III. Grau de maturidade do desenvolvimento do projeto
Conforme apresentado nesta seção, as seguintes etapas do projeto já foram concluídas: concepção do método de medição de fluxo a ser aplicado; modelagem mecânica 3D e eletrônica do sensor; projeto da estrutura de validação do sensor de fluxo para controle de volume do ventilador pulmonar. Por outro lado, as seguintes etapas ainda necessitam ser realizadas: prototipagem do sensor de fluxo eletrônico; montagem da estrutura de validação do sensor; realização dos testes de validação; certificação e produção; transferência tecnológica.
❏ Concepção do método para medição de fluxo
Vários são os métodos industriais de se realizar medição eletrônica da taxa de fluxo e volume transferido de gases, dentre eles é possível destacar os seguintes métodos: pressão diferencial, anemômetro de fio quente, área variável (rotâmetros), deslocamento positivo, a turbina, vortex (MORRIS, 2001; FRENZEL et al., 2011). No caso de indicação visual, o rotâmetro tem sido popularmente aceito. Por outro lado, caso a medida na forma de sinal elétrico seja necessária, o método por pressão diferencial tem sido tradicionalmente utilizado devido sua robustez, confiabilidade e fácil manutenção (MORRIS, 2001). Um método mais recente que também tem sido aplicado é o anemômetro de fio quente. Entretanto, o elemento sensor é sensível e frágil, o que dificulta a fabricação, manutenção para limpeza de sujeiras depositadas no ponto de medição, e ainda é exposto e conduz eletricidade suficiente para emitir faíscas (POPENDORF, 2006). Quanto ao medidor vortex, sua utilização leva a vibrações mecânicas e ainda sua medição é seriamente degradada pela presença de distúrbios no fluxo. No caso dos métodos a turbina e de deslocamento positivo, elementos rotativos levam a maior necessidade de manutenção e menor confiabilidade quando comparados ao método por pressão diferencial (MORRIS, 2001). Portanto, neste projeto será utilizado o medidor de fluxo por pressão diferencial.
❏ Concepção do medidor de fluxo
O método pressão diferencial se baseia na colocação de um tubo de obstrução no encanamento onde ocorre o fluxo do fluido de forma a criar uma pressão diferente na saída do objeto. Tal diferencial de pressão está relacionada com o fluxo do fluido de acordo com a teoria de Bernoulli, o que permite o cálculo do fluxo a partir da medição das pressões de entrada e saída do tubo de obstrução (FRENZEL et al., 2011). O tipo de tubo obstrutor mais aplicado para medição de fluxo em fluidos é o tubo com placa de orifício, entretanto a diminuição de pressão na saída é elevada e ainda sofre com a deposição de sujeira ou partículas em suspensão no fluido. Como em um ventilador mecânico a pressão dos gases entregues ao paciente é de elevada importância (CARVALHO, TOFFEN e FRANCA, 2007), a diminuição da pressão na saída do medidor dificulta a operação do ventilador. Dessa forma, este projeto propõe a utilização do tubo de obstrução tipo Venturi, já que este apresenta a menor diminuição na pressão de saída entre os diferentes tipos de tubos de obstrução (MORRIS, 2001). Na Figura 3, o modelo 3D do tubo de obstrução Venturi a ser utilizado é apresentado.
Para medição da pressão diferencial, opta-se por um transdutor de pressão piezoresistivo, como o MPX5500 fabricado pela Motorola®, o qual já esteja adaptado para aplicações envolvendo microcontroladores. O transdutor mede a diferença de pressão entre a entrada e a saída do tubo Venturi e entrega em seu pino de saída uma tensão proporcional à pressão medida. A tensão de saída do transdutor é disponibilizada por meio de um terminal de conexão para ser utilizada por um sistema microcontrolado, bem como a tensão de alimentação deve ser conectada por meio do mesmo terminal, conforme mostrado na Figura 3. Desta forma, um microcontroldador pode ser utilizado para medir a tensão de saída do transdutor e converter em fluxo e volume do ar inspirado em uma aplicação envolvendo ventilador mecânico.
Referente as dimensões do tubo Venturi e o diferencial de pressão provido para o monitoramento de pressão, diversas simulações computacionais foram realizadas de modo a obter o sensoriamento adequado para ventiladores pulmonares, vide Figura 4.
❏ Estrutura de validação do sensor de fluxo para controle de volume do ventilador pulmonar
Com o sensor de fluxo proposto, a validação ocorre por meio de uma estrutura indicada na Figura 5. A bancada de ensaio consiste em um sistema de ventilação pulmonar controlado por volume. Para este sistema há um cilindro de ar, válvula reguladora (fluxômetro), válvula solenóide, válvula proporcional, sensor de fluxo, tubo Venturi, válvula paciente com acionamento pneumático e sistema PEEP.
Para a operação em malha fechada com controle de volume, o sensor de fluxo é o elemento fundamental nos ventiladores pulmonares. O sensor proposto neste projeto disponibiliza um sinal de controle para realizar o acionamento do servomecanismo de uma válvula proporcional, conforme indicada na Figura 5. O sistema ainda conta com um painel de monitoramento das variáveis de ventilação pulmonar do paciente.
Com a abordagem adotada, diferentes técnicas de controle poderão ser embarcadas e validadas no microcontrolador. A priori, o controlador adotado para a validação neste projeto é o proporcional integral (PI), discretizado e ajustado por técnica adotada no ambiente industrial, a saber o método de Ziegler-Nichols. A posteriori, outras técnicas de controle poderão ser estudadas visando obter robustez, otimização do sinal de controle e outros índices de desempenho.
Figura 5 - Sistema completo do ventilador pulmonar com controle de volume usando sensor de fluxo.
Referências
CARVALHO, C. R. R.; TOUFEN JUNIOR, C.; FRANCA, S. A. Ventilação mecânica: princípios, análise gráfica e modalidades ventilatórias. In: III Consenso Brasileiro de Ventilação Mecânica, Journal Brasileiro de Pneumologia. 33(Supl 2):S 54-S 70, 2007.
FRENZEL et al. ABB Automation Products. Industrial Flow Measurement Basics and Practice, 2011. Disponível em: https://library.e.abb.com/public/33c86515dd3f4e1e92cee87325194f6e/D184B075U02_I.pdf. Acesso em 26 de mar. 2020.
MORRIS, A. S. Measurement and Instrumentation Principles. 3ª Edição. Oxford:Butterworth-Heinemann, 2001.
POPENDORF, W. Industrial Hygiene Control of Airborne Chemical Hazards. Cleveland:CRC Press, 2006
