Esterilitzador de respirador N95 per assecador de cabells: 13 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:12

Segons SONG et al. (2020) [1], la calor de 70 ° C produïda per un assecador durant 30 minuts és suficient per inactivar els virus en un respirador N95. Per tant, és una manera factible perquè les persones habituals reutilitzin els respiradors N95 durant les activitats del dia a dia, respectant certes restriccions com ara: l’aire respirador no s’ha de contaminar de sang, l’aire respirador no s’ha de trencar, etc.

Els autors afirmen que l’assecador s’ha d’encendre i deixar escalfar durant 3, 4 minuts. A continuació, s’ha de posar un respirador N95 contaminat dins d’una bossa amb cremallera i sotmetre’l a 30 minuts de calor produït per l’assecador. Després d’aquest temps, els virus s’inactivarien eficaçment a la màscara, segons els seus estudis.

Totes les accions esmentades anteriorment no estan automatitzades i hi ha restriccions que poden deteriorar el procés d’esterilització, com ara la temperatura d’escalfament massa baixa (o massa alta). Per tant, aquest projecte pretén utilitzar un assecador de cabells, un microcontrolador (atmega328, disponible a Arduino UNO), un escut de relés i un sensor de temperatura (lm35) per construir un esterilitzador de màscares automàtic basat en SONG et al. troballes.

Subministraments

1x Arduino UNO;

1x sensor de temperatura LM35;

1x escut de relé;

1 assecador de cabell de doble velocitat de 1700 W (Taiff negre de 1700 W per referència)

1x Taula de pa;

2x cables jumper home a home (15 cm cadascun);

6x cables de pont masculí a femella (15 cm cadascun);

2x 0,5m 15A cable elèctric;

1x connector elèctric femella (segons l'estàndard del vostre país: el Brasil és NBR 14136 2P + T);

1x connector elèctric masculí (segons l'estàndard del vostre país: el Brasil és NBR 14136 2P + T);

1x cable USB tipus A (per programar Arduino);

1x ordinador (escriptori, portàtil, qualsevol);

1x morsa;

1x tapa del test;

2 bandes de goma;

1x Quadern d’espiral de tapa dura;

1 bossa de mida Ziploc® Quart (17,7 cm x 18,8 cm);

1x rotlle de cinta adhesiva

1x Alimentació USB 5V

Pas 1: modelatge automàtic d’esterilitzadors de respirador N95

Com s’ha dit abans, aquest projecte té com a objectiu construir un esterilitzador automàtic basat en SONG et. al (2020): són necessaris els següents passos per aconseguir-ho:

1. Escalfeu l’assecador durant 3 ~ 4 minuts per aconseguir una temperatura de 70 ° C;

2. Deixeu que l’assecador estigui encès durant 30 minuts mentre l’orienteu cap al respirador N95 dins d’una bossa Ziploc® per inactivar els virus del respirador

Per tant, es van formular preguntes de modelització per tal de construir una solució:

a. Tots els assecadors produeixen una temperatura de 70 ° C després d’escalfar durant 3 ~ 4 minuts?

b. Mantenen / fan els assecadors una temperatura constant de 70 ° C després de 3 ~ 4 minuts d'escalfament?

c. La temperatura dins de la bossa Ziploc® és igual a la temperatura exterior després de 3 ~ 4 minuts d’escalfament?

d. La temperatura dins de la bossa Ziploc® augmenta al mateix ritme que la temperatura exterior?

Per donar resposta a aquestes preguntes, es van fer els passos següents:

I. Registre les corbes de calefacció de dos assecadors diferents durant 3 ~ 4 minuts per tal de veure si tots dos poden assolir 70 ° C

II. Registre les corbes de calefacció dels assecadors (el sensor LM35 ha d'estar fora de la bossa Ziploc® en aquest pas) durant 2 minuts després de 3 ~ 4 minuts de l'escalfament inicial

III. Registre la temperatura dins de la bossa Ziploc® durant 2 minuts després de 3 ~ 4 minuts d’escalfament inicial i compareu-la amb les dades registrades al pas II.

IV. Compareu les corbes de calefacció registrades als passos II i III (temperatures interiors i exteriors relacionades amb la bossa Ziploc®)

Els passos I, II, III es van fer utilitzant un sensor de temperatura LM35 i un algoritme Arduino desenvolupat per informar periòdicament (1Hz - mitjançant comunicació sèrie USB) de temperatura registrada pel sensor LM35 en funció del temps.

L'algorisme desenvolupat per registrar les temperatures i les temperatures registrades estan disponibles aquí [2]

El pas IV es va realitzar a través de les dades registrades en els passos II i III, així com mitjançant dos scripts Python que van generar funcions de calefacció per descriure l'escalfament dins i fora de la bossa Ziploc®, així com gràfics a partir de les dades registrades en els dos passos. Aquests scripts Python (i biblioteques necessàries per executar-los) estan disponibles aquí [3].

Per tant, després de fer els passos I, II, III i IV és possible respondre a les preguntes a, b, c i d.

Per a la pregunta a. la resposta és No, ja que es pot veure, comparant dades registrades de 2 assecadors diferents a [2] que un assecador pot assolir 70 ° C mentre que un altre només pot aconseguir 44 ° C

Per respondre a la pregunta b, no es té en compte l'assecador que no pot assolir els 70 ° C. Inspeccionant dades de la que pot assolir els 70 ° C (disponible al fitxer step_II_heating_data_outside_ziploc_bag.csv [2]), la resposta a b també és negativa perquè no pot mantenir una temperatura constant de 70 ° C després dels 4 minuts inicials de calefacció.

Aleshores, cal saber si les temperatures dins i fora de Ziploc són iguals (pregunta c) i si augmenten al mateix ritme (pregunta d). Les dades disponibles als fitxers step_II_heating_data_outside_ziploc_bag.csv [2] i step_III_heating_data_inside_ziploc_bag.csv [2] enviades als algoritmes d’ajust i representació de corbes de [3] ofereixen respostes a les dues preguntes, que no són totes dues, ja que la temperatura dins de la bossa Ziploc® va arribar a un màxim de 70 ~ 71 ° C, mentre que la temperatura exterior arribava a un màxim de 77 ~ 78 ° C i la temperatura interior de la bossa de Ziploc® augmentava lentament que la seva contrapart exterior.

La figura 1 - Les corbes d’aigua de forment i el dentre de l’involucro mostra un diagrama de temperatures de la bossa Ziploc® exterior / interior en funció del temps (la corba taronja correspon a la temperatura interior, la blava a l’exterior). Com es pot veure, les temperatures interiors i exteriors són diferents i també augmenten a ritmes diferents, lentament dins de la bossa Ziploc que a l’exterior. La figura també informa que les funcions de temperatura tenen la forma de:

Temperatura (t) = temperatura ambiental + (temperatura final - temperatura ambiental) x (1 - e ^ (taxa d'augment de temperatura x t))

Per a la temperatura fora de la bossa Ziploc®, la funció de temperatura en termes de temps és:

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

I per a la temperatura dins de la bossa Ziploc®, la funció de temperatura en termes de temps és:

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

Així doncs, amb totes aquestes dades (i altres resultats empírics) a la mà, es pot afirmar el següent sobre aquest procés de modelatge de l’esterilitzador N95 DIY:

-Diferents assecadors poden produir diferents temperatures: alguns no podran assolir els 70 ° C, mentre que altres superaran molt aquesta referència. Per a aquells que no puguin assolir els 70 ° C, s’han d’apagar després del temps d’escalfament inicial (per evitar un inútil malbaratament d’energia) i s’ha de demanar algun missatge d’error a l’operador de l’esterilitzador que informi d’aquest problema. Però per a aquells que superin els 70 ° C de referència, cal apagar l’assecador quan la temperatura sigui superior a una temperatura determinada (70 + marge superior) ° C (per evitar danys a la capacitat de protecció del respirador N95) i girar-lo torna a activar-se després que el N95 es refredés a una temperatura inferior a (70 - marge inferior) ° C, per continuar el procés d'esterilització;

-El sensor de temperatura LM35 no pot estar dins de la bossa Ziploc®, ja que cal tancar la bossa per evitar la contaminació de l'habitació amb ceps de virus, de manera que la temperatura LM35 s'ha de col·locar fora de la bossa;

-Com que la temperatura a l'interior és menor que la seva contrapart exterior i exigeix més temps per augmentar, és obligatori entendre com passa el procés de refredament (decreixent), perquè, si la temperatura interna triga a disminuir més que la temperatura externa, hi ha relació causal entre el procés creixent / decreixent de la temperatura interior / exterior de la bossa de Ziploc® i, per tant, és possible utilitzar la temperatura externa com a referència per regular tot el procés de calefacció / refrigeració. Però si no és així, caldrà un altre enfocament. Això porta a una cinquena pregunta de modelatge:

e. La temperatura dins de la bossa Ziploc® disminueix més lentament que a l'exterior?

Es va fer un cinquè pas per respondre a aquesta pregunta i es van registrar les temperatures obtingudes durant el procés de refredament (dins / fora de la bossa Ziploc®) (disponibles aquí [4]). A partir d’aquestes temperatures, es van descobrir les funcions de refrigeració (i les seves respectives velocitats de refrigeració) per refredar-se fora i dins de la bossa Ziploc®.

La bossa de funció de refrigeració exterior Ziploc® és: 42,17 * e ^ (- 0,0089 t) + 33,88

La contrapartida interior és: 37,31 * e ^ (- 0,0088t) + 30,36

Tenint això en compte, és possible veure que ambdues funcions disminueixen de manera igual (-0.0088 ≃ -0.0089) com mostra la Figura 2 - Curvas de Resfriamento Fora i Dentro do Invólucro: (el blau / taronja es troba fora / dins de la bossa Ziploc®, respectivament))

Com que la temperatura dins de la bossa Ziploc® disminueix a la mateixa velocitat que la temperatura exterior, la temperatura exterior no es pot fer servir com a referència per mantenir l’assecador encès quan cal escalfar-la perquè la temperatura exterior augmenta més ràpidament que la temperatura interior i quan la temperatura exterior aconsegueix (70 + marge superior) ° C la temperatura interior seria inferior a la temperatura necessària per esterilitzar el respirador. I amb el pas del temps, la temperatura interior experimentaria una disminució diluïda del seu valor mitjà. Per tant, és necessari utilitzar la funció de temperatura interior en termes de temps per determinar el temps necessari per augmentar la seva temperatura de (70 - marge inferior) ° C a almenys 70 ° C.

Des d'un marge inferior de 3 ° C (i, en conseqüència, una temperatura inicial de 67 ° C) per arribar a ≃ 70 ° C, cal esperar almenys 120 segons, segons la funció de temperatura interior de la bossa Ziploc® en termes de temps..

Amb totes les respostes a les preguntes de modelització anteriors, es pot crear una solució mínimament viable. Per descomptat, hi ha d’haver funcions i millores que no es poguessin abordar aquí (sempre hi ha alguna cosa per descobrir o millorar), però és que tots els elements obtinguts són capaços de construir la solució necessària.

Això condueix a l'elaboració d'un algoritme que s'escriurà a Arduino, per tal d'aconseguir el model establert.

Pas 2: Algorisme d'operació d'esterilitzador de respirador N95 automàtic

Basant-se en els requisits i les preguntes de modelització suscitades al pas 2, es van desenvolupar algoritmes descrits a la imatge anterior i es poden descarregar a github.com/diegoascanio/N95HairDryerSterilizer

Pas 3: penjar codi a Arduino

1. Descarregueu la biblioteca del temporitzador Arduino: https://github.com/brunocalou/Timer/archive/master.zip [5]
2. Descarregueu el codi font de l'esterilitzador d'assecador N95 -
3. Obriu Arduino IDE
4. Afegiu la biblioteca del temporitzador Arduino: Sketch -> Inclou biblioteca -> Afegeix la biblioteca. ZIP i seleccioneu el fitxer Timer-master.zip, a la carpeta on es va descarregar
5. Extreu el fitxer n95hairdryersterilizer-master.zip
6. Obriu el fitxer n95hairdryersterilizer.ino amb Arduino IDE
7. Accepteu la sol·licitud per crear una carpeta de croquis i moure n95hairdryersterilizer.ino fins allà
8. Inseriu un cable USB tipus A a Arduino UNO
9. Inseriu el cable USB tipus A al PC
10. A Arduino IDE, amb l'esbós ja obert, feu clic a Sketch -> Upload (Ctrl + U) per penjar codi a Arduino
11. Arduino està llest per funcionar.

Pas 4: Cablatge del blindatge del relé als connectors elèctrics

Edifici del cable d'alimentació de l'escut de relé:

1. Connecteu la connexió de terra del connector mascle elèctric al pas de terra del connector femella elèctrica amb fil elèctric de 15A;

2. Connecteu un pin del connector mascle elèctric directament al connector de blindatge del relé portat en C amb fil elèctric de 15A;

3. Connecteu l'altre pin del connector mascle elèctric al pin esquerre del connector femella elèctrica amb cable elèctric de 15 A;

4. Connecteu el pin dret del connector femella elèctrica directament al connector NO blindat del relé amb fil elèctric de 15A;

Connectar l’assecador al cable d’alimentació del relé Shield:

5. Connecteu el connector masculí elèctric de l'assecador al connector femella elèctrica del cable d'alimentació de relé Shield

Pas 5: Cablatge del blindatge del relé a Arduino

1. Connecteu GND d'Arduino a la línia negativa de Breadboard amb cable de pont home-a-home;

2. Connecteu el pin de 5 V d'Arduino a la línia positiva de Breadboard amb cable jumper home a home;

3. Connecteu el pin digital # 2 d'Arduino a la clavilla del relé Shield amb cable jumper home a dona;

4. Connecteu el pin de 5 V des del relé Shield a la línia positiva de la placa de pa amb cable de pont home-a-dona;

5. Connecteu el pin GND des del relé Shield a la línia negativa de la placa de pa amb cable de pont home-a-femella;

Pas 6: Cablatge del sensor de temperatura LM35 a Arduino

Prenent el costat pla del sensor LM35 com a referència frontal:

1. Connecteu el pin de 5 V (el primer pin d'esquerra a dreta) de LM35 a la línia positiva de Breadboard amb cable de pont femení a masculí;

2. Pin de senyal de cable (segon pin d'esquerra a dreta) de LM35 a pin A0 d'Arduino amb cable de pont femella a home;

3. Connecteu el pin GND (1er pin d'esquerra a dreta) de LM35 a la línia negativa de Breadboard amb cable de pont femení a masculí;

Pas 7: Fixació de l’assecador a Vise

1. Fixeu el torn sobre una taula

2. Col·loqueu l’assecador al torn

3. Ajusteu el torn per deixar l’assecador ben fixat

Pas 8: Preparació del suport de la bossa Ziploc®

1. Trieu el quadern de cargol de tapa dura i col·loqueu-hi dues gomes com es mostra a la primera imatge;

2. Trieu un tapet (com el que es mostra a la segona imatge) o qualsevol cosa que es pugui utilitzar com a suport per deixar el quadern de cargol en tapa dura en posició recta;

3. Col·loqueu el quadern de cargol de tapa dura amb dues gomes a la part superior de la tapa de l'olla (com es mostra a la tercera imatge)

Pas 9: col·locació del respirador dins de la bossa Ziploc®

1. Introduïu amb cura el respirador N95 dins de la bossa Ziploc® i segleu-lo en conseqüència per evitar possibles contaminacions ambientals (imatge 1);

2. Col·loqueu la bossa Ziploc® al seu suport (construït sobre el pas anterior), estirant les dues gomes col·locades sobre la llibreta de cargol de tapa dura (imatge 2);

Pas 10: Fixació del sensor de temperatura a la bossa Ziploc® a l'exterior

1. Connecteu el sensor LM35 a l'exterior de la bossa Ziploc® amb una mica de cinta adhesiva, tal com es mostra a la part superior;

Pas 11: col·locació del respirador N95 i el seu suport en una posició correcta

1. El respirador N95 ha d’estar a 12,5 cm de distància de l’assecador. Si es col·loca a una distància més gran, la temperatura no augmentarà per sobre dels 70 ° C i l'esterilització no es produirà com hauria de ser. Si es col·loca a una distància més propera, la temperatura augmentaria molt per sobre dels 70 ° C, causant danys al respirador. Per tant, 12,5 cm és la distància òptima per a un assecador de 1700W.

Si l’assecador té més o menys potència, s’ha d’ajustar correctament la distància per tal de mantenir la temperatura a prop de 70 ° C. El programari d’Arduino imprimeix la temperatura cada 1 segon per tal de fer possible aquest procés d’ajust per a diferents assecadors;

Pas 12: posar-ho tot a la feina

Un cop realitzades totes les connexions dels passos anteriors, connecteu el connector de connexió mascle elèctric del cable d'alimentació del relé a una presa de corrent i introduïu el cable USB tipus A a Arduino i a una font d'alimentació USB (o port USB de l'ordinador). Aleshores, l'esterilitzador començarà a funcionar igual que el vídeo anterior

Pas 13: referències

1. Song Wuhui1, Pan Bin2, Kan Haidong2 等. Avaluació de la inactivació tèrmica de la contaminació per virus en màscara mèdica [J]. REVISTA DE MICROBIS I INFECCIONS, 2020, 15 (1): 31-35. (disponible a https://jmi.fudan.edu.cn/EN/10.3969/j.issn.1673-6184.2020.01.006, consultat el 8 d'abril de 2020)

2. Santos, Diego Ascânio. Algorisme de captura de temperatura i conjunts de dades de temperatura al llarg del temps, 2020. (Disponible a https://gist.github.com/DiegoAscanio/865d61e3b774aa614c00287e24857f83, accessible el 9 d'abril de 2020)

3. Santos, Diego Ascânio. Algoritmes d’ajustament / traçat i els seus requisits, 2020. (Disponible a https://gist.github.com/DiegoAscanio/261f7702dac87ea854f6a0262c060abf, consultat el 9 d'abril de 2020)

4. Santos, Diego Ascânio. Conjunts de dades de refrigeració de temperatura, 2020. (Disponible a https://gist.github.com/DiegoAscanio/c0d63cd8270ee517137affacfe98bafe, consultat el 9 d'abril de 2020)