FR2514130A1 - Detecteur de debit et de niveau de fluide a ultrasons - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN DETECTEUR DESTINE A LA MESURE DES DEBITS ET DES NIVEAUX DE FLUIDES. ELLE SE RAPPORTE A UN DETECTEUR DANS LEQUEL UN TRANSDUCTEUR ULTRASONORE 16 TRANSMET UN SIGNAL VERS LA SURFACE 14 DU LIQUIDE ET RECOIT UN ECHO. UN CIRCUIT ELECTRONIQUE DETERMINE LE TEMPS COMPRIS ENTRE L'EMISSION ET LA RECEPTION ET, D'APRES LA NATURE DU FLUIDE, LE NIVEAU DU LIQUIDE DANS LE TUBE 12. LE SIGNAL OBTENU PERMET LA COMMANDE D'UN APPAREILLAGE EXTERIEUR 58 QUI ASSERVIT LE NIVEAU 14 DU LIQUIDE. APPLICATION A LA MESURE DU NIVEAU DE LIQUIDE DANS UN APPAREIL D'HEMODIALYSE.

Description

La présente invention concerne les ensembles capteurs et détecteurs et

plus précisément, un détecteur de débi-t de fluide destiné à-Etre utilisé pour le contrôle

et la commande d'un fluide.

Dans de nombreuses opérations différentes, le con-

trôle et la commande des fluides sont essentiels Par -exem-

ple, ils sont nécessaires dans des processus industriels com-

me dans des processus médicaux Le traitement extra-corporel du sang, par exemple, est réalisé dans des reins artificiels et nécessite un contrôle précis des conditions de traitement du sang Parmi les conditions contrôlées, par exemple, on doit citer le débit de sang et le débit de dialysat Une autre condition contrôlée dans un tel traitement est le niveau

de sang dans un appareil éliminateur de bulles.

Il faut noter que, bien que l'appareil décrit

dans le présent mémoire soit utilisé pour le traitement extra-

corporel du sang, il peut aussi être utilisé pour le contrôle

d'un courant de liquide dans des processus industriels.

Des appareils connus pour le contrôle de diffé-

rentes fonctions des fluides dans le domaine médical, par exemple le contrôle d'un débit de fluide ou d'un niveau de

fluide tel que le sang, mettent en oeuvre de l'énergie acous-

tique Dans ces appareils, l'énergie acoustique est transmise

d'un côté d'un tube ou d'un cylindre et elle est reçue de l'au-

tre côté La transmission par l'air et la transmission par le fluide ont des caractéristiques différentes si bien que -le contrôle peut déterminer le moment o le niveau du fluide se trouve à une hauteur telle qu'il commence à interférer

avec la transmission des ondes acoustiques ou il cesse d'inter-

férer avec cette transmission.

D'autre part, on mesure souvent les débits à l'ai.

de d'arrangements par venturi dans lesquels on mesure des-dif-

férences de pression Le contact du liquide réel est évité à l'aide de dispositifs à membrane qui séparent le fluide dont on mesure le débit des parties de mesure de l'instrument Les dispositifs connus laissent cependant à désirer quant à leur précision, compte tenu du coÈt de l'appareil et en général

dans leur aptitude à faire la distinction entre de petites dif-

férences de mesure.

Comme la mesure des caractéristiques du fluide est souvent primordiale et en fait, peut Utre déterminante pour la survie ou le décès d'un patient, il est extrêmement important que des caractéristiques telles que le débit de sang et/ou le niveau du sang dans un tube d'élimination de bulles

puissent être mesurés de façon convenable.

Ainsi, l'invention concerne un détecteur perfec-

tionné destiné à la mesure dés caractéristiques des fluides,

surtout lorsqu'il est important que des parties conteuses d'ap-

pareils de mesure, qui subissent une corrosion, soient séparées

physiquement du fluide réel, les inconvénients indiqués pré-

cédemment étant pratiquement supprimés ou au moins notablement

réduits.

Plus précisément, l'invention concerneun détecteur destiné à la mesure et à la commande d'un fluide, comprenant

un dispositif de transmission d'un signal ultra-

sonore, un dispositif récepteur d'un écho, et un dispositif de mesure du temps séparant la transmission du signal ultrasonore de la réception du signal d'écho afin que la distance parcourue par le signai puisse

être déterminée.

L'invention concerne aussi un dispositif qui, lorsque la distance mesurée se trouve endehors d'une certaine plage, fait -varier la distance de manière que celle-ci prenne

une valeur limite comprise dans une plage déterminée.

L'invention met aussi en oeuvre le détecteur pour le maintien du niveau de sang dans un dispositif d'élimination

de bulles, entre des limites particulières déterminées.

L'invention concerne aussi la mise en oeuvre du signal du détecteur pour la commande d'une pompe destinée à ajouter ou éliminer de l'air dans le fluide d'élimination de

bulles afin que le niveau du sang y monte ou descende.

L'invention concerne aussi l'utilisation du dé-

tecteur pour la connaissance du fait que le sang qui se trouve dans un tube d'un appareil de traitement extra-corporel du sang 4130

est tombé au-dessous d'une valeur minimale, l'appareil trans-

mettant alors des solutions salines dans le sang afin que le

niveau monte à nouveau.

L'invention concerné aussi la mise en oeuvre d'un dispositif émetteurrécepteur d 'ultrasons destiné à détermi- ner la position d'un corps qui exerce une tralnée et qui est placé dans un tube vertical de circulation de fluide,, si bien qu'il permet la détermination du débit de fluide dans le tube.

L'invention concerne aussi la commande d'une pom-

pe en fonction de mesures de débit afin qu'urn débit-reste com-

pris entre des limites déterminées.

D'autres caractéristiques et avantages de l'in-

vention seront mieux compris à la lecture de la description

qui va suivre d'exemples de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un diagramme synoptique simplifié

d'un circuit électronique détecteur et de commande de l'appa-

reil selon l'invention la figure 2 est un diagramme synoptique d'un appareil asservi utilisé pour la commande d'une pompe d'air destinée à maintenir un niveau dans une plage voulue dans un dispositif éliminateur de bulles; et la figure 3 est un schéma représentant un circuit en boucle fermé utilisé pour le réglage du débit du fluide par commande d'une pompe utilisée pour la transmission du

fluide dans l'appareil de traitement -

La figure 1 représente l'appareil détecteur-11.

Celui-ci comprend un tube 12 dans lequel une distance doit être mesurée Dans l'exemple considéré, il s'agit de la distance

D comprise entre le fond 13 d'un tube et le niveau 14 du li-

quide dans ce tube Un dispositif est destiné à émettre un signal, de préférence acoustique ou ultrasonore, dans le liquide

Plus précisément, un transducteur 16, par exemple piézo-électri-

que, est représenté fixé -au fond 13 du tube 12 Le transducteur

16 reçoit aussi le signal renvoyé par la surface dont la distan-

ce doit être mesurée Dans l'exemple considéré, la distance

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mesurée est celle de la surface 14 qui réfléchit les vibra-

tions acoustiques.

L'appareil émetteur comprend un générateur 18 de signaux destiné à former un signal ayant une fréquence de sortie et destiné à être émis sous forme d'impulsions Une porte 19 empêche l'émission du signal du générateur jusqu'à

ce qu'elle soit préparée La porte 19 est reliée au généra-

teur par un conducteur 21 Un amplificateur 22 de pilotage

transmet le signal de la porte au transducteur 16.

Un oscillateur 23 à une fréquence de salve

transmet un signal de préparation à la porte 19 Plus précisé-

ment, cet oscillateur est commandé par un signal de mise en route SS provenant de la commande du commutateur de mise en route placé -sur le panneau de commande de la machine Ce signal SS est transmis par un conducteur 25 et il commande

l'oscillateur 23 Le signal de sortie de ce dernier est trans-

mis par un conducteur 26 à un circuit monostable 24 de synchro-

nisation L

Le signal de sortie du circuit 24 a deux fonc-

tions, la première étant-le déclenchement du fonctionnement de l'oscillateur 18 à fréquence ultrasonore A la suite de la

commande du générateur 18, un signal est transmis par le con-

ducteur 21 à la porte 19 La seconde fonction est l'inhibition

du fonctionnement du circuit récepteur.

En même temps que le signal de sortie du circuit monostable 24 est transmis par le conducteur 27, il est aussi transmis par un conducteur 28 à un autre circuit monostable 29 Il s'agit d'un circuit de commande de préparation de-la porte

qui fonctionne lorsqu'il reçoit le signal du conducteur 28.

Le circuit monostable 29 transmet un signal au conducteur 31 qui prépare la porte 19 et transmet ainsi un signal à fréquence ultrasonore au conducteur 32 vers l'amplificateur 22 Le signal amplifié de ce dernier transmis par le conducteur 33-commande le transducteur 7 qui transmet un signal ultrasonore dans le

fluide qui se* trouve dans le tube 12.

Un dispositif est destiné à mesurer la hauteur ou le niveau de la surface du fluide comme indiqué par la référence

14 sur la figure 1, à la suite de la réception d'un écho pro-

venant de cette surface 14, à l'endroit o le fluide et la

partie-gazeuse du contenu du tube 12 forment une interface.

Plus précisément, un dispositif assure l'amplificat un du si-

gnal reçu par le transducteur 16 Comme l'indique la figure 1, ce transducteur 16 est couplé à un premier et un second étages amplificateurs 34, 35, par un conducteur 36 qui est

relié au transducteur 16 par le conducteur 33.

Le fonctionnement des amplificateurs représentés

est inhibé par un signal provenant d'un circuit monostable 37.

Celui-ci est commandé par un signal du transducteur 31, trans-

mis par le conducteur 38 Le signal de sortie du circuit mono-

stable parvient aux deux amplificateurs récepteurs par un con-

ducteur 39 et des conducteurs 41 et 42 Il faut noter que l'amplificateur 34 du premier étage est représenté avec une résistance variable 43 de réaction qui règle le gain Les amplificateurs sont normalement commandés en l'absence du

signal d'inhibition.

Un dispositif est destiné à sélectionner les si-

gnaux d'écho par détermination, entre autres choses, de la

fréquence de l'écho supposé par réception sélective de si-

gnaux à la fréquence des ultrasons émis Plus précisément, un circuit mélangeur 44, schématiquement représenté, est relié à un circuit 46 de filtrage des signaux reçus à la fréquence d'émission Le signal de sortie du mélangeur est amplifié dans un amplificateur 47 Celui-ci est un amplificateur vidéo ou un amplificateur à large bande Le signal de sortie de

l'amplificateur 47 est transmis à un amplificateur 48 de-rap-

port d'impulsions utilisé pour la détermination du rapport de l'impulsion à la longueur totale d'impulsion afin qu'il

détermine que le signal convenable est en cours de détection.

Ainsi, le circuit 48 joue le rôle d'un détecteur du signal d'écho. Des déterminations supplémentaires certifient la réception du signal convenable d'écho Plus précisément, un

circuit 51 détecteur de seuil est monté à la sortie du détec-

teur 48 Il ne transmet un signal que lorsqu'il reçoit un signal dépassant un certain niveau de seuil Lorsque le signal dépasse ce niveau, le signal de sortie du circuit détecteur

51 est transmis à un circuit discriminateur de largeur d'im-

pulsion 52, indiquant que l'écho est bien reçu et qu'il ne s'agit pas de bruit. Le signal de sortie du discriminateur 52 est alors utilisé pour la commande d'un circuit de comptage 53 ou d'un circuit de mesure d'un intervalle de temps Ce circuit de comptage commence à compter lorsqu'il reçoit le signal de

sortie du circuit monostable 24, par l'intermédiaire du con-

ducteur 28 Le signal de sortie du conducteur 28 est transmis à ce circuit 53 par un conducteur 54 Le signal de sortie du compteur est alors affiché sur un dispositif 56 Le signal de sortie du compteur, transmis par le conducteur 57 peut aussi être utilisé pour la commande de commutateurs et d'un circuit convenable 58 le cas échéant Ainsi, lorsqu'un signal à une fréquence ultrasonore est émis par le transducteur 16 et lorsqu'un écho est reçu à partir d'un dispositif placé dans

le liquide ou provenant de la surface du liquide 14, une dé-

termination est effectuée d'après le temps nécessaire à la réception de l'écho après l'émission du signal Le circuit

d'affichage transforme ce nombre en une distance La distan-

ce est ensuite transformée en un niveau indiqué dans l'unité voulue Ainsi, le contrôle constant du niveau de liquide est

assuré automatiquement à l'aide du signal ultrasonore.

Un dispositif est destiné à arrêter le comptage

par le compteur 53 Plus précisément, à la suite de la dé-

tection, par le circuit 48, d'un écho ayant une largeur-conve-

nable d'impulsion, un amplificateur 49 amplifie le signal du détecteur et le transmet aux deux amplificateurs 34 et 35 afin qu'ils réduisent le gain de ceux-ci et empêchent ainsi la réception d'impulsions supplémentaires Ainsi, à la suite

du signal de mise en route et du signal émis par-le transduc-

teur, le compteur cesse de compter après la réception par le détecteur 48 d'un signal déterminé comme étant un écho Ainsi, le nombre obtenu représente le temps nécessaire pour que le signal émis par le transducteur 16 'revienne sous forme d'un

écho jusqu'à celui-ci.

Les figures 2 et 3 montrent comment le signal de sortie, transmis par le conducteur 57 est utilisé pour la

commande soit du niveau d'un fluide dans un dispositif élimi-

nateur de bulles, soit du débit de fluide dans'un rein arti- ficiel. Sur la figure 2, le tube 12 désigne un circuit éliminateur ou détecteur de bulles et il est représenté encore avec le transducteur 16 qui lui est fixé Ce transducteur 16

renvoie le signal d'écho vers l'appareillage électronique re-

présenté sur la figure 1 Cet appareillage est repéré par la référence 61 sur cette figure, Le signal de sortie du circuit

61, transmis par le conducteur 57, commande le circuit 58 -

qui forme un signal proportionnel à la distance D Le signal

de sortie de ce circuit 58 parvient à l'entrée d'un compara-

teur 62 par un conducteur 63 L'autre entrée du comparateur

reçoit un signal de consigne Le signal de sortie du compara-

teur est ainsi la différence entre les signaux à ses entrées.

Cette différence est transmise par un amplificateur 66 d'as-

servissement relié par un conducteur 64 Le signal de sortie de l'amplificateur 66 est utilisé pour la commande du moteur 67 qui entra Ine le rotor d'une pompe péristaltique rotative d'air repérée par la référence 68 Cette dernière tourne dans un sens tel qu'elle retire l'air du tube 12 et réduise la contr pression de l'air, si bien qu'elle permet la montée du niveau du fluide 14 (du sang par exemple) alors que, lorsque le niveau est trop élevé, des mesures convenables sont prises telles que la rotation de la pompe en sens inverse afin que de l'air

soit chassé dans le tube 12 et abaisse le niveau de sang.

La figure 3 est un exemple d'appareil utilisé

pour la détermination du débit de fluide, par exemple de dialy-

sat dans un rein artificiel La surface 71 qui renvoie l'écho est la surface d'un flotteur lesté ou d'un corps 72 présentant une traînée Ce flotteur lesté 72 est entraîné par un courant dé fluide circulant dans un tube 73 d'entrée, dans un passage conique 74 et dans un tube de sortie 76 qui rejoint une pompe rotative ou péristaltique 77 de sang La pompe péristaltique a des galets tels que 78 qui chassent le liquide du tube

76 lorsqu'ils sont entraînés par le moteur 81 de la pompe.

Sur la figure 3, le signal de sortie du trans-

ducteur 16 est transmis à un circuit électrique 79 qui compor-

te un comparateur et un amplificateur d'asservissement \, Le signal de sortie de cet amplificateur est transmis par un conducteur 70 de manière qu'il règle la vitesse du moteur de la pompe et permette l'obtention du débit de consigne de fluide Ainsi, l'appareil maintient le débit entre des limites

prédéterminées.

Lors du fonctionnement, les caractéristiques du fluide telles que son débit et/ou son niveau sont mesurées avec précision, d'une manière répétitive et avec une grande fiabilité par détermination du temps nécessaire à la réception de l'écho d'un signal émis La distance est égal au temps pultiplié par la vitesse du sang dans le liquide contrôlé

et divisé par deux.

Bien entendu, diverses modifications peuvent

être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs qui vien-

nent d'être décrits uniquement- titre d'exemples non limita-

tifs, sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1 Détecteur destiné à la mesure et au réglage d'un fluide, caractérisé en ce qu'il comprend un émetteur ultrasonore ( 16), un récepteur d'un signal d'écho ( 16) et un dispositif de mesure du temps compris entre l'émission du signal ultrasonore et la réception du signal

d'écho afin que la distance parcourue par le signal soit dé-

terminée.

2 Détecteur selon la revendication 1, caracté-

risé en ce qu'il comprend un dispositif ( 58) commandé par le

fait que la différence de temps se trouve en dehors d'une pla-

ge déterminée et destinée à faire varier la distance afin que

celle-ci prenne une valeur comprise dans cette plage détermi-

née.

3 Détecteur selon la revendication 1, caractéri-

sé en ce que le signal est transmis à une surface ( 71) d'un cor

( 72) exercant une tralnée et l'écho est reçu depuis cette sur-

face, le corps se déplaçant dans le liquide en fonction du

débit de celui-ci.

4 Détecteur selon la revendication 1, caractéri-

sé en ce que le dispositif de mesure du temps compris entre l'émission du signal ultrasonore et la réception du signal d'écho comporte un compteur ( 53), un dispositif ( 24) commandé par l'émission du signal ultrasonore et destiné à déclencher le fonctionnement du compteur, et un dispositif ( 48) commandé par la réception du signal d'écho et destiné à interrompre le fonctionnement du compteur, si bien que le nombre du comptet

est représentatif de la distance parcourue par le signal.

5 Détecteur selon la revendication 4, caractéri.

en ce que le dispositif destiné à interrompre le fonctionnement

du compteur comporte un amplificateur ( 48) de rapport d'im-

pulsions destiné à déterminer les caractéristiques du signal émis afin qu'il-détermine la réception d'un signal réel d'échi et un dispositif ( 49) commandé par la réception du signal réel d'écho et destiné à empocher 1-a réception d'autres échos par 1

circuit récepteur, si bien que le comptage est alors terminé.

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6 Détecteur selon la revendication 1, caracté-

risé en ce que l'émetteur ultrasonore et le récepteur d'écho sont formés par un seul transducteur ( 16) qui-peut émettre un signal ultrasonore lorsqu'il reçoit un signal électrique d'entrée à une fréquence ultrasonore, et un dispositif com- mandé par la réception des signaux ultrasonores et destinés

à transformer ces signaux de pression en signaux électriques.

7 Détecteur selon la revendication 1, caracté-

risé en ce que l'émetteur ultrasonore ( 16) émet des signaux vers une surface ( 14) d'un liquide placé dans un tube ( 12), à l'interface du liquide et d'un gaz, et l'écho est renvoyé par l'interface vers le transducteur, si bien que ce dernier

et l'interface détermine la distance parcourue par les signaux.

8 Détecteur selon la revendication 7, caractéri-

s B en ce qu'il comprend un dispositif ( 62) de comparaison de

la distance déterminée à une distance de consigne, et un dis-

positif ( 66) sensible aux différences entre la distance dé-

terminée et la distance de consigne et destiné à commander un appareillage destiné à rapprocher la distance déterminée de

la distance de consigne.

9 Détecteur selon la revendication 8, caracté-

risé en ce que l'appareillage commandé de manière que la dis-

tance déterminée se rapproche de la distance de consigne, -

comporte une pompe ( 68, 77) destinée à pomper de l'air dans

le tube ou hors du tube.

Détecteur selon la revendication 9, caracté-

risé en ce que la pompe ( 77) est utilisée pour la variation

du débit de liquide.