Muchos de los respiradores que se han fabricado o diseñado durante esta pandemia han sido muy simples y con diseños muy rudimentarios. Por ejemplo el diseñado por Seat era de volumen fijo durante su funcionamiento y para poder cambiar el volumen que se insuflaba al paciente era necesario desarmar el aparato y cambiar una leva. Igualmente era de vida limitada ya que empleaba un motor de limpiaparabrisas de coche con una vida media de 3000 horas, aproximadamente 3 meses en trabajo continuo. tampoco monitorizaba el flujo real de aire con que se ventaban los pulmones. no pretendo hacer una critica de los aparatos que se han diseñado, tan solo argumentar que en el proyecto que hemos trabajado era bastante sofisticado.
Por si a alguien le sirve ahora o en un próximo futuro describo aquí parte del trabajo realizado especialmente el monitor de flujo que fue de lo que específicamente eramos responsables. Como es largo lo pondré en varios bloques.
Sensores de flujo para respiradores.
Gerardo Meiro
Madrid, abril de 2020.
Consideraciones iniciales.
Se trata de medir el flujo de aire durante la inspiración-expiración de un ventilador para asistencia a personas. El flujo se toma intercalando en el circuito de aire del ventilador un shunt que mediante un estrechamiento produce una pequeña caída de presión. Esta caída de presión se mide mediante un transductor de presión diferencial. Esta medida multiplicada por un coeficiente nos da la medida del flujo de aire. Se pretende que esta caída de presión sea la mínima necesaria para conseguir la resolución deseada.
Como valores promedios se puede admitir que una persona inspira un volumen de 650 c.c. 16 veces por minuto. La expiración es ligeramente mayor debido a la dilatación del aire y al vapor de agua expirados. Se asume como promedio que el tiempo de inspiración es 1/3 del tiempo total. Tanto durante la inspiración como la expiración no se realizan de manera uniforme con una forma de flujo aproximadamente en diente de sierra invertido. A tenor de estas consideraciones, debemos diseñar un medidor que mida entre 0 y 60 litros por minutos, considerando un margen de seguridad debe llegar sin problemas a 80 l/min.
El shunt.
Tipo Venturi. Un estrechamiento gradual para que no se produzcan turbulencias hace aumentar la velocidad del aire lo cual implica una disminución de la presión en el estrechamiento. Midiendo la diferencia de presiones entre los tubos de diferente sección obtenemos el flujo. No se ha empleado un shunt de tipo Venturi porque para que sea simétrico habría que emplear dos transductores.
Tipo resistencia o de obstáculo. Un obstáculo en la conducción del aire provoca una resistencia al paso de este. Esta resistencia al paso implica una caída de presión. Midiendo esta caída de presión obtenemos el flujo. La ventaja es que este medidor nos proporciona ademas la dirección del flujo.
Generalmente el obstáculo es un disco con un orificio en el centro. Cuanto menor es el orificio mas resistencia opone al paso del aire y por lo tanto mayor es la diferencia de presión.
Flujo de aire el litros/minuto en función del diámetro del orificio en mm y de la caída de presión en Pa. Estos datos están obtenidos teóricamente.
Código: Seleccionar todo
Diámetro flujo a 100 Pa flujo a 150 Pa flujo a 200 Pa
7 20 25 29
8 26 32 37
9 34 41 47
10 41 51 60
Básicamente hay dos tipos: medidores por efecto térmico, también denominados de hilo caliente y medidores por desplazamiento de membrana.
Medidores por efectos térmicos.
En los medidores de efecto térmico un pequeño canal conecta las dos terminaciones de medida de presión. El flujo de aire a través del canal es directamente proporcional a la diferencia de presión entre los dos extremos. Un elemento situado en el canal se calienta por una corriente eléctrica a una temperatura constante. Para mantener esta temperatura se necesita una cierta energía que es proporcional al flujo de aire a través del canal. Un circuito electrónico que controla el elemento caliente proporciona una señal proporcional al flujo que es proporcional a la presión. Esto es una versión simplificada ya que muchos sensores suelen tienen tres elementos sensores. Tres elementos 1, 2 y 3 colocados en linea. El central 2, se calienta y los extremos 1 y 3 miden la temperatura. Cuando no hay flujo los dos extremos están a la misma temperatura, cuando hay flujo de 1 a 3, 1 baja su temperatura y en 3 sube. De ahí se obtiene el flujo. Estos sensores suelen ser bidireccionales.
Ventajas e inconvenientes.
Los medidores de hilo caliente son muy sensible, pudiendo detectar medidas diferenciales de tan solo 125 Pa. No son estancos ya que para realizar su función debe haber un flujo de aire desde la alta a la baja presión. No soportan el aire con condensación de vapor, ya que el agua altera las medidas. Una gota de humedad en el canal puede proporcionar medidas muy erróneas, por ello frente a posibles condensaciones como las que puede producirse con el aire exhalado que esta saturado de vapor de agua hay que calefactarlos para mantenerlos a una temperatura superior al cuerpo y evitar la posible condensación. El canal puede obstruirse debido a los residuos sólidos resultado de la evaporación del agua y de los líquidos que puedan ser arrastrados. Ademas debido a que siempre hay un flujo de aire de la alta a la baja presión los líquidos tienden a entrar en el canal de medida.
Medidores de membrana.
Una membrana que puede ser de silicio se deforma debido a la diferencia de presión entre sus dos caras. En la membrana esta impresa una galga extensiometrica que detecta las deformaciones. Las alteraciones en la galga son convertidas por un circuito electrónico en un voltaje proporcional a la deformación y por ende a la diferencia de presión en ambas caras.
Ventajas e inconvenientes.
El mayor inconveniente de los medidores de membrana es su menor sensibilidad. Los dispositivos disponibles oscilaban ente 7 y 2 kPa. Son mas robustos y los dos extremos de medida son estancos, es decir que no circula aire entre ellos. La galga extensiometrica suele estar protegida por un gel que la protege de la corrosión. En caso de ser humedecidos el peso del agua podría alterar las medidas pero seria necesaria una columna de agua de 1 cm para alterar la medición en 100 Pa. Esto podría afectar al offset pero no a las posteriores medidas.
Dispositivos comerciales probados.
El sensor ideal para nuestro propósito debería tener un rango de medida de +- 500 Pa, soportar ambientes de condensación, de bajo costo y buena disponibilidad.
Se han probado varios sensores, el BMP280 de Bosch, el SPD800-125Pa de Sensirion, el ABPDJJ001PGAA5 de Honeywell y el Freescale (NTX) MPXV7002.
Bosch BMP280. Es un dispositivo de membrana, de salida digital, barométrico, no es diferencial, ampliamente conocidos por los entusiastas del Arduino. Su rango de medida es de 300 a 1200 Kpa.
Para este propósito eran necesarios dos para el sensor diferencial mas un tercero para la presión de base. Este dispositivo se conecta con un Arduino mediante conexiones I2C. Como solo se dispones de dos direcciones posibles en el dispositivo se hizo un multiplexor para conectar hasta 4. Mediante la impresora 3D se hizo una caja para alojar el dispositivo y acoplar tubo flexible. El dispositivo resultaba atractivo por su bajo precio y muy buena disponibilidad.
En las pruebas realizadas se comprobó que la medida diferencial obtenida de la sustracción de dos presiones adolecía de una falta de precisión y una muy pobre relación señal/ruido que aconsejaron abandonar esta solución. Independientemente de esto, el hecho de que el dispositivo había que emplearlo en ambientes de no condensación desaconsejaron definitivamente su rechazo. Este sensor es de precio bajo.
Sensirion SPD800-125Pa. Es un dispositivo diferencial, extremadamente sensible capaz de proporcionar medida muy precisas con poca caída de presión en el adaptador de flujo. Su rango de medida es de 125 Pa. El sensor es en realidad un medidor de flujo, similar a los medidores de flujo de hilo caliente, ya que detecta la diferencia de temperatura que se produce en determinados puntos calientes de un semiconductor debido a la circulación del aire entre las dos zonas de diferentes presiones.
Proporciona una salida analógica. Este sensor tiene dos modos de funcionamiento en función de un terminal selector. El lineal, que es asimétrico y el cuadrático que si es totalmente bidireccional. Con una alimentación de 5 V. en modo lineal podría producir una señal simétrica (para inspiración- expiración) en un rango de -0,5 a +0,5 V. En realidad de +0,5 v a 1,5 v). En modo cuadrático el voltaje de salida va desde 0,5 V a 4,5 V, con el cero en 2,5 V aproximadamente. La salida cuadrática obliga a procesar la señal digitalmente para obtener y procesar la señal.
Inconvenientes encontrados a este sensor. El dispositivo no se puede emplear en ambientes de condensación, circunstancia que se da sin ninguna dura en los respiradores, por ello es obligado efectuar un calentamiento del sensor al menos a 40ºC para evitarla. Mas aun es muy probable que los fluidos que lleguen al sensor aunque sean evaporados dejen residuos que alteren las medidas. Una sola y minúscula condensación en el sensor invalida las medidas que proporciona.
Por parte de otros se ha argumentado el no empleo de este sensor debido a la baja disponibilidad actual. Este sensor tiene un precio medio-alto.
Honeywell ABPDJJT001PGAA5. Es un dispositivo de membrana diferencial de pequeño tamaño y bajo coste. Dispone de versiones analógicas y con salida I2C. El que se probó era analógico y permitía trabajar en húmedo, es decir soporta la condensación. Desgraciadamente su rango de medida es de 6 kPa. Bastante alto para nuestras necesidades.
El sensor trabaja correctamente y parece adecuado salvo por la baja sensibilidad. Se abandonó por disponer de otros mas sensibles.
NXP Semiconductors MPXV7002. Sensor diferencial de membrana con un rango de sensibilidad de +-2 Kpa. El chip sensor esta protegido mediante un gel que trasmite la presión por lo que debe ser inmune a la condensación. No obstante se deben realizar pruebas para comprobar estas características. Es de salida analógica.
Su inconveniente es que hay una cierta dispersión en el valor del voltaje de salida para 0 Pa. Según especificaciones el valor típico es de 2,5 voltios para una Vcc de 5 V, con un valor máximo de 2,7 V y un mínimo de 2,35. Esto obligaría a hacer un ajuste de offset por hardware o bien por software. Su rango de medida dista un poco del ideal que debería estar en los +-500 Pa, pero su alta disponibilidad y su precio lo hacen adecuado para esta aplicación. Puede conseguirse en Aliexpress por 7 €.
Continuará ...
