Här presenterar vi ett protokoll för hur man bygger och testar en enkel men effektiv billig partikeldetektor.
Eftersom partiklar med en storlek på 1 μm eller mindre utgör en allvarlig hälsorisk för människokroppen är detektion och reglering av partikelutsläpp av stor betydelse. Transportsektorn släpper ut en stor del av partikelutsläppen. De flesta kommersiellt tillgängliga partikeldetektorer är skrymmande, mycket dyra och behöver ytterligare utrustning. Detta dokument presenterar ett protokoll för att bygga och testa en fristående partikeldetektor som är liten och kostnadseffektiv.
Fokus för detta dokument ligger i beskrivningen av den detaljerade konstruktionshandboken med video och sensorutvärderingsproceduren. Den datorstödda designmodellen av sensorn ingår i tilläggsmaterialet. Handboken förklarar alla konstruktionssteg, från 3D-utskrift till den fullt fungerande sensorn. Sensorn kan detektera laddade partiklar och är därför lämplig för ett brett spektrum av applikationer. Ett möjligt användningsområde skulle vara sotdetektering från kraftverk, bränder, industrier och bilar.
Inandning av partiklar med en storlek på 1 μm eller mindre utgör en hög risk för negativa hälsoeffekter på människokroppen. Med ökande miljöföroreningar från förbränningsprocesser växer andningssjukdomar i befolkningen 1,2,3. För att främja hälsa och motverka föroreningar är det nödvändigt att först identifiera föroreningskällorna och kvantifiera graden av förorening. Detta kan göras med befintliga partikeldetektorer. Dessa är dock stora och mycket ofta alldeles för dyra för privata eller medborgarvetenskapliga ändamål.
Många av de kommersiellt tillgängliga partikeldetektorerna är skrymmande, mycket dyra och kräver ytterligare utrustning för att kunna användas4. De flesta av dem behöver också flera aerosolkonditioneringssteg. Till exempel behövs utspädning för detektorer som använder ljusspridning som mätprincip, och mätområdet begränsas av våglängden 5,6,7. Partikeldetektorer som använder laserinducerad glödlampa som detektionsprincip behöver både högenergilaserkällor och ett energikrävande kylsystem8.
Partikeldetektorer som använder kondenspartikelräknare används normalt som guldstandard för partikelkoncentrationsmätning; Dessa behöver förkonditionering, utspädning och arbetsvätskor (t.ex. butanol)9,10,11. Fördelarna med en elektrostatisk sensor ligger i den enkla och kompakta designen och de låga tillverkningskostnaderna. I jämförelse med kondenspartikelräknare måste dock betydande avdrag göras med avseende på noggrannhet.
En elektrostatisk sensor representerar ett alternativ till dessa metoder. Elektrostatiska sensorer kan vara robusta, lätta, billiga att tillverka och kan användas utan övervakning. Den enklaste formen av en elektrostatisk sensor är en parallellplattkondensator med ett högt elektriskt fält mellan dess plattor. När aerosol transporteras in i högspänningsområdet mellan de två kopparelektroderna avsätts naturligt laddade partiklar på elektroderna med olika polaritet12 (figur 1).
Dendriter bildas på elektrodernas yta i riktning mot fältlinjerna för den applicerade högspänningen mellan elektroderna och laddas via kontaktladdning. Fragment av dessa dendriter bryter så småningom av elektroderna och deponeras på elektroden med motsatt polaritet och överför deras laddning. Dessa fragment bär ett stort antal laddningar. Eftersom elektroden är jordad genererar den avsatta laddningen en ström som leder till ett spänningsfall vid bänkmultimeterns inre motstånd. Ju oftare detta händer per tidsenhet, desto högre ström och följaktligen desto högre spänningsfall (figur 2).
På grund av den höga spänning som induceras av fragmentens laddningsavsättning behövs ingen ytterligare förstärkarelektronik. Bildandet av dendritnedbrytningspartiklar och den efterföljande laddningsfrisättningen av dessa partiklar representerar en naturlig signalförstärkning12. Den resulterande sensorsignalen är proportionell mot partikelmasskoncentrationen. Denna signal kan detekteras med en multimeter från hyllan.
Figur 1: Sensorscheman. Aerosol strömmar in i aerosolinloppet, förökas genom den vänstra flödeskanalen och når sedan gapet mellan högspänningselektroden (inre elektroden) och mätelektroden (yttre elektroden). Där bidrar partiklarna till dendrittillväxt och, som tidigare förklarats, nedbrytning, vilket genererar sensorsvaret. Därefter strömmar partiklarna vidare genom den högra flödeskanalen och lämnar sensorn vid aerosolutloppet. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 2: Fysisk princip. Positivt och negativt laddade partiklar, såväl som neutrala partiklar, kommer in i gapet mellan elektroderna med motsatt polaritet. De avleds av de elektriska fältlinjerna till elektroden med motsatt polaritet och deponerar sin laddning där. Sedan blir de en del av en dendrit och tar över laddningen av respektive elektrod. Fälttätheten är högst vid dendritspetsen, där fler partiklar fångas in. När dragkraften överstiger bindningskrafterna bryts segment av dendriterna, som i sin tur slår motsatt elektrod och deponerar sina laddningar. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Med en cylindrisk konstruktion, som i Warey et al.10, kan sannolikheten för att sotbroar bildas minimeras. Ytterligare information om sensorgeometri, applicerad spänning, gasflödeshastighet och partikelkoncentration finns där. De föreslår korrelation mellan sensorsignalen och partiklar som strömmar genom sensorn (ekvation 1).
Sensor (V) = 5,7 × 10-5 C V 0 e0,62V × (1)
C är masskoncentrationen av partiklarna, V0 är den applicerade spänningen, V är avgashastigheten, L är elektrodlängden och S är elektrodgapet13.
Bilby et al. fokuserade på den detaljerade studien av den underliggande fysiska effekten av den elektrostatiska sensorn9. Dessa studier inkluderade en optiskt tillgänglig inställning och en kinetisk modell för att förklara signalförstärkningen av den dendritbaserade sensorn (se ekvationerna 2 och 3).
(2)
(3)
S representerar en stapel sotskivor med 10-100 sotagglomerat med en storlek på 50-100 nm; D n representerar en dendrit medn skivor; Br betecknar ett avbrytarfragment bestående av f-skivor; S och ki är hastighetskonstanter12.
Detta dokument presenterar ett protokoll för hur man bygger och testar en enkel men effektiv billig partikeldetektor som kan användas för höga partikelkoncentrationer utan ytterligare utrustning. Tidigare arbete med denna typ av elektrostatiska sensorer har mest fokuserat på avgasmätningar. I detta arbete används laboratoriegenererade sotpartiklar som testaerosoler. Den beskrivna sensorn är baserad på “tidigare arbete från Warey et al. och Bilby et al12,13.
Sensorkroppen består av en stereolitografibaserad 3D-tryckt kropp, koaxialelektroder skurna från kopparrör, en vakuumpackning och en vakuumklämma. Material som vakuumpackning, kabel, kopparrör och 3D-harts för en sensor kostar mindre än 40 euro. Den extra utrustning som behövs är en högspänningskälla, en USB-bänkmultimeter och en lödstation. För att utvärdera sensorn krävs också en definierad aerosolkälla och ett referensinstrument en gång (se materialförteckning). Storleken på sensorn som beskrivs i detta protokoll är 10 cm x 7 cm. Denna storlek valdes specifikt för experimentet och kan fortfarande minskas avsevärt (se modifieringar/sensordimensioner i diskussionen).
Detta protokoll beskriver hur man bygger, testar och använder en enkel billig partikelsensor. En schematisk bild av protokollet visas i figur 3 – som börjar med 3D-utskriften av sensorskrovet och elektrodtillverkningen, monteringen av sensorn samt testning och ett exempel på fälttillämpning av sensorn.
Figur 3: Schematisk för metoden. Protokollet är uppdelat i fyra huvudsteg. Först skrivs alla delar till sensorhuset ut. Därefter tillverkas elektroderna. I det tredje steget monteras det 3D-printade sensorhuset med elektroderna och vakuumpackningen. I det sista steget utvärderas sensorns prestanda. Klicka här för att se en större version av denna figur.
De viktigaste stegen i 3D-utskriftsprocessen visas i figur 4. Först väljs rätt skivinställningar för utskriften. Därefter diskuteras de viktigaste delarna av utskriften och förbehandlingen av den 3D-printade modellen. För detta steg behövs en harts 3D-skrivare med ett isopropanolbad och UV-härdningsanordning och en rak kvarn.
Figur 4: Schematisk bild av 3D-utskrift. (A) Utsnittets 3D-modell avbildas; (B) skrivaren under utskriftsprocessen. Efterbehandlingssteg: (C) spolning och (D) UV-härdning. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 5 visar de viktigaste stegen i elektrodtillverkningen: formformningen av elektroderna samt lödningen av kontakten till elektroderna. För detta steg behövs två kopparrör med olika diametrar, en bromsok, en rörskärare, en rak kvarn, en skruvstycke, en lödstation och lödtenn, isolerade kablar med två olika färger, termiska skyddshandskar och en trådskärare.
Figur 5: Elektrodtillverkning. (A) Mätning, (B) skärning, (C) gradning och (D) lödning av elektroderna. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Monteringsavsnittet i protokollet förklarar hur sensorn monteras. De viktigaste sensordelarna visas i figur 6, nämligen den yttre elektrodhållaren, flödeskanalen och den inre elektrodhållaren. Figur 7 visar de viktigaste stegen i sensorenheten. För detta steg behövs epoxilim, skyddskläder, vakuumtätning, vakuumklämma, skyddsglasögon och handskar.
Figur 6: Sensordelar . (A) den yttre elektrodhållaren, (B) flödeskanalen och (C) den inre elektrodhållaren. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Bild 7: Sensormontering. Alla steg i sensorenheten visas. A-E visar monteringen av ena halvan av sensorn. (A) Den inre elektrodhållaren är limmad på flödeskanalen. (B) Den inre elektroden placeras på den inre elektrodhållaren. (C) Den yttre elektroden placeras i den yttre elektrodhållaren. (D) Den yttre elektrodhållaren limmas på flödeskanalen + den inre elektrodhållarenheten. (E) Vakuumtätningen snäpper fast i den yttre elektroden på den ena sensorhalvan och snäpper sedan in i (C), den identiska andra yttre elektroden på den andra sensorhalvan. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Testavsnittet förklarar hur du ställer in experimentet för att jämföra den nybyggda sensorn med ett referensinstrument. För detta steg behövs en bänkmultimeter, vakuumpump, högspänningsförsörjning, aerosolgenerator, utspädningsbro, aerosolrör, Y-koppling, en massflödesregulator (MFC), en aerosolblandare, ett referensinstrument och en bomullspinne.
Kritiska steg
Efterbehandling av utskrift
Nästan alla steg i detta protokoll kan pausas eller skjutas upp, förutom efterbehandling av de nytryckta 3D-delarna (protokollsteg 1.5). Om skrivarens UV-skyddsskärm öppnas bör efterbehandlingen påbörjas omedelbart, annars kommer de små kabelkanalerna, liksom hålrummet för tätningen, att täppa till. Kavitetens precisionspassning säkerställer att sensorn kan tätas lufttätt. Detta är viktigt eftersom sensorn är mycket känslig för flödesfluktuationer. Härdningsprocessen är också viktig (protokollsteg 1.4); Om temperaturen är för hög blir materialet för sprött och kan gå sönder under de krafter som klämman utövar på den yttre elektrodhållaren.
Tillverkning av elektroder
Noggrann skärning och gradning (protokollsteg 2.2-2.3) av elektroderna är mycket viktigt eftersom oregelbundenheter i elektrodgapet orsakar störningar i de elektriska fälten och hastighetsfälten, vilket leder till dålig sensorprestanda. I värsta fall kan en stark oregelbundenhet leda till att elektroderna kommer så nära att nedbrytningsspänningen överskrids och en kortslutning uppstår. Från och med denna tidpunkt kan inget uttalande göras om mätsignalen och mätelektroniken är benägen att skadas.
Församling
Montering av sensorn (protokollsteg 3.4-3.6) är avgörande, eftersom detta skapar elektrodgapet. Som nämnts ovan är avståndet mellan elektroderna mycket viktigt; Detta mellanrum måste vara jämnt 1 mm över hela längden. Dessa steg är viktiga eftersom de kan ändra det elektriska fältet i sensorn drastiskt. Det övergripande deponeringsbeteendet, såväl som dendritbildning, kan påverkas av förändringen i det elektriska fältet. Således kan det inte längre garanteras att sensorsvaret är linjärt mot den inkommande aerosolen. Det värsta scenariot för en kortslutning gäller också här.
Ändringar
3D-utskrift
Andra möjliga modifieringar är användningen av olika 3D-utskriftshartser. Det finns många olika hartser på marknaden som kan ändra densiteten, flexibiliteten, temperaturbeständigheten och styrkan hos sensorhuset.
Sensorns mått
Det första designkriteriet för sensorn är en säkerhetskonfiguration. Den dielektriska styrkan hos luft mellan elektroderna är 3 mm/kV. Denna längd får under inga omständigheter underskridas. Ju högre elektrisk potential, desto fler partiklar deponeras, och dessa deponerade partiklar är då benägna att bilda dendriter. Elektrodernas dimensioner valdes så att lättillgängliga standardkomponenter kan användas. Konstruktioner av liknande sensorer som är kända för författarna använde följande dimensioner för en platt sensor: 9 mm bredd, 2 mm längd, 1 mm mellanrum och 15 mm längd, med en diameter på 8,5 mm och mellanrum på 1,3 mm för en cylindrisk design12,13. Dessutom bör det säkerställas att sensorn kan tillverkas för hand i en vanlig verkstad. Ett mellanrum på 1 mm är det absoluta minsta gapet som fortfarande gör att sensorn kan rengöras manuellt. Här användes 1 kV som en bra kompromiss för säkerhet och effektiv partikelavsättning, liksom tillgänglighet av spänningskällor inom detta område.
Elektroder
Eftersom det exakta avståndet på 1 mm mellan sensorelektroderna är så avgörande för prestanda kan ännu mer utvecklingsarbete läggas in i detta steg. Till exempel kan den 3D-tryckta fixturen göras ännu mer exakt, eller en svarv kan användas istället för en enkel rörskärare för skärning och gradning, om utrustningen är tillgänglig. Ett annat alternativ är att använda en såg istället för en rörskärare. I detta fall måste sågens kanter slipas efteråt. Denna metod orsakar mindre deformation än rörskäraren, men tar längre tid. I jämförelse med epoxilim ger silikon kablarna mer utrymme att röra sig, och det blir lättare att rymma elektroderna. Men eftersom kablarna har mer utrymme att röra sig är det svårare att täta sensorn. Istället för vakuumklämman, som är lättare att öppna på en gång, är en självtillverkad design också möjlig. Här behöver endast hål för vissa skruvar och ett hålrum för tätningssladden ändras i 3D-designen.
MFC
MFC bestämmer hur mycket av aerosolen som sugs genom sensorn; resten ska kunna dräneras genom ett överflöde med ett HEPA-filter placerat i slutet av överflödet för att undvika förorening av rummet. Genom att välja en billigare pump istället för en MFC kommer högre flödesfluktuationer att påverka sensorsignalen negativt.
Utspädningsbro
Som framgår av figur 9 kan en utspädningsbrygga byggas med en enkel nålventil parallellt med ett eller flera HEPA-filter. Andra konstruktioner inkluderar en liten skruvstång för att pressa röret istället för nålventilen. Denna design har fördelen att röret kan rengöras lättare. Ju fler spolar en sådan skruvstycke har, desto finare kan koncentrationen justeras. Detta är särskilt viktigt för kalibreringsmätningar, där hög dynamik bör undvikas.
Bänk multimeter
Bänkmultimetern mäter en spänning, som måste divideras med värdet på det inre motståndet för att få rätt strömvärde. Beroende på det valda mätområdet (t.ex. 100 V) kan detta interna motståndsvärde variera (t.ex. 1 MΩ). Det är viktigt att välja ett definierat intervall så att det interna motståndsvärdet är detsamma för alla uppmätta värden. Om “auto range” väljs måste det interna motståndsvärdet också spåras.
Felsökning
3D-skrivare
Om skrivaren stannar bör tanken kontrolleras för rester av den senaste utskriften. Blandaren fastnar ofta. Man bör observera de första minuterna av utskriftsprocessen. Om det är igensatt beror det antingen på att rätt utsnittsinställningar inte har ställts in eller att det nya trycket inte har lagrats under UV-skyddade förhållanden före efterbehandling. I utsnittsinställningarna bör inga stödpunkter hindra flödeskanalen och utrymmet mellan elektroderna, och rutan för interna stödstrukturer måste avklickas innan filen skickas till skrivaren.
Aerosolkälla + utspädningsbrygga
Om aerosolkällan verkar instabil bör alla HEPA-filter kontrolleras för att säkerställa att de är i rätt läge och inte är igensatta. Dessutom bör aerosolgeneratorn och referensinstrumentet kontrolleras för att säkerställa att de har avslutat sin uppvärmningsfas.
Sensor
De vanligaste felen orsakas av otillräcklig strömförsörjningsanslutning, en luftläcka vid sensorn eller när avsatta partiklar bildar sotbroar mellan elektroderna. Först öppnas sensorn för att kontrollera om sotbryggor har bildats mellan elektroderna. Strömkällan måste stängas av innan sensorkablarna kopplas bort och sensorn öppnas. Sotbroar är lätt synliga för blotta ögat och kan tas bort med liten ansträngning. För att ta bort sotbroar är det bäst att använda en optisk rengöringsduk eller luddfri bomullspinne.
En läcka som ändrar flödesbeteendet i sensorn, liksom en lägre spänning vid elektroderna, kan ändra sensorsignalen. Det är inte möjligt att säga i förväg vilket av dessa problem som är ansvarigt för ett oväntat sensorsvar. Därför är det viktigt att kontrollera både tätheten och spänningsstabiliteten enligt följande. Först kontrolleras anslutningen från kabeln till elektroderna (protokollsteg 4.4). Därefter kontrolleras spänningskällan för att se om den levererar de förväntade volten. En luftläcka identifieras bäst med läckspray. Utöver detta kan tätheten också kontrolleras med en vakuumpump, som beskrivs i protokollsteg 4.4.2.
Begränsningar
Begränsningen av en elektrostatisk sensor beskrivs väl av Maricq et al.14. I sitt arbete betonar de vikten av en stabil spänningskälla och ett stabilt sensorflöde för sensorns prestanda. Av denna anledning bör en installation med en MFC eller en pump alltid användas för flödeskontroll, som beskrivs i figur 10. Dessutom behöver sensorn längre tid för att nå jämvikt under det första testet. I ytterligare experiment, där en stabil dendritpopulation har lagt sig på elektroderna, minskar tiden för att starta sensorn. Det bör dock noteras generellt att sensorn alltid behöver en starttid för att bli operativ beroende på den initiala koncentrationen.
Till skillnad från en platt design, som i Bilby et al., är sensordrift inte ett stort problem i detta cylindriska arrangemang12. Snabba koncentrationsförändringar vid låga partikelkoncentrationer är dock fortfarande svåra att upptäcka med sensorn. Som indikeras av Diller et al. och Maricq et al., för en meningsfull mätsignal, är det uppmätta värdet i genomsnitt över 2-10 min, beroende på hur mycket flödet förändras i experimentet14,15.
Med en lutning på 2,8 nAm3/mg och en standardavvikelse på ±1,4 nA är avvikelsen från regressionslinjen i figur 11 hög. För en bättre förståelse av sensorns noggrannhet rekommenderas jämförelse av flera experiment. För upprepade experiment står lutningen för 3,5 nAm 3/mg med en standardavvikelse på ±1,0 nA och 4,9 nAm3/mg med en standardavvikelse på ± 0,6 nA. Dessutom kommer sensorn att ge en mycket hög avläsning när spänningskällan slås på. Detta startvärde filtreras bort från mätdata.
Fördelen med metoden som presenteras här ligger helt klart i enkelheten, men också i de mångsidiga möjligheterna att anpassa sensorformen till olika behov. Därför kan sensorn, förutom sot, detektera en mängd olika laddade partiklar och är lämplig för ett brett spektrum av applikationer, till exempel partikeldetektering från kraftverk, bränder, industrier och bilar. Detta dokument bör vara ett incitament för byråer, företag, forskargrupper, medborgarforskare och alla som är intresserade av detektering av partiklar att reproducera denna enkla sensorkonstruktionsmanual och bygga sin egen partikeldetektor.
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete finansierades av COMET Centre “ASSIC-Austrian Smart Systems Integration Research Center”. ASSIC samfinansieras av BMK, BMW och de österrikiska provinserna Kärnten och Steiermark inom programmet COMET-Competence Centres for Excellent Technologies från Austrian Research Promotion Agency (FFG).
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 |
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 | |
Steckverbinder reduziert mit Stecknippel | ESSKA | IQSG120H6000 | |
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/ |