Summary
Her presenterer vi en protokoll for hvordan man bygger og tester en enkel, men effektiv billig partikkeldetektor.
Abstract
Siden partikler med en størrelse på 1 μm eller mindre utgjør en alvorlig helserisiko for menneskekroppen, er deteksjon og regulering av partikkelutslipp av stor betydning. En stor andel av partikkelutslippene slippes ut fra transportsektoren. De fleste av de kommersielt tilgjengelige partikkeldetektorene er store, veldig dyre og trenger ekstra utstyr. Dette papiret presenterer en protokoll for å bygge og teste en frittstående partikkeldetektor som er liten og kostnadseffektiv.
Fokuset i denne artikkelen ligger i beskrivelsen av den detaljerte konstruksjonshåndboken med video og sensorevalueringsprosedyren. Den dataassisterte designmodellen til sensoren er inkludert i tilleggsmaterialet. Håndboken forklarer alle byggetrinnene, fra 3D-utskrift til den fullt operative sensoren. Sensoren kan oppdage ladede partikler og er derfor egnet for et bredt spekter av applikasjoner. Et mulig anvendelsesområde vil være sotdeteksjon fra kraftverk, brannfeller, industri og biler.
Introduction
Innånding av partikler med en størrelse på 1 μm eller mindre utgjør en høy risiko for negative helseeffekter på menneskekroppen. Med økende miljøforurensning fra forbrenningsprosesser vokser luftveissykdommer i befolkningen 1,2,3. For å fremme helse og motvirke forurensning er det nødvendig å først identifisere forurensningskildene og kvantifisere forurensningsgraden. Dette kan gjøres med eksisterende partikkeldetektorer. Imidlertid er disse store og svært ofte altfor dyre for private eller borgervitenskapelige formål.
Mange av de kommersielt tilgjengelige partikkeldetektorene er store, svært dyre og krever ekstra utstyr for å kunne driftes4. De fleste av dem trenger også flere aerosolkondisjoneringstrinn. For eksempel er fortynning nødvendig for detektorer som bruker lysspredning som måleprinsipp, og måleområdet er begrenset av bølgelengden 5,6,7. Partikkeldetektorer som bruker laserindusert glødende som deteksjonsprinsipp, trenger både laserkilder med høy energi og et energikrevende kjølesystem8.
Partikkeldetektorer som bruker kondenspartikkeltellere brukes normalt som gullstandard for måling av partikkelkonsentrasjon; Disse trenger prekondisjonering, fortynning og arbeidsvæsker (f.eks. butanol)9,10,11. Fordelene med en elektrostatisk sensor ligger i den enkle og kompakte designen og de lave fabrikasjonskostnadene. I forhold til kondenspartikkeltellere må det imidlertid gjøres betydelige fradrag med hensyn til nøyaktighet.
En elektrostatisk sensor representerer et alternativ til disse metodene. Elektrostatiske sensorer kan være robuste, lette, rimelige å produsere og kan betjenes uten tilsyn. Den enkleste formen for en elektrostatisk sensor er en parallell platekondensator med høyt elektrisk felt mellom platene. Når aerosol transporteres inn i høyspenningsområdet mellom de to kobberelektrodene, avsettes naturlig ladede partikler på elektrodene med forskjellig polaritet12 (figur 1).
Dendritter dannes på overflaten av elektrodene i retning av feltlinjene for den påførte høyspenningen mellom elektrodene, og lades via kontaktlading. Fragmenter av disse dendrittene bryter til slutt av elektrodene og avsettes på elektroden med motsatt polaritet, og overfører ladningen. Disse fragmentene har et høyt antall ladninger. Fordi elektroden er jordet, genererer den avsatte ladningen en strøm som fører til et spenningsfall ved den indre motstanden til benkmultimeteret. Jo oftere dette skjer per tidsenhet, jo høyere er strømmen, og følgelig desto høyere spenningsfall (figur 2).
På grunn av høyspenningen forårsaket av ladningsavsetningen av fragmentene, er det ikke nødvendig med ytterligere forsterkerelektronikk. Dannelsen av dendrittiske avbruddspartikler og den påfølgende ladningsfrigjøringen av disse partiklene representerer en naturlig signalforsterkning12. Det resulterende sensorsignalet er proporsjonalt med partikkelmassekonsentrasjonen. Dette signalet kan oppdages med et hyllevaremultimeter.
Figur 1: Sensorskjemaer. Aerosol strømmer inn i aerosolinnløpet, forplantes gjennom venstre strømningskanal, og når deretter gapet mellom høyspenningselektroden (indre elektrode) og måleelektroden (ytre elektrode). Der bidrar partiklene til dendrittvekst og, som tidligere forklart, avbrudd, og genererer dermed sensorresponsen. Etterpå strømmer partiklene videre gjennom høyre strømningskanal og forlater sensoren ved aerosolutløpet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: Fysisk prinsipp. Positivt og negativt ladede partikler, så vel som nøytrale partikler, kommer inn i gapet mellom elektrodene med motsatt polaritet. De blir avledet av de elektriske feltlinjene til elektroden med motsatt polaritet og deponerer ladningen der. Deretter blir de en del av en dendrit og overtar ladningen til den respektive elektroden. Felttettheten er høyest på dendrittspissen, hvor flere partikler fanges. Når dragkraften overskrider bindingskreftene, bryter segmenter av dendrittene av, som igjen treffer den motsatte elektroden og legger inn ladningene. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Med en sylindrisk design, som i Warey et al.10, kan sannsynligheten for at sotbroer dannes minimeres. Ytterligere informasjon om sensorgeometri, påført spenning, gasstrømningshastighet og konsentrasjon av partikler finner du der. De foreslår korrelasjon av sensorsignalet til partikler som strømmer gjennom sensoren (ligning 1).
Sensor (V) = 5,7 × 10-5 C V 0e 0,62V × 
(1)
C er massekonsentrasjonen av partikler, V0 er den påførte spenningen, V er eksoshastigheten, L er elektrodelengden og S er elektrodegapet13.
Bilby et al. fokuserte på den detaljerte studien av den underliggende fysiske effekten av den elektrostatiske sensoren9. Disse studiene inkluderte et optisk tilgjengelig oppsett og en kinetisk modell for å forklare signalforsterkningen til den dendrittbaserte sensoren (se ligningene 2 og 3).
(2)
(3)
S representerer en stabel med sotskiver på 10-100 sotagglomerater med en størrelse på 50-100 nm; D n representerer en dendrit medn disker; Br betegner et avbruddsfragment sammensatt av f-disker; S og ki er hastighetskonstanter12.
Dette papiret presenterer en protokoll for hvordan man bygger og tester en enkel, men effektiv billig partikkeldetektor som kan brukes til høye partikkelkonsentrasjoner uten ytterligere utstyr. Tidligere arbeid på denne typen elektrostatiske sensorer har for det meste fokusert på eksosmålinger. I dette arbeidet brukes laboratoriegenererte sotpartikler som testaerosoler. Den beskrevne sensoren er basert på tidligere arbeid fra Warey et al. og Bilby et al12,13.
Sensorhuset består av en stereolitografibasert 3D-printet kropp, koaksiale elektroder kuttet fra kobberrør, en vakuumpakning og en vakuumklemme. Materialer som vakuumpakning, kabel, kobberrør og 3D-harpiks for en sensor koster mindre enn € 40. Det ekstra utstyret som trengs er en høyspenningskilde, et USB-benkmultimeter og en loddestasjon. For å evaluere sensoren kreves det også en definert aerosolkilde og et referanseinstrument én gang (se Materialliste). Størrelsen på sensoren beskrevet i denne protokollen er 10 cm x 7 cm. Denne størrelsen ble valgt spesielt for eksperimentet og kan fortsatt reduseres betydelig (se modifikasjoner/sensordimensjoner i diskusjonen).
Denne protokollen beskriver hvordan du bygger, tester og bruker en enkel rimelig partikkelsensor. Et skjema over protokollen er vist i figur 3-som begynner med 3D-utskriften av sensorskroget og elektrodeproduksjonen, monteringen av sensoren, samt testing og et eksempel på feltanvendelse av sensoren.
Figur 3: Skjematisk for metoden. Protokollen er delt inn i fire hovedtrinn. Først skrives alle deler til sensorhuset ut. Deretter produseres elektrodene. I det tredje trinnet monteres det 3D-printede sensorhuset med elektrodene og vakuumpakningen. I det siste trinnet evalueres sensorens ytelse. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
De viktigste trinnene i 3D-utskriftsprosessen er vist i figur 4. Først velges de riktige slicerinnstillingene for utskriften. Etterpå diskuteres de viktigste delene av utskriften og forbehandlingen av den 3D-printede modellen. For dette trinnet er det nødvendig med en harpiks 3D-skriver med et isopropanolbad og UV-herdingsanordning og en rett kvern.
Figur 4: Skjematisk av 3D-print. (A) Slicer 3D-modellen er avbildet; (B) skriveren under utskriftsprosessen. Trinn for etterbehandling: (C) spyling og (D) UV-herding. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 5 viser de viktigste trinnene i elektrodeproduksjonen: formformingen av elektrodene samt lodding av kontakten til elektrodene. For dette trinnet er det nødvendig med to kobberrør med forskjellige diametre, en tykkelse, en rørkutter, en rett kvern, en skrustikke, en loddestasjon og loddeboks, isolerte kabler med to forskjellige farger, termiske beskyttelseshansker og en trådkutter.
Figur 5: Elektrodeproduksjon . (A) Måling, (B) skjæring, (C) avgrading og (D) lodding av elektrodene. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Monteringsdelen i protokollen forklarer hvordan sensoren er satt sammen. De viktigste sensordelene er avbildet i figur 6, nemlig den ytre elektrodeholderen, strømningskanalen og den indre elektrodeholderen. Figur 7 viser de viktigste trinnene i sensorenheten. For dette trinnet er det nødvendig med epoksylim, verneklær, vakuumforsegling, vakuumklemme, vernebriller og hansker.
Figur 6: Sensordeler . (A) Den ytre elektrodeholderen, (B) strømningskanalen og (C) den indre elektrodeholderen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 7: Sensormontering. Alle trinnene i sensorenheten vises. A-E viser monteringen av den ene halvdelen av sensoren. (A) Den indre elektrodeholderen limes til strømningskanalen. (B) Den indre elektroden plasseres på den indre elektrodeholderen. (C) Den ytre elektroden plasseres i den ytre elektrodeholderen. (D) Den ytre elektrodeholderen limes på strømningskanalen + den indre elektrodeholderenheten. (E) Vakuumforseglingen klikker inn i den ytre elektroden på den ene sensorhalvdelen og klikker deretter inn i (C), den identiske andre ytre elektroden til den andre sensorhalvdelen. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Testdelen forklarer hvordan du konfigurerer eksperimentet til å sammenligne den nybygde sensoren med et referanseinstrument. For dette trinnet er det nødvendig med et benkmultimeter, vakuumpumpe, høyspenningsforsyning, aerosolgenerator, fortynningsbro, aerosolrør, Y-montering, en massestrømningskontroller (MFC), en aerosolblander, et referanseinstrument og en bomullspinne.
Protocol
1.3D utskrift
- Innstillinger for slicer
- Åpne alle STL-filer med slicerprogramvaren, og plasser sensordelene på plattformen (se Tilleggsfil 1, Tilleggsfil 2, Tilleggsfil 3, Tilleggsfil 4, Tilleggsfil 5 og Tilleggsfil 6).
- For et godt utskriftsresultat, vipp alle delene i forhold til plattformen.
- Generer støttepunkter med en tetthet på 0,8 og en punktstørrelse på 0,4 mm.
- Velg Fjern V4 med en lagtykkelse på 50 μm.
- Start utskriften.
- Last opp slicerutdatafilen på 3D-skriveren.
- Se etter utskriftstid og harpiksvolum som vises på skjermen. Sett inn den klare V4-tanken og harpikspatronen, fest monteringsplattformen og åpne patronlokket. Trykk Start på skriveren.
- Umiddelbar etterbehandling
- Når utskriften er ferdig, åpner du skriveren og tar av monteringsplattformen.
MERK: Dette trinnet kan bare utsettes hvis det er sikkert at modellen vil forbli under UV-beskyttelsesskjermen på skriveren (se kritiske trinn / utskriftsbehandling i diskusjonen). - Fjern forsiktig alle deler fra plattformen og legg dem i et isopropanolbad.
- Beveg delene konstant i 20 minutter.
- Ta ut delene hvert 5. minutt og skyll alle små hull og hull grundig.
- Når utskriften er ferdig, åpner du skriveren og tar av monteringsplattformen.
- UV-herding
- Tørk delene før du starter herdingsprosessen.
- Skyll alle små hull og hull med trykkluft.
- Plasser delene i UV-herderen og herd dem i 50 minutter ved 40 °C.
MERK: Denne innstillingen er forskjellig fra produsentens anbefalte tørketid og temperatur (se kritiske trinn/utskriftsetterbehandling i diskusjonen).
- Etterbehandling
- Sjekk at alle hulrom og hull er åpne.
- Hvis en sti er tilstoppet, bor eller skrap den med den rette kvernen.
- Kontroller at alle de trykte delene passer riktig og at kobberrørene kan settes inn. Hvis de ikke kan, så sand dem ned.
2. Elektrode produksjon
- Mål 9 mm fra toppen av kobberrørene på 18 mm og 22 mm og merk disse.
- Klipp rørene med rørkutteren ved markeringene.
MERK: Pass på at du ikke bruker for mye kraft under prosessen. Det tar flere svinger å skjære gjennom rørene (se kritiske trinn/elektrodeproduksjon i diskusjonsdelen). - Avgrader kobberringen forsiktig. Ikke legg for mye press på kobberringen mens du grader, og prøv å ikke skrape elektrodeoverflaten.
MERK: Dette er en svært kritisk del og påvirker sensorens ytelse (se kritiske trinn / elektrodeproduksjon og modifikasjoner / elektroder i diskusjonsdelen). - Elektrode lodding
- Lodd den røde kabelen til den indre kobberringen (18 mm) og den svarte kabelen til den ytre kobberringen (22 mm).
- Poler kobberringen for å bli kvitt det oksiderte kobberlaget på overflaten.
- Klem ringen i en skrustikke.
- Fortynn både kobberringen og kabelen og lodd kabelen til ringen.
FORSIKTIG: På grunn av loddingen varmes kobberelektrodene opp til 400 °C. Berør bare elektrodene med pinsett og bruk termovernhansker.
3. Montering
- Bland de to komponentene i epoksylimet i en skuff.
NOTAT: Det er veldig viktig å bruke gjennomsiktig lim for å skille mellom sotbroer og herdet lim.
FORSIKTIG: Arbeid under en avtrekkshette, bruk verneklær (spesielt hansker) og rengjør arbeidsflater. Ytterligere sikkerhetsinstruksjoner finner du i sikkerhetsdatabladet. Helsefare: "Skin Corr. 1C - H314 Eye Dam. 1 - H318 Hud Sens. 1 - H317". - Stikk den indre elektrodeholderen inn i strømningskanalen og vent i 60 minutter til limet stivner (figur 7A).
- Plasser den indre elektroderingen (18 mm) på holderen og før kabelen gjennom kabelkanalen (figur 7B).
NOTAT: Forsikre deg om at det er nok plass til loddepunktet. - Plasser avstandsstykket rundt den indre elektroden.
MERK: Dette er et svært kritisk skritt. Hvis avstanden mellom elektrodene ikke er nøyaktig 1 mm overalt i hele sensoren, kan det elektriske feltet, og deretter sensorens ytelse, påvirkes (se kritiske trinn/elektrodeproduksjon i diskusjonen). - Plasser den ytre elektroderingen (22 mm) på holderen og før kabelen gjennom kabelkanalen (figur 7C).
- Lim den ytre elektrodeholderen på strømningskanalen. Sett avstandsstykket inn i gapet mellom de to kobberelektrodene. Vent i 60 minutter til limet stivner (figur 7D).
- Forsegl alle kabelkanalene med epoksylim. Vent over natten til limet herdes.
- Sett vakuumtetningen inn i den trykte ventilen til den ytre elektroden. Sett de to sensorsidene inn i hverandre og fest dem med vakuumklemmen (figur 7E,F).
4. Tester
- Åpne vakuumklemmen på sensoren.
- Trekk de to halvdelene av sensoren fra hverandre og fjern forseglingen.
- Derfra berører du elektroderingen med en multimeterprobespiss, og enden av kabelen som fører til elektroden med den andre multimeterspissen.
- Pretester
- Test den elektriske tilkoblingen til elektroden og kabelen med multimeteret. Kontroller om motstanden er <2 Ω (avhengig av oksidasjonsnivået).
- Koble slangen til aerosolinntaket og -utløpet, og test om sensoren er lufttett med vakuumpumpen.
- Parallelt eksperiment
- Bygg sensoroppsettet, i henhold til figur 8.
- Koble høyspent strømforsyning til den røde sensorkabelen (høyspenningselektrode).
- Koble den svarte sensorkabelen til benkens multimeterspenningsinngang.
- Koble elektrometerbakken (GND) med strømforsyningen GND.
- Koble multimeter USB-kabelen til PC-en.
- Innlem sensoren i oppsettet for aerosolmåling. i henhold til figur 9.
- Aerosol generator
- Gassforsyninger: Slå på kappestrømmen, nitrogen- og propanforsyningen (trykk nødvendig: nitrogen, 4 bar, andre gasser, 1 bar hver).
- Strømkilde: Koble til 24 V-kildekabelen for de innebygde MFC-ene, og koble USB-en til PC-en.
- Programvare: åpne MFC-programvaren og sett inn riktig COM-portnummer. Søk etter enheter: Hvis fem enheter vises (for fem forskjellige MFC-er), klikker du på Stopp søk. Legg inn startforholdene i henhold til aerosolgeneratorens brukerhåndbok: 10 ml/min propan, 1,55 l/min oksidasjonsluft, 7 l/min slukkegass, 20 l/min fortynningsluft.
- Start aerosolgeneratoren (se materialfortegnelse) ved å vri på AV-knappen. Når knappen er slått på, er nitrogenindikatoren på, noe som indikerer at alle strømningsbaner er åpne. Hold flammesikkerhetsenheten og trykk på tenningsknappen på aerosolgeneratoren; observer en flamme i forbrenningskammervinduet. Slipp flammesikkerhetsenheten etter ~ 60 s veldig sakte.
- Angi følgende massestrømmer: 60 ml/min propan, 1,55 l/min oksidasjonsluft, 7 l/min nitrogen (slukking) og 20 l/min fortynningsluft for å stille inn parametrene for størrelsesfordeling.
FORSIKTIG: Koble generatoren til resten av oppsettet bare hvis målinger skal utføres i løpet av de neste minuttene; Ellers vil filtrene på fortynningsbroen tette seg raskt.
- Koble fortynningsbroen til aerosolgeneratoren. Koble den fra igjen og avled aerosolstrømmen til avtrekkshetten til starten av eksperimentet. Kontroller at fortynningsbroen er lukket før du starter eksperimentet.
- Koble fortynningsbroutløpet til aerosolblanderen.
- Koble aerosolblanderens utløp 2 (se figur 9E) til sensorinnløpet.
- Innlemme MFC.
- Koble et høyeffektivt partikkelabsorberende filter (HEPA) til sensoruttaket og koble sensoruttaket til MFC-innløpet.
- Koble strømforsyningen til MFC og koble USB til PC-en.
- Åpne MFC-programvaren og skriv inn riktig COM-portnummer.
- Søk etter enheter.
- Klikk stopp søket?.
- Angi massestrømmen som 1 l/min.
- Referanseinstrument (se Materialfortegnelse)
- Koble LAN-kabelen til PCen og åpne en tilkobling til IP-adressen til referanseinstrumentet i nettleseren for å åpne et java-program for å kontrollere referanseinstrumentet.
- I referanseinstrumentkontrollprogramvaren trykker du på låseressurser | standby for å starte pumpen.
MERK: Oppvarmingsprosessen tar ~ 20 min. - Etter oppvarmingsfasen klikker du på måling for å måle aerosolen som kommer inn i referanseinstrumentet.
- Velg et fortynningsforhold på 1:10 på referanseinstrumentet.
- Bruk en y-beslag for å koble aerosolblanderens utløp 1 (se figur 9D) og fortynningsluftstrømmen til den delte enden av y-beslaget (se figur 9C), og koble den ene enden av y-beslaget til referanseinstrumentinnløpet.
MERK: Disse to strømmene kombineres deretter i den ene enden av y-tilpasningen.
- Start av eksperimentet
- Koble aerosolgeneratoren til fortynningsbroen igjen og sørg for at fortynningsbroen er lukket.
- Klikk mål på referanseinstrumentet.
- Åpne fortynningsbroen langsomt til ønsket aerosolmassekonsentrasjon på 3-5 mg/m3 er nådd, og begynn å logge data på referanseinstrumentet.
- Observer referanseinstrumentets massekonsentrasjon av partikler. Når aerosolkilden er stabil, slå på sensorens strømforsyning på 1000 V og begynn å logge dataene.
MERK: Hvis konsentrasjonen ikke er stabil, se feilsøking i diskusjonsdelen.
- Samle inn data fra benkmultimeteret med en lesekommando på konsollen eller et automatisert skript.
MERK: Etter at sensorstrømmen stabiliserer seg (ca. 5 min), er det mulig å sammenligne referanseinstrumentet med sensorstrømmen.
FORSIKTIG: Hvis sensorstrømmen øker raskt over 10-7 A (tilsvarer 0,1 V med en intern motstand på 1 MΩ), må du slå av høyspenningskilden (se feilsøking i diskusjonsdelen). - Parallell måling: Etter at sensoren har oppnådd likevekt, måles en konsentrasjonsgradient i trinn fra 5 mg/ m3til 0,2 mg/m3ved å justere fortynningsbroen tilsvarende.
MERK: Når høyere konsentrasjoner brukes, må fortynningsforholdet til referanseinstrumentet økes.
- Bygg sensoroppsettet, i henhold til figur 8.
- Rengjør sensoren med trykkluft og en vattpinne før hver nye måling.
5. Søknad i felt
- Bygg sensoroppsettet, i henhold til figur 8.
- Koble høyspent strømforsyning til den røde sensorkabelen (høyspenningselektrode).
- Koble den svarte sensorkabelen til benkens multimeterspenningsinngang.
- Koble elektrometeret GND med strømforsyningen GND.
- Koble multimeter USB-kabelen til PC-en.
- Innlemme sensoroppsettet i det nye måleoppsettet, i henhold til figur 10, og koble aerosolkilden til sensoren.
- Del den utstrømmende partikkelstrømmen fra aerosolkilden til bane A) sensoroppsett og bane B) ventilasjon.
- MFC eller pumpe: Bruk en MFC for å sende prøven gjennom sensoren.
- Bruk et HEPA-filter oppstrøms for MFC. Koble strømforsyningen til MFC og koble USB til PC-en.
- Følg trinn 4.5.8 for parallell måling.
- Start av felteksperiment: Kontroller at aerosolkilden er koblet til sensorinngangen.
- Slå på strømforsyningen til sensoren og begynn å logge data.
Figur 8: Sensoroppsett. Et diagram over sensoroppsettet. Aerosol strømmer gjennom sensoren. Sensoren er koblet til voltmeteret og en høyspenningsforsyning. Voltmeteret styres av en kontrollenhet som logger sensordataene. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 9: Eksperimentell plan for sensorevaluering. En stabil aerosolkilde brukes til å etterligne en partikkelkilde. Den utgående partikkelstrømmen er delt inn i bane (A), sensoroppsett; og bane (B), ventilasjon, går inn i fortynningsbroen og distribueres videre til en aerosolblander. Etter mikseren deles aerosolstrømmen mellom en referanseinstrumentbane (D), som måler parallelt med sensoren. Dette referanseinstrumentet trenger fortynningsluft, som distribueres gjennom bane (C). Bane (E): En MFC trekker luft gjennom sensoren. Denne MFC er beskyttet mot aerosolstrømmen med et HEPA-filter. Forkortelser: MFC = massestrømskontroller; HEPA-filter = høyeffektivt partikkelabsorberende filter. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 10: Felttest: den eksperimentelle planen. I dette oppsettet måles en aerosolkilde. Den utgående partikkelstrømmen deles inn i bane A) sensoroppsett og bane B) ventilasjon og går deretter inn i sensoren. I dette oppsettet suger en MFC med et HEPA-filter oppstrøms aerosolen gjennom sensoren. Forkortelser: MFC = massestrømskontroller; HEPA-filter = høyeffektivt partikkelabsorberende filter. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Representative Results
Den nøyaktige korrelasjonen mellom sensorsignalet og partikkelmassen varierer basert på partikkelladningsfordeling og størrelsesfordeling, samt aerosolsammensetningen. Derfor må sensoren kalibreres til et bestemt bruksområde med et referanseinstrument. Denne delen forklarer hvordan du sammenligner den nybygde sensoren med et referanseinstrument.
Startfasen av sensoren tar omtrent 5-10 minutter, avhengig av den valgte partikkelkonsentrasjonen. I startfasen øker sensorsignalet betydelig mens sensoren utsettes for en konstant partikkelkonsentrasjon. Etter startfasen stabiliseres sensorsignalet. På dette stadiet oppnås en likevektstilstand for akkumulering og fragmentering av dendritter, og sensorsignalet er deretter proporsjonalt med den innkommende sotkonsentrasjonen. Etter denne initialiseringsfasen er sensoren klar til å måle eventuelle endringer i aerosolkonsentrasjon.
Måledataene vist i figur 11 starter fra det øyeblikket sensoren er i ovennevnte likevektstilstand. For å beregne sensorstrømmen i ampere, må de innsamlede dataene i volt deles med verdien av intern motstand for å oppnå riktig strømverdi.
Den vertikale aksen viser sensorsignalet i ampere og den horisontale aksen viser aerosolkonsentrasjonen målt med referanseinstrumentet i mg/m3. En lineær passform med sine representative parametere er også gitt i plottet. Den høye usikkerheten til de målte dataene skyldes den høye dynamikken ved justering av konsentrasjonen med fortynningsbroen. De lineære tilpasningsparametrene er en R 2-verdi på 0,80, et skjæringspunkt på -0,53 nA og en skråning på2,80 nAm3/mg med et standardavvik på 1,4 nA.
Figur 11: Positive resultater. Sensorsignalet plottes på den vertikale aksen i ampere, mens partikkelkonsentrasjonen målt med referanseinstrumentet i mg/m3 plottes på den horisontale aksen. I tillegg legges en lineær passform med de viktigste parametrene til plottet. De lineære tilpasningsparametrene er en R 2-verdi på 0,80, et skjæringspunkt på -0,53 nA og en helning på2,80 nAm3/mg. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Det er også mulighet for at partikler tetter banen mellom elektrodene, i hvilket tilfelle ledende sotbroer dannes mellom elektrodene. Fordi sot er et ledende materiale, danner disse sotbroene en kortslutning mellom elektrodene. Det målte signalet stiger raskt med økende tykkelse på den ledende banen, opp til det punktet hvor spenningen blir så høy at voltmeteret kan bli skadet. Et eksempel på et forsøk med å danne sotbroer kan ses i figur 12. Signalet stiger i svært bratte hopp / trinn og stopper ikke eller flater ut. Dendritter dannes heller ikke lenger, og sensoren er ikke lenger i likevektstilstand. I dette tilfellet må høyspenningskilden slås av umiddelbart, sensoren må rengjøres, og en ny måling må startes.
Figur 12: Negativt resultat. Det har oppstått en kortslutning under målingen. Sensorsignalet i ampere plottes på den vertikale aksen og måletiden plottes på den horisontale aksen. Sensorsignalet fortsetter å øke uten begrensninger. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Hvis en flat linje vises og sensorstrømmen ikke stiger i det hele tatt til en verdi over 1 nA, følger du feilsøkingsinstruksjonene i diskusjonsdelen. Sensoren må til enhver tid være i likevektstilstand for å måle aerosolen som kommer inn nøyaktig; Derfor må en tilstrekkelig høy innledende aerosolkonsentrasjon tilveiebringes i begynnelsen av forsøket.
Tilleggsfil 1: Denne filen representerer CAD-filen (datamaskinstøttet konstruksjon) for å skrive ut flytkanalen som er vist i figur 7A , med hull for kabelen. Klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfil 2: Denne filen representerer CAD-filen for å skrive ut flytkanalen som er vist i figur 7A uten hull. Klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfil 3: Denne filen representerer CAD-filen for å skrive ut den indre elektrodeholderen som er avbildet i figur 7A. Klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfil 4: Denne filen representerer CAD-filen for å skrive ut den ytre elektrodeholderen som er avbildet i figur 7C (høyre). Klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfil 5: Denne filen representerer CAD-filen for å skrive ut flytkanalen uten hull som er vist i figur 7C (venstre). Klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfil 6: Denne filen representerer CAD-filen for å skrive ut elektrodeavstandsstykket. Klikk her for å laste ned denne filen.
Discussion
Kritiske skritt
Skriv ut etterbehandling
Nesten alle trinn i denne protokollen kan settes på pause eller utsettes, bortsett fra etterbehandling av de nytrykte 3D-delene (protokolltrinn 1.5). Hvis UV-beskyttelsesskjermen til skriveren åpnes, bør etterbehandlingen starte umiddelbart, ellers vil de små kabelkanalene, så vel som hulrommet for tetningen, tette seg. Den presise passformen i hulrommet sikrer at sensoren kan forsegles lufttett. Dette er viktig fordi sensoren er svært følsom for strømningssvingninger. Herdingsprosessen er også viktig (protokolltrinn 1.4); Hvis temperaturen er satt for høyt, blir materialet for sprøtt og kan bryte under kreftene som klemmen utøver på den ytre elektrodeholderen.
Elektrode produksjon
Forsiktig skjæring og avgrading (protokolltrinn 2.2-2.3) av elektrodene er svært viktig fordi uregelmessigheter i elektrodegapet forårsaker forstyrrelser i de elektriske feltene og hastighetsfeltene, noe som fører til dårlig sensorytelse. I verste fall kan en sterk uregelmessighet føre til at elektrodene kommer så nær at sammenbruddsspenningen overskrides, og det oppstår kortslutning. Fra dette tidspunktet kan det ikke uttales noe om målesignalet, og måleelektronikken er utsatt for skade.
Forsamling
Montering av sensoren (protokolltrinn 3.4-3.6) er avgjørende, da dette skaper elektrodegapet. Som nevnt ovenfor er avstanden mellom elektrodene svært viktig; Dette gapet må være jevnt 1 mm over hele lengden. Disse trinnene er viktige fordi de kan endre det elektriske feltet i sensoren drastisk. Den generelle avsetningsoppførselen, samt dendrittdannelsen, kan påvirkes av endringen i det elektriske feltet. Dermed kan det ikke lenger garanteres at sensorresponsen er lineær til den innkommende aerosolen. Det verste scenarioet med en kortslutning gjelder også her.
Endringer
3D-utskrift
Andre mulige modifikasjoner er bruken av forskjellige 3D-utskriftharpikser. Det finnes mange forskjellige harpikser på markedet som kan endre tettheten, fleksibiliteten, temperaturmotstanden og styrken til sensorhuset.
Sensor dimensjoner
Det første designkriteriet for sensoren er en sikkerhetskonfigurasjon. Den dielektriske styrken til luften mellom elektrodene er 3 mm/kV. Denne lengden må uansett ikke underskrides. Jo høyere det elektriske potensialet er, desto flere partikler blir avsatt, og disse avsatte partiklene er da tilbøyelige til å danne dendritter. Dimensjonene til elektrodene ble valgt slik at lett tilgjengelige standardkomponenter kan brukes. Design av lignende sensorer kjent for forfatterne brukte følgende dimensjoner for en flat sensor: 9 mm bredde, 2 mm lengde, 1 mm gap og 15 mm lengde, med en diameter på 8,5 mm og gap på 1,3 mm for en sylindrisk design12,13. I tillegg skal det sikres at sensoren kan produseres for hånd i et vanlig verksted. Et gap på 1 mm er det absolutte minimumsgapet som fremdeles gjør at sensoren kan rengjøres manuelt. Her ble 1 kV brukt som et godt kompromiss av sikkerhet og effektiv partikkelavsetning, samt tilgjengelighet av spenningskilder i dette området.
Elektroder
Siden den nøyaktige avstanden på 1 mm mellom sensorelektrodene er så avgjørende for ytelsen, kan enda mer utviklingsarbeid legges inn i dette trinnet. For eksempel kan den 3D-printede armaturen gjøres enda mer nøyaktig, eller en dreiebenk kan brukes i stedet for en enkel rørkutter for skjæring og avgrading, hvis utstyret er tilgjengelig. Et annet alternativ er å bruke en sag i stedet for en rørkutter. I dette tilfellet må sagens kanter males etterpå. Denne metoden forårsaker mindre deformasjon enn rørkutteren, men tar lengre tid. I forhold til epoksylim gir silikon kablene mer plass til å bevege seg, og det blir lettere å omplassere elektrodene. Men siden kablene har mer plass til å bevege seg, er det vanskeligere å forsegle sensoren. I stedet for vakuumklemmen, som er lettere å åpne på en gang, er en selvfremstillet design også mulig. Her må bare hull for noen skruer og et hulrom for tetningsledningen endres i 3D-designet.
MFC
MFC bestemmer hvor mye av aerosolen som suges gjennom sensoren; Resten skal kunne dreneres gjennom et overløp med et HEPA-filter plassert på slutten av overløpet, for å unngå forurensning av rommet. Ved å velge en rimeligere pumpe i stedet for en MFC, vil høyere strømningssvingninger påvirke sensorsignalet negativt.
Fortynningsbro
Som vist i figur 9, kan en fortynningsbro bygges med en enkel nålventil parallelt med ett eller flere HEPA-filtre. Andre design inkluderer en liten vise for å klemme røret i stedet for nålventilen. Denne designen har fordelen at røret kan rengjøres lettere. Jo flere spoler en slik vise har, jo finere kan konsentrasjonen justeres. Dette er spesielt viktig for kalibreringsmålinger, der høy dynamikk bør unngås.
Benk multimeter
Benkmultimeteret måler en spenning, som må deles med verdien av intern motstand for å oppnå riktig strømverdi. Avhengig av det valgte måleområdet (f.eks. 100 V), kan denne interne motstandsverdien variere (f.eks. 1 MΩ). Det er viktig å velge et definert område slik at den interne motstandsverdien er den samme for alle målte verdier. Hvis "automatisk rekkevidde" er valgt, må den interne motstandsverdien også spores.
Feilsøking
3D-skriver
Hvis skriveren stopper, bør tanken kontrolleres for rester av den siste utskriften; Mikseren setter seg ofte fast. Man bør observere de første minuttene av utskriftsprosessen. Hvis det er tett, er det enten fordi de riktige kutteinnstillingene ikke er angitt, eller at det ferske trykket ikke er lagret under UV-beskyttede forhold før etterbehandling. I slicerinnstillingene skal ingen støttepunkter blokkere strømningskanalen og rommet mellom elektrodene, og det må ikke klikkes på boksen for interne støttestrukturer før filen sendes til skriveren.
Aerosolkilde + fortynningsbro
Hvis aerosolkilden virker ustabil, bør alle HEPA-filtrene kontrolleres for å sikre at de er i riktig posisjon og ikke er tilstoppet. Aerosolgeneratoren og referanseinstrumentet bør også kontrolleres for å sikre at de er ferdige med oppvarmingsfasen.
Sensor
De vanligste feilene skyldes utilstrekkelig strømforsyningstilkobling, luftlekkasje ved sensoren eller når avsatte partikler danner sotbroer mellom elektrodene. Først åpnes sensoren for å sjekke om det har dannet seg sotbroer mellom elektrodene. Strømkilden må være slått av før du kobler fra sensorkablene og åpner sensoren. Sotbroer er lett synlige for det blotte øye og kan fjernes med liten innsats. For å fjerne sotbroer, er det best å bruke en optisk rengjøringsklut eller lofri bomullspinne.
En lekkasje som endrer strømningsoppførselen i sensoren, samt en lavere spenning ved elektrodene, kan endre sensorsignalet. Det er ikke mulig å si på forhånd hvilket av disse problemene som er ansvarlig for en uventet sensorrespons. Derfor er det viktig å kontrollere både tettheten og spenningsstabiliteten som følger. Først kontrolleres tilkoblingen fra kabelen til elektrodene (protokolltrinn 4.4). Deretter kontrolleres spenningskilden for å se om den leverer de forventede voltene. En luftlekkasje identifiseres best med lekkasjespray. I tillegg til dette kan tettheten også kontrolleres med en vakuumpumpe, som beskrevet i protokolltrinn 4.4.2.
Begrensninger
Begrensningen av en elektrostatisk sensor er godt beskrevet av Maricq et al.14. I sitt arbeid understreker de viktigheten av en stabil spenningskilde og en stabil sensorstrøm for ytelsen til sensoren. Av denne grunn bør et oppsett med en MFC eller en pumpe alltid brukes til strømningskontroll, som beskrevet i figur 10. I tillegg trenger sensoren lengre tid for å nå likevekt under den første testen. I videre eksperimenter, hvor en stabil dendrittpopulasjon har lagt seg på elektrodene, reduseres tiden det tar å starte opp sensoren. Det skal imidlertid generelt bemerkes at sensoren alltid trenger en oppstartstid for å bli operativ, avhengig av den opprinnelige konsentrasjonen.
I motsetning til en flat design, som i Bilby et al., er sensordrift ikke et stort problem i dette sylindriske arrangementet12. Imidlertid er raske konsentrasjonsendringer ved lave partikkelkonsentrasjoner fortsatt vanskelig å oppdage med sensoren. Som indikert av Diller et al. og Maricq et al., for et meningsfylt målesignal, er den målte verdien i gjennomsnitt over 2-10 min, avhengig av hvor mye strømmen endres i eksperimentet14,15.
Med en helning på 2,8 nAm3/mg og et standardavvik på ±1,4 nA er avviket fra regresjonslinjen i figur 11 høyt. For en bedre forståelse av sensorens nøyaktighet anbefales sammenligning av flere eksperimenter. For gjentatte forsøk utgjør helningen 3,5 nAm 3/mg med et standardavvik på ±1,0 nA, og 4,9 nAm3/mg med et standardavvik på ± 0,6 nA. I tillegg vil sensoren gi en veldig høy avlesning i det øyeblikket spenningskilden slås på. Denne startverdien filtreres ut av målingsdataene.
Fordelen med metoden som presenteres her ligger helt klart i enkelheten, men også i de allsidige mulighetene for å tilpasse sensorformen til ulike behov. Derfor, i tillegg til sot, kan sensoren oppdage et stort utvalg av ladede partikler og er egnet for et bredt spekter av applikasjoner, for eksempel partikkeldeteksjon fra kraftverk, brannfeller, industrier og biler. Dette papiret bør være et insentiv til byråer, bedrifter, forskerteam, borgerforskere og alle som er interessert i deteksjon av partikler for å reprodusere denne enkle sensorkonstruksjonshåndboken og bygge sin egen partikkeldetektor.
Disclosures
Forfatteren er ansatt ved Silicon Austria Labs og er student ved det tekniske universitetet Graz. Det er ingen andre interessekonflikter å oppgi.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble finansiert av COMET-senteret "ASSIC-Austrian Smart Systems Integration Research Center". ASSIC er delfinansiert av BMK, BMDW og de østerrikske provinsene Kärnten og Steiermark innenfor COMET-kompetansesentrene for utmerkede teknologier-programmet til det østerrikske forskningsfremmende byrået (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/ |
References
- World Health Organization. Health Effects of Particulate Matter: Policy Implications for Countries in Eastern Europe, Caucasus and Central Asia. World Health Organization. , (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kulkarni, P., Baron, P. A., Willeke, K. Aerosol Measurement: Principles, Techniques, and Applications. , Wiley. Hoboken, NJ. (2011).
- Agarwal, J. K., Sem, G. J. Continuous flow, single-particle-counting condensation nucleus counter. Journal of Aerosol Science. 11 (4), 343-357 (1980).
- 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).
- Warey, A., Hall, M. J. Performance characteristics of a new on-board engine exhaust particulate matter sensor. SAE Transactions. 114 (14), 1489-1497 (2005).
- 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).
- 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).
