Modelo Simple
El modelo más simple que se puede usar para hacer un respirador, es un recipiente grande que actua como acumulador o depósito de agua, y uno mas pequeño que vamos a llamar recipiente de inspiración. A la salida del bote que comprime el aire, (en el video donde está montado el guante) se ha de conectar el tubo del respirador a la mascara que ha de tener una valvula para que la expiración salga de forma natural. Este es el modelo simple, en el menos simple contaremos como hacer también la expiración.
The simplest model that can be used to make a ventilator is a large container that acts as an accumulator or water reservoir, and a smaller one that we will call an inspiration container. At the exit of the canister that compresses the air, (in the video where the glove is mounted) the tube of the respirator has to be connected to the mask that has to have a valve so that the expiration comes out naturally. This is the simple model, in the less simple one we will count how to do the expiration as well.
En el video, puedes ver los materiales que he utilizado, una botella de leche vacia como depósito de inspiración, una botella de gel vacía como repitiende de inspiración y una caja de plástico transparente como depósito de agua del sistema.
Dentro de la botella de leche o depósito de inspiración tenemos una bomba de agua de acuario.
Dentro del depósito de agua del sistema hay otra bomba de acuario de agua.
Las dos bombas estan conectadas a dos reles que controla un temporizador.
In the video, you can see the materials I used, an empty milk bottle as inspiration reservoir, an empty soap bottle as inspiration repeat and a transparent plastic box as system water tank.
Inside the milk bottle or inspiration tank we have an aquarium water pump.
Inside the water tank of the system there is another aquarium water pump.
Both pumps are connected to two relays that control a timer.
Con esto ya lo tienes, como ves es bastante fácil en teoría, vamos a ir explicando cosas.
With this you have it, as you see it is quite easy in theory, we are going to explain things.
Botella que comprime el aire. Debe tener un volumen superior a 700-1000 ml. 1200 ml sería lo recomendable. Puede ser una botella, un tubo de metacrilato, PVC, metal, etc… Rígido, sencillo de conseguir y que tenga una boca arriba para conectar el tubo del respirador.
La botella invertida que comprime el aire debe estar muy bien sujeta al depósito, no se debe mover nada y no debe perder aire si la atornillas para sujetarla a la pared del deposito de inspiración. Recuerda sellar con un material inerte como la silicona si atraviesas la botella o con celo transparente no poroso. La presión no va a ser muy alta y el celo debería aguantar.
La posición para situar la botella debe ser que en el recipiente de inspiración, poniendo la bomba en la parte inferior, queden dos o tres dedos de agua sobre la bomba y un par hasta la base de la botella. Ese espacio es el que se necesita para que se llene de aire cuando expiramos para a continuación cubrirlo con la inspiración.
En el dibujo, la cota 0, (puedes marcarla en el deposito) es el nivel mínimo de agua que deberíamos tener.
La cota 1, es cuando el agua empieza a cubrir la parte inferior de la botella que comprime el aire. Ese es el punto en el que el volumen de aire de la botella empieza a ser enviado por el tubo.
Por ahora este es el desarrollo más sencillo por lo que no vamos a comprobar la presión ni el volumen que comprime el sistema, recuerda que es un aparato de emergencia.
La cota 2 del dibujo, es una marca que debes hacer en la botella aproximadamente a 500 ml de la base de la misma. En el ejemplo del video, al ser la botella que yo tenía de unos 800ml, procedí a quitarle la base a la botella, ponerla boca abajo con el tapón puesto. Llenarla de agua e ir quitando en un recipiente de cocina marcado en 500ml.
Esa será la marca a la que se debe subir el nivel de agua “DENTRO DE LA BOTELLA” para garantizar que enviamos 500ml de aire al exterior.
Puedes poner alguna graduación más en la botella, 600ml, 400 ml, etc.. por si es necesario insuflar más o menos aire.
El deposito de inspiración esta conectado por su parte superior al deposito de agua, por sí has usado el deposito que comento en tratamiento de agua.
En este modelo de respirador que es el más sencillo no vamos a tener mucho control, pero vamos a ir contando el control que se necesita.
En el dibujo, las dos bombas están conectadas a dos relés.
Las bombas son dos bombas de agua de pecera que he encontrado en una tienda de mascotas. El caudal que has de buscar debe ser el suficiente para llenar 1 litro dentro de la botella de compresión. Dependerá del volumen de tu deposito de inspiración el tamaño de la bomba que has de elegir….
Mide o calcula en cm la altura entre la cota 0 y la cota 2 en la botella de inspiración.
Esa altura multiplicada por el área del deposito de inspiración, te da los cm cúbicos que ha de mover la bomba de agua.
Por ejemplo, si la botella de compresión de aire tiene de altura entre las dos marcas 20 cm, y el deposito de inspiración es cuadrado de 15cm de lado, 15 x 15 x 20 = 4.500 cm3
Sí dividimos entre 1.000 para pasar los cm3 a dm3 4.500 / 1.000 = 4.5 dm3 que equivale a 4.5 litros de agua.
Si calculamos que los respiradores normalmente trabajan entre 10 y 30 respiraciones por minuto, tenemos que hemos de llenar esos 4,5 litros 30 veces en 1 minuto . Como en el tiempo de respirar hemos de inspirar y expirar, ha de ser el doble de la frecuencia, 30 x 2 = 60.
El resultado es 4,5 x 60 / 60 = 4,5 litros por segundo. Esto son 4,5 * 3.600 = 16.200 litros hora.
Una bomba simple para este caudal es cara y menos fácil de conseguir, por lo que hemos de adecuarnos a lo disponible y buscar una bomba de agua que nos de el caudal más alto posible ya que casi todas tienen un regulador para bajar el caudal ,
por ejemplo, esta bomba :
Waldbeck Nemesis T90 Bomba de agua - Bajo consumo, 90 W de potencia, Máx. 4 m de altura de extracción, Protección IPX8 muy seguro, Caudal de 6.200 L/h, Cable de 10 m, 2,4 Kg, Negro
por Electronic-Star-ES
Más información: https://www.amazon.es/dp/B07YL2N2MJ/ref=cm_sw_em_r_mt_
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Air-compressing bottle. Must have a volume greater than 700-1000 ml. 1200 ml is recommended. It can be a bottle, a tube of methacrylate, PVC, metal, etc... Rigid, easy to get and with a mouth up to connect the tube of the respirator.
The inverted bottle that compresses the air must be very well attached to the tank, should not move anything and should not lose air if you screw it to attach it to the wall of the reservoir of inspiration. Remember to seal with an inert material such as silicone if you go through the bottle or with clear non-porous tape. The pressure will not be too high and the tape should hold.
The position to place the bottle should be that in the inspiration vessel, putting the pump at the bottom, there should be two or three fingers of water over the pump and a couple to the base of the bottle. That space is what is needed for it to fill with air when we breathe out and then cover it with the inspiration.
In the drawing, the level 0(Cota 0), (you can mark it in the tank) is the minimum level of water we should have.
Cota 1 is when the water starts to cover the bottom of the bottle that compresses the air. That is the point where the volume of air in the bottle starts to be sent through the tube.
For now this is the simplest development so we are not going to check the pressure or the volume that compresses the system, remember that it is an emergency device.
Cota 2 of the drawing is a mark that you must make on the bottle approximately 500 ml from the base of it. In the example of the video, being the bottle I had about 800ml, I proceeded to remove the base of the bottle, put it upside down with the cap on. Fill it up with water and remove it in a 500ml kitchen container.
That will be the mark to which the water level should be raised "INSIDE THE BOTTLE" to ensure that we send 500ml of air outside.
You can put some more graduation in the bottle, 600ml, 400ml, etc... in case it is necessary to blow more or less air.
The reservoir of inspiration is connected by its upper part to the water tank, in case you have used the reservoir that I mention in water treatment.
In this model of respirator that is the simplest we will not have much control, but we will be counting the control needed.
In the drawing, the two pumps are connected to two relays.
The pumps are two fishbowl water pumps that I found in a pet store. The flow you have to look for should be enough to fill 1 liter inside the compression bottle. It will depend on the volume of your reservoir the size of the pump you have to choose...
Measure or calculate in cm the height between the level 0 and 2 in the inspiration bottle.
That height multiplied by the area of the inspiration tank, gives you the cubic cm that the water pump has to move.
For example, if the air compression bottle has a height between the two marks of 20 cm, and the inspiration reservoir is a square of 15 cm side, 15 x 15 x 20 = 4.500 cm3
If we divide by 1,000 to pass the cm3 to dm3 4,500 / 1,000 = 4.5 dm3 which is equivalent to 4.5 liters of water.
If we calculate that the respirators normally work between 10 and 30 breaths per minute, we have to fill those 4.5 liters 30 times in 1 minute . Since we have to breathe in and out at the same time, it has to be double the frequency, 30 x 2 = 60.
The result is 4.5 x 60 / 60 = 4.5 litres per second. This is 4.5 * 3,600 = 16,200 litres per hour.
A simple pump for this flow is expensive and less easy to get, so we have to adapt to what is available and look for a water pump that gives us the highest possible flow as almost all have a regulator to lower the flow,
for example, this bomb:
Waldbeck Nemesis T90 Water pump - Low consumption, 90 W power, Max. 4 m head, Very safe IPX8 protection, Flow rate of 6,200 L/h, 10 m cable, 2.4 kg, Black
by Electronic-Star-EN
Esta bomba da 6.200 l/h, por lo que podemos saber el límite al que puede funcionar:
6.200 / 60 = 103,3 litros / minuto
103,3 litro minuto / 4,5 litros por respiración = 22 ciclos por minuto
Podemos usar esta bomba avisando de que la frecuencia máxima va a ser de 10 - 12 respiraciones por minuto de este respirador o podemos utilizar varias bombas y aumentar la frecuencia del respirador.
En el video que yo pongo de muestra, podrás ver que la frecuencia es muy lenta, se llena y vacía muy despácio. No encontré en ese momento una bomba de más caudal :-( . Pero para hacer el video y mostrar el correcto funcionamiento de este tipo de respirador basado en intercambio de agua ha sido suficiente.
Hay que tener cuidado al calcular la bomba ya que hemos de pensar que ha de entrar en el deposito de inspiración, por lo que al elegirla hemos de ver sus dimensiones para saber si nos entra dentro del deposito.
Las bombas funcionan en mi caso a 220 V por lo que las he conectado como aparece en el esquema, de los dos hilos del enchufe, uno a un relé y el otro hilo a uno de los polos del enchufe.
El otro borne del relé, de la parte de corriente alterna, se conecta al otro polo del enchufe, cerrando el circuito. Cuidado que esto es corriente alterna y te puede “dar un susto”.
Para garantizar la durabilidad y que aguante sin problemas cortes y encendidos frecuentes he utilizado un relé de estado solido como este :
Relé de estado sólido DC-AC 5V 2A, relé de semiconductor de 4 canales de alto nivel con fusible
Más información: https://www.amazon.es/dp/B07QQMNBJZ/ref=cm_sw_em_r_mt_dp_U_nppDEbCX7QKPA
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This pump gives 6,200 l/h, so we can know the limit at which it can work:
6,200 / 60 = 103.3 liters / minute
103.3 litre minute / 4.5 litres per breath = 22 cycles per minute
We can use this pump by warning that the maximum frequency will be 10 - 12 breaths per minute from this ventilator or we can use several pumps and increase the frequency of the ventilator.
In the video I show you, you will see that the frequency is very slow, it fills up and empties out very slowly. I did not find at that time a pump with more flow :-( . But to make the video and show the correct functioning of this type of respirator based on water exchange has been enough.
We have to be careful when calculating the pump because we have to think that it has to enter into the reservoir of inspiration, so when we choose it we have to see its dimensions to know if it enters into the reservoir.
The pumps work in my case at 220 V so I have connected them as shown in the diagram, from the two wires of the plug, one to a relay and the other wire to one of the poles of the plug.
The other terminal of the relay, of the part of alternating current, is connected to the other pole of the plug, closing the circuit. Be careful, this is alternating current and can "scare" you.
To guarantee the durability and that it can withstand frequent cuts and switch-ons, I have used a solid state relay like this one:
DC-AC 5V 2A solid state relay, 4 channel high level semiconductor relay with fuse
More information: https://www.amazon.es/dp/B07QQMNBJZ/ref=cm_sw_em_r_mt_dp_U_nppDEbCX7QKPA
Que sin problema te aguanta una carga de 440W de bomba.
Control. Puedes utilizar el dispositivo que quieras para realizar el control, Si eres un maker, usa una placa de arduino, un esp32, un M5Stack, si conoces PLC’s un Simatic o similar, un Logo, un IOT2020 … , si programas y quieres usar una Raspberry….. Usa el dispositivo con el que más cómodo te encuentres, pero lo que tienes que tener muy en mente es que quien va a usar el respirador te va a hablar en términos que nada tienen que ver con lo que tu utilizas, así que lo mejor es que pienses en hacer un interfase hombre - máquina que permita ajustar fácilmente el tiempo de la respiración y/o el volumen de aire.
Pido disculpas a David Cuartielles y a Massimo Banzi por haber utilizado en el video un M5Stack en lugar de un Portenta H7 u otra placa arduino original, necesitaba hacerlo rápido con una pantalla y lo conozco lo suficiente como para poder hacer programación simultanea en sus dos nucleos. Sin su enorme trabajo en Arduino no habría podido desarrollar esto tan rápido, por lo que les doy las gracias a ellos y a su equipo .
El programa que se ha de hacer es muy simple, son tres temporizadores que activan dos salidas digitales.
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Which can easily handle a 440W pump load.
Control. You can use the device that you want to make the control, if you are a maker, uses a arduino plate, an esp32, a M5Stack, if you know PLC's a Simatic or similar, a Logo, an IOT2020 ... , if you program and you want to use a Raspberry... Use the device that you are most comfortable with, but what you have to keep in mind is that whoever is going to use the respirator is going to talk to you in terms that have nothing to do with what you are using, so it is best to think about making a man-machine interface that allows you to easily adjust the breathing time and/or air volume.
I apologize to David Cuartielles and Massimo Banzi for having used in the video an M5Stack instead of a Portenta H7 or another original arduous board, I needed to do it fast with a screen and I know it well enough to be able to do simultaneous programming in its two cores. Without their hard work in Arduino I would not have been able to develop this so fast, so I thank them and their team.
The program to be done is very simple, it is three timers that activate two digital outputs.
El tiempo D en segundos , o mejor (60/D) es igual al número de ciclos o respiraciones por minuto que se ha de usar.
A es el tiempo en segundos que se ha de insuflar el volumen elegido. B el tiempo en segundos entre inspiración y expiración y C el tiempo en segundos de expiración.
Al comenzar el ciclo, el depósito está vacío del ciclo anterior. Activamos el temporizador A y en ese tiempo se ha de llenar desde la cota 0 el depósito de inspiración, hasta la cota 2.
Te tocará hacer un par de pruebas con todo lleno de agua, recomendación, una regleta con interruptor por si tienes que pararlo de golpe y una fregona porque si te pasa como a mí algo acabará en el suelo....
El tiempo B es una pausa, (opcional, deja que el experto en ventilación elija) y el tiempo C es la expiración, tiempo que aprovecharemos para activar la segunda bomba y retornar el agua al deposito de agua o al deposito de tratamiento.
Para llenar de la cota 0 a la cota 2, en el tiempo indicado, lo mejor es hacer un tren de pulsos PWM en el tiempo B. Tendrás que hacer un par de pruebas para saber cual es el mejor tiempo o ajuste para llenar de una cota a otra en ese tiempo.
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The D-time in seconds , or better (60/D) is equal to the number of cycles or breaths per minute to be used.
A is the time in seconds that the chosen volume is to be inflated. B is the time in seconds between inspiration and expiration and C is the time in seconds of expiration.
At the start of the cycle, the tank is empty from the previous cycle. We activate timer A and in this time we have to fill the tank from level 0 to level 2.
You will have to do a couple of tests with everything full of water, recommendation, a strip with a switch in case you have to stop it suddenly and a mop because if something happens to you like I do, it will end up on the floor...
Time B is a pause, (optional, let the ventilation expert choose) and time C is the expiration, time that we will use to activate the second pump and return the water to the water tank or treatment tank.
To fill from level 0 to level 2, in the indicated time, it is best to make a PWM pulse train in time B. You will have to do a couple of tests to know which is the best time or setting to fill from one level to another in that time.