DIY Hårtork N95 Andningssterilisator: 13 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:39

Enligt SONG et al. (2020) [1], 70 ° C värme som produceras av en hårtork under 30 minuter räcker för att inaktivera virus i en N95 -andning. Så det är ett genomförbart sätt för vanliga människor att återanvända sina N95-andningsskydd under dagliga aktiviteter, med respekt för vissa begränsningar som: andningen får inte vara förorenad med blod, andningen får inte brytas osv.

Författarna uppger att hårtorkarna ska slås på och låta värmas i 3, 4 minuter. Sedan måste en förorenad N95 -andning läggas in i en blixtlåspåse och utsättas för 30 minuters värme från hårtork. Efter denna tid skulle virus effektivt inaktiveras på masken, enligt deras studier.

Alla åtgärder som anges ovan är inte automatiserade och det finns begränsningar som kan försämra steriliseringsprocessen som uppvärmningstemperatur för låg (eller för hög). Så det här projektet syftar till att använda en hårtork, en mikrokontroller (atmega328, tillgänglig på Arduino UNO), en reläsköld och en temperatursensor (lm35) för att bygga en automatisk masksterilisator baserad på SONG et al. fynd.

Tillbehör

1x Arduino UNO;

1x LM35 temperatursensor;

1x reläsköld;

1x 1700W hårtork med två hastigheter (Taiff svart 1700W som referens)

1x brödbräda;

2x man-till-hanskabel (15 cm vardera);

6x han-till-hona-bygelkablar (15 cm vardera);

2x 0,5m 15A elektrisk ledning;

1x kvinnlig elektrisk kontakt (enligt din lands standard - Brasilien är NBR 14136 2P+T);

1x hankontakt (enligt din lands standard - Brasilien är NBR 14136 2P+T);

1x USB -kabel typ A (för att programmera Arduino);

1x dator (stationär, bärbar dator, valfri);

1x Vise;

1x grytlock;

2x gummiband;

1x inbunden spiral anteckningsbok;

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

1x tejprulle

1x 5V USB -strömförsörjning

Steg 1: Automatisk modellering av N95 -andningsluftsterilisator

Som nämnts tidigare syftar detta projekt till att bygga en automatisk sterilisator baserad på SONG et. al (2020) resultat. Följande steg är nödvändiga för att uppnå det:

1. Värm hårtork i 3 ~ 4 minuter för att uppnå 70 ° C temperatur;

2. Låt hårtorkan sättas på i 30 minuter medan du riktar den mot N95 -luftningen i en Ziploc® -påse för att inaktivera virus på luftningen

Så modelleringsfrågor formulerades för att bygga en lösning:

a. Producerar alla hårtorkar 70 ° C temperatur efter uppvärmning i 3 ~ 4 minuter?

b. Håller/håller hårtorkarna en konstant temperatur på 70 ° C efter 3 ~ 4 minuters uppvärmning?

c. Är temperaturen inne i Ziploc® -påsen lika med temperaturen utanför den efter 3 ~ 4 minuters uppvärmning?

d. Ökar temperaturen inuti Ziploc® -påsen i samma takt som temperaturen utanför den?

För att besvara dessa frågor togs följande steg:

I. Spela in värmekurvor från två olika hårtorkar i 3 ~ 4 minuter för att se om båda kan uppnå 70 ° C

II. Spela in hårtork (er) uppvärmningskurvor (LM35 -sensorn måste vara utanför Ziploc® -påsen vid detta steg) i 2 minuter efter 3 ~ 4 minuters första uppvärmning

III. Registrera temperaturen inuti Ziploc® -påsen i 2 minuter efter 3 ~ 4 minuters initial uppvärmning och jämför den med data som registrerades i steg II.

IV. Jämför värmekurvor som registrerats i steg II och III (in- och utetemperaturer relaterade till Ziploc® -påse)

Steg I, II, III gjordes med hjälp av en LM35 temperatursensor och en Arduino -algoritm som utvecklats för att regelbundet (1Hz - via USB seriell kommunikation) temperatur registrera av LM35 sensorn i funktion av tiden.

Algoritmen utvecklad för att registrera temperaturer och de registrerade temperaturerna är tillgängliga här [2]

Steg IV förverkligades genom data som registrerats i steg II och III samt genom två Python -skript som genererade värmefunktioner för att beskriva uppvärmning inuti och utanför Ziploc® -påsen samt plott från data som registrerats vid båda stegen. Dessa Python -skript (och bibliotek som krävs för att köra dem) är tillgängliga här [3].

Så efter att ha utfört steg I, II, III och IV är det möjligt att svara på frågor a, b, c och d.

För fråga a. svaret är Nej som det är möjligt att se, jämför data som registrerats från 2 olika hårtorkar i [2] att en hårtork kan uppnå 70 ° C medan andra bara kan uppnå 44 ° C

För att besvara fråga b, bortses från hårtork som inte kan uppnå 70 ° C. Inspektera data från den som kan nå 70 ° C (tillgänglig på filen step_II_heating_data_outside_ziploc_bag.csv [2]) är svaret på b också nej eftersom det inte kan hålla en konstant 70 ° C temperatur efter de första 4 minuters uppvärmningstiden.

Sedan är det nödvändigt att veta om temperaturen i och utanför Ziploc är lika (fråga c) och om de ökar i samma takt (fråga d). Data som finns tillgänglig i filer step_II_heating_data_outside_ziploc_bag.csv [2] och step_III_heating_data_inside_ziploc_bag.csv [2] skickas till kurvpassning och plottningsalgoritmer i [3] ger svar på båda frågorna, som båda är nej eftersom temperaturen inne i Ziploc® -påsen nådde maximalt 70 ~ 71 ° C medan temperaturen utanför nådde maximalt 77 ~ 78 ° C och Ziploc®: s påsens innertemperatur ökade långsamt än dess yttre motsvarighet.

Figur 1 - Curvas de Aquecimento Fora e Dentro do Involucro visar en plott av yttre / inuti Ziploc® -påsens temperaturer i funktion av tiden (orange kurva motsvarar insidan temperatur, blå kurva till utsidan). Som det är möjligt att se inne och ute temperaturer är olika och ökar också i olika takt - långsamt inuti Ziploc väska än utanför. Figuren informerar också om att temperaturfunktionerna är i form av:

Temperatur (t) = Miljö Temperatur + (Slutstemperatur - Miljö Temperatur) x (1 - e^(temperaturökningstakt x t))

För temperaturen utanför Ziploc® -påsen är temperaturfunktionen tidsmässigt:

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

Och för temperaturen inuti Ziploc® -påsen är temperaturfunktionen tidsmässigt:

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

Så med alla dessa data (och andra empiriska resultat) till hands kan följande anges om denna DIY N95 Sterilisator -modelleringsprocess:

-Olika hårtorkar kan producera olika temperaturer - Vissa kommer inte att kunna nå 70 ° C medan andra kommer att överträffa denna referens mycket. För de som inte kan uppnå 70 ° C måste de stängas av efter den första uppvärmningstiden (för att undvika onödigt slöseri med energi) och ett felmeddelande bör uppmanas till sterilisatorns operatör att informera detta problem. Men för dem som överstiger 70 ° C -referens behöver du stänga av hårtorkarna när temperaturen är över en viss temperatur (70 + överlägsen marginal) ° C (för att undvika skador på N95 -andningsskyddets kapacitet) och vrida den på igen efter att N95 svalnat till en temperatur under (70 - sämre marginal) ° C, för att fortsätta steriliseringsprocessen;

-LM35 -temperatursensorn kan inte vara inuti Ziploc® -påsen, eftersom påsen måste förseglas för att undvika kontaminering med virusstammar, så LM35 -temperaturen bör placeras utanför påsen;

-Eftersom temperaturen inuti är lägre än sin yttre motsvarighet och kräver mer tid att öka, är det obligatoriskt att förstå hur kylningsprocessen sker (för att den inre temperaturen tar mer tid att minska än yttemperaturen, så det finns en orsakssamband mellan ökande/minskande process inom/utanför Ziploc®s väsktemperatur och därmed är det möjligt att använda yttemperaturen som referens för att reglera hela uppvärmnings-/kylprocessen. Men om inte då, kommer ett annat tillvägagångssätt att behövas. Detta leder till en femte modellfråga:

e. Minskar temperaturen inuti Ziploc® -påsen långsammare än ute?

Ett femte steg togs för att besvara denna fråga och temperaturer som erhölls under kylningsprocessen (inuti/utsidan av Ziploc® -påsen) registrerades (finns här [4]). Från dessa temperaturer upptäcktes kylfunktioner (och deras respektive kylhastigheter) för kylning utanför och inuti Ziploc® -påsen.

Den yttre Ziploc® kylfunktionsväskan är: 42,17 * e^(-0,0089t) + 33,88

Den inre motsvarigheten är: 37,31 * e^(-0,0088t) + 30,36

Med detta i åtanke är det möjligt att se att båda funktionerna minskar på samma sätt (-0.0088 ≃ -0.0089) som figur 2 -Curvas de Resfriamento Fora e Dentro do Invólucro visar: (blå/orange är utsidan/inuti Ziploc® -påsen respektive)

Eftersom temperaturen inuti Ziploc® -påsen minskar i samma takt som temperaturen utanför, kan utomhustemperaturen inte användas som referens för att hålla hårtorken på när uppvärmning behövs eftersom utetemperaturen ökar snabbare än innetemperaturen och när utetemperaturen når (70 + överlägsen marginal) ° C innertemperatur skulle vara lägre än den nödvändiga temperaturen för att sterilisera andningen. Och med tiden skulle innertemperaturen uppleva en utspädd minskning av dess medelvärde. Så det är nödvändigt att använda den inre temperaturfunktionen när det gäller tid för att bestämma den nödvändiga tiden för att öka temperaturen från (70 - sämre marginal) ° C till minst 70 ° C.

Från en sämre marginal på 3 ° C (och följaktligen en starttemperatur på 67 ° C) för att nå ≃ 70 ° C krävs det att vänta minst 120 sekunder, enligt Ziploc® -väskans temperaturfunktion när det gäller tid.

Med alla svaren på modelleringsfrågorna ovan kan en minimalt hållbar lösning byggas. Naturligtvis måste det finnas funktioner och förbättringar som inte går att komma åt här - det finns alltid något att upptäcka eller förbättra - men det är att alla element som framkallas kan bygga den nödvändiga lösningen.

Detta leder till utarbetandet av en algoritm som ska skrivas på Arduino för att uppnå den etablerade modellen.

Steg 2: Automatisk N95 andningssteriliseringsdriftalgoritm

Baserat på krav och modelleringsfrågor som framkallades i steg 2, utvecklades algoritmer som beskrivs i bilden ovan och finns att ladda ner på github.com/diegoascanio/N95HairDryerSterilizer

Steg 3: Ladda upp kod till Arduino

1. Ladda ner Arduino Timer Library - https://github.com/brunocalou/Timer/archive/master.zip [5]
2. Ladda ner källkoden N95 hårtorksterilisator -
3. Öppna Arduino IDE
4. Lägg till Arduino Timer -bibliotek: Skiss -> Inkludera bibliotek -> Lägg till. ZIP -bibliotek och välj Timer-master.zip -fil från mappen där den laddades ner
5. Extrahera filen n95hairdryersterilizer-master.zip
6. Öppna filen n95hairdryersterilizer.ino med Arduino IDE
7. Acceptera prompten för att skapa en skissmapp och flytta n95hairdryersterilizer.ino dit
8. Sätt i USB -kabel typ A i Arduino UNO
9. Sätt i USB -kabel typ A i datorn
10. På Arduino IDE, med skiss redan öppen, klicka på Sketch -> Ladda upp (Ctrl + U) för att ladda upp koden till Arduino
11. Arduino är redo att köra!

Steg 4: Ledningsreläskydd till elektriska kontakter

Reläskyddets strömkabelbyggnad:

1. Kabelnål från elektrisk hankontakt till jordstift på elektrisk honkontakt med 15A elektrisk ledning;

2. Koppla en stift från den elektriska hankontakten direkt till C -burna kontakten på reläskyddet med 15A elektrisk kabel;

3. Anslut den andra stiftet från den elektriska hankontakten till den vänstra stiftet på den elektriska honkontakten med 15A elektrisk kabel;

4. Anslut den rätta stiftet från den elektriska honkontakten direkt till reläskyddets NO -kontakt med 15A elektrisk kabel;

Anslut hårtork till Relay Shield nätsladd:

5. Anslut hårtorkens elektriska hankontakt till Relay Shield -strömkabelns elektriska honkontakt

Steg 5: Ledningsreläskydd till Arduino

1. Anslut GND från Arduino till en negativ linje av brödbräda med manlig-till-hanskabel;

2. Anslut 5V-stift från Arduino till den positiva linjen på brödbrädan med en manlig-till-hanskabel;

3. Anslut den digitala stift nr 2 från Arduino till signalnålen på Relay Shield med man-till-hona-bygelkabel;

4. Anslut 5V-stiftet från Relay Shield till den positiva linjen på brödbrädet med en manlig-till-kvinnlig bygelkabel;

5. Anslut GND-stiftet från Relay Shield till den negativa linjen på brödbrädet med en manlig-till-hon-bygelkabel;

Steg 6: Anslutning av LM35 temperatursensor till Arduino

Med den platta sidan av LM35 -sensorn som frontreferens:

1. Anslut 5V-stift (1: a stiftet från vänster till höger) från LM35 till den positiva raden på brödbrädan med hona-till-han-startkabel;

2. Ledningssignalstift (2: a stift från vänster till höger) från LM35 till A0-stift på Arduino med hona-till-han-bygelkabel;

3. Anslut GND-stiftet (första stiftet från vänster till höger) från LM35 till den negativa linjen på brödbrädan med en hon-till-han-bygelkabel;

Steg 7: Fäst hårtork på Vise

1. Fäst skruvstaven över ett bord

2. Lägg hårtork i skruvstaven

3. Justera skruvstaven för att lämna hårtorken väl fastsatt

Steg 8: Förbereda Ziploc® Bag Support

1. Välj den inbundna spiral anteckningsboken och placera två gummiband i den som visas i första bilden;

2. Välj en kärl (som den som visas i den andra bilden) eller något som kan användas som stöd för att lämna den inbundna spiralboken i rakt läge;

3. Placera den inbundna spiral -anteckningsboken med två gummiband ovanpå grytlocket (som visas i tredje bilden)

Steg 9: Placera Breather inuti Ziploc® -väskan

1. Lägg försiktigt N95 Breather inuti Ziploc® -påsen och försegla den i enlighet med detta för att undvika möjlig kontaminering av rummet (bild 1).

2. Placera Ziploc® -väskan vid stödet (byggt på föregående steg), dra de två gummibanden placerade över den inbundna spiralboken (bild 2);

Steg 10: Fäst temperatursensorn på Ziploc® -påsen utanför

1. Fäst LM35 -sensorn utanför Ziploc® -påsen med lite tejp, som visas ovan;

Steg 11: Placera N95 Breather och dess stöd i rätt position

1. N95 Breather ska vara på 12,5 cm avstånd från hårtorken. Om den placeras på ett större avstånd kommer temperaturen inte att stiga över 70 ° C och sterilisering kommer inte att ske som den ska. Om den placeras på ett närmare avstånd skulle temperaturen stiga långt över 70 ° C och orsaka skada på andningen. Så 12,5 cm är det optimala avståndet för en 1700W hårtork.

Om hårtork har mer eller mindre styrka, bör avståndet justeras ordentligt för att hålla temperaturen så nära som möjligt till 70 ° C. Programvaran på Arduino skriver ut temperaturen var 1: e sekund, för att göra denna justeringsprocess möjlig för olika hårtorkar;

Steg 12: Att få allt att fungera

När alla anslutningar från tidigare steg har utförts, kopplar du in reläsköldens elektriska hankontakt i ett eluttag och sätter in USB -kabel typ A i Arduino och i en USB -strömförsörjning (eller datorns USB -port). Därefter börjar sterilisatorn fungera precis som videon ovan

Steg 13: Referenser

1. Song Wuhui1, Pan Bin2, Kan Haidong2 等. Utvärdering av värmeinaktivering av virusföroreningar på medicinsk mask [J]. JOURNAL OF MICROBES AND INFECTIONS, 2020, 15 (1): 31-35. (tillgänglig på https://jmi.fudan.edu.cn/EN/10.3969/j.issn.1673-6184.2020.01.006, tillgänglig 08.04.2020)

2. Santos, Diego Ascânio. Datauppsättningar för algoritm för temperaturregistrering och temperatur över tid, 2020. (Tillgänglig på https://gist.github.com/DiegoAscanio/865d61e3b774aa614c00287e24857f83, tillgänglig 09 april 2020)

3. Santos, Diego Ascânio. Montering/plottning av algoritmer och dess krav, 2020. (Tillgänglig på https://gist.github.com/DiegoAscanio/261f7702dac87ea854f6a0262c060abf, tillgänglig i april 09, 2020)

4. Santos, Diego Ascânio. Temperaturkylningsdataset, 2020. (Tillgänglig på https://gist.github.com/DiegoAscanio/c0d63cd8270ee517137affacfe98bafe, tillgänglig i april 09, 2020)