Ανάπτυξη φορητού σπιρομέτρου με χρήση τεχνολογιών εκτύπωσης

Παπασηφάκης, Ευστράτιος

Development of a portable spirometer utilizing printed technologies

Διπλωματική εργασία

Author

Παπασηφάκης, Ευστράτιος

Date

2024-10-09

Advisor

Kaltsas, Grigoris

Διπλωματική εργασία (5.077Mb)

Keywords

Φορητά σπιρόμετρα ; Εκτύπωση στερεολιθογραφίας ; Θερμικός αισθητήρας ροής ; Προσομοίωση ροής ; Προσομοιώση μεταφοράς θερμότητας ; Portable spirometers

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.

Abstract

This thesis focuses on the development of a portable spirometer utilizing printing technologies. More specifically it focuses on the development and fabrication of the geometry of the housing as well as a thermal type sensor to measure the air flow. First an extensive investigation is done through simulations on the effect of the pipe diameter on the flow development such as to allow for a maximum inlet flow of 100L/min. The effectiveness of a Honeycomb mesh with an angled inflow is also analyzed and its diameter and distance from the spirometer inlet is studied. The appropriate length of the internal bypass pipe is investigated and simulations are conducted for the geometry of two internal bypasses. Flow and heat transfer simulations were performed and based on the results a thermal sensor was designed, consisting of three PT100 thermistors along the air flow which exhibit a positive temperature coefficient (PCT). The two outer elements are used as temperature sensors while the middle one as a heater. Βased on the temperature difference presented by the sensing elements as well as the temperature drop of the thermal element due to air flow, the speed of the flow can be determined. The final geometry was printed using a stereolithography (SLA) printer and the sensor was created using conventional printed circuit board (PCB) methods and the use of three high precision and sensitivity thermistors. Experimental measurements were performed for a range of flow velocities of the device in constant current mode and the results for the operation of the sensor were evaluated based on two distinct working principles : a) Hot wire principle and b) Differential temperature principle. The response time of the system was also assessed under zero flow conditions.