Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Additiv fremstillingsaktiveret billig partikeldetektor

Published: March 24, 2023 doi: 10.3791/64844
Automatic Translation
1,2, 1, 2, 2
1Silicon Austria Labs, 2Graz University of Technology

Summary

Her præsenterer vi en protokol for, hvordan man bygger og tester en enkel, men effektiv billig partikeldetektor.

Abstract

Da partikler med en størrelse på 1 μm eller mindre udgør en alvorlig sundhedsrisiko for menneskekroppen, er detektion og regulering af partikelemissioner af stor betydning. En stor del af partikelemissionerne udledes af transportsektoren. De fleste af de kommercielt tilgængelige partikeldetektorer er omfangsrige, meget dyre og har brug for ekstra udstyr. Dette papir præsenterer en protokol til opbygning og test af en selvstændig partikeldetektor, der er lille og omkostningseffektiv.

Fokus for dette papir ligger i beskrivelsen af den detaljerede konstruktionsmanual med video og sensorevalueringsproceduren. Den computerstøttede designmodel af sensoren er inkluderet i det supplerende materiale. Manualen forklarer alle konstruktionstrin, fra 3D-udskrivning til den fuldt operationelle sensor. Sensoren kan detektere ladede partikler og er derfor velegnet til en lang række applikationer. Et muligt anvendelsesområde ville være soddetektion fra kraftværker, skovbrande, industrier og biler.

Introduction

Indånding af partikler med en størrelse på 1 μm eller mindre udgør en høj risiko for sundhedsskadelige virkninger på menneskekroppen. Med stigende miljøforurening fra forbrændingsprocesser vokser luftvejssygdomme i befolkningen 1,2,3. For at fremme sundheden og modvirke forurening er det nødvendigt først at identificere forureningskilderne og kvantificere forureningsgraden. Dette kan gøres med eksisterende partikeldetektorer. Disse er imidlertid store og meget ofte alt for dyre til private eller borgervidenskabelige formål.

Mange af de kommercielt tilgængelige partikeldetektorer er omfangsrige, meget dyre og kræver ekstra udstyr, der skal betjenes4. De fleste af dem har også brug for flere aerosolkonditioneringstrin. For eksempel er fortynding nødvendig for detektorer, der bruger lysspredning som måleprincip, og måleområdet er begrænset af bølgelængden 5,6,7. Partikeldetektorer, der bruger laserinduceret glødning som detektionsprincip, har brug for både laserkilder med høj energi og et energiforbrugende kølesystem8.

Partikeldetektorer, der bruger kondensationspartikeltællere, bruges normalt som guldstandard til måling af partikelkoncentration; Disse har brug for forkonditionering, fortynding og arbejdsvæsker (f.eks. Butanol)9,10,11. Fordelene ved en elektrostatisk sensor ligger i det enkle og kompakte design og de lave fabrikationsomkostninger. I sammenligning med kondensationspartikeltællere skal der dog foretages betydelige fradrag med hensyn til nøjagtighed.

En elektrostatisk sensor repræsenterer et alternativ til disse metoder. Elektrostatiske sensorer kan være robuste, lette, billige at fremstille og kan betjenes uden tilsyn. Den enkleste form for en elektrostatisk sensor er en parallel pladekondensator med et højt elektrisk felt mellem pladerne. Når aerosol transporteres ind i højspændingsområdet mellem de to kobberelektroder, aflejres naturligt ladede partikler på elektroderne med forskellig polaritet12 (figur 1).

Dendritter dannes på overfladen af elektroderne i retning af feltlinjerne for den påførte højspænding mellem elektroderne og oplades via kontaktopladning. Fragmenter af disse dendritter bryder til sidst elektroderne af og deponeres igen på elektroden med modsat polaritet og overfører deres ladning. Disse fragmenter bærer et stort antal afgifter. Fordi elektroden er jordforbundet, genererer den aflejrede ladning en strøm, der fører til et spændingsfald ved bænkmultimeterets indre modstand. Jo oftere dette sker pr. Tidsenhed, jo højere strøm, og følgelig jo højere spændingsfald (figur 2).

På grund af den høje spænding, der induceres af fragmenternes ladningsaflejring, er der ikke behov for yderligere forstærkerelektronik. Dannelsen af dendritafbrydende partikler og den efterfølgende ladningsfrigivelse af disse partikler repræsenterer en naturlig signalforstærkning12. Det resulterende sensorsignal er proportionalt med partikelmassekoncentrationen. Dette signal kan detekteres med et off-the-shelf bench multimeter.

Figure 1
Figur 1: Sensorskemaer. Aerosol strømmer ind i aerosolindløbet, formeres gennem venstre strømningskanal og når derefter mellemrummet mellem højspændingselektroden (indre elektrode) og måleelektroden (ydre elektrode). Der bidrager partiklerne til dendritvækst og, som tidligere forklaret, afbrydelse, hvilket genererer sensorresponsen. Derefter strømmer partiklerne videre gennem den højre strømningskanal og efterlader sensoren ved aerosoludløbet. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 2
Figur 2: Fysisk princip. Positivt og negativt ladede partikler såvel som neutrale partikler kommer ind i mellemrummet mellem elektroderne med modsat polaritet. De omdirigeres af de elektriske feltlinjer til elektroden med modsat polaritet og deponerer deres ladning der. Derefter bliver de en del af en dendrit og overtager ladningen af den respektive elektrode. Felttætheden er højest ved dendritspidsen, hvor flere partikler er fanget. Når trækkraften overstiger bindingskræfterne, bryder segmenter af dendritterne af, som igen rammer den modsatte elektrode og deponerer deres ladninger. Klik her for at se en større version af denne figur.

Med et cylindrisk design, som i Warey et al.10, kan sandsynligheden for, at der dannes sodbroer, minimeres. Yderligere oplysninger om sensorgeometri, anvendt spænding, gasstrømningshastighed og partikelkoncentration kan findes der. De foreslår korrelation mellem sensorsignalet og partikler, der strømmer gennem sensoren (ligning 1).

Sensor (V) = 5,7 × 10-5 C V 0 e0,62V × Equation 1 (1)

C er massekoncentrationen af partiklerne, V0 er den påførte spænding, V er udstødningshastigheden, L er elektrodelængden, og S er elektrodegabet13.

Bilby et al. fokuserede på den detaljerede undersøgelse af den underliggende fysiske effekt af den elektrostatiske sensor9. Disse undersøgelser omfattede en optisk tilgængelig opsætning og en kinetisk model til forklaring af signalforstærkningen af den dendritbaserede sensor (se ligning 2 og 3).

Equation 2(2)

Equation 3(3)

S repræsenterer en stak sodskiver på 10-100 sodagglomerater med en størrelse på 50-100 nm; D n repræsenterer en dendrit medn diske; Br betegner et break-off fragment sammensat af f diske; S og ki er hastighedskonstanter12.

Dette papir præsenterer en protokol om, hvordan man bygger og tester en enkel, men effektiv billig partikeldetektor, der kan bruges til høje partikelkoncentrationer uden yderligere udstyr. Tidligere arbejde med denne type elektrostatisk sensor har for det meste fokuseret på udstødningsmålinger. I dette arbejde anvendes laboratoriegenererede sodpartikler som testaerosoler. Den beskrevne sensor er baseret på 'tidligere arbejde fra Warey et al. og Bilby et al12,13.

Sensorhuset består af et stereolitografibaseret 3D-printet hus, koaksiale elektroder skåret af kobberrør, en vakuumpakning og en vakuumklemme. Materialer som vakuumpakning, kabel, kobberrør og 3D-harpiks til en sensor koster mindre end € 40. Det ekstra udstyr, der er nødvendigt, er en højspændingskilde, et USB-bænkmultimeter og en loddestation. For at evaluere sensoren kræves der også en defineret aerosolkilde og et referenceinstrument én gang (se materialetabellen). Størrelsen på sensoren beskrevet i denne protokol er 10 cm x 7 cm. Denne størrelse blev valgt specifikt til eksperimentet og kan stadig reduceres betydeligt (se modifikationer/sensordimensioner i diskussionen).

Denne protokol beskriver, hvordan man bygger, tester og bruger en simpel billig partikelsensor. Et skema over protokollen er vist i figur 3-begyndende med 3D-print af sensorskroget og elektrodefremstillingen, samlingen af sensoren samt test og et eksempel på feltanvendelse af sensoren.

Figure 3
Figur 3: Skematisk for metoden. Protokollen er opdelt i fire hovedtrin. Først udskrives alle dele til sensorhuset. Derefter fremstilles elektroderne. I det tredje trin samles det 3D-printede sensorhus med elektroderne og vakuumpakningen. I det sidste trin evalueres sensorens ydeevne. Klik her for at se en større version af denne figur.

De vigtigste trin i 3D-printprocessen er vist i figur 4. Først vælges de rigtige udsnitsindstillinger for udskriften. Derefter diskuteres de vigtigste dele af printet og forbehandlingen af den 3D-printede model. Til dette trin er der brug for en harpiks 3D-printer med et isopropanolbad og UV-hærdningsanordning og en lige slibemaskine.

Figure 4
Figur 4: Skematisk over 3D-print. (A) Slicer 3D-modellen er afbildet; (B) printeren under udskrivningsprocessen. Trin til efterbehandling: (C) skylning og (D) UV-hærdning. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figur 5 viser de vigtigste trin i elektrodefremstillingen: formgivningen af elektroderne samt lodningen af kontakten til elektroderne. Til dette trin er der brug for to kobberrør med forskellige diametre, en tykkelse, en rørskærer, en lige kværn, en skruestik, en loddestation og loddedåse, isolerede kabler med to forskellige farver, termiske beskyttelseshandsker og en trådskærer.

Figure 5
Figur 5: Fremstilling af elektroder . (A) Måling, (B) skæring, (C) afgratning og (D) lodning af elektroderne. Klik her for at se en større version af denne figur.

Monteringsafsnittet i protokollen forklarer, hvordan sensoren er samlet. De vigtigste sensordele er afbildet i figur 6, nemlig den ydre elektrodeholder, flowkanalen og den indre elektrodeholder. Figur 7 viser de vigtigste trin i sensorenheden. Til dette trin er epoxylim, beskyttelsesbeklædning, vakuumtætning, vakuumklemme, sikkerhedsbriller og handsker nødvendige.

Figure 6
Figur 6: Sensordele . (A) Den ydre elektrodeholder, (B) flowkanal og (C) den indre elektrodeholder. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 7
Figur 7: Sensorsamling. Alle trin i sensorenheden vises. A-E viser samlingen af den ene halvdel af sensoren. (A) Den indre elektrodeholder limes på strømningskanalen. (B) Den indre elektrode anbringes på den indre elektrodeholder. (C) Den ydre elektrode placeres i den ydre elektrodeholder. (D) Den ydre elektrodeholder limes på strømningskanalen + den indre elektrodeholderenhed. (E) Vakuumforseglingen klikker ind i den ydre elektrode på den ene sensorhalvdel og klikker derefter ind i (C), den identiske anden ydre elektrode i den anden sensorhalvdel. Klik her for at se en større version af denne figur.

Testafsnittet forklarer, hvordan eksperimentet opsættes til at sammenligne den nybyggede sensor med et referenceinstrument. Til dette trin er der brug for et bænkmultimeter, vakuumpumpe, højspændingsforsyning, aerosolgenerator, fortyndingsbro, aerosolrør, Y-montering, en massestrømsregulator (MFC), en aerosolblander, et referenceinstrument og en vatpind.

Protocol

1.3D udskrivning

  1. Indstillinger for udsnitsværktøj
    1. Åbn alle ".stl"-filer med slicer-softwaren, og placer sensordelene på platformen (se supplerende fil 1, supplerende fil 2, supplerende fil 3, supplerende fil 4, supplerende fil 5 og supplerende fil 6).
    2. For et godt udskrivningsresultat skal du vippe alle delene i forhold til platformen.
    3. Generer støttepunkter med en tæthed på 0,8 og en punktstørrelse på 0,4 mm.
    4. Vælg Clear V4 med en lagtykkelse på 50 μm.
  2. Start udskrivningen.
    1. Overfør udsnitsoutputfilen på 3D-printeren.
    2. Se efter udskrivningstiden og harpiksvolumenerne, der vises på skærmen. Indsæt den klare V4-tank og harpikspatron, fastgør monteringsplatformen, og åbn patronlåget. Tryk på Start på printeren.
  3. Øjeblikkelig efterbehandling
    1. Når udskrivningen er færdig, skal du åbne printeren og afmontere monteringsplatformen.
      BEMÆRK: Dette trin kan kun udsættes, hvis det er sikkert, at modellen forbliver under printerens UV-beskyttelsesskærm (se kritiske trin/efterbehandling af udskrivning i diskussionen).
    2. Skræl forsigtigt alle dele fra platformen og læg dem i et isopropanolbad.
    3. Flyt delene konstant i 20 min.
    4. Tag delene ud hvert 5. minut og skyl alle små huller og huller grundigt.
  4. UV-hærdning
    1. Tør delene, inden du starter hærdningsprocessen.
    2. Skyl alle små huller og huller med trykluft.
    3. Anbring delene i UV-hærdningsanordningen, og hærd dem i 50 minutter ved 40 °C.
      BEMÆRK: Denne indstilling adskiller sig fra producentens anbefalede tørretid og temperatur (se kritiske trin/efterbehandling af udskrivning i diskussionen).
  5. Efterbehandling
    1. Kontroller, at alle hulrum og huller er åbne.
    2. Hvis en sti er tilstoppet, skal du bore eller skrabe den med den lige kværn.
    3. Kontroller, at alle de trykte dele passer korrekt, og at kobberrørene kan indsættes. Hvis de ikke kan, så slib dem ned.

2. Fremstilling af elektroder

  1. Mål 9 mm fra toppen af 18 mm og 22 mm kobberrørene, og markér disse positioner.
  2. Skær rørene med rørskæreren ved markeringerne.
    BEMÆRK: Sørg for ikke at bruge for meget kraft under processen. Det tager flere omgange at skære igennem rørene (se kritiske trin/elektrodefremstilling i diskussionsafsnittet).
  3. Afgrater kobberringen forsigtigt. Læg ikke for meget pres på kobberringen under afgratning, og prøv ikke at ridse elektrodeoverfladen.
    BEMÆRK: Dette er en meget kritisk del og påvirker sensorens ydeevne (se kritiske trin/elektrodefremstilling og modifikationer/elektroder i diskussionsafsnittet).
  4. Elektrode lodning
    1. Lod det røde kabel til den indre kobberring (18 mm) og det sorte kabel til den ydre kobberring (22 mm).
    2. Poler kobberringen for at slippe af med det oxiderede kobberlag på overfladen.
    3. Klem ringen i en skruestik.
    4. Pre-tin både kobberringen og kablet og lod kablet til ringen.
      FORSIGTIG: På grund af lodningen opvarmes kobberelektroderne op til 400 °C. Rør kun ved elektroderne med pincet, og brug termobeskyttende handsker.

3. Samling

  1. Bland de to komponenter i epoxylimmen i en bakke.
    BEMÆRK: Det er meget vigtigt at bruge gennemsigtig lim til at skelne mellem sodbroer og hærdet lim.
    FORSIGTIG: Arbejd under en stinkhætte, brug beskyttelsestøj (især handsker) og rengør arbejdsflader. Yderligere sikkerhedsinstruktioner findes i sikkerhedsdatabladet. Sundhedsfare: "Skin Corr. 1C - H314 Eye Dam. 1 - H318 Hud Sens. 1 - H317".
  2. Sæt den indre elektrodeholder i flowkanalen, og vent 60 minutter på, at limen hærder (figur 7A).
  3. Placer den indre elektrodering (18 mm) på holderen, og før kablet gennem kabelkanalen (figur 7B).
    BEMÆRK: Sørg for, at der er plads nok til loddepunktet.
  4. Placer afstandsstykket omkring den indre elektrode.
    BEMÆRK: Dette er et meget kritisk skridt. Hvis afstanden mellem elektroderne ikke er nøjagtigt 1 mm overalt i hele sensoren, kan det elektriske felt og efterfølgende sensorens ydeevne påvirkes (se kritiske trin/elektrodefremstilling i diskussionen).
  5. Placer den ydre elektrodering (22 mm) på holderen, og før kablet gennem kabelkanalen (figur 7C).
  6. Lim den ydre elektrodeholder på strømningskanalen. Indsæt afstandsstykket i mellemrummet mellem de to kobberelektroder. Vent 60 minutter på, at limen hærder (figur 7D).
  7. Forsegl alle kabelkanaler med epoxylim. Vent natten over på, at limen hærder.
  8. Indsæt vakuumforseglingen i den trykte ventil på den ydre elektrode. Indsæt de to sensorsider i hinanden, og fastgør dem med vakuumklemmen (figur 7E, F).

4. Prøvninger

  1. Åbn sensorens vakuumklemme.
  2. Træk sensorens to halvdele fra hinanden, og fjern forseglingen.
  3. Derfra skal du røre elektroderingen med den ene multimetersondespids og enden af kablet, der fører til elektroden med den anden multimeterspids.
  4. Fortest
    1. Test den elektriske forbindelse af elektroden og kablet med multimeteret. Kontroller, om modstanden er <2 Ω (afhængigt af oxidationsniveauet).
    2. Sæt slangen i aerosolindløbet og -udløbet, og test, om sensoren er lufttæt med vakuumpumpen.
  5. Parallelt eksperiment
    1. Byg sensoropsætningen i henhold til figur 8.
      1. Tilslut højspændingsstrømforsyningen til det røde sensorkabel (højspændingselektrode).
      2. Tilslut det sorte sensorkabel til bænkens multimeterspændingsindgang.
      3. Tilslut elektrometerjorden (GND) med strømforsyningen GND.
      4. Tilslut multimeterets USB-kabel til pc'en.
    2. Inkorporer sensoren i aerosolmålingsopsætningen. ifølge figur 9.
    3. Aerosol generator
      1. Gasforsyninger: Tænd for kappestrømmen, nitrogen- og propanforsyningen (nødvendigt tryk: nitrogen, 4 bar; andre gasser, 1 bar hver).
      2. Strømkilde: Tilslut 24 V-kildekablet til de indbyggede MFC'er, og tilslut USB'en til pc'en.
      3. Software: Åbn MFC-softwaren, og indsæt det korrekte COM-portnummer. Søg efter enheder: Hvis der vises fem enheder (for fem forskellige MFC'er), skal du klikke på Stop søgning. Indtast startbetingelserne i henhold til aerosolgeneratorens brugervejledning: 10 ml / min propan, 1,55 l / min oxidationsluft, 7 l / min dæmpningsgas, 20 l / min fortyndingsluft.
      4. Start aerosolgeneratoren (se materialetabellen) ved at dreje på ON-OFF-knappen. Når knappen er tændt, er nitrogenindikatoren tændt, hvilket indikerer, at alle strømningsveje er åbne. Hold flammesikkerhedsanordningen, og tryk på tændingsknappen på aerosolgeneratoren; observer en flamme i forbrændingskammervinduet. Slip flammesikkerhedsanordningen efter ~60 sek. meget langsomt.
      5. Indtast følgende massestrømme: 60 ml / min propan, 1,55 l / min oxidationsluft, 7 l / min nitrogen (dæmpning) og 20 l / min fortyndingsluft for at indstille de korrekte størrelsesfordelingsparametre.
        FORSIGTIG: Tilslut kun generatoren til resten af opsætningen, hvis der skal foretages målinger inden for de næste minutter; Ellers vil filtrene på fortyndingsbroen tilstoppe hurtigt.
    4. Tilslut fortyndingsbroen til aerosolgeneratoren. Afbryd forbindelsen igen, og afled aerosolstrømmen til damphætten indtil eksperimentets start. Sørg for, at fortyndingsbroen er lukket, før eksperimentet påbegyndes.
    5. Tilslut fortyndingsbroens udløb til aerosolblanderens indløb.
    6. Tilslut aerosolblanderens udgang 2 (se figur 9E) til sensorindgangen.
    7. Indarbejd MFC'en.
      1. Tilslut et højeffektivt partikelabsorberende filter (HEPA) til sensorudgangen, og tilslut sensorudgangen til MFC-indgangen.
      2. Tilslut strømforsyningen til MFC'en, og tilslut USB til pc'en.
    8. Åbn MFC-softwaren, og indtast det korrekte COM-portnummer.
      1. Søg efter enheder.
      2. Klik på stop søgning?.
      3. Indtast massestrømmen som 1 L/min.
    9. Referenceinstrument (se materialefortegnelsen)
      1. Tilslut LAN-kablet til pc'en, og åbn en forbindelse til referenceinstrumentets IP-adresse i browseren for at åbne et java-program til styring af referenceinstrumentet.
      2. I referenceinstrumentstyringssoftwaren skal du trykke på låseressourcer | standby for at starte pumpen.
        BEMÆRK: Opvarmningsprocessen tager ~ 20 min.
      3. Efter opvarmningsfasen skal du klikke på måling for at måle aerosolen, der kommer ind i referenceinstrumentet.
      4. Vælg et fortyndingsforhold på 1:10 på referenceinstrumentet.
      5. Brug en y-fitting til at forbinde aerosolblanderens udgang 1 (se figur 9D) og fortyndingsluftstrømmen til den delte ende af y-tilpasningen (se figur 9C), og tilslut den ene ende af y-tilpasningen til referenceinstrumentets indtag.
        BEMÆRK: Disse to flow kombineres derefter i den enkelte ende af y-tilpasningen.
    10. Start af eksperiment
      1. Tilslut aerosolgeneratoren til fortyndingsbroen igen, og sørg for, at fortyndingsbroen er lukket.
      2. Klik på måling på referenceinstrumentet.
      3. Fortyndingsbroen åbnes langsomt, indtil den ønskede aerosolmassekoncentration på 3-5 mg/m3 er nået, og begynder at logge data på referenceinstrumentet.
      4. Overhold referenceinstrumentets partikelmassekoncentration. Når aerosolkilden er stabil, skal du tænde sensorens strømforsyning ved 1.000 V og begynde at logge dataene.
        BEMÆRK: Hvis koncentrationen ikke er stabil, skal du se fejlfinding i diskussionsafsnittet.
    11. Indsaml data fra bænkmultimeteret med en læsekommando på konsollen eller et automatiseret script.
      BEMÆRK: Når sensorstrømmen er stabiliseret (ca. 5 min), er det muligt at sammenligne referenceinstrumentet med sensorstrømmen.
      FORSIGTIG: Hvis sensorstrømmen stiger hurtigt over 10-7 A (svarende til 0,1 V med en intern modstand på 1 MΩ), skal du slukke for højspændingskilden (se fejlfinding i diskussionsafsnittet).
    12. Parallel måling: Når sensoren er i ligevægt, måles en koncentrationsgradient i trin fra 5 mg/m3 til 0,2 mg/m3ved at justere fortyndingsbroen i overensstemmelse hermed.
      BEMÆRK: Når der anvendes højere koncentrationer, skal referenceinstrumentets fortyndingsforhold øges.
  6. Rengør sensoren med trykluft og en vatpind før hver ny måling.

5. Anvendelse i marken

  1. Byg sensoropsætningen i henhold til figur 8.
    1. Tilslut højspændingsstrømforsyningen til det røde sensorkabel (højspændingselektrode).
    2. Tilslut det sorte sensorkabel til bænkens multimeterspændingsindgang.
    3. Tilslut elektrometeret GND med strømforsyningen GND.
    4. Tilslut multimeterets USB-kabel til pc'en.
  2. Inkorporer sensoropsætningen i den nye måleopsætning i henhold til figur 10, og tilslut aerosolkilden med sensoren.
  3. Opdel den udstrømmende partikelstrøm fra aerosolkilden i sti A) sensoropsætning og sti B) ventilation.
    1. MFC eller pumpe: Brug en MFC til at føre prøven gennem sensoren.
    2. Brug et HEPA-filter opstrøms for MFC'en. Tilslut strømforsyningen til MFC'en, og tilslut USB til pc'en.
    3. Følg trin 4.5.8 for parallel måling.
  4. Start af felteksperiment: Sørg for, at aerosolkilden er tilsluttet sensorindgangen.
  5. Tænd for sensorens strømforsyning, og begynd at logge data.

Figure 8
Figur 8: Opsætning af sensor. Et diagram over sensoropsætningen. Aerosol strømmer gennem sensoren. Sensoren er forbundet til voltmeteret og en højspændingsforsyning. Voltmeteret styres af en styreenhed, der logger sensordataene. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 9
Figur 9: Forsøgsplan for sensorevaluering. En stabil aerosolkilde bruges til at efterligne en partikelkilde. Den udstrømmende partikelstrøm er opdelt i sti (A), sensoropsætning; og sti (B), ventilation, kommer ind i fortyndingsbroen og fordeles yderligere til en aerosolblander. Efter blanderen deles aerosolstrømmen mellem en referenceinstrumentbane (D), som måler parallelt med sensoren. Dette referenceinstrument har brug for fortyndingsluft, som fordeles gennem sti (C). Sti (E): En MFC trækker luft gennem sensoren. Denne MFC er beskyttet mod aerosolstrømmen med et HEPA-filter. Forkortelser: MFC = massestrømsregulator; HEPA-filter = højeffektivt partikelabsorberende filter. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 10
Figur 10: Feltforsøg: forsøgsplanen. I denne opsætning måles en aerosolkilde. Den udstrømmende partikelstrøm opdeles i sti A) sensoropsætning og sti B) ventilation og kommer derefter ind i sensoren. I denne opsætning suger en MFC med et HEPA-filter opstrøms aerosolen gennem sensoren. Forkortelser: MFC = massestrømsregulator; HEPA-filter = højeffektivt partikelabsorberende filter. Klik her for at se en større version af denne figur.

Representative Results

Den nøjagtige korrelation mellem sensorsignalet og partikelmassen varierer afhængigt af partikelladningsfordeling og størrelsesfordeling samt aerosolsammensætningen. Derfor skal sensoren kalibreres til en bestemt applikation med et referenceinstrument. Dette afsnit forklarer, hvordan du sammenligner den nybyggede sensor med et referenceinstrument.

Sensorens startfase tager ca. 5-10 minutter afhængigt af den valgte partikelkoncentration. I startfasen øges sensorsignalet markant, mens sensoren udsættes for en konstant partikelkoncentration. Efter startfasen stabiliseres sensorsignalet. På dette stadium nås en ligevægtstilstand for akkumulering og fragmentering af dendritter, og sensorsignalet er derefter proportionalt med den indkommende sodkoncentration. Efter denne initialiseringsfase er sensoren klar til at måle eventuelle ændringer i aerosolkoncentrationen.

Måledataene vist i figur 11 starter fra det øjeblik, sensoren er i ovennævnte ligevægtstilstand. For at beregne sensorstrømmen i ampere skal de indsamlede data i volt divideres med værdien af intern modstand for at opnå den korrekte strømværdi.

Den lodrette akse viser sensorsignalet i ampere, og den vandrette akse viser aerosolkoncentrationen målt af referenceinstrumentet i mg/m3. En lineær pasform med dens repræsentative parametre er også angivet i plottet. Den høje usikkerhed ved de målte data skyldes den høje dynamik ved justering af koncentrationen med fortyndingsbroen. De lineære tilpasningsparametre er enR2-værdi på 0,80, et skæringspunkt på -0,53 nA og en hældning på 2,80 nAm3/mg med en standardafvigelse på 1,4 nA.

Figure 11
Figur 11: Positive resultater. Sensorsignalet afbildes på den lodrette akse i ampere, mens partikelkoncentrationen målt af referenceinstrumentet i mg/m3 afbildes på den vandrette akse. Derudover tilføjes en lineær pasform med de vigtigste parametre til plottet. De lineære tilpasningsparametre er enR2-værdi på 0,80, et skæringspunkt på -0,53 nA og en hældning på 2,80 nAm3/mg. Klik her for at se en større version af denne figur.

Der er også mulighed for, at partikler tilstopper stien mellem elektroderne, i hvilket tilfælde ledende sodbroer dannes mellem elektroderne. Fordi sod er et ledende materiale, danner disse sodbroer en kortslutning mellem elektroderne. Det målte signal stiger hurtigt med stigende tykkelse af den ledende vej, op til det punkt, hvor spændingen bliver så høj, at voltmeteret kan blive beskadiget. Et eksempel på et forsøg med dannelse af sodbroer kan ses i figur 12. Signalet stiger i meget stejle spring/trin og stopper eller flader ikke ud. Dendritter dannes heller ikke længere, og sensoren er ikke længere i ligevægt. I dette tilfælde skal højspændingskilden straks slukkes, sensoren skal rengøres, og en ny måling skal startes.

Figure 12
Figur 12: Negativt resultat. Der er opstået en kortslutning under målingen. Sensorsignalet i ampere afbildes på den lodrette akse, og måletiden afbildes på den vandrette akse. Sensorsignalet fortsætter med at stige uden begrænsning. Klik her for at se en større version af denne figur.

Hvis der vises en flad linje, og sensorstrømmen slet ikke stiger til en værdi over 1 nA, skal du følge fejlfindingsvejledningen i diskussionsafsnittet. Sensoren skal til enhver tid være i ligevægtstilstand for at måle den indkommende aerosol nøjagtigt; Der skal derfor tilvejebringes en tilstrækkelig høj indledende aerosolkoncentration ved forsøgets begyndelse.

Supplerende fil 1: Denne fil repræsenterer CAD-filen (Computer-Aided Design) til udskrivning af flowkanalen afbildet i figur 7A med huller til kablet. Klik her for at downloade denne fil.

Supplerende fil 2: Denne fil repræsenterer CAD-filen til udskrivning af flowkanalen afbildet i figur 7A uden huller. Klik her for at downloade denne fil.

Supplerende fil 3: Denne fil repræsenterer CAD-filen til udskrivning af den indre elektrodeholder, der er afbildet i figur 7A. Klik her for at downloade denne fil.

Supplerende fil 4: Denne fil repræsenterer CAD-filen til udskrivning af den ydre elektrodeholder, der er afbildet i figur 7C (højre). Klik her for at downloade denne fil.

Supplerende fil 5: Denne fil repræsenterer CAD-filen til udskrivning af strømningskanalen uden huller afbildet i figur 7C (venstre). Klik her for at downloade denne fil.

Supplerende fil 6: Denne fil repræsenterer CAD-filen til udskrivning af elektrodeafstandsstykket. Klik her for at downloade denne fil.

Discussion

Kritiske trin
Udskriv efterbehandling
Næsten ethvert trin i denne protokol kan sættes på pause eller udsættes, bortset fra efterbehandling af de nytrykte 3D-dele (protokoltrin 1.5). Hvis printerens UV-beskyttelsesskærm åbnes, skal efterbehandlingen begynde med det samme, ellers vil de små kabelkanaler samt hulrummet til tætningen tilstoppe. Hulrummets præcisionstilpasning sikrer, at sensoren kan forsegles lufttæt. Dette er vigtigt, fordi sensoren er meget følsom over for flowudsving. Hærdningsprocessen er også vigtig (protokoltrin 1.4); Hvis temperaturen er indstillet for højt, bliver materialet for sprødt og kan gå i stykker under de kræfter, som klemmen udøver på den ydre elektrodeholder.

Fremstilling af elektroder
Omhyggelig skæring og afgratning (protokoltrin 2.2-2.3) af elektroderne er meget vigtig, fordi uregelmæssigheder i elektrodegabet forårsager forstyrrelser i de elektriske felter og hastighedsfelterne, hvilket fører til dårlig sensorydelse. I værste fald kan en stærk uregelmæssighed få elektroderne til at komme så tæt på, at nedbrydningsspændingen overskrides, og der opstår en kortslutning. Fra dette tidspunkt kan der ikke siges noget om målesignalet, og måleelektronikken er tilbøjelig til at blive beskadiget.

Forsamling
Montering af sensoren (protokoltrin 3.4-3.6) er afgørende, da dette skaber elektrodegabet. Som nævnt ovenfor er afstanden mellem elektroderne meget vigtig; Dette mellemrum skal være ensartet 1 mm over hele længden. Disse trin er vigtige, fordi de kan ændre det elektriske felt i sensoren drastisk. Den samlede aflejringsadfærd såvel som dendritdannelse kan påvirkes af ændringen i det elektriske felt. Det kan således ikke længere garanteres, at sensorresponsen er lineær i forhold til den indkommende aerosol. Det værst tænkelige scenarie med en kortslutning gælder også her.

Ændringer
3D-udskrivning
Andre mulige ændringer er brugen af forskellige 3D-printharpikser. Der er mange forskellige harpikser på markedet, der kan ændre densiteten, fleksibiliteten, temperaturmodstanden og styrken af sensorhuset.

Sensorens dimensioner
Det første designkriterium for sensoren er en sikkerhedskonfiguration. Den dielektriske styrke af luft mellem elektroderne er 3 mm / kV. Denne længde må under ingen omstændigheder underskrides. Jo højere det elektriske potentiale er, desto flere partikler deponeres, og disse aflejrede partikler er derefter tilbøjelige til at danne dendritter. Elektrodernes dimensioner blev valgt, så let tilgængelige standardkomponenter kan bruges. Design af lignende sensorer, der er kendt af forfatterne, brugte følgende dimensioner til en flad sensor: 9 mm bredde, 2 mm længde, 1 mm mellemrum og 15 mm længde med en diameter på 8,5 mm og mellemrum på 1,3 mm til et cylindrisk design12,13. Derudover skal det sikres, at sensoren kan fremstilles manuelt på et normalt værksted. Et mellemrum på 1 mm er det absolutte minimumsmellemrum, der stadig gør det muligt at rengøre sensoren manuelt. Her blev 1 kV brugt som et godt kompromis med sikkerhed og effektiv partikelaflejring samt tilgængelighed af spændingskilder i dette område.

Elektroder
Da den nøjagtige afstand på 1 mm mellem sensorelektroderne er så afgørende for ydeevnen, kan der lægges endnu mere udviklingsarbejde i dette trin. For eksempel kan det 3D-printede armatur gøres endnu mere præcist, eller en drejebænk kan bruges i stedet for en simpel rørskærer til skæring og afgratning, hvis udstyret er tilgængeligt. En anden mulighed er at bruge en sav i stedet for en rørskærer. I dette tilfælde skal savens kanter slibes bagefter. Denne metode forårsager mindre deformation end rørskæreren, men tager længere tid. I forhold til epoxylim giver silikone kablerne mere plads til at bevæge sig, og det bliver lettere at omplacere elektroderne. Men da kablerne har mere plads til at bevæge sig, er det sværere at forsegle sensoren. I stedet for vakuumklemmen, som er lettere at åbne på én gang, er et selvfremstillet design også muligt. Her må kun huller til nogle skruer og et hulrum til tætningsledningen ændres i 3D-designet.

MFC
MFC'en bestemmer, hvor meget af aerosolen der suges gennem sensoren; resten skal kunne drænes gennem et overløb med et HEPA-filter placeret i slutningen af overløbet for at undgå forurening af rummet. Ved at vælge en billigere pumpe i stedet for en MFC vil højere flowudsving påvirke sensorsignalet negativt.

Fortyndingsbro
Som det ses i figur 9, kan en fortyndingsbro bygges med en simpel nåleventil parallelt med et eller flere HEPA-filtre. Andre designs inkluderer en lille skruestik til at klemme røret i stedet for nåleventilen. Dette design har den fordel, at røret lettere kan rengøres. Jo flere spoler en sådan skruestik har, jo finere kan koncentrationen justeres. Dette er især vigtigt for kalibreringsmålinger, hvor høj dynamik bør undgås.

Bænk multimeter
Bænkmultimeteret måler en spænding, som skal divideres med værdien af intern modstand for at opnå den korrekte strømværdi. Afhængigt af det valgte måleområde (f.eks. 100 V) kan denne interne modstandsværdi variere (f.eks. 1 MΩ). Det er vigtigt at vælge et defineret område, så den interne modstandsværdi er den samme for alle målte værdier. Hvis "auto range" vælges, skal den interne modstandsværdi også spores.

Fejlfinding
3D-printer
Hvis printeren stopper, skal tanken kontrolleres for rester af den sidste udskrift; Blanderen sidder ofte fast. Man bør observere de første minutter af udskrivningsprocessen. Hvis det er tilstoppet, skyldes det enten, at de korrekte udsnitsindstillinger ikke er indstillet, eller at det friske print ikke er blevet opbevaret under UV-beskyttede forhold før efterbehandling. I udsnitsindstillingerne må ingen støttepunkter blokere flowkanalen og mellemrummet mellem elektroderne, og der skal klikkes på boksen med interne understøtningsstrukturer, før filen sendes til printeren.

Aerosolkilde + fortyndingsbro
Hvis aerosolkilden virker ustabil, skal alle HEPA-filtre kontrolleres for at sikre, at de er i den rigtige position og ikke er tilstoppede. Aerosolgeneratoren såvel som referenceinstrumentet skal også kontrolleres for at sikre, at de er færdige med deres opvarmningsfase.

Sensor
De mest almindelige fejl skyldes en utilstrækkelig strømforsyningsforbindelse, en luftlækage ved sensoren, eller når aflejrede partikler danner sodbroer mellem elektroderne. Først åbnes sensoren for at kontrollere, om der er dannet sodbroer mellem elektroderne. Strømkilden skal være slukket, før sensorkablerne frakobles, og sensoren åbnes. Sodbroer er let synlige for det blotte øje og kan fjernes med lidt indsats. For at fjerne sodbroer er det bedst at bruge en optisk rengøringsklud eller fnugfri vatpind.

En lækage, der ændrer strømningsadfærden i sensoren, samt en lavere spænding ved elektroderne, kan ændre sensorsignalet. Det er ikke muligt på forhånd at sige, hvilke af disse problemer der er ansvarlige for et uventet sensorrespons. Derfor er det vigtigt at kontrollere både tætheden og spændingsstabiliteten som følger. Først kontrolleres forbindelsen fra kablet til elektroderne (protokoltrin 4.4). Derefter kontrolleres spændingskilden for at se, om den leverer de forventede volt. En luftlækage identificeres bedst med lækagespray. Derudover kan tætheden også kontrolleres med en vakuumpumpe, som beskrevet i protokoltrin 4.4.2.

Begrænsninger
Begrænsningen af en elektrostatisk sensor er godt beskrevet af Maricq et al.14. I deres arbejde understreger de vigtigheden af en stabil spændingskilde og et stabilt sensorflow for sensorens ydeevne. Af denne grund skal en opsætning med en MFC eller en pumpe altid bruges til flowregulering, som beskrevet i figur 10. Derudover har sensoren brug for længere tid til at nå ligevægt under den første test. I yderligere forsøg, hvor en stabil dendritpopulation har sat sig på elektroderne, reduceres tiden til at starte sensoren. Det skal dog generelt bemærkes, at sensoren altid har brug for en opstartstid for at blive operationel afhængigt af den oprindelige koncentration.

I modsætning til et fladt design, som i Bilby et al., er sensordrift ikke et stort problem i dette cylindriske arrangement12. Hurtige koncentrationsændringer ved lave partikelkoncentrationer er dog stadig vanskelige at opdage med sensoren. Som angivet af Diller et al. og Maricq et al., for et meningsfuldt målesignal, beregnes den målte værdi i gennemsnit over 2-10 min., afhængigt af hvor meget flowet ændres i eksperimentet14,15.

Med en hældning på 2,8 nAm3/mg og en standardafvigelse på ±1,4 nA er afvigelsen fra regressionslinjen i figur 11 høj. For en bedre forståelse af sensorens nøjagtighed anbefales sammenligning af flere eksperimenter. Ved gentagne forsøg tegner hældningen sig for 3,5 nAm 3 / mg med en standardafvigelse på ±1,0 nA og 4,9 nAm3 / mg med en standardafvigelse på ± 0,6 nA. Derudover giver sensoren en meget høj aflæsning i det øjeblik, spændingskilden tændes. Denne startværdi filtreres ud af måledataene.

Fordelen ved den metode, der præsenteres her, ligger klart i enkelheden, men også i de alsidige muligheder for at tilpasse sensorformen til forskellige behov. Derfor kan sensoren ud over sod detektere en lang række ladede partikler og er velegnet til en lang række applikationer, for eksempel partikeldetektion fra kraftværker, naturbrande, industrier og biler. Dette papir bør være et incitament for agenturer, virksomheder, forskerhold, borgerforskere og alle, der er interesseret i påvisning af partikler, til at reproducere denne enkle sensorkonstruktionsmanual og bygge deres egen partikeldetektor.

Disclosures

Forfatteren er ansat af Silicon Austria Labs og er studerende ved det tekniske universitet Graz. Der er ingen andre interessekonflikter at erklære.

Acknowledgments

Dette arbejde blev finansieret af COMET-centret "ASSIC-Austrian Smart Systems Integration Research Center". ASSIC samfinansieres af BMK, BMDW og de østrigske provinser Kärnten og Steiermark inden for COMET-kompetencecentrene for fremragende teknologier under det østrigske forskningsfremmeagentur (FFG).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Equipment
3D printer Formlabs Formlabs 3
Aerosol Mixer ESSKA 304200812095 95 mm, diameter 8 mm
Aerosol soot generator Jing Aerosol Model 5201 Type C miniCAST
Benchmultimeter Keysight KEYSIGHT 34465A, 0 - 100 V range, 1 MΩ internal resistance
Dilution Bridge Custom built Needel valve and HEPA filter in parallel
High voltage power supply Stanford Research Systems PS350, 5000 V - 25 W
Mas flow controller Vögtlin GSC-C3SA-BB26 Red-y for gas flow, flow range: 0-10 L/min
Refence Instument AVL MSSplus - AVL Micro Soot Sensor
Material
Aerosol tygon tubes Saint Gobain Fluid Transfer AAG00012 Diameter 7 mm
Bidirectional flow control valves series RFO CAMOZZI RFO 383-1/8 P max 10 bar
Connector reduced with barbed fitting ESSKA IQSG120H6000
Copper tube 12 mm Obi 1996602 Diameter 12 mm
Copper tube 18 mm Obi 1499441 Diameter 18 mm
Copper tube 22 mm Obi 1996628 Diameter 22 mm
Cotton swab Chemtronics 48042F 50 m, 1 mm tip
Epoxy glue RS components 132605 RS quick set epoxy
Hepa Nylon Einweg-Inline-Filter Parker 9933-05-BQ Flüssigkeit 5.4SCFM 1/4Zoll, mit G1/4 Anschluss 8,1 bar
Isolated electrical cable Nexans Diameter 2 mm, two different colors red and black
Photopolymer Resin Formlabs 851976006196 1 L  Cartridge - Transparent (Clear)
Soldering tin Stannol 574108
Tefen polymer Y - fitting TEFEN TEF-8357-06-00
Thermal protection gloves As One
Vacuum clamp MISUMI FRNWC40 Clamp
Vacuum seal MISUMI FRNWR40 Centering ring with O-ring seal
Tool
Caliper Starrett DW990
Deburrer Ruko
Gloves BM Polyoo
Isopropanol bath Formlabs FK-F3-01 Form 3 finish kit
PCB vice RS components 221-7531
Pipe cutter Rigid 35S
Safety goggles 3M
Sand paper Mirka Different sandpaper thicknesses 40 - 200
Soldering station Ersa Ersa i-CON 2, 400 °C, 2.2 mm soldering rod
Straight grainder Dremel F013400046 Dremel 4000
UV Hardening device Formlabs FH-CU-01 Form cure
Vacuum pump Mityvac MV8000 Automotive Tune-up and Brake Bleeding Kit
Vise Proxxon NO 28 132 MS4,  Jaw height 10 mm, Max. Clamping width 34 mm
Wire cutter KNIPEX 7712115
Software
MFC software Vögtlin Get red-y
Reference Instument Software AVL Supplied with the device: MSSplus
Slicer software Formlabs Preform Download Link: https://formlabs.com/de/software/

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. World Health Organization. Health Effects of Particulate Matter: Policy Implications for Countries in Eastern Europe, Caucasus and Central Asia. World Health Organization. , (2013).
  2. Giechaskiel, B., et al. Review of motor vehicle particulate emissions sampling and measurement: From smoke and filter mass to particle number. Journal of Aerosol Science. 67, 48-86 (2014).
  3. Giechaskiel, B., et al. Measurement of automotive nonvolatile particle number emissions within the European legislative framework: a review. Aerosol Science and Technology. 46 (7), 719-749 (2012).
  4. Bainschab, M., et al. Measuring sub-23 nanometer real driving particle number emissions using the portable DownToTen sampling system. Journal of Visualized Experiments. (159), e61287 (2020).
  5. Wang, X., et al. A novel optical instrument for estimating size segregated aerosol mass concentration in real time. Aerosol Science and Technology. 43 (9), 939-950 (2009).
  6. Axmann, H., Bergmann, A., Eichberger, B. Measurement of ultrafine exhaust particles using light scattering. 2013 Seventh International Conference on Sensing Technology (ICST). IEEE. , 937-941 (2013).
  7. Bermúdez, V., Luján, J. M., Serrano, J. R., Pla, B. Transient particle emission measurement with optical techniques. Measurement Science and Technology. 19 (6), 065404 (2008).
  8. Michelsen, H. A., Schulz, C., Smallwood, G. J., Will, S. Laser-induced incandescence: Particulate diagnostics for combustion, atmospheric, and industrial applications. Progress in Energy and Combustion Science. 51, 2-48 (2015).
  9. Giechaskiel, B., Cresnoverh, M., Jörgl, H., Bergmann, A. Calibration and accuracy of a particle number measurement system. Measurement Science and Technology. 21 (4), 045102 (2010).
  10. Kulkarni, P., Baron, P. A., Willeke, K. Aerosol Measurement: Principles, Techniques, and Applications. , Wiley. Hoboken, NJ. (2011).
  11. Agarwal, J. K., Sem, G. J. Continuous flow, single-particle-counting condensation nucleus counter. Journal of Aerosol Science. 11 (4), 343-357 (1980).
  12. Bilby, D., Kubinski, D. J., Maricq, M. M. Current amplification in an electrostatic trap by soot dendrite growth and fragmentation: Application to soot sensors. Journal of Aerosol Science. 98, 41-58 (2016).
  13. Warey, A., Hall, M. J. Performance characteristics of a new on-board engine exhaust particulate matter sensor. SAE Transactions. 114 (14), 1489-1497 (2005).
  14. Maricq, M. M., Bilby, D. The impact of voltage and flow on the electrostatic soot sensor and the implications for its use as a diesel particulate filter monitor. Journal of Aerosol Science. 124, 41-53 (2018).
  15. Diller, T. T., Hall, M. J., Matthews, R. D. Further development of an electronic particulate matter sensor and its application to diesel engine transients. SAE Technical Paper. , (2008).

Tags

Denne måned i JoVE nummer 193
Additiv fremstillingsaktiveret billig partikeldetektor
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Wallner, T., Bainschab, M.,… More

Wallner, T., Bainschab, M., Klambauer, R., Bergmann, A. Additive Manufacturing-Enabled Low-Cost Particle Detector. J. Vis. Exp. (193), e64844, doi:10.3791/64844 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter