이 페이지에는 University of Michigan - Dearborn 학생들인 Tom Silka, Chris Marquette, Anthony Darkangelo 및 Ryan Kiblawi의 작업이 포함되어 있습니다. ME 379 열유체 연구소의 2007년 봄 세션을 위한 최종 설계 프로젝트는 원래 Steve McCrosky 가 설계한 실험적인 저가형 최대 유량계를 기반으로 합니다 .
추상적인
피크 유량계(PFM)는 천식 진단 및 관리를 위한 일관된 호기 결과를 얻기 위해 설계되었습니다. 일관성을 유지하기 위해 유량계를 수정하는 데 교정 절차가 사용되었습니다. 이를 위해서는 작동유체인 공기의 거동특성을 이해해야 한다. 공기는 직선형 원형 파이프의 완전히 발달된 영역에서 일정한 특성으로 꾸준한 층류 흐름을 갖는 비압축성임이 입증되었습니다. 피크 유량계는 PVC 파이프, 기계식 연필 스프링, 작은 알루미늄 조각 및 왕복 톱날을 포함한 일반적인 재료를 사용하여 제작되었습니다. 압력 흐름에 대해 래프트 펌프를 완전히 압축하는 데 걸리는 시간까지 보정을 수행했습니다. 뗏목 펌프는 인간 호흡계의 횡경막을 시뮬레이션하고 흐름 챔버는 폐활량을 시뮬레이션했습니다. 교정 프로세스에 대한 시험이 시작되기 전에 상용 PFM을 먼저 래프트 펌프에 부착하여 비교 표준으로 사용했습니다. 뗏목 펌프는 스톱워치로 기록된 시간에 압축되었습니다. 스톱워치가 가리키는 시간과 관련하여 특정 유속을 할당하기 위해 다양한 시도가 실행되었습니다. 이 절차는 PFM에 대해 다시 수행되었습니다. PFM을 교정하기 위해 압력을 완화하고 상업용 PFM의 성능을 시뮬레이션하기 위해 PFM의 베이스와 하단 샤프트에 구멍을 뚫었습니다. 일관된 결과가 나올 때까지 실험이 수행되었습니다. 그런 다음 색상 코드 시스템으로 톱날에 유량을 표시했습니다.
소개
피크 유량계(PFM)는 내쉬는 공기의 체적 유량을 측정하여 사용자가 천식이 얼마나 효과적으로 조절되는지 확인하는 데 도움이 되는 휴대용 휴대용 장치입니다. 다양한 상업용 피크 유량계를 아래에서 볼 수 있습니다.
그림 1: 상업용 최대 유량계 20대의 건강한 사람은 약 600L/min의 최대 유량을 기대할 수 있습니다. 천식 환자는 일반적으로 이보다 낮은 유속을 가지지만 자신의 건강 상태에 따라 달라질 수 있습니다. 매일 최대 호기량 측정기를 사용하고 결과를 추적함으로써 의사는 환자 천식의 상태를 매일 확인할 수 있으며 어떤 유형의 치료가 필요한지 결정하는 데 도움이 됩니다.
목표
피크 유량계는 가정과 진료소에서 유용합니다. 이는 환자가 진료실 내 치료 전후에 결과의 변화를 확인할 수 있는 경우 특히 그렇습니다. 그들은 천식 상태의 감소를 알아차리고 다음 예약 시 의사에게 정보를 전달할 수 있습니다. 종종 개인의 최대 호기 유량 감소는 건강 상태 악화의 징후입니다. 문제는 사람들이 필요할 수 있는 모든 곳에서 최대 유량 측정기를 쉽게 얻을 수 없다는 것입니다. 많은 개발 지역이나 외딴 지역에서는 최대 유량계와 같은 의료 기기를 쉽게 찾을 수 없습니다. 이 설계 프로젝트는 개발도상국이나 농촌 지역의 임상의가 사용할 수 있는 간단한 피크 유량계 설계에 중점을 둘 것입니다. 과제는 전 세계 어느 작은 도시에서든 구할 수 있는 공급품으로 제작할 수 있는 장치를 설계하는 것입니다. 이렇게 하면 디자인을 보유한 사람은 누구나 필요한 모든 자료에 접근할 수 있습니다. 최대 유량계에 사용되는 재료는 신체용 PVC 튜브와 사람의 호기 체적 유량을 측정하는 데 사용되는 알루미늄 조각으로 구성됩니다. 설계는 누구든지 그것을 만드는 사람이 정확한 판독값을 얻을 수 있도록 표준화되어야 합니다. 주요 과제는 장치 자체의 구성이 아니라 교정입니다. 저가형 피크 유량계는 생산 피크 유량계와 유사한 반복 가능한 결과를 얻을 수 있다는 것이 보장되어야 합니다. 연구에 따르면 저렴한 최대 유량계를 설계하려는 다른 유사한 노력은 없는 것으로 나타났습니다.
실험장치
피크 유량계는 내부에 자유롭게 이동할 수 있는 플런저가 있는 속이 빈 튜브로 구성됩니다. 사람이 불어넣는 PFM 부분은 플런저를 둘러싸는 중공 튜브에 수직이어야 합니다. 플런저는 체적 유량에 비례하여 변위되는 장치입니다. 플런저에는 플런저를 중공관 내 최대 높이로 유지하는 메커니즘이 부착되어 있습니다. 이 설계에서는 스프링이 장착된 피벗 지점의 왕복 톱날을 사용하여 PFM 측정을 수행할 수 있습니다.
그림 1: 피크 유량계 단면도수동식 공기 펌프는 PFM에 균일한 흐름을 분산시키는 데 사용되는 흐름 챔버에 연결됩니다. 펌프 핸들을 누르면 유량 챔버에 정체된 공기가 이동하여 최대 유량계로 이동합니다. 이 프로세스는 뗏목 펌프가 다이어프램을 나타내고 유량 챔버가 폐활량을 시뮬레이션하는 PFM에 사람이 불어넣는 프로세스를 모방하도록 설계되었습니다.
그림 2: 실험 장치그림 4에서 볼 수 있듯이 교정 문제를 극복하기 위해 피크 유량계를 조절된 공기 공급 장치에 연결합니다. 이는 최대 유량계를 보정하기 위해 꾸준한 유량 버스트를 제공하는 인간의 폐력을 시뮬레이션합니다. 구멍은 샤프트를 따라 제어된 패턴으로 드릴링되어 PVC 파이프 내부의 급락 물체 아래에 쌓인 공기 압력을 고르게 방출합니다.
피크 유량계를 만들려면 1.25인치 ID PVC 튜브의 10인치 단면과 수직 측면에 0.75인치 암 슬립 피팅이 있는 T-조인트가 사용됩니다. 1.25인치 수 플러그가 T-조인트 바닥에 삽입됩니다. 0.75인치 암 슬립 피팅은 상업용 PFM의 마우스피스 크기를 시뮬레이션합니다. 0.75인치 암 엔드 캡이 1.25인치 PVC 내부에 부드럽게 들어맞도록 플런저를 제작했습니다. 플런저는 0.75인치 파이프 단면에 1인치가 부착된 두 개의 0.75인치 캡으로 구성됩니다. PFM 상단에는 슬롯 컷이 있는 1.25인치 암 캡이 있습니다. 슬롯은 왕복 톱날이 미끄러져 들어갈 수 있는 접근 통로 역할을 합니다. 왕복 톱날의 톱니 각도에 맞게 알루미늄 조각이 구부러져 있습니다. 볼록한 돔 바로 앞에 캡 중 하나에 0.125인치 구멍이 뚫려 있습니다. 이 구멍을 통해 핀이 삽입되어 왕복톱날을 고정합니다. 플러그 캡에 슬롯이 절단되어 스프링이 장착된 왕복 톱날의 끝이 캡 내부의 핀을 중심으로 회전할 수 있습니다. 압축 스프링은 접이식 펜에서 가져왔습니다. 이 스프링은 블레이드 가장자리에 수직으로 강력 접착되었습니다. 스프링은 PFM 상단의 알루미늄 캐치 장치에 대해 블레이드를 누르기에 충분한 저항을 제공합니다. 0.125인치 구멍을 PVC 파이프의 10인치 단면 바닥에서 1인치 뚫고 핀을 삽입합니다. 이 핀의 목적은 플런저가 재설정될 때마다 플런저가 일관된 레벨에서 시작되도록 하는 것입니다. 파이프의 10인치 단면에 뚫어야 하는 첫 번째 구멍은 직경이 5/16인치이고 파이프 바닥에서 1.16인치에 위치합니다. 두 번째 구멍의 직경은 7/32이고 파이프 바닥에서 0.84인치 떨어진 곳에 있습니다. 3/8인치 직경의 구멍이 0.75인치 암 구멍 바로 맞은편에 있는 T-조인트 중앙에 뚫려 있습니다. 마지막 구멍의 직경은 3/8이고 하단 1.25인치 수 플러그 중앙에 있습니다. 아래 그림은 구멍을 뚫어야 하는 위치의 단면도를 보여줍니다.
그림 3: 구멍 위치를 보여주는 단면도상업용 뗏목 펌프를 수정하고 공기 흐름의 정확한 타이밍을 허용하기 위해 스톱워치를 장착했습니다. 설정은 다음과 같습니다. 표준 스톱워치를 분해하고 차폐선을 시작/중지 버튼의 금속 활성화 표면에 납땜했습니다. 전선은 두 개의 간단한 버튼으로 연결됩니다. 버튼 중 하나는 펌프 핸들에 부착되어 있고, 다른 하나는 펌프 내부 바닥면에 삽입되었습니다. 사용자가 핸들을 아래로 내리기 시작하면 핸들 버튼이 눌러집니다. 플런저 이동 거리의 바닥에 도달하면 펌프 바닥에 있는 버튼을 누르고 자동으로 스톱워치를 멈춥니다. 시간을 재설정하고 여러 번의 시도를 실행할 수 있도록 스톱워치의 재설정 버튼이 유지되었습니다.
뗏목 펌프는 0.75" 튜브를 통해 흐름 챔버로 알려진 장치에 연결되었습니다. 흐름 챔버는 2" PVC 파이프의 8" 섹션에 연결된 두 개의 1" x 1.25" 어댑터로 구성됩니다. 흐름 챔버의 각 끝에서, 1" 수 호스 어댑터를 유량 챔버에 끼우고 모든 종류의 공기 누출을 방지하기 위해 테플론 테이프를 사용하도록 했습니다.
실험적 절차
교정 프로세스를 위한 시험이 시작되기 전에 래프트 펌프 튜브와 모든 PVC 조인트가 단단히 연결되었는지 확인했으며 스톱워치가 영점 조정되었습니다. 비교 기준으로 삼기 위해 상업용 PFM을 먼저 뗏목 펌프에 부착했습니다. 구멍이 막히지 않도록 테이블 위에 설치를 배치했습니다. 펌프를 압축하기 전에 PFM의 플런징 장치가 0 위치로 재설정되었는지 확인했습니다. 스톱워치에 기록된 시간에 뗏목 펌프가 압축되었습니다. 스톱워치를 활성화하려면 뗏목 펌프의 핸들이 압축되는 동안 빨간색 핸들 버튼을 동시에 눌렀습니다. 스톱워치의 시간을 멈추기 위해 핸들을 완전히 눌렀습니다. 그런 다음 압축 공기는 유량 챔버로 이동하여 PFM에 대한 일정한 체적 유량을 생성합니다. 타이머가 지시하는 시간과 관련하여 특정 유속을 할당하기 위해 다양한 시도가 실행되었습니다. 설계된 PFM에 대해 이 절차를 다시 수행했습니다. 설계된 PFM을 보정하기 위해 압력을 완화하고 상업용 PFM의 성능을 시뮬레이션하기 위해 PFM의 베이스와 하단 샤프트에 특정 크기의 구멍을 뚫었습니다. 일관된 결과가 나올 때까지 실험을 진행했습니다. 그런 다음 왕복 톱날에 중간점이 기록되었습니다. 시험에서 얻은 표준 데이터를 참조하여 유량에 대한 상관 관계를 얻었습니다. 그런 다음 색상 코드 시스템을 통해 톱날에 유량을 표시했습니다.
결론
그림 4. 유량.
그림 5 플러그 이동 거리.이번 디자인 프로젝트는 성공적이었다고 자신 있게 결론 내릴 수 있다. 프로젝트 시작부터 끝까지 우리는 University of Michigan – Dearborn에서 수년 동안 습득한 다양한 기술을 활용하고 있음을 알게 되었습니다. 피크 유량계는 매우 기본적인 재료로 설계되었으며 상업용 유량계의 유량 결과를 재현하도록 교정할 수 있었습니다. 피크 유량계를 만들 때 예산을 염두에 두는 것이 큰 장애물이었습니다. 부록에 표시된 예산에서 알 수 있듯이 교정 장비를 제외한 PFM의 총 가격은 7.65달러로 시장에서 가장 저렴한 PFM 가격의 절반도 안 되는 가격입니다.
상업용 최대 유량계와 일치하는 정확한 결과를 얻었지만 우리의 설계에는 예상치 못한 부정확성이 있었습니다. 다행스럽게도 이러한 현상은 최고 유량 판독값의 매우 높거나 낮은 범위에 존재하는 것으로 나타났습니다. 우리의 주요 유량 측정 부정확성은 유량 표시기의 설계에서 비롯되었습니다. 유량 표시기(왕복 톱날)는 작은 스프링에 의해 알루미늄 스토퍼에 가볍게 눌러집니다. 대부분의 유량 값에서 스프링은 장치 작동에 눈에 띄는 영향을 미치지 않습니다. 그러나 유량 값이 높을수록 스프링이 더 늘어나 표시기에 더 많은 힘이 가해집니다. 이 부하는 처음에는 고려되지 않았으므로 부정확성을 나타냅니다. 다행스럽게도 높은 유량 값(> 700L/min)을 달성할 수 있는 사람은 피크 유량계를 정기적으로 사용해야 하는 문제가 발생하지 않을 것으로 예상됩니다. 또한 부정확성의 원인은 플런저 자체의 무게였습니다. 낮은 유량 값에서는 플런저를 밀어내는 공기의 힘이 정확하고 반복 가능한 결과를 생성하는 데 충분하지 않습니다. 그러나 최대 유량이 350L/min 미만인 사람은 가정용 최대 유량계 범위를 넘어서는 의료 조치가 필요할 수 있습니다.