DIY matu žāvētājs N95 elpošanas sterilizators: 13 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:53

Saskaņā ar SONG et al. (2020) [1] pietiek ar 70 ° C siltumu, ko 30 minūšu laikā rada fēns. Tātad, tas ir iespējams veids, kā regulāri cilvēki ikdienas aktivitātēs atkārtoti izmanto N95 elpceļus, ievērojot noteiktus ierobežojumus, piemēram: elpceļu nedrīkst piesārņot ar asinīm, elpceļu nedrīkst salauzt utt.

Autori norāda, ka fēns ir jāieslēdz un jāatsilda 3, 4 minūtes. Pēc tam piesārņotais N95 elpošanas ventilators jāievieto maisiņā ar rāvējslēdzēju un 30 minūtes jāsasilda ar fēnu. Pēc šī laika vīrusi uz maskas tiks efektīvi deaktivizēti, liecina viņu pētījumi.

Visas iepriekš minētās darbības nav automatizētas, un pastāv ierobežojumi, kas var pasliktināt sterilizācijas procesu, piemēram, pārāk zema (vai pārāk augsta) sildīšanas temperatūra. Tātad šī projekta mērķis ir izmantot fēnu, mikrokontrolleru (atmega328, pieejams Arduino UNO), releja vairogu un temperatūras sensoru (lm35), lai izveidotu automātisku masku sterilizatoru, kura pamatā ir SONG et al. secinājumus.

Piegādes

1x Arduino UNO;

1x LM35 temperatūras sensors;

1x releja vairogs;

1x 1700W divu ātrumu matu žāvētājs (1700W Taiff Black atsaucei)

1x maizes dēlis;

2x džemperis no vīrieša līdz vīrietim (katrs 15 cm);

6x vīriešu un sieviešu džemperu kabeļi (katrs 15 cm);

2x 0,5m 15A elektriskais vads;

1x sieviešu elektriskais savienotājs (saskaņā ar jūsu valsts standartu - Brazīlija ir NBR 14136 2P+T);

1x vīriešu elektriskais savienotājs (saskaņā ar jūsu valsts standartu - Brazīlija ir NBR 14136 2P+T);

1x A tipa USB kabelis (Arduino programmēšanai);

1x dators (galddators, piezīmjdators, jebkurš);

1x Vise;

1x katla vāks;

2x gumijas lentes;

1x spirālveida piezīmju grāmatiņa ar cietiem vākiem;

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

1x līmlentes rullis

1x 5V USB barošanas avots

1. darbība. Automātiska N95 elpošanas sterilizatora modelēšana

Kā minēts iepriekš, šī projekta mērķis ir izveidot automātisku sterilizatoru, pamatojoties uz SONG et. al (2020) secinājumiem. Lai to sasniegtu, ir jāveic šādas darbības:

1. Sildiet fēnu 3 ~ 4 minūtes, lai sasniegtu 70 ° C temperatūru;

2. Ļaujiet matu žāvētājam ieslēgties 30 minūtes, vienlaikus norādot to uz N95 elpinātāju Ziploc® maisiņā, lai deaktivizētu vīrusus uz izelpas

Tātad, lai rastu risinājumu, tika formulēti modelēšanas jautājumi:

a. Vai visi matu žāvētāji pēc apkures 3–4 minūtes rada 70 ° C temperatūru?

b. Vai fēns (-i) uztur nemainīgu 70 ° C temperatūru pēc 3–4 minūšu karsēšanas?

c. Vai temperatūra Ziploc® maisiņā ir vienāda ar temperatūru ārpus tās pēc 3–4 minūšu karsēšanas?

d. Vai temperatūra Ziploc® maisiņā paaugstinās tādā pašā tempā kā temperatūra ārpus tās?

Lai atbildētu uz šiem jautājumiem, tika veikti šādi soļi:

I. Ierakstiet apkures līknes no diviem dažādiem fēniem 3 ~ 4 minūtes, lai redzētu, vai abi var sasniegt 70 ° C

II. Ierakstiet fēna (-u) sildīšanas līknes (šajā posmā LM35 sensoram jāatrodas ārpus Ziploc® maisa) 2 minūtes pēc 3–4 minūšu sākotnējās uzsildīšanas

III. Ierakstiet temperatūru Ziploc® maisiņā 2 minūtes pēc 3–4 minūšu sākotnējās uzsildīšanas un salīdziniet to ar datiem, kas reģistrēti II solī.

IV. Salīdziniet apkures līknes, kas reģistrētas II un III solī (iekšējā un ārējā temperatūra, kas saistīta ar Ziploc® maisu)

I, II, III darbība tika veikta, izmantojot LM35 temperatūras sensoru un Arduino algoritmu, kas izstrādāts, lai periodiski informētu (1 Hz - caur USB seriālo komunikāciju) temperatūru, ko reģistrējis LM35 sensors laika funkcijā.

Algoritms, kas izstrādāts temperatūras reģistrēšanai, un reģistrētās temperatūras ir pieejamas šeit [2]

IV solis tika realizēts, izmantojot datus, kas ierakstīti II un III darbībā, kā arī izmantojot divus Python skriptus, kas ģenerēja sildīšanas funkcijas, lai aprakstītu apkuri Ziploc® maisiņā un ārpus tā, kā arī diagrammas no abos posmos reģistrētajiem datiem. Šie Python skripti (un to palaišanai nepieciešamās bibliotēkas) ir pieejami šeit [3].

Tātad, pēc I, II, III un IV soļa veikšanas ir iespējams atbildēt uz jautājumiem a, b, c un d.

Jautājumam a. atbilde ir Nē, jo to var redzēt, salīdzinot datus, kas reģistrēti no 2 dažādiem fēniem [2], ka viens fēns spēj sasniegt 70 ° C, bet cits - tikai 44 ° C

Lai atbildētu uz b jautājumu, matu žāvētājs, kas nevar sasniegt 70 ° C, netiek ņemts vērā. Pārbaudot datus no tā, kas spēj sasniegt 70 ° C (pieejams failā step_II_heating_data_outside_ziploc_bag.csv [2]), atbilde uz b ir arī nē, jo tā nevar uzturēt nemainīgu 70 ° C temperatūru pēc sākotnējā 4 minūšu sildīšanas laika.

Pēc tam ir jāzina, vai temperatūra Ziploc iekšpusē un ārpusē ir vienāda (c jautājums) un vai tā palielinās vienādi (d jautājums). Dati, kas pieejami failos step_II_heating_data_outside_ziploc_bag.csv [2] un step_III_heating_data_inside_ziploc_bag.csv [2], kas iesniegti līkņu pielāgošanas un diagrammu uzlikšanas algoritmiem [3], sniedz atbildes uz abiem jautājumiem, kas ir nē, jo temperatūra Ziploc® somā sasniedza maksimumu 70 ~ 71 ° C, kamēr temperatūra ārā sasniedza maksimumu 77 ~ 78 ° C, un Ziploc® maisa iekšējā temperatūra paaugstinājās lēni nekā tā ārējā temperatūra.

1. attēls - Curvas de Aquecimento Fora e Dentro do Involucro parāda Ziploc® maisa ārējās / iekšējās temperatūras grafiku atkarībā no laika (oranžā līkne atbilst iekšējai temperatūrai, zilā - ārējai). Kā redzat, iekšējā un ārējā temperatūra ir atšķirīga un arī pieaug ar atšķirīgu ātrumu - Ziploc maisiņā lēnām nekā ārā. Attēlā arī norādīts, ka temperatūras funkcijas ir šādas:

Temperatūra (t) = vides temperatūra + (galīgā temperatūra - vides temperatūra) x (1 - e^(temperatūras paaugstināšanās ātrums x t))

Temperatūrai ārpus Ziploc® maisa temperatūras funkcija laika izteiksmē ir šāda:

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

Un temperatūrai Ziploc® maisiņā temperatūras funkcija laika izteiksmē ir šāda:

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

Tātad, ņemot vērā visus šos datus (un citus empīriskos rezultātus), par šo DIY N95 sterilizatora modelēšanas procesu var teikt:

- Dažādi fēni var ražot dažādas temperatūras - daži nespēs sasniegt 70 ° C, bet citi pārsniegs šo atsauci. Tiem, kas nespēj sasniegt 70 ° C, tie ir jāizslēdz pēc sākotnējā sildīšanas laika (lai izvairītos no nevajadzīgas enerģijas izšķiešanas) un jāinformē sterilizatora operators, lai informētu par šo problēmu. Bet tiem, kas pārsniedz 70 ° C atsauces vērtību, ir jāizslēdz fēns, kad temperatūra ir augstāka par noteiktu temperatūru (70 + augstākā robeža) ° C (lai izvairītos no N95 elpošanas sistēmas aizsardzības spējas bojājumiem), un pagrieziet to atkal ieslēgt pēc N95 atdzesēšanas līdz temperatūrai zem (70 - zemāka robeža) ° C, lai turpinātu sterilizācijas procesu;

-LM35 temperatūras sensors nevar atrasties Ziploc® maisiņā, jo maisiņš ir jāaizzīmogo, lai izvairītos no istabas piesārņošanas ar vīrusu celmiem, tāpēc LM35 temperatūra jānovieto ārpus maisa;

-Tā kā temperatūra iekšpusē ir zemāka par ārējo temperatūru un prasa vairāk laika, lai to paaugstinātu, ir obligāti jāsaprot, kā notiek dzesēšanas (pazemināšanās) process, jo, ja iekšējai temperatūrai pazemināties nepieciešams vairāk laika nekā ārējai temperatūrai, cēloņsakarība starp Ziploc® maisa iekšējās/ārējās temperatūras palielināšanos/samazināšanos un tādējādi ir iespējams izmantot ārējo temperatūru kā atsauci, lai regulētu visu sildīšanas/dzesēšanas procesu. Bet, ja nē, tad būs nepieciešama cita pieeja. Tas noved pie piektā modelēšanas jautājuma:

e. Vai temperatūra Ziploc® maisiņā samazinās lēnāk nekā ārā?

Lai atbildētu uz šo jautājumu, tika veikts piektais solis, un tika reģistrēta dzesēšanas procesā iegūtā temperatūra (Ziploc® maisiņa iekšpusē/ārpusē) (pieejama šeit [4]). No šīm temperatūrām tika atklātas dzesēšanas funkcijas (un to attiecīgie dzesēšanas ātrumi) dzesēšanai ārpusē un Ziploc® maisa iekšpusē.

Ārējā Ziploc® dzesēšanas funkciju soma ir: 42,17 * e^(-0,0089t) + 33,88

Iekšējais ekvivalents ir: 37,31 * e^(-0,0088t) + 30,36

Paturot to prātā, ir iespējams redzēt, ka abas funkcijas samazinās vienādi (-0,0088 ≃ -0,0089), kā parādīts 2. attēlā -Curvas de Resfriamento Fora e Dentro do Invólucro: (zilā/oranžā krāsa ir attiecīgi ārpus/iekšpusē Ziploc® somā))

Tā kā temperatūra Ziploc® maisiņā pazeminās tādā pašā ātrumā kā temperatūra ārpus tās, ārējo temperatūru nevar izmantot kā atsauci, lai saglabātu ieslēgtu matu žāvētāju, kad ir nepieciešama apkure, jo āra temperatūra paaugstinās ātrāk nekā iekšējā temperatūra un āra temperatūra sasniedz (70 + augstākā robeža) ° C iekšējā temperatūra būtu zemāka par temperatūru, kas nepieciešama, lai sterilizētu elpu. Un laika gaitā iekšējā temperatūra vidējā vērtībā samazināsies. Tātad, ir jāizmanto iekšējās temperatūras funkcija laika izteiksmē, lai noteiktu nepieciešamo laiku, lai tās temperatūru paaugstinātu no (70 - zemāka robeža) ° C līdz vismaz 70 ° C.

No zemākas robežas 3 ° C (un līdz ar to sākuma temperatūra 67 ° C), lai sasniegtu ≃ 70 ° C, ir jāgaida vismaz 120 sekundes, saskaņā ar Ziploc® maisiņa temperatūras funkciju laika izteiksmē.

Izmantojot visas atbildes uz iepriekš minētajiem modelēšanas jautājumiem, var izveidot minimāli dzīvotspējīgu risinājumu. Protams, ir jābūt funkcijām un uzlabojumiem, kurus šeit nevarēja izmantot - vienmēr ir kas jāatklāj vai jāuzlabo -, bet visi iegūtie elementi spēj radīt vajadzīgo risinājumu.

Tas noved pie tā, ka tiek izstrādāts algoritms, kas jāraksta Arduino, lai sasniegtu izveidoto modeli.

2. darbība. Automātiskais N95 elpošanas sterilizatora darbības algoritms

Pamatojoties uz prasībām un modelēšanas jautājumiem, kas izvirzīti 2. darbībā, tika izstrādāti iepriekš attēlā aprakstītie algoritmi, kurus var lejupielādēt vietnē github.com/diegoascanio/N95HairDryerSterilizer

3. darbība: koda augšupielāde Arduino

1. Lejupielādējiet Arduino taimera bibliotēku - https://github.com/brunocalou/Timer/archive/master.zip [5]
2. Lejupielādējiet N95 fēnu sterilizatora avota kodu -
3. Atveriet Arduino IDE
4. Pievienot Arduino taimera bibliotēku: Skice -> Iekļaut bibliotēku -> Pievienot. ZIP bibliotēku un no mapes, kurā tā tika lejupielādēta, atlasiet failu Timer-master.zip
5. Izvilkt failu n95hairdryersterilizer-master.zip
6. Atveriet failu n95hairdryersterilizer.ino ar Arduino IDE
7. Pieņemiet uzvedni, lai izveidotu skiču mapi un pārvietotu uz turieni n95hairdryersterilizer.ino
8. Ievietojiet A tipa USB kabeli Arduino UNO
9. Ievietojiet A tipa USB kabeli datorā
10. Arduino IDE, kad skice jau ir atvērta, noklikšķiniet uz Skice -> Augšupielādēt (Ctrl + U), lai augšupielādētu kodu Arduino
11. Arduino ir gatavs darbam!

4. solis: Releju vairoga pievienošana elektriskajiem savienotājiem

Releju vairoga barošanas vada veidošana:

1. Ievietojiet zemējuma kontaktdakšu no elektriskā vada savienotāja elektriskā savienotāja zemējuma tapā ar 15A elektrisko vadu;

2. Pievienojiet tapu no elektriskā vada savienotāja tieši ar releja vairoga C savienoto savienotāju ar 15A elektrisko vadu;

3. Ievietojiet otru tapu no elektriskā vada savienotāja elektriskā savienotāja kreisā tapā ar 15A elektrisko vadu;

4. Pievienojiet labo tapu no elektriskā savienotāja savienotāja tieši ar releja vairoga NO savienoto savienotāju ar 15A elektrisko vadu;

Fēna pievienošana releja vairoga barošanas vadam:

5. Pievienojiet matu žāvētāja elektrisko vīriešu savienotāju releja vairoga barošanas vada elektriskajam savienotājam

5. solis: elektroinstalācijas releja vairogs uz Arduino

1. Ievietojiet GND no Arduino uz maizes dēļa negatīvo līniju ar džemperi no vīrieša līdz vīrietim;

2. Ievietojiet 5V tapu no Arduino maizes dēļa pozitīvajā līnijā ar džemperi no vīrieša līdz vīrietim;

3. Ievietojiet digitālo tapu Nr. 2 no Arduino releja vairoga signāltapā ar džemperi no vīrieša līdz sievietei;

4. Ievietojiet 5V tapu no releja vairoga pozitīvajā maizes dēļa līnijā ar džemperi no vīrieša līdz sievietei;

5. Ievietojiet GND tapu no releja vairoga maizes dēļa negatīvajā līnijā ar savienojuma kabeli no vīrieša līdz sievietei;

6. solis: LM35 temperatūras sensora pievienošana Arduino

LM35 sensora plakanās puses ņemšana par frontālo atskaiti:

1. Ievietojiet 5V tapu (1. tapa no kreisās uz labo) no LM35 maizes dēļa pozitīvajā līnijā ar sieviešu un vīriešu savienojuma kabeli;

2. Vada signāla tapu (2. tapa no kreisās uz labo) no LM35 Arduino A0 tapā ar sieviešu un vīriešu savienojuma kabeli;

3. Pievienojiet GND tapu (1. tapa no kreisās uz labo) no LM35 maizes dēļa negatīvajā līnijā ar sieviešu un vīriešu savienojuma kabeli;

7. solis: fēna piestiprināšana pie vise

1. Piestipriniet skrūvspīli virs galda

2. Ievietojiet fēnu skrūvspīlē

3. Pielāgojiet skrūvspīli, lai fēns būtu labi piestiprināts

8. solis: Ziploc® maisu atbalsta sagatavošana

1. Izvēlieties piezīmju grāmatiņu ar cieto vāku un ievietojiet tajā divas gumijas lentes, kā parādīts pirmajā attēlā;

2. Izvēlieties katlu (piemēram, tas, kas parādīts otrajā attēlā) vai jebko, ko var izmantot kā atbalstu, lai atstātu spirālveida piezīmjdatoru cietā vāka taisnā stāvoklī;

3. Novietojiet spirālveida piezīmjdatoru ar vāku ar divām gumijas joslām katla vāka augšpusē (kā parādīts trešajā attēlā).

9. solis: elpceļa ievietošana Ziploc® maisiņā

1. Uzmanīgi ievietojiet elpceļu N95 Ziploc® maisiņā un attiecīgi noslēdziet to, lai izvairītos no iespējamas telpas piesārņošanas (1. attēls);

2. Novietojiet Ziploc® maisu pie tā atbalsta (balstīts uz iepriekšējo soli), velkot divas gumijas lentes, kas novietotas virs spirālveida piezīmjdatora ar cieto vāku (2. attēls);

10. solis: temperatūras sensora piestiprināšana pie Ziploc® maisa ārpusē

1. Piestipriniet LM35 sensoru ārpus Ziploc® Bag ar nelielu līmlenti, kā parādīts iepriekš;

11. solis: N95 elpceļa un tā atbalsta novietošana pareizā stāvoklī

1. N95 elpošanas ierīcei jāatrodas 12,5 cm attālumā no fēna. Ja novietots lielākā attālumā, temperatūra nepaaugstinās virs 70 ° C un sterilizācija nenotiks tā, kā vajadzētu. Ja to novietotu tuvāk, temperatūra paaugstinātos krietni virs 70 ° C, kaitējot elpceļam. Tātad 12,5 cm ir optimālais 1700 W fēna attālums.

Ja matu žāvētājam ir lielāka vai mazāka iedarbība, attālums ir pareizi jāpielāgo, lai temperatūra būtu pēc iespējas tuvāka 70 ° C. Arduino programmatūra drukā temperatūru ik pēc 1 sekundes, lai padarītu šo pielāgošanas procesu iespējamu dažādiem matu žāvētājiem;

12. solis: visu darbam

Kad visi iepriekšējo darbību savienojumi ir veikti, pievienojiet Relay Shield strāvas vada elektrisko vīriešu savienotāju kontaktligzdai un ievietojiet A tipa USB kabeli Arduino un USB barošanas avotā (vai datora USB portā). Pēc tam sterilizators sāks darboties tāpat kā iepriekš redzamais video

13. darbība. Atsauces

1. Dziesma Wuhui1, Pan Bin2, Kan Haidong2 等. Vīrusu piesārņojuma siltuma inaktivācijas novērtējums uz medicīniskās maskas [J]. MIKROBU UN INFEKCIJU ŽURNĀLS, 2020, 15 (1): 31-35. (pieejams vietnē https://jmi.fudan.edu.cn/EN/10.3969/j.issn.1673-6184.2020.01.006, skatīts 2020. gada 8. aprīlī)

2. Santos, Diego Ascânio. Temperatūras uztveršanas algoritms un temperatūras laika datu kopas, 2020. (pieejams vietnē https://gist.github.com/DiegoAscanio/865d61e3b774aa614c00287e24857f83, pieejams 2020. gada 9. aprīlī)

3. Santos, Diego Ascânio. Montāžas/zīmēšanas algoritmi un to prasības, 2020. (pieejams vietnē https://gist.github.com/DiegoAscanio/261f7702dac87ea854f6a0262c060abf, pieejams 2020. gada 9. aprīlī)

4. Santos, Diego Ascânio. Temperatūras dzesēšanas datu kopas, 2020. (pieejams vietnē https://gist.github.com/DiegoAscanio/c0d63cd8270ee517137affacfe98bafe, pieejams 2020. gada 9. aprīlī)