FR2463396A1 - Debitmetre massique a emission d'ions negatifs, notamment pneumotachometre perfectionne - Google Patents

Abstract

LA PRESENTE INVENTION EST RELATIVE A UN DEBITMETRE MASSIQUE A EMISSION D'IONS NEGATIFS. CET APPAREIL COMPORTE: 1UNE CATHODE CIRCULAIRE A EMISSION CYLINDRIQUE D'IONS NEGATIFS SUR SON TRANCHANT, LADITE CATHODE ETANT DISPOSEE A L'INTERIEUR ET COAXIALEMENT A UN ENSEMBLE DE DEUX CYLINDRES METALLIQUES ALIGNES A LA SUITE L'UN DE L'AUTRE, L'ECART CIRCONFERENTIEL ENTRE CES DEUX CYLINDRES FORMANT UN DIAPHRAGME CIRCULAIRE QUI IMPOSE LA DENSITE SUPERFICIELLE DES IONS EMIS; ET 2UNE ANODE DOUBLE CONSTITUEE PAR DEUX CYLINDRES COAXIAUX ET EXTERIEURS AUXDITS DEUX CYLINDRES METALLIQUES. APPLICATION AUX PNEUMOTACHOMETRES.

Description

La présente invention concerne un débitmètre massique à émission d'ions négatifs, destiné à la mesure d'un flux gazeux pouvant être, selon les différentes variantes de l'appareil conforme à l'invention, en premier lieu,un débit massique d'air, en fonction du temps, en régime permanent ou bidirectionnel, l'appareil pouvant également servir à la mesure de la vitesse de ce flux d'air; diverses applications peuvent en être faites en mécanique des fluides. En second lieu, le débitmètre selon l'invention peut servir à la mesure de débits massiques de mélanges gazeux, sous la seule réserve que soit maintenu constant le régime d'ionisation ; c'est essentiellement aux gaz à caractère électronégatif que l'invention s'applique alors, ce qui est du reste le cas de la respiration étant donné que la composition du mélange d'air reste sensiblement la même d'une phase à l'autre.

L'invention concerne plus particulièrement un pneumo tachymètre perfectionné devant servir à la mesure du flux gazeux respiratoire, flux dont on cherche à déterminer aussi bien le débit volumique que le débit massique
L'état de la technique est essentiellement caractérisé par une panoplie importante d'appareils d'application courante existant dans le domaine de la métrologie respiratoire. Il est cependant à noter que les résultats obtenus laissent encore beaucoup à désirer quant à leur précision et leur fiabilité.

Certains appareils, tels que le pneumotachographe de
FLEISCH sont basés sur la loi de Poiseuille, laquelle exprime le débit d'un fluide, débit supposé laminaire, permanent et isovolume, à travers la section transversale d'un tube donné, ceci en fonction du rayon de ce tube et de la dépression. C'est ainsi que le débit volumique est donné par la formule
#P
Qv = sR .AP
Cette formule s'applique dans le cas ou le fluide est un gaz et les quantités qui y figurent sont respectivement
R = rayon du tube n = le coefficient de viscosité dynamique du fluide AP =P1-P2, P1 et P2 étant les pressions respectives aux points
d'abscisses X1 et X2 t xl 2 X2
D'autres appareils, connus sous les noms de leurs
Inventeurs (HOCHREIN, de SYLVERMAN, de LILLY) mesurent les variations de la pression de part et d'autre d'un organe dépri mogène, place dans un tube à travers lequel le patient respire.

Dans ce cas, une relation entre le débit et la différence de pression peut être établie, quel que soit le régime d'écoulement.

Mais cette relation n'est pas toujours linéaire. L'organe déprimogene peut être un venturi, un diaphragme ou une grille.

Tous ces appareils doivent nécessairement être associés à une chaine de mesure de pressions.

Ces mêmes appareils mobilisent un volume mort d'air assez important et présentent une perte de charge, volume mort et perte de charge étant variables suivant le principe de construction des appareils en question. Concernant le volume mort, il peut aller, pour les appareils de LILLY et de FLEISCH, de 100 à 200 ml, pour une gamme de mesure de débits allant de 0 à 5 l/s. Par suite de leur masque de linéarité, ces appareils ne sont utilisables que dans des domaines restreints de variation de débit, ce qui exige l'emploi de plusieurs modèles, chacun présentant une gamme de mesure différente. C'est ainsi que la gamme des capteurs FLEISCH prévoit cinq capteurs différents pour une plage de mesure de débits allant de 0 à 20 l/s.

De plus, leurs performances sont liées étroitement à celle de la chaîne de mesure de pressions qui leur est associée, en ce qui concerne, en particulier, les réponses en fréquences.

Les appareils dont il s'agit semblent donc mal adaptés à ltenre- gistrement, de front, de débits de grande amplitude dans les épreuves de TIFFENEAU, lesquelles comprennent une gamme des débits à mesurer s'étendant de O à quelques litres par minute, pour les prématurés et pour certains patients déficients, ladite gamme allant de O à 6 l/s environ (valeur de crête), pour la respiration en cas d'effort ; ladite gamme pourrait s'étendre jusqu'à 18 l/s dans des cas extrêmes.

D'autres appareils, encore, sont basés sur la mesure de la déviation du jet d'air mis en jeu en cours de la respiration, jet d'air dont il s'agit de mesurer le débit et, plus précisément, les variations de ce débit. Mais les caractéristi ques de transfert de tels appareillages n'ont pu être exploitées en régime dynamique, du fait de la distorsion qui se produit autour de l'origine et aucune interprétation significative des données recueillies n'est possible, en raison du fait que les fluctuations de la pression peuvent, en pareil cas, représenter jusqu'à 20 % du signal utile.

Il faut encore mentionner les anémomètres à thermistances, proposés par certains auteurs, la thermistance dont il s'agit étant une thermistance chaude et fonctionnant à température constante. L'appareil corrige automatiquement les variations de la température du gaz à mesurer. On obtient la linéarisation de la courbe caractéristique à l'aide d'un tracé polygonal, avec 10 diodes, la fonction correspondante étant exprimée par un polynôme d'ordre 4 L'emploi d'une paire de thermistances rend possible une mesure en phase. La diminution de pression totale des capteurs reste inférieure à 0,1 mbar pour des diamè tres intérieurs de 15 à 20 mm. L'amplitutde des débits reste cependant limitée à environ 2,5 1/s.

On connaît également le capteur ultrasonore de BECKMANN, appareil qui est un spiromètre à ultrasons utilisant deux céramiques, l'une émettrice, l'autre réceptrice, montées en opposition sur les parois du tube destiné à recevoir l'écoulement du fluide. Ce montage est tel que les céramiques forment avec l'axe du tube un angle qui doit être différent de #/2.

La vitesse moyenne d'écoulement du fluide est proportionnelle à la différence des temps de transit de la pulsation transmise et de la pulsation réfléchie, ainsi qu'au carré de la vitesse de propagation du son dans le fluide. Cette dernière vitesse est variable avec les variations de la densité du gaz en transit et il est nécessaire de prévoir une correction pour obtenir une vitesse indépendante de la nature du gaz, correction réalisée à l'aide d'un micro-processeur.

La plupart de ces appareils ont déjà été commercialisés et sont maintenant bien connus. Certains en sont toutefois restés au stade de la recherche et n'existent que sous la forme de prototypes. Les inconvénients qu'ils présentent peuvent se résumer comme suit - aucun de ces appareils ne mesure effectivement un débit mas
sique, c'est-à-dire un débit indépendant des variations de la
vitesse d'écoulement et prenant en compte la densité du fluide, - en ce qui concerne les organes déprimogènes, leur réponse, en
régime permanent, fonctionnant avec différents gaz,-ne présen
te une linéarité satisfaisante que dans un faible domaine.

Il faut donc prévoir, comme déjà exposé, l'emploi de
plusieurs modèles, chacun pour une gamme particulière, ce qui
entraîne, pour certains d'entre eux, une augmentation exces
sive du volume mort. Qua#nt à la réponse en fréquences, on
sait que de tels appareils introduisent des distorsions d'am
plitude et de phase, distorsions dont l'importance reste aux
environs de 20 Hz, mais s'accroît pour des fréquences supé
rieures. C'est ainsi que pour l'appareil de FLEISCH, le débit
se trouve surestimé d'environ 25 % et le signal que l'on mesu
re est en avance de phase d'environ 30 % sur le débit réel.

- le système à jet d'ions donne une très bonne réponse en fré
quence, ainsi qu'une linéarité allant de 0 à 9 l/s en régime
permanent, ceci pour une bande passante de fréquence de 150 Hz,
avec un volume mort de 36 cm3, pour un-appareil à usage uni
que. Ce système présente cependant l'inconvénient de rester
sensible à la répartition des vitesses du flux gazeux déviant
le jet.

L'appareil qui fait l'objet de la présente invention appartient à la famille utilisant un jet d'ions dont on mesure la déviation. Le Déposant a, du reste, déjà obtenu un Brevet français 2 119 871 du 30 Décembre 1970 pour un appareil de ce genre.

Le débitmètre objet de la présente invention se propose d'apporter un certain nombre de perfectionnements à la technologie antérieurement connue.

C'est un appareil à faisceau ionique pour la mesure du débit volumique et du débit massique d'un flux gazeux et en particulier d'un flux respiratoire, comportant en premier lieu une source à très haute tension, dont la tension est appliquée entre une cathode et un ensemble de deux anodes, le faisceau ionique étant dirigé transversalement à la direction du flux gazeux, ledit appareil comportant en outre un moyen de mesure différentielle du potention des deux anodes, l'appareil en question étant caractérisé en ce que sa cathode est circulaire, à émission cylindrique d'ions négatifs sur son tranchant, ladite cathode étant disposée à l'intérieur et coaxialement à un ensemble de deux cylindres métalliques alignés à la suite l'un de l'autre, l'écart circonférentiel entre ces deux cylindres formant un diaphragme circulaire imposant la densité superficielle des ions émis, l'appareil étant encore caractérisé en ce qu'il comporte une anode double constituée par deux cylindres coaxiaux et extérieurs auxdits deux cylindres métalliques, lesquels, ainsi que ladite anode sont placés longitudinalement d'une manière symétrique par rapport au plan contenant la cathode.

Selon une première caractéristique de l'invention et dans le but d'élargir la plage de linéarité de la caractéristique statique définissant la tension Vs en fonction du débit du gaz, on donne une forme cylindrique à la cellule de mesure et l'on disposé, à l'intérieur, deux surfaces parallèles, de manière à partager le débit gazeux global en trois flux partiels, seul le débit compris entre lesdites deux surfaces provoquant la déviation du jet d'ions.

Selon une autre caractéristique de l'invention, l'émetteur d'ions est constitué par le tranchant d'une cathode de forme générale circulaire, cette émission étant cylindrique et produite par l'effet couronne.

Selon une disposition variante de l'invention, la cathode présente une forme rectiligne dont le tranchant produit, pour un même courant i transporté par le jet, un impact de même largeur, mais présentant l'avantage d'une répartition pratiquement unidimensionnelle du courant.

Il est à noter que l'ionisation obtenue avec une cathode rectiligne tranchante comme celle qui vient d'être mentionnée, permet d'accroître d'environ 6 l/s la plage de linéarité, la constante d'étalonnage étant du même ordre de grandeur. Le régime de saturation, c'est-à-dire la zone où la tension différientielle AVS n'évolue plus, se trouve ici mieux définie, cette zone étant atteinte lorsque la tache ionique EX s'est déplacée longitudinalement d'une longueur égale à la moitié de la longueur de cette même tache en position initiale.

Selon une autre caractéristique de l'invention, il de vient possible de mesurer directement le débit massique et non plus le débit volumique, comme avec les appareils antérieurs.

A cette fin, on réalise une lame circulaire d'ions négatifs, comme déjà exposé,grâce à l'effet de couronne sur le tranchant de la cathode, laquelle présente une forme générale sensiblement circulaire.

Selon une autre caractéristique de l'invention, lesdits deux cylindres métalliques sont portés au même potentiel Vd, moins négatif que celui de la cathode. Le rayon intérieur de ces cylindres est supérieur au rayon de la cathode. Une telle disposition isole le domaine de la couronne ionique (zone d'ionisation dense) du flux gazeux et définit un champ de gradient logarithmique connu, entre les cylindres constituant le diaphragme et les cathodes. L'écartement entre les extrémités se faisant face de ces deux cylindres forme un diaphragme circulaire, et impose ainsi la densité superficielle des ions.

La fente - source d'ions est disposée suivant le plan de séparation des deux demi-anodes cylindriques, isolées l'une par rapport à l'autre.

L'application d'une différence de potentiel entre le diaphragme et les anodes accélère les ions, lesquels se répartissent symétriquement sur chaque anode.

La largeur de la tache ionique est supérieure à celle de la fente-source en raison de la répulsion coulombienne des charges de même signe.

Chacune des deux anodes est reliée à un même potentiel de référence, à l'aide d'une résistance de charge, lesdites deux résistances ayant la même valeur.

Il est possible de montrer que, grâce à ce dispositif, la différez de potentiel telle que AVs, entre les deux anodes reste proportionnelle aux densités d'ions capturés dans chacune d'elles, lorsque le jet dévie, ceci à l'intérieur d'un certain domaine ; cette même-différence de potentiel est nulle si l'air environnant n'est pas en mouvement.

Les données pour l'établissement du calcul de la déviation moyenne du jet ionique AX,en fonction du débit de masse M ,sont explicitées ci-après
Soient
EX : la déviation moyenne du jet ionique
0v : le débit volumique du fluide gazeux s'écoulant entre
les deux cylindres
p : la densité du fluide
rl : le rayon du cylindre-diaphragme
r2 : le rayon du cylindre des anodes
i i : l'intensité du courant ionique
VO : vitesse moyenne des ions sortant de la fente-source
aO : la largeur de cette fente
La vitesse initiale VO des ions est une fonction du courant i ; elle définit un champ moyen dans l'ouverture, Eo, tel que VO = Eo, ou p est la mobilité des ions ; on a = vO=r (i)
Soient encore
r o le rayon d'un cylindre moyen tel que rl < r < r2
e : angle polaire
Ee(r,0): le champ électrostatique, de gradient logarithmique
connu (sauf au voisinage immédiat de la source)
Vd : la valeur absolue de la tension diaphragme
On sait que

: le champ ionisé tenant compte de la charge d'espa
ce
La valeur de ce champ est donné par une expression compliquée, mais on peut l'expliciter par une expression de la forme: E. (r,6) = Ee(r,O).ss)(i)
i e en remarquant que, pour une géométrie de la cellule donnée et un courant i imposé, la fonction q (i) prend une valeur A,
donc E. (r,0) = A. E e (r,0) A = cste
Soient enfin
pO : la densité prise à une température et à une pression
standard et 760 mmHg) la : mobilité ionique (ocC, 760 mmHg)

Formule de Langevin dans laquelle
M est la masse molécu
laire du gaz dans les
conditions de la mesu
re (BOC température
p pression mmHg)
m est- la masse des ions
No est la masse moléculai
re du gaz, prise à O C
et sous 760 mm de mer
cure.

d'où D constante diélectrique Po ~ p0 du milieu
(0,760) p
Au point de coordonnées polaires : r,0 la vitesse de dérivé dans le champ, d'un ion est V
V(r,0 (0 C,p)Y A. Ei(r,0) où A désigne une constante, évaluée par Langevin à 0,104 Soit, au même point, U6) la vitesse d'une tranche gazeuse pendant l'incrément dt, un ion se déplace de
dr dt
dx U(r,) dt d'où l'équation différentielle de la trajectoire
U (r,6) = (r,6) dr
V(r,O)

Le déplacement moyen du jet EX est donc proportionnel au débit-masse.AX=CSte M ainsi que VS C x R.i.p.Q.

Autrement dit, pour une vitesse et une densité constantes, cette variation est également proportionnelle au débit massique et peut servir de grandeur de mesure de ce dernier.

Un amplificateur différentiel à grande impédance d'entrée permet d'amplifier, dans toute la mesure voulue, la ten sion différentielle mesurée.

Lorsque selon l'invention il s'agira de la mesure de forts débits massiques gazeux, cas où o > aO , l'appareil est modifié comme suit afin de prévenir l'instaussation d'un régime de saturation.

L'anode double constituée par deux cylindres coaxiaux est remplacée par un cylindre unique de même longueur et de même diamètre intérieur, ledit cylindre pouvant être constitué en un matériau tel qu'une résine conductrice chargée de carbone.

Deux contacts ohmiques doivent être prévus, un à chaque extrémité de la cellule. Le courant total transporté par la lame d'ions se divise, dans l'élément résistif en deux courants partiels et ce d'une façon telle qu'à l'équilibre ces deux courants soient égaux.

Le système fonctionne à la manière d'un potentiomètre dont le curseur est réalisé par le déplacement de la lame d'ions.

Du point de la mécanique des fluides, le système reste inchangé dans sa géométrie et le calcul du déplacement moyen ax déjà donné reste valable.

La lecture de la différence des deux courants dont il s'agit est assurée à l'aide de deux amplificateurs-convertisseurs courant-tension
La régulation du courant ionique est assurée par une boucle à action intégrale et proportionnelle, dont les paramètres du correcteur sont optimisés.

Outre les dispositions qui précèdent, l'invention comprend encore d'autres dispositions, qui ressortiront de la description qui va suivre.

L'invention sera mieux comprise à l'aide du complément de description qui va suivre, qui se réfère aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale tres schémati
que du débitmètre selon la présente invention - la figure la est une vue en coupe longitudinale très schémati
que de l'appareil selon l'invention, adapté pour être utili
sé à la mesure des grands débits massiques - la figure 2 est une vue en coupe détaillée d'un exemple de
réalisation de cet appareil, lequel est dans ce cas, adapté
pour être utilisé en tant que pneumotachomètre - la figure 3 est un schéma-bloc d'un système de régulation
thermique de l'appareil selon l'invention - la figure 4 est une vue en coupe d'un radiateur de dissipation
de la chaleur d'un des modules thermoélectrique de l'appareil
selon l'invention - la figure 5 est un schéma-bloc d'une alimentation stabilisée
des dispositifs de réfrigération de l'appareil selon l'inven
tion, et - la figure 6 est un dispositif de régulation du courant ionique
de l'appareil selon l'invention.

Il doit être bien entendu, toutefois, que ces dessins et les parties descriptives correspondantes, sont donnés uniquement à titre d'illustration de l'objet de l'invention, dont ils ne constituent en aucune manière une limitation.

On voit en 1, sur la figure 1, la-cathode, de forme générale circulaire selon l'invention. Elle est portée par un axe métallique 2 traversant longitudinalement la cellule. Le tranchant de la cathode d'une forme sensiblement circulaire et repéré par la référence 3, émet les électrons qui se répartissent selon des directions centrifuges, figurées par les flèches F1 et F2. On a désigné par a et B les limites amont et aval du faisceau d'électrons, chacune de ces limites se situant sur l'anode correspondante, respectivement 4 et 5 ; ces deux anodes sont des cylindres coaxiaux avec l'axe 2 et la cathode 1, ainsi qu'avec les deux cylindres 6 et 7, délimitant le diaphragme désigné par c-d et qui forment la fente-source d'ions. Les deux cylindres 6 et 7 sont portés par deux bagues isolantes respectivement 8 et 9, le rayon intérieur des cylindres 6 et 7, c'est-àdire celui des bagues 8 et 9, étant inférieur au rayon de la cathode 1.

On voit ainsi que la cathode 1 et, par conséquent, la fente-source d'ions, sont disposées dans le plan de symétrie de la cellule, plan séparant aussi bien les anodes 4 et 5 que les cylindres métalliques 6 et 7.

On remarquera que la largeur, dans le sens longitudinal de la tache ionique, est supérieure à celle de la fentesource, ceci en raison de la répulsion coulombienne des charges de même signe.

On voit encore les résistances 10 et 11 reliant à la masse respectivement les anodes 4 et 5. On pourra représenter par la flèche la partie du flux gazeux traversant la cellule et comprise entre lesdits cylindres 6 et 7 et les anodes 4 et 5.

Sous l'effet de ce flux, le jet ionique se trouve déporté d'amont en aval, ses traces sur les électrodes 4 et 5 étant alors respectivement désignées par a' et b'.

On voit sur la figure l-a les mêmes éléments consécutifs que sur la figure 1, si ce nCest que les deux anodes 4 et 5 sont remplacées par une anode unique de référence 104, qu'à chacune des extrémités de cette anode on a prévu deux contacts ohmiques respectivement 204 et 205 dont sont issues deux connexions électriques respectivement 304 et 305 correspondant,la première au courant il et la seconde au courant i2, qui sont les composants du courant total i, composants définis comme déjà précisé par i = i.

La longueur totale L de l'anode 104 sera égale à la somme des longueurs des anodes 4 et 5 de la figure 1. Les diamètres intérieurs des anodes des deux figures sont également les mêmes.

Lors d'une mesure, on aura, dans le cas de ce dispositif
Ai = i i, il = i x 2EX
L
D'une manière générale, il conviendra de faire en sorte que la densité du courant d'ions soit maintenue constante, indépendamment des variations des paramètres mécaniques et aussi indépendamment des différentes perturbations auxquelles pourrait être soumis le capteur.

La figure 2 est une vue en coupe d'un exemple de réalisation de l'appareil selon l'invention. On a reproduit en particulier, sur cette coupe, les eléments essentiels de l'appareil, tels que représentés déjà sur la figure 1. La cellule de mesure est tout entière enserrée dans un bloc isolant, en une matière qui peut être de l'"Altuglas", ce bloc étant formé de deux demicoquilles désignées par 12 et 13. Le décrochement du plan du joint de ces deux demi-coquilles (joint non représenté, pour ne pas surcharger la figure) assure un repérage précis des mesures angulaires à effectuer dans un plan transversal à celui de la figure. Deux supports métalliques d'une grande rigidité, désignés par 14 et 15, permettent la fixation de la source d'ions.

On règle la position de la source d'ions par rapport au plan de séparation des deux anodes à l'aide de l'une des extrémités, dament filetée, 16, de l'axe 2. La cellule se termine à chaque extrémité par une pièce carenée, avantageusement en matière isolante, pièce centrée sur les épaulements des bagues supportant le diaphragme. Les deux supports métalliques 14 et 15~em- pruntent un passage formé par une saignée pratiquée suivant une méridienne dans la demi-coquille inférieure 13. Un manche isolant 17, par exemple en résine de polyester, manche blindé intérieurement par un grillage métallique (non représenté) est rapporté sur l'ambase de la coquille intérieure 13, et sert à la préhension de l'ensemble.L'intérieur du manche contient les éléments électroniques de traitement des signaux captés et notamment l'amplificateur différentiel, ainsi d'ailleurs que la partie électrique et électronique de régulation du chauffage de la cellule. Ces divers organes n'ont été représentés que très schématiquement sur le dessin, trois d'entre eux faisant d'ailleurs l'objet des figures 3, 4 et 5 comme il sera exposé ciaprès.

Un masque respiratoire 18 est fixe à l'une des extrémités de l'appareil, sur un embout métallique 19, isolé thermiquement du reste de la cellule. Le masque 18 porte, sur ses faces latérales, des dispositifs de réfrigération dont le rôle est de provoquer la condensation de la vapeur d'eau, expirée sur les parois externes du masque.

n l'extrémité opposée de l'appareil se trouve un embout destiné à symétriser la géométrie de la cellule ; cet embout est amovible.

Afin d'éviter toute déformation de la cellule, il convient d'assurer le chauffage du corps de celle-ci. Mais il faut veiller à maintenir la température de la cellule relativement constante, afin de ne pas perturber les résultats de la mesure.

Le système de régulation, fonctionnant en commutation, est représenté sur la figure 3, à l'aide d'un schéma-bloc.

Une thermistance 20 placée au contact du corps de la cellule, détecte la température de celle-ci. La tension entre la thermistance 20 et la résistance 21 varie avec la température.

A l'entrée de l'amplificateur opérationnel 23, pouvant être du type '4A741, une variation de tension, qui peut être par exemple de 0,3 mV seulement, suffit à faire basculer la tension de sortie, entre ses valeurs extrêmes. Ceci correspond, compte-tenu de la valeur de la thermistance 20 et celle des résistances 21 et 22, à une variation de température d'environ 10 2OC, ceci au voisinage de la température de régulation. On voit donc que la sensibilité de l'appareil est extrême.

La température de régulation est fixée par le potentiomètre 24, lequel impose la tension de référence,disponible à l'entrée de l'amplificateur. Le basculement de la tension de sortie de ce dernier permet le blocage, c'est-à-dire la saturation du transistor 25. Lorsque celui-ci est bloqué, l'alimentation des résistances de chauffage 26 se fait à une tension voisine de celle de la base du transistor 27, tension imposée par les diodes Zener 28, soit, dans l'exemple choisi, 29 V. La température de la cellule augmentant, cela a pour conséquence de provoquer, pour une certaine valeur, la saturation du transistor 25, par l'intermédiaire de l'amplificateur 23. Les diodes Zener sont court-circuitées et le potentiel de la base du transistor 27 se trouve alors être voisin de zéro, empêchant ainsi la conduction du montage Darlington constitué par les transistors 29 et 25. L'inertie thermique de la masse à chauffer assurant une hystérésis suffisante et, d'autre part, le grand gain de l'amplificateur 23, font que le système fonctionne effectivement en commutation. On évite ainsi une dissipation excessive de puissance dans le transistor 29. L'ensemble du système ainsi décrit a été miniaturisé, afin de pouvoir être placé à l'intérieur du manche 17.

La tension aux bornes de la thermistance 20, variant, au plus de quelques degrés centigrades, il en résulte que la température régnant à l'intérieur du cylindre de mesure varie moins encore, à cause des phénomènes de conduction.

C'est ainsi qu'un thermomètre, placé momentanément à l'intérieur de la cellule, a enregistré des variations de 0,50C seulement, de part et d'autre de la température d'équilibre, voisine alors de 450C, la mesure en question étant effectuée pendant une durée d'environ 30 minutes de fonctionnement de l'appareil.

Il convient encore de refroidir l'embout métallique de l'appareil, embout placé entre la cellule de mesure et le masque respiratoire, ledit refroidissement étant nécessaire afin de pouvoir provoquer la condensation, sur les parois du masque d'une partie de la vapeur d'eau. A cette fin, il est fait appel, conformément à l'invention, à l'effet Peltier. Comme connu, cet effet consiste en un échange de chaleur tendant à réchauffer l'une des deux soudures d'un assemblage de lames métalliques différentes, parcourues par un courant électrique, tout en refroidissant l'autre de ces deux soudures. Si la température de l'une de ces soudures est maintenue constante, la température de l'autre sera fonction du courant qui parcourt cet assemblage et, également, de la nature du conducteur.Si les calories qui s'accumulent sur la face chaude de l'assemblage peuvent être évacuées, par exemple à l'aide d'un radiateur, la température de la source froide s'abaissera. La quantité de froid ainsi créée est maximale, si le matériau utilisé entre les deux soudures se trouve être un semi-conducteur.

Il se trouve qu'en raison du rendement frigorifique de cet équipement, la face chaude doit évacuer environ 3 fois plus de chaleur que n'en absorbe la face froide. Il est donc nécessaire de prévoir des radiateurs de dimension convenable.

On a représenté schématiquement sur la figure 4, une vue en coupe de l'ensemble de deux radiateurs 31 et 32, placés de part et d'autre du masque respiratoire 18, à la suite des deux modules thermoélectriques 33 et 34 ; on a représenté, par un trait pointillé, le contour de la cellule de mesure, désignée par la réfcrence générale 30.

Un exemple plus particulier de réalisation consiste à utiliser les thermo-élêments du type P, indice 4, fabriqués par la Société ALCATEL. Leur puissance thermique maximale est d'environ 1,8 watt pour AT = O, alors que le AT maximum correspond à une charge thermique nulle, à 600C. Ces éléments doivent être alimentés sous 0,8 volts, par un courant d'une intensité de 3 ampères, ceci pour obtenir un AT maximal.

Afin de réaliser les conditions optimales de fonctionnement des thermo-éléments, on fait appel, selon l'invention, à un système d'alimentation stabilisée, tel que celui représenté par la figure 5 Un système de limitation de la température, du même type que celui utilisé pour le chauffage et décrit précédemment, interdit à ladite température de descendre en dessous d'une valeur prédéterminée, ceci grâce à une micro-sonde thermométrique 35, enfoncée dans une ouverture pratiquée au niveau de l'embout métallique de l'appareil. En cas d'une baisse trop importante de la température, la résistance de la sonde s'accroît et le transistor 25 devient conducteur, court-circuitant ainsi la diode Zener 37.

A pleine charge et à 50 Hz, la tension résiduelle de l'alimentation doit rester faible, pour éviter les pertes Joule dans les thermo-éléments ; dans exemple choisi, cette tension résiduelle a été ramenée à 5 mV.

On a représenté sur la figure 6, le dispositif de régulation du courant ionique. On voit en 40 le capteur de prise d'information du courant i du jet d'ions. Cette information est transmise à un comparateur 41 dans lequel on fait également entrer l'élément de référence produit en 42. 43 est un régulateur à pararnetres Optimisés d'un type connu dont les indications sont introduites dans le bloc haute tension 44 d'où elles parviennent à la cellule de mesure du débit massique 45 où l'on fait également entrer les données saisies par le capteur 40, qu'il s'agisse de l'appareil à deux anodes ou de celui n'en comportant qu'une seule.

Il résulte de la description qui précède que, quels que soient les modes de réalisation et d'application adoptés, l'on obtient un pneumotachomètre à émission d'ions négatifs pour la mesure AU flux gazeux et respiratoire, qui présente, par rapport aux appareils visant au même but et antérieurement connus, des avantages importants dont certains ont été mentionnés dans ce qui précède, et dont d'autres ressortiront de l'utilisation dudit pneumotachomètre.

Ainsi que cela ressort de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes de réalisation et d'application qui viennent d'être décrits de façon plus explicite ; elle en embrasse,au contraire, toutes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du technicien en la matière, sans s'écarter du cadre, ni de la portée, de la présente invention.

Claims (1)

1. REVENDICATIONS

   10 Débitmètre à faisceau ionique, pour la mesure du débit volumique et du débit massique d'un flux gazeux et, en particulier, d'un flux respiratoire, lequel appareil comporte une source à très haute tension, appliquée entre une cathode et un ensemble de deux anodes, le faisceau ionique étant dirigé transversalement à la direction du flux gazeux, et comporte en outre, un moyen de mesure différentielle du potentiel des deux anodes, ledit appareil étant caractérisé en ce que sa cathode est circulaire, à émission cylindrique d'ions négatifs sur son tranchant, ladite cathode étant disposée à l'intérieur et co- axialement à un ensemble de deux cylindres métalliques alignés à la suite l'un de l'autre, l'écart circonférentiel entre ces deux cylindres formant un diaphragme circulaire qui impose la densité superficielle des ions émis, et en ce qu'il comporte une anode double constituée par deux cylindres coaxiaux et extérieurs auxdits deux cylindres métalliques, lesquels,-ainsi que ladite anode, sont placés longitudinalement, d'une manière symétrique par rapport au plan contenant la cathode.

   2 - Débitmètre selon la Revendication 1, caractérisé en ce que les deux cylindres métalliques ont un rayon supérieur à celui de la cathode, en ce qu'ils sont fixés sur deux supports isolants et portés à un même potentiel négatif, dont la valeur absolue est inférieure au potentiel négatif de la cathode, et en ce que chacune desdites anodes est reliée à un potentiel de référence, le même pour les deux, ceci à l'aide d'une résistance, les valeurs desdites deux résistances étant égales.

   3 - Débitmètre selon l'une quelconque des Revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il est contenu dans un bloc ioulant comportant un alésage approprié et à l'intérieur duquel sont positionnés les différents organes de l'appareil et en particulier les deux anodes cylindriques susdites, ledit bloc étant formé par deux coquilles assemblées entre elles suivant un plan diamétral longitudinal, le décrochement constitué par ce plan assurant le repérage précis de l'appareil pour des mesures effectuées dans un plan transversal de ce dernier.

   40- Débitmètre selon l'une quelconque des Revendications 1 à 3, caractérisé en ce que deux supports métalliques rigides servent à fixer l'ensemble constitué par la cathode, les diaphragmes et les autres éléments formant la fente-source d'ions.

   50- Débitmètre selon l'une quelconque des Revendications 1 à 4, caractérisé en ce que sa cathode est fixée coaxialement sur un axe métallique dont un embout fileté permet d'obtenir, par rotation, le zéro mécanique de la source d'ions.

   60- Débitmètre selon l'une quelconque des Revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les deux supports en matériau isolant des cylindres métalliques présentent la forme de bagues et se terminent chacun par une pièce carénée, coaxiale, également en matière isolante.

   70- Débitmètre selon l'une quelconque des Revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'ensemble de l'appareil est supporté par un manche en matériau isolant, blindé intérieurement et contenant les éléments autres que la cellule de mesure proprement dite.

   80- Débitmètre selon l'une quelconque des Revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le corps de l'appareil est chauffé par un ensemble de fils résistants noyés dans la masse et alimentés en courant continu.

   90- Débitmètre selon l'une quelconque des Revendications 1 à 8, caractérisé en ce que, dans sa version en pneumotachomètre, il reçoit à l'une de ses extrémités, un masque respiratoire monté sur un embout métallique, lequel est isolé thermiquement du reste de l'appareil.

   100 Débitmètre selon la Revendication 9, caractérisé en ce qu'a son extrémité opposée au masque, l'appareil comporte un embout amovible permettant de symétriser la géométrie de la cellule.

   110- Débitmètre selon l'une quelconque des Revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte deux modules thermo-électriques, portés, dans la version pneumotachomètre de l'appareil, par le masque respiratoire, les calories produites par ces modules étant évacuées à l'aide de radiateurs appropriés.

   120- Débitmètre selon l'une quelconque des Revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte une thermistance, au contact du corps de l'appareil dont il détecte la température, transmettant cette information à un amplificateur opérationnel, dAment polarisé par rapport à une tension de référence, ladite information étant ensuite transmise à deux diodes Zener, puis à deux transistors, sous la dépendance desquels sont placées les résistances de chauffage de l'appareil.

   13 - Débitmètre selon l'une quelconque des Revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'une micro-sonde thermométrique est disposée dans un perçage approprié pratiqué, dans la version pneumotachomètre de lBappareilv au niveau de l'embout métallique supportant le masque respiratoire, ladite microsonde étant destinée à rendre conducteur l'un des deux transis tors prévus à cet effet, ce qui court-circuite une diode Zener, limitant ainsi l'abaissement de température de l'appareil à une valeur-plancher prédéterminée.

   140 Débitmètre selon l'une quelconque des Revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de régulation du courant ionique comportant un capteur de prise d'information fournissant l'intensité dudit courant et transmettant cette information à un comparateur dans lequel on fait également entrer un élément de référence, la sortie du comparateur étant introduite dans un régulateur à paramètres optimisés d'un type connu, puis, à la sortie de ce régulateur dans le bloc haute tension d'alimentation du débitmètre et enfin dans la cellule de mesure du débit massique.