DIY föhn N95 ontluchtingssterilisator - Ajarnpa

2025 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2025-01-23 15:01

Volgens SONG et al. (2020)[1], 70°C warmte geproduceerd door een haardroger gedurende 30 minuten is voldoende om virussen te inactiveren in een N95-ontluchter. Het is dus een haalbare manier voor gewone mensen om hun N95-ontluchter opnieuw te gebruiken tijdens dagelijkse activiteiten, met inachtneming van bepaalde beperkingen, zoals: de ontluchter mag niet besmet zijn met bloed, de ontluchter mag niet kapot zijn, enz.

De auteurs stellen dat de haardroger moet worden ingeschakeld en gedurende 3, 4 minuten moet worden verwarmd. Vervolgens moet een verontreinigde N95-ontluchter in een ritssluitingszak worden gedaan en worden onderworpen aan 30 minuten warmte die door de haardroger wordt geproduceerd. Na deze tijd zouden virussen volgens hun studies effectief op het masker worden geïnactiveerd.

Alle bovengenoemde acties zijn niet geautomatiseerd en er zijn beperkingen die het sterilisatieproces kunnen verslechteren, zoals een te lage (of te hoge) verwarmingstemperatuur. Dit project is dus bedoeld om een haardroger, een microcontroller (atmega328, verkrijgbaar bij Arduino UNO), een relaisscherm en een temperatuursensor (lm35) te gebruiken om een automatische maskersterilisator te bouwen op basis van SONG et al. bevindingen.

Benodigdheden

1x Arduino UNO;

1x LM35 temperatuursensor;

1x relaisscherm;

1x 1700W Dual Speed Föhn (Taiff Black 1700W ter referentie)

1x Broodplank;

2x male-to-male startkabels (elk 15 cm);

6x man-naar-vrouw startkabels (elk 15 cm);

2x 0,5m 15A elektrische draad;

1x vrouwelijke elektrische connector (volgens de norm van uw land - Brazilië is NBR 14136 2P+T);

1x mannelijke elektrische connector (volgens de standaard van uw land - Brazilië is NBR 14136 2P+T);

1x USB Kabel type A (om Arduino te programmeren);

1x computer (desktop, notebook, willekeurig);

1x bankschroef;

1x Potdeksel;

2x Elastiekjes;

1x spiraalvormig notitieboek met harde kaft;

1x Ziploc® Quart-formaat (17,7 cm x 18,8 cm) zak;

1x plakbandrol

1x 5V USB-voeding

Stap 1: Modellering van automatische N95-ontluchtingssterilisator

Zoals eerder vermeld, heeft dit project tot doel een automatische sterilisator te bouwen op basis van SONG et. al (2020) bevindingen. De volgende stappen zijn nodig om dit te bereiken:

1. Verwarm de haardroger gedurende 3 ~ 4 minuten om een temperatuur van 70°C te bereiken;

2. Laat de föhn 30 minuten aan staan terwijl u hem op de N95-ontluchter in een Ziploc®-zak richt om virussen op de ontluchter te inactiveren

Dus werden modelleringsvragen geformuleerd om een oplossing te bouwen:

A. Produceren alle haardrogers een temperatuur van 70°C na 3 ~ 4 minuten verwarmen?

B. Behouden/houden haardroger(s) een constante temperatuur van 70°C na 3 ~ 4 minuten verwarmen?

C. Is de temperatuur in de Ziploc®-zak gelijk aan de temperatuur buiten na 3 ~ 4 minuten verwarmen?

NS. Stijgt de temperatuur in de Ziploc®-zak in hetzelfde tempo als de temperatuur erbuiten?

Om deze vragen te beantwoorden zijn de volgende stappen ondernomen:

I. Registreer de verwarmingscurves van twee verschillende haardrogers gedurende 3 ~ 4 minuten om te zien of beide 70°C kunnen bereiken

II. Registreer de verwarmingscurves van de haardroger(s) (LM35-sensor moet zich bij deze stap buiten de Ziploc®-zak bevinden) gedurende 2 minuten na 3 ~ 4 minuten aanvankelijke verwarming

III. Noteer de temperatuur in de Ziploc®-zak gedurende 2 minuten na 3 ~ 4 minuten aanvankelijke verwarming en vergelijk deze met de gegevens die zijn geregistreerd in stap II.

NS. Vergelijk verwarmingscurves geregistreerd bij stap II en III (binnen- en buitentemperaturen gerelateerd aan Ziploc®-zak)

Stappen I, II, III werden uitgevoerd met behulp van een LM35-temperatuursensor en een Arduino-algoritme dat is ontwikkeld om periodiek (1Hz - via seriële USB-communicatie) de temperatuur te informeren die door de LM35-sensor wordt geregistreerd in functie van de tijd.

Het algoritme dat is ontwikkeld om temperaturen te registreren en de geregistreerde temperaturen zijn hier beschikbaar [2]

Stap IV werd gerealiseerd door middel van gegevens die zijn vastgelegd in stap II en III en door middel van twee Python-scripts die verwarmingsfuncties genereerden om de verwarming binnen en buiten de Ziploc®-zak te beschrijven, evenals grafieken van de gegevens die bij beide stappen werden geregistreerd. Deze Python-scripts (en bibliotheken die nodig zijn om ze uit te voeren) zijn hier beschikbaar [3].

Dus na het uitvoeren van de stappen I, II, III en IV is het mogelijk om de vragen a, b, c en d te beantwoorden.

Voor vraag a. het antwoord is nee, aangezien het mogelijk is om te zien, gegevens die zijn geregistreerd van 2 verschillende haardrogers in [2] dat een haardroger 70°C kan bereiken, terwijl de andere slechts 44°C kan bereiken

Om vraag b te beantwoorden, wordt de haardroger die geen 70°C kan bereiken buiten beschouwing gelaten. Bij het inspecteren van gegevens van degene die 70°C kan bereiken (beschikbaar in het bestand step_II_heating_data_outside_ziploc_bag.csv [2]) is het antwoord op b ook nee, omdat het geen constante temperatuur van 70°C kan houden na de eerste 4 minuten opwarmtijd.

Dan is het nodig om te weten of de temperaturen binnen en buiten Ziploc gelijk zijn (vraag c) en of ze in hetzelfde tempo stijgen (vraag d). Gegevens die beschikbaar zijn in de bestanden step_II_heating_data_outside_ziploc_bag.csv [2] en step_III_heating_data_inside_ziploc_bag.csv [2] die zijn ingediend bij curve-aanpassings- en plotalgoritmen in [3], bieden antwoorden op beide vragen, die beide nee zijn omdat de temperatuur in de Ziploc®-zak een maximum van 70 bereikte ~ 71°C terwijl de temperatuur buiten een maximum van 77 ~ 78°C bereikte en de binnentemperatuur van Ziploc®'s zak langzaam steeg dan zijn tegenhanger buiten.

Afbeelding 1 - Curvas de Aquecimento Fora e Dentro do Involucro toont een grafiek van de buiten-/binnentemperaturen van Ziploc®-zakken in functie van de tijd (oranje curve komt overeen met de binnentemperatuur, blauwe curve met die van buiten). Zoals je kunt zien, zijn de binnen- en buitentemperaturen verschillend en nemen ze ook met verschillende snelheden toe - langzaam in Ziploc-tas dan buiten. De afbeelding geeft ook aan dat de temperatuurfuncties de vorm hebben van:

Temperatuur(t) = omgevingstemperatuur + (eindtemperatuur - omgevingstemperatuur) x (1 - e^(temperatuurverhogingssnelheid x t))

Voor de temperatuur buiten Ziploc®-zak is de temperatuurfunctie in termen van tijd:

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

En voor de temperatuur in de Ziploc®-zak is de temperatuurfunctie in termen van tijd:

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

Dus met al deze gegevens (en andere empirische resultaten) bij de hand, kan het volgende worden gezegd over dit DIY N95-sterilisatormodelleringsproces:

-Verschillende haardrogers kunnen verschillende temperaturen produceren - Sommige zullen geen 70°C kunnen bereiken, terwijl andere deze referentie veel zullen overtreffen. Voor degenen die geen 70°C kunnen bereiken, moeten ze worden uitgeschakeld na de eerste verwarmingstijd (om nutteloze verspilling van energie te voorkomen) en er moet een foutmelding worden gegeven aan de operator van de sterilisator om dit probleem te melden. Maar voor degenen die de referentie van 70°C overschrijden, is het nodig om de haardroger uit te zetten wanneer de temperatuur boven een bepaalde temperatuur (70 + superieure marge) °C komt (om schade aan de beschermingscapaciteit van de N95-ontluchter te voorkomen) en zet hem weer aan nadat N95 is afgekoeld tot een temperatuur onder (70 - inferieure marge) °C, om het sterilisatieproces voort te zetten;

-De LM35-temperatuursensor mag niet in de Ziploc®-zak zitten, omdat de zak moet worden verzegeld om besmetting van de kamer met virusstammen te voorkomen, dus de LM35-temperatuur moet buiten de zak worden geplaatst;

-Omdat de temperatuur binnen lager is dan de buitentemperatuur en meer tijd nodig heeft om te stijgen, is het noodzakelijk om te begrijpen hoe het koelproces (afname) plaatsvindt, want als de interne temperatuur meer tijd nodig heeft om te dalen dan de buitentemperatuur, is er een oorzakelijk verband tussen het verhogen/verlagen van de binnen-/buitentemperatuur van de Ziploc®-zak en dus is het mogelijk om de buitentemperatuur als referentie te gebruiken om het hele verwarmings-/koelproces te regelen. Maar als dat niet het geval is, is een andere aanpak nodig. Dit leidt tot een 5e modelleringsvraag:

e. Daalt de temperatuur in de Ziploc®-zak langzamer dan buiten?

Om deze vraag te beantwoorden werd een 5e stap gezet en werden de tijdens het koelproces verkregen temperaturen (binnen/buiten Ziploc®-zak) geregistreerd (hier [4] beschikbaar). Op basis van deze temperaturen werden koelfuncties (en hun respectievelijke koelsnelheden) ontdekt voor koeling buiten en binnen Ziploc®-zak.

De buitenste Ziploc®-koelfunctiezak is: 42,17 * e^(-0,0089t) + 33,88

De binnenste tegenhanger is: 37,31 * e^(-0,0088t) + 30,36

Met dit in gedachten is het mogelijk om te zien dat beide functies in gelijke mate afnemen (-0,0088 ≃ -0,0089) zoals Figuur 2 - Curvas de Resfriamento Fora e Dentro do Invólucro laat zien: (blauw/oranje is respectievelijk buiten/binnen Ziploc® zak)

Aangezien de temperatuur in de Ziploc®-zak in hetzelfde tempo daalt als de temperatuur buiten, kan de buitentemperatuur niet worden gebruikt als referentie om de föhn aan te houden wanneer verwarming nodig is, omdat de buitentemperatuur sneller stijgt dan de binnentemperatuur en wanneer de buitentemperatuur bereikt (70 + bovenmarge) °C binnentemperatuur lager zou zijn dan de noodzakelijke temperatuur om de ontluchter te steriliseren. En na verloop van tijd zou de binnentemperatuur een verdunde daling van zijn gemiddelde waarde ervaren. Het is dus noodzakelijk om de functie binnentemperatuur in termen van tijd te gebruiken om de benodigde tijd te bepalen om de temperatuur te verhogen van (70 - lagere marge) °C tot ten minste 70 °C.

Vanaf een lagere marge van 3°C (en bijgevolg een starttemperatuur van 67°C) om ≃ 70°C te bereiken, is het vereist om ten minste 120 seconden te wachten, volgens de temperatuurfunctie van de binnenkant van de Ziploc®-zak in termen van tijd.

Met alle antwoorden op de bovenstaande modelleringsvragen kan een minimaal haalbare oplossing worden gebouwd. Natuurlijk moeten er functies en verbeteringen zijn die hier niet kunnen worden benaderd - er is altijd iets te ontdekken of te verbeteren - maar het is dat alle uitgelokte elementen in staat zijn om de benodigde oplossing te bouwen.

Dit leidt tot de uitwerking van een bij Arduino te schrijven algoritme om tot het vastgestelde model te komen.

Stap 2: Automatisch bedieningsalgoritme van de N95-ontluchtersterilisator

Op basis van vereisten en modelleringsvragen die in stap 2 werden opgeroepen, werden de algoritmen die in de bovenstaande afbeelding worden beschreven, ontwikkeld en kunnen worden gedownload op github.com/diegoascanio/N95HairDryerSterilizer

Stap 3: Code uploaden naar Arduino

1. Arduino Timer-bibliotheek downloaden - https://github.com/brunocalou/Timer/archive/master.zip [5]
2. Download N95 föhn sterilisator broncode -
3. Arduino IDE openen
4. Arduino Timer-bibliotheek toevoegen: Sketch -> Bibliotheek opnemen ->. ZIP-bibliotheek toevoegen en selecteer Timer-master.zip-bestand in de map waar het is gedownload
5. Pak het n95hairdryersterilizer-master.zip-bestand uit
6. Open het n95hairdryersterilizer.ino-bestand met Arduino IDE
7. Accepteer de prompt om een schetsmap te maken en verplaats n95hairdryersterilizer.ino daarheen
8. Steek USB-kabel Type A in Arduino UNO
9. Steek USB-kabel type A in de pc
10. Bij Arduino IDE, met sketch al open, klik op Sketch -> Upload (Ctrl + U) om code naar Arduino te uploaden
11. Arduino is klaar om te draaien!

Stap 4: Bedrading van relaisscherm naar elektrische connectoren

Relais Afscherming Netsnoer Gebouw:

1. Sluit de aardingspin van de elektrische mannelijke connector aan op de aardingspin van de elektrische vrouwelijke connector met 15A elektrische draad;

2. Sluit een pin van de elektrische mannelijke connector rechtstreeks aan op de C-connector van het relaisscherm met 15A elektrische draad;

3. Sluit de andere pin van de elektrische mannelijke connector aan op de linker pin van de elektrische vrouwelijke connector met 15A elektrische draad;

4. Sluit de rechterpin van de elektrische vrouwelijke connector rechtstreeks aan op de NO-gedragen connector van het relaisscherm met 15A elektrische draad;

Föhn aansluiten op Relay Shield-netsnoer:

5. Steek de elektrische mannelijke connector van de haardroger in de elektrische vrouwelijke connector van de Relay Shield Power Cord

Stap 5: bedrading relais schild naar Arduino

1. Sluit GND van Arduino aan op de negatieve lijn van Breadboard met een man-naar-man jumperkabel;

2. Sluit de 5V-pin van Arduino aan op de positieve lijn van Breadboard met een man-naar-man jumperkabel;

3. Draad digitale pin #2 van Arduino in signalpin van Relay Shield met man-naar-vrouw jumper kabel;

4. Sluit de 5V-pin van Relay Shield aan op de positieve lijn van Breadboard met een mannelijke-naar-vrouwelijke startkabel;

5. Sluit de GND-pin van Relay Shield aan op de negatieve lijn van Breadboard met een mannelijke-naar-vrouwelijke jumperkabel;

Stap 6: LM35-temperatuursensor aansluiten op Arduino

De platte kant van de LM35-sensor als frontale referentie nemen:

1. Sluit de 5V-pin (1e pin van links naar rechts) van LM35 aan op de positieve lijn van Breadboard met een vrouwelijke naar mannelijke jumperkabel;

2. Draad signaal pin (2e pin van links naar rechts) van LM35 in A0 pin van Arduino met vrouw-naar-man jumper kabel;

3. Sluit de GND-pin (1e pin van links naar rechts) van LM35 aan op de negatieve lijn van Breadboard met een vrouwelijke naar mannelijke jumperkabel;

Stap 7: Haardroger aan bankschroef bevestigen

1. Bevestig de bankschroef over een tafel

2. Plaats de föhn in de bankschroef

3. Stel de bankschroef zo af dat de föhn goed vastzit

Stap 8: Ziploc® Bag Support voorbereiden

1. Kies het spiraalvormige notitieboek met harde kaft en plaats er twee elastiekjes in, zoals weergegeven in de eerste afbeelding;

2. Kies een potdeksel (zoals weergegeven in de tweede afbeelding) of iets dat kan worden gebruikt als ondersteuning om het spiraalvormige notitieboek met harde kaft in een rechte positie te laten;

3. Plaats het spiraalvormige notitieboek met harde kaft met twee elastiekjes bovenop het deksel van de pot (zoals weergegeven in de derde afbeelding)

Stap 9: Ademhaling in Ziploc®-tas plaatsen

1. Plaats de N95 Breather voorzichtig in de Ziploc®-zak en sluit deze dienovereenkomstig af om mogelijke vervuiling van de kamer te voorkomen (Afbeelding 1);

2. Plaats de Ziploc®-tas op zijn steun (gebouwd op de vorige stap) en trek aan de twee elastiekjes die over het spiraalvormige notitieboekje met harde kaft zijn geplaatst (afbeelding 2);

Stap 10: Temperatuursensor aan Ziploc® Bag buiten bevestigen

1. Bevestig de LM35-sensor aan de buitenkant van de Ziploc® Bag met een beetje plakband, zoals hierboven weergegeven;

Stap 11: N95 Breather en zijn ondersteuning in de juiste positie plaatsen

1. N95 Breather moet zich op 12,5 cm afstand van de haardroger bevinden. Indien geplaatst op grotere afstand, zal de temperatuur niet boven 70°C stijgen en zal sterilisatie niet gebeuren zoals het zou moeten. Als het op een kleinere afstand zou worden geplaatst, zou de temperatuur ver boven de 70°C stijgen, waardoor de ademer beschadigd zou raken. Dus 12,5 cm is de optimale afstand voor een föhn van 1700 W.

Als de föhn meer of minder potentie heeft, moet de afstand goed worden afgesteld om de temperatuur zo dicht mogelijk bij 70°C te houden. De software bij Arduino drukt elke seconde de temperatuur af, om dit aanpassingsproces voor verschillende haardrogers mogelijk te maken;

Stap 12: Alles aan het werk zetten

Nadat alle verbindingen van de vorige stappen zijn uitgevoerd, steekt u de elektrische mannelijke connector van het Relay Shield-netsnoer in een stopcontact en steekt u USB-kabel Type A in Arduino en in een USB-voeding (of computer USB-poort). Dan zal de sterilisator beginnen te werken, net zoals de bovenstaande video

Stap 13: Referenties

1. Lied Wuhui1, Pan Bin2, Kan Haidong2等. Evaluatie van hitte-inactivering van virusbesmetting op medisch masker [J]. TIJDSCHRIFT VAN MICROBEN EN INFECTIES, 2020, 15(1): 31-35. (beschikbaar op https://jmi.fudan.edu.cn/EN/10.3969/j.issn.1673-6184.2020.01.006, geraadpleegd op 08 april 2020)

2. Santos, Diego Ascanio. Temperatuurregistratie-algoritme en temperatuur in de loop van de tijd datasets, 2020. (Beschikbaar op https://gist.github.com/DiegoAscanio/865d61e3b774aa614c00287e24857f83, geraadpleegd op 09 april 2020)

3. Santos, Diego Ascanio. Fitting/Plotting Algorithms and its Requirements, 2020. (Beschikbaar op https://gist.github.com/DiegoAscanio/261f7702dac87ea854f6a0262c060abf, geraadpleegd op 09 april 2020)

4. Santos, Diego Ascanio. Temperature Cooling Datasets, 2020. (Beschikbaar op https://gist.github.com/DiegoAscanio/c0d63cd8270ee517137affacfe98bafe, geraadpleegd op 09 april 2020)