DIY Haartrockner N95 Breather Sterilisator - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:16

Nach SONG et al. (2020)[1] reichen 70 °C Hitze, die ein Haartrockner während 30 Minuten produziert, aus, um Viren in einem N95-Atemzug zu inaktivieren. Es ist also ein praktikabler Weg für normale Menschen, ihre N95-Atemluftfilter während ihrer täglichen Aktivitäten wiederzuverwenden, wobei bestimmte Einschränkungen eingehalten werden, wie: Die Atmungsaktivität darf nicht mit Blut verunreinigt sein, die Atmungsaktivität darf nicht beschädigt sein usw.

Die Autoren geben an, dass der Haartrockner eingeschaltet und 3, 4 Minuten lang erhitzt werden sollte. Dann muss ein kontaminiertes N95-Atemluftfilter in einen Druckverschlussbeutel gesteckt und 30 Minuten lang der Hitze des Haartrockners ausgesetzt werden. Nach dieser Zeit würden laut ihren Studien Viren auf der Maske effektiv inaktiviert.

Alle oben genannten Aktionen sind nicht automatisiert und es gibt Einschränkungen, die den Sterilisationsprozess verschlechtern können, wie z. B. die Heiztemperatur zu niedrig (oder zu hoch). Dieses Projekt zielt also darauf ab, einen Haartrockner, einen Mikrocontroller (atmega328, erhältlich bei Arduino UNO), ein Relaisschild und einen Temperatursensor (lm35) zu verwenden, um einen automatischen Maskensterilisator basierend auf SONG et al. Ergebnisse.

Lieferungen

1x Arduino-UNO;

1x LM35 Temperatursensor;

1x Relaisschild;

1x 1700W Dual Speed Haartrockner (Taiff Black 1700W als Referenz)

1x Steckbrett;

2x Stecker-zu-Stecker-Überbrückungskabel (je 15 cm);

6x Stecker-zu-Buchse Starthilfekabel (je 15 cm);

2x 0,5m 15A Stromkabel;

1x weiblicher elektrischer Stecker (gemäß Ihrer Ländernorm - Brasilien ist NBR 14136 2P+T);

1x elektrischer Stecker (gemäß Ihrer Ländernorm - Brasilien ist NBR 14136 2P+T);

1x USB-Kabel Typ A (zum Programmieren von Arduino);

1x Computer (Desktop, Notebook, Beliebige);

1x Schraubstock;

1x Topfdeckel;

2x Gummibänder;

1x Hardcover-Spiralnotizbuch;

1x Ziploc® Quart Größe (17,7 cm x 18,8 cm) Tasche;

1x Klebebandrolle

1x 5V USB-Netzteil

Schritt 1: Automatische N95-Beatmungssterilisator-Modellierung

Wie bereits erwähnt, zielt dieses Projekt darauf ab, einen automatischen Sterilisator basierend auf SONG et. al (2020) Ergebnisse. Folgende Schritte sind notwendig, um dies zu erreichen:

1. Erhitzen Sie den Haartrockner 3 ~ 4 Minuten lang, um eine Temperatur von 70°C zu erreichen;

2. Lassen Sie den Föhn 30 Minuten lang einwirken und richten Sie ihn dabei auf den N95-Entlüfter in einem Ziploc®-Beutel, um Viren auf dem Entlüfter zu inaktivieren

Daher wurden Modellierungsfragen formuliert, um eine Lösung zu erstellen:

A. Erzeugen alle Haartrockner nach 3 ~ 4 Minuten Erhitzen eine Temperatur von 70°C?

B. Hält der/die Haartrockner nach 3 ~ 4 Minuten Erhitzen eine konstante Temperatur von 70 °C?

C. Entspricht die Temperatur im Inneren des Ziploc®-Beutels nach 3 ~ 4 Minuten Erhitzen der Temperatur außerhalb des Beutels?

D. Steigt die Temperatur im Inneren des Ziploc®-Beutels im gleichen Maße wie die Außentemperatur?

Um diese Fragen zu beantworten, wurden folgende Schritte unternommen:

I. Zeichnen Sie die Heizkurven von zwei verschiedenen Haartrocknern für 3 ~ 4 Minuten auf, um zu sehen, ob beide 70 °C erreichen können

II. Zeichnen Sie die Heizkurven des Haartrockners (der LM35-Sensor muss sich bei diesem Schritt außerhalb des Ziploc®-Beutels befinden) für 2 Minuten nach 3 ~ 4 Minuten anfänglicher Erwärmung auf

III. Zeichnen Sie die Temperatur im Ziploc®-Beutel 2 Minuten lang nach 3 ~ 4 Minuten anfänglicher Erwärmung auf und vergleichen Sie sie mit den in Schritt II registrierten Daten.

NS. Vergleichen Sie die in den Schritten II und III registrierten Heizkurven (Innen- und Außentemperatur bezogen auf den Ziploc®-Beutel)

Die Schritte I, II, III wurden mit einem LM35-Temperatursensor und einem Arduino-Algorithmus durchgeführt, der entwickelt wurde, um periodisch (1 Hz - über serielle USB-Kommunikation) die vom LM35-Sensor registrierte Temperatur in Abhängigkeit von der Zeit zu informieren.

Der zur Temperaturerfassung entwickelte Algorithmus und die erfassten Temperaturen sind hier verfügbar [2]

Schritt IV wurde durch die in den Schritten II und III aufgezeichneten Daten sowie durch zwei Python-Skripte realisiert, die Heizfunktionen generierten, um die Erwärmung innerhalb und außerhalb des Ziploc®-Beutels sowie Diagramme aus den in beiden Schritten aufgezeichneten Daten zu beschreiben. Diese Python-Skripte (und Bibliotheken, die für deren Ausführung erforderlich sind) sind hier verfügbar [3].

Nachdem Sie die Schritte I, II, III und IV ausgeführt haben, können Sie die Fragen a, b, c und d beantworten.

Zu Frage a. die Antwort ist Nein, da man beim Vergleich der Daten von 2 verschiedenen Haartrocknern in [2] sehen kann, dass ein Haartrockner 70 °C erreichen kann, während ein anderer nur 44 °C erreichen kann

Um Frage b zu beantworten, wird der Haartrockner, der keine 70°C erreichen kann, außer Acht gelassen. Betrachtet man die Daten von einem, der 70 °C erreichen kann (verfügbar in der Datei step_II_heating_data_outside_ziploc_bag.csv [2]), ist die Antwort auf b ebenfalls nein, da er nach den anfänglichen 4 Minuten Heizzeit keine konstante 70 °C-Temperatur halten kann.

Dann ist es erforderlich zu wissen, ob die Temperaturen innerhalb und außerhalb von Ziploc gleich sind (Frage c) und ob sie gleich schnell steigen (Frage d). Die in den Dateien step_II_heating_data_outside_ziploc_bag.csv [2] und step_III_heating_data_inside_ziploc_bag.csv [2] verfügbaren Daten, die in [3] den Kurvenanpassungs- und Darstellungsalgorithmen unterzogen wurden, beantworten beide Fragen, die beide nein sind, da die Temperatur im Inneren des Ziploc®-Beutels maximal 70 °C erreicht hat ~ 71°C, während die Außentemperatur ein Maximum von 77 ~ 78°C erreichte und die Innentemperatur von Ziploc® langsam stieg als sein äußeres Gegenstück.

Abbildung 1 – Curvas de Aquecimento Fora e Dentro do Involucro zeigt ein Diagramm der Außen-/Innentemperaturen der Ziploc®-Beutel als Funktion der Zeit (orange Kurve entspricht der Innentemperatur, blaue Kurve der Außentemperatur). Wie zu sehen ist, sind die Innen- und Außentemperaturen unterschiedlich und steigen auch unterschiedlich schnell - innen langsamer als außen. Die Abbildung informiert auch darüber, dass die Temperaturfunktionen in Form von:

Temperatur(t) = Umgebungstemperatur + (Endtemperatur - Umgebungstemperatur) x (1 - e^(Temperaturanstiegsrate x t))

Für die Temperatur außerhalb des Ziploc®-Beutels ist die Temperaturfunktion in Bezug auf die Zeit:

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

Und für die Temperatur im Inneren des Ziploc®-Beutels ist die Temperaturfunktion in Bezug auf die Zeit:

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

Mit all diesen Daten (und anderen empirischen Ergebnissen) kann also Folgendes über diesen DIY-Modellierungsprozess des N95-Sterilisators gesagt werden:

- Unterschiedliche Haartrockner können unterschiedliche Temperaturen erzeugen - Einige erreichen keine 70 ° C, während andere diese Referenz um einiges übertreffen. Geräte, die keine 70 °C erreichen können, müssen nach der ersten Aufheizzeit ausgeschaltet werden (um unnötige Energieverschwendung zu vermeiden) und dem Bediener des Sterilisators sollte eine Fehlermeldung angezeigt werden, die über dieses Problem informiert. Aber für diejenigen, die die 70°C-Referenz überschreiten, ist es erforderlich, den Haartrockner auszuschalten, wenn die Temperatur über einer bestimmten Temperatur (70 + überlegener Rand) °C liegt (um Schäden an der Schutzkapazität des N95-Entlüfters zu vermeiden) und ihn umzuschalten wieder einschalten, nachdem N95 auf eine Temperatur unter (70 - untere Grenze) °C abgekühlt ist, um den Sterilisationsprozess fortzusetzen;

-Der LM35-Temperatursensor darf sich nicht im Ziploc®-Beutel befinden, da der Beutel versiegelt werden muss, um eine Kontamination des Raums mit Virenstämmen zu vermeiden, daher sollte die LM35-Temperatur außerhalb des Beutels platziert werden;

- Da die Temperatur im Inneren niedriger ist als die der Außentemperatur und mehr Zeit zum Ansteigen benötigt, ist es zwingend erforderlich zu verstehen, wie der Abkühlungsprozess (Abnahme) abläuft, denn wenn die Innentemperatur länger dauert als die Außentemperatur, gibt es eine kausaler Zusammenhang zwischen steigendem/sinkendem Prozess der Innen-/Außentemperatur der Ziploc®-Beutel und somit ist es möglich, die Außentemperatur als Referenz zu verwenden, um den gesamten Heiz-/Kühlprozess zu regulieren. Aber wenn nicht, dann ist ein anderer Ansatz erforderlich. Dies führt zu einer fünften Modellierungsfrage:

e. Sinkt die Temperatur im Inneren des Ziploc®-Beutels langsamer als draußen?

Um diese Frage zu beantworten, wurde ein 5. Schritt unternommen und die während des Kühlprozesses (innen/außen Ziploc®-Beutel) gemessenen Temperaturen registriert (hier verfügbar [4]). Aus diesen Temperaturen wurden Kühlfunktionen (und ihre jeweiligen Kühlraten) für die Kühlung außerhalb und innerhalb des Ziploc®-Beutels entdeckt.

Die äußere Ziploc®-Kühlfunktionstasche beträgt: 42,17 * e^(-0,0089t) + 33,88

Das innere Gegenstück ist: 37,31 * e^(-0,0088t) + 30,36

Vor diesem Hintergrund ist es möglich zu sehen, dass beide Funktionen in gleicher Weise abnehmen (-0,0088 ≃ -0,0089), wie Abbildung 2 - Curvas de Resfriamento Fora e Dentro do Invólucro zeigt: (blau/orange ist außerhalb bzw. innerhalb der Ziploc®-Tasche)

Da die Temperatur im Inneren des Ziploc®-Beutels im gleichen Maße wie die Außentemperatur sinkt, kann die Außentemperatur nicht als Referenz verwendet werden, um den Haartrockner eingeschaltet zu lassen, wenn Heizung benötigt wird, da die Außentemperatur schneller ansteigt als die Innentemperatur und wenn die Außentemperatur erreicht (70 + überlegene Spanne) °C Innentemperatur wäre niedriger als die erforderliche Temperatur zum Sterilisieren des Entlüfters. Und im Laufe der Zeit würde die Innentemperatur einen verdünnten Rückgang ihres mittleren Wertes erfahren. Daher ist es notwendig, die Innentemperaturfunktion in Bezug auf die Zeit zu verwenden, um die erforderliche Zeit zu bestimmen, um die Temperatur von (70 - unterer Rand) °C auf mindestens 70 °C zu erhöhen.

Ab einer Untergrenze von 3 °C (und folglich einer Starttemperatur von 67 °C) muss man mindestens 120 Sekunden warten, um ≃ 70 °C zu erreichen, gemäß der Temperaturfunktion des inneren Ziploc®-Beutels in Bezug auf die Zeit.

Mit all den Antworten auf die obigen Modellierungsfragen kann eine minimal praktikable Lösung erstellt werden. Natürlich muss es Funktionen und Verbesserungen geben, die hier nicht angegangen werden können - es gibt immer etwas zu entdecken oder zu verbessern - aber es ist so, dass alle eruierten Elemente in der Lage sind, die notwendige Lösung zu bilden.

Dies führt zur Ausarbeitung eines bei Arduino zu schreibenden Algorithmus, um das etablierte Modell zu erreichen.

Schritt 2: Betriebsalgorithmus des automatischen N95-Beatmungssterilisators

Basierend auf den in Schritt 2 erhobenen Anforderungen und Modellierungsfragen wurden die im obigen Bild beschriebenen Algorithmen entwickelt und stehen unter github.com/diegoascanio/N95HairDryerSterilizer zum Download zur Verfügung

Schritt 3: Hochladen von Code auf Arduino

1. Arduino Timer-Bibliothek herunterladen - https://github.com/brunocalou/Timer/archive/master.zip [5]
2. Laden Sie den Quellcode des N95-Haartrockner-Sterilisators herunter -
3. Öffnen Sie die Arduino-IDE
4. Arduino Timer Library hinzufügen: Sketch -> Include Library -> Add. ZIP Library und wählen Sie die Datei Timer-master.zip aus dem Ordner, in den sie heruntergeladen wurde
5. Extrahieren Sie die Datei n95hairdryersterilizer-master.zip
6. Öffnen Sie die Datei n95hairdryersterilizer.ino mit Arduino IDE
7. Akzeptieren Sie die Aufforderung zum Erstellen eines Skizzenordners und verschieben Sie n95hairdryersterilizer.ino dorthin
8. Stecken Sie das USB-Kabel Typ A in Arduino UNO
9. Stecken Sie das USB-Kabel Typ A in den PC
10. Klicken Sie in der Arduino IDE mit bereits geöffneter Skizze auf Skizze -> Hochladen (Strg + U), um Code auf Arduino hochzuladen
11. Arduino ist betriebsbereit!

Schritt 4: Verdrahtung des Relaisschirms mit den elektrischen Anschlüssen

Relaisabschirmung Netzkabel Gebäude:

1. Verdrahten Sie den Erdungsstift vom elektrischen Stecker in den Erdungsstift der elektrischen Buchse mit einem 15A-Elektrokabel;

2. Verdrahten Sie einen Stift vom elektrischen Stecker direkt mit dem C-getragenen Stecker der Relaisabschirmung mit einem 15-A-Elektrokabel;

3. Verdrahten Sie den anderen Stift des elektrischen Steckers mit dem linken Stift der elektrischen Buchse mit einem 15A-Elektrokabel;

4. Verdrahten Sie den rechten Pin von der elektrischen Buchse direkt mit dem NO-getragenen Steckverbinder der Relaisabschirmung mit einem 15A-Elektrokabel;

Anschließen des Haartrockners an das Relay Shield-Netzkabel:

5. Stecken Sie den elektrischen Stecker des Haartrockners in die elektrische Buchse des Relay Shield Power Cord

Schritt 5: Verdrahtung des Relaisschilds zu Arduino

1. Verdrahten Sie GND von Arduino in die negative Leitung des Breadboards mit einem Stecker-zu-Stecker-Überbrückungskabel;

2. Verdrahten Sie den 5V-Pin von Arduino mit dem Stecker-zu-Stecker-Überbrückungskabel in die positive Leitung des Breadboards;

3. Verdrahten Sie den digitalen Pin Nr. 2 von Arduino mit dem Signalpin des Relaisschilds mit einem männlich-zu-weiblichen Überbrückungskabel;

4. Verdrahten Sie den 5V-Pin von der Relaisabschirmung mit der positiven Leitung des Steckbretts mit einem männlich-zu-weiblichen Überbrückungskabel;

5. Verbinden Sie den GND-Pin von der Relaisabschirmung mit der negativen Leitung des Steckbretts mit einem männlich-zu-weiblichen Überbrückungskabel;

Schritt 6: Verdrahtung des LM35-Temperatursensors mit Arduino

Nehmen Sie die flache Seite des LM35-Sensors als frontale Referenz:

1. Verdrahten Sie den 5V-Pin (1. Pin von links nach rechts) von LM35 in die positive Leitung des Breadboards mit einem Buchse-zu-Stecker-Überbrückungskabel;

2. Signalpin (2. Pin von links nach rechts) von LM35 in A0-Pin von Arduino mit Buchse-zu-Stecker-Überbrückungskabel verdrahten;

3. Verdrahten Sie den GND-Pin (1. Pin von links nach rechts) von LM35 in die negative Leitung des Breadboards mit einem Buchse-zu-Stecker-Überbrückungskabel;

Schritt 7: Anbringen des Haartrockners am Schraubstock

1. Befestigen Sie den Schraubstock über einem Tisch

2. Legen Sie den Haartrockner in den Schraubstock

3. Stellen Sie den Schraubstock so ein, dass der Haartrockner gut befestigt bleibt

Schritt 8: Ziploc®-Beutelstütze vorbereiten

1. Wählen Sie das Hardcover-Spiralnotizbuch und legen Sie zwei Gummibänder hinein, wie im ersten Bild gezeigt;

2. Wählen Sie einen Topfdeckel (wie den im zweiten Bild gezeigten) oder etwas, das als Stütze verwendet werden kann, um das Hardcover-Spiralnotizbuch in einer geraden Position zu lassen;

3. Legen Sie das gebundene Spiralnotizbuch mit zwei Gummibändern oben auf den Topfdeckel (wie im dritten Bild gezeigt)

Schritt 9: Platzieren der Belüftungsöffnung im Ziploc®-Beutel

1. Legen Sie N95 Breather vorsichtig in den Ziploc®-Beutel und verschließen Sie ihn entsprechend, um eine mögliche Raumkontamination zu vermeiden (Bild 1);

2. Platzieren Sie die Ziploc®-Tasche an ihrer Stütze (aufgebaut auf dem vorherigen Schritt) und ziehen Sie die beiden Gummibänder über dem Hardcover-Spiralnotizbuch (Bild 2);

Schritt 10: Anbringen des Temperatursensors an der Ziploc®-Tasche außen

1. Befestigen Sie den LM35-Sensor außerhalb der Ziploc®-Tasche mit etwas Klebeband, wie oben gezeigt;

Schritt 11: Platzieren des N95 Breathers und seiner Unterstützung in der richtigen Position

1. Der N95 Breather sollte 12,5 cm vom Haartrockner entfernt sein. Bei größerer Entfernung steigt die Temperatur nicht über 70 °C und die Sterilisation erfolgt nicht wie gewünscht. Bei einer geringeren Entfernung würde die Temperatur weit über 70 °C ansteigen und die Belüftungsanlage beschädigen. 12,5 cm ist also der optimale Abstand für einen 1700-W-Haartrockner.

Wenn der Haartrockner mehr oder weniger stark ist, sollte der Abstand richtig eingestellt werden, um die Temperatur möglichst nahe bei 70°C zu halten. Die Software bei Arduino druckt alle 1 Sekunde die Temperatur, um diesen Anpassungsprozess für verschiedene Haartrockner durchführbar zu machen;

Schritt 12: Alles zum Laufen bringen

Nachdem alle Verbindungen aus den vorherigen Schritten durchgeführt wurden, stecken Sie den elektrischen Stecker des Relay Shield-Netzkabels in eine Steckdose und stecken Sie das USB-Kabel Typ A in Arduino und in ein USB-Netzteil (oder einen Computer-USB-Anschluss). Dann beginnt der Sterilisator wie im obigen Video zu arbeiten

Schritt 13: Referenzen

1. Song Wuhui1, Pan Bin2, Kan Haidong2等. Bewertung der Hitzeinaktivierung der Viruskontamination auf medizinischer Maske[J]. JOURNAL OF MICROBES AND INFECTIONS, 2020, 15(1): 31-35. (abrufbar unter https://jmi.fudan.edu.cn/EN/10.3969/j.issn.1673-6184.2020.01.006, abgerufen am 08.04.2020)

2. Santos, Diego Ascanio. Temperature Capture Algorithm and Temperature Over Time Datasets, 2020. (Verfügbar unter https://gist.github.com/DiegoAscanio/865d61e3b774aa614c00287e24857f83, abgerufen am 09.04.2020)

3. Santos, Diego Ascanio. Fitting/Plotting Algorithms and its Requirements, 2020. (Verfügbar unter https://gist.github.com/DiegoAscanio/261f7702dac87ea854f6a0262c060abf, abgerufen am 09.04.2020)

4. Santos, Diego Ascanio. Temperaturkühldatensätze, 2020. (Verfügbar unter https://gist.github.com/DiegoAscanio/c0d63cd8270ee517137affacfe98bafe, abgerufen am 09.04.2020)