Por Bryce Beamer
La detección neumática es una tecnología habilitadora esencial para garantizar un control y monitoreo precisos para diversas aplicaciones médicas. Los equipos para la apnea del sueño, los ventiladores e incluso las camas neumáticas utilizan diferentes tipos de sensores de presión. Comprender cómo funcionan estos sistemas de sensores (y definir el rendimiento que se requiere para una aplicación) es el primer paso para navegar por la amplia gama de sensores neumáticos disponibles. Este artículo profundizará en las aplicaciones de diferentes tecnologías de detección para dotar mejor a los desarrolladores de productos con el conocimiento que necesitan para optimizar su desarrollo.
¿Cómo funcionan los sensores de presión?
El tipo de sensores de presión más común para la mayoría de las aplicaciones son medidores de esfuerzo piezorresistivos, que se componen de un semiconductor que presenta un cambio en la resistencia eléctrica cuando se somete a tensión mecánica. Cuando aplica presión a un diafragma o membrana, cambia la resistencia eléctrica del medidor de esfuerzo. El sistema convierte esta resistencia en una medición precisa de la presión aplicada.
Los sensores de presión piezorresistivos son perfectos para muchas aplicaciones médicas debido a su pequeño tamaño, variedad de rangos de detección y requisitos de baja potencia. Aunque los cuatro principales tipos de sensores medidores de esfuerzo piezorresistivos comparten la misma funcionalidad mecánica principal, sus variadas configuraciones los hacen adecuados para diferentes aplicaciones.
Sensores de presión calibrada
Los sensores de calibre miden la presión del sistema (p1) en relación con la presión atmosférica del ambiente (p2). Debido a que la presión atmosférica es dinámica, los sensores de calibre son la solución adecuada para sistemas donde la presión atmosférica podría afectar la presión del sistema, como en una vejiga blanda. Dispositivos como los esfigmomanómetros para medir la presión arterial, los equipos de presión positiva continua en las vías respiratorias (CPAP, por sus siglas en inglés), las mangas de compresión neumática intermitente y las camas de hospital neumáticas de presión alterna normalmente usan estos sensores.
Sensores de presión absoluta
Los sensores absolutos miden la presión del sistema (p1) en relación con una cámara de referencia sellada al vacío (p2), lo que los hace independientes de las condiciones atmosféricas. Estos sensores son ideales para aplicaciones que requieren condiciones de vacío o mediciones de presión absoluta, como procedimientos quirúrgicos específicos.
Sensores de presión diferencial
Los sensores diferenciales miden la diferencia de presión entre dos entornos distintos (p1 y p2). Los equipos BiPAP y los sensores de presión de ventiladores normalmente son sensores de presión diferencial. Mantener el diferencial de presión correcto es crucial para dar un soporte respiratorio eficaz con estos dispositivos.
Sensores de calibre sellados
Los sensores de calibre sellados miden la presión del sistema (p1) en relación con una presión de referencia fija y sellada (p2). A diferencia de los sensores absolutos, los sensores de calibre sellados no están referenciados al vacío, sino que están sellados a una presión predefinida. Este tipo es útil en aplicaciones donde se desea medir la presión relativa a una presión estándar no sujeta a cambios ambientales.
Ilustraciones de Studio KMD: alta resolución y vectores disponibles.
Aplicaciones médicas de sensores de flujo
Los sensores de flujo de aire se utilizan ampliamente en dispositivos médicos para monitorear y controlar el flujo de gas. Estos sensores miden la velocidad o el volumen de un gas que pasa por un punto específico dentro de un período determinado. Al igual que los sensores de presión, los sensores de flujo de aire usan diferentes tecnologías centrales para atender varias aplicaciones médicas con el fin de medir el flujo volumétrico o de masa.
Flujo volumétrico
Los sensores de flujo volumétrico miden el volumen de aire que pasa por un punto por unidad de tiempo. Las turbinas o los sensores de presión múltiple son dos métodos estándar para determinar el flujo volumétrico.
Un sensor de flujo volumétrico basado en turbina mide la velocidad rotacional de la turbina en una tubería o un conducto. Normalmente, estos sensores usan un transductor óptico o magnético para detectar la velocidad de la turbina y correlacionarla con el flujo volumétrico del sistema. Estos sistemas basados en turbina son versátiles, pero la rotación mecánica y la masa de la turbina introducen inercia, así como potenciales desafíos de desgaste y durabilidad, que son inconvenientes importantes que se deben considerar antes de su uso. Estos sensores también presentan resistencia en el flujo de aire, lo que puede provocar caídas de presión (de P1 a P2) en el sistema neumático. Las detecciones tempranas de anomalías en la ventilación con frecuencia utilizan espirómetros basados en turbina.
Los sensores de flujo volumétrico basados en presión/orificio funcionan de manera diferente; introducen una restricción en el flujo de aire para generar un diferencial de presión que se pueda medir y correlacionar con el flujo volumétrico. A medida que el aire viaja de un sistema de presión a través del orificio a otro (P1 a P3), la presión del aire cae a medida que el aire acelera a través del orificio (P2). Los cambios de presión generalmente se miden utilizando sensores piezorresistivos diferenciales o absolutos sintonizados para realizar un monitoreo preciso del flujo. Estos sistemas tienden a tener menos piezas mecánicas para mejorar la durabilidad. Sin embargo, la restricción del flujo y la caída de presión pueden hacerlo inadecuado para algunas aplicaciones.
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Flujo de masa
Los sensores de flujo de masa miden la masa de gas que pasa por un punto por unidad de tiempo. La forma más simple de sensor de masa térmico es un anemómetro de hilo activo. Mide la cantidad de corriente que se aplica a un calentador resistivo para mantener una temperatura constante en una sonda. A medida que el aire pasa sobre la sonda, se debe aplicar más corriente para mantener la temperatura. Esta configuración es adecuada para analizar el flujo de un gas conocido, pero no puede determinar la dirección del flujo.
Los sensores de flujo de masa térmicos funcionan con un principio similar, pero en su lugar miden el cambio de temperatura antes y después (T1 y T2) del elemento calefactor a una corriente constante. Este método proporciona un flujo direccional que puede apuntar a una variedad de tasas de flujo. Estos sensores son ventajosos en aplicaciones que requieren una mezcla precisa de gases, como los sistemas de administración de anestesia.
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Trayectoria de desarrollo
Los sensores de flujo y presión son indispensables en el campo médico, ya que proporcionan los datos esenciales que se requieren para el funcionamiento seguro y eficaz de diversos dispositivos médicos. Ya sea que su aplicación requiera un control meticuloso del flujo de gas o la capacidad de soportar condiciones atmosféricas dinámicas, las tecnologías de sensores disponibles ofrecen una amplia gama de opciones para satisfacer estas necesidades. Al comprender los mecanismos y las aplicaciones subyacentes, los desarrolladores de productos están mejor posicionados para tomar decisiones informadas, al simplificar de esta manera el proceso de desarrollo y, en última instancia, proporcionar dispositivos médicos más eficientes, confiables y seguros.
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