ブライス・ビーマー
空気圧センシングは、さまざまな医療用途における正確な制御と監視を実現するために不可欠な技術です。睡眠時無呼吸装置、人工呼吸器、さらには空気圧ベッドでも、さまざまな種類の圧力センサーが使用されています。これらの センサー システム がどのように動作するかを理解し、アプリケーションに必要なパフォーマンスを定義することが、利用可能な膨大な数の空気圧センサーを理解するための第一歩です。この記事では、さまざまなセンシング技術の応用について詳しく説明し、製品開発者が開発を効率化するために必要な知識をより適切に身に付けられるようにします。
圧力センサーはどのように機能しますか?
ほとんどの用途で最も一般的な 圧力センサーのタイプ は、機械的ひずみを受けると電気抵抗が変化する半導体で構成された圧電抵抗ひずみゲージです。ダイヤフラムまたは膜に圧力を加えると、ひずみゲージの電気抵抗が変化します。システムはこの抵抗を適用された圧力の正確な測定値に変換します。
圧電抵抗型圧力センサーは、サイズが小さく、検知範囲が広く、電力要件が低いため、多くの医療用途に最適です。4つの主なタイプの圧電抵抗型ひずみゲージ センサーは同じコアの機械的機能を共有していますが、さまざまな構成により、さまざまなアプリケーションに適しています。
ゲージ圧力センサー
ゲージセンサーは、周囲の大気圧 (p2) に対するシステム圧力 (p1) を測定します。大気圧は動的であるため、ソフトブラダーなど、大気圧がシステム圧力に影響を与える可能性があるシステムには、ゲージセンサーが適切なソリューションです。血圧を測定する血圧計、持続陽圧呼吸療法装置 (CPAP)、間欠的空気圧迫スリーブ、空気圧交互圧力病院ベッドなどのデバイスでは、これらのセンサーが一般的に使用されています。
絶対圧力センサー
絶対センサーは、真空密閉された基準チャンバー (p2) を基準としてシステム圧力 (p1) を測定するため、大気条件の影響を受けません。これらのセンサーは、特定の外科手術など、真空状態や絶対圧力測定を必要とするアプリケーションに最適です。
差圧センサー
差動センサーは、2つの異なる環境 (p1とp2) 間の圧力の差を測定します。BiPAPマシンと人工呼吸器の圧力センサーは、通常、差圧センサーです。これらのデバイスによる効果的な呼吸サポートには、正しい圧力差を維持することが重要です。
密閉ゲージセンサー
密閉ゲージ センサーは、固定された密閉基準圧力 (p2) を基準としたシステム圧力 (p1) を測定します。絶対センサーとは異なり、密閉ゲージセンサーは真空を基準とせず、事前に定義された圧力で密閉されます。このタイプは、環境の変化の影響を受けない標準圧力に対する相対圧力を測定するアプリケーションに役立ちます。
Studio KMDによるイラスト - 高解像度とベクターが利用可能。
フローセンサーの医療用途
空気流量センサー は、ガスの流れを監視および制御するための医療機器で広く使用されています。これらのセンサーは、一定期間内に特定のポイントを通過するガスの速度または体積を測定します。圧力センサーと同様に、空気流量センサーはさまざまなコア対応技術を使用して、体積流量または質量流量を測定するさまざまな医療用途に対応します。
体積流量
体積流量センサー は、単位時間あたりにポイントを通過する空気の量を測定します。タービンまたは複数の圧力センサーは、体積流量を決定するための2つの標準的な方法です。
タービンベースの体積流量センサーは、パイプまたはダクト内のタービンの回転速度を測定します。通常、これらのセンサーは光学式または磁気式のトランスデューサーを使用してタービンの速度を検出し、それをシステムの体積流量と相関させます。これらのタービンベースのシステムは汎用性がありますが、タービンの機械的な回転と質量によって慣性が生じ、また、摩耗や耐久性の課題が発生する可能性があるため、使用前に考慮する必要がある重要な欠点があります。これらのセンサーは空気の流れに抵抗をもたらし、空気圧システム内で圧力低下 (P1からP2へ) を引き起こす可能性があります。換気異常の早期検出には、タービンベースのスパイロメーターがよく使用されます。
圧力/オリフィスベースの体積流量センサーは動作が異なり、空気の流れを制限して圧力差を発生させ、それを測定して体積流量と相関させます。空気が1つの圧力システムからオリフィスを通って別の圧力システム (P1からP3) に移動するにつれて、空気がオリフィス (P2) を通って加速し、空気圧が低下します。圧力変化は通常、正確な流量監視用に調整された差動または絶対ピエゾ抵抗センサーを使用して測定されます。これらのシステムでは、耐久性を向上させるために機械部品が少なくなる傾向があります。ただし、流量制限と圧力降下により、一部の用途には適さない可能性があります。
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質量流量
質量流量センサーは、単位時間あたりにポイントを通過するガスの質量を測定します。最も単純な形式の熱質量センサーは熱線風速計です。プローブ内の一定の温度を維持するために抵抗ヒーターに適用される電流量を測定します。空気がプローブを通過すると、温度を維持するためにより多くの電流を流す必要があります。この構成は既知のガスの流れを分析するには適していますが、流れの方向を決定することはできません。
熱質量流量センサー 同様の原理で動作しますが、代わりに一定電流での加熱要素の前後 (T1とT2) の温度変化を測定します。この方法は、さまざまな流量をターゲットにできる方向性のある流れを提供します。これらのセンサーは、麻酔送達システムなど、ガスの正確な混合を必要とするアプリケーションに有利です。
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開発パス
流量センサーと圧力センサーは医療分野に不可欠であり、さまざまな医療機器の安全で効果的な動作に必要な重要なデータを提供します。アプリケーションでガスの流れを細かく制御する必要がある場合でも、動的な大気条件に耐える能力が必要な場合でも、利用可能なセンサー技術は、これらのニーズを満たす包括的なオプションを提供します。基礎となるメカニズムとアプリケーションを理解することで、製品開発者は情報に基づいた意思決定を行えるようになり、開発プロセスが合理化され、最終的にはより効率的で信頼性が高く安全な医療機器を提供できるようになります。
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