Secador de pelo DIY Esterilizador de respiración N95: 13 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

Según SONG et al. (2020) [1], el calor a 70 ° C producido por un secador de pelo durante 30 minutos es suficiente para inactivar virus en un respirador N95. Por lo tanto, es una forma viable para que la gente común reutilice sus respiradores N95 durante las actividades del día a día, respetando ciertas limitaciones como: el respiradero no debe estar contaminado con sangre, el respiradero no debe romperse, etc.

Los autores afirman que el secador de pelo debe estar encendido y dejar calentar durante 3, 4 minutos. Luego, se debe colocar un respirador N95 contaminado dentro de una bolsa con cierre hermético y someterlo a 30 minutos de calor producido por el secador de pelo. Después de este tiempo, los virus se inactivarían efectivamente en la máscara, según sus estudios.

Todas las acciones indicadas anteriormente no están automatizadas y existen limitaciones que pueden deteriorar el proceso de esterilización, como una temperatura de calentamiento demasiado baja (o demasiado alta). Por lo tanto, este proyecto tiene como objetivo utilizar un secador de pelo, un microcontrolador (atmega328, disponible en Arduino UNO), un protector de relé y un sensor de temperatura (lm35) para construir un esterilizador de máscara automático basado en SONG et al. recomendaciones.

Suministros

1x Arduino UNO;

1x sensor de temperatura LM35;

1x escudo de relé;

Secador de pelo de doble velocidad 1x 1700W (Taiff Black 1700W como referencia)

1x tablero de pruebas;

2x cables de puente macho a macho (15 cm cada uno);

6 cables de puente macho a hembra (15 cm cada uno);

2x cable eléctrico de 0.5m 15A;

1x conector eléctrico hembra (según el estándar de su país - Brasil es NBR 14136 2P + T);

1x conector eléctrico macho (según el estándar de su país - Brasil es NBR 14136 2P + T);

1x cable USB tipo A (para programar Arduino);

1x computadora (computadora de escritorio, portátil, cualquiera);

1x tornillo de banco;

1x tapa de olla;

2x bandas de goma;

1x cuaderno de espiral de tapa dura;

1 bolsa Ziploc® de un cuarto de galón (17,7 cm x 18,8 cm);

1x rollo de cinta adhesiva

Fuente de alimentación USB 1x 5V

Paso 1: Modelado automático del esterilizador de respiración N95

Como se dijo anteriormente, este proyecto tiene como objetivo construir un esterilizador automático basado en SONG et. al (2020) Los siguientes pasos son necesarios para lograrlo:

1. Caliente el secador de pelo durante 3 ~ 4 minutos para alcanzar una temperatura de 70 ° C;

2. Deje actuar el secador de pelo durante 30 minutos mientras apunta hacia el respiradero N95 dentro de una bolsa Ziploc® para inactivar los virus en el respiradero

Entonces, se formularon preguntas de modelado para construir una solución:

una. ¿Todos los secadores de pelo producen una temperatura de 70 ° C después de calentarlos durante 3 ~ 4 minutos?

B. ¿Mantienen / mantienen los secadores de pelo una temperatura constante de 70 ° C después de 3 ~ 4 minutos de calentamiento?

C. ¿La temperatura dentro de la bolsa Ziploc® es igual a la temperatura exterior después de 3 a 4 minutos de calentamiento?

D. ¿La temperatura dentro de la bolsa Ziploc® aumenta al mismo ritmo que la temperatura exterior?

Para responder a estas preguntas se siguieron los siguientes pasos:

I. Registre las curvas de calentamiento de dos secadores de pelo diferentes durante 3 ~ 4 minutos para ver si ambos pueden alcanzar los 70 ° C

II. Registre las curvas de calentamiento del secador (es) (el sensor LM35 debe estar fuera de la bolsa Ziploc® en este paso) durante 2 minutos después de 3 a 4 minutos de calentamiento inicial

III. Registre la temperatura dentro de la bolsa Ziploc® durante 2 minutos después de 3 a 4 minutos de calentamiento inicial y compárela con los datos registrados en el paso II.

IV. Compare las curvas de calentamiento registradas en los pasos II y III (temperaturas internas y externas relacionadas con la bolsa Ziploc®)

Los pasos I, II, III se realizaron utilizando un sensor de temperatura LM35 y un algoritmo Arduino desarrollado para informar periódicamente (1Hz - a través de comunicación serie USB) la temperatura registrada por el sensor LM35 en función del tiempo.

El algoritmo desarrollado para registrar temperaturas y las temperaturas registradas están disponibles aquí [2]

El paso IV se realizó a través de los datos registrados en los pasos II y III, así como a través de dos scripts de Python que generaron funciones de calentamiento para describir el calentamiento dentro y fuera de la bolsa Ziploc®, así como gráficos de los datos registrados en ambos pasos. Estos scripts de Python (y las bibliotecas necesarias para ejecutarlos) están disponibles aquí [3].

Entonces, después de realizar los pasos I, II, III y IV, es posible responder las preguntas a, b, c y d.

Para la pregunta a. La respuesta es No, como se puede ver, comparando los datos registrados de 2 secadores de pelo diferentes en [2], un secador puede alcanzar los 70 ° C mientras que el otro solo puede alcanzar los 44 ° C

Para responder a la pregunta b, se descarta el secador de pelo que no puede alcanzar los 70 ° C. Al inspeccionar los datos del que puede alcanzar los 70 ° C (disponible en el archivo step_II_heating_data_outside_ziploc_bag.csv [2]), la respuesta ab también es no porque no puede mantener una temperatura constante de 70 ° C después de los 4 minutos iniciales de calentamiento.

Luego, es necesario saber si las temperaturas dentro y fuera de Ziploc son iguales (pregunta c) y si aumentan al mismo ritmo (pregunta d). Los datos disponibles en los archivos step_II_heating_data_outside_ziploc_bag.csv [2] y step_III_heating_data_inside_ziploc_bag.csv [2] enviados a los algoritmos de ajuste de curvas y trazado en [3] proporcionan respuestas a ambas preguntas, que son negativas porque la temperatura dentro de la bolsa Ziploc® alcanzó un máximo de 70ºC. ~ 71 ° C mientras que la temperatura exterior alcanzó un máximo de 77 ~ 78 ° C y la temperatura interior de la bolsa Ziploc® aumentó lentamente que su contraparte exterior.

Figura 1 - Curvas de Aquecimento Fora e Dentro do Involucro muestra un gráfico de las temperaturas de la bolsa Ziploc® exterior / interior en función del tiempo (la curva naranja corresponde a la temperatura interior, la curva azul a la exterior). Como es posible ver, las temperaturas internas y externas son diferentes y también aumentan a diferentes velocidades, lentamente dentro de la bolsa Ziploc que afuera. La figura también informa que las funciones de temperatura están en forma de:

Temperatura (t) = temperatura ambiente + (temperatura final - temperatura ambiente) x (1 - e ^ (tasa de aumento de temperatura x t))

Para la temperatura exterior de la bolsa Ziploc®, la función de temperatura en términos de tiempo es:

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

Y para la temperatura dentro de la bolsa Ziploc®, la función de temperatura en términos de tiempo es:

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

Entonces, con todos estos datos (y otros resultados empíricos) a la mano, se puede afirmar lo siguiente sobre este proceso de modelado del esterilizador DIY N95:

-Diferentes secadores de pelo pueden producir diferentes temperaturas - Algunos no podrán alcanzar los 70 ° C mientras que otros superarán mucho esta referencia. Para los que no pueden alcanzar los 70 ° C, deben apagarse después del tiempo de calentamiento inicial (para evitar un desperdicio inútil de energía) y debe aparecer algún mensaje de error al operador del esterilizador informando este problema. Pero para aquellos que superen los 70 ° C de referencia de grado, es necesario apagar el secador cuando la temperatura esté por encima de una determinada temperatura (70 + margen superior) ° C (para evitar daños en la capacidad de protección del respiradero N95) y encenderlo. de nuevo después de que N95 se enfríe a una temperatura por debajo de (70 - margen inferior) ° C, para continuar el proceso de esterilización;

-El sensor de temperatura LM35 no puede estar dentro de la bolsa Ziploc®, porque la bolsa debe sellarse para evitar la contaminación de la habitación con cepas de virus, por lo que la temperatura LM35 debe colocarse fuera de la bolsa;

-Como la temperatura interior es menor que su contraparte exterior y requiere más tiempo para aumentar, es obligatorio comprender cómo ocurre el proceso de enfriamiento (disminución), porque, si la temperatura interna tarda más en disminuir que la temperatura externa, entonces, hay un relación causal entre el proceso de aumento / disminución de la temperatura interior / exterior de la bolsa Ziploc® y, por lo tanto, es posible usar la temperatura externa como referencia para regular todo el proceso de calentamiento / enfriamiento. Pero si no es así, será necesario otro enfoque. Esto lleva a una quinta pregunta de modelado:

mi. ¿La temperatura dentro de la bolsa Ziploc® disminuye más lentamente que en el exterior?

Se dio un quinto paso para responder a esta pregunta y se registraron las temperaturas obtenidas durante el proceso de enfriamiento (dentro / fuera de la bolsa Ziploc®) (disponible aquí [4]). A partir de estas temperaturas, se descubrieron las funciones de enfriamiento (y sus respectivas velocidades de enfriamiento) para enfriar el exterior y el interior de la bolsa Ziploc®.

La bolsa exterior con función de enfriamiento Ziploc® es: 42.17 * e ^ (- 0.0089t) + 33.88

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

Con esto en mente, es posible ver que ambas funciones disminuyen de igual manera (-0.0088 ≃ -0.0089) como muestra la Figura 2 - Curvas de Resfriamento Fora e Dentro do Invólucro: (azul / naranja está afuera / adentro de la bolsa Ziploc® respectivamente)

Como la temperatura dentro de la bolsa Ziploc® disminuye al mismo ritmo que la temperatura exterior, la temperatura exterior no se puede usar como referencia para mantener el secador de pelo encendido cuando se necesita calefacción porque la temperatura exterior aumenta más rápido que la temperatura interior y cuando la temperatura exterior alcanza (70 + margen superior) ° C la temperatura interior sería menor que la temperatura necesaria para esterilizar el respiradero. Y con el tiempo, la temperatura interior experimentaría una disminución diluida en su valor medio. Por lo tanto, es necesario utilizar la función de temperatura interior en términos de tiempo para determinar el tiempo necesario para aumentar su temperatura de (70 - margen inferior) ° C a al menos 70 ° C.

A partir de un margen inferior de 3 ° C (y consecuentemente, una temperatura inicial de 67 ° C) para llegar a ≃ 70 ° C, es necesario esperar al menos 120 segundos, según la función de temperatura interna de la bolsa Ziploc® en términos de tiempo..

Con todas las respuestas a las preguntas de modelado anteriores, se puede construir una solución mínimamente viable. Por supuesto, debe haber características y mejoras que no se podrían abordar aquí, siempre hay algo que descubrir o mejorar, pero es que todos los elementos obtenidos pueden construir la solución necesaria.

Esto lleva a la elaboración de un algoritmo a escribir en Arduino, con el fin de lograr el modelo establecido.

Paso 2: Algoritmo de operación del esterilizador de respiración automático N95

Según los requisitos y las preguntas de modelado que se obtuvieron en el paso 2, se desarrollaron los algoritmos descritos en la imagen anterior y están disponibles para descargar en github.com/diegoascanio/N95HairDryerSterilizer

Paso 3: carga de código a Arduino

1. Descargar la biblioteca de temporizadores de Arduino - https://github.com/brunocalou/Timer/archive/master.zip [5]
2. Descargue el código fuente del esterilizador de secador de pelo N95:
3. Abra el IDE de Arduino
4. Agregue la biblioteca Arduino Timer: Sketch -> Incluir biblioteca -> Agregar biblioteca. ZIP y seleccione el archivo Timer-master.zip, de la carpeta donde se descargó
5. Extraiga el archivo n95hairdryersterilizer-master.zip
6. Abra el archivo n95hairdryersterilizer.ino con Arduino IDE
7. Acepte el mensaje para crear una carpeta de bocetos y mueva n95hairdryersterilizer.ino allí
8. Inserte el cable USB tipo A en Arduino UNO
9. Inserte el cable USB tipo A en la PC
10. En Arduino IDE, con el boceto ya abierto, haga clic en Boceto -> Cargar (Ctrl + U) para cargar el código en Arduino
11. ¡Arduino está listo para funcionar!

Paso 4: Cableado del blindaje del relé a los conectores eléctricos

Edificio del cable de alimentación del blindaje del relé:

1. Conecte la clavija de tierra del conector eléctrico macho a la clavija de tierra del conector eléctrico hembra con un cable eléctrico de 15 A;

2. Conecte un pin del conector eléctrico macho directamente al conector C del blindaje del relé con un cable eléctrico de 15A;

3. Conecte la otra clavija del conector eléctrico macho a la clavija izquierda del conector eléctrico hembra con un cable eléctrico de 15A;

4. Conecte la clavija derecha del conector eléctrico hembra directamente al conector NO soportado del blindaje del relé con un cable eléctrico de 15A;

Enchufar el secador de pelo en el cable de alimentación del blindaje del relé:

5. Enchufe el conector eléctrico macho del secador de pelo en el conector eléctrico hembra del cable de alimentación del blindaje del relé.

Paso 5: Cableado del escudo del relé a Arduino

1. Conecte GND de Arduino a la línea negativa de la placa de pruebas con un cable de puente macho a macho;

2. Conecte el pin de 5 V de Arduino a la línea positiva de la placa de pruebas con un cable puente macho a macho;

3. Conecte la clavija digital n. ° 2 de Arduino a la clavija de señal del Relay Shield con un cable puente macho a hembra;

4. Conecte la clavija de 5 V del blindaje del relé a la línea positiva de la placa de pruebas con un cable puente macho a hembra;

5. Conecte la clavija GND del Relay Shield a la línea negativa de la placa de pruebas con un cable de puente macho a hembra;

Paso 6: Cableado del sensor de temperatura LM35 a Arduino

Tomando el lado plano del sensor LM35 como referencia frontal:

1. Conecte la clavija de 5 V (1ª clavija de izquierda a derecha) del LM35 a la línea positiva de la placa de pruebas con un cable puente hembra a macho;

2. Conecte el pin de señal (segundo pin de izquierda a derecha) del LM35 al pin A0 de Arduino con un cable de puente hembra a macho;

3. Conecte la clavija GND (1ª clavija de izquierda a derecha) del LM35 a la línea negativa de la placa de pruebas con un cable puente hembra a macho;

Paso 7: Colocación del secador de pelo en el tornillo de banco

1. Fije el tornillo de banco sobre una mesa.

2. Coloque el secador de pelo en el tornillo de banco.

3. Ajuste el tornillo de banco para dejar bien sujeto el secador.

Paso 8: Preparación del soporte para bolsas Ziploc®

1. Elija el cuaderno espiral de tapa dura y coloque dos bandas elásticas en él como se muestra en la primera imagen;

2. Elija una tapadera (como la que se muestra en la segunda imagen) o cualquier cosa que pueda usarse como soporte para dejar el cuaderno de espiral de tapa dura en una posición recta;

3. Coloque el cuaderno espiral de tapa dura con dos bandas elásticas en la parte superior de la tapa de la olla (como se muestra en la tercera imagen)

Paso 9: Colocación del respirador dentro de la bolsa Ziploc®

1. Coloque con cuidado el respirador N95 dentro de la bolsa Ziploc® y séllelo en consecuencia para evitar una posible contaminación de la habitación (Imagen 1);

2. Coloque la bolsa Ziploc® en su soporte (construido en el paso anterior), tirando de las dos bandas de goma colocadas sobre el cuaderno espiral de tapa dura (Imagen 2);

Paso 10: Colocación del sensor de temperatura en la bolsa Ziploc® en el exterior

1. Fije el sensor LM35 fuera de la bolsa Ziploc® con un poco de cinta adhesiva, como se muestra arriba;

Paso 11: Colocación del respirador N95 y su soporte en la posición correcta

1. El respiradero N95 debe estar a 12,5 cm de distancia del secador de pelo. Si se coloca a una distancia mayor, la temperatura no aumentará por encima de los 70 ° C y la esterilización no se realizará como debería. Si se coloca a una distancia más cercana, la temperatura aumentaría muy por encima de los 70 ° C, lo que dañaría el respirador. Por tanto, 12,5 cm es la distancia óptima para un secador de 1700 W.

Si el secador tiene más o menos potencia, la distancia debe ajustarse adecuadamente para mantener la temperatura lo más cerca posible de los 70 ° C. El software de Arduino imprime la temperatura cada 1 segundo, para que este proceso de ajuste sea factible para diferentes secadores;

Paso 12: Poniendo todo a trabajar

Una vez realizadas todas las conexiones de los pasos anteriores, enchufe el conector macho eléctrico del cable de alimentación Relay Shield en una toma de corriente e inserte el cable USB tipo A en Arduino y en una fuente de alimentación USB (o puerto USB de la computadora). Luego, el esterilizador comenzará a funcionar como en el video anterior.

Paso 13: referencias

1. Song Wuhui1, Pan Bin2, Kan Haidong2 等. Evaluación de la inactivación por calor de la contaminación por virus en mascarilla médica [J]. REVISTA DE MICROBIOS E INFECCIONES, 2020, 15 (1): 31-35. (disponible en https://jmi.fudan.edu.cn/EN/10.3969/j.issn.1673-6184.2020.01.006, consultado el 8 de abril de 2020)

2. Santos, Diego Ascânio. Algoritmo de captura de temperatura y conjuntos de datos de temperatura a lo largo del tiempo, 2020. (Disponible en https://gist.github.com/DiegoAscanio/865d61e3b774aa614c00287e24857f83, consultado el 9 de abril de 2020)

3. Santos, Diego Ascânio. Fitting / Plotting Algorithms and its Requirements, 2020. (Disponible en https://gist.github.com/DiegoAscanio/261f7702dac87ea854f6a0262c060abf, consultado el 9 de abril de 2020)

4. Santos, Diego Ascânio. Temperature Cooling Datasets, 2020. (Disponible en https://gist.github.com/DiegoAscanio/c0d63cd8270ee517137affacfe98bafe, consultado el 9 de abril de 2020)