DIY vysoušeč vlasů N95 Odvzdušňovací sterilizátor: 13 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:20

Podle SONG a kol. (2020) [1], teplo 70 ° C produkované fénem během 30 minut stačí k deaktivaci virů v dýchacím přístroji N95. Je to tedy schůdný způsob, jak běžní lidé znovu používají své dýchače N95 během každodenních činností, přičemž respektují určitá omezení, jako například: dýchací přístroj nesmí být kontaminován krví, dýchací přístroj nesmí být rozbitý atd.

Autoři uvádějí, že fén by měl být zapnutý a měl by být zahříván po dobu 3, 4 minut. Poté musí být znečištěný odvzdušňovač N95 vložen do sáčku na zip a podroben 30 minutám tepla produkovaného fénem. Po této době by podle jejich studií byly viry na masce účinně deaktivovány.

Všechny výše uvedené akce nejsou automatizované a existují omezení, která mohou zhoršit sterilizační proces, například příliš nízká (nebo příliš vysoká) teplota ohřevu. Tento projekt si tedy klade za cíl použít vysoušeč vlasů, mikrokontrolér (atmega328, dostupný u Arduino UNO), reléový štít a teplotní senzor (lm35) k vybudování automatického maskovacího sterilizátoru na základě SONG a kol. zjištění.

Zásoby

1x Arduino UNO;

1x snímač teploty LM35;

1x reléový štít;

1x 1700W dvourychlostní vysoušeč vlasů (Taiff Black 1700W pro referenci)

1x prkénko;

2x propojovací kabely typu male-to-male (každý 15 cm);

6 x propojovací kabel muž-žena (15 cm každý);

2x 0,5 m 15A elektrický vodič;

1 x elektrický konektor (podle vaší země - Brazílie je NBR 14136 2P+T);

1x samčí elektrický konektor (podle vašeho národního standardu - Brazílie je NBR 14136 2P+T);

1x USB kabel typu A (k programování Arduina);

1x počítač (stolní počítač, notebook, jakýkoli);

1x svěrák;

1x víko hrnce;

2x gumové pásy;

1x spirálový notebook v pevné vazbě;

1x sáček Ziploc® Quart Size (17,7 cm x 18,8 cm);

1x role lepicí pásky

1x 5V USB napájecí zdroj

Krok 1: Automatické modelování dýchacího sterilizátoru N95

Jak již bylo řečeno, tento projekt si klade za cíl vybudovat automatický sterilizátor na základě SONG et. al (2020). K jeho dosažení jsou nezbytné následující kroky:

1. Zahřívejte fén 3 ~ 4 minuty, abyste dosáhli teploty 70 ° C;

2. Nechte fén 30 minut působit a nasměrujte jej na odvzdušňovač N95 uvnitř vaku Ziploc®, abyste deaktivovali viry na odvzdušňovači

Otázky modelování byly tedy formulovány za účelem vytvoření řešení:

A. Produkují všechny fény teplotu 70 ° C po zahřívání po dobu 3 ~ 4 minut?

b. Udržuje/Fén (y) vlasů po 3 ~ 4 minutách zahřívání konstantní teplotu 70 ° C?

C. Je teplota uvnitř vaku Ziploc® stejná jako teplota mimo něj po 3 ~ 4 minutách ohřevu?

d. Zvyšuje se teplota uvnitř vaku Ziploc® stejnou rychlostí jako teplota mimo něj?

K zodpovězení těchto otázek byly podniknuty následující kroky:

I. Zaznamenejte topné křivky ze dvou různých vysoušečů vlasů po dobu 3 ~ 4 minut, abyste zjistili, zda oba mohou dosáhnout 70 ° C

II. Zaznamenejte topné křivky fénů (snímač LM35 musí být v tomto kroku mimo sáček Ziploc®) po dobu 2 minut po 3 ~ 4 minutách počátečního ohřevu

III. Zaznamenejte teplotu uvnitř vaku Ziploc® po dobu 2 minut po 3 až 4 minutách počátečního ohřevu a porovnejte ji s údaji zaznamenanými v kroku II.

IV. Porovnejte topné křivky registrované v krocích II a III (vnitřní a venkovní teploty související s vakem Ziploc®)

Kroky I, II, III byly provedeny pomocí teplotního senzoru LM35 a algoritmu Arduino vyvinutého pro pravidelné informování o teplotě (1 Hz - přes USB sériovou komunikaci) registrované senzorem LM35 ve funkci času.

Algoritmus vyvinutý pro záznam teplot a zaznamenané teploty jsou k dispozici zde [2]

Krok IV byl realizován prostřednictvím dat zaznamenaných v krocích II a III a také prostřednictvím dvou skriptů Pythonu, které generovaly funkce ohřevu k popisu ohřevu uvnitř a vně vaku Ziploc® a také grafů z dat zaznamenaných v obou krocích. Tyto skripty Pythonu (a knihovny potřebné k jejich spuštění) jsou k dispozici zde [3].

Po provedení kroků I, II, III a IV je tedy možné odpovědět na otázky a, b, c a d.

K otázce a. odpověď zní Ne, jak je možné vidět, srovnáním údajů registrovaných od 2 různých fénů v [2], že jeden fén je schopen dosáhnout 70 ° C, zatímco druhý může dosáhnout pouze 44 ° C

Abychom odpověděli na otázku b, vysoušeč vlasů, který nemůže dosáhnout 70 ° C, nebude brán v úvahu. Při kontrole dat z jednoho, který je schopen dosáhnout 70 ° C (k dispozici v souboru step_II_heating_data_outside_ziploc_bag.csv [2]), odpověď na b je také ne, protože nedokáže udržet konstantní teplotu 70 ° C po počátečním 4 minutovém ohřívacím čase.

Poté je třeba vědět, zda jsou teploty uvnitř i vně Ziplocu stejné (otázka c) a zda rostou stejnou rychlostí (otázka d). Data dostupná v souborech step_II_heating_data_outside_ziploc_bag.csv [2] a step_III_heating_data_inside_ziploc_bag.csv [2] odeslaných do algoritmů pro přizpůsobení křivek a vykreslování v [3] poskytují odpovědi na obě otázky, které jsou obě ne, protože teplota uvnitř vaku Ziploc® dosáhla maximálně 70 ~ 71 ° C, zatímco venkovní teplota dosahovala maximálně 77 ~ 78 ° C a vnitřní teplota vaku Ziploc® rostla pomalu než jeho vnější protějšek.

Obrázek 1 - Curvas de Aquecimento Fora e Dentro do Involucro ukazuje graf teplot vně / uvnitř vaku Ziploc® ve funkci času (oranžová křivka odpovídá vnitřní teplotě, modrá křivka venkovní). Jak je možné vidět, vnitřní a vnější teploty se liší a také rostou různou rychlostí - pomalu uvnitř vaku Ziploc než venku. Obrázek také informuje, že teplotní funkce jsou ve formě:

Teplota (t) = teplota prostředí + (konečná teplota - teplota prostředí) x (1 - e^(rychlost nárůstu teploty x t))

Pro teplotu mimo vak Ziploc® je teplotní funkce z hlediska času:

T (t) = 25,2 + 49,5 * (1 - e^(- 0,058 t))

A pro teplotu uvnitř vaku Ziploc® je teplotní funkce z hlediska času:

T (t) = 28,68 + 40,99 * (1 - e^(- 0,0182t))

Takže po ruce všech těchto dat (a dalších empirických výsledků) lze o tomto procesu modelování sterilizátoru DIY N95 říci následující:

-Různé fény mohou produkovat různé teploty - některé nebudou schopny dosáhnout 70 ° C, zatímco jiné tuto referenci hodně překonají. U těch, které nemohou dosáhnout 70 ° C, musí být vypnuty po počátečním ohřevu (aby se předešlo zbytečnému plýtvání energií) a operátorovi sterilizátoru by mělo být o tomto problému vyzváno nějaké chybové hlášení. Ale pro ty, kteří překonají referenční stupeň 70 ° C, je nutné vysoušeč vlasů vypnout, když je teplota vyšší než určitá teplota (70 + vyšší rozpětí) ° C (aby se zabránilo poškození ochranné schopnosti dýchací jednotky N95) a zapnout ji znovu po ochlazení N95 na teplotu pod (70 - nižší okraj) ° C, aby pokračoval sterilizační proces;

-Teplotní senzor LM35 nemůže být uvnitř vaku Ziploc®, protože vak musí být utěsněn, aby se zabránilo kontaminaci prostor kmeny virů, takže teplota LM35 by měla být umístěna mimo vak;

-Jelikož je vnitřní teplota nižší než vnější teplota a vyžaduje více času ke zvýšení, je nutné pochopit, jak probíhá proces ochlazování (snižování), protože pokud vnitřní teplotě trvá déle, než se snižuje, je zde příčinný vztah mezi zvyšujícím/snižujícím se procesem vnitřní/vnější teploty vaku Ziploc®, a proto je možné použít vnější teplotu jako referenci k regulaci celého procesu vytápění/chlazení. Ale pokud ne, bude potřeba jiný přístup. To vede k páté modelovací otázce:

E. Snižuje se teplota uvnitř vaku Ziploc® pomaleji než venku?

K zodpovězení této otázky byl učiněn pátý krok a byly zaznamenány teploty získané během procesu chlazení (uvnitř/vně vaku Ziploc®) (dostupné zde [4]). Z těchto teplot byly objeveny funkce chlazení (a jejich příslušné rychlosti chlazení) pro chlazení venku i uvnitř vaku Ziploc®.

Vnější funkční sáček chlazení Ziploc® je: 42,17 * e^(-0,0089 t) + 33,88

Vnitřní protějšek je: 37,31 * e^(-0,0088t) + 30,36

S ohledem na to je možné vidět, že obě funkce klesají stejným způsobem (-0,0088 ≃ -0,0089), jak ukazuje obrázek 2 -Curvas de Resfriamento Fora e Dentro do Invólucro: (modrá/oranžová je venku/uvnitř vaku Ziploc®, resp.)

Protože teplota uvnitř sáčku Ziploc® klesá stejným tempem jako teplota mimo něj, venkovní teplotu nelze použít jako referenci k udržení fénu zapnutého, když je potřeba ohřev, protože venkovní teplota roste rychleji než vnitřní teplota a když venkovní teplota dosahuje (70 + vyšší rozpětí) ° C vnitřní teplota by byla nižší než teplota nezbytná pro sterilizaci odvzdušňovače. A časem by vnitřní teplota zaznamenala zředěný pokles střední hodnoty. Je tedy nutné použít funkci vnitřní teploty z hlediska času k určení potřebného času ke zvýšení její teploty z (70 - nižší okraj) ° C na alespoň 70 ° C.

Z nižšího rozpětí 3 ° C (a následně počáteční teploty 67 ° C), aby se dosáhlo ≃ 70 ° C, je nutné počkat alespoň 120 sekund, podle vnitřní teplotní funkce vaku Ziploc® z hlediska času.

Se všemi odpověďmi na výše uvedené modelovací otázky lze vytvořit minimálně životaschopné řešení. Samozřejmě musí existovat funkce a vylepšení, ke kterým zde nelze přistupovat - vždy je co objevovat nebo zlepšovat - ale je to tak, že všechny vyvolané prvky jsou schopné vybudovat potřebné řešení.

To vede k vypracování algoritmu, který bude napsán v Arduinu, aby se dosáhlo zavedeného modelu.

Krok 2: Automatický operační algoritmus dechového sterilizátoru N95

Na základě požadavků a otázek modelování, které byly vyvolány v kroku 2, byly vyvinuty algoritmy popsané na výše uvedeném obrázku a jsou k dispozici ke stažení na adrese github.com/diegoascanio/N95HairDryerSterilizer

Krok 3: Nahrání kódu do Arduina

1. Stáhněte si knihovnu časovače Arduino - https://github.com/brunocalou/Timer/archive/master.zip [5]
2. Stáhněte si zdrojový kód sterilizátoru vlasů N95 -
3. Otevřete Arduino IDE
4. Přidat Arduino Timer Library: Sketch -> Include Library -> Add. ZIP Library and select Timer-master.zip file, from the folder where it was downloaded
5. Extrahujte soubor n95hairdryersterilizer-master.zip
6. Otevřete soubor n95hairdryersterilizer.ino pomocí Arduino IDE
7. Přijmout výzvu k vytvoření složky skici a přesunout tam soubor n95hairdryersterilizer.ino
8. Vložte kabel USB typu A do Arduino UNO
9. Vložte kabel USB typu A do počítače
10. V Arduino IDE s již otevřenou skicou klikněte na Sketch -> Nahrát (Ctrl + U) pro nahrání kódu do Arduina
11. Arduino je připraveno ke spuštění!

Krok 4: Zapojení stínění relé k elektrickým konektorům

Stavba napájecího kabelu reléového štítu:

1. Zapojte zemnící kolík z elektrického zástrčkového konektoru do uzemňovacího kolíku elektrické zásuvky s 15A elektrickým vodičem;

2. Připojte kolík z elektrického zástrčkového konektoru přímo do konektoru C relé reléového stínění pomocí elektrického vodiče 15A;

3. Zapojte druhý kolík z elektrického zástrčkového konektoru do levého pinu elektrického zásuvkového konektoru pomocí elektrického vodiče 15 A;

4. Zapojte pravý kolík z elektrické zásuvky přímo do NO konektoru reléového stínění pomocí elektrického vodiče 15A;

Připojení fénu do napájecího kabelu Relay Shield:

5. Zapojte elektrický zástrčku vysoušeče vlasů do elektrického zásuvkového konektoru reléového štítu napájecího kabelu

Krok 5: Zapojení reléového štítu k Arduinu

1. Propojte GND z Arduina do záporné řady Breadboard pomocí propojovacího kabelu male-to-male;

2. Připojte 5V pin z Arduina do kladné linky Breadboard pomocí propojovacího kabelu male-to-male;

3. Připojte digitální kolík č. 2 z Arduina do signálního kolíku reléového štítu propojovacím kabelem typu male-to-female;

4. Připojte 5V pin z reléového štítu k kladné linii Breadboardu pomocí propojovacího kabelu male-to-female;

5. Zapojte GND pin z reléového štítu do záporné linie Breadboard pomocí propojovacího kabelu male-to-female;

Krok 6: Zapojení teplotního senzoru LM35 do Arduina

Vezmeme -li plochou stranu snímače LM35 jako čelní referenci:

1. Zapojte 5V pin (1. pin zleva doprava) z LM35 do kladné linky Breadboard pomocí propojovacího kabelu žena-muž;

2. Zapojte signální kolík (2. kolík zleva doprava) z LM35 do A0 pinu Arduina pomocí propojovacího kabelu žena-muž;

3. Zapojte pin GND (1. kolík zleva doprava) z LM35 do záporné řady Breadboard pomocí propojovacího kabelu žena-muž;

Krok 7: Připevnění fénu na svěrák

1. Upevněte svěrák na stůl

2. Umístěte fén do svěráku

3. Upravte svěrák, aby fén zůstal dobře připevněný

Krok 8: Příprava podpory vaku Ziploc®

1. Vyberte spirálový zápisník v pevné vazbě a vložte do něj dvě gumičky, jak ukazuje první obrázek;

2. Vyberte potlid (jako ten, který je zobrazen na druhém obrázku) nebo cokoli, co může být použito jako opora pro ponechání spirálového notebooku v pevné vazbě v přímé poloze;

3. Umístěte spirálový notebook s pevnou vazbou se dvěma gumičkami na víko hrnce (jak ukazuje třetí obrázek)

Krok 9: Umístění odvzdušňovače do vaku Ziploc®

1. Opatrně vložte N95 Breather do vaku Ziploc® a odpovídajícím způsobem jej utěsněte, abyste předešli možné kontaminaci místnosti (obrázek 1);

2. Umístěte tašku Ziploc® na její podpěru (postavenou na předchozím kroku) a přetáhněte dvě gumičky umístěné přes spirálový notebook s pevnou vazbou (obrázek 2);

Krok 10: Připojení teplotního senzoru k vaku Ziploc® venku

1. Připevněte snímač LM35 mimo sáček Ziploc® malou lepicí páskou, jak je uvedeno výše;

Krok 11: Umístění odvzdušňovače N95 a jeho podpory do správné polohy

1. N95 Breather by měl být ve vzdálenosti 12,5 cm od fénu. Pokud jej umístíte na větší vzdálenost, teplota se nezvýší nad 70 ° C a sterilizace neproběhne tak, jak by měla. Pokud by byl umístěn v bližší vzdálenosti, teplota by se zvýšila výrazně nad 70 ° C, což by poškodilo dýchací přístroj. 12,5 cm je tedy optimální vzdálenost pro 1 700 W fén.

Pokud má fén větší nebo menší účinnost, vzdálenost by měla být správně upravena, aby se teplota udržela co nejblíže 70 ° C. Software v Arduinu tiskne teplotu každou 1 sekundu, aby byl tento proces úpravy proveditelný pro různé fény;

Krok 12: Uvedení všeho do provozu

Po provedení všech připojení z předchozích kroků zapojte elektrický zástrčkový napájecí kabel Relay Shield do zásuvky a zapojte kabel USB typu A do Arduina a do napájecího zdroje USB (nebo USB portu počítače). Poté začne sterilizátor fungovat stejně jako výše uvedené video

Krok 13: Reference

1. Song Wuhui1, Pan Bin2, Kan Haidong2 等. Hodnocení tepelné inaktivace virové kontaminace na lékařské masce [J]. ČASOPIS MIKROBŮ A INFEKCÍ, 2020, 15 (1): 31-35. (k dispozici na adrese https://jmi.fudan.edu.cn/EN/10.3969/j.issn.1673-6184.2020.01.006, přístupné 8. dubna 2020)

2. Santos, Diego Ascânio. Algoritmus pro zachycení teploty a datové sady teploty v průběhu času, 2020. (K dispozici na https://gist.github.com/DiegoAscanio/865d61e3b774aa614c00287e24857f83, přístupné 9. dubna 2020)

3. Santos, Diego Ascânio. Algoritmy montáže/vykreslování a její požadavky, 2020. (K dispozici na https://gist.github.com/DiegoAscanio/261f7702dac87ea854f6a0262c060abf, přístupné 9. dubna 2020)

4. Santos, Diego Ascânio. Datové sady pro teplotní chlazení, 2020. (K dispozici na https://gist.github.com/DiegoAscanio/c0d63cd8270ee517137affacfe98bafe, přístupné 9. dubna 2020)