DIY suszarka do włosów Sterylizator oddechowy N95: 13 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:28

Według SONG i in. (2020) [1], ciepło 70° C wytwarzane przez suszarkę w ciągu 30 minut wystarcza do dezaktywacji wirusów w aparacie oddechowym N95. Jest to więc wykonalny sposób, aby zwykli ludzie ponownie używali swoich aparatów oddechowych N95 podczas codziennych czynności, z poszanowaniem pewnych ograniczeń, takich jak: aparat nie może być zanieczyszczony krwią, nie może być uszkodzony itp.

Autorzy stwierdzają, że suszarka powinna być włączona i nagrzewana przez 3, 4 minuty. Następnie zanieczyszczony odpowietrznik N95 należy włożyć do torebki strunowej i poddać 30 minutom ciepła wytwarzanego przez suszarkę. Według ich badań po tym czasie wirusy byłyby skutecznie inaktywowane na masce.

Wszystkie powyższe czynności nie są zautomatyzowane i istnieją ograniczenia, które mogą pogorszyć proces sterylizacji, takie jak zbyt niska (lub zbyt wysoka) temperatura podgrzewania. Tak więc projekt ten ma na celu wykorzystanie suszarki, mikrokontrolera (atmega328, dostępny w Arduino UNO), osłony przekaźnika i czujnika temperatury (lm35) do zbudowania automatycznego sterylizatora maski opartego na SONG i in. Wyniki.

Kieszonkowe dzieci

1x Arduino UNO;

1x czujnik temperatury LM35;

1x Tarcza Przekaźnika;

Suszarka do włosów 1x 1700 W Dual Speed (Taiff Black 1700 W w celach informacyjnych)

1x deska do krojenia chleba;

2x kable połączeniowe męskie-męskie (po 15 cm);

6x męskie-żeńskie kable rozruchowe (po 15 cm każdy);

przewód elektryczny 2x 0,5m 15A;

1x żeńskie złącze elektryczne (zgodnie z normą krajową - Brazylia to NBR 14136 2P+T);

1x męskie złącze elektryczne (zgodnie z normą krajową - Brazylia to NBR 14136 2P+T);

1x kabel USB typu A (do programowania Arduino);

1x komputer (stacjonarny, notebook, dowolny);

1x imadło;

1x pokrywka garnka;

2x gumki;

1x Notatnik spiralny w twardej oprawie;

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

1x rolka taśmy klejącej

Zasilacz USB 1x5 V

Krok 1: Modelowanie automatycznego sterylizatora odpowietrzającego N95

Jak wspomniano wcześniej, projekt ten ma na celu zbudowanie automatycznego sterylizatora w oparciu o SONG et. al (2020) ustalenia. Aby to osiągnąć, konieczne są następujące kroki:

1. Podgrzewaj suszarkę przez 3 ~ 4 minuty, aby osiągnąć temperaturę 70°C;

2. Włącz suszarkę na 30 minut, kierując ją na odpowietrznik N95 w torbie Ziploc®, aby dezaktywować wirusy na odpowietrzniku

Tak więc sformułowano pytania modelujące w celu zbudowania rozwiązania:

a. Czy wszystkie suszarki wytwarzają temperaturę 70°C po podgrzaniu przez 3 ~ 4 minuty?

b. Czy suszarki do włosów utrzymują stałą temperaturę 70°C po 3 ~ 4 minutach ogrzewania?

C. Czy temperatura wewnątrz torby Ziploc® jest równa temperaturze na zewnątrz po 3 ~ 4 minutach ogrzewania?

D. Czy temperatura wewnątrz torby Ziploc® wzrasta w takim samym tempie, jak temperatura na zewnątrz?

Aby odpowiedzieć na te pytania, podjęto następujące kroki:

I. Zanotuj krzywe nagrzewania z dwóch różnych suszarek przez 3 ~ 4 minuty, aby sprawdzić, czy obie mogą osiągnąć 70°C

II. Zanotuj krzywe nagrzewania suszarki (czujnik LM35 musi znajdować się na tym etapie na zewnątrz torebki Ziploc®) przez 2 minuty po 3 ~ 4 minutach wstępnego ogrzewania

III. Zanotuj temperaturę wewnątrz torebki Ziploc® przez 2 minuty po 3 ~ 4 minutach wstępnego ogrzewania i porównaj ją z danymi zarejestrowanymi w kroku II.

IV. Porównaj krzywe grzewcze zarejestrowane na etapie II i III (temperatura wewnętrzna i zewnętrzna związana z workiem Ziploc®)

Kroki I, II, III zostały wykonane przy użyciu czujnika temperatury LM35 oraz algorytmu Arduino opracowanego do okresowego informowania (1Hz - poprzez komunikację USB Serial) temperatury rejestrowanej przez czujnik LM35 w funkcji czasu.

Algorytm opracowany do rejestracji temperatur oraz zarejestrowane temperatury są dostępne tutaj [2]

Etap IV zrealizowano za pomocą danych zarejestrowanych w etapach II i III, a także za pomocą dwóch skryptów Pythona, które wygenerowały funkcje ogrzewania opisujące ogrzewanie wewnątrz i na zewnątrz torby Ziploc®, a także wykresy z danych zarejestrowanych na obu etapach. Te skrypty Pythona (i biblioteki wymagane do ich uruchomienia) są dostępne tutaj [3].

Tak więc po wykonaniu kroków I, II, III i IV można odpowiedzieć na pytania a, b, c i d.

Na pytanie a. odpowiedź brzmi nie, jak można zobaczyć, porównując dane zarejestrowane z 2 różnych suszarek w [2], że jedna suszarka jest w stanie osiągnąć 70°C, a druga tylko 44°C

Odpowiadając na pytanie b, pominięto suszarkę, która nie może osiągnąć 70°C. Sprawdzając dane z tego, który jest w stanie osiągnąć 70°C (dostępny w pliku step_II_heating_data_outside_ziploc_bag.csv [2]) odpowiedź na b również brzmi nie, ponieważ nie może utrzymać stałej temperatury 70°C po początkowych 4 minutach nagrzewania.

Następnie trzeba wiedzieć, czy temperatury wewnątrz i na zewnątrz Ziploc są równe (pytanie c) i czy rosną w tym samym tempie (pytanie d). Dane dostępne w plikach step_II_heating_data_outside_ziploc_bag.csv [2] i step_III_heating_data_inside_ziploc_bag.csv [2] przesłane do algorytmów dopasowania krzywej i wykreślania w [3] dostarczają odpowiedzi na oba pytania, które są przeczące, ponieważ temperatura wewnątrz torby Ziploc® osiągnęła maksimum 70 ~ 71°C, podczas gdy temperatura na zewnątrz osiągnęła maksimum 77 ~ 78°C, a temperatura wewnątrz torby Ziploc® rosła powoli niż jej zewnętrzny odpowiednik.

Rysunek 1 – Curvas de Aquecimento Fora e Dentro do Involucro przedstawia wykres temperatur na zewnątrz/w środku torebki Ziploc® w funkcji czasu (krzywa pomarańczowa odpowiada temperaturze wewnątrz, a niebieska na zewnątrz). Jak widać, temperatury wewnątrz i na zewnątrz są różne, a także rosną w różnym tempie - powoli w torbie Ziploc niż na zewnątrz. Rysunek informuje również, że funkcje temperatury mają postać:

Temperatura(t) = Temperatura otoczenia + (Temperatura końcowa - Temperatura otoczenia) x (1 - e^(szybkość wzrostu temperatury x t))

W przypadku temperatury na zewnątrz torby Ziploc® funkcja temperatury pod względem czasu wynosi:

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

A dla temperatury wewnątrz torebki Ziploc® funkcja temperatury pod względem czasu wynosi:

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

Tak więc mając pod ręką wszystkie te dane (i inne wyniki empiryczne), można stwierdzić, co następuje na temat tego procesu modelowania sterylizatora N95 DIY:

-Różne suszarki mogą wytwarzać różne temperatury - Niektóre nie będą w stanie osiągnąć 70°C, podczas gdy inne znacznie przewyższą to odniesienie. W przypadku tych, które nie mogą osiągnąć 70°C, należy je wyłączyć po początkowym czasie nagrzewania (aby uniknąć bezużytecznego marnowania energii), a operatorowi sterylizatora powinien zostać wyświetlony komunikat o błędzie informujący o tym problemie. Ale dla tych, którzy przekraczają temperaturę odniesienia 70°C, należy wyłączyć suszarkę, gdy temperatura przekroczy określoną temperaturę (70 + wyższy margines) °C (aby uniknąć uszkodzenia zdolności ochronnej odpowietrznika N95) i włączyć ją włączyć ponownie po schłodzeniu N95 do temperatury poniżej (70 - dolny margines) °C, aby kontynuować proces sterylizacji;

-Czujnik temperatury LM35 nie może znajdować się w torebce Ziploc®, ponieważ torebka musi być szczelnie zamknięta, aby uniknąć zanieczyszczenia pomieszczenia szczepami wirusów, dlatego temperaturę LM35 należy umieścić na zewnątrz torebki;

-Ponieważ temperatura wewnątrz jest niższa niż w jej zewnętrznym odpowiedniku i wymaga więcej czasu na wzrost, konieczne jest zrozumienie, jak przebiega proces chłodzenia (spadania), ponieważ jeśli temperatura wewnętrzna zajmuje więcej czasu niż temperatura zewnętrzna, występuje związek przyczynowo-skutkowy między procesem wzrostu/spadku temperatury wewnątrz/na zewnątrz worka Ziploc®, a zatem możliwe jest wykorzystanie temperatury zewnętrznej jako odniesienia do regulacji całego procesu ogrzewania/chłodzenia. Ale jeśli tego nie zrobisz, potrzebne będzie inne podejście. Prowadzi to do piątego pytania modelującego:

mi. Czy temperatura wewnątrz torby Ziploc® spada wolniej niż na zewnątrz?

Aby odpowiedzieć na to pytanie, podjęto piąty krok i zarejestrowano temperatury uzyskane podczas procesu chłodzenia (wewnątrz/na zewnątrz torebki Ziploc®) (dostępne tutaj [4]). Na podstawie tych temperatur odkryto funkcje chłodzenia (i ich odpowiednie szybkości chłodzenia) do chłodzenia na zewnątrz i wewnątrz worka Ziploc®.

Zewnętrzna torba z funkcją chłodzenia Ziploc® to: 42,17 * e^(-0,0089t) + 33,88

Wewnętrzny odpowiednik to: 37,31 * e^(-0,0088t) + 30,36

Mając to na uwadze, można zauważyć, że obie funkcje zmniejszają się w jednakowy sposób (-0,0088 ≃ -0,0089), jak pokazano na Rysunku 2 – Curvas de Resfriamento Fora e Dentro do Invólucro: (odpowiednio niebieski/pomarańczowy znajduje się na zewnątrz/wewnątrz torebki Ziploc®)

Ponieważ temperatura wewnątrz torby Ziploc® spada w takim samym tempie, jak temperatura na zewnątrz, temperatura zewnętrzna nie może być używana jako odniesienie do utrzymywania suszarki włączonej, gdy potrzebne jest ogrzewanie, ponieważ temperatura zewnętrzna rośnie szybciej niż temperatura wewnątrz i gdy temperatura na zewnątrz osiąga (70 + wyższy margines) °C temperatura wewnętrzna byłaby niższa niż temperatura wymagana do sterylizacji odpowietrznika. A wraz z upływem czasu temperatura wewnętrzna uległaby niewielkiemu obniżeniu w swojej średniej wartości. Tak więc konieczne jest wykorzystanie funkcji temperatury wewnętrznej w ujęciu czasowym do określenia czasu potrzebnego na podwyższenie temperatury z (70 - dolny margines) °C do co najmniej 70 °C.

Od dolnego marginesu 3°C (a co za tym idzie temperatury początkowej 67°C), aby osiągnąć ≃ 70°C, należy odczekać co najmniej 120 sekund, zgodnie z funkcją temperatury wewnętrznej torebki Ziploc® pod względem czasu.

Mając wszystkie odpowiedzi na powyższe pytania dotyczące modelowania, można zbudować minimalnie opłacalne rozwiązanie. Oczywiście muszą istnieć funkcje i ulepszenia, do których nie można było się tutaj podejść – zawsze jest coś do odkrycia lub ulepszenia – ale chodzi o to, aby wszystkie wydobyte elementy były w stanie zbudować potrzebne rozwiązanie.

Prowadzi to do opracowania algorytmu, który zostanie napisany w Arduino, aby osiągnąć założony model.

Krok 2: Algorytm działania automatycznego sterylizatora oddechowego N95

W oparciu o wymagania i pytania modelujące podane w kroku 2, algorytmy opisane na powyższym obrazku zostały opracowane i są dostępne do pobrania na github.com/diegoascanio/N95HairDryerSterilizer

Krok 3: Przesyłanie kodu do Arduino

1. Pobierz bibliotekę zegarów Arduino - https://github.com/brunocalou/Timer/archive/master.zip [5]
2. Pobierz kod źródłowy sterylizatora do suszarni N95 -
3. Otwórz Arduino IDE
4. Dodaj bibliotekę Arduino Timer Library: Sketch -> Include Library -> Add. ZIP Library i wybierz plik Timer-master.zip, z folderu, w którym został pobrany
5. Wyodrębnij plik n95hairdryer sterylizator-master.zip
6. Otwórz plik n95hairdryer sterylizator.ino za pomocą Arduino IDE
7. Zaakceptuj monit o utworzenie folderu szkicu i przenieś tam plik n95hairdryersteriser.ino
8. Włóż kabel USB typu A do Arduino UNO
9. Włóż kabel USB typu A do komputera
10. W Arduino IDE, gdy szkic jest już otwarty, kliknij Szkic -> Prześlij (Ctrl + U), aby przesłać kod do Arduino
11. Arduino jest gotowe do uruchomienia!

Krok 4: Podłączanie osłony przekaźnika do złączy elektrycznych

Budowa przewodu zasilającego osłony przekaźnika:

1. Połącz bolec uziemiający z męskiego złącza elektrycznego z bolcem uziemiającym żeńskiego złącza elektrycznego za pomocą przewodu elektrycznego 15 A;

2. Podłącz pin ze złącza elektrycznego męskiego bezpośrednio do złącza C osłony przekaźnika za pomocą przewodu elektrycznego 15 A;

3. Podłącz drugi styk elektrycznego złącza męskiego do lewego styku elektrycznego złącza żeńskiego za pomocą przewodu elektrycznego 15A;

4. Podłącz prawy styk z żeńskiego złącza elektrycznego bezpośrednio do złącza NO osłony przekaźnika za pomocą przewodu elektrycznego 15A;

Podłączanie suszarki do przewodu zasilającego przekaźnika osłony:

5. Podłącz męskie złącze elektryczne suszarki do żeńskiego złącza elektrycznego przewodu zasilającego przekaźnika

Krok 5: Podłączanie osłony przekaźnika do Arduino

1. Podłącz GND z Arduino do ujemnej linii płytki chlebowej za pomocą kabla połączeniowego męsko-męskiego;

2. Podłącz pin 5V z Arduino do dodatniej linii płytki prototypowej za pomocą kabla połączeniowego męsko-męskiego;

3. Podłącz cyfrowy pin #2 z Arduino do pinu sygnałowego Relay Shield za pomocą kabla połączeniowego męsko-żeńskiego;

4. Podłącz pin 5 V z osłony przekaźnika do dodatniej linii płytki chlebowej za pomocą kabla połączeniowego męsko-żeńskiego;

5. Podłącz pin GND z osłony przekaźnika do ujemnej linii płytki chlebowej za pomocą kabla połączeniowego męsko-żeńskiego;

Krok 6: Podłączanie czujnika temperatury LM35 do Arduino

Przyjmując płaską stronę czujnika LM35 jako przednie odniesienie:

1. Podłącz pin 5 V (1. pin od lewej do prawej) z LM35 do dodatniej linii płytki prototypowej za pomocą kabla połączeniowego żeńsko-męskiego;

2. Połącz pin sygnałowy (2. pin od lewej do prawej) z LM35 do pinu A0 Arduino za pomocą kabla połączeniowego żeńsko-męskiego;

3. Podłącz pin GND (1. pin od lewej do prawej) z LM35 do ujemnej linii płytki prototypowej za pomocą kabla połączeniowego żeńsko-męskiego;

Krok 7: Mocowanie suszarki do włosów do imadła

1. Zamocuj imadło na stole

2. Umieść suszarkę do włosów w imadle

3. Wyreguluj imadło, aby suszarka do włosów była dobrze przymocowana

Krok 8: Przygotowanie wspornika torby Ziploc®

1. Wybierz spiralny notatnik w twardej oprawie i umieść w nim dwie gumki, jak pokazano na pierwszym obrazku;

2. Wybierz garnek (taki jak ten pokazany na drugim obrazku) lub cokolwiek, co może posłużyć jako podpora, aby pozostawić notatnik w twardej oprawie w prostej pozycji;

3. Umieść notatnik w twardej oprawie z dwiema gumkami na pokrywce garnka (jak pokazano na trzecim obrazku)

Krok 9: Umieszczenie odpowietrznika w torbie Ziploc®

1. Ostrożnie włóż odpowietrznik N95 do woreczka Ziploc® i odpowiednio go zamknij, aby uniknąć możliwego zanieczyszczenia pomieszczenia (zdjęcie 1);

2. Umieść torbę Ziploc® na wsporniku (zbudowanym w poprzednim kroku), pociągając dwie gumki umieszczone na spiralnym notatniku w twardej oprawie (zdjęcie 2);

Krok 10: Mocowanie czujnika temperatury do zewnętrznej torby Ziploc®

1. Przymocuj czujnik LM35 na zewnątrz torby Ziploc® za pomocą niewielkiej taśmy samoprzylepnej, jak pokazano powyżej;

Krok 11: Umieszczenie odpowietrznika N95 i jego wspornika w prawidłowej pozycji

1. Odpowietrznik N95 powinien znajdować się w odległości 12,5 cm od suszarki. W przypadku umieszczenia w większej odległości temperatura nie wzrośnie powyżej 70°C, a sterylizacja nie przebiegnie tak, jak powinna. Jeśli zostanie umieszczony w bliższej odległości, temperatura wzrośnie znacznie powyżej 70°C, powodując uszkodzenie odpowietrznika. Tak więc 12,5 cm to optymalna odległość dla suszarki o mocy 1700 W.

Jeśli suszarka ma większą lub mniejszą moc, odległość należy odpowiednio wyregulować, aby temperatura była jak najbardziej zbliżona do 70°C. Oprogramowanie w Arduino drukuje temperaturę co 1 sekundę, aby umożliwić ten proces regulacji dla różnych suszarek;

Krok 12: Oddanie wszystkiego do pracy

Po wykonaniu wszystkich połączeń z poprzednich kroków, podłącz męskie złącze przewodu zasilającego Relay Shield do gniazdka elektrycznego i włóż kabel USB typu A do Arduino i do zasilacza USB (lub portu USB komputera). Następnie sterylizator zacznie działać tak jak na powyższym filmie

Krok 13: Referencje

1. Piosenka Wuhui1, Pan Bin2, Kan Haidong2等. Ocena inaktywacji cieplnej skażenia wirusem na masce medycznej [J]. DZIENNIK MIKROBÓJ I INFEKCJI, 2020, 15(1): 31-35. (dostępne pod adresem https://jmi.fudan.edu.cn/EN/10.3969/j.issn.1673-6184.2020.01.006, dostęp 08.04.2020)

2. Santos, Diego Ascânio. Algorytm rejestrowania temperatury i zbiory danych temperatury w czasie, 2020. (Dostępne pod adresem https://gist.github.com/DiegoAscanio/865d61e3b774aa614c00287e24857f83, dostęp: 09 kwietnia 2020 r.)

3. Santos, Diego Ascânio. Algorytmy dopasowania/kreślenia i ich wymagania, 2020. (Dostępne pod adresem https://gist.github.com/DiegoAscanio/261f7702dac87ea854f6a0262c060abf, dostęp: 09.04.2020)

4. Santos, Diego Ascânio. Zestawy danych dotyczących temperatury chłodzenia, 2020. (Dostępne pod adresem https://gist.github.com/DiegoAscanio/c0d63cd8270ee517137affacfe98bafe, dostęp: 09.04.2020)