Di Bryce Beamer
Il rilevamento pneumatico è una tecnologia abilitante essenziale per garantire un controllo e un monitoraggio precisi per varie applicazioni mediche. Le apparecchiature per l'apnea notturna, i ventilatori e persino i letti pneumatici utilizzano diversi tipi di sensori di pressione. Capire come funzionano questi sistemi di sensori, definire le prestazioni richieste per un'applicazione, è il primo passo per esplorare l'ampia gamma di sensori pneumatici disponibili. In questo articolo verranno approfondite le applicazioni di diverse tecnologie di rilevamento per fornire agli sviluppatori di prodotti le conoscenze necessarie per semplificare il loro sviluppo.
Come funzionano i sensori di pressione?
I più comuni tipi di sensori di pressione per la maggior parte delle applicazioni sono gli estensimetri piezoresistivi, composti da un semiconduttore che presenta una variazione di resistenza elettrica quando sottoposto a sollecitazione meccanica. Quando si applica pressione a un diaframma o a una membrana, la resistenza elettrica dell'estensimetro cambia. Il sistema converte questa resistenza in una misurazione accurata della pressione applicata.
I sensori di pressione piezoresistivi sono ideali per molte applicazioni mediche grazie alle loro dimensioni ridotte, ai diversi intervalli di rilevamento e al basso consumo energetico. Sebbene i quattro tipi principali di sensori estensimetrici piezoresistivi condividano la stessa funzionalità meccanica di base, le loro diverse configurazioni li rendono adatti a differenti applicazioni.
Sensori di pressione manometrica
I sensori di pressione misurano la pressione del sistema (p1) rispetto alla pressione atmosferica ambientale (p2). Poiché la pressione atmosferica è dinamica, i sensori di pressione sono la soluzione ideale per i sistemi in cui la pressione atmosferica può influire sulla pressione del sistema, ad esempio nel caso di una sacca morbida. Questi sensori vengono comunemente utilizzati da dispositivi come gli sfigmomanometri per la misurazione della pressione sanguigna, macchine a pressione positiva continua delle vie aeree (CPAP), manicotti di compressione pneumatica intermittente e letti ospedalieri a pressione pneumatica alternata.
Sensori di pressione assoluta
I sensori di pressione assoluta misurano la pressione del sistema (p1) rispetto a una camera di riferimento sigillata sotto vuoto (p2), il che li rende indipendenti dalle condizioni atmosferiche. Questi sensori sono la soluzione ideale per applicazioni che richiedono condizioni di vuoto o misurazioni di pressione assoluta, come nel caso di alcune procedure chirurgiche specifiche.
Sensori di pressione differenziale
I sensori di pressione differenziale misurano la differenza di pressione tra due ambienti distinti (p1 e p2). Gli apparecchi BiPAP e i sensori di pressione dei ventilatori sono in genere sensori di pressione differenziale. Mantenere il corretto differenziale di pressione è fondamentale per un supporto respiratorio efficace con questi apparecchi.
Sensori di pressione sigillati
I sensori di pressione sigillati misurano la pressione del sistema (p1) rispetto a una pressione di riferimento fissa e sigillata (p2). A differenza dei sensori assoluti, i sensori sigillati non fanno riferimento al vuoto ma sono sigillati a una pressione predefinita. Questo tipo di misurazione è utile nelle applicazioni in cui si desidera misurare la pressione rispetto a una pressione standard, non soggetta a cambiamenti ambientali.
Illustrazioni di Studio KMD, disponibili in alta risoluzione e vettoriali.
Applicazioni mediche dei sensori di flusso
I sensori di flusso d'aria sono ampiamente utilizzati nei dispositivi medici per monitorare e controllare il flusso di gas. Questi sensori misurano la velocità o il volume di un gas che passa per un punto specifico entro un dato periodo. Come i sensori di pressione, i sensori di flusso d'aria utilizzano diverse tecnologie qualificanti per soddisfare varie applicazioni mediche e misurare il flusso del volume o della massa.
Flusso volumetrico
I sensori di flusso volumetrico misurano il volume d'aria che passa attraverso un punto nell'unità di tempo. Turbine o sensori di pressione multipli sono due metodi standard per determinare il flusso volumetrico.
Un sensore di flusso volumetrico a turbina misura la velocità rotazionale della turbina in un tubo o condotto. Di solito, questi sensori utilizzano un trasduttore ottico o magnetico per rilevare la velocità della turbina e correlarla al flusso volumetrico del sistema. Questi sistemi a turbina sono versatili, ma la rotazione meccanica e la massa della turbina introducono inerzia, oltre a potenziali problemi di usura e durata, che rappresentano inconvenienti importanti da considerare prima dell'uso. Questi sensori presentano anche una resistenza nel flusso d'aria che può causare cadute di pressione (da P1 a P2) nel sistema pneumatico. I rilevamenti precoci delle anomalie della ventilazione spesso utilizzano spirometri a turbina.
I sensori di flusso volumetrico basati sulla pressione o sull'orifizio funzionano in modo diverso. Introducono una restrizione del flusso d'aria per generare un differenziale di pressione che può essere misurato e correlato al flusso volumetrico. Mentre l'aria viaggia attraverso l'orifizio da un sistema di pressione a un altro (da P1 a P3), la pressione dell'aria diminuisce man mano che l'aria accelera attraverso l'orifizio (P2). Le variazioni di pressione vengono solitamente misurate utilizzando sensori piezoresistivi differenziali o assoluti, ottimizzati per un monitoraggio accurato del flusso. Questi sistemi tendono ad avere meno parti meccaniche per una maggiore durata. Tuttavia, la limitazione del flusso e la caduta di pressione potrebbero renderli inadatti per alcune applicazioni.
Illustrazioni di Studio KMD, disponibili in alta risoluzione e vettoriali.
Flusso di massa
I sensori di flusso di massa misurano la massa di gas che passa attraverso un punto per unità di tempo. Il tipo più semplice di sensore di massa termica è l'anemometro a filo caldo. Esso misura la quantità di corrente applicata a un elemento riscaldante resistivo per mantenere una temperatura costante in una sonda. Man mano che l'aria passa sopra la sonda, è necessario applicare più corrente per mantenere la temperatura. Questa configurazione consente di analizzare il flusso di un gas noto, ma non consente di determinare la direzione del flusso.
I sensori di flusso di massa termica funzionano secondo un principio simile, ma misurano invece la variazione di temperatura prima e dopo (T1 e T2) l'elemento riscaldante a una corrente costante. Questo metodo fornisce un flusso direzionale che può puntare a differenti velocità di flusso. Questi sensori sono vantaggiosi nelle applicazioni che richiedono una miscelazione precisa dei gas, ad esempio nei sistemi di somministrazione dell'anestesia.
Illustrazioni di Studio KMD, disponibili in alta risoluzione e vettoriali.
Percorso di sviluppo
I sensori di flusso e di pressione sono indispensabili in campo medico poiché forniscono i dati critici necessari per il funzionamento sicuro ed efficiente di vari dispositivi medici. Sia che l'applicazione richieda un controllo meticoloso del flusso di gas o la capacità di resistere a condizioni atmosferiche dinamiche, le tecnologie dei sensori disponibili offrono una gamma completa di opzioni per soddisfare le diverse esigenze. Comprendendo i meccanismi e le applicazioni sottostanti, gli sviluppatori di prodotti hanno più possibilità di prendere decisioni informate, semplificando così il processo di sviluppo e, in definitiva, fornendo dispositivi medici più efficienti, più affidabili e più sicuri.
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