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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

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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

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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

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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

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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)

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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

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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)

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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)

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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 .

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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)

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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)

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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

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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

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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.

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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 :

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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 ?

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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 ?

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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 ?

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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.

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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

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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

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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

? ?

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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

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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.

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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)

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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.

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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

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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