Stérilisateur de respiration sèche-cheveux bricolage N95: 13 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:06

Selon SONG et al. (2020)[1], la chaleur de 70°C produite par un sèche-cheveux pendant 30 minutes suffit à inactiver les virus dans un respirateur N95. C'est donc un moyen envisageable pour les personnes ordinaires de réutiliser leurs reniflards N95 lors de leurs activités quotidiennes, en respectant certaines contraintes comme: le reniflard ne doit pas être contaminé par du sang, le reniflard ne doit pas être cassé, etc.

Les auteurs précisent que le sèche-cheveux doit être allumé et laisser chauffer pendant 3, 4 minutes. Ensuite, un reniflard N95 contaminé doit être placé dans un sac ziplock et soumis à 30 minutes de chaleur produite par le sèche-cheveux. Passé ce délai, les virus seraient effectivement inactivés sur le masque, selon leurs études.

Toutes les actions énoncées ci-dessus ne sont pas automatisées et il existe des contraintes qui peuvent détériorer le processus de stérilisation comme une température de chauffage trop basse (ou trop élevée). Ce projet vise donc à utiliser un sèche-cheveux, un microcontrôleur (atmega328, disponible chez Arduino UNO), un bouclier de relais et un capteur de température (lm35) pour construire un stérilisateur de masque automatique basé sur SONG et al. résultats.

Fournitures

1x Arduino UNO;

1x capteur de température LM35;

1x relais de protection;

Sèche-cheveux 1x 1700W double vitesse (Taiff Black 1700W pour référence)

1x planche à pain;

2x câbles de démarrage mâle-mâle (15 cm chacun);

6x câbles de démarrage mâle-femelle (15 cm chacun);

2x 0.5m 15A fil électrique;

1x connecteur électrique femelle (selon la norme de votre pays - le Brésil est NBR 14136 2P+T);

1x connecteur électrique mâle (selon la norme de votre pays - le Brésil est NBR 14136 2P+T);

1x câble USB type A (pour programmer Arduino);

1x ordinateur (ordinateur de bureau, ordinateur portable, tout);

1x étau;

1x couvercle de casserole;

2x élastiques;

1x cahier à spirale à couverture rigide;

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

1x rouleau de ruban adhésif

1x alimentation USB 5V

Étape 1: Modélisation automatique du stérilisateur reniflard N95

Comme indiqué précédemment, ce projet vise à construire un stérilisateur automatique basé sur SONG et. al (2020). Les étapes suivantes sont nécessaires pour y parvenir:

1. Chauffez le sèche-cheveux pendant 3 à 4 minutes afin d'atteindre 70°C de température;

2. Laissez le sèche-cheveux agir pendant 30 minutes en le pointant vers le reniflard N95 à l'intérieur d'un sac Ziploc® afin d'inactiver les virus sur le reniflard

Ainsi, des questions de modélisation ont été formulées afin de construire une solution:

une. Tous les sèche-cheveux produisent-ils une température de 70 °C après avoir été chauffés pendant 3 à 4 minutes ?

b. Est-ce que le/les sèche-cheveux maintiennent-ils une température constante de 70°C après 3 à 4 minutes de chauffage ?

c. La température à l'intérieur du sac Ziploc® est-elle égale à la température à l'extérieur après 3 à 4 minutes de chauffage ?

ré. La température à l'intérieur du sac Ziploc® augmente-t-elle au même rythme que la température à l'extérieur ?

Afin de répondre à ces questions, les étapes suivantes ont été suivies:

I. Enregistrez les courbes de chauffe de deux sèche-cheveux différents pendant 3 à 4 minutes afin de voir si les deux peuvent atteindre 70°C

II. Enregistrez les courbes de chauffage du ou des sèche-cheveux (le capteur LM35 doit être à l'extérieur du sac Ziploc® à cette étape) pendant 2 minutes après 3 à 4 minutes de chauffage initial

III. Enregistrez la température à l'intérieur du sac Ziploc® pendant 2 minutes après 3 à 4 minutes de chauffage initial et comparez-la avec les données enregistrées à l'étape II.

IV. Comparer les courbes de chauffe enregistrées aux étapes II et III (températures intérieures et extérieures liées au sac Ziploc®)

Les étapes I, II, III ont été effectuées à l'aide d'un capteur de température LM35 et d'un algorithme Arduino développé pour informer périodiquement (1 Hz - via la communication série USB) de la température enregistrée par le capteur LM35 en fonction du temps.

L'algorithme développé pour enregistrer les températures et les températures enregistrées sont disponibles ici [2]

L'étape IV a été réalisée grâce aux données enregistrées aux étapes II et III ainsi qu'à deux scripts Python qui ont généré des fonctions de chauffage pour décrire le chauffage à l'intérieur et à l'extérieur du sac Ziploc® ainsi que des tracés à partir des données enregistrées aux deux étapes. Ces scripts Python (et les bibliothèques nécessaires pour les exécuter) sont disponibles ici [3].

Ainsi, après avoir effectué les étapes I, II, III et IV, il est possible de répondre aux questions a, b, c et d.

Pour la question a. la réponse est non comme il est possible de le voir, en comparant les données enregistrées à partir de 2 sèche-cheveux différents dans [2] qu'un sèche-cheveux est capable d'atteindre 70°C tandis que l'autre ne peut atteindre que 44°C

Pour répondre à la question b, le sèche-cheveux qui ne peut pas atteindre 70°C est ignoré. En inspectant les données de celui qui peut atteindre 70°C (disponible dans le fichier step_II_heating_data_outside_ziploc_bag.csv [2]), la réponse à b est également non car il ne peut pas maintenir une température constante de 70°C après les 4 minutes initiales de chauffage.

Ensuite, il faut savoir si les températures à l'intérieur et à l'extérieur de Ziploc sont égales (question c) et si elles augmentent au même rythme (question d). Les données disponibles dans les fichiers step_II_heating_data_outside_ziploc_bag.csv [2] et step_III_heating_data_inside_ziploc_bag.csv [2] soumises aux algorithmes d'ajustement de courbe et de traçage dans [3] fournissent des réponses aux deux questions, qui sont toutes deux non car la température à l'intérieur du sac Ziploc® a atteint un maximum de 70 ~ 71°C tandis que la température extérieure a atteint un maximum de 77 ~ 78°C et la température intérieure du sac Ziploc® a augmenté lentement par rapport à son homologue extérieur.

Figure 1 - Curvas de Aquecimento Fora e Dentro do Involucro montre un graphique des températures extérieures / intérieures des sacs Ziploc® en fonction du temps (la courbe orange correspond à la température intérieure, la courbe bleue à celle de l'extérieur). Comme il est possible de le voir, les températures intérieures et extérieures sont différentes et augmentent également à des rythmes différents - lentement à l'intérieur du sac Ziploc qu'à l'extérieur. La figure informe également que les fonctions de température sont sous la forme de:

Température (t) = Température de l'environnement + (Température finale - Température de l'environnement) x (1 - e^ (taux d'augmentation de la température x t))

Pour la température à l'extérieur du sac Ziploc®, la fonction température en terme de temps est:

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

Et pour la température à l'intérieur du sac Ziploc®, la fonction température en terme de temps est:

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

Donc, avec toutes ces données (et d'autres résultats empiriques) à portée de main, ce qui suit peut être déclaré à propos de ce processus de modélisation du stérilisateur DIY N95:

- Différents sèche-cheveux peuvent produire des températures différentes - Certains ne pourront pas atteindre 70°C tandis que d'autres dépasseront largement cette référence. Pour ceux qui ne peuvent pas atteindre 70°C, ils doivent être éteints après le temps de chauffage initial (pour éviter un gaspillage d'énergie inutile) et un message d'erreur doit être envoyé à l'opérateur du stérilisateur pour l'informer de ce problème. Mais pour ceux qui dépassent les 70°C degré de référence, il est nécessaire d'éteindre le sèche-cheveux lorsque la température est supérieure à une certaine température (70 + marge supérieure) °C (afin d'éviter d'endommager la capacité de protection du reniflard N95) et de l'allumer rallumer après que N95 ait refroidi à une température inférieure à (70 - marge inférieure) °C, pour continuer le processus de stérilisation;

-Le capteur de température LM35 ne peut pas être à l'intérieur du sac Ziploc®, car le sac doit être scellé afin d'éviter la contamination de la pièce par des souches de virus, donc, la température LM35 doit être placée à l'extérieur du sac;

-Comme la température intérieure est inférieure à celle de son homologue extérieure et demande plus de temps pour augmenter, il est obligatoire de comprendre comment le processus de refroidissement (diminution) se produit, car, si la température interne met plus de temps à diminuer que la température extérieure, alors, il y a un relation causale entre le processus d'augmentation/diminution de la température intérieure/extérieure du sac Ziploc® et il est donc possible d'utiliser la température extérieure comme référence pour réguler l'ensemble du processus de chauffage/refroidissement. Mais si ce n'est pas le cas, une autre approche sera nécessaire. Cela conduit à une 5ème question de modélisation:

e. La température à l'intérieur du sac Ziploc® diminue-t-elle plus lentement qu'à l'extérieur ?

Une 5ème étape a été franchie pour répondre à cette question et les températures obtenues lors du processus de refroidissement (intérieur/extérieur du sac Ziploc®) ont été enregistrées (disponible ici [4]). A partir de ces températures, des fonctions de refroidissement (et leurs vitesses de refroidissement respectives) ont été découvertes pour le refroidissement à l'extérieur et à l'intérieur du sac Ziploc®.

Le sac extérieur de fonction de refroidissement Ziploc® est: 42.17 * e^(-0.0089t) + 33.88

La contrepartie intérieure est: 37.31 * e^(-0.0088t) + 30.36

Dans cet esprit, il est possible de voir que les deux fonctions diminuent de manière égale (-0.0088 -0.0089) comme le montre la Figure 2 - Curvas de Resfriamento Fora e Dentro do Invólucro: (bleu/orange est respectivement à l'extérieur/à l'intérieur du sac Ziploc®)

Comme la température à l'intérieur du sac Ziploc® diminue au même rythme que la température à l'extérieur, la température extérieure ne peut pas être utilisée comme référence pour maintenir le sèche-cheveux allumé lorsque le chauffage est nécessaire car la température extérieure augmente plus rapidement que la température intérieure et lorsque la température extérieure atteint (70 + marge supérieure) °C la température intérieure serait inférieure à la température nécessaire pour stériliser le reniflard. Et au fil du temps, la température intérieure connaîtrait une diminution diluée de sa valeur moyenne. Il faut donc utiliser la fonction température intérieure en terme de temps pour déterminer le temps nécessaire pour augmenter sa température de (70 - marge inférieure) °C à au moins 70°C.

A partir d'une marge inférieure de 3°C (et par conséquent, une température de départ de 67°C) pour atteindre ≃ 70°C, il faut attendre au moins 120 secondes, selon la fonction température à l'intérieur du sac Ziploc® en termes de temps.

Avec toutes les réponses aux questions de modélisation ci-dessus, une solution minimalement viable peut être construite. Bien sûr, il doit y avoir des fonctionnalités et des améliorations qui ne pourraient pas être abordées ici - il y a toujours quelque chose à découvrir ou à améliorer - mais c'est que tous les éléments obtenus sont capables de construire la solution nécessaire.

Cela conduit à l'élaboration d'un algorithme à écrire chez Arduino, afin de réaliser le modèle établi.

Étape 2: Algorithme de fonctionnement automatique du stérilisateur reniflard N95

Sur la base des exigences et des questions de modélisation soulevées à l'étape 2, les algorithmes décrits dans l'image ci-dessus ont été développés et sont disponibles en téléchargement sur github.com/diegoascanio/N95HairDryerSterilizer

Étape 3: Téléchargement du code sur Arduino

1. Téléchargez la bibliothèque de minuteries Arduino - https://github.com/brunocalou/Timer/archive/master.zip [5]
2. Téléchargez le code source du stérilisateur pour sèche-cheveux N95 -
3. Ouvrir l'IDE Arduino
4. Ajouter la bibliothèque de minuterie Arduino: Sketch -> Inclure la bibliothèque -> Ajouter la bibliothèque. ZIP et sélectionnez le fichier Timer-master.zip, à partir du dossier où il a été téléchargé
5. Extraire le fichier n95hairdryersterilizer-master.zip
6. Ouvrez le fichier n95hairdryersterilizer.ino avec Arduino IDE
7. Acceptez l'invite pour créer un dossier de croquis et déplacez n95hairdryersterilizer.ino là-bas
8. Insérez le câble USB de type A dans Arduino UNO
9. Insérez le câble USB de type A dans le PC
10. Sur Arduino IDE, avec le sketch déjà ouvert, cliquez sur Sketch -> Upload (Ctrl + U) pour télécharger le code sur Arduino
11. Arduino est prêt à fonctionner !

Étape 4: Câblage du blindage du relais aux connecteurs électriques

Construction de cordon d'alimentation de bouclier de relais:

1. Câblez la broche de masse du connecteur électrique mâle dans la broche de masse du connecteur électrique femelle avec un fil électrique de 15 A;

2. Câblez une broche du connecteur électrique mâle directement au connecteur à support C du blindage de relais avec un fil électrique de 15 A;

3. Câblez l'autre broche du connecteur électrique mâle dans la broche gauche du connecteur électrique femelle avec un fil électrique de 15 A;

4. Câblez la broche droite du connecteur électrique femelle directement au connecteur NO du blindage de relais avec un fil électrique de 15 A;

Branchement du sèche-cheveux sur le cordon d'alimentation Relay Shield:

5. Branchez le connecteur mâle électrique du sèche-cheveux dans le connecteur femelle électrique du cordon d'alimentation du relais de protection

Étape 5: Câblage du blindage de relais à Arduino

1. Câblez GND d'Arduino dans la ligne négative de la planche à pain avec un câble de démarrage mâle à mâle;

2. Câblez la broche 5V d'Arduino dans la ligne positive de la planche à pain avec un câble de raccordement mâle-mâle;

3. Câblez la broche numérique n° 2 de l'Arduino dans la broche de signal du blindage de relais avec un câble de raccordement mâle-femelle;

4. Câblez la broche 5 V du blindage de relais dans la ligne positive de la planche à pain avec un câble de raccordement mâle-femelle;

5. Câblez la broche GND du Relay Shield à la ligne négative de la Breadboard avec un câble de raccordement mâle-femelle;

Étape 6: Câblage du capteur de température LM35 à Arduino

En prenant le côté plat du capteur LM35 comme référence frontale:

1. Câblez la broche 5V (1ère broche de gauche à droite) du LM35 dans la ligne positive de la planche à pain avec un câble de raccordement femelle-mâle;

2. Câblez la broche de signal (2e broche de gauche à droite) de LM35 à la broche A0 d'Arduino avec un câble de raccordement femelle à mâle;

3. Câblez la broche GND (1ère broche de gauche à droite) du LM35 dans la ligne négative de la planche à pain avec un câble de démarrage femelle-mâle;

Étape 7: Fixation du sèche-cheveux à l'étau

1. Fixez l'étau sur une table

2. Placez le sèche-cheveux dans l'étau

3. Ajustez l'étau afin de laisser le sèche-cheveux bien attaché

Étape 8: Préparation du support de sac Ziploc®

1. Choisissez le cahier à spirale à couverture rigide et placez-y deux élastiques comme indiqué sur la première image;

2. Choisissez un couvercle (comme celui montré dans la deuxième image) ou tout ce qui peut être utilisé comme support pour laisser le cahier à spirale à couverture rigide en position droite;

3. Placez le cahier à spirale à couverture rigide avec deux élastiques en haut du couvercle du pot (comme indiqué dans la troisième image)

Étape 9: Placer le reniflard à l'intérieur du sac Ziploc®

1. Mettez soigneusement le reniflard N95 dans le sac Ziploc® et scellez-le en conséquence, afin d'éviter une éventuelle contamination de la pièce (Image 1);

2. Placez le sac Ziploc® sur son support (construit à l'étape précédente), en tirant sur les deux élastiques placés sur le cahier à spirale à couverture rigide (Image 2);

Étape 10: Fixation du capteur de température au sac Ziploc® à l'extérieur

1. Fixez le capteur LM35 à l'extérieur du sac Ziploc® avec un peu de ruban adhésif, comme illustré ci-dessus;

Étape 11: Placer le reniflard N95 et son support dans la bonne position

1. Le reniflard N95 doit être à 12,5 cm du sèche-cheveux. S'il est placé à une plus grande distance, la température n'augmentera pas au-dessus de 70°C et la stérilisation ne se déroulera pas comme elle le devrait. S'il est placé à une distance plus proche, la température augmenterait bien au-dessus de 70°C, causant des dommages au reniflard. Donc 12,5 cm est la distance optimale pour un sèche-cheveux de 1700W.

Si le sèche-cheveux a plus ou moins de puissance, la distance doit être correctement ajustée afin de maintenir la température aussi proche que possible de 70°C. Le logiciel d'Arduino imprime la température toutes les 1 seconde, afin de rendre ce processus d'ajustement réalisable pour différents sèche-cheveux;

Étape 12: Tout mettre en œuvre

Une fois toutes les connexions des étapes précédentes effectuées, branchez le connecteur mâle électrique du cordon d'alimentation Relay Shield dans une prise de courant et insérez le câble USB de type A dans Arduino et dans une alimentation USB (ou un port USB de l'ordinateur). Ensuite, le stérilisateur commencera à fonctionner comme la vidéo ci-dessus

Étape 13: Références

1. Chanson Wuhui1, Pan Bin2, Kan Haidong2等. Évaluation de l'inactivation thermique de la contamination virale sur masque médical[J]. JOURNAL DES MICROBES ET DES INFECTIONS, 2020, 15(1): 31-35. (disponible sur https://jmi.fudan.edu.cn/EN/10.3969/j.issn.1673-6184.2020.01.006, consulté le 08 avril 2020)

2. Santos, Diego Ascânio. Algorithme de capture de température et ensembles de données de température au fil du temps, 2020. (Disponible sur https://gist.github.com/DiegoAscanio/865d61e3b774aa614c00287e24857f83, consulté le 09 avril 2020)

3. Santos, Diego Ascânio. Algorithmes d'ajustement/traçage et ses exigences, 2020. (Disponible sur https://gist.github.com/DiegoAscanio/261f7702dac87ea854f6a0262c060abf, consulté le 09 avril 2020)

4. Santos, Diego Ascânio. Ensembles de données sur le refroidissement par température, 2020. (Disponible sur https://gist.github.com/DiegoAscanio/c0d63cd8270ee517137affacfe98bafe, consulté le 09 avril 2020)