Summary
Aqui, apresentamos um protocolo sobre como construir e testar um detector de partículas simples, mas eficiente e de baixo custo.
Abstract
Como partículas com tamanho igual ou inferior a 1 μm representam um grave risco para a saúde do corpo humano, a detecção e regulação das emissões de partículas são de grande importância. Uma grande parte das emissões de partículas é emitida pelo sector dos transportes. A maioria dos detectores de partículas disponíveis comercialmente são volumosos, muito caros e precisam de equipamentos adicionais. Este artigo apresenta um protocolo para construir e testar um detector de partículas autônomo que é pequeno e econômico.
O foco deste trabalho está na descrição do manual de construção detalhado com vídeo e no procedimento de avaliação do sensor. O modelo de projeto auxiliado por computador do sensor está incluído no material suplementar. O manual explica todas as etapas de construção, desde a impressão 3D até o sensor totalmente operacional. O sensor pode detectar partículas carregadas e, portanto, é adequado para uma ampla gama de aplicações. Um possível campo de aplicação seria a detecção de fuligem de usinas de energia, incêndios florestais, indústrias e automóveis.
Introduction
A inalação de partículas com um tamanho igual ou inferior a 1 μm representa um elevado risco de efeitos adversos para a saúde do corpo humano. Com o aumento da poluição ambiental por processos de combustão, as doenças respiratórias estão crescendo na população 1,2,3. Para promover a saúde e combater a poluição, é necessário primeiro identificar as fontes de poluição e quantificar o grau de poluição. Isso pode ser feito com detectores de partículas existentes. No entanto, estes são grandes e, muitas vezes, demasiado caros para fins de ciência privada ou cidadã.
Muitos dos detectores de partículas disponíveis comercialmente são volumosos, muito caros e requerem equipamentos adicionais para serem operados4. A maioria deles também precisa de várias etapas de condicionamento de aerossóis. Por exemplo, a diluição é necessária para detectores que usam espalhamento de luz como princípio de medição, e a faixa de medição é limitada pelo comprimento de onda 5,6,7. Detectores de partículas que usam incandescência induzida por laser como princípio de detecção precisam tanto de fontes de laser de alta energia quanto de um sistema de resfriamento que consome energia8.
Detectores de partículas que usam contadores de partículas de condensação são normalmente usados como padrão-ouro para medição da concentração de partículas; estes necessitam de pré-condicionamento, diluição e fluidos de trabalho (por exemplo, butanol)9,10,11. As vantagens de um sensor eletrostático estão no design simples e compacto e nos baixos custos de fabricação. No entanto, em comparação com contadores de partículas de condensação, deduções significativas devem ser feitas em relação à precisão.
Um sensor eletrostático representa uma alternativa a esses métodos. Os sensores eletrostáticos podem ser robustos, leves, baratos de fabricar e podem ser operados sem supervisão. A forma mais simples de um sensor eletrostático é um capacitor de placa paralela com um alto campo elétrico entre suas placas. À medida que o aerossol é transportado para a região de alta tensão entre os dois eletrodos de cobre, partículas naturalmente carregadas se depositam sobre os eletrodos de polaridade diferente12 (Figura 1).
Os dendritos se formam na superfície dos eletrodos na direção das linhas de campo da alta tensão aplicada entre os eletrodos, e são carregados via carregamento por contato. Fragmentos desses dendritos acabam rompendo os eletrodos e se depositando novamente no eletrodo com polaridade oposta, transferindo sua carga. Esses fragmentos carregam um alto número de cargas. Como o eletrodo é aterrado, a carga depositada gera uma corrente que leva a uma queda de tensão na resistência interna do multímetro de bancada. Quanto mais frequentemente isso acontece por unidade de tempo, maior a corrente e, consequentemente, maior a queda de tensão (Figura 2).
Devido à alta tensão induzida pela deposição de carga dos fragmentos, não são necessários mais amplificadores eletrônicos. A formação de partículas de ruptura de dendritos e a subsequente liberação de carga dessas partículas representam uma amplificação natural do sinal12. O sinal do sensor resultante é proporcional à concentração de massa de partículas. Este sinal pode ser detectado com um multímetro de bancada pronto para uso.
Figura 1: Esquemas do sensor. O aerossol flui para a entrada do aerossol, é propagado através do canal de fluxo esquerdo e, em seguida, atinge a lacuna entre o eletrodo de alta tensão (eletrodo interno) e o eletrodo de medição (eletrodo externo). Lá, as partículas contribuem para o crescimento dos dendritos e, como explicado anteriormente, se rompem, gerando assim a resposta do sensor. Depois, as partículas fluem ainda mais pelo canal de fluxo direito e deixam o sensor na saída do aerossol. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Princípio físico. Partículas carregadas positiva e negativamente, bem como partículas neutras, entram na lacuna entre os eletrodos de polaridade oposta. Eles são desviados pelas linhas do campo elétrico para o eletrodo de polaridade oposta e depositam sua carga lá. Em seguida, tornam-se parte de um dendrito e assumem a carga do respectivo eletrodo. A densidade de campo é maior na ponta do dendrito, onde mais partículas são aprisionadas. Quando a força de arrasto excede as forças de ligação, segmentos dos dendritos se rompem, que por sua vez atingem o eletrodo oposto e depositam suas cargas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Com um desenho cilíndrico, como em Warey et al.10, a probabilidade de formação de pontes de fuligem pode ser minimizada. Mais informações sobre a geometria do sensor, tensão aplicada, velocidade do fluxo de gás e concentração de material particulado podem ser encontradas aqui. Eles sugerem correlação do sinal do sensor com o material particulado que flui através do sensor (equação 1).
Sensor (V) = 5,7 × 10-5 C V 0 e0,62V × 
(1)
C é a concentração mássica do material particulado, V0 é a tensão aplicada, V é a velocidade de exaustão, L é o comprimento do eletrodo e S é a lacuna do eletrodo13.
Bilby e col. focaram no estudo detalhado do efeito físico subjacente do sensor eletrostático9. Esses estudos incluíram uma configuração opticamente acessível e um modelo cinético para explicar a amplificação do sinal do sensor baseado em dendrito (ver equações 2 e 3).
(2º)
(3º)
S representa uma pilha de discos de fuligem de 10-100 aglomerados de fuligem com um tamanho de 50-100 nm; D n representa um dendrito comn discos; Br denota um fragmento de ruptura composto por discos f; S e ki são constantes de taxa12.
Este artigo apresenta um protocolo sobre como construir e testar um detector de partículas simples, mas eficiente e de baixo custo, que pode ser usado para altas concentrações de partículas sem equipamentos adicionais. Trabalhos anteriores sobre este tipo de sensor eletrostático se concentraram principalmente em medições de exaustão. Neste trabalho, partículas de fuligem geradas em laboratório são usadas como aerossóis de teste. O sensor descrito é baseado em trabalhos anteriores de Warey et al., Bilby et al12,13.
O corpo do sensor consiste em um corpo impresso em 3D baseado em estereolitografia, eletrodos coaxiais cortados de tubos de cobre, uma junta de vácuo e uma braçadeira de vácuo. Materiais como a junta de vácuo, cabo, tubos de cobre e resina 3D para um sensor custam menos de € 40. O equipamento adicional necessário é uma fonte de alta tensão, um multímetro de bancada USB e uma estação de solda. Para avaliar o sensor, uma fonte de aerossol definida e um instrumento de referência também são necessários uma vez (ver Tabela de Materiais). O tamanho do sensor descrito neste protocolo é de 10 cm x 7 cm. Este tamanho foi escolhido especificamente para o experimento e ainda pode ser reduzido significativamente (veja modificações/dimensões do sensor na discussão).
Este protocolo descreve como construir, testar e usar um sensor de partículas simples e de baixo custo. Um esquema do protocolo é mostrado na Figura 3 – começando com a impressão 3D do casco do sensor e a fabricação do eletrodo, a montagem do sensor, bem como testes e um exemplo de aplicação em campo do sensor.
Figura 3: Esquema do método. O protocolo é dividido em quatro etapas principais. Primeiro, todas as peças para a carcaça do sensor são impressas. Em seguida, os eletrodos são fabricados. Na terceira etapa, a carcaça do sensor impresso em 3D com os eletrodos e a junta de vácuo são montados. Na última etapa, o desempenho do sensor é avaliado. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
As etapas mais importantes do processo de impressão 3D são mostradas na Figura 4. Em primeiro lugar, as configurações de segmentação de dados corretas para a impressão são escolhidas. Em seguida, são discutidas as partes mais importantes da impressão e o pré-processamento do modelo impresso em 3D. Para esta etapa, é necessária uma impressora 3D de resina com banho de isopropanol e endurecimento UV e um moedor reto.
Figura 4: Esquema da impressão 3D. (A) O modelo 3D da segmentação de dados é representado; (B) a impressora durante o processo de impressão. Etapas de pós-processamento: (C) lavagem e (D) endurecimento UV. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
A Figura 5 mostra as etapas mais importantes da fabricação dos eletrodos: a forma de moldagem dos eletrodos, bem como a soldagem do contato com os eletrodos. Para esta etapa, são necessários dois tubos de cobre com diâmetros diferentes, um paquímetro, um cortador de tubos, um moedor reto, um vício, uma estação de solda e estanho de solda, cabos isolados com duas cores diferentes, luvas de proteção térmica e um cortador de arame.
Figura 5: Fabricação dos eletrodos: (A) Medição, (B) corte, (C) rebarbação e (D) solda dos eletrodos. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
A seção de montagem no protocolo explica como o sensor é montado. As partes mais importantes do sensor estão representadas na Figura 6, ou seja, o suporte externo do eletrodo, o canal de fluxo e o suporte interno do eletrodo. A Figura 7 mostra as etapas mais importantes na montagem do sensor. Para esta etapa, são necessários cola epóxi, roupas de proteção, selo a vácuo, braçadeira a vácuo, óculos de segurança e luvas.
Figura 6: Peças do sensor: (A) O suporte externo do eletrodo, (B) o canal de fluxo e (C) o suporte interno do eletrodo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 7: Montagem do sensor. Todas as etapas da montagem do sensor são mostradas. A-E mostra a montagem de metade do sensor. (A) O suporte interno do eletrodo é colado ao canal de fluxo. (B) O eletrodo interno é colocado sobre o suporte interno do eletrodo. (C) O eletrodo externo é colocado no suporte externo do eletrodo. (D) O suporte externo do eletrodo é colado no canal de fluxo + conjunto interno do suporte do eletrodo. (E) A vedação a vácuo encaixa-se no eletrodo externo de uma metade do sensor e, em seguida, encaixa-se em (C), o segundo eletrodo externo idêntico da outra metade do sensor. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
A seção de teste explica como configurar o experimento para comparar o sensor recém-construído com um instrumento de referência. Para esta etapa, são necessários um multímetro de bancada, bomba de vácuo, fonte de alta tensão, gerador de aerossol, ponte de diluição, tubos de aerossol, encaixe em Y, um controlador de fluxo de massa (MFC), um misturador de aerossóis, um instrumento de referência e um cotonete.
Protocol
1.3D impressão
- Configurações de segmentação de dados
- Abra todos os arquivos ".stl" com o software de segmentação de dados e coloque as partes do sensor na plataforma (consulte Arquivo Suplementar 1, Arquivo Suplementar 2, Arquivo Suplementar 3, Arquivo Suplementar 4, Arquivo Suplementar 5 e Arquivo Suplementar 6).
- Para um bom resultado de impressão, incline todas as peças em relação à plataforma.
- Gere pontos de apoio com densidade de 0,8 e tamanho de ponto de 0,4 mm.
- Selecione Limpar V4 com uma espessura de camada de 50 μm.
- Comece a imprimir.
- Carregue o arquivo de saída da segmentação de dados na impressora 3D.
- Procure o tempo de impressão e os volumes de resina que são exibidos na tela. Insira o tanque V4 transparente e o cartucho de resina, conecte a plataforma de montagem e abra a tampa do cartucho. Pressione Iniciar na impressora.
- Pós-processamento imediato
- Após a conclusão da impressão, abra a impressora e retire a plataforma de montagem.
NOTA: Esta etapa só pode ser atrasada se tiver certeza de que o modelo permanecerá sob a tela de proteção UV da impressora (consulte etapas críticas/pós-processamento de impressão na discussão). - Descasque suavemente todas as partes da plataforma e coloque-as em um banho de isopropanol.
- Mova as peças constantemente por 20 min.
- Retire as peças a cada 5 min e limpe bem todos os pequenos vãos e orifícios.
- Após a conclusão da impressão, abra a impressora e retire a plataforma de montagem.
- Endurecimento UV
- Seque as peças antes de iniciar o processo de endurecimento.
- Lave todos os pequenos vãos e orifícios com ar pressurizado.
- Coloque as peças no dispositivo de endurecimento UV e endureca-as por 50 min a 40 °C.
NOTA: Esta definição difere do tempo e da temperatura de secagem recomendados pelo fabricante (consulte os passos críticos/pós-processamento de impressão na discussão).
- Pós-processamento
- Verifique se todas as cavidades e orifícios estão abertos.
- Se um caminho estiver entupido, perfure-o ou raspe-o com o moedor reto.
- Verifique se todas as peças impressas se encaixam corretamente e se os tubos de cobre podem ser inseridos. Se não puderem, lixe-os.
2. Fabricação de eletrodos
- Meça 9 mm a partir do topo dos tubos de cobre de 18 mm e 22 mm e marque estas posições.
- Corte os tubos com o cortador de tubos nas marcações.
NOTA: Certifique-se de não usar muita força durante o processo. São necessárias várias voltas para cortar os tubos (veja etapas críticas/fabricação de eletrodos na seção de discussão). - Rebarbar o anel de cobre cuidadosamente. Não coloque muita pressão sobre o anel de cobre durante a rebarbação e tente não arranhar a superfície do eletrodo.
NOTA: Esta é uma parte muito crítica e afeta o desempenho do sensor (veja etapas críticas/fabricação de eletrodos e modificações/eletrodos na seção de discussão). - Solda de eletrodos
- Solde o cabo vermelho ao anel de cobre interno (18 mm) e o cabo preto ao anel de cobre externo (22 mm).
- Polir o anel de cobre para se livrar da camada de cobre oxidado na superfície.
- Aperte o anel em um vício.
- Pré-estanhe o anel de cobre e o cabo e solde o cabo ao anel.
CUIDADO: Devido à solda, os eletrodos de cobre aquecem até 400 °C. Basta tocar os eletrodos com uma pinça e usar luvas termoprotetoras.
3. Montagem
- Misture os dois componentes da cola epóxi em uma bandeja.
OBS: É muito importante o uso de cola transparente para diferenciar pontes de fuligem de cola endurecida.
CUIDADO: Trabalhe sob uma capa de fumaça, use roupas de proteção (especialmente luvas) e limpe as superfícies de trabalho. Mais instruções de segurança podem ser encontradas na ficha de dados de segurança. Perigo para a saúde: "Skin Corr. 1C - H314 Eye Dam. 1 - H318 Skin Sens. 1 - H317". - Coloque o suporte interno do eletrodo no canal de fluxo e aguarde 60 min para que a cola endureça (Figura 7A).
- Coloque o anel interno do eletrodo (18 mm) no suporte e guie o cabo pelo canal do cabo (Figura 7B).
NOTA: Certifique-se de que há espaço suficiente para o ponto de solda. - Coloque o espaçador ao redor do eletrodo interno.
NOTA: Esta é uma etapa muito crítica. Se a distância entre os eletrodos não for exatamente 1 mm em todo o sensor, o campo elétrico e, posteriormente, o desempenho do sensor podem ser influenciados (veja etapas críticas/fabricação de eletrodos na discussão). - Coloque o anel externo do eletrodo (22 mm) no suporte e alimente o cabo através do canal do cabo (Figura 7C).
- Cole o suporte externo do eletrodo no canal de fluxo. Insira o espaçador no espaço entre os dois eletrodos de cobre. Aguarde 60 min para que a cola endureça (Figura 7D).
- Sele todos os canais do cabo com cola epóxi. Espere durante a noite para a cola curar.
- Insira o selo de vácuo na válvula impressa do eletrodo externo. Insira os dois lados do sensor um no outro e fixe-os com a braçadeira de vácuo (Figura 7E,F).
4. Testes
- Abra a braçadeira de vácuo do sensor.
- Afaste as duas metades do sensor e remova a vedação.
- A partir daí, toque o anel do eletrodo com uma ponta de sonda do multímetro e a extremidade do cabo que leva ao eletrodo com a outra ponta do multímetro.
- Pré-testes
- Teste a conexão elétrica do eletrodo e do cabo com o multímetro. Verifique se a resistência é de <2 Ω (dependendo do nível de oxidação).
- Conecte a mangueira à entrada e saída do aerossol e teste se o sensor é hermético com a bomba de vácuo.
- Experimento paralelo
- Construa a configuração do sensor, de acordo com a Figura 8.
- Conecte a fonte de alimentação de alta tensão ao cabo vermelho do sensor (eletrodo de alta tensão).
- Conecte o cabo preto do sensor à entrada de tensão do multímetro de bancada.
- Conecte o aterramento do eletrômetro (GND) com a fonte de alimentação GND.
- Conecte o cabo USB do multímetro ao PC.
- Incorpore o sensor na configuração de medição de aerossol. conforme Figura 9.
- Gerador de aerossol
- Fontes de gás: Ligue o fluxo da bainha, o fornecimento de nitrogênio e propano (pressão necessária: nitrogênio, 4 bar; outros gases, 1 bar cada).
- Fonte de alimentação: Conecte o cabo de fonte de 24 V para os MFCs integrados e conecte o USB ao PC.
- Software: abra o software MFC e insira o número da porta COM correto. Procurar dispositivos: se cinco dispositivos forem exibidos (para cinco MFCs diferentes), clique em Parar pesquisa. Insira as condições de partida de acordo com o manual do usuário do gerador de aerossol: 10 mL/min de propano, 1,55 L/min de ar de oxidação, 7 L/min de gás de têmpera, 20 L/min de ar de diluição.
- Ligue o gerador de aerossóis (consulte a Tabela de Materiais) ligando o botão ON-OFF. Quando o botão é ligado, o indicador de nitrogênio está ligado, indicando que todos os caminhos de fluxo estão abertos. Segure o dispositivo de segurança contra chamas e pressione o botão de ignição no gerador de aerossol; Observe uma chama na janela da câmara de combustão. Solte o dispositivo de segurança contra chamas após ~60 s muito lentamente.
- Insira os seguintes fluxos de massa: 60 mL/min de propano, 1,55 L/min de ar de oxidação, 7 L/min de nitrogênio (têmpera) e 20 L/min de ar de diluição para definir os parâmetros corretos de distribuição de tamanho.
CUIDADO: Conecte o gerador ao restante da configuração somente se as medições forem feitas nos próximos minutos; caso contrário, os filtros da ponte de diluição entupirão rapidamente.
- Conecte a ponte de diluição ao gerador de aerossol. Desconecte-o mais uma vez e desvie o fluxo do aerossol para o exaustor até o início do experimento. Certifique-se de que a ponte de diluição está fechada antes de iniciar a experiência.
- Conecte a saída da ponte de diluição à entrada do misturador de aerossol.
- Conecte a saída 2 do misturador de aerossol (veja a Figura 9E) à entrada do sensor.
- Incorpore o MFC.
- Conecte um filtro de absorção de partículas de alta eficiência (HEPA) à saída do sensor e conecte a saída do sensor à entrada MFC.
- Conecte a fonte de alimentação do MFC e conecte o USB ao PC.
- Abra o software MFC e insira o número da porta COM correto.
- Procure dispositivos.
- Clique em parar de pesquisar?.
- Insira o fluxo de massa como 1 L/min.
- Instrumento de referência (ver Tabela de Materiais)
- Conecte o cabo LAN ao PC e abra uma conexão com o endereço IP do instrumento de referência no navegador para abrir um aplicativo java para controlar o instrumento de referência.
- No software de controle do instrumento de referência, pressione os recursos de bloqueio | stand by para ligar a bomba.
NOTA: O processo de aquecimento leva ~20 min. - Após a fase de aquecimento, clique na medição para medir o aerossol que entra no instrumento de referência.
- Escolha uma relação de diluição de 1:10 no instrumento de referência.
- Utilize um encaixe em "y" para ligar a saída 1 do misturador de aerossóis (ver figura 9D) e o fluxo de ar de diluição à extremidade dupla do encaixe em y (ver figura 9C) e ligue a extremidade única do encaixe em y à entrada do instrumento de referência.
NOTA: Esses dois fluxos são então combinados na extremidade única do ajuste y.
- Início do experimento
- Ligue novamente o gerador de aerossóis à ponte de diluição e certifique-se de que a ponte de diluição está fechada.
- Clique em medir no instrumento de referência.
- Abra lentamente a ponte de diluição até atingir a concentração de massa de aerossol desejada de 3-5 mg/m3 e comece a registrar os dados no instrumento de referência.
- Observe a concentração mássica de partículas do instrumento de referência. Quando a fonte de aerossol estiver estável, ligue a fonte de alimentação do sensor a 1.000 V e comece a registrar os dados.
Observação : se a concentração não for estável, consulte solução de problemas na seção de discussão.
- Colete dados do multímetro de bancada com um comando de leitura no console ou um script automatizado.
NOTA: Depois que a corrente do sensor se estabiliza (aproximadamente 5 min), é possível uma comparação do instrumento de referência com a corrente do sensor.
CUIDADO: Se a corrente do sensor aumentar rapidamente acima de 10-7 A (correspondendo a 0,1 V com uma resistência interna de 1 MΩ), desligue a fonte de alta tensão (consulte a solução de problemas na seção de discussão). - Medição paralela: Depois que o sensor atingir o equilíbrio, meça um gradiente de concentração em etapas de 5 mg/m 3 a 0,2 mg/m 3ajustando a ponte de diluição de acordo.
NOTA: Quando são utilizadas concentrações mais elevadas, a razão de diluição do instrumento de referência deve ser aumentada.
- Construa a configuração do sensor, de acordo com a Figura 8.
- Limpe o sensor com ar pressurizado e um cotonete antes de cada nova medição.
5. Aplicação em campo
- Construa a configuração do sensor, de acordo com a Figura 8.
- Conecte a fonte de alimentação de alta tensão ao cabo vermelho do sensor (eletrodo de alta tensão).
- Conecte o cabo preto do sensor à entrada de tensão do multímetro de bancada.
- Conecte o eletrômetro GND com a fonte de alimentação GND.
- Conecte o cabo USB do multímetro ao PC.
- Incorpore a configuração do sensor na nova configuração de medição, de acordo com a Figura 10, e conecte a fonte de aerossol ao sensor.
- Divida o fluxo de partículas de saída da fonte de aerossol no caminho A) configuração do sensor e caminho B) ventilação.
- MFC ou bomba: Use um MFC para passar a amostra através do sensor.
- Use um filtro HEPA a montante do MFC. Conecte a fonte de alimentação do MFC e conecte o USB ao PC.
- Siga o passo 4.5.8 para medição paralela.
- Início do experimento de campo: Certifique-se de que a fonte de aerossol esteja conectada à entrada do sensor.
- Ligue a fonte de alimentação do sensor e comece a registrar os dados.
Figura 8: Configuração do sensor. Um diagrama da configuração do sensor. O aerossol flui através do sensor. O sensor é conectado ao voltímetro e a uma fonte de alta tensão. O voltímetro é controlado por uma unidade de controle que registra os dados do sensor. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 9: Plano experimental para avaliação dos sensores. Uma fonte de aerossol estável é usada para imitar uma fonte de partículas. O fluxo de partículas de saída é dividido em caminho (A), configuração do sensor; e o caminho (B), ventilação, entra na ponte de diluição, sendo posteriormente distribuído para um misturador de aerossóis. Após o misturador, a corrente de aerossol é dividida entre um caminho de instrumento de referência (D), que mede paralelamente ao sensor. Este instrumento de referência necessita de ar de diluição, que é distribuído através do caminho (C). Caminho (E): um MFC extrai ar através do sensor. Este MFC é protegido do fluxo de aerossol com um filtro HEPA. Abreviações: MFC = controlador de fluxo de massa; Filtro HEPA = filtro absorvedor de partículas de alta eficiência. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 10: Ensaio de campo: plano experimental. Nesta configuração, uma fonte de aerossol é medida. O fluxo de partículas de saída é dividido em caminho A) configuração do sensor e caminho B) ventilação e, em seguida, entra no sensor. Nesta configuração, um MFC com um filtro HEPA a montante suga o aerossol através do sensor. Abreviações: MFC = controlador de fluxo de massa; Filtro HEPA = filtro absorvedor de partículas de alta eficiência. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Representative Results
A correlação exata do sinal do sensor com a massa particulada varia com base na distribuição de carga e tamanho das partículas, bem como na composição do aerossol. Portanto, o sensor deve ser calibrado para uma determinada aplicação com um instrumento de referência. Esta seção explica como comparar o sensor recém-construído com um instrumento de referência.
A fase inicial do sensor leva aproximadamente 5-10 min, dependendo da concentração de partículas escolhida. Dentro da fase inicial, o sinal do sensor aumenta significativamente enquanto o sensor é exposto a uma concentração constante de partículas. Após a fase inicial, o sinal do sensor se estabiliza. Nesse estágio, um estado de equilíbrio para acumulação e fragmentação de dendritos é atingido e o sinal do sensor é então proporcional à concentração de fuligem recebida. Após esta fase de inicialização, o sensor está pronto para medir quaisquer mudanças na concentração de aerossóis.
Os dados de medição mostrados na Figura 11 iniciam-se a partir do momento em que o sensor se encontra no estado de equilíbrio acima mencionado. Para calcular a corrente do sensor em amperes, os dados coletados em volts devem ser divididos pelo valor da resistência interna para obter o valor correto da corrente.
O eixo vertical mostra o sinal do sensor em amperes e o eixo horizontal mostra a concentração de aerossóis medida pelo instrumento de referência em mg/m3. Um ajuste linear com seus parâmetros representativos também é dado no gráfico. A alta incerteza dos dados medidos deve-se à alta dinâmica ao ajustar a concentração com a ponte de diluição. Os parâmetros de ajuste linear são um valor de R 2 de 0,80, um intercepto de -0,53 nA e uma inclinação de2,80 nAm3/mg com um desvio padrão de 1,4 nA.
Figura 11: Resultados positivos. O sinal do sensor é plotado no eixo vertical em amperes, enquanto a concentração de partículas medida pelo instrumento de referência em mg/m3 é plotada no eixo horizontal. Além disso, um ajuste linear com os parâmetros mais importantes é adicionado ao gráfico. Os parâmetros de ajuste linear são um valor de R 2 de 0,80, um intercepto de -0,53 nA e uma inclinação de2,80 nAm3/mg. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Há também a possibilidade de que partículas obstruam o caminho entre os eletrodos, caso em que pontes de fuligem condutoras se formam entre os eletrodos. Como a fuligem é um material condutor, essas pontes de fuligem formam um curto-circuito entre os eletrodos. O sinal medido sobe rapidamente com o aumento da espessura do caminho condutor, até o ponto em que a tensão se torna tão alta que o voltímetro pode ser danificado. Um exemplo de um experimento com a formação de pontes de fuligem pode ser visto na Figura 12. O sinal sobe em saltos/degraus muito íngremes e não pára ou achata para fora. Os dendritos também não são mais formados, e o sensor não está mais em um estado de equilíbrio. Neste caso, a fonte de alta tensão deve ser desligada imediatamente, o sensor deve ser limpo e uma nova medição deve ser iniciada.
Figura 12: Resultado negativo. Ocorreu um curto-circuito durante a medição. O sinal do sensor em amperes é plotado no eixo vertical e o tempo de medição é plotado no eixo horizontal. O sinal do sensor continua a aumentar sem restrições. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Se uma linha plana for exibida e a corrente do sensor não subir para um valor acima de 1 nA, siga as instruções de solução de problemas na seção de discussão. O sensor deve estar sempre no estado de equilíbrio para medir com precisão o aerossol de entrada; Por conseguinte, deve ser fornecida uma concentração inicial de aerossóis suficientemente elevada no início da experiência.
Arquivo suplementar 1: esse arquivo representa o arquivo CAD (projeto auxiliado por computador) para imprimir o canal de fluxo representado na Figura 7A com orifícios para o cabo. Clique aqui para baixar este arquivo.
Arquivo suplementar 2: esse arquivo representa o arquivo CAD para imprimir o canal de fluxo representado na Figura 7A sem furos. Clique aqui para baixar este arquivo.
Arquivo suplementar 3: Este arquivo representa o arquivo CAD para imprimir o suporte interno do eletrodo representado na Figura 7A. Clique aqui para baixar este arquivo.
Arquivo suplementar 4: Este arquivo representa o arquivo CAD para imprimir o suporte externo do eletrodo representado na Figura 7C (à direita). Clique aqui para baixar este arquivo.
Arquivo suplementar 5: Este arquivo representa o arquivo CAD para imprimir o canal de fluxo sem furos representados na Figura 7C (esquerda). Clique aqui para baixar este arquivo.
Arquivo suplementar 6: Este arquivo representa o arquivo CAD para imprimir o espaçador de eletrodos. Clique aqui para baixar este arquivo.
Discussion
Etapas críticas
Pós-processamento de impressão
Quase qualquer etapa deste protocolo pode ser pausada ou adiada, exceto para o pós-processamento das peças 3D recém-impressas (etapa de protocolo 1.5). Se a tela de proteção UV da impressora for aberta, o pós-processamento deve começar imediatamente, caso contrário, os pequenos canais de cabo, bem como a cavidade para o selo, obstruirão. O ajuste preciso da cavidade garante que o sensor possa ser hermético. Isso é importante porque o sensor é muito sensível às flutuações de fluxo. O processo de endurecimento também é importante (etapa do protocolo 1.4); Se a temperatura for muito alta, o material torna-se muito frágil e pode quebrar sob as forças exercidas pela braçadeira no suporte externo do eletrodo.
Fabricação de eletrodos
O corte e rebarbação cuidadosos (etapas do protocolo 2.2-2.3) dos eletrodos é muito importante, pois irregularidades no gap do eletrodo causam perturbações nos campos elétrico e de velocidade, o que leva a um baixo desempenho do sensor. No pior cenário, uma forte irregularidade pode fazer com que os eletrodos cheguem tão perto que a tensão de ruptura seja excedida e ocorra um curto-circuito. A partir deste ponto, nenhuma declaração pode ser feita sobre o sinal de medição e a eletrônica de medição é propensa a danos.
Assembléia
A montagem do sensor (etapas do protocolo 3.4-3.6) é crucial, pois isso cria a lacuna do eletrodo. Como mencionado acima, a distância entre os eletrodos é muito importante; esta folga deve ser uniformemente de 1 mm em todo o comprimento. Essas etapas são importantes porque podem alterar drasticamente o campo elétrico no sensor. O comportamento geral de deposição, bem como a formação de dendritos, pode ser influenciado pela mudança no campo elétrico. Assim, não é mais possível garantir que a resposta do sensor seja linear ao aerossol de entrada. O pior cenário de um curto-circuito também se aplica aqui.
Modificações
Impressão 3D
Outras possíveis modificações são o uso de diferentes resinas de impressão 3D. Existem muitas resinas diferentes no mercado que podem alterar a densidade, flexibilidade, resistência à temperatura e resistência da carcaça do sensor.
Dimensões do sensor
O primeiro critério de projeto para o sensor é uma configuração de segurança. A força dielétrica do ar entre os eletrodos é de 3 mm/kV. Este comprimento não deve, em caso algum, ser subcotado. Quanto maior o potencial elétrico, mais partículas são depositadas, e essas partículas depositadas são então propensas a formar dendritos. As dimensões dos eletrodos foram escolhidas para que componentes padrão facilmente disponíveis possam ser usados. Projetos de sensores similares conhecidos pelos autores utilizaram as seguintes dimensões para um sensor plano: 9 mm de largura, 2 mm de comprimento, 1 mm de gap e 15 mm de comprimento, com diâmetro de 8,5 mm e gap de 1,3 mm para um desenho cilíndrico12,13. Além disso, deve assegurar-se que o sensor possa ser fabricado à mão numa oficina normal. Uma folga de 1 mm é a folga mínima absoluta que ainda permite que o sensor seja limpo manualmente. Aqui, 1 kV foi utilizado como um bom compromisso de segurança e deposição eficiente de partículas, bem como disponibilidade de fontes de tensão nesta faixa.
Eletrodos
Uma vez que a distância exata de 1 mm entre os eletrodos do sensor é tão crucial para o desempenho, ainda mais trabalho de desenvolvimento pode ser colocado nesta etapa. Por exemplo, o acessório impresso em 3D pode ser ainda mais preciso, ou um torno pode ser usado em vez de um simples cortador de tubos para corte e rebarbação, se o equipamento estiver disponível. Outra opção é usar uma serra em vez de um cortador de tubos. Neste caso, as bordas da serra devem ser moídas depois. Este método causa menos deformação do que o cortador de tubos, mas leva mais tempo. Em comparação com a cola epóxi, o silicone dá aos cabos mais espaço para se mover, e torna-se mais fácil reespaçar os eletrodos. No entanto, como os cabos têm mais espaço para se mover, é mais difícil vedar o sensor. Em vez da braçadeira a vácuo, que é mais fácil de abrir de uma só vez, um design feito por conta própria também é viável. Aqui, apenas furos para alguns parafusos e uma cavidade para o cabo de vedação devem ser alterados no projeto 3D.
MFC
O MFC determina quanto do aerossol é sugado através do sensor; o resto deve poder ser drenado através de um transbordamento com um filtro HEPA colocado no final do transbordamento, para evitar a poluição da sala. Ao escolher uma bomba mais barata em vez de uma MFC, flutuações de fluxo mais altas influenciarão negativamente o sinal do sensor.
Ponte de diluição
Como visto na Figura 9, uma ponte de diluição pode ser construída com uma válvula de agulha simples paralela a um ou mais filtros HEPA. Outros projetos incluem uma pequena morsa para apertar o tubo em vez da válvula da agulha. Este projeto tem a vantagem de que o tubo pode ser limpo mais facilmente. Quanto mais bobinas essa morsa tiver, mais fina a concentração pode ser ajustada. Isso é especialmente importante para medições de calibração, onde a alta dinâmica deve ser evitada.
Multímetro de bancada
O multímetro de bancada mede uma tensão, que deve ser dividida pelo valor da resistência interna para se obter o valor correto da corrente. Dependendo da faixa de medição escolhida (por exemplo, 100 V), esse valor de resistência interna pode variar (por exemplo, 1 MΩ). É importante selecionar um intervalo definido para que o valor da resistência interna seja o mesmo para todos os valores medidos. Se o "auto range" for escolhido, o valor da resistência interna também deve ser rastreado.
Solucionando problemas
Impressora 3D
Se a impressora parar, o tanque deve ser verificado quanto a resíduos da última impressão; o misturador muitas vezes fica preso. Deve-se observar os primeiros minutos do processo de impressão. Se ele estiver entupido, é porque as configurações corretas da segmentação de dados não foram definidas ou a impressão nova não foi armazenada em condições protegidas por UV antes do pós-processamento. Nas configurações de segmentação de dados, nenhum ponto de suporte deve obstruir o canal de fluxo e o espaço entre os eletrodos, e a caixa de estruturas de suporte internas deve ser desclicada antes de enviar o arquivo para a impressora.
Fonte de aerossol + ponte de diluição
Se a fonte de aerossol parecer instável, todos os filtros HEPA devem ser verificados para garantir que estão na posição correta e não estão entupidos. Além disso, o gerador de aerossóis, bem como o instrumento de referência, devem ser verificados para garantir que terminaram sua fase de aquecimento.
Sensor
As falhas mais comuns são causadas por uma conexão insuficiente da fonte de alimentação, um vazamento de ar no sensor ou quando partículas depositadas formam pontes de fuligem entre os eletrodos. Primeiro, o sensor é aberto para verificar se pontes de fuligem se formaram entre os eletrodos. A fonte de alimentação deve ser desligada antes de desconectar os cabos do sensor e abrir o sensor. Pontes de fuligem são facilmente visíveis a olho nu e podem ser removidas com pouco esforço. Para remover pontes de fuligem, é melhor usar um pano de limpeza óptico ou cotonete sem fiapos.
Um vazamento que altera o comportamento do fluxo no sensor, bem como uma tensão mais baixa nos eletrodos, pode alterar o sinal do sensor. Não é possível dizer com antecedência qual desses problemas é responsável por uma resposta inesperada do sensor. Portanto, é importante verificar tanto a estanqueidade quanto a estabilidade da tensão da seguinte forma. Primeiro, a conexão do cabo aos eletrodos é verificada (etapa de protocolo 4.4). Em seguida, a fonte de tensão é verificada para ver se está entregando os volts esperados. Um vazamento de ar é melhor identificado com spray de vazamento. Além disso, a estanqueidade também pode ser verificada com uma bomba de vácuo, conforme descrito na etapa de protocolo 4.4.2.
Limitações
A limitação de um sensor eletrostático é bem descrita por Maricq et al.14. Em seu trabalho, eles enfatizam a importância de uma fonte de tensão estável e um fluxo de sensor estável para o desempenho do sensor. Por esta razão, uma configuração com um MFC ou uma bomba deve sempre ser usada para o controle de fluxo, conforme descrito na Figura 10. Além disso, o sensor precisa de um tempo maior para atingir o equilíbrio durante o primeiro teste. Em experimentos posteriores, onde uma população de dendritos estável se estabeleceu nos eletrodos, a quantidade de tempo para ligar o sensor é reduzida. No entanto, deve-se notar geralmente que o sensor sempre precisa de um tempo de inicialização para se tornar operacional, dependendo da concentração inicial.
Ao contrário de um desenho plano, como em Bilby et al., a deriva do sensor não é um grande problema nesse arranjo cilíndrico12. No entanto, mudanças rápidas de concentração em baixas concentrações de partículas ainda são difíceis de detectar com o sensor. Como indicado por Diller et al., e Maricq et al., para um sinal de medida significativo, o valor medido é medido ao longo de 2-10 min, dependendo do quanto o fluxo muda no experimento14,15.
Com inclinação de 2,8 nAm3/mg e desvio padrão de ±1,4 nA, o desvio da reta de regressão na Figura 11 é alto. Para uma melhor compreensão da precisão do sensor, recomenda-se a comparação de vários experimentos. Para experimentos repetidos, a inclinação é de 3,5 nAm 3/mg com desvio padrão de ±1,0 nA e 4,9 nAm3/mg com desvio padrão de ± 0,6 nA. Além disso, o sensor dará uma leitura muito alta no momento em que a fonte de tensão for ligada. Esse valor inicial é filtrado dos dados de medição.
A vantagem do método aqui apresentado reside claramente na simplicidade, mas também nas possibilidades versáteis de adaptar a forma do sensor a diferentes necessidades. Portanto, além da fuligem, o sensor pode detectar uma grande variedade de partículas carregadas e é adequado para uma ampla gama de aplicações, por exemplo, detecção de material particulado de usinas de energia, incêndios florestais, indústrias e automóveis. Este artigo deve ser um incentivo para que agências, empresas, equipes de pesquisa, cientistas cidadãos e qualquer pessoa interessada na detecção de material particulado reproduza este manual simples de construção de sensores e construa seu próprio detector de partículas.
Disclosures
O autor é funcionário da Silicon Austria Labs e é estudante da Universidade Técnica de Graz. Não há outros conflitos de interesse a declarar.
Acknowledgments
Este trabalho foi financiado pelo Centro COMET "ASSIC-Austrian Smart Systems Integration Research Center". A ASSIC é co-financiada pela BMK, pela BMDW e pelas províncias austríacas da Caríntia e da Estíria no âmbito do programa COMET-Competence Centres for Excellent Technologies da Agência Austríaca de Promoção da Investigação (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).
