Donaciano Jiménez V á z b e z

UNIVERSIDAD AUTóNOMA METROPOLITANA

UNIDAD IZTAPALAPA

División de Ciencias Básicas e Ingeniería

Departamento de Ingeniería Eléctrica

Prototipo de un control electrónico básico de incubadora,

Para la termorregulación neonatal

Tesis que presentan los alumnos:

Solís Paulino Leonor Isabel 91 325010

P

ara

I

a o btención del grado de Licenciatura en hgeniería Biomédica

Asesor:

J

.<

Donaciano Jiménez V á z b e z

i

VROTOTIPO

D E UN CONTROL E L E C T R ~ N I C O

BÁSICO

lndice

Capítulo 1 Antecedentes

1

Capítulo 2 Introducción

4

2.1 Limpieza

4

2.2 Seguridad

simplicidad

4

2.3 Una fácil

exacta regulación . . .

5

Capítulo 3 Justificación

7

3.lObjetivo.

8

3.2 Hipótesis

₈

3.3 Material

₉

Capítulo

4

Marco Teórico

10

4.1 Generalidades

10

4.2 Funcionamiento del Módulo de Control

10

Capítulo

5

Norma Oficial Mexicana

₁₃

5.1 Definición de Incubadora

14

5.2

Temperatura de la Incubadora

14

5.3

Temperatura Promedio

14

5.4

Temperatura de Equilibrio

₁₅

5.5

CondiciGn

de

Temperatura Estable

₁₅

5.6

Variabilidad de la Temperatura

₁₅

5.7

Temperatura de Control

15

15

5.9

Símbolos

Abreviaturas

₁₆

5.1

O

Especificaciones

16

5.1

Condiciones Ambientales de Operación

17

5.1

2 Tensión de Alimentación

. . .

17

5.1

3 Materiales

5.14 Chasis (Módulo de Control)

18

5.1

5

Características Térmicas

5.1 6 Alarmas e Indicadores

5.17 Niveles de sonido DBA

. . .

24

5.1

8

Características Eléctricas

25

Capítulo 6

Metodología

27

6.1 Etapa 1

27

6.1

.

1 Análisis de la Etapa 1

29

6.1.2 Selector de Temperatura

. . .

34

6.2 Etapa 2

37

6.3 Etapa

42

6.3 Etapa

4

44

Capítulo

Resultados

47

Capítulo

8

Discusión

51

Prólogo

La complejidad del cuidado de la salud nos ha llevado a proponer soluciones sencillas y practicas. Dentro de las cuales abordamos en concreto el área del cuidado neonatal.

En esta tesis proponemos un control básico para regular la temperatura corporal del neonato {de forma indirecta), ya sea para su ambientación o bien para su observación en caso de problemas de salud menores. En esta última parte queremos resaltar que en algunos lugares, como son las sierras, estos equipos básicos marcan una gran diferencia en la mortalidad infantil, ya que son utilizados para cuidados intensivos.

Este prototipo pretende crear un microambiente similar al que tendría el vientre materno, con la opción de regular la temperatura y la humedad. Esto favorece en mayor grado el cuidado del neonato que se tenga en observación.

La base fundamental en que se desarrolló este prototipo es utilizando un termómetro y un control electrónico para regular la temperatura. El termómetro cumple con la función de sensar y desplegar la temperatura que se tiene en el interior del equipo. Por otro lado, el control permite regular o seleccionar la

temperatura del interior. De tal manera que el especialista tiene la opción de utilizar un cierto rango de temperatura para cada uno de

los

Una vez que el especialista selecciona la temperatura que requiere, el circuito activa un calefactor, a través del cual pasa un flujo de aire para ser calentado. Este flujo es direccionado por canales metal-mecánicos al interior de la burbuja (capacete), creando la atmósfera adecuada. Este mismo flujo vuelve a ser absorbido por el lado opuesto de la burbuja, por medio de la turbina. En este punto se tiene el sensor del termómetro, el cual indica la temperatura que tiene el microambiente, permitiendo la comparación entre la temperatura seleccionada y la sensada. El flujo reingresa al calefactor, cerrando así el circuito que crea un ambiente estable.

Una vez que se tiene la temperatura deseada, el circuito continua comparando ambas temperaturas y en caso de obtener una lectura menor en el termómetro activa el calefactor, desactivándolo en cuanto ambas lecturas son iguales.

1

ANTECEDENTES

Dentro de los diversos problemas de salud que presenta la población de nuestro País, se encuentra la elevada tasa de mortalidad infantil, principalmente en las poblaciones más alejadas de las grandes ciudades. Para entender mejor la magnitud del problema, es importante mencionar que en contraste con nuestra realidad, los países desarrollados poseen una mortalidad infantil inferior a 1 O x 1000 nacidos vivos['51.

La población mas vulnerable a la supervivencia son los infantes prematuros. Un infante prematuro es aquel que nace con la piel, esqueleto y órganos de un feto de siete meses, de manera que sus tejidos no han tenido el tiempo suficiente para madurar, y por lo tanto, no esta listo aun para completar un cambio en su medio ambiente; es posible que

los

Es por esto que ios infantes prematuros Gecesitan el uso de equipos de monitoreo y

soporte que sustituyan de alguna forma el medio ambiente que tenían cuando se encontraban en el útero materno.

Independientemente de

los

alimentación adecuada, etc., también necesitan un medio ambiente que los mantenga a una temperatura y humedad constantes, de manera que conforme pasa el tiempo el

neonato prematuro debe ir evolucionando y aprendiendo a regular su temperatura para

adaptarse al nuevo ambiente externo.

En las localidades de las poblaciones alejadas, un elevado número de niños recién

nacidos con problemas de salud muere, por carencia de equipos médicos básicos en

los hospitales, principalmente por falta de incubadoras.

La incubadora es la herramienta principal para la atención de neonatos con problemas

graves de salud, cuya función es brindar al niño recién nacido un ambiente similar al

vientre materno,

lo

humedad, oxigenación y esterilidad.

Teóricamente, una incubadora perfecta debería contener una solución salina en vez de

aire caliente, manteniendo al infante suspendido en esta solución; imitando mas de

cerca el interior uterino. Sin embargo, esto es imposible de crear, de tal manera que

debemos conformarnos con una atmósfera en vez de una hidrosfera; pero lo mas

importante es que este tipo de ambiente previene el riesgo de que el infante caiga en

un estado de hipotermia. ['I

Pero no solo

los

su temperatura, también los infantes que han nacido en condiciones normales, pueden

requerir del uso de las incubadoras, sobre todo cuando las condiciones ambientales

son muy frías, tal y como sucede en las partes altas como son las sierras, o en lugares

que se encuentran alejados de las grandes ciudades en donde se puede tener mayores

cuidados; ya que de esta manera se va acondicionando al neonato a vivir a la

temperatura externa o medio ambiente de forma gradual.

Esta realidad es la motivación que nos compromete a desarrollar un prototipo de incubadora con tecnología nacional, que permita reducir los costos de fabricación y

ahorrar divisas por gastos de importación.

Para cump!ir en forma apropiada con el objetivo de proporcionar artificialmente dichas condiciones ambientales al recién nacido, una incubadora debe estar conformada por dos sistemas que interactúen entre sí, un sistema mecánico robusto y funcional, que en conjunto con un sistema electrónico inteligente y confiable, permitan controlar todas las actividades que debe realizar la incubadora del modo más eficiente posible.

Capítulo

2

2

INTRODUCCION

Uno de los problemas más serios en la practica obstétrica, es el cuidado adecuado del infante prematuro en sus primeras semanas de vida.[*]

De manera que en ausencia de cuartos especiales de cuidados para neonatos, el uso de una incubadora puede ser una mejor opción para su cuidado.

Los principales requisitos para este tipo de aparatos son:

2.1 Limpieza.

El aparato debe ser construido de manera que sea fácil de limpiar para mantener un

grado de asepsia óptimo, con el fin de que no se desarrollen microorganismos que puedan atacar al infante, sobre todo en infantes prematuros, que son los que ofrecen una mayor vulnerabilidad contra los ataques de microorganismos.

2.2 Seguridad y simplicidad en su manejo

Es decir que no provoque riesgos al infante y al operador del equipo tales como son un

calentamiento excesivo que pudiera provocar una deshidratación al infante o que pueda provocar quemaduras a ambos; que tenga una adecuada circulación de aire fresco (ventilación), además de poder usarse sin tener un entrenamiento muy

especializado sobre el funcionamiento uso y servicio de estos aparatos.

Ventilación y oxigenación adecuada

TERt {ORREG GLcl CION iVEONA T.4 L

Se necesita una ventilación y oxigenación adecuada de manera que el flujo de aire no se estanque, con lo que aumentaría la temperatura y por lo tanto podría provocar una deshidratación del infante, además dependiendo de la prescripción medica, se le administra oxígeno al microambiente; el equipo debe contar con una entrada y

señalización adecuados para el suministro de oxígeno, de manera que no constituya un riesgo.

2.3 Una fácil y exacta regulación de la temperatura

Este es el punto mas importante que debe tener una incubadora, ya que el equipo debe ser capaz de regular la temperatura interna del microambiente con una mínima variación, de manera que al infante no se le ponga en riesgo por cambios bruscos de temperatura. Además, el sistema de control para un equipo sencillo debe contar con elementos que no sean costosos pero que al mismo tiempo, sean fáciles de conseguir en el mercado para su mantenimiento y su buen uso. Un equipo que sea simple y

barato en su construcción, se vuelve una herramienta indispensable para cualquier hospital pequeño que no tenga la infraestructura económica necesaria o mínima para adquirir equipos más caros y sofisticados.

Las partes principales que componen una incubadora sencilla se muestran en la figura

1 .

TERMORREGlJLACION NEONATAL

PARTES

Y

CONTROLES

1

_-

2.- ENTRADA PARA BASCULA PESA BEBE

3.- ACCESOS TIPO ARO IRIS

4.- MANGAS

5.- PUERTA DE SERVICIO

6.- COLCHON

7.- CHAROLA PORTA COLCHON

8.- PLATAFORMA PRINCIPAL

9.- BISAGRAS CAPACETE DERECHA CON

SEGURO

-

10.- MANIJA CAPACETE 11 .- MANIJAS DE POSICIONES

12.- CUERPO DE INCUBADORA

13.- PERILLA PARA CONTROL DE

HUMEDAD

14.- NIVEL DE AGUA

15.- MODULO DE CONTROL

16.- PORTA FILTRO DE AIRE Y OXIGENO EN LA PARTE POSTERIOR

17.- GABINETE PORTA INCUBADORA

18.- PUERTAS DE GABINETE

19.- RUEDAS SIN FRENO

20.- RUEDAS CON FRENO

vT"4í"

I

'I

Figura 1. Partes y controles principales de una incubadora.

Capítulo

3

3

JUSTlFlCAClON

El propósito de crear un módulo de control que sea barato y fácil de operar nace de la

necesidad que tienen las clínicas que se encuentran en áreas poco accesibles y por lo

tanto donde las innovaciones tecnológicas no son muy frecuentes, además de las

clínicas que cuentan con escasos recursos económicos para poder adquirir equipos

que sean demasiado sofisticados y que por lo tanto lleva aunado a ello un costo en la

necesidad de contar con un especialista que de cursos acerca del manejo del aparato,

además del costo que implica el conseguir las refacciones en caso de realizar el

servicio de mantenimiento correctivo; ya que si se trata de equipo muy sofisticado y

sobre todo equipo importado, las refacciones se elevan y el tiempo que tardan en poder

llegar se incrementa, aparte de que debe contratarse a personal calificado para brindar

un adecuado servicio; lo que redunda principalmente en dos factores que son: tiempo y

dinero.

En cuanto a la cuestión económica sabemos que las clínicas que no se encuentran tan

cerca de !as grandes ciudades obviamente no tienen todos

los recursos a

Respecto al tiempo, sabemos que es un factor de mayor importancia, pues un aparato

que no se encuentra disponible debido a que está en reparación o a que para conseguir

los componentes en el mercado es difícil o son muy caros, trae como consecuencia

que en una emergencia el infante pueda morir.

Debido a esto, realizamos una propuesta de incubadora simple, pero funcional y

confiable, en donde los componentes son fáciles de adquirir en el mercado sin

necesidad de realizar importaciones y cuyo servicio no es tan largo ni difícil de realizar.

3.1 OB

J

0 El objetivo del presente trabajo es brindar una contribución tecnológica básica,

desarrollando un módulo de control electrónico para incubadora, mediante tecnología comercia¡ en nuestro País.

3.2 HIP~TESIS

Mediante la implementación de tecnología comercial, se desarrollará un módulo de control electrónico para incubadora que permitirá la termorregulación neonatal, contando con la protección mínima para el neonato.

3.3 1

1

1

2

1

1

1

1

1

MATERIAL

Placa de cobre

Convertidor analógico digital para displays a 3 % dígitos

Displays de 7 segmentos

Sensores de temperatura

Resistencias variables

Circuitos amplificadores operacionales

Material electrónico diverso

Calefactor

Motor

Turbina

Elementos de soporte y conexión

Cámara de acrílico

Manuales diversos de circuitos y componentes electrónicos

PC

Programa de simulación workbench

TER1 IORREGtiLACIÓN NEON1 íY L

Capítulo 4

4

MARCO TEORICO

4.1 GENERALIDADES

El panel de control de la incubadora le permite al usuario seleccionar la temperatura a la cual se desea tener dentro del microambiente. Cuenta también con alarma visual y

audible de alta temperatura, lo que garantiza una adecuada vigilancia al neonato; además a la temperatura de 38

"C

que se garantiza aún más una protección contra sobretemperatura .

4.2 FUNCIONAMIENTO DEL MODULO DE CONTROL

Para el funcionamiento del equipo, este cuenta con un interruptor de apagado/encendido, situado en el módulo de control; al activarse en la posición de encendido, se enciende a su vez el indicador de color amarillo (LED) que indica

ACTIVADO.

Para la generación de temperatura, el calefactor funciona por medio de comparadores de voltaje. es decrr. el sensor de temperatura se encarga de convertir la temperatura

sensada a un voltaje determinado, con lo que por medio de un voltaje de referencia se comparan

entre

continúa calentando. Es importante aclarar que el elemento calefactor no es realimentado con la temperatura del neonato.

Para la selección de la temperatura se gira la perilla que se encuentra situada en el panel de control, seleccionando el valor de temperatura al cual desea mantener el microambiente. Para verificar que el calefactor se encuentra en su estado activo, debe mantenerse encendido en el mismo panel frontal el indicador verde (LED); si éste se

encuentra apagado, es signo de que el calefactor no se encuentra activo y por lo tanto no se está generando calor para el microambiente.

Si por

otro

temperatura, es decir, que se sobrepase de 39 "C debe escucharse la alarma audible, y debe encenderse el indicador

rojo

El módulo de contra1 está formado por ;

un gabinete desmontable en el cual se

encuentran :

1 .- DOS MANIJAS

2.- CUATRO PERILLAS DE SUJECION

3.- CABLE DE ALIMENTACION

4.- FUSIBLE 3 AMPERS

5.- INTERRUPTOR GENERAL

6.- INDICADOR VISUAL DE ENCENDIDO

7.- PERILLA PARA SELECCION DE TEMPERATURA

8.- INDICADOR VISUAL DE

CALEFACTOR FUNCIO

9.- INDICADOR VISUAL DE ALARMA

10.- TERMOMETRO DIGITAL

11 .- SENSOR DE TEMPERATURA

PARA CONTROL

12.- VENTILADOR

13.- SENSOR DE TEMPERATURA PARA ALARMA

14.- RESISTENCIA CALEFACTORA

! .L. _. ',-A ,",. . .* . d.. ' L -.'.- , .,., . U

Partes del m6dulo de control PARTE POSTERIOR

Figura 2. Módulo de control

"

Capítulo 5

5

NORMA

OFICIAL MEXICANA

La principal responsabilidad del desarrollo de equipo, en este caso de un prototipo de

módulo de control para incubadora, es cumplir con las normas establecidas por el País

de origen (México). Lo anterior nos lleva a revisar la Norma Oficial Mexicana NOM-066-

SSAI-1993. Esta norma establece las especificaciones sanitarias de las incubadoras

para recién nacidos.

El objetivo de esta Norma es establecer los requisitos mínimos de seguridad y

funcionamiento que deben cumplir las incubadoras de cuidados generales para recién

nacidos prematuros, las cuales son impulsadas eléctricamente para asistir al bebé en el

mantenimiento de su balance térmico controlando las condiciones adecuadas de

temperatura, humedad y aislamiento del medio ambiente exterior.

Sin embargo, como la Norma establece los requisitos para una incubadora, únicamente

se tomaron los puntos o apartados correspondientes al correcto funcionamiento

electrónico de dicha incubadora. Estos apartados fueron analizados y cubiertos, casi en

su

el

Los puntos que no fueron cubiertos son aquellos en los cuales se requiere del equipo

completo para verificar su correcto funcionamiento o bien requieren de ajustes en el

diseño.

Para establecer de forma correcta la relación entre las especificaciones y el circuito, se

estableció la forma de operación del circuito o bien se indican las pruebas necesarias

para su correcto funcionamiento.

5.1 Definición de Incubadora.

Aparato provisto de una cámara aislada que mantiene a una temperatura constante en

atmósfera controlada a un recién nacido prematuro para continuar su desarrollo normal.

Este equipo electromédico diseñado para contener un bebé tiene secciones

transparentes que permiten observarlo.

Incubadora para Cuidados Generales de Recién Nacidos: Incubadora en que se

controla la temperatura del aire del compartimiento del recién nacido.

5.2 Temperatura de la incubadora.

Es la temperatura medida en el aire dentro de la incubadora en un puntó central 1 O cm

arriba del centro de la superficie del colchón, en el compartimiento del recién nacido.

*Se toma como referencia el rango de 28°C a 38"C, estos datos se relacionaron con el

voltaje medido en el circuito, tomando como parámetro una relación lineal entre la

temperatura y el voltaje (2.8 V a 3.8V).

5.3 Temperatura promedio.

Es

el

punto

condición de temperatura estable.

Una vez que se tenga el módulo en funcionamiento se debe meter a la cámara

permitiendo que la temperatura en el interior de la misma permanezca estable en un

tiempo determinado (aproximadamente 48 hrs), esto con una vigilancia continua y

registros de la temperatura en intervalos regulares, se propone un registro cada hora.

"

RIbERO. SOLIS.

~

5.4 Temperatura de equilibrio.

Es la temperatura promedio alcanzada cuando la temperatura varía no en más de 0.2OC en una hora.

*Esta prueba se debe realizar dentro de la cámara, sin embargo el circuito en un ambiente cerrado y sin variaciones de corriente no varía más de 0.2"C.

5.5 Condici6n de temperatura estable.

La condición alcanzada cuando la temperatura en el compartimiento del bebé

no

más de 1 K (1 OC) en el periodo de una hora y la temperatura promedio no varía más de

0.2K (0.2OC) durante este periodo.

*Prueba no realizada, debido a la falta de cámara.

5.6 Variabilidad de la temperatura.

Son

los

*Prueba no realizada. debido a la falta de cámara.

5.7 Temperatura de control.

E s la seleccionada en el control de temperatura.

Esta temperatura es la que ncs marca el seiectw de temperatura y que se encuentra linealizada

5.8 Temperatura de la incubadora.

Temperatura en un punto dentro de la incubadora, a 10 cm por arriba del centro de la superficie del colchón.

RIVERO. SOLÍS.

-

5.9 Símbolos y abreviaturas.

NOM Norma Oficial Mexicana

SI Sistema Internacional de Unidades de Medida

VCA Volts de Corriente Alterna

NIE Clasificación de materiales aislantes

CA Corriente alterna

cc

DBA Decibeles con una curva de ponderación “A”

Una vez que el prototipo se desarrolla para producción se deben utilizar los símbolos y

abreviaturas antes mencionadas.

5.1 O Especificaciones

Las incubadoras deben tener un sistema de acondicionamiento ambiental con cámara

aislada que debe reducir la pérdida y ganancia de calor por radiación, aminorar la

penetración de ruidos, humedad controlada, concentraciones controladas de oxígeno,

con alarmas visuales y audibles conectadas a los sensores especificos que señalan

5.1 1 Condiciones ambientales de operación.

Temperatura: 293

K

32OC) 28°C a 38°C.

Humedad relativa: 60% f 20%

Presión barométrica: 75.4 kPa a 100.1 kPa (580 mmHg a 770 mmHg).

Velocidad del aire: 10 a 15 cm/seg. Se maneja un motor de 1500 RPM, el cual entra en el rango requerido. Para mayor seguridad se requiere una prueba fisica en el interior de la incubadora utilizando un anemómetro.

5.12 Tensión de alimentación.

Debe trabajar a 127 volts k 10% de tolerancia a 60 hertz.

*Este rango

se

5.3 3 Materiales.

Los materiales deben ser resistentes y no sufrir deformaciones que afecten el funcionamiento de la incubadora bajo condiciones normales de operación. No se admite fuente radiante a excepción de la lámpara de fototerapia.

Se debe evitar emplear materiales inflamables en la construcción del equipo.

.~

RIVERO. SOLÍS.

~

Los materiales metálicos deben estar protegidos contra la corrosión. Todas las superficies en el compartimento del recién nacido, ductos, unidad humidificadora y

otros componentes del sistema de circulación del aire, deben ser fácilmente accesibles a la limpieza y desinfección.

*Se utilizan materiales como el aluminio o bien metales con recubrimiento y aislantes.

5.14 Chasis (módulo de

control).

Debe estar integrado a la caja mayor y contener

los

incubadora. Debe estar protegido contra daños y otros riesgos de trabajo

El módulo de control deberá removerse por medio de un sistema que permita el

aseguramiento óptimo al chasis principal.

5.1 5 Características térmicas.

Temperatura de El control de temperatura de la

El

equilibrio incubadora debe lograr este entre 27°C y 37°C. equilibrio desde 296.15 K

(23OC) y no más de 31 0.1 5 K (37OC).

Sobregiro de la Debe alcanzar un máximo de El equipo se alarma a máxima temperatura 312.15 K (39OC) , por medio de 39°C interrumpiendo

de control. una acción especial del el funcionamiento del operador sobre el dispositivo de calefactor.

ajuste de temperatura. Este modo de operación debe ser indicado con una luz de advertencia u otra señal fácilmente reconocible o

combinado con una indicación relevante para este sobregiro de temperatura.

Exactitud de la k 0.3

K

temperatura indicada,

K ("C).

Correlación entre la k 0.7 K (+ 0.7OC) temperatura indicada y

la temperaiura de control, K (OC).

Temperatura de las 31 3.15 K (4OOC) máximo superficies que están

en contacto con el recién nacido, K (OC).

Temperatura de las 31 3.15 K (4OOC) máximo superficies accesibles

al recién nacido (en condiciones normales de operación o cuando cesa la circulación de aire o el control

principal de

temperatura falla). K

("C)

En superficies 31 3.15 K (4OOC) máximo metálicas.

No se realizó la prueba.

Se reqiere la cámara.

Se reqiere la cámara.

Se requiere la cámara.

-~ -

En superficies no 316.15 K (43OC) máximo metálicas.

Temperatura de las 31 3.15 K (4OOC) máximo superficies accesibles

al operador durante la operación normal de la incubadora, K ( O C ) .

En superficies 333.15 K (60.15OC) máximo metálicas de alta

conductividad térmica.

En superficies de 343.15 K (7OOC) máximo. plástico de baja

conductividad térmica

o de madera.

Se requiere la cámara.

Se requiere la cámara.

El calefactor alcanza una temperatura

máxima de

60°C.

Se requiere la cámara.

5.16 Alarmas e indicadores

Termostato o dispositivo La incubadora debe disponer El corte de la energía electrónico de control para de un dispositivo que active se tiene a

38°C

310.15

39°C.

(37OC).

temperatura de la incubadora sea igual o mayor de

31 1.15

(38OC).

Termostato o dispositivo La incubadora debe disponer La activación de la electrónico de control para de un dispositivo que active alarma es

39OC.

el rango del sobregiro en una alarma de alta la máxima temperatura de temperatura y corte la energía control, hasta

312.15

(39OC).

sea igual o mayor de

31 3.1

(4OOC).

Dispositivo de protección

El

contra desajustes temperatura debe disponer de accidentales en _{un dispositivo que prevenga} termostatos o dispositivo cambios accidentales del electrónico de control con ajuste interno! durante el

ajuste interno. mantenimiento preventivo o el servicio del equipo.

5.16 Continuación

...

Dispositivo para verificar la

integridad de

los

de las alarmas de alta

temperatura.

Alarma para falla en la

circulación del aire.

Lapso en que la alarma

para falla en la circulación

del aire entra en

funcionamiento: en tres

minutos.

Indicador de temperatura

de la incubadora.

El equipo debe disponer de

este dispositivo, que debe

operar durante el uso normal,

sin necesidad de interrumpir

la terapia.

El equipo debe disponer de una alarma audible y visual.

Debe ser especificado por el

fabricante.

El equipo debe disponer de un

indicador independiente de

cualquier dispositivo de

control. La temperatura

indicada debe ser claramente

visible y legible, sin tener que

abrir el compartimiento del

recién nacido. La indicación

puede ser continua,

intermitente o activada por el

usuario.

No se tiene.

Se utiliza la alarma de

alta temperatura.

La alarma entra en

funcionamiento cuando

registra una alta

temperatura.

El indicador es visual

(LED) y cambia de

intensidad.

En el compartimiento del recién nacido, en No debe ser mayor de 60 DBA

condiciones normales de operación.

En el compartimiento del recién nacido, con todas No debe ser mayor de 80 DBA.

las alarmas activadas.

En el exterior de la incubadora a 3 m de distancia a No debe ser mayor de 65 DBA.

una altura de 1.8 m, con cada una de las alarmas

activadas.

Para los apartados anteriores se maneja un buzzer con las siguientes características

FRECUENCIA VOLTAJE DE CONSUMO DE NIVEL DE

MOD.

SONIDO MIN. MAX. A IZVCD

VCD kHz TONO PRESION DEL CORRIENTE OPERACIóN OSCILATORIA

MIN. mA 30 cm/lSVCDdB

BGD3 3.5 2 0.5 3

-

' O

I

5iD 1 + lento 1.2

!

1

!

j

j

Hz F 20%

I

CONEXION

ES

Cables

~~ ~~~

Temperatura de operación:

-20

-

+

"C

BGD3LCID

RIVERO. SOLÍS.

".

Se observa que el buzzer utilizado maneja 95 dB, sin embargo este buzzer debe atravesar varias paredes antes de llegar al neonato, lo cual disminuye los dB hasta en .

un 35%, obteniendo con ello menos de los 60 dB que marca la Norma,

5.18 Características eléctricas

Límites de corriente de riesgo.

Dispositivo de protección contra sobrecorriente.

Interruptor de energía eléctrica.

Cable de alimentación

Tipo de ciavija del cable de airmentaci6n.

Requisitos generales de seguridad eléctrica.

Debe satisfacer la prueba NOM J-137-1971,

Debe tener

Debe interrumpir simultáneamente el paso de energía en los cables de vivo y neutro.

De una longitud mínima de 3 m. Debe ser del calibre y tipo que cumpla lo especificado en las normas de referencia para los requerimientos eléctricos de la incubadora.

La clavija debe ser de grado hospitalario y necesariarnecte ;cvWcra tres terminales. El vivo, el neutro y el tercero trerra física.

A menos que se especifique otra cosa, la NOM-J-5- 1981 incubadora debe cumplir con los requisitos apllcables indicados en la norma de referencia.

5.18 Continuación

...

Seguro de alivio del cable Debe evitar que los esfuerzos mecánicos sobre el de alimentación. cable de alimentación, tales como jalón o tirón se transmitan al cableado interno o las terminales de conexión. Además debe cumplir lo especificado en la norma de referencia NOM

J-195-1980.

Indicador eléctrica.

Voltaje de nominal, vca

de energía Debe disponer de un indicador visual que señale que la incubadora está funcionando al accionar el interruptor general.

alimentación Debe ser 127 vca k 10%. El equipo debe funcionar

dentro de especificaciones en este rango.

Daños al equipo debido a Para variaciones del voltaje entre 95 vca y

140

variaciones en el voltaje de equipo no debe sufrir daños. alimentación.

Rigidez dieléctrica.

Impedancia a tierra.

Los aislamientos y espaciamientos eléctricos deben soportar sir: d a b ia aplicación por un minuto de 1000

vca más dos

~ec23s

e¡

por 1 segundo, ¡a aplicación de 1200 vca más 2.4 veces el vo!taje nominal de operación.

Debe satisfacer las pruebas.

Capítulo 6

6

METODOLOGíA

El proyecto propuesto que aquí exponemos se encuentra organizado en cuatro etapas las cuales son:

ETAPA 1 Diseño del circuito para seleccionar la temperatura de operación de

_la

ETAPA 2 diseño de la alarma de alta temperatura, así como la habilitación del elemento calefactor para generar calor

ETAPA 3 Diseño de la fuente de alimentación para energizar a todo el sistema

ETAPA 4 Acoplamiento de todas

las

6.1 ETAPA 1

En esta primera etapa se requiere habilitar el calefactor cuando el selector de temperatura marque una temperatura mayor a

la

el

temperatura.

comparador

del calefactor

I"---'

I

Figura 3. Diagrama a bloques de la etapa 1.

El primer bloque indica un sensor de temperatura, el cual deberá tener una relación de

10 mV por grado (sería lo ideal). El sensor se conecta a un compensador de offset, ya

sea negativo o positivo, para realizar la corrección necesaria sobre el sensor. La salida

del compensador entra a una terminal del comparador. Por otro lado, la otra entrada del

comparador es la que proviene del selector de temperatura, que debe tener un rango

de 27 a 37 "C (en voltaje sería de 0.27 a 0.37 Volts). En caso de que el comparador

detecte que ambas entradas son diferentes el calefactor seguirá activado, una vez que

estas ectradas

sean

el

Se eiigló ei sensor de temperatura de la serie lM35 debido a sus características como

son:

Salida de voltaje lineal en la escaia de grados Celsius

No requiere calibración externa.

Se puede alimentar con una sola fuente, o bien puede utilizar fuente dual.

Factor lineal de +10.0 mV. / "C.

Bajo costo.

Exactitud garantizada de 0.5 " C a temperatura ambiente.

6.1.1 Análisis de la etapa 1

El sensor se conecta a un compensador de offset, de manera que se puede variar el nivel de offset según nuestras necesidades; sobre todo para ajustar la lectura que se visualizará en el display, la cual debe ser similar a la registrada por el sensor. La señal de salida de este compensador entra a una terminal de un amplificador sumador cuyo nivel de ganancia es de diez, con el fin de enviarse a un circuito comparador de voltaje, el cual se encargará de habilitar o deshabilitar a un circuito Triac que generará el disparo de energía para el calefactor. Por otra parte, la señal que nos entrega la salida de este amplificador, se envía de manera inmediata al bloque que manejará el

despliegue.

RILYERO. SOLÍS.

". . . - "

"I& KL7107

mo,.. . &-o* Iral

TO 4*aLCU

FULL =*LE U W ~

mRIT

1QI OmV 1- mv

CIRCUITO DE OPERACIóN TlPlCO DEL 7107

Figura 4. Configuración del C.I. 7107.

El despliegue lo realizamos utilizando como plataforma el circuito integrado ICL7107

(figura 4), el cual es un manejador de despliegues (display drivers), cuyas

características entre otras tenemos las siguientes:

Contiene un convertidor analógico-digital

No requiere de componentes externos para la interfase con los displays

Gran exactitud

Aún así, la entrada antes del driver está amplificada. pero como se dijo anteriormente,

esta sólo sirve para utilizarse en el comparador. de manera que en la entrada del driver,

la señal debe atenuarse en un factor de diez, esto IC hacemos por medio de un divisor

de voltaje según las hojas de especificaciones; de tal manera que a la salida, el circuito

por sí solo desplegará en los indicadores Ics números correspondientes.

TER1IORREG C% 1 CI6;V .VEO:L:-17: 1 L

Ahora bien, en la otra entrada del circuito comparador, tendremos la señal de control, la cual corresponde al nivel de voltaje equivalente a la temperatura de control que deseamos seleccionar.

Esta temperatura de control, la obtenemos mediante un simple divisor de voltaje por medio de arreglos de resistencias para obtener un voltaje fijo. Este voltaje se acopla al comparador por medio de un buffer.

Cabe mencionar que para la etapa anteriormente descrita utilizamos para

los

Ahora, en el circuito comparador tendremos en la entrada inversora la señal proveniente del amplificador y en la entrada no inversora la señal de control, de tal manera que cuando la señal proveniente del sensor es mayor a la del circuito de control, el amplificador va a saturación negativa, lo contrario ocurre cuando la señal de control es mayor que la del sensor; así, el amplificador se encontrará en saturación positiva.

Así pues, la salida del comparador. se aplicars a la entrada de un circuito

optoacoplador. esto se logra colocando un circuito llamado de prueba según las hojas de especificaciones (ver anexos).

TER\lORREGl.Z4 CI¡j.l' :VEO.C:-I TIL A continuación se describen los cálculos más relevantes para la elaboración de la

presente etapa.

Para obtener un voltaje adecuado, se requiere de un amplificador

La selección del rengo de temperatura es de 28" C (límite inferior) a 38°C (límite

superior), escalando estos valores a voltaje se requieren 0.28 V a 0.38 V. Se utiliza un

amplificador de 1 :I O, obteniendo una salida de 2.8 V a 3.8 V.

Considerando un amplificador operacional ideal, se utiliza un amplificador-inversor

Figura 5. Amplificador Inversor.

La relación de este circuito es

v2

o

v*

o

Is = v s y If= vo

2 Rs Rf

"""""""""""""""~ (1 )

"""""""""""""""~

si

=

=

o

""-"""""""""""""

Para obtener el límite inferior (28"C), utilizamos la relación (2) y (3) de la cual

obtenemos

-

Rs Rf

"

Despejamos Rr y tomamos Vs, = 0.28 V y Vo = 2.8 VI fijando Rs = 100 kR y. La

relación obtenida es

Rf = " Vo Rs

v s

Sustituyendo valores

Rfi = 2 . 8 V (I00 ki2) = (10)(100 kR) = 1000 kR = 1 MR

0.28 V

Para obtener el límite superior (38°C); utilizamos la misma relación y sustituimos

valores

Rf, = 3 . 8 V (100

kR)

0.38 V

Ambos resultados obtenidos para Rf nos indican que la relación es lineal.

TER.\ /ORREG 1 :LI c-~d.~.

L v ~ o x ~

6.1.2 Selector de temperatura

Para el selector de temperatura se utiliza un divisor de voltaje con un valor fijo de

voltaje como referencia.

L

e

I

v2

La relación del circuito anterior es

v2 =

&

v s

RI

Para el límite inferior

V2 = 2.8 V, despejando R2 y fijando el valor de RI = 18 kt2

3 2 Ri = 2.8 V (18

kn)

kR)

kR

V S 5.0 V

Para el límite superior

R:!

=

l/a

=

kn)

=

=

kt2

vs

Por lo tanto, por los valores obtenidos se requiere de un trimpot de 20 kt2

Para realizar el ajuste exacto se utilizan dos divisores de voltaje uno para el límite

inferior y superior, realizando el ajuste como parte de la calibración y determinando el

rango de 2.8 V a 3.8 V.

Superior

PI

E-

RI

- v

RI p3

r

-

W

8'4 Inferior

Figura 6. Selector de temperatura.

Dividiendo

el

en

la siguiente forma

R1 V-E RO. SOL I S.

" ~ _ _ _

Considerando que PI = P2 = 20 k!3

Si en PI hay 2.8 V y en P2 hay 3.8 V, entonces

PI = 10.08 kR y P2= 13.68 k 0 ; Vi = 2.8 V y Vs = 3.8 V

Calculando P3 para limite inferior, tenemos que

P3

= x

Sustituyendo valores

P3 = 2.844 (18 kQ

+ 10.08 kR)

5.0 SC

Calculando P 3 para limite superior, tenemos que

P3

= x

Sustituyendo valores

P3 = 3.8 V ( I 8 kQ + 13.68 kR) = (0.76)(31.68 kQ) = 24.08 kR

5.0 V

De acuerdo a los valores obtenidos se requiere de un trimpot de 50 kR para seleccionar

la temperatura. La salida del amplificador-inversor y de P3 entran al comparador y en el

momento en que sean iguales se desactiva el calefactor.

6.2 ETAPA

2

Esta etapa, consiste en elaborar un circuito que genere la señal de habilitación de la

alarma, para esto utilizamos el circuito integrado LM358, cuyas características se

pueden ver en los anexos.

La cámara de calentamiento contiene una resistencia eléctrica, la cual calienta el flujo

de aire por convección forzada a través de un ventilador impulsado por un motor

eléctrico. La ausencia de flujo puede deberse a diferentes causas: obstrucción de la

trayectoria de entrada de aire a la cámara,. obstrucción de la trayectoria de salida de

aire a la cámara y falla en el motor que impulsa el ventilador. Los efectos de la falla se

manifiestan en dos formas: calentamiento de !a cámara o sobretemperatura y

disr,inuclón de presién y velocidad en el fiup

Ge

sensor de temperatura para !a detección de

la

falla

temperatura en la cámara.

Esta etapa debe habilitar la alarma cuando el sensor de respaldo detecte una

sobretemperatura (mayor o igual a 39°C).

____

La figura 7 nos muestra en un diagrama a bloques la secuencia que debe llevar el diseño del circuito. El primer bloque indica un sensor de temperatura, el cual debería tener una relación de 10 mV por grado (sería lo ideal). El sensor se conecta a un amplificador, esto se debe a que el voltaje obtenido es del orden de milivolts, con esta amplificación se obtienen valores del orden de volts (no mayores a 5 volts). La salida del amplificador entra a una terminal del comparador. Por otro lado, la otra entrada del comparador es el que proviene de un valor semifijo, que varía en el rango de 39.1 " C a

40°C (en voltaje es de 3.91 a 4.00 volts). Si el comparador detecta que ambas entradas son iguales entonces se activa el calefactor.

comparador habilitacibn del calefactor

alarma

Figura 7. Diagrama a bloques de la etapa 2

Aquí. utilizaremos el sensor de respaldo, es decir el sensor que se encargará de monitorear la temperatura, para evitar que el primer sensor debido a un posible daño o

falla, provoque una condición de sobretemperatura. El sensor se encuentra conectado a un amplificador cuya ganancia es de diez, similar al utilizado en la etapa 1 , debido a

Fijando el valor de R1 a 200 kQ, se obtiene que R2 = 1 MQ

Voltaje de referencia para alarma de alta temperatura

Para este voltaje se utiliza un divisor de voltaje con un valor fijo de voltaje como referencia.

v2

La relación del circuito anterior es

v2 =

&

vs

Rt

Para el límite inferior

R:, = 1 Q y fijando el valor de R, = 18 kQ V, = & V S = I R (8V) = 0.44 V

Para el límite superior

R2 = 20 kR y fijando el valor de Rf = 18 kR

V2 = & V S = 20 kR (8V) = 8.88 V

R1 18kR

Por

lo

Recordando la relación

Vo = R1 + R2

vi

Sustituyendo valores

Vo = 200 kQ + 1 MQ (0.39 V) (5) = 1.96 V

200 kC2

El valor obtenid3 ertra dentro del rango

6.3 ETAPA 3

La fuente regulada se desarrollará en base a ¡os requerimientos de

los circuitos de las

etapas 1 y 2. Sin embargo. en principio se requiere de 5, + I 2 y -12 volts. Para su

construcción se utilizará un transforrrador y componentes electrónicos diversos.

Utilizamos para ello un transformador con derivación central con una entrada de 127

Por medio de un circuito puente de diodos rectificamos la señal, posteriormente, con circuitos integrados reguladores de k 12 V. de corriente directa obtenemos los voltajes anteriormente mencionados, este voltaje lo utilizaremos para alimentar los circuitos de amplificación provenientes de los sensores de temperatura, así como circuitos

relacionados en la activación de alarmas, relevador, etc.

Debemos tener también una salida de k 5V. para alimentar al circuito controlador de despliegue, ya que este tiene tensiones de polarización TTL., esta también la obtenemos utilizando reguladores de voltaje para ello.

Figura 9. Fuente regulada

Figura 1 O. Configuración del reaulador de voltaje.

- - ______ ".

RIVERO. SOLIS.

""

Figura 11. Fuente de alimentación: rectificación de onda completa.

6.4 ETAPA 4

En esta ÚRima etapa se realiza el acoplamiento de las etapas anteriores, anexando el bloque de despliegue de temperatura.

AI acoplar las etapas 1 y 2 se realiza el ajuste necesario para habilitar el disparo del

calefactor (figura 12-bloque acoplamiento). este ajuste es necesario debido a que la etapa 1 desact~va

e !

quedan en activado Esta habilitación realiza el disparo para la activación del calefactor.

El calefactor continua activado mientras no se cumpla alguna de las sigurentes condiciones: la temperatura sensada sea menor a la seleccionada y/o la temperatura

sensada sea menor a la indicada en referencia de alarma, en caso de que se llegue a esta temperatura o sea mayor se activará la alarma de sobretemperatura (visual y

. ..

sensor conector

.. - .

Convertidor

AID Despliegue j

I

I

de offset

comparador . . " . " " . . "

selector de temperatura

I

-1

l - r l

habiltacicin

disparo a calefactor calefactor

amplificaci6n

-

-

-

alarma

I::,q=

r

FIJENTE

REGULADA LÍNEA

turbina

y motor

Figura 12. Diagrama a bloques del sistema completo "control de incubadora".

l

7

RESULTADOS

Los resultados que se obtuvieron en el diseño del control electrónico, fueron los

siguientes:

En la elaboración de la etapa 1, el Único problema que tuvimos fue al implementar el

circuito selector de temperatura, ya que como se había planteado al principio, por medio

de un divisor de voltaje para la selección de temperatura mínima y máxima empleando un potenciómetro, observamos que la selección de la temperatura no era lineal; es decir, en

los extremos sí encontramos los valores de voltajes correspondientes a una temperatura

mínima y máxima, pero para los valores intermedios, no encontramos una relación lineal,

ya que al medir los voltajes correspondientes a los valores de temperatura calculados, no

correspondían a los voltajes medidos en el multímetro.

De manera que para solucionar nuestro problema, intentamos resolverlo usando un

circuito comercial llamado atenuador de volumen, utilizado para los equipos de audio;

debido a que el circuito contenía un potenciómetro que según el fabricante era lineal en

todo su rango dinámico de operación. El inconveniente de esta opcibn fue que el circuito

anteriormente mencionado resultaba demasiado caro y por 10 tanto se elevaba el costo de

la implementación~ por lo que optamos por diseñar u n circuito divisor de voltaje hecho con resistencias convencionales que nos generara tiRa sa!:da de voltaje proporcional al voltaje

necesario para desplegarlo en los indicadores. utilizando también un selector a pasos

para seleccionar un valor determinado de voltaje.

Esta opci6n resultó apropiada ya que al verificar 10s voltajes en la salida de dicho divisor,

estos no tenían una variación tal que afectara el funcionamiento de la etapa así como el

l o o O m v 1mDb #

CIRCUITO DE OPERACION TlPlCO DEL 7107

Figura 14. Circuito de operación del 7107.

Para la configuración del circuito driver (ICL 7107), utilizando la hoja de especificaciones

de MAXIM, optamos por tomar el circuito de aplicación típica, con lo cual desplegamos de

manera adecuada la temperatura obtenida a la salida del circuito amplificador que toma la

temperatura del sensor y que podemos visualizar en los indicadores.

Para la elabGracion de la etapa 2, practicamente no obtuvimos problema alguno en su

implementacion. ya I;Ae esta funcionó de ia "aIz;.3-2 271 que ncsoiros esperábamos, el

Único inconveniente que consideramos se debe cziífsxonar, es el desarrollo de un

circuito que seleccione el voltaje necesario para la alarma de alta temperatura; sin perder

de vlsta el hecho de que el diseño debe ser barato pero eficiente. Además al revisar las

NOM: faltaron las implementaciones de algunas alarmas que no se habían contemplado,

En cuanto a la habilitación del calefactor, este no tuvo problemas para generar la

activación/desactivación que nos proporcionara la energía necesaria para su

funcionamiento.

La implementación de la etapa 3 fue la más simple, ya que sólo requeríamos una fuente

de alimentación que nos proporcionara los voltajes necesarios para el buen

funcionamiento de los circuitos integrados utilizados en las etapas anteriores además de

que no existieran grandes variaciones al acoplar todas las etapas. Esto lo logramos

utilizando circuitos reguladores de voltaje de k 12 VCD, k 5 VCD, y +8 VCD, suficientes

para energizar todo el circuito entero.

La elección de los componentes se realizó de manera que presentaran la resistencia

suficiente en su aplicación, es decir, que el consumo de energía no afectara en su

funcionamiento ya sea deteriorándolos o bien provocando fallas en los demás elementos.

Por lo general se utilizaron elementos que soportaran cantidades de corriente mayores a

500 mA.

La configuración de la fuente de alimentación se desarrolló de la forma más simple

basándonos en las sugerencias dadas por los fabricantes.

Por iiitirno. la etapa 4. referente al acoplo de todas ias ztapas anteriores, se realizó con

éxito. presentando un poco de problemas sólo en la etapa de despliegue de la

temperatura, esto debido a que la tablilla de experimentación al parecer presentaba

defectos en sus pistas, ya que la información vista en los despliegues era demasiado

parpadeante y poco estable, esta deficiencia se corrigió al momento de pasar la

El módulo de control resultante tiene las siguientes características:

Sistema de control

Sistema de alarma

Rango de temperatura

Termómetro

Resolución del termómetro

Voltaje de alimentación

Frecuencia de línea

Potencia de consumo

Consumo de corriente

Electrónico

Audible y visual de alta temperatura

28 "C. a 38 "C.

Con despliegue digital

k0.2 "C.

127 Vac. +1 O %.

60 Hz.

500 VV.

Capítulo 8

8

AI acoplar las etapas, se encontraron ciertos contratiempos, como fueron, el que la salida de los amplificadores en ocasiones no obteníamos

los

Otros contratiempos fueron al momento de tratar de calibrar el termómetro digital, ya que al utilizar trimpot, debíamos de encontrar un punto exacto de resistencia para que el valor visualizado fuera el correcto, quizá en este punto debemos de aplicarnos un poco mas; además si queremos seguir al pie de la letra las recomendaciones de la Norma Oficial Mexicana, dista mucho de lo que en realidad tenemos; pues se deben hacer estudios

grandes por ejemplo el nivel de ruido medido dentro de la incubadora, no tenemos la manera de poder realizarlo, o bien, otro ejemplo de lo que nos faltó, fueron algunas alarmas de más que quizá por el tiempo o bien por falta de información adecuada, no pudimos implementar; aunque como nuestro propósito era realizar un módulo sencillo para termorregulación, no las tomamos en cuenta.

En cuanto a los sensores que utilizamos, funcionan, pero en ocasiones son demasiado sensibles al menos cuando probamos el circuito al aire libre y no en la cámara, esto debido quizá a que alrededor del sensor circulaban las corrientes de aire, lo que hacia

que el despliegue en el termómetro digital no se mantuviera constante; para corroborar lo anterior de manera fácil y rápida, con las manos hicimos una especie de “casa”, de manera tal que las corrientes de aire no fuesen tan significativas; con esto se observó que la temperatura en el despliegue se estabilizaba. Por lo que concluimos que dentro de la

cámara el sensor y por lo tanto el termómetro deben comportarse de manera más estable.

IIlVER( ), SOLIS

-

Un aspecto más que debe mejorarse es el diseño de la fuente, claro que al comparar

diseños de otros equipos y sobre todo de equipos importados, estos tienen una

infraestructura mucho mejor que la aquí propuesta; esto quizá debido a que para el

desarrollo de tales aparatos, son elaborados por un equipo de profesionales avocados a

problemas demasiado específicos dentro del diseño; pues para poder cumplir con todos

los requisitos de las normas vigentes deben realizarse demasiadas pruebas y por

un

periodo de tiempo.

Cabe hacer mención que debemos realizar el circuito anteriormente propuesto sobre la

placa de cobre, es decir, realizar su circuito impreso y verificar que realmente hace lo

programado, además de incorporar los requisitos electrónicos que faltaron por cubrir

según la NOM.

Por último, podemos concluir que al menos para fines prácticos el circuito funciona

adecuadamente, ya que cada etapa funciona como lo habíamos esperado; sobre todo en

la parte de habilitación y deshabilitación de la etapa de potencia hacia el elemento

Capítulo 9

9 BIBLIOGRAFIA:

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2-An Efficient and inexpensive Incubator Herbert Thoms, M. D.

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9- Norma Oficial Mexicana

Que establece las especlficaciones sanitarias de las incubadoras para recién nacidos

25 de Julio de 1995