IT201600078101A1

IT201600078101A1 - Sensore di flusso respiratorio a perturbazione magnetica per ventilatori polmonari

Info

Publication number: IT201600078101A1
Application number: IT102016000078101A
Authority: IT
Inventors: Giuseppe Preziosa
Original assignee: Siare Engineering Int Group S R L
Priority date: 2016-07-26
Filing date: 2016-07-26
Publication date: 2018-01-26

Description

Sensore di flusso respiratorio a perturbazione magnetica per ventilatori polmonari

La presente invenzione che ha per oggetto un sensore di flusso respiratorio, utilizzabile in ambito ospedaliero (terapia intensiva, anestesia, pneumologia, medicina d’urgenza e iperbarica), nel trasporto e a domicilio, classificabile fra i sensori a perturbazione magnetica, propone alcune interessanti modifiche che ne migliorano le prestazioni, rendendolo preferibile all'esistente, Le varie tecniche che a tutt’oggì si usano per misurare il flusso d'aria inspirata e/o espirata possono riassumersi in:

Flussometri a “rotati ng vane" (palette rotanti)

Flussometri ad ultrasuoni

Flussometri termoconvettivi

Flussometri a pressione differenziale

Flussometri a “strain gage" (estensìmetri)

Quest'ultimo è in realtà un rappresentante di una famiglia più vasta di sensori che va sotto il nome di Force Flowmeters o Targhet Flow Meters (flussometro a bersaglio)

Detti dispositivi si basano su un oggetto, detto "drag element", che esposto al flusso respiratorio del paziente è in grado di fornire una misura della forza che lo sollecita. Questi dispositivi sono adatti per gli ambienti contaminanti e corrosivi, come é il nostro caso.

E' possibile ottenere misure del flusso bidirezionali, in due o tre dimensioni (ovvero è possibile, in teoria, ottenere una informazione sulle tre componenti del vettore velocità).

Per quanto riguarda i flussometri che usano gli strain gage per le misure di flussi di gas e di vapori (comprimibili), bisogna dire che essi sono usati da almeno cinquantanni.

il "drag element" ideale è costituito da un disco piatto ("fiat disk"), la convenienza di questa scelta è dovuta al fatto che, in questo caso, il coefficiente di "drag" (trascinamento) è indipendente dal flusso. In letteratura sono stati pubblicati vari lavori che presentano sensori di flusso di questo tipo costruiti con fibre ottiche integrate negli strain gage.

Per quanto riguarda i fluidi incomprimibili, esiste una "drag equation" che rende conto di come la "drag force" dipende dalle caratteristiche e dai parametri del fluido che scorre:

In questa equazione (Cd) rappresenta Γ "overall drag coefficient" (coefficiente di trascinamento totale); (A) è la proiezione della superficie del corpo normale al flusso; (V) è la velocità del flusso; (p) è la densità.

Tra i parametri sopra elencati, quello che riveste un interesse particolare è il coefficiente di trascinamento (Cd); esso dipende dalla forma dell'oggetto, dalla sua orientazione rispetto al flusso e dal numero di Reynolds.

Il sensore oggetto del trovato, appartenente alla famiglia dei "targhet flow meters", è formato da una linguetta di acciaio ad elevata permeabilità magnetica, indicata con il termine “lamella'<1>, collegata ad un supporto metallico su di un solo lato in modo tale da formare una mensola ad incastro; la linguetta, a seguito della sollecitazione prodotta dal flusso, si sposta dalla sua posizione di equilibrio, il suo movimento produce una variazione nel valore dell’induttanza (sfruttando il fenomeno dell'autoinduzione) di due apposite bobine.

Il segnale è prelevato ed inviato ad una scheda elettronica dove un componente elettronico dedicato, ad esempio I’ AD598 (LVDT Signal Conditioner) nella configurazione Half-Bridge Transducer, provvede a trasformare la variazione di posizione in una tensione legata allo spostamento, da una relazione non lineare.

Il componente elettronico AD598 è stato progettato per elaborare un segnale che proviene da un fenomeno di auto e mutua induzione La mutua induttanza (M) e l'autoinduttanza (L) hanno le stesse dimensioni fisiche ma, se nel caso dì un dispositivo di tipo LVDT il segnale è proporzionale alla differenza delle mutue induttanze dei due avvolgimenti, nel caso del sensore in esame il segnale elettrico da elaborare è legato alla variazione di induttanza L da una relazione non lineare Il segnale, infine, una volta trasformato in segnale elettrico, è elaborato da un microprocessore e inviato su un display

Il presente trovato in primo luogo si propone di ottenere prestazioni migliori del dispositivo sensibile primario (cioè la linguetta) modificandone i parametri geometrici o meccanici; quindi, di ottimizzarlo per mezzo di modifiche hardware o/e software.

Questi ed altri scopi vengono raggiunti dal dispositivo secondo il trovato che si caratterizza per essere essenzialmente composto da: un doppio involucro in alluminio o plastica con incorporati i boccagli per l'ingresso e l’uscita del gas espirato e il connettore per le apparecchiature di misura, da una lamella ricavata da una lamina in acciaio, ed alloggiati nell'involucro due induttori di campo magnetico.

Da un esame comparativo dei vari componenti il trovato, si è giunti alla conclusione che il miglioramento in termini di prestazioni che si può ottenere agendo sulla parte meccanica del sensore è limitato. E’ possibile intervenire solo sulla scelta del materiale e sulle caratteristiche geometriche della lamella. Sulla parte elettromagnetica del dispositivo c’è un margine di miglioramento più ampio, tramite l’integrazione nel sensore di flusso di un sensore del tipo "moving core" (variazione del nucleo magnetico) o “Variable Gap” e l’introduzione di una schermatura magnetica negli induttori, in modo che l'unico percorso in aria che contribuisce in modo significativo alla variazione di induttanza sia quello fra bobina e lamella,

Queste ed altre caratteristiche risulteranno ora maggiormente in relazione ad una semplice forma di esecuzione del trovato con sensore “variable gap" data a puro titolo indicativo e non limitativa della portata del presente brevetto Con riferimento ai disegni allegati nei quali a: Tav.1 , fig 1

E’ rappresentata una vista prospettica del sensore di flusso del tipo:

Targhet Flow Meters, con sensore Variable Gap oggetto del trovato.

Tav. 2, figg. 2,3

E’ rappresentato il corpo ingresso sensore in vista laterale e frontale.

Tav 3, figg. 4,5

E' rappresentato il corpo uscita sensore in vista frontale e laterale.

Tav 4, fig 6

E' rappresentato il trovato in esploso.

Tav. 5, fig. 7

E’ rappresentato il particolare della linguetta di acciaio ad elevata permeabilità magnetica.

Con riferimento a tali figure, con 1 è indicato il corpo d'ingresso e d’uscita del sensore secondo la direzione di flusso, con l’ i relativi boccagli.

Con 2 la lamella.

Con 3 il nucleo forato e schermato della bobina.

Con 4 la bobina.

Con 5 kit di etichette del sensore.

Con 6 gruppo collegamento, connettore - passacavo.

Con 7, 7' le griglie di entrata ed uscita.

Con 8 dado esagonale.

Con 9 vite a testa cilindrica.

Con 10 un o-ring, con 10' fori per cavetti che portano al passacavo (6).

A fìg. 7, con 11 il supporto metallico delta lamella (2) sagomato come il corpo ingresso ed uscita del sensore (1), con 12 l’elemento della lamella sagomato a forma circolare incastrata alla estremità superiore 13, con 14 uno scasso per il passaggio del gruppo di collegamento (6) con 15 fori per il passaggio viti (9), con 16 un foro dì alleggerimento, studiato per attenuare le turbolenze. In pratica I particolari dì esecuzione, le dimensioni, i materiali, la forma e simili del trovato, potranno comunque variare senza uscire dal dominio della presente privativa industriale. Infatti il trovato cosi concepito è suscettibile di numerose modifiche e varianti tutte rientranti nell’ambito del concetto inventivo. Inoltre tutti gli elementi sono sostituibili da altri elementi tecnicamente equivalenti.

Claims

RIVENDICAZIONI 1) Sensore di flusso respiratorio a perturbazione magnetica per ventilatori polmonari comprendente un corpo ingresso ed uno d'uscita (1) muniti di relativi boccagli (1'), una linguetta di acciaio ad elevata permeabilità magnetica (2) fra essi interposta, che esposta al flusso respiratorio dei paziente è in grado di fornire una misura della forza che la sollecita, tramite il suo movimento, che provoca una variazione nel valore dell'induttanza di due apposite bobine (4) il segnale delle quali è prelevato ed inviato ad una scheda elettronica dove un componente elettronico dedicato, ad esempio Γ AD598 (LVDT Signal Conditioner) nella configurazione Haif-Bridge Transducer, provvede a trasformare la variazione di posizione in una tensione legata allo spostamento. Il segnale una volta trasformato in segnale elettrico è elaborato da un microprocessore ed inviato su un display non rappresentato in figura. Caratterizzato dal fatto che il corpo d’ingresso e quello di uscita, realizzati in alluminio, indicati con (1), assemblati assieme tramite viti (9), presentano dimensioni diverse, minori in entrata, maggiori in uscita, il boccaglio (T) ha diametro maggior di quello in entrata, per cui la griglia (7<*>) risulta di diametro maggiore rispetto a quella (7), mentre le cave ospitanti la bobina (4) risultano di diametro eguale per entrambi i corpi, inoltre il corpo in uscita che presenta uno scasso per ospitare Γο-ring (10) risulta forato per il passaggio del cavo del gruppo di collegamento (6).
2) Sensore di flusso respiratorio a perturbazione magnetica per ventilatori polmonari secondo la rivendicazione principale caratterizzato dal fatto che i boccagli (V) risultano raccordati per evitare turbolenze» 3) Sensore di flusso respiratorio a perturbazione magnetica per ventilatori polmonari secondo la rivendicazione principale caratterizzato dal fatto che il corpo ingresso e quello uscita (1) possono essere realizzati anche in plastica non sterilizzabile al fine di realizzare un dispositivo dei tipo usa e getta 4) Sensore di flusso respiratorio a perturbazione magnetica per ventilatori polmonari secondo ia rivendicazione principale caratterizzato dal fatto che la lamella (2) sagomata similmente al perimetro del corpo del sensore è composta da un supporto metallico o plastico 11 con fori (15) per il passaggio delle viti (9), con uno scasso (14) per il gruppo di collegamento (6), e con al centro ia lamella propriamente detta (12) intagliata nel supporto metallico o plastico (11) con forma circolare inferiore mentre l'estremità superiore risulta vincolata in 13 similmente ad una trave ad incastro 5) Sensore dì flusso respiratorio a perturbazione magnetica per ventilatori polmonari secondo la rivendicazione principale caratterizzato dal fatto che il materiale impiegato nella realizzazione della lamella (2) è l’acciaio per molle, con spessore di 0,10mm. 6) Sensore di flusso respiratorio a perturbazione magnetica per ventilatori polmonari secondo la rivendicazione principale caratterizzato dal fatto che al centro della lamella propriamente detta (12) è presente un foro di alleggerimento (16), per attenuare le turbolenze. 7) Sensore di flusso respiratorio a perturbazione magnetica per ventilatori polmonari secondo la rivendicazione principale caratterizzato dal fatto che i magneti risultano composti da un nucleo cilindrico di ferrite forata contornata da un cilindro cavo con funzioni di schermo magnetico (3), in asse coi quali è posizionata la bobina (4), in modo che l’unico percorso in aria che contribuisce in modo significativo alla variazione d’induttanza sia quello tra bobina e lamella.