Esterilizador com respirador N95 para secador de cabelo faça você mesmo: 13 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:35

De acordo com SONG et al. (2020) [1], o calor de 70 ° C produzido por um secador de cabelo durante 30 minutos é suficiente para inativar os vírus em um respirador N95. Portanto, é uma forma viável para pessoas comuns reutilizarem seus respiradores N95 durante as atividades do dia a dia, respeitando certas restrições como: o respirador não deve estar contaminado com sangue, o respirador não deve estar quebrado, etc.

Os autores afirmam que o secador deve ser ligado e aquecido por 3, 4 minutos. Em seguida, um respirador N95 contaminado deve ser colocado dentro de um saco ziplock e submetido a 30 minutos de calor produzido pelo secador. Após esse tempo, os vírus seriam efetivamente inativados na máscara, de acordo com seus estudos.

Todas as ações declaradas acima não são automatizadas e existem restrições que podem deteriorar o processo de esterilização, como temperatura de aquecimento muito baixa (ou muito alta). Portanto, este projeto visa utilizar um secador de cabelo, um microcontrolador (atmega328, disponível no Arduino UNO), um relé de proteção e um sensor de temperatura (lm35) para a construção de um Esterilizador de Máscara automático baseado em SONG et al. descobertas.

Suprimentos

1x Arduino UNO;

1x sensor de temperatura LM35;

1x Escudo de relé;

1x Secador de cabelo de velocidade dupla de 1700W (Taiff Black 1700W para referência)

1x breadboard;

2 cabos jumper macho-macho (15 cm cada);

6x cabos jumper macho-fêmea (15 cm cada);

2 fios elétricos de 0,5 m 15A;

1 conector elétrico fêmea (de acordo com a norma do seu país - o Brasil é NBR 14136 2P + T);

1 conector elétrico macho (de acordo com a norma do seu país - o Brasil é NBR 14136 2P + T);

1 cabo USB tipo A (para programar Arduino);

1x computador (desktop, notebook, qualquer);

1x torno;

1x tampa do pote;

2x faixas de borracha;

1 caderno espiral de capa dura;

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

1 rolo de fita adesiva

1x fonte de alimentação 5V USB

Etapa 1: Modelagem Automática do Esterilizador de Respirador N95

Conforme afirmado anteriormente, este projeto visa construir um esterilizador automático baseado em SONG et. todas as conclusões (2020). As seguintes etapas são necessárias para alcançá-lo:

1. Aqueça o secador de cabelo por 3 ~ 4 minutos para atingir 70 ° C de temperatura;

2. Deixe o secador por 30 minutos apontando-o para o respirador N95 dentro de um saco Ziploc® para inativar os vírus no respirador

Assim, as questões de modelagem foram formuladas a fim de construir uma solução:

uma. Todos os secadores de cabelo produzem uma temperatura de 70 ° C após aquecimento por 3 ~ 4 minutos?

b. O (s) secador (s) de cabelo mantêm uma temperatura constante de 70 ° C após 3 ~ 4 minutos de aquecimento?

c. A temperatura dentro do saco Ziploc® é igual à temperatura externa após 3 ~ 4 minutos de aquecimento?

d. A temperatura dentro do saco Ziploc® aumenta na mesma proporção que a temperatura fora dele?

Para responder a essas perguntas, foram realizadas as seguintes etapas:

I. Registre as curvas de aquecimento de dois secadores de cabelo diferentes por 3 ~ 4 minutos para ver se ambos podem atingir 70 ° C

II. Registre as curvas de aquecimento do (s) secador (s) de cabelo (o sensor LM35 deve estar fora do saco Ziploc® nesta etapa) por 2 minutos após 3 ~ 4 minutos do aquecimento inicial

III. Registre a temperatura dentro do saco Ziploc® por 2 minutos após 3 ~ 4 minutos de aquecimento inicial e compare com os dados registrados na etapa II.

4. Compare as curvas de aquecimento registradas nas etapas II e III (temperaturas internas e externas relacionadas à bolsa Ziploc®)

As etapas I, II, III foram realizadas utilizando um sensor de temperatura LM35 e um algoritmo Arduino desenvolvido para informar periodicamente (1 Hz - através da comunicação serial USB) a temperatura registrada pelo sensor LM35 em função do tempo.

O algoritmo desenvolvido para registrar as temperaturas e as temperaturas registradas estão disponíveis aqui [2]

A etapa IV foi realizada por meio de dados registrados nas etapas II e III, bem como por meio de dois scripts Python que geraram funções de aquecimento para descrever o aquecimento dentro e fora da bolsa Ziploc®, bem como gráficos a partir dos dados registrados em ambas as etapas. Esses scripts Python (e bibliotecas necessárias para executá-los) estão disponíveis aqui [3].

Assim, após realizar os passos I, II, III e IV, é possível responder às questões a, b, c e d.

Para a pergunta a. a resposta é Não, como é possível ver, comparando os dados registrados de 2 secadores de cabelo diferentes em [2] que um secador pode atingir 70 ° C enquanto outro só pode atingir 44 ° C

Para responder à pergunta b, o secador de cabelo que não pode atingir 70 ° C é desprezado. Inspecionando os dados daquele que é capaz de atingir 70 ° C (disponível no arquivo step_II_heating_data_outside_ziploc_bag.csv [2]), a resposta para b também é não porque ele não pode manter uma temperatura constante de 70 ° C após os 4 minutos iniciais de aquecimento.

Então, é necessário saber se as temperaturas dentro e fora do Ziploc são iguais (questão c) e se aumentam na mesma taxa (questão d). Os dados disponíveis nos arquivos step_II_heating_data_outside_ziploc_bag.csv [2] e step_III_heating_data_inside_ziploc_bag.csv [2] submetidos ao ajuste de curva e algoritmos de plotagem em [3] fornecem respostas para ambas as perguntas, que são não porque a temperatura dentro da bolsa Ziploc® atingiu um máximo de 70 ~ 71 ° C enquanto a temperatura externa atingiu um máximo de 77 ~ 78 ° C e a temperatura interna da bolsa Ziploc® aumentou lentamente do que sua contraparte externa.

A Figura 1 - Curvas de Aquecimento Fora e Dentro do Involucro mostra um gráfico das temperaturas externas / internas da bolsa Ziploc® em função do tempo (a curva laranja corresponde à temperatura interna, a curva azul à externa). Como é possível ver, as temperaturas interna e externa são diferentes e também aumentam em taxas diferentes - lentamente dentro da bolsa Ziploc do que fora. A figura também informa que as funções de temperatura têm a forma de:

Temperatura (t) = Temperatura Ambiente + (Temperatura Final - Temperatura Ambiente) x (1 - e ^ (taxa de aumento de temperatura x t))

Para a temperatura fora do saco Ziploc®, a função de temperatura em termos de tempo é:

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

E para a temperatura dentro do saco Ziploc®, a função da temperatura em termos de tempo é:

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

Assim, com todos esses dados (e outros resultados empíricos) em mãos, o seguinte pode ser afirmado sobre este processo de modelagem do esterilizador DIY N95:

-Diferentes secadores de cabelo podem produzir diferentes temperaturas - Alguns não atingirão 70 ° C enquanto outros ultrapassarão em muito esta referência. Para os que não podem atingir 70 ° C, devem ser desligados após o tempo de aquecimento inicial (para evitar desperdício de energia) e alguma mensagem de erro deve ser enviada ao operador do esterilizador informando esse problema. Já para quem ultrapassa os 70 ° C graus de referência, é necessário desligar o secador quando a temperatura estiver acima de determinada temperatura (70 + margem superior) ° C (para evitar danos à capacidade de proteção do respirador do N95) e girá-lo ligar novamente após o N95 resfriar a uma temperatura inferior a (70 - margem inferior) ° C, para dar continuidade ao processo de esterilização;

- O sensor de temperatura LM35 não pode estar dentro da bolsa Ziploc®, pois a bolsa precisa ser lacrada para evitar contaminação do ambiente com cepas de vírus, portanto, a temperatura LM35 deve ser colocada fora da bolsa;

-Como a temperatura interna é menor que a externa e demanda mais tempo para aumentar, é preciso entender como acontece o processo de resfriamento (decréscimo), pois se a temperatura interna demora mais para diminuir do que a externa, então há um relação causal entre o processo de aumento / diminuição da temperatura interna / externa da bolsa Ziploc® e, portanto, é possível utilizar a temperatura externa como referência para regular todo o processo de aquecimento / resfriamento. Mas se não o fizer, outra abordagem será necessária. Isso leva a uma quinta questão de modelagem:

e. A temperatura dentro do saco Ziploc® diminui mais lentamente do que fora?

Para responder a esta questão foi realizado um 5º passo e foram registradas as temperaturas obtidas durante o processo de resfriamento (dentro / fora da bolsa Ziploc®) (disponível aqui [4]). A partir dessas temperaturas, as funções de resfriamento (e suas respectivas taxas de resfriamento) foram descobertas para resfriar dentro e fora do saco Ziploc®.

A bolsa de função de resfriamento Ziploc® externa é: 42,17 * e ^ (- 0,0089t) + 33,88

A contraparte interna é: 37,31 * e ^ (- 0,0088t) + 30,36

Com isso em mente, é possível perceber que ambas as funções diminuem de forma igual (-0,0088 ≃ -0,0089) como mostra a Figura 2 - Curvas de Resfriamento Fora e Dentro do Invólucro: (azul / laranja está fora / dentro da bolsa Ziploc® respectivamente)

Como a temperatura dentro do saco Ziploc® diminui na mesma proporção que a temperatura externa, a temperatura externa não pode ser usada como referência para manter o secador de cabelo quando o aquecimento é necessário porque a temperatura externa aumenta mais rápido do que a temperatura interna e quando a temperatura externa atinge (70 + margem superior) ° C a temperatura interna seria menor que a temperatura necessária para esterilizar o respirador. E com o tempo, a temperatura interna experimentaria uma diminuição diluída em seu valor médio. Portanto, é necessário utilizar a função de temperatura interna em termos de tempo para determinar o tempo necessário para aumentar sua temperatura de (70 - margem inferior) ° C para pelo menos 70 ° C.

A partir de uma margem inferior de 3 ° C (e conseqüentemente, uma temperatura inicial de 67 ° C) para chegar a ≃ 70 ° C, é necessário esperar pelo menos 120 segundos, de acordo com a função de temperatura interna da bolsa Ziploc® em termos de tempo.

Com todas as respostas às questões de modelagem acima, uma solução minimamente viável pode ser construída. Claro, deve haver recursos e melhorias que não poderiam ser abordadas aqui - sempre há algo a ser descoberto ou aprimorado - mas é que todos os elementos eliciados são capazes de construir a solução necessária.

Isso leva à elaboração de um algoritmo a ser escrito no Arduino, a fim de atingir o modelo estabelecido.

Etapa 2: Algoritmo de operação do esterilizador de respirador N95 automático

Com base nos requisitos e questões de modelagem elicitadas na etapa 2, os algoritmos descritos na imagem acima foram desenvolvidos e estão disponíveis para download em github.com/diegoascanio/N95HairDryerSterilizer

Etapa 3: upload do código para o Arduino

1. Baixe a biblioteca do Arduino Timer - https://github.com/brunocalou/Timer/archive/master.zip [5]
2. Baixe o código-fonte do esterilizador de secador de cabelo N95 -
3. Abra o IDE Arduino
4. Adicione a biblioteca de cronômetro do Arduino: Sketch -> Incluir biblioteca -> Adicionar biblioteca. ZIP e selecione o arquivo Timer-master.zip, a partir da pasta onde foi baixado
5. Extraia o arquivo n95hairdryersterilizer-master.zip
6. Abra o arquivo n95hairdryersterilizer.ino com o Arduino IDE
7. Aceite a solicitação para criar uma pasta de esboço e mover n95hairdryersterilizer.ino para lá
8. Insira o cabo USB tipo A no Arduino UNO
9. Insira o cabo USB tipo A no PC
10. No IDE do Arduino, com o esboço já aberto, clique em Sketch -> Upload (Ctrl + U) para fazer o upload do código para o Arduino
11. O Arduino está pronto para funcionar!

Etapa 4: Fiação da blindagem do relé aos conectores elétricos

Edifício do cabo de alimentação da blindagem do relé:

1. Ligue o pino de aterramento do conector elétrico macho ao pino terra do conector elétrico fêmea com fio elétrico de 15A;

2. Ligue um pino do conector elétrico macho diretamente ao conector C da blindagem do relé com fio elétrico de 15A;

3. Ligue o outro pino do conector elétrico macho ao pino esquerdo do conector elétrico fêmea com fio elétrico de 15A;

4. Ligue o pino direito do conector fêmea elétrico diretamente ao conector de base NO da blindagem do relé com fio elétrico de 15A;

Conectando o secador de cabelo ao cabo de alimentação do Relay Shield:

5. Conecte o conector elétrico macho do secador de cabelo no conector elétrico fêmea do cabo de alimentação da blindagem do relé

Etapa 5: conectando a blindagem do relé ao Arduino

1. Conecte o GND do Arduino à linha negativa da placa de ensaio com cabo de jumper macho para macho;

2. Conecte o pino de 5 V do Arduino na linha positiva da placa de ensaio com cabo de jumper macho-para-macho;

3. Conecte o pino digital nº 2 do Arduino ao pino de sinalização da blindagem do relé com cabo de jumper macho-fêmea;

4. Conecte o pino de 5 V da blindagem do relé na linha positiva da placa de ensaio com o cabo jumper macho-fêmea;

5. Conecte o pino GND da blindagem do relé na linha negativa da placa de ensaio com o cabo de jumper macho-fêmea;

Etapa 6: conectando o sensor de temperatura LM35 ao Arduino

Tomando o lado plano do sensor LM35 como referência frontal:

1. Conecte o pino de 5 V (1º pino da esquerda para a direita) do LM35 na linha positiva da placa de ensaio com o cabo jumper fêmea para macho;

2. Conecte o pino de sinal (2º pino da esquerda para a direita) do LM35 no pino A0 do Arduino com cabo de jumper fêmea para macho;

3. Ligue o pino GND (1º pino da esquerda para a direita) do LM35 na linha negativa da placa de ensaio com cabo de ligação fêmea para macho;

Etapa 7: anexando o secador de cabelo ao torno

1. Fixe o torno sobre uma mesa

2. Coloque o secador de cabelo no torno

3. Ajuste o torno para deixar o secador de cabelo bem preso

Etapa 8: Preparando o suporte para bolsa Ziploc®

1. Escolha o caderno espiral de capa dura e coloque dois elásticos nele, conforme mostrado na primeira imagem;

2. Escolha um potlid (como o mostrado na segunda imagem) ou qualquer coisa que possa ser usada como suporte para deixar o caderno espiral de capa dura em uma posição reta;

3. Coloque o caderno espiral de capa dura com dois elásticos no topo da tampa da panela (como mostrado na terceira imagem)

Etapa 9: Colocando o Respirador dentro da Bolsa Ziploc®

1. Coloque com cuidado o N95 Breather dentro do Ziploc® Bag e lacre-o adequadamente, para evitar possível contaminação do ambiente (Imagem 1);

2. Coloque a Bolsa Ziploc® em seu suporte (construída na etapa anterior), puxando os dois elásticos colocados sobre o caderno espiral de capa dura (Imagem 2);

Etapa 10: Anexando o sensor de temperatura à bolsa Ziploc® externa

1. Prenda o sensor LM35 fora da bolsa Ziploc® com um pouco de fita adesiva, conforme mostrado acima;

Etapa 11: Colocando o respirador N95 e seu suporte na posição correta

1. O respirador N95 deve estar a 12,5 cm de distância do secador de cabelo. Se colocado a uma distância maior, a temperatura não aumentará acima de 70 ° C e a esterilização não acontecerá como deveria. Se colocado em uma distância menor, a temperatura aumentaria bem acima de 70 ° C, causando danos ao respirador. Portanto, 12,5 cm é a distância ideal para um secador de cabelo de 1700W.

Se o secador tiver mais ou menos potência, a distância deve ser devidamente ajustada para manter a temperatura o mais próximo possível de 70 ° C. O software do Arduino imprime a temperatura a cada 1 segundo, a fim de viabilizar esse processo de ajuste para diferentes secadores de cabelo;

Etapa 12: Colocando tudo para funcionar

Após realizar todas as conexões das etapas anteriores, conecte o conector elétrico macho do cabo de alimentação do Relay Shield em uma tomada e insira o cabo USB Tipo A no Arduino e em uma fonte de alimentação USB (ou porta USB do computador). Então, o esterilizador começará a funcionar exatamente como o vídeo acima

Etapa 13: Referências

1. Song Wuhui1, Pan Bin2, Kan Haidong2 等. Avaliação da inativação por calor da contaminação por vírus em máscara médica [J]. JOURNAL OF MICROBES AND INFECTIONS, 2020, 15 (1): 31-35. (disponível em https://jmi.fudan.edu.cn/EN/10.3969/j.issn.1673-6184.2020.01.006, acessado em 08 de abril de 2020)

2. Santos, Diego Ascânio. Algoritmo de captura de temperatura e conjuntos de dados de temperatura ao longo do tempo, 2020. (Disponível em https://gist.github.com/DiegoAscanio/865d61e3b774aa614c00287e24857f83, acessado em 09 de abril de 2020)

3. Santos, Diego Ascânio. Algoritmos de ajuste / plotagem e seus requisitos, 2020. (Disponível em https://gist.github.com/DiegoAscanio/261f7702dac87ea854f6a0262c060abf, acessado em 09 de abril de 2020)

4. Santos, Diego Ascânio. Conjuntos de dados de resfriamento de temperatura, 2020. (Disponível em https://gist.github.com/DiegoAscanio/c0d63cd8270ee517137affacfe98bafe, acessado em 09 de abril de 2020)