Дыхательный стерилизатор для фена N95 своими руками: 13 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:49

Согласно SONG et al. (2020) [1], тепла 70 ° C, выделяемого феном в течение 30 минут, достаточно, чтобы инактивировать вирусы в дыхательном аппарате N95. Таким образом, это реальный способ для обычных людей повторно использовать свои дыхательные аппараты N95 в повседневной деятельности, соблюдая определенные ограничения, такие как: дыхательный аппарат не должен быть загрязнен кровью, сапун не должен быть сломан и т. Д.

Авторы утверждают, что фен нужно включить и дать ему поработать 3, 4 минуты. Затем загрязненный сапун N95 необходимо положить в пакет с застежкой-молнией и подвергнуть 30-минутному нагреву от фена. Согласно их исследованиям, по истечении этого времени вирусы на маске будут эффективно инактивированы.

Все указанные выше действия не автоматизированы, и существуют ограничения, которые могут ухудшить процесс стерилизации, например, слишком низкая (или слишком высокая) температура нагрева. Таким образом, этот проект направлен на использование фена, микроконтроллера (atmega328, доступен в Arduino UNO), релейного экрана и датчика температуры (lm35) для создания автоматического стерилизатора масок на основе SONG et al. Выводы.

Запасы

1x Arduino UNO;

1x датчик температуры LM35;

1x релейный экран;

1x двухскоростной фен мощностью 1700 Вт (Taiff Black 1700 Вт для справки)

1x макетная плата;

2 соединительных кабеля «папа-папа» (по 15 см);

6 перемычек «папа-мама» (по 15 см);

2x 0,5м электрический провод 15А;

1x гнездовой электрический разъем (согласно стандарту вашей страны - Бразилия - NBR 14136 2P + T);

1x штекерный электрический разъем (в соответствии со стандартом вашей страны - Бразилия - NBR 14136 2P + T);

1x USB-кабель типа A (для программирования Arduino);

1x компьютер (настольный, ноутбук, любой);

1x тиски;

1x крышка кастрюли;

2x резинки;

1x спиральный блокнот в твердом переплете;

1x сумка Ziploc® Quart Size (17,7 x 18,8 см);

1x рулон клейкой ленты

1x 5V USB-источник питания

Шаг 1: Моделирование автоматического стерилизатора сапуна N95

Как указывалось ранее, этот проект направлен на создание автоматического стерилизатора на основе SONG et. al (2020), для этого необходимы следующие шаги:

1. Нагрейте фен в течение 3 ~ 4 минут, чтобы достичь температуры 70 ° C;

2. Оставьте фен на 30 минут, направив его на сапун N95 внутри пакета Ziploc®, чтобы обезвредить вирусы на сапуне

Итак, для построения решения были сформулированы вопросы моделирования:

а. Все ли фены обеспечивают температуру 70 ° C после нагрева в течение 3-4 минут?

б. Поддерживает ли фен (-а) постоянную температуру 70 ° C после 3-4 минут нагрева?

c. Равна ли температура внутри мешка Ziploc® температуре снаружи после 3-4 минут нагревания?

d. Повышается ли температура внутри пакета Ziploc® с той же скоростью, что и температура снаружи?

Чтобы ответить на эти вопросы, были предприняты следующие шаги:

I. Запишите кривые нагрева двух разных фенов в течение 3-4 минут, чтобы проверить, достигаются ли оба фена при температуре 70 ° C

II. Запишите кривые нагрева фена (ов) (на этом этапе датчик LM35 должен находиться вне пакета Ziploc®) в течение 2 минут после 3-4 минут первоначального нагрева

III. Запишите температуру внутри пакета Ziploc® в течение 2 минут после 3-4 минут первоначального нагрева и сравните ее с данными, зарегистрированными на шаге II.

IV. Сравните кривые нагрева, зарегистрированные на этапах II и III (внутренняя и внешняя температуры, относящиеся к мешку Ziploc®)

Шаги I, II, III выполнялись с использованием датчика температуры LM35 и алгоритма Arduino, разработанного для периодического информирования (1 Гц - через последовательный порт USB) температуры, регистрируемой датчиком LM35 в зависимости от времени.

Алгоритм, разработанный для регистрации температур, и зарегистрированные температуры доступны здесь [2]

Шаг IV был реализован с помощью данных, записанных на этапах II и III, а также с помощью двух скриптов Python, которые генерировали функции нагрева для описания нагрева внутри и снаружи мешка Ziploc®, а также графики на основе данных, записанных на обоих этапах. Эти сценарии Python (и библиотеки, необходимые для их запуска) доступны здесь [3].

Итак, после выполнения шагов I, II, III и IV можно ответить на вопросы a, b, c и d.

На вопрос а. ответ - нет, поскольку сравнивая данные, зарегистрированные для двух разных фенов в [2], можно увидеть, что один фен может достигать температуры 70 ° C, а другой - только 44 ° C.

Чтобы ответить на вопрос b, не учитывают фен, температура которого не достигает 70 ° C. При проверке данных от того, который может достичь 70 ° C (доступен в файле step_II_heating_data_outside_ziploc_bag.csv [2]), ответ на b также отрицательный, потому что он не может поддерживать постоянную температуру 70 ° C после начальных 4 минут нагрева.

Затем необходимо знать, равны ли температуры внутри и снаружи Ziploc (вопрос c) и повышаются ли они с одинаковой скоростью (вопрос d). Данные, доступные в файлах step_II_heating_data_outside_ziploc_bag.csv [2] и step_III_heating_data_inside_ziploc_bag.csv [2], представленные для алгоритмов подбора кривой и построения графика в [3], дают ответы на оба вопроса, которые являются отрицательными, поскольку температура внутри сумки Ziploc® достигла максимума 70 ~ 71 ° C, в то время как температура снаружи достигла максимума 77 ~ 78 ° C, а внутренняя температура сумки Ziploc® повышалась медленнее, чем ее внешняя аналог.

Рисунок 1 - Curvas de Aquecimento Fora e Dentro do Involucro показывает график температуры снаружи / внутри мешка Ziploc® в зависимости от времени (оранжевая кривая соответствует внутренней температуре, синяя кривая - внешней). Как можно видеть, температура внутри и снаружи разная и увеличивается с разной скоростью - внутри сумки Ziploc медленно, чем снаружи. На рисунке также показано, что температурные функции имеют вид:

Температура (t) = Температура окружающей среды + (Конечная температура - Температура окружающей среды) x (1 - e ^ (скорость повышения температуры x t))

Для температуры за пределами мешка Ziploc® временная функция температуры:

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

А для температуры внутри пакета Ziploc® временная функция температуры:

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

Итак, имея под рукой все эти данные (и другие эмпирические результаты), можно сказать следующее об этом процессе моделирования самодельного стерилизатора N95:

-Разные фены могут производить разную температуру - Некоторые не могут достичь 70 ° C, в то время как другие значительно превзойдут эту эталонную температуру. Для тех, которые не могут достичь 70 ° C, они должны быть выключены по истечении начального времени нагрева (чтобы избежать бесполезной траты энергии), и оператору стерилизатора должно быть выдано сообщение об ошибке. Но для тех, кто превышает эталонную температуру 70 ° C, необходимо выключить фен, когда температура превышает определенную температуру (70 + верхний предел) ° C (во избежание повреждения защитной способности сапуна N95) и повернуть его. снова включить после охлаждения N95 до температуры ниже (70 - нижний предел) ° C, чтобы продолжить процесс стерилизации;

-Датчик температуры LM35 не может находиться внутри пакета Ziploc®, потому что пакет необходимо запечатать, чтобы избежать заражения комнаты штаммами вирусов, поэтому температура LM35 должна быть размещена вне пакета;

-Поскольку температура внутри ниже, чем у внешнего аналога и требует больше времени для повышения, необходимо понимать, как происходит процесс охлаждения (снижения), потому что, если внутренняя температура требует больше времени для понижения, чем внешняя температура, то есть причинно-следственная связь между процессом увеличения / уменьшения внутренней / внешней температуры мешка Ziploc® и, таким образом, можно использовать внешнюю температуру в качестве эталона для регулирования всего процесса нагрева / охлаждения. Но если этого не произойдет, потребуется другой подход. Это приводит к пятому вопросу моделирования:

е. Температура внутри пакета Ziploc® снижается медленнее, чем снаружи?

Для ответа на этот вопрос был предпринят 5-й шаг, и были зарегистрированы температуры, полученные в процессе охлаждения (внутри / снаружи мешка Ziploc®) (доступно здесь [4]). По этим температурам были обнаружены функции охлаждения (и их соответствующие скорости охлаждения) для охлаждения снаружи и внутри мешка Ziploc®.

Внешний мешок с функцией охлаждения Ziploc®: 42,17 * e ^ (- 0,0089t) + 33,88

Внутренний аналог: 37,31 * e ^ (- 0,0088t) + 30,36

Имея это в виду, можно увидеть, что обе функции уменьшаются одинаково (-0,0088 ≃ -0,0089), как показано на Рисунке 2 - Curvas de Resfriamento Fora e Dentro do Invólucro: (синий / оранжевый снаружи / внутри сумки Ziploc® соответственно)

Поскольку температура внутри мешка Ziploc® снижается с той же скоростью, что и температура снаружи, внешнюю температуру нельзя использовать в качестве эталона, чтобы держать фен включенным, когда необходимо нагревание, потому что внешняя температура увеличивается быстрее, чем внутренняя температура, и когда внешняя температура достигает (70 + верхний предел) ° C внутренняя температура будет ниже, чем температура, необходимая для стерилизации сапуна. И со временем средняя температура внутри помещения несколько снизится. Таким образом, необходимо использовать функцию внутренней температуры с точки зрения времени, чтобы определить необходимое время для повышения ее температуры с (70 - нижний предел) ° C как минимум до 70 ° C.

При нижнем пределе в 3 ° C (и, следовательно, при начальной температуре 67 ° C), чтобы достичь ≃70 ° C, необходимо подождать не менее 120 секунд в соответствии с температурной функцией внутри Ziploc® с точки зрения времени..

Ответив на все вышеперечисленные вопросы моделирования, можно построить минимально жизнеспособное решение. Конечно, должны быть функции и улучшения, к которым здесь нельзя подходить - всегда есть что открыть или улучшить - но дело в том, что все выявленные элементы способны построить необходимое решение.

Это приводит к разработке алгоритма, который будет написан на Arduino, чтобы достичь установленной модели.

Шаг 2: Алгоритм работы автоматического стерилизатора сапуна N95

На основе требований и вопросов моделирования, поставленных на шаге 2, были разработаны алгоритмы, описанные на рисунке выше, которые доступны для загрузки на github.com/diegoascanio/N95HairDryerSterilizer.

Шаг 3: загрузка кода в Arduino

1. Загрузите библиотеку таймера Arduino - https://github.com/brunocalou/Timer/archive/master.zip [5]
2. Загрузите исходный код стерилизатора для фена N95 -
3. Откройте Arduino IDE
4. Добавьте библиотеку таймера Arduino: Sketch -> Include Library -> Add. ZIP Library и выберите файл Timer-master.zip из папки, в которую он был загружен.
5. Распакуйте файл n95hairdryersterilizer-master.zip.
6. Откройте файл n95hairdryersterilizer.ino с помощью Arduino IDE.
7. Подтвердите запрос на создание папки эскиза и переместите туда n95hairdryersterilizer.ino.
8. Вставьте USB-кабель типа A в Arduino UNO
9. Вставьте USB-кабель типа A в ПК
10. В Arduino IDE с уже открытым скетчем нажмите Sketch -> Upload (Ctrl + U), чтобы загрузить код в Arduino.
11. Arduino готов к работе!

Шаг 4: Подключение экрана реле к электрическим разъемам

Корпус шнура питания с релейным экраном:

1. Подключите заземляющий контакт электрического разъема "папа" к контакту заземления электрического разъема "мама" с электрическим проводом 15A;

2. Подключите штырь электрического разъема «папа» непосредственно к С-образному разъему экрана реле с помощью электрического провода на 15 А;

3. Подключите другой контакт электрического разъема "папа" к левому контакту электрического разъема "мама" с электрическим проводом 15A;

4. Подключите правый контакт электрического разъема-розетки непосредственно к нормально разомкнутому разъему экрана реле с помощью электрического провода 15A;

Подключение фена к шнуру питания Relay Shield:

5. Вставьте вилку электрического разъема фена в электрический разъем шнура питания Relay Shield.

Шаг 5: Подключение релейного экрана к Arduino

1. Подключите GND от Arduino к отрицательной линии макета с помощью перемычки «папа-папа»;

2. Подключите вывод 5V от Arduino к плюсовой линии макетной платы с помощью перемычки «папа-папа»;

3. Подключите цифровой контакт № 2 от Arduino к сигнальному контакту Relay Shield с помощью соединительного кабеля «папа-мама»;

4. Подключите вывод 5V от экрана реле к положительной линии макетной платы с помощью соединительного кабеля «папа-мама»;

5. Подключите контакт GND от релейного экрана к отрицательной линии макетной платы с помощью перемычки «папа-мама»;

Шаг 6: Подключение датчика температуры LM35 к Arduino

Принимая плоскую сторону датчика LM35 как фронтальную ссылку:

1. Подключите контакт 5V (1-й контакт слева направо) от LM35 к положительной линии макетной платы с помощью перемычки «мама-папа»;

2. Подключите сигнальный контакт (2-й контакт слева направо) от LM35 к контакту A0 Arduino с помощью перемычки «мама-папа»;

3. Подключите контакт GND (1-й контакт слева направо) от LM35 к отрицательной линии макетной платы с помощью перемычки «мама-папа»;

Шаг 7: прикрепление фена к тискам

1. Закрепите тиски на столе.

2. Поместите фен в тиски.

3. Отрегулируйте тиски, чтобы фен оставался прикрепленным.

Шаг 8: Подготовка опоры для сумки Ziploc®

1. Возьмите тетрадь на спирали в твердом переплете и поместите в нее две резинки, как показано на первом рисунке;

2. Выберите крышку с крышкой (как показано на втором изображении) или что-нибудь, что можно использовать в качестве опоры, чтобы оставить тетрадь со спиральной крышкой в твердом переплете в прямом положении;

3. Поместите тетрадь на спирали в твердом переплете с двумя резиновыми лентами наверху крышки горшка (как показано на третьем изображении).

Шаг 9: Размещение сапуна внутри сумки Ziploc®

1. Осторожно поместите сапун N95 внутрь Ziploc® Bag и закройте его соответствующим образом, чтобы избежать возможного загрязнения помещения (Изображение 1);

2. Поместите сумку Ziploc® Bag на ее опору (построенную на предыдущем шаге), потянув за две резиновые ленты, закрепленные на спиральной записной книжке в твердом переплете (Изображение 2);

Шаг 10: прикрепление датчика температуры к сумке Ziploc® снаружи

1. Прикрепите датчик LM35 снаружи Ziploc® Bag с помощью небольшой липкой ленты, как показано выше;

Шаг 11: установка сапуна N95 и его опоры в правильное положение

1. Сапун N95 должен находиться на расстоянии 12,5 см от фена. При размещении на большем расстоянии температура не поднимется выше 70 ° C и стерилизация не произойдет должным образом. Если разместить на более близком расстоянии, температура повысится значительно выше 70 ° C, что приведет к повреждению сапуна. Таким образом, 12,5 см - оптимальное расстояние для фена мощностью 1700 Вт.

Если фен обладает большей или меньшей эффективностью, необходимо правильно отрегулировать расстояние, чтобы поддерживать температуру как можно ближе к 70 ° C. Программное обеспечение Arduino печатает температуру каждую 1 секунду, чтобы сделать этот процесс настройки доступным для разных фенов;

Шаг 12: заставляем все работать

После выполнения всех подключений из предыдущих шагов, вставьте вилку шнура питания Relay Shield в розетку и вставьте кабель USB типа A в Arduino и в источник питания USB (или USB-порт компьютера). Затем стерилизатор начнет работать так же, как на видео выше.

Шаг 13: ссылки

1. Сун Ухуэй1, Пан Бин2, Кан Хайдун2 等. Оценка тепловой инактивации вирусного заражения на медицинской маске [J]. ЖУРНАЛ МИКРОБОВ И ИНФЕКЦИЙ, 2020, 15 (1): 31-35. (доступно по адресу https://jmi.fudan.edu.cn/EN/10.3969/j.issn.1673-6184.2020.01.006, по состоянию на 08 апреля 2020 г.)

2. Сантос, Диего Асканио. Алгоритм регистрации температуры и наборы данных температуры во времени, 2020 г. (доступно по адресу https://gist.github.com/DiegoAscanio/865d61e3b774aa614c00287e24857f83, по состоянию на 09 апреля 2020 г.)

3. Сантос, Диего Асканиу. Алгоритмы подгонки / построения графиков и их требования, 2020 г. (доступно по адресу https://gist.github.com/DiegoAscanio/261f7702dac87ea854f6a0262c060abf, по состоянию на 09 апреля 2020 г.)

4. Сантос, Диего Асканио. Наборы данных по температуре охлаждения, 2020 г. (доступно по адресу https://gist.github.com/DiegoAscanio/c0d63cd8270ee517137affacfe98bafe, по состоянию на 09 апреля 2020 г.)