appareils d'assistance respiratoire afin de crser, par l'intermédiaire du dosage du gaz envoyé au patient, différents modèles d'assistance respiratoire dépendant du temps, caractérisés par le débit de gaz ainsi que par la pression d'assistance respiratoire règnant au niveau du patient. A cet effet, les appareils sont reliés à une alimentation en gaz centralisée. Dans ce cas, la soupape de dosage a pour mission d'alimenter le patient selon un débit de gaz défini, ou de lui appliquer une certaine surpression. Pour cela, en général, le courant volumique de masse ou de gaz est réglé grâce à une variation de la superficie de section de la conduite de gaz qui est parcourue. Dans ce cas, la superficie de section de la conduite de gaz parcourue est conformoe, en particulier, en enveloppe cylindrique obtenue à partir de la section transversale circulaire de la soupape et de la course linéaire d'ouverture de la soupape, perpendiculaire à celle-ci. Pour régler la superficie de section de la conduite de gaz parcourue, on utilise, de préférence, un système d'entranement linéaire électrique, dont la force ajuste la course d'ouverture de la soupape. Le déplacement de l'élément de fermeture de cette soupape électromécanique connue est. par principe, très faiblement amorti et tend donc à créer des vibrations, en particulier lorsque la soupape est actionnée dans une boucle de régulation simple, destinée à la course d'ouverture de la soupape, au flux de gaz ou à la pression destinée au patient. Un autre dispositif connu est décrit dans le Manuel de l'appareil d'assistance respiratoire intensive Hamilton Véolar, Edition 1988. On y décrit une soupape qui dose un courant volumique, à partir d'un réservoir à pression variable. Le dispositif s'appuie, dans la boucle de réqulation du débit de gaz, sur un capteur de déplacement, qui mesure la course d'ouverture de la soupape. On cherche à augmenter la stabilité de cette boucle de réqulation en différenciant le signal de la course d'ouverture de la soupape et en lui superposant le signal d'amorçage du système d'entraînement. Lorsque le signal est produit de cette façon, et en raison de la différenciation, les interférences des signaux sont renforcéss et, en outre, le signal est retardé dans le temps, de sorte que l'utilisation d'un signal produit de cette façon n'a qu'une efficacité limitée sur 1'amortissement. Par conséquent, cette soupape connue présente l'inconvénient essentiel qu'on ne dispose d'un comportement acceptable en régime transitoire que jusqu'à un temps minimal de réponse de la soupape de quelques millisecondes. L'invention a pour but de fournir une soupape connue perfectionnée permettant, tout en présentant le méme comportement en régime transitoire, de raccourcir notoirement, par exemple de moitié, le temps minimal de réponse de la soupape. Selon l'invention, ce but est atteint grâce au fait qu'est prévu un capteur de mesure de la vitesse destiné à mesurer la vitesse de l'élément de fermeture de la soupape par rapport au cratère, dont le signal de sortie est utilisé pour calculer ie signal de commande du système d'entraînement. Avantageusement, le signal de commande du système d'entraînement correspond à la différence entre la valeur de consigne du débit de gaz, le signal de sortie du conditionneur de signal de vitesse et le signal de sortie du conditionneur de signal de débit de gaz. De façon avantageuse, le signal de commande du système d'entraînement est calculé en outre par soustraction du signal de sortie du conditionneur de signal de courant. Avantageusement, le signal de commande du système d'entraînement correspond à la différence entre la valeur de consigne de pression, le signal de sortie du conditionneur de signal de vitesse et le signal de sortie du conditionneur de signal de pression. De façon avantageuse, le signal de commande du système d'entraînement est calculé en outre par soustraction du signal de sortie du conditionneur de signal de courant. Selon une possibilité, le signal de commande du système d'entraînement correspond à la différence entre la valeur de consigne de pression, la valeur de consigne du débit de gaz, le signal de sortie du conditionneur de signal de vitesse, le signal de sortie du conditionneur de signai du débit de gaz et le signal de sortie du conditionneur de signal de pression. Selon une autre possibilité, le signal de commande du système d'entramement est calculé en outre par soustraction du signal de sortie du conditionneur de signal de courant. De préférence, le système d'entranement est un entranement électrodynamique. De façon encore préférée, le système d'entranement est un entra nement électromagnétique. De préférence, le système d'entranement est un entranement piézoélectrique. De façon avantageuse, le capteur de mesure du débit de gaz est un capteur thermique de débit massique. Avantageusement, le capteur de mesure du débit de gaz est un capteur qui fonctionne sur la base d'une mesure de pression différentielle au moyen d'une résistance pneumatique fixe. Avantageusement, le capteur de mesure du débit de gaz est un capteur qui fonctionne sur la base d'une mesure de pression différentielle par la fente d'ouverture entre le cratère et l'élément de fermeture de la soupape, la fente d'ouverture étant mesurée par un capteur de position. Selon une forme d'exécution, le capteur de mesure de vitesse est un capteur électrodynamique et est placé, de préférence, dans le champ magnétique du système d'entranement. Selon un mode de réalisation, le rapport entre la pression en amont, règnant en amont de la soupape, et la pression en aval, règnant en aval de la soupape, est compris entre 2 et 10. De préférence, le rapport entre la pression en amont, règnant en amont de la soupape, et la pression en aval, règnant en aval de la soupape, est compris entre 1 et 2. Avantageusement, la soupape selon l'invention est utilisée, dans des appareils d'assistance respiratoire ou d'anesthésie, pour le dosage en gaz 3 0 destiné à des patients so us assistance resp i ratoi re. S'il est souhaité de pouvoir régier, rapidement et précisément, le cou rant volu miq ue de gaz ou le courant volumique de masse, c'est-à-d ire la débit de gaz, il est nécessaire que le déplacement de l'élément de fermeture de la soupape soit amorti de façon supplémentaire, par l'extérieur; car un degré élevé d'amortissement améliore la possibilité de régler la soupape rapidement, et sans produire de vibrations. Selon l'invention, I'amortissement est obtenu, de préférence, par une prise en compte négative de la vitesse de l'élément de fermeture sur le système d'entranement. Dans ce cas, pour obtenir l'efficacité maximale d'amortissement, comme souhaité, on utilise un signal de vitesse de forte puissance et, en particulier, peu sujet à des perturbations ou à des distorsions. Par conséquent, I'invention utilise un dispositif qui obtient directement le signal de vitesse, grâce à une mesure et qui garantit ainsi que cette opération est réalisée avec un minimum de retard et d'interférences. Tout en conservant une construction classique de soupape, on obtient ainsi une réduction significative, d'environ 50 %, du temps de réglage de la soupape. Du fait de la réduction du temps de réglage de la soupape, pour le débit de gaz souhaité, il est donc également possible d'augmenter la vitesse de la montée en pression au niveau du patient. De plus, il est avantageux que la soupape, du fait du meilleur amortissement, est susceptible de couvrir une plage élargie de pression en amont, avec un temps de réglage de la soupape, pour le débit gazeux, pratiquement constant. Un exemple d'exécution de l'invention va maintenant être expliqué, à l'aide des figures, dans lesquelles la figure 1 représente une soupape selon 1'invention, équipée d'un système d'entrainement électrodynamique et la figure 2 représente schématiquement la boucle de réqulation d'une soupape selon l'invention. Une soupape selon l'invention et selon la figure 1 comprend une conduite d'alimentation 1 destinée au gaz à doser et une conduite d'évacuation 2. La commande du débit du gaz, c'est-à-dire du courant volumique de masse et du courant volumique du gaz, s'effectue par l'intermédiaire de la soupape 3, 4, qui comprend les éléments suivants: un cratère 3, un élément de fermeture de la soupape 4 qui, ici, est une membrane et un système d'entrainement 5 qui, ici, est un entrainement linéaire électrodynamique. L'entrainement linéaire électrodynamique utilisé avantageusement utilisé une bobine en mouvement dans un champ magnétique fixe. Ii se caractérise donc par des masses déplacées extrèmement petites, ainsi q ue pa r la possibi lité de dévelop per d es forces d'entrainement dans les deux directions effectives. Le courant volumique de masse et de gaz est réglé par l'entranement linéaire électrodynamique, qui intervient sur la position de la membrane par rapport au cratère 3. Cet entrainement est pourvu, outre sa bobine d'entrainement, d'une deuxième bobine servant à mesurer la vitesse par induction, c'est-à-dire par l'intermédiaire d'un capteur de mesure de la vitesse 7. A la figure 1 est monté, dans la conduite d'évacuation 2, o règne la pression en aval 48 ou, en alternative, dans la conduite d'alimentation 1, o règne la pression en amont S 47, un capteur de mesure du débit du gaz 8, par exemple un anémomètre à filament chauffant. Une unité de commande 9 reçoit une valeur de consigne du débit de gaz 30, une valeur de consigne de pression 31, une valeur mesurée pour le débit de gaz 34, qui provient du capteur de mesure du débit de gaz 8, la valeur mesurée pour la vitesse 33 de la membrane, ainsi que des masses en mouvement qui y sont liées, en provenance du capteur de mesure de la vitesse 7, et elle reçoit également la valeur mesurée pour la pression 35 envoyée par le capteur de pression 10. L'unité de commande 9 produit, à partir de ces données, un signal de commande 40 destiné à l'entranement linéaire électrodynamique. La figure 2 représente la réqulation d'une soupape selon l'invention, avec un entranement électrodynamique. La réqulation de la soupape 3, 4 s'effectue comme suit: Le signal de commande 40 produit, dans l'inductance d'entranement 24, le courant d'amorçage 41 destiné au système d'entranement 5. Sa force d'entranement 42 produit, avec les forces perturbatrices 43, I'accélération 44 qui agit sur les éléments en mouvement, qui, par l'intermédiaire du premier intégrateur de parcours 25, a pour effet la vitesse 45 de la membrane. A partir de la vitesse 45 et par l'intermédiaire du deuxième intégrateur de parcours 26, on obtient, du côté de la sortie, la position de la membrane 46. A partir de la position de la membrane 46, de la pression en amont 47 et de la pression en aval 48, on obtient, par l'intermédiaire du dispositif donnant les caractéristiques de la soupape, le débit du gaz 49. La vitesse 45 est mesurce par le capteur de mesure de la vitesse 7 et la valeur mesurée pour la vitesse 33 est envoyée au conditionneur de signal de vitesse 21. Le débit de gaz 49 est mesuré par le capteur de mesure du débit de gaz 8 et la valeur mesurée pour le débit de gaz 34 est envoyée au conditionneur du signal de débit de gaz 22. Pour le cas o il soit nécessaire de régler le débit de gaz, on calcule, au niveau du système additionneur 28, la différence entre la valeur de consigne du débit de gaz 30 et le signal de sortie 36 du conditionneur de signal de courant 20, le signal de sortie 37 du conditionneur de signal de vitesse 21, ainsi que le signal de sortie 38 du conditionneur de signal de débit de gaz 22, et on établit le signal de commande 40 destiné au système d'entraînement 5. Dans ce cas, la valeur de consigne de la pression 31 est égale à zéro. Pour le cas o il soit nécessaire de régler la pression qui règne au niveau du patient, on calcule, au niveau du système additionneur 28, la différence entre la valeur de consigne de la pression 31 et le signal de sortie 36 du conditionneur de signal de courant 20, le signal de sortie 37 du conditionneur de signal de vitesse 21, ainsi que le signal de sortie 39 du conditionneur de signal de pression 23, et on établit le signal de commande 40 destiné au système d'entraînement 5. Dans ce cas, la valeur de consigne du débit de gaz 30 est égale à zéro. Le conditionneur de signal de courant 20, tout autant que le conditionneur de signal de vitesse 21, le conditionneur de signai de débit de gaz 22 et le conditionneur de signal de pression 23 présentent, dans leur forme d'exécution la plus simple, un comportement au transfert qui est proportionnel. Naturellement, il est aussi possible d'utiliser, de façon avantageuse, d'autres comportements de transfert, en particulier des comportements non linéaires. On utilise par exemple, pour filtrer les valeurs mesurées, des passe-bas analogiques ou numériques, la pondération des signaux s'effectuant à l'aide d'un facteur proportionnel. L'amplitude des signaux qui en résultent est maintenue à l'intérieur d'une plage souhaitée par un limiteur. La valeur analogique mesurée pour la vitesse 33 est acheminée vers un dispositif de traitement analogique du signal. Celui-ci contient un amplificateur analogique, ainsi qu'un système additionneur analogique 28. Le fait que ce dispositif de traitement du signal soit analogique permet de maximiser la vitesse de transmission du signai et garantit ainsi une efficacité maximale d'amortissement, comme souhaité. Le courant d'amorçage 41, qui commence à circuler dans le système d'entraînement 5 suite au signal de commande 40, est transformé, au moyen d'une résistance, en tension et est mesuré. Afin de maximiser la vitesse de transmission du signal, celle-ci, là encore, est analogique. Après un traitement préalable analogique, le traitement du signal, en ce qui concerne la valeur mesurée pour le débit de gaz 34 et la valeur mesurée pour la pression 35, s'effectue sous forme numérique, afin que le traitement du signal qui intervient après soit aussi flexible que possible. Composants 1 conduite d'alimentation 2 conduite d'évacuation 3 cratère 4 élément de fermeture de la soupape système d'entranement 6 ampèremètre 7 capteur de mesure de la vitesse 8 capteur de mesure du débit de gaz 9 unité de commande capteur de pression 11 ensemble de toyaux Blocs de régulation conditionneur de signal de courant 21 conditionneur de signal de vitesse 22 conditionneur de signal de débit de gaz 23 conditionneur de signal de pression 24 inductance d'entranement premier intégrateur de parcours 26 deuxième intégrateur de parcours 27 dispositif donnant les caractéristiques de la soupape 28 système additionneur Signaux valeur de consigne du débit de gaz 31 valeur de consigne de la pression 32 valeur mesurée pour le courant 33 valeur mesurée pour la vitesse 34 valeur mesurée pour le débit de gaz valeur mesurée pour la pression 36 signal de sortie du conditionneur de signal de courant 37 signal de sortie du conditionneur de signal de vitesse 38 signal de sortie du conditionneur de signal de débit de gaz 39 signal de sortie du conditionneur de signal de pression signal de commande 41 courant d'amorçage 42 force d'entranement 43 forces perturbatrices 44 accélération vitesse 46 position de la membrane 47 pression en amont 48 pression en aval 49 débit du gaz flux en direction du patient 51 pression au niveau du patient REVENDICATIONS 1. Soupape servant à réquler le débit d'un gaz, comprenant une soupape (3, 4), constituée d'un cratère (3) et d'un élément de fermeture de la soupape (4) afin de réguler le débit de gaz, une conduite d'alimentation (1) et une conduite d'évacuation (2), un système d'entranement (5) servant à commander la position de l'élément de fermeture de la soupape (4) par rapport au cratère (3), ainsi qu'un capteur de mesure du débit du gaz (8) et une unité de commande (9) destinée à commander le système d'entramement (5) grâce à un signal de commande (40), caractérisée en ce qu'est qu'est prévu un capteur de mesure de la vitesse (7) destiné à mesurer la vitesse de l'élément de fermeture de la soupape (4) par rapport au cratère (3), dont le signal de sortie est utilisé pour calculer le signal de commande (40) du système d'entramement (5). 2. Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que le signal de commande (40) du système d'entranement (5) correspond à la différence entre la valeur de consigne du débit de gaz (30), le signal de sortie (37) du conditionneur de signal de vitesse (21) et le signal de sortie (38) du conditionneur de signal de débit de gaz (22). 3. Soupape selon la revendication 2, caractérisée en ce que le signal de commande (40) du système d'entranement (5) est calculé en outre par soustraction du signal de sortie (36) du conditionneur de signal de courant (20). 4. Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que le signal de commande (40) du système d'entranement (5) correspond à la différence entre la valeur de consigne de pression (31), le signal de sortie (37) du conditionneur de signal de vitesse (21) et le signal de sortie (39) du conditionneur de signal de pression (23). 5. Soupape selon la revendication 4, caractérisée en ce que le signal de commande (40) du système d'entranement (5) est calculé en outre par soustraction du signal de sortie (36) du conditionneur de signal de courant (20). 6. Soupape selon la revendication 1, caractérisée en ce que le signal de commande (40) du système d'entranement (5) correspond à la différence entre la valeur de consigne de pression (31), la valeur de consigne du débit de gaz (30), le signal de sortie (37) du conditionneur de signal de vitesse (21), le signal de sortie (38) du conditionneur de signal du débit de gaz (22) et le signal de sortie (39) du conditionneur de signal de pression (23). 7. Soupape selon la revendication 6, caractérisée en ce que le signal de commande (40) du système d'entranement (5) est calculé en outre S par soustraction du signal de sortie (36) du conditionneur de signal de courant (20). 8. Soupape selon au moins l'une des revendications précèdentes, caractérisée en ce que le système d'entranement (5) est un entranement électrodynamique. 9. Soupape selon au moins l'une des revendications 1 à 7, caractérisse en ce que le système dentranement (5) est un entranement électromagnétique. 10. Soupape selon au moins l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le système d'entranement (5) est un entranement piézoalectrique. 11. Soupape selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le capteur de mesure du débit de gaz (8) est un capteur thermique de débit massique. 12. Soupape selon au moins l'une des revendications 1 à 10, caractérisoe en ce que le capteur de mesure du débit de gaz (8) est un capteur qui fonctionne sur la base d'une mesure de pression différentielle au moyen d'une résistance pneumatique fixe. 13. Soupape selon au moins l'une des revendications 1 à 10, caractérisoe en ce que le capteur de mesure du débit de gaz (8) est un capteur qui fonctionne sur la base d'une mesure de pression différentielle par la fente d'ouverture entre le cratère (3) et l'élément de fermeture de la soupape (4), la fente d'ouverture étant mesurée par un capteur de position. 14. Soupape selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le capteur de mesure de vitesse (7) est un capteur électrodynamique et est placé, de préférence, dans le champ magnétique du système d'entranement (5). 15. Soupape selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le rapport entre la pression en amont (47), règnant en amont de la soupape (3, 4), et la pression en aval (48), règnant en aval de la soupape (3, 4), est compris entre 2 et 10. 16. Soupape selon au moins l'une des revendications 1 à 14, caractérisée en ce que le rapport entre la pression en amont (47), règnant en amont de la soupape (3, 4), et la pression en avai (48), règnant en aval de la soupape (3, 4), est compris entre 1 et 2. 17. Soupape selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisoe en ce que la soupape selon l'invention est utilisoe, dans des appareils d'assistance respiratoire ou d'anesthésie, pour