I Présentation de l objet technique «Pompe à perfusion»

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1 I Présentation de l objet technique «Pompe à perfusion» Au cours des soins apportés aux patients, il s avère souvent nécessaire de les alimenter par voie intra-veineuse. Il est donc nécessaire que les solutés nutritifs soient injectés de manière très précise avec un débit juste, constant et reproductible sur des périodes de temps étalées. L introduction directe, dans le sang, de solutés nutritifs doit être effectuée en vérifiant qu aucune bulle d air n est présente dans la tubulure. En effet cela peut entraîner des conséquences médicales graves pour le patient. Le goutte à goutte ne peut garantir cette précision. En effet, la hauteur du bras et la pression veineuse étant susceptible de varier, le débit ne peut être suffisamment constant pour ce genre de produits. D autre part, le faible débit peut entraîner l obturation du cathéter si la pression d injection n est pas suffisante. Il apparaît donc nécessaire d utiliser un appareil qui réponde à l ensemble de ces besoins. La pompe à perfusion répond à ces exigences. Montage classique d alimentation parentale : G BERTHOME Page 1/12

2 II Analyse du fonctionnement du détecteur de bulle d air Lors de la perfusion d un liquide, aucune bulle d air ne doit être injectée dans le sang. Le dispositif détecte toute bulle d air d un volume supérieur ou égal à 0.1 ml présente dans la tubulure dans laquelle circule le liquide à perfuser. Cette détection se manifeste par le déclenchement d une alarme sonore, l allumage d un voyant lumineux et l arrêt de la perfusion afin d éviter des conséquences médicales graves pour le patient. La durée de déplacement de la bulle d air à travers une fenêtre est liée au volume de cette bulle d air. Si lors de la présence de la bulle d air on compte un nombre de transition suffisante alors l alarme est déclenchée. Il.1 Schéma fonctionnel du détecteur de bulle d air Soluté nutritif A9 Débit du soluté A6 Détection de la présence d une bulle d air J Autorisation du déclenchement des alarmes N Mise en service des alarmes S3 F1 F2 F3 B6 S1 Soluté nutritif C3 Réarmement Il.2 Définition des entrées/sorties F1 : «détection de la présence d une bulle d air» Entrée : Sorties: A9: soluté nutritif circulant dans la tubulure S1: soluté nutritif ne présentant pas de bulle d air dangereuse pour le patient. J : différence de potentiel informant à la fonction F2 de la présence ou non d une bulle d air si la différence de potentiel est égale à 5V : présence d une bulle d air. si la différence de potentiel est égale à 0V : pas de bulle d air. G BERTHOME Page 2/12

3 F2 : Autorisation du déclenchement des alarmes Entrées : A6: différence de potentiel dont la fréquence est significative du débit. C3 : différence de potentiel qui permet une remise à zéro. La remise à zéro sera effective lors d une transition bas-haut. Sortie: J : déjà caractérisée. N: différence de potentiel permettant la commande du déclenchement des alarmes si la bulle d air a un volume supérieur à 0.1 ml. F3 : Mise en service des alarmes Entrées : Sorties: N : déjà caractérisée C3: déjà caractérisée S3 : information visuelle de la présence d une bulle d air dans la tubulure par allumage d une LED. B6 : différence de potentiel permettant de déclencher le buzzer et stopper la perfusion en cours lors de la détection d une bulle d air. G BERTHOME Page 3/12

4 Il.3 Schéma structurel du détecteur de bulle d air G BERTHOME Page 4/12

5 III Etude de F1 : «Détection de la présence d une bulle d air» 1 ) Fonctionnement des optocoupleurs Les optocoupleurs K1 et K2 sont référencés OPB660, la documentation est fournie. En absence de bulles d air dans le liquide injecté, le constructeur a réglé les potentiomètres P 20 et P 21 de telle sorte que : U AM =U BM =4V Une bulle d air étant moins opaque que le liquide nutritif injecté, la présence de celleci a pour conséquence de provoquer la saturation des optocoupleurs K 1 ou K 2. On donne les caractéristiques techniques de l optocoupleur OPB660N suivantes : -taux de transfert τ= Ic =6%, If -tension de seuil de la diode V F =1.3V, -tension de saturation du phototransistor : 0.4V. Question1 Donner les deux fonctions que peut remplir un optocoupleur (d une manière générale). Question2 Quelle est la fonction réalisée par cet optocoupleur? (dans le cadre du système détecteur de bulle d air) Justifier votre réponse. G BERTHOME Page 5/12

6 Question3 Donner les valeurs de U AM et U BM lorsqu une bulle d air est détectée. Justifier votre réponse en dessinant le schéma équivalent du phototransistor de l optocoupleur et des composants du montage. Question4 Déterminer la valeur de la résistance R 26 afin d obtenir un courant I F =15mA (I F courant circulant dans les LEDs des optocoupleurs K 1 et K 2 ). Question5 Justifier que le phototransistor peut fonctionner en saturé lorsqu une bulle d air est détectée. Donner toutes les étapes de votre démonstration (calcul, recherche dans la documentation constructeur,..) Question6 Remplir le tableau de synthèse du document réponse. 2 ) Etude de la structure réalisée autour du LM324 Question7 Quel est le mode de fonctionnement de l amplificateur linéaire intégré? Justifier votre réponse. Question8 Justifier pourquoi on peut considérer que les composants R 33, R 34, R 35 et R 36 sont parcourus par le même courant i. G BERTHOME Page 6/12

7 Question9 Déterminer les expressions des différences de potentiel U DM, U EM et U FM. Calculer les valeurs des différences de potentiels U DM, U EM et U FM. Question10 Déterminer l expression de U CM en fonction de U AM, U BM et U EM. Détailler toutes les étapes de votre calcul. Question11 Calculer U CM dans les trois cas suivants : Aucune bulle d air n est présente dans les fenêtres de K 1 et K 2. Une bulle d air est présente uniquement à travers K 1. Une bulle d air est présente uniquement à travers K 2. Question12 Compléter le tableau de synthèse du document réponse page ) Etude du filtre Afin d éviter que des éléments parasites viennent perturber le bon fonctionnement de la cellule de détection, le constructeur a intercalé un filtre du premier ordre. Lors du fonctionnement normal du détecteur de bulle d air ( présence ou non de bulle d air à travers K 1 ou K 2 ), la différence de potentiel aux bornes du condensateur U C16M est telle que : U C16M = U CM Question13 Déterminer l expression de U GM en fonction de U CM. Justifier votre réponse. Compléter le tableau de synthèse du document réponse page 11. G BERTHOME Page 7/12

8 4 ) Etude de la structure réalisée autour des composants U20 :B et U20 :C U FM et U DM sont issues du pont diviseur de tension dont les valeurs ont été calculées au paragraphe 2 ). Rappel : le circuit intégré U20 est alimenté entre 0V et V CC =5V. Etude de la structure réalisée autour de U20 :B Question14 Quel est le mode de fonctionnement du composant U20 :B? Justifier votre réponse. En déduire les valeurs prises par U HM. Question15 Déterminer l expression de ε. Détailler toutes les étapes de votre calcul. Question16 Déterminer la condition sur U GM pour que la différence de potentiel de sortie U HM soit égale à +5V (on prendra U FM =2.95V). Question17 Déterminer la condition sur U GM pour que la différence de potentiel de sortie U HM soit égale à 0V (on prendra U FM =2.95V). G BERTHOME Page 8/12

9 Question18 Représenter la caractéristique de transfert U HM en fonction de U GM. Question19 Indiquer les valeurs que prend U HM dans les 3 cas suivants : Aucune bulle d air n est présente dans les fenêtres de K 1 et K 2. Une bulle d air est présente uniquement à travers K 1. Une bulle d air est présente uniquement à travers K 2. Question20 Compléter le tableau de synthèse du document réponse page 11. Etude de la structure réalisée autour de U20 :C Question21 Quel le mode de fonctionnement du composant U20 :C? En déduire les valeurs prises par U IM. Question22 Déterminer l expression de ε. Détailler toutes les étapes de votre calcul. Question23 Déterminer la condition sur U GM pour que la différence de potentiel de sortie U IM soit égale à +5V (on prendra U DM =2.05V). Question24 Déterminer la condition sur U GM pour que la différence de potentiel de sortie U IM soit égale à 0V (on prendra U DM =2.05V). Question25 Représenter la caractéristique de transfert U IM en fonction de U GM. Question26 Indiquer les valeurs que prend U IM dans les 3 cas suivants : Aucune bulle d air n est présente dans les fenêtres de K 1 et K 2. Une bulle d air est présente uniquement à travers K 1. Une bulle d air est présente uniquement à travers K 2. Question27 Compléter le tableau de synthèse du document réponse page 11. G BERTHOME Page 9/12

10 5 ) Etude de la fonction logique Question28 Quelle est la fonction logique réalisée par la structure ci-dessus? Justifier votre réponse. Justifier votre réponse en proposant un tableau avec les différents états des diodes D20 et D21 pour les différentes valeurs des différences de potentiel U HM et U IM. Question29 Compléter le tableau de synthèse du document réponse page ) Conclusion Question30 Remplir les chronogrammes du document réponse 2 page 12 en utilisant les résultats obtenus (notamment le tableau de synthèse page 11). Question31 Conclure quant à la validité de la structure pour réaliser la fonction F1 : «Détection de la présence d une bulle d air». G BERTHOME Page 10/12

11 Document réponse TABLEAU DE SYNTHESE Pas de bulle d air en K 1 ou K 2 Présence d une bulle d air en K 1 Présence d une bulle d air en K 2 U AM U BM U CM U GM U HM U IM U JM G BERTHOME Page 11/12

12 Document réponse 2 K1 présence absence K2 présence absence U AM 4.5V 4V U BM 4.5V 4V U GM 5V 0V U HM 5V 0V U IM 5V 0V U JM 5V 0V G BERTHOME Page 12/12