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,
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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.