Upload
others
View
24
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Sciences
l’Ingénieur de
1
BACCALAUREAT GENERAL Session Septembre 2003
Série S Sciences de l’ingénieur
POMPE MEDICALE OPTIMA3
SOM
MAIRE
PRESENTATION DU SYSTEME
durée conseillée : 10 min pour la lecture des pages
PREMIERE PARTIE : GENERATION DU DEBIT
durée conseillée : 50 minutes 5points
DEUXIEME PARTIE : MODIFICATION DE LA COMMANDE DE DEBIT
durée conseillée : 1H 10 minutes 6points
TROISIEME PARTIE : DETECTION D’UNE OCCLUSION
durée conseillée : 55 minutes 4points
QUATRIEME PARTIE : REDUCTION DES NUISANCES SONORES
durée conseillée : 55 minutes 5points
GE
GE
Sciences
l’Ingénieur de
2 PRÉSENTATION DU SYSTÈME Poche de liquide
Pompe
Tubulure souple
La pompe médicale OPTIMA3
est une pompe volumétrique
utilisée en milieu hospitalier.
Elle permet d’assurer la mise
en mouvement des
médicaments et des
nutriments liquides délivrés en
perfusion.
Grâce au clavier, l’infirmière sélectionne le
débit, le volume de liquide à perfuser et
met en marche le système.
Les douze doigts ont alors un mouvement
coordonné qui provoque l’écrasement de
la tubulure et le déplacement du liquide
situé à l’intérieur.
Capteur
de
pression
Guides de tubulure
Tubulure Clavier
Porte Douze
doigts
Sciences
l’Ingénieur de
3
DEUXIEME PARTIE
DETERMINATION DE L’ ORGANIGRAMME DE COMMANDE
Le débit est réglé en fonction des soins. Il est compris entre 1 ml/h et 999 ml/h. L’infirmière dispose actuellement de deux touches + et – situées sur la face avant de la pompe. La modification envisagée consiste à remplacer les deux touches par trois : centaines, dizaines, unités.
Structure de
sélection des
touches
Microcontrôleur
TIMER
Touches de
réglage du débit
100 10 1
Structure de
commande du
moteur
Moteur
Signal
numérique
4
3
3
1
1
Objectif
Élaborer l’organigramme du
programme contenu dans le
microcontrôleur
Sciences
l’Ingénieur de
4
Relation entre la rotation du moteur
et le débit dans la tubulure.
Hypothèses : On suppose que la tubulure est totalement écrasée lorsqu’un doigt est complètement sorti.
Son diamètre intérieur est noté (d).
On supposera qu’un tour d’arbre génère une vague complète sur la tubulure.
sens de circulation du fluide
sens de déplacement des doigts
Tubulure
d=2,7mm
L=56,5mm
Sciences
l’Ingénieur de
5
Question 6. Exprimer et calculer le volume V (en ml) débité pour un tour de l’arbre à excentriques en fonction de d et L (en mm).
Valeurs numériques : d=2,7 mm ; L= 56,5 mm.
Rappel : 1 ml = 10 -3 dm3 d=2,7mm
L=5
6,5
mm
Volume d’un cylindre
Ld
V4
2
Application numérique
342
22
10235,3105,564
107,2dmV soit
mlV 110235,3 mlV 323,0
(2)
(2)
Sciences
l’Ingénieur de
6
Question 7. Exprimer le rapport N arbre excentrique / N moteur (N1/N24)
en fonction de Z5 et Z28
On s’aperçoit que la roue rouge tourne moins vite
que le pignon gris.
La roue et le pignon ont des fréquences de rotation
différentes que l’on nommera :
N1 pour la roue correspondant à l’arbre excentrique
N24 pour le pignon correspondant à l’arbre moteur
Côté arbre moteur : N24 et Z28 =11 dents
Côté arbre excentrique : N1 et Z5 =32 dents 5
28
24
1
Z
Z
N
N
N
N
moteurarbre
eexcentriquarbre
344,032
11
5
28
24
1
Z
Z
N
N
N
N
moteurarbre
eexcentriquarbre
(1)
(1) Remarque : Les arbres tournent dans des sens opposés
Sciences
l’Ingénieur de
7
Question 8. Calculer les vitesses de rotation mini et maxi (Nmini et Nmaxi) du moteur correspondant respectivement à un débit de 1ml/h et 999 ml/h
Un tour d’arbre excentrique génère une vague de 0,323 ml
Si l’arbre excentrique effectue 1 tour par heure (1tr/h), il génèrera une vague
de 0,323 ml par heure (0,323ml/h)
Pour obtenir un débit de 1ml/h, l’arbre
excentrique doit tourner à :
1tr/h 0,323 ml/h
x ?? 1 ml/h
htrx /096,3323,0
1 soit mntrx /0516,0
60
096,3
Or eexcentriquarbremoteurarbre NZ
ZN
28
5
d’où mntrN moteurarbre /15,00516,011
32min
(1)
Sciences
l’Ingénieur de
8
Question 8. Calculer les vitesses de rotation mini et maxi (Nmini et Nmaxi) du moteur correspondant respectivement à un débit de 1ml/h et 999 ml/h
Pour obtenir un débit de 999 ml/h, l’arbre
excentrique doit tourner à :
1tr/h 0,323 ml/h
x ?? 999 ml/h
htr,x /93092323,0
999 soit mntrx /54,51
60
9,3092
d’où mntrN moteurarbre /15054,5111
32max
(1)
Sciences
l’Ingénieur de
9
Fréquence du signal
de commande du moteur
Le moteur est commandé par une structure qui ne fait pas partie de l’étude.
Celle-ci permet de faire tourner le moteur de 1/400ème de tour à chaque
période du signal numérique appliqué sur son entrée.
Générateur d'une
fréquence de base
FB = 1 MHz
TB = 1 s
Pré-diviseur de
fréquence
programmable
par 10, 100 ou
1000
Signal
numérique de
période TB
Diviseur programmable
Variable numérique N
de16 bits Signal
de sortie
de période Ts
Signal
numérique
intermédiaire
de période TI
TIMER
Réglage grossier Réglage fin
Pour les vitesses mini et maxi du moteur on prendra
0,15 tr/min ≤ N moteur < 150 tr/min,
quels que soient les résultats trouvés précédemment .
Sciences
l’Ingénieur de
10
Question 9. Vérifier par le calcul que 1Hz ≤ F < 1000 Hz ; F représentant la fréquence du signal de commande
La vitesse minimum du moteur est de 0,15 tr/mn soit str /0025,060
15,0
Or chaque période du signal provoque 1/400ème de tour du moteur soit 0,0025 tr
Un signal de période 1s permettra une rotation du moteur de 0,0025 tr
Ce signal a donc une fréquence de 1 Hz (1)
Sciences
l’Ingénieur de
11
Question 9. Vérifier par le calcul que 1Hz ≤ F < 1000 Hz ; F représentant la fréquence du signal de commande
La vitesse maximum du moteur est de 150 tr/mn soit str /5,260
150
Or chaque période du signal provoque 1/400ème de tour du moteur soit 0,0025 tr
1période 0,0025 tr
x ?? 2,5 tr Il faudra
0025,0
5,2soit 1000 signaux à
chaque période
Or la fréquence représente le nombre de cycles par seconde, la fréquence
maximum correspond donc à 1000 Hz (1)
Sciences
l’Ingénieur de
12
Question 10. Donner les valeurs minimum et maximum de la période du signal pour Fmax et Fmin.
Pour une fréquence de 1 Hz (Fmini), la période est de
sF
T 11
11
minmax
Pour une fréquence de 1000 Hz (Fmaxi), la période est de
msF
T 11000
11
maxmin
Sciences
l’Ingénieur de
13
Question 11. Justifier par le calcul la ou les valeurs de la pré-division.
FB = 1 MHz
TB = 1 µs
Pré-diviseur
10
Pré-diviseur
100
Pré-diviseur
1000
N=1
N=65536
N=1
N=65536
N=1
N=65536
Fs = 100 KHz
Fs = 1,52Hz
FB = 100 KHz
FB = 10 KHz
FB = 1 KHz
Fs = 10 KHz
Fs = 0,152 Hz
Ts = 10 µs
Ts = 655 ms
Ts = 100 µs
Ts = 6,58 s
Fs = 1 KHz
Ts = 1 ms
Fs = 0,015 Hz
Ts = 65,8 s
Solutions possibles
Tmin = 1 ms
Tmax = 1 s
Valeurs recherchées
Sciences
l’Ingénieur de
14
Question 12. Donner la loi permettant de calculer la valeur de la variable DEBIT.
Le réglage du débit désiré se fait par l’intermédiaire de trois boutons.
Lors de l’appui sur l’un des boutons (centaine, dizaine ou unité), le microcontrôleur
doit mettre à jour une variable interne appelée DEBIT.
Cette variable sert à l’affichage et au réglage de la vitesse du moteur pour contrôler
le débit.
La gestion des boutons se fait grâce à trois autres variables intermédiaires :
B100 pour les centaines, B10 pour les dizaines et B1 pour les unités.
Le programme doit respecter les spécifications suivantes :
- Le microcontrôleur scrute l’état des boutons en permanence. Il commence par le bouton, des centaines et
vérifie l’état de celui-ci (enfoncé ou pas),
-Si le bouton est enfoncé alors la variable B100 est incrémentée, dans le cas contraire elle est inchangée. Pour incrémenter de nouveau, il faut relâcher le bouton et réappuyer.
Sciences
l’Ingénieur de
15
Puis il passe au bouton suivant et recommence la même opération. Arrivé au dernier
bouton (celui des unités), il calcule la variable DEBIT à l’aide des variables B100, B10
et B1.
La modification des différentes variables intermédiaires (B100, B10 et B1) ne se fait
que par incrémentation. Ainsi, le microcontrôleur veille à ce qu’aucune ne dépasse 9
après appui sur l’un des boutons, sinon il la remet à zéro.
Question 12. Donner la loi permettant de calculer la valeur de la variable DEBIT.
DEBIT = 100 x B100 + 10 x B10 + 1 x B1
La forme canonique d’un nombre exprimé en base 10 s’écrit :
Sciences
l’Ingénieur de
16
Question 13. Compléter l’organigramme répondant aux spécifications précédentes.
DEBUT
Sélectionnez bouton centaines
Bouton centaines
appuyé ?
Incrémenter B100
B100 > 9
B100 = 0
Bouton dizaines
appuyé ?
Incrémenter B10
B10 > 9
B10 = 0
FIN
Sélectionnez bouton dizaines
Sélectionnez bouton unités
DEBIT = 100*B100+10*B10+B1
Incrémenter B1
B1 > 9
B1 = 0
Bouton unités
appuyé ?
Sciences
l’Ingénieur de
17
Question 13. Compléter l’organigramme répondant aux spécifications précédentes.
DEBUT
Sélectionnez bouton centaines
Bouton centaines
appuyé ?
Incrémenter B100
B100 > 9
B100 = 0
Bouton dizaines
appuyé ?
Incrémenter B10
B10 > 9
B10 = 0
FIN
Sélectionnez bouton dizaines
Sélectionnez bouton unités
DEBIT = 100*B100+10*B10+B1
Incrémenter B1
B1 > 9
B1 = 0
Bouton unités
appuyé ?
Sciences
l’Ingénieur de
18
Question 13. Compléter l’organigramme répondant aux spécifications précédentes.
DEBUT
Sélectionnez bouton centaines
Bouton centaines
appuyé ?
Incrémenter B100
B100 > 9
B100 = 0
Bouton dizaines
appuyé ?
Incrémenter B10
B10 > 9
B10 = 0
FIN
Sélectionnez bouton dizaines
Sélectionnez bouton unités
DEBIT = 100*B100+10*B10+B1
Incrémenter B1
B1 > 9
B1 = 0
Bouton unités
appuyé ?
Sciences
l’Ingénieur de
19
TROISIEME PARTIE
DÉTECTION D’UNE OCCLUSION
Cette étude a pour objectif d’analyser le système de sécurité assurant la protection
du patient dans le cas d’une occlusion de la tubulure dans la ligne de perfusion.
PORTE
TUBULURE
CAPTEUR
La pompe médicale a pour but d’assurer l’injection
d’un liquide par perfusion à un patient, sans qu’il y ait
besoin d’intervention de la part du personnel médical.
Un des problèmes pouvant survenir en l’absence du
personnel est l’occlusion de la tubulure dans la ligne
de perfusion.
L’occlusion est la fermeture complète du canal de
la tubulure due à un écrasement ou à un pliage
involontaire. Elle peut aussi survenir à cause de la
veine qui se bouche.
Dans tous les cas, le liquide ne peut plus passer. Il est important de pouvoir
détecter cette anomalie puisque dans ce cas la pompe continue à débiter.
Si l’occlusion n’est pas levée, la pression dans le tube augmente dangereusement.
Sciences
l’Ingénieur de
20
La solution retenue a été de placer un capteur
de pression à la suite des doigts, pour que
celui-ci entre en contact avec la tubulure lors de
la fermeture de la porte.
Ainsi au delà d’un seuil de pression détecté
(étalonné en usine), le moteur est stoppé par le
microcontrôleur. Capteur
de
pression
TROISIEME PARTIE
DÉTECTION D’UNE OCCLUSION
Sciences
l’Ingénieur de
21
TROISIEME PARTIE
Principe de fonctionnement du capteur
Lors de la fermeture de la porte, la tubulure se trouve plaquée contre le capteur. La
partie grisée du capteur est réalisée dans un matériau souple où est noyé un fil
électrique.
La déformation de ce fil provoque une variation de sa résistivité, donc de la tension
délivrée par le capteur.
La caractéristique d’entrée/sortie du capteur,
étalonné au montage en usine, est la suivante...
Pression relative
à l'intérieur de la tubulure
(MPa)
S1 en mV (sortie du capteur)
66,7
0,120
Cette courbe donne la tension
délivrée par le capteur en fonction
de la pression relative du liquide
situé dans la tubulure.
PORTE
TUBULURE
CAPTEUR
Un fil électrique
est noyé dans
cette partie
Sciences
l’Ingénieur de
22
Question 14. Identifier la nature de l’information délivrée par le capteur.
v(t)
t
T
signal
(V)
t
5 V
0 V
Signal analogique Signal logique
Seuls les deux états correspondant aux
deux valeurs distinctes — et — sont
représentatifs d’une logique
particulière .
L’information délivrée par le capteur est de nature ANALOGIQUE
L’amplitude de la grandeur porteuse de
l’information peut prendre une infinité
de valeurs dans un intervalle donné.
Exemple
Vent > 20 m.s-1 alors signal = 5V sinon signal=0V
? ?
Sciences
l’Ingénieur de
23
Question 14. Calculer la sensibilité du capteur exprimée en mV/MPa.
La sensibilité vaut...
MPamVP
SS
R
/55612,0
7,661max
Pression relative
à l'intérieur de la tubulure
(MPa)
S1 en mV (sortie du capteur)
66,7
0,120
Sciences
l’Ingénieur de
24
TROISIEME PARTIE
Étude du conditionneur
CAN
Microcontrôleur
PressionCapteur Conditionneur
S1 S2
octet
L’information, délivrée par le capteur, est envoyée au
microcontrôleur qui possède un convertisseur
analogique-numérique (CAN) afin d’y être numérisée.
La précision voulue lors de l’acquisition de l’information
doit rester inférieure à 0,01 MPa pour assurer un
fonctionnement optimal.
Sciences
l’Ingénieur de
25
Question 15. Calculer la valeur du pas de conversion du convertisseur Analogique/Numérique.
Données : Valeur pleine échelle = 5 V
Format de conversion : 8 bits Complément...
Un convertisseur analogique numérique est
un montage transformant une tension
appliquée à son entrée en une suite
ordonnée de 0 et de 1 logiques
apparaissant sur ses sorties.
L’ensemble des sorties du convertisseur
permet de constituer un nombre binaire
(quartet, octet ou autre)
Sciences
l’Ingénieur de
26
Question 15. Calculer la valeur du pas de conversion du convertisseur Analogique/Numérique.
mVq 53,19256
5
2
5
8Le quantum s’exprime par...
Ou résolution
Sciences
l’Ingénieur de
27
Question 16. En déduire la plus petite valeur de pression mesurable par le microcontrôleur. Est-ce acceptable?
Le quantum étant de 19,53 mV, le microcontrôleur peut mesurer...
MPaS
qPR 035,0
556,0
0195,0
La précision voulue lors de l’acquisition de l’information doit rester inférieure à
0,01 MPa pour assurer un fonctionnement optimal.
La plus petite pression mesurable étant de 0,035 MPa, ce n’est donc
pas acceptable
Sciences
l’Ingénieur de
28 Question 17. Donner la fonction que doit assurer le
conditionneur...
pour que la chaîne de mesure respecte la précision.
Complément...
Notion de filtre
Dans le cas du traitement de signaux analogiques, il est parfois
nécessaire d’opérer une sélection en fréquences de ces
signaux (cas des systèmes radiocommandés, variateur de
vitesse des machines électrotechniques, …)
Un filtre est un système électronique qui sélectionne ou élimine en
sortie les signaux d’entrée dont la fréquence est contenue dans
une plage de fréquences appelée bande passante du filtre. Il peut
aussi atténuer ou amplifier les signaux de fréquences
sélectionnées.
Cours de Synthèse
Sciences
l’Ingénieur de
29 Question 17. Donner la fonction que doit assurer le
conditionneur...
pour que la chaîne de mesure respecte la précision.
CAN
Microcontrôleur
PressionCapteur Conditionneur
S1 S2
octet
Le conditionneur doit amplifier le signal issu du capteur
Sciences
l’Ingénieur de
30 Question 18. Calculer la valeur de la caractéristique
S2=f(S1)...
pour obtenir une augmentation de 1V en sortie pour
0,1 MPa d’augmentation de pression.
CAN
Microcontrôleur
PressionCapteur Conditionneur
S1 S2
octetΔS2 = 1V ΔPR = 0,1 MPa
VPSS R 0556,01,0556,01
Soit une amplification de... 180556,0
1
1
2
S
SA
Sciences
l’Ingénieur de
31
Question 19. Identifier l’intervalle de temps correspondant à la phase de fonctionnement normal...
Étude d’un enregistrement...
0
S1 (Tension de sortie
du capteur en mV)
temps
83,3
t1
t0 t3t2 t4
55,6
27,8
Un relevé du signal délivré par le capteur
a été effectué lors d’une occlusion de la
tubulure :
t0 : mise en marche du moteur
t2 : occlusion de la tubulure
t4 : ouverture de la porte par l’infirmière
La phase normale est comprise dans l’intervalle de temps t2 – t1
Sciences
l’Ingénieur de
32 Question 19. Donner la pression relative dans la
tubulure pendant cette phase...
Entre t2 et t1, la tension en sortie du
capteur est de S1=13,9 mV environ
0
S1 (Tension de sortie
du capteur en mV)
temps
83,3
t1
t0 t3t2 t4
55,6
27,8
Soit...
MPaS
SPR 025,0556,0
0139,01
S1 = 13,9 mV
Sciences
l’Ingénieur de
33 Question 20. Expliquer l’évolution du signal entre les
instants t2 et t3...
0
S1 (Tension de sortie
du capteur en mV)
temps
83,3
t1
t0 t3t2 t4
55,6
27,8
La pression augmente dans le tube.
Cette augmentation est due à une
occlusion.
Sciences
l’Ingénieur de
34
Question 21. Identifier la phase durant laquelle le moteur est arrêté et donner la valeur de la pression maxi...
0
S1 (Tension de sortie
du capteur en mV)
temps
83,3
t1
t0 t3t2 t4
55,6
27,8
En t3, le moteur est arrêté car la
pression n’augmente plus.
S1 vaut 69,5 mV
69,5 mV
MPaS
SPR 125,0556,0
0695,01
Sciences
l’Ingénieur de
35
Question 22. A partir de la valeur de la pression maxi, calculer le mot binaire correspondant en sortie du convertisseur...
Lors d’une occlusion, la mise hors tension du moteur est assurée par le microcontrôleur.
CAN
Microcontrôleur
PressionCapteur Conditionneur
S1 S2
octet
PR maxi = 0,125 mV/MPa et S1 maxi = 69,5 mV
d’où S2 maxi = S1 maxi x A soit S2 maxi = 0,0695 V x 18 = 1,25 V
q = 19,5 mV
S2 = 1250 mV
1
N 645,19
1250N soit N = 2
6 = (100 0000)2