Ανάπτυξη φορητού σπιρομέτρου με χρήση τεχνολογιών εκτύπωσης

Abstract

Η συγκεκριμένη εργασία εστιάζει στην ανάπτυξη φορητού σπιρομέτρου με χρήση τεχνολογιών εκτύπωσης. Πιο συγκεκριμένα στα πλαίσια της εργασίας αρχικά πραγματοποιείται η μελέτη της συσκευασίας (housing) του αισθητήρα μέσω προσομοίωσης και έπειτα η κατασκευή της, καθώς και η κατασκευή του αισθητήρα θερμικού τύπου για την καταμέτρηση της ροής του αέρα. Αρχικά γίνεται εκτενής έρευνα μέσω προσομοιώσεων για την επίδραση της διαμέτρου του σωλήνα στην διαμόρφωση του πεδίου ροής για μέγιστη ροή εισόδου 100L/min. Επίσης αναλύεται η αλληλεπίδραση πλέγματος στην είσοδο της ροής υπό γωνία και μελετάται η διάμετρος και η επίδραση της απόστασής του από την είσοδο του σπιρομέτρου. Ερευνάται το κατάλληλο μήκος του εσωτερικού σωλήνα παράκαμψης (bypass) και γίνονται προσομοιώσεις για την γεωμετρία δύο εσωτερικών bypass. Πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις ροής και μεταφοράς θερμότητας και με βάση τα αποτελέσματα σχεδιάστηκε θερμικός αισθητήρας αποτελούμενος από τρία θερμίστορ PT100 κατά μήκος της ροής του αέρα τα οποία παρουσιάζουν θετικό θερμοκρασιακό συντελεστή (PCT). Τα δύο ακριανά στοιχεία λειτουργούν ως αισθητήρες θερμοκρασίας ενώ το μεσαίο ως θερμαινόμενο στοιχείο. Με βάση την θερμοκρασιακή διαφορά που παρουσιάζουν τα αισθητήρια στοιχεία καθώς και από τη μεταβολή θερμοκρασίας του θερμικού στοιχείου λόγω της ροής του αέρα μπορεί να προσδιοριστεί η ταχύτητά του. Η τελική γεωμετρία εκτυπώθηκε με χρήση εκτυπωτή στερεολιθογραφίας (SLA) και ο αισθητήρας δημιουργήθηκε με συμβατικές μεθόδους τυπωμένων κυκλωμάτων σε πλακέτα (PCB) και την χρήση τριών θερμίστορ υψηλής ακρίβειας και ευαισθησίας. Εκτελέσθηκαν πειραματικές μετρήσεις για ένα εύρος ταχυτήτων ροής της διάταξης σε λειτουργία σταθερού ρεύματος και εκτιμήθηκαν τα αποτελέσματα για δύο διαφορετικές αρχές λειτουργίας της διάταξης: α) την αρχή θερμού νήματος και β) την διαφορική λειτουργία. Μέσω πειραματικών μετρήσεων με μηδενική ροή εκτιμήθηκε και η ταχύτητα απόκρισης του συστήματος.