Dispositif de régulation automatique du
débit d'un liquide.
La présente invention concerne un dispositif
de régulation automatique destiné à détecter et à maintenir constante la cadence d'écoulement goutte
à goutte d'un liquide.
Un exemple d'application de l'invention est la régulation et le contrôle des perfusions médicales. Celles-ci consistent en l'injection lente du contenu d'un flacon dans le corps d'un malade au moyen d'une aiguille ou sonde et d'un appareil connu sous le nom
de "trouse de perfusion". Cet appareil est représenté
à la figure 1. On y distingue le flacon (1) contenant le liquide à perfuser, muni d'un tuyau évent (2). La trousse de perfusion proprement dite est un ensemble stérile le plus souvent entièrement en matière plastique constitué par un tube (3) amenant le liquide contenu dans le flacon dans une petite chambre (4) appelée "stilligoutte" dans laquelle le liquide tombe goutte à goutte. Un tuyau en matière plastique souple
(5) conduit le liquide:jusqu'à l'embout d'injection (6).
Le débit est ajusté à l'aide d'un mécanisme étrangleur (7) de manière à obtenir dans le stilli-
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opérateur est délicat et malaisé, surtout aux cadences de gouttes très lentes, lesquelles concernent souvent des substances dangereuses à forte dose. De plus, il est fréquent que les mouvements du malade fassent varier le débit d'une façon appréciable, le débit pouvant même s'interrompre accidentellement par
une obstruction de la sonde d'injection.
Pour assurer la régulation du débit du liquide, la trousse de perfusion est associée à un détecteur de goutte (9) disposé au niveau du stilligoutte (4), un mécanisme étrangleur (7) commandé par un moteur électrique (8) afin d'étrangler plus ou moins le tuyau souple (5), et un dispositif de régulation (10) mesurant l'erreur de débit et produisant un signal de correction qui actionne le moteur commandant 1' étrangleur (7).
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du débit d'une perfusion sont tous prévus pour produire une correction de durée fixe prédéterminée. Une régulation de ce genre ne permet cependant pas d'assurer une cadence très lente avec grande précision et elle nécessite un ajustement de la durée de la correction pour le débit souhaité. De plus, une telle régulation maintient le système asservi dans un état d'instabilité permanent.
Or, dans un système de régulation de ce genre, qui constitue un système asservi, divers paramètres sont très variables, à savoir : la fluidité du liquide, le diamètre du tuyau souple écrasé, son épaisseur
et sa souplesse. La difficulté inhérente à une régulation correcte par écrasement d'un tuyau en matière plastique souple réside dans deux faits très importants. Le premier est le dosage correct de la réaction du,système lorsqu'il est dans un état hors d'équilibre. Si la réaction est trop importante, le système dépassera sa position d'équilibre et se mettra à osciller de part et d'autre du point d'équilibre, et si la réaction est trop peu importante, 1' équilibre ne sera jamais atteint ou sera atteint après un temps très long. Dans le premier cas, le système est instable, et dans le second, il est imprécis. Le second fait est dû à la physique même
de l'écrasement d'un tuyau en matière plastique. Si l'on appelle d la distance entre les deux mâchoires de l'étrangleur et N le nombre de gouttes par minute correspondant à cette distance pour une charge et
un liquide donnés, alors pour un même tuyau à une température donnée, la loi N = f (d) n'est ni linéaire, ni réversible.
L'invention a pour objet un dispositif de régulation électronique adaptatif et auto-stable dans lequel la correction de débit produite est variable selon l'importance de l'erreur détectée,
ce qui assure au système de régulation asservi une grande stabilité et une grande précision.
L'invention vise également un dispositif de régulation automatique ajustable pour maintenir constant un débit, même lent.
Le dispositif de régulation suivant l'invention se caractérise par un détecteur de gouttes propre à engendrer une impulsion électrique à l'apparition
de chaque goutte, un dispositif d'échantillonnage cyclique ayant N états successifs et répondant aux impulsions successives du détecteur de gouttes, ce dispositif étant agencé en sorte de se trouver bloqué lorsqu'il atteint son Ne état et de produire un signal ayant une durée égale à la durée de l'intervalle de temps s'étendant entre la première et la Ne goutte,
un générateur d'impulsions de temps, un dispositif de mesure d'erreur et un dispositif de correction.
Le dispositif de mesure d'erreur, qui compte
un nombre d'états supérieur au nombre d'états du dispositif d'échantillonnage, répond à l'occurrence simultanée du signal du dispositif d'échantillonnage et des impulsions de temps en sorte d'avancer chaque fois d'un état à partir de l'instant d'occurrence du signal ;du dispositif d'échantillonnage et pendant la durée de ce signal, ce dispositif de mesure d'erreur étant agencé en sorte de produire un signal indiquant si l'état dans lequel il s'arrête est inférieur, égal ou supérieur à un état repère prédéterminé. Le dispositif de correction est connecté pour être actionné au moment d'occurrence du front arrière du signal
du dispositif d'échantillonnage .et répondre au signal produit. par 'le-dispositif de mesure d'erreur de manière à produire un signal de correction destiné à actionner le moteur du mécanisme étrangleur dans un sens ou
dans l'autre selon que l'état atteint par le dispositif de mesure d'erreur est inférieur ou supérieur audit état repère.
Dans un mode de réalisation particulier, le dispositif de correction produit un signal de correction dont la durée est d'autant plus longue
que l'état atteint par le dispositif de mesure d' erreur est davantage écarté dudit état repère, et dans un autre mode de réalisation il produit une correction dont l'intensité est proportionnelle
à l'écart entre l'état atteint par le dispositif
de mesure d'erreur et ledit état repère.
Un mode de réalisation du dispositif suivant l'invention sera décrit ci-après en se référant aux dessins,joints sur lesquels :
- la figure 1 représente schématiquement un perfuseur associé à un dispositif de contrôle du débit de la perfusion ;
- la figure 2 est un schéma général du dispositif de régulation automatique selon l'invention ;
- la figure 3 montre des diagrammes d'impulsions illustrant le fonctionnement du dispositif de la figure 2.
Le dispositif de régulation fonctionne à partir des impulsions électriques engendrées par le détecteur de présence de goutte (9). Ces impulsions, appelées impulsions de goutte, après mise en forme rectangulaire dans le circuit de mise en forme (11), sont appliquées à un compteur d'échantillonnage (12).
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une première impulsion de goutte (diagramme A de la figure 3) qui remet le compteur d'échantillonnage
(12) à zéro. Ce compteur possède autant de positions
(N) que l'on désire compter successivement de gouttes. Le compteur (12) est agencé en sorte de produire un signal de sortie TG à l'apparition de la première impulsion de goutte, ce signal prenant fin lorsque le compteur a compté le nombre voulu de gouttes, par exemple deux comme montré au diagramme B de la figure 3. Le front avant du signal TG est appliqué à une première entrée de la porte d'entrée (13) d'
un compteur de mesure d'erreur (14). Cette porte
(13) reçoit à sa seconde entrée des impulsions de temps IH engendrées par le générateur d'impulsions
de temps (15). Le front avant du signal TG ouvre
donc la porte (13) de manière que les impulsions de
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l'échantillonneur (12), la porte d'entrée (13) se
trouve fermée et le compteur (14) s'arrête. Sa
position représente alors la mesure du temps écoulé entre deux gouttes prédéterminées, c'est-à-dire entre
la première et la Ne goutte si l'échantillonneur
compte N positions. En même temps, l'échantillonneur (12) se trouve bloqué jusqu'à la fin du cycle de régulation,
<EMI ID=5.1>
prises en charge jusqu'au début du cycle de régulation suivant. A la sortie du compteur (14) est connecté
un décodeur (16) ayant pour fonction de décoder
la position atteinte par le compteur (14) au moment où il s'arrête, par rapport à une position repère choisie préalablement. Le décodeur produit un signal sur l'une ou l'autre de ses trois sorties, 161, 162
et 163. selon que la position du compteur (14) est
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Celle-ci est représentée au diagramme C de la figure 3 par la largeur du signal de temps de référence TR.
Ces trois sorties commandent des portes d' orientation de l'impulsion de correction représentées dans leur ensemble par le bloc 17, ces portes excitant
à leur tour les relais de commande (81 et 82) afin
de commander la fermeture et l'ouverture de l'étrangleur 7.
Parallèlement à ce décodage de la position atteinte par le compteur (14) le dispositif de régulation doit engendrer la correction. Celle-ci selon l'invention, n'a pas une valeur fixe prédéterminée comme dans les dispositifs antérieurs, mais au contraire elle varie selon l'écart de la position atteinte par
le compteur (14) par rapport à la position repère.
De façon plus précise, l'intensité de la correction est d'autant plus grande que la position atteinte par le compteur (14) s'écarte davantage de la position
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importance de l'effet sur l'étrangleur 7, ce qui
peut se réaliser soit en agissant pendant une durée plus ou moins longue sur le moteur commandant'l'étrangleur si ce moteur est à vitesse constante, soit
en agissant sur la vitesse de rotation du moteur si l'on applique à celui-ci des impulsions de correction de durée fixe. Dans la forme de réalisation particulière décrite, le moteur est supposé à vitesse constante et le dispositif de régulation est agencé en sorte d'engendrer des impulsions de correction
de durée variable, ces impulsions étant d'autant plus longues que l'écart de position du compteur (14)
par rapport à la position repère est grand.
A la fin de l'intervalle d'échantillonnage, c'est-à-dire au moment d'occurrence du front arrière
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essentiellement en un circuit différentiateur, déclenche un générateur d'impulsion de correction (19). Celui-ci est attaqué par un convertisseur numérique/ analogique (20) qui convertit les numéros des positions du compteur (14) en tensions analogiques. Le convertisseur (20), dispositif connu en soi, est agencé en sorte de produire un signal de tension en escalier linéaire double dont le nombre d'échelons est égal
au nombre de positions du compteur (14). Cette tension en escalier est symétrique par rapport à la position repère du compteur (14) avec le niveau maximum correspondant à ladite position repère. Le générateur
(19) est agencé en sorte de produire une impulsion de correction Ic (diagramme E de la figure 3) de longueur proportionnelle au niveau du signal de tension appliqué par le convertisseur (20),c'est-
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(voir figure 3) entre la position atteinte par le compteur (14) au moment où il se trouve arrêté à
la fin de l'intervalle d'échantillonnage et la position repère. A chaque position du compteur (14) correspond ainsi une impulsion de correction de durée déterminée qui se trouve transmise par les portes d'orientation
(17) commandées, comme on l'a vu plus haut, par le décodeur (16). Lorsque la position atteinte par le compteur (14) est inférieure à la position repère,
ce qui correspond au cas où l'intervalle de temps séparant deux gouttes prédéterminées(temps séparant
la première et la Ne goutte) est plus petit que le temps prescrit, les portes (17) reçoivent du décodeur
(16) un signal sur la ligne 161 et excitent le
relais de fermeture 81 de l'étrangleur : celui-ci
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impulsion de correction Ic, puis reste dans sa nouvelle position jusqu'au cycle d'échantillonnage suivant. Lorsque la position atteinte par le compteur (14) est supérieure à la position repère, ce qui correspond
au cas où le temps entre les deux gouttes considérées est plus grand que le temps prescrit, les portes (17) reçoivent du décodeur (16) un signal sur la ligne
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étrangleur. Lorsque le décodeur (16) produit un signal sur la ligne 162, c'est-à-dire dans le cas où le compteur (14) se trouve arrêté à sa position repère, les portes (17) ne sont pas actionnées et l'étrangleur non plus, de sorte que le système de régulation reste en état d'équilibre.
Lorsqu'une correction est effectuée, l'étrangleur prend une nouvelle position et un nouvel intervalle
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une goutte. Mais au début de ce nouvel intervalle, l'état du système se trouve moins éloigné de l'état d'équilibre qu'au début du cycle précédent, l'impulsion de correction étant alors plus courte que la précédente, conformément au principe fondamental de l'invention. C'est ce qu'on peut observer sur le diagramme E de la figure 3 qui montre une deuxième impulsion de <EMI ID=13.1>
Ainsi, les impulsions de correction successives sont donc de plus en plus courtes pour finalement devenir proportionnnelles à l'erreur mesurée pour les états très proches de l'état d'équilibre, c'està-dire pour des erreurs petites. D'une façon plus générale, selon l'invention, la correction appliquée devient de moins en moins intense à mesure que le système se rapproche de son état d'équilibre, ce système étant du type adaptatif. Dans une forme de réalisation particulière, la loi de variation de la correction est exponentielle, la sortie du convertisseur numérique/analogique (20) attaquant un monostable dont la constante de temps est déterminée par la charge d'un condensateur à travers une résistance. La tension aux bornes du condensateur est
alors une fonction exponentielle du temps et elle est fonction du niveau de la tension de commande reçue
du convertisseur, lequel niveau varie d'après la position atteinte par le compteur (14), comme on l'a
vu plus haut. Le taux de variation de la correction par rapport à l'erreur mesurée décroît ainsi exponentiellement à mesure que le système se rapproche du point d'équilibre, de part et d'autre de celui-ci.
Le dispositif de régulation tel que décrit
permet ainsi de maintenir constant un débit, même très lent. Un mode de réalisation a par exemple
permis de régler le débit d'un liquide pour une cadence allant de 1 à 140 gouttes par minute.
Le dispositif de régulation comprend encore une minuterie d'alarme (21) qui avance sous la commande
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à chaque apparition d'une goutte. A cet effet, cette
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intermédiaire de la porte (22). Lorsque l'écoulement cesse, la minuterie produit après un premier laps de temps T1 appelé "temps de première alarme", un signal qui se trouve transmis par la ligne 211 et les portes (17) afin d'exciter le relais d'ouverture (82) de l'étrangleur. Si une goutte apparaît alors, le cycle de régulation reprend normalement. Par contre, si aucune goutte n'est apparue à l'expiration d'un
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alarme", la minuterie (21) transmet sur la ligne 212 un signal qui se trouve appliqué ensuite par les portes (17) au relais de fermeture (81) de l'étrangleur afin de couper le système tandis que la minuterie (21) applique également un signal à un relais (23) dont l'excitation a pour effet d'actionner un dispositif d'alarme (AL) visuel et/ou sonore.
Il est bien entendu que la forme de réalisation spécifique décrite est un exemple nullement limitatif, diverses variantes pouvant aisément être conçues
par l'homme de l'art.
Automatic regulation device
flow of a liquid.
The present invention relates to a device
automatic regulator intended to detect and keep constant the rate of droplet flow
drop of a liquid.
An example of application of the invention is the regulation and control of medical infusions. These consist of the slow injection of the contents of a vial into a patient's body by means of a needle or probe and a device known as
of "infusion kit". This device is shown
in Figure 1. We can see the bottle (1) containing the liquid to be infused, provided with a vent pipe (2). The actual infusion kit is a sterile assembly most often entirely in plastic material consisting of a tube (3) bringing the liquid contained in the bottle into a small chamber (4) called a "drip" in which the liquid drops drop by drop. . A flexible plastic pipe
(5) leads the liquid: to the injection nozzle (6).
The flow rate is adjusted using a choke mechanism (7) so as to obtain in the stilli-
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operator is delicate and awkward, especially at very slow drop rates, which often involve dangerous substances in high doses. In addition, it is frequent that the patient's movements cause the flow to vary appreciably, the flow may even be accidentally interrupted by
an obstruction of the injection probe.
To regulate the flow of the liquid, the infusion kit is associated with a drop detector (9) placed at the level of the drip (4), a choke mechanism (7) controlled by an electric motor (8) in order to throttle plus or minus the flexible pipe (5), and a regulating device (10) measuring the flow error and producing a correction signal which operates the motor controlling the throttle (7).
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rate of an infusion are all intended to produce a correction of predetermined fixed duration. Regulation of this type does not, however, make it possible to ensure a very slow rate with great precision and it requires an adjustment of the duration of the correction for the desired flow rate. In addition, such regulation maintains the slave system in a state of permanent instability.
However, in a regulation system of this kind, which constitutes a controlled system, various parameters are very variable, namely: the fluidity of the liquid, the diameter of the crushed flexible pipe, its thickness.
and its flexibility. The difficulty inherent in correct regulation by squeezing a flexible plastic pipe lies in two very important facts. The first is the correct dosage of the reaction of the system when it is in an out of equilibrium state. If the reaction is too large, the system will overstep its equilibrium position and begin to oscillate on either side of the equilibrium point, and if the reaction is too small, equilibrium will never be reached or will be. reached after a very long time. In the first case, the system is unstable, and in the second, it is imprecise. The second fact is due to physics itself
crushing a plastic pipe. If we call d the distance between the two jaws of the choke and N the number of drops per minute corresponding to this distance for a load and
a given liquid, then for the same pipe at a given temperature, the law N = f (d) is neither linear nor reversible.
The subject of the invention is an adaptive and self-stable electronic regulation device in which the flow correction produced is variable according to the size of the detected error,
which gives the servo-controlled regulation system great stability and high precision.
The invention also relates to an adjustable automatic regulation device to maintain constant a flow rate, even a slow one.
The regulation device according to the invention is characterized by a drop detector suitable for generating an electrical pulse on appearance.
of each drop, a cyclic sampling device having N successive states and responding to the successive pulses of the drop detector, this device being arranged so as to be blocked when it reaches its N state and to produce a signal having an equal duration the duration of the time interval extending between the first and the Ne drop,
a time pulse generator, an error measuring device and a correction device.
The error measuring device, which counts
a number of states greater than the number of states of the sampling device, responds to the simultaneous occurrence of the signal of the sampling device and of the time pulses so as to advance each time by one state from the 'instant of occurrence of the signal; of the sampling device and during the duration of this signal, this error measuring device being arranged so as to produce a signal indicating whether the state in which it stops is lower, equal to or greater than a predetermined benchmark state. The correction device is connected to be actuated at the time of occurrence of the trailing edge of the signal
sampling device and respond to the signal produced. by the error measuring device so as to produce a correction signal intended to actuate the motor of the throttle mechanism in a direction or
in the other depending on whether the state reached by the error measuring device is lower or higher than said reference state.
In a particular embodiment, the correction device produces a correction signal the duration of which is all the longer.
that the state reached by the error measuring device is further removed from said reference state, and in another embodiment it produces a correction whose intensity is proportional
the difference between the state reached by the device
error measurement and said mark state.
An embodiment of the device according to the invention will be described below with reference to the drawings, attached in which:
- Figure 1 schematically shows an infuser associated with a device for controlling the rate of infusion;
FIG. 2 is a general diagram of the automatic regulation device according to the invention;
- Figure 3 shows pulse diagrams illustrating the operation of the device of Figure 2.
The regulation device operates on the basis of the electrical pulses generated by the drop presence detector (9). These pulses, called drop pulses, after rectangular shaping in the shaping circuit (11), are applied to a sampling counter (12).
<EMI ID = 3.1>
a first drop pulse (diagram A in figure 3) which resets the sampling counter
(12) to zero. This counter has as many positions
(N) that one wishes to count successively of drops. The counter (12) is arranged so as to produce an output signal TG on the appearance of the first drop pulse, this signal ending when the counter has counted the desired number of drops, for example two as shown in diagram B of Figure 3. The leading edge of the TG signal is applied to a first input of the entry gate (13) of
an error measurement counter (14). This door
(13) receives at its second input time pulses IH generated by the pulse generator
time (15). The leading edge of the TG signal opens
therefore the gate (13) so that the pulses of
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the sampler (12), the entrance door (13) is
is closed and the counter (14) stops. Her
position then represents the measurement of the time elapsed between two predetermined drops, that is to say between
the first and the Ne drop if the sampler
has N positions. At the same time, the sampler (12) is blocked until the end of the regulation cycle,
<EMI ID = 5.1>
supported until the start of the next regulation cycle. At the output of the counter (14) is connected
a decoder (16) whose function is to decode
the position reached by the counter (14) when it stops, relative to a reference position chosen previously. The decoder produces a signal on one or other of its three outputs, 161, 162
and 163. depending on whether the position of the counter (14) is
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This is represented in diagram C of FIG. 3 by the width of the reference time signal TR.
These three outputs control the correction pulse orientation gates represented as a whole by block 17, these gates energizing.
the control relays (81 and 82) in turn to
to order the closing and opening of the choke 7.
At the same time as this decoding of the position reached by the counter (14), the regulation device must generate the correction. The latter according to the invention does not have a predetermined fixed value as in the prior devices, but on the contrary it varies according to the deviation from the position reached by
the counter (14) relative to the reference position.
More precisely, the intensity of the correction is all the greater as the position reached by the counter (14) deviates further from the position
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magnitude of the effect on choke 7, which
can be achieved either by acting for a longer or shorter period of time on the motor controlling the choke if this motor is at constant speed, or
by acting on the speed of rotation of the motor if correction pulses of fixed duration are applied to it. In the particular embodiment described, the motor is assumed to be at constant speed and the regulating device is arranged so as to generate correction pulses.
of variable duration, these pulses being even longer than the position deviation of the counter (14)
relative to the benchmark position is large.
At the end of the sampling interval, i.e. at the time of occurrence of the trailing edge
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essentially as a differentiator circuit, triggers a correction pulse generator (19). This is driven by a digital / analog converter (20) which converts the position numbers of the counter (14) into analog voltages. The converter (20), a device known per se, is arranged to produce a voltage signal in a double linear staircase, the number of steps of which is equal
to the number of counter positions (14). This stepped voltage is symmetrical with respect to the reference position of the counter (14) with the maximum level corresponding to said reference position. The generator
(19) is arranged so as to produce a correction pulse Ic (diagram E of FIG. 3) of length proportional to the level of the voltage signal applied by the converter (20), i.e.
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(see figure 3) between the position reached by the counter (14) when it is stopped at
the end of the sampling interval and the mark position. Each position of the counter (14) thus corresponds to a correction pulse of determined duration which is transmitted by the orientation gates.
(17) controlled, as we saw above, by the decoder (16). When the position reached by the counter (14) is lower than the reference position,
which corresponds to the case where the time interval separating two predetermined drops (time separating
the first and the Ne drop) is smaller than the prescribed time, the gates (17) receive from the decoder
(16) signal on line 161 and excite the
choke closing relay 81: this one
<EMI ID = 10.1>
correction pulse Ic, then remains in its new position until the next sampling cycle. When the position reached by the counter (14) is greater than the reference position, which corresponds
in the event that the time between the two drops considered is greater than the prescribed time, the gates (17) receive from the decoder (16) a signal on the line
<EMI ID = 11.1>
Strangler. When the decoder (16) produces a signal on line 162, that is to say in the case where the counter (14) is stopped at its reference position, the doors (17) are not actuated and the either choke, so that the regulation system remains in a state of equilibrium.
When a correction is made, the choke assumes a new position and a new interval
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a drop. But at the start of this new interval, the state of the system is less far from the equilibrium state than at the start of the previous cycle, the correction pulse then being shorter than the previous one, in accordance with the fundamental principle of invention. This can be seen in diagram E of figure 3 which shows a second pulse of <EMI ID = 13.1>
Thus, the successive correction pulses are therefore shorter and shorter to finally become proportional to the error measured for states very close to the equilibrium state, that is to say for small errors. More generally, according to the invention, the correction applied becomes less and less intense as the system approaches its equilibrium state, this system being of the adaptive type. In a particular embodiment, the law of variation of the correction is exponential, the output of the digital / analog converter (20) driving a monostable whose time constant is determined by the charge of a capacitor through a resistance. The voltage across the capacitor is
then an exponential function of time and it is a function of the level of the received control voltage
of the converter, which level varies according to the position reached by the counter (14), as we have
seen above. The rate of change of the correction with respect to the measured error thus decreases exponentially as the system approaches the equilibrium point, on either side of it.
The regulation device as described
thus makes it possible to maintain constant a flow, even very slow. One embodiment has for example
allowed to regulate the flow of a liquid for a rate ranging from 1 to 140 drops per minute.
The controller further includes an alarm timer (21) which advances under control.
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at each appearance of a drop. For this purpose, this
<EMI ID = 15.1>
intermediate door (22). When the flow stops, the timer produces after a first period of time T1 called the "first alarm time", a signal which is transmitted by line 211 and the gates (17) in order to energize the opening relay ( 82) of the choke. If a drop then appears, the regulation cycle resumes normally. On the other hand, if no drop appeared at the expiration of a
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alarm ", the timer (21) transmits on line 212 a signal which is then applied by the doors (17) to the closing relay (81) of the choke in order to cut the system while the timer (21) applies also a signal to a relay (23) whose excitation has the effect of activating a visual and / or audible alarm device (AL).
It is understood that the specific embodiment described is a non-limiting example, various variants can easily be designed.
by those skilled in the art.