Waiting
Login processing...

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

Engineering

גלאי חלקיקים בעלות נמוכה התומך בייצור תוספים

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

Summary

כאן, אנו מציגים פרוטוקול כיצד לבנות ולבדוק גלאי חלקיקים פשוט אך יעיל בעלות נמוכה.

Abstract

מכיוון שחלקיקים בגודל של 1 מיקרומטר או פחות מהווים סיכון בריאותי חמור לגוף האדם, יש חשיבות רבה לאיתור ולוויסות פליטת החלקיקים. חלק גדול מפליטות החלקיקים נפלט על ידי מגזר התחבורה. רוב גלאי החלקיקים הזמינים מסחרית הם מגושמים, יקרים מאוד וזקוקים לציוד נוסף. מאמר זה מציג פרוטוקול לבנייה ובדיקה של גלאי חלקיקים עצמאי, קטן וחסכוני.

המוקד של מאמר זה טמון בתיאור מדריך הבנייה המפורט עם וידאו ואת הליך הערכת החיישן. מודל התכנון בעזרת מחשב של החיישן כלול בחומר המשלים. המדריך מסביר את כל שלבי הבנייה, החל מהדפסה תלת מימדית ועד לחיישן התפעולי במלואו. החיישן מסוגל לזהות חלקיקים טעונים ולכן מתאים למגוון רחב של יישומים. תחום יישום אפשרי יהיה גילוי פיח מתחנות כוח, שריפות, תעשיות וכלי רכב.

Introduction

שאיפת חלקיקים בגודל של 1 מיקרומטר או פחות מהווה סיכון גבוה להשפעות בריאותיות שליליות על גוף האדם. עם הזיהום הסביבתי הגובר מתהליכי בעירה, מחלות נשימה גדלות באוכלוסייה 1,2,3. כדי לקדם בריאות ולנטרל את הזיהום, יש צורך לזהות תחילה את מקורות הזיהום ולכמת את מידת הזיהום. ניתן לעשות זאת עם גלאי חלקיקים קיימים. עם זאת, אלה גדולים ולעתים קרובות יקרים מדי למטרות מדע פרטי או אזרחי.

רבים מגלאי החלקיקים הזמינים מסחרית הם מגושמים, יקרים מאוד, ודורשים ציוד נוסף להפעלה4. רובם זקוקים גם למספר שלבים של מיזוג אירוסולים. לדוגמה, דילול נדרש עבור גלאים המשתמשים בפיזור אור כעיקרון המדידה שלהם, וטווח המדידה מוגבל על ידי אורך הגל 5,6,7. גלאי חלקיקים המשתמשים בליבון המושרה בלייזר כעיקרון גילוי זקוקים הן למקורות לייזר עתירי אנרגיה והן למערכת קירור צורכת אנרגיה8.

גלאי חלקיקים המשתמשים במוני חלקיקי עיבוי משמשים בדרך כלל כתקן הזהב למדידת ריכוז חלקיקים; אלה זקוקים להתניה מוקדמת, דילול ונוזלי עבודה (למשל, בוטאנול)9,10,11. היתרונות של חיישן אלקטרוסטטי טמונים בעיצוב הפשוט והקומפקטי ובעלויות הייצור הנמוכות. עם זאת, בהשוואה למוני חלקיקי עיבוי, יש להסיק מסקנות משמעותיות לגבי הדיוק.

חיישן אלקטרוסטטי מייצג חלופה לשיטות אלה. חיישנים אלקטרוסטטיים יכולים להיות חזקים, קלים, זולים לייצור וניתן להפעיל אותם ללא פיקוח. הצורה הפשוטה ביותר של חיישן אלקטרוסטטי היא קבל לוח מקביל עם שדה חשמלי גבוה בין הלוחות שלו. כאשר אירוסול מועבר לאזור המתח הגבוה בין שתי אלקטרודות הנחושת, חלקיקים טעונים באופן טבעי שוקעים על אלקטרודות בקטבים שונים12 (איור 1).

דנדריטים נוצרים על פני השטח של האלקטרודות בכיוון קווי השדה של המתח הגבוה המופעל בין האלקטרודות, והם נטענים באמצעות טעינת מגע. שברים של דנדריטים אלה בסופו של דבר מנתקים את האלקטרודות ושוקעים מחדש על האלקטרודה בקוטביות הפוכה, ומעבירים את המטען שלהם. שברים אלה נושאים מספר רב של מטענים. מכיוון שהאלקטרודה מוארקת, המטען המושקע מייצר זרם המוביל לנפילת מתח בהתנגדות הפנימית של מולטימטר הספסל. ככל שזה קורה לעתים קרובות יותר ליחידת זמן, כך הזרם גבוה יותר, וכתוצאה מכך, ירידת המתח גבוהה יותר (איור 2).

בשל המתח הגבוה המושרה על ידי שקיעת המטען של השברים, אין צורך באלקטרוניקה נוספת של מגבר. היווצרותם של חלקיקי פירוק דנדריטים ושחרור המטען הבא של חלקיקים אלה מייצגים הגברת אות טבעית12. אות החיישן המתקבל פרופורציונלי לריכוז מסת החלקיקים. ניתן לזהות אות זה באמצעות מולטימטר ספסל מדף.

Figure 1
איור 1: סכמות חיישנים. אירוסול זורם לתוך כניסת התרסיס, מופץ דרך תעלת הזרימה השמאלית, ואז מגיע לרווח בין אלקטרודת המתח הגבוה (אלקטרודה פנימית) לבין אלקטרודת המדידה (אלקטרודה חיצונית). שם, החלקיקים תורמים לצמיחת הדנדריטים, וכפי שהוסבר קודם לכן, מתנתקים, ובכך יוצרים את תגובת החיישן. לאחר מכן, החלקיקים זורמים הלאה דרך ערוץ הזרימה הימני ומשאירים את החיישן במוצא התרסיס. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: עיקרון פיזיקלי. חלקיקים בעלי מטען חיובי ושלילי, כמו גם חלקיקים ניטרליים, נכנסים לפער בין האלקטרודות של קוטביות הפוכה. הם מוסטים על ידי קווי השדה החשמלי לאלקטרודה של קוטביות נגדית ומפקידים שם את המטען שלהם. לאחר מכן, הם הופכים לחלק מדנדריט ומשתלטים על המטען של האלקטרודה המתאימה. צפיפות השדה היא הגבוהה ביותר בקצה הדנדריט, שם נלכדים יותר חלקיקים. כאשר כוח הגרר עולה על כוחות הקשירה, מקטעים של הדנדריטים נשברים, אשר בתורו פוגעים באלקטרודה הנגדית ומפקידים את מטעניהם. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

עם עיצוב גלילי, כמו ב- Warey et al.10, ניתן למזער את ההסתברות להיווצרות גשרי פיח. מידע נוסף על גיאומטריית החיישן, מתח מופעל, מהירות זרימת גז וריכוז חומר חלקיקי ניתן למצוא שם. הם מציעים התאמה של אות החיישן לחומר חלקיקי הזורם דרך החיישן (משוואה 1).

חיישן (V) = 5.7 × 10-5 C V 0 e0.62V × Equation 1 (1)

C הוא ריכוז המסה של החומר החלקיקי, V0 הוא המתח המופעל, V הוא מהירות הפליטה, L הוא אורך האלקטרודה, ו-S הוא פער האלקטרודות13.

בילבי ועמיתיו התמקדו במחקר מפורט של ההשפעה הפיזיקלית הבסיסית של החיישן האלקטרוסטטי9. מחקרים אלה כללו מערך נגיש אופטית ומודל קינטי כדי להסביר את הגברת האות של חיישן מבוסס דנדריט (ראה משוואות 2 ו - 3).

Equation 2(2)

Equation 3(3)

S מייצג ערימה של דיסקיות פיח של 10-100 אגלומרטים פיח בגודל של 50-100 ננומטר; D n מייצג דנדריט עםn דיסקים; Br מציין קטע ניתוק המורכב מדיסקים f; S ו-k i הם קבועי קצב12.

מאמר זה מציג פרוטוקול כיצד לבנות ולבדוק גלאי חלקיקים פשוט אך יעיל בעלות נמוכה שניתן להשתמש בו לריכוזי חלקיקים גבוהים ללא ציוד נוסף. עבודות קודמות על סוג זה של חיישן אלקטרוסטטי התמקדו בעיקר במדידות פליטה. בעבודה זו, חלקיקי פיח שנוצרו במעבדה משמשים כאירוסולים לבדיקה. החיישן המתואר מבוסס על "עבודה קודמת של Warey et al. ו- Bilby et al12,13.

גוף החיישן מורכב מגוף מודפס תלת-ממדי מבוסס סטריאוליתוגרפיה, אלקטרודות קואקסיאליות שנחתכו משפופרות נחושת, אטם ואקום ומהדק ואקום. חומרים כמו אטם ואקום, כבל, צינורות נחושת ושרף תלת ממדי לחיישן אחד עולים פחות מ-40 אירו. הציוד הנוסף הדרוש הוא מקור מתח גבוה, מולטימטר ספסל USB ותחנת הלחמה. כדי להעריך את החיישן, נדרש גם מקור אירוסול מוגדר ומכשיר ייחוס פעם אחת (ראה טבלת חומרים). גודל החיישן המתואר בפרוטוקול זה הוא 10 ס"מ x 7 ס"מ. גודל זה נבחר במיוחד עבור הניסוי ועדיין ניתן להקטינו באופן משמעותי (ראו שינויים/מידות חיישן בדיון).

פרוטוקול זה מתאר כיצד לבנות, לבדוק ולהשתמש בחיישן חלקיקים פשוט בעלות נמוכה. שרטוט של הפרוטוקול מוצג באיור 3 – החל מההדפסה התלת-ממדית של גוף החיישן וייצור האלקטרודות, הרכבת החיישן, כמו גם בדיקה ודוגמה ליישום בשטח של החיישן.

Figure 3
איור 3: סכמטי לשיטה. הפרוטוקול מחולק לארבעה שלבים עיקריים. ראשית, כל החלקים עבור בית החיישן מודפסים. לאחר מכן, האלקטרודות מיוצרות. בשלב השלישי, בית החיישן המודפס בתלת מימד עם האלקטרודות ואטם הוואקום מורכבים. בשלב האחרון, ביצועי החיישן מוערך. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

השלבים החשובים ביותר בתהליך ההדפסה בתלת-ממד מוצגים באיור 4. בהתחלה, הגדרות כלי הפריסה הנכונות עבור ההדפסה נבחרות. לאחר מכן, החלקים החשובים ביותר של ההדפסה ואת עיבוד מראש של המודל המודפס 3D נדונים. בשלב זה יש צורך במדפסת תלת ממד שרף עם אמבט איזופרופנול ומכשיר התקשות UV ומטחנה ישרה.

Figure 4
איור 4: סכמטי של הדפסה תלת-ממדית. (A) מתואר המודל התלת-ממדי של כלי הפריסה; (ב) המדפסת בתהליך ההדפסה. שלבים לאחר עיבוד: (C) שטיפה ו-(D) התקשות UV. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 5 מראה את השלבים החשובים ביותר בייצור אלקטרודות: עיצוב הצורה של האלקטרודות, כמו גם הלחמה של המגע עם האלקטרודות. עבור שלב זה, שני צינורות נחושת בקטרים שונים, קליפר, חותך צינור, מטחנה ישרה, סגן, תחנת הלחמה ופח הלחמה, כבלים מבודדים עם שני צבעים שונים, כפפות מגן תרמיות, חותך חוט נדרשים.

Figure 5
איור 5: ייצור אלקטרודות . (A) מדידה, (B) חיתוך, (C) דיבורינג ו-(D) הלחמה של האלקטרודות. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

סעיף ההרכבה בפרוטוקול מסביר כיצד מורכב החיישן. חלקי החיישן החשובים ביותר מתוארים באיור 6, כלומר מחזיק האלקטרודה החיצוני, ערוץ הזרימה ומחזיק האלקטרודה הפנימי. איור 7 מציג את השלבים החשובים ביותר במכלול החיישן. לשם כך יש צורך בדבק אפוקסי, ביגוד מגן, אטם ואקום, מהדק ואקום, משקפי מגן וכפפות.

Figure 6
איור 6: חלקי חיישן . (A) מחזיק האלקטרודה החיצוני, (B) ערוץ זרימה, ו-(C) מחזיק האלקטרודה הפנימי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 7
איור 7: הרכבת חיישנים. כל השלבים של מכלול החיישן מוצגים. A-E מראה את ההרכבה של מחצית החיישן. (A) מחזיק האלקטרודה הפנימי מודבק לתעלת הזרימה. (B) האלקטרודה הפנימית מונחת על מחזיק האלקטרודה הפנימי. (C) האלקטרודה החיצונית ממוקמת במחזיק האלקטרודה החיצוני. (D) מחזיק האלקטרודה החיצוני מודבק על תעלת הזרימה + מכלול מחזיק האלקטרודות הפנימי. (E) איטום הוואקום נצמד לאלקטרודה החיצונית של חצי חיישן אחד ואז נצמד ל-(C), האלקטרודה החיצונית השנייה הזהה של חצי החיישן השני. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

פרק הבדיקה מסביר כיצד להגדיר את הניסוי כדי להשוות את החיישן החדש שנבנה עם מכשיר ייחוס. עבור שלב זה, מולטימטר ספסל, משאבת ואקום, אספקת מתח גבוה, גנרטור אירוסול, גשר דילול, צינורות אירוסול, התאמת Y, בקר זרימת מסה אחד (MFC), מערבל אירוסול, מכשיר ייחוס וצמר גפן נדרשים.

Protocol

1.3D הדפסה

  1. הגדרות כלי פריסה
    1. פתח את כל קבצי ה- ".stl" באמצעות תוכנת כלי הפריסה והנח את חלקי החיישן בפלטפורמה (ראה קובץ משלים 1, קובץ משלים 2, קובץ משלים 3, קובץ משלים 4, קובץ משלים 5 וקובץ משלים 6).
    2. לקבלת תוצאת הדפסה טובה, הטה את כל החלקים ביחס לפלטפורמה.
    3. צור נקודות תמיכה עם צפיפות של 0.8 וגודל נקודה של 0.4 מ"מ.
    4. בחר Clear V4 בעובי שכבה של 50 מיקרומטר.
  2. התחל להדפיס.
    1. העלה את קובץ הפלט של כלי הפריסה במדפסת התלת-ממד.
    2. חפש את זמן ההדפסה ואת אמצעי האחסון של השרף המוצגים על המסך. הכנס את מיכל ה- V4 השקוף ואת מחסנית השרף, חבר את פלטפורמת ההרכבה ופתח את מכסה המחסנית. לחץ על Start (התחל) במדפסת.
  3. עיבוד מיידי לאחר העיבוד
    1. לאחר סיום ההדפסה, פתח את המדפסת ונתק את פלטפורמת ההרכבה.
      הערה: שלב זה יכול להתעכב רק אם אתה בטוח שהדגם יישאר תחת מסך ההגנה מפני UV של המדפסת (ראה שלבים קריטיים/עיבוד לאחר הדפסה בדיון).
    2. מקלפים בעדינות את כל החלקים מהפלטפורמה ומניחים אותם באמבט איזופרופנול.
    3. הזיזו את החלקים כל הזמן במשך 20 דקות.
    4. מוציאים את החלקים כל 5 דקות ושוטפים היטב את כל הרווחים והחורים הקטנים.
  4. התקשות UV
    1. יבשו את החלקים לפני תחילת תהליך ההתקשות.
    2. שטפו את כל הרווחים והחורים הקטנים באוויר בלחץ.
    3. הכנס את החלקים למכשיר התקשות UV והקשיח אותם למשך 50 דקות ב- 40 ° C.
      הערה: הגדרה זו שונה מזמן הייבוש והטמפרטורה המומלצים של היצרן (ראה שלבים קריטיים/הדפסה לאחר עיבוד בדיון).
  5. עיבוד לאחר
    1. בדקו שכל החללים והחורים פתוחים.
    2. אם נתיב סתום, קדח או גרד אותו עם המטחנה הישרה.
    3. בדקו שכל החלקים המודפסים מתאימים כראוי ושניתן להכניס את צינורות הנחושת. אם הם לא יכולים, אז לזרוק אותם.

2. ייצור אלקטרודות

  1. יש למדוד 9 מ"מ מראש צינורות הנחושת בקוטר 18 מ"מ ו-22 מ"מ ולסמן מיקומים אלה.
  2. חותכים את הצינורות עם חותך הצינור בסימונים.
    הערה: הקפד לא להשתמש בכוח רב מדי במהלך התהליך. זה לוקח כמה סיבובים לחתוך את הצינורות (ראה שלבים קריטיים / ייצור אלקטרודות בחלק הדיון).
  3. לשבור את טבעת הנחושת בזהירות. אל תפעילו לחץ רב מדי על טבעת הנחושת בזמן הפירוק ונסו לא לשרוט את משטח האלקטרודה.
    הערה: זהו חלק קריטי מאוד ומשפיע על ביצועי החיישן (ראה שלבים קריטיים/ייצור אלקטרודות ושינויים/אלקטרודות בסעיף הדיון).
  4. הלחמת אלקטרודות
    1. הלחמת את הכבל האדום לטבעת הנחושת הפנימית (18 מ"מ) ואת הכבל השחור לטבעת הנחושת החיצונית (22 מ"מ).
    2. לטש את טבעת הנחושת כדי להיפטר משכבת הנחושת המחומצנת על פני השטח.
    3. מהדקים את הטבעת בסגן.
    4. מקדימים את טבעת הנחושת ואת הכבל ומרככים את הכבל לטבעת.
      זהירות: בשל ההלחמה, אלקטרודות הנחושת מתחממות עד 400°C. גע רק באלקטרודות עם פינצטה ולבש כפפות מגן תרמי.

3. הרכבה

  1. מערבבים את שני מרכיבי דבק האפוקסי במגש.
    הערה: חשוב מאוד להשתמש בדבק שקוף כדי להבדיל בין גשרי פיח לדבק מוקשה.
    אזהרה: יש לעבוד מתחת למכסה מנוע, ללבוש בגדי מגן (במיוחד כפפות) ולנקות את משטחי העבודה. הוראות בטיחות נוספות ניתן למצוא בגיליון נתוני הבטיחות. סכנה בריאותית: "Skin Corr. 1C - H314 Eye Dam. 1 - H318 Skin Sens. 1 - H317".
  2. הדביקו את מחזיק האלקטרודות הפנימי לתוך תעלת הזרימה והמתינו 60 דקות עד שהדבק יתקשה (איור 7A).
  3. הניחו את טבעת האלקטרודות הפנימית (18 מ"מ) על המחזיק והנחו את הכבל דרך תעלת הכבלים (איור 7B).
    הערה: ודא שיש מספיק מקום לנקודת ההלחמה.
  4. מקם את המרווח סביב האלקטרודה הפנימית.
    הערה: זהו שלב קריטי מאוד. אם המרחק בין האלקטרודות אינו בדיוק 1 מ"מ בכל מקום בחיישן כולו, ניתן להשפיע על השדה החשמלי, ולאחר מכן על ביצועי החיישן (ראו שלבים קריטיים / ייצור אלקטרודות בדיון).
  5. הניחו את טבעת האלקטרודות החיצונית (22 מ"מ) על המחזיק והזינו את הכבל דרך תעלת הכבלים (איור 7C).
  6. הדביקו את מחזיק האלקטרודה החיצוני על תעלת הזרימה. הכנס את הספייסר לרווח שבין שתי אלקטרודות הנחושת. המתינו 60 דקות עד שהדבק יתקשה (איור 7D).
  7. אטמו את כל ערוצי הכבלים בדבק אפוקסי. חכו לילה עד שהדבק יתרפא.
  8. הכנס את אטם הוואקום לשסתום המודפס של האלקטרודה החיצונית. הכניסו את שני צידי החיישן זה לתוך זה והדקו אותם באמצעות מהדק הוואקום (איור 7E,F).

4. בדיקות

  1. פתח את מהדק הוואקום של החיישן.
  2. הפריד בין שני חצאי החיישן והסר את האטם.
  3. משם, גע בטבעת האלקטרודה עם קצה בדיקה מולטימטר אחד, ובקצה הכבל המוביל לאלקטרודה עם קצה המולטימטר השני.
  4. בדיקות מקדימות
    1. בדוק את החיבור החשמלי של האלקטרודה והכבל באמצעות המולטימטר. בדוק אם ההתנגדות היא <2 Ω (בהתאם לרמת החמצון).
    2. חבר את הצינור לכניסת התרסיס ולשקע ובדוק אם החיישן אטום באמצעות משאבת הוואקום.
  5. ניסוי מקביל
    1. בנו את מערך החיישן, לפי איור 8.
      1. חבר את ספק הכוח במתח גבוה לכבל החיישן האדום (אלקטרודת מתח גבוה).
      2. חבר את כבל החיישן השחור לכניסת מתח מולטימטר של הספסל.
      3. חבר את הארקת האלקטרומטר (GND) עם ספק הכוח GND.
      4. חבר את כבל ה- USB המולטימטר למחשב.
    2. שלבו את החיישן במערך מדידת התרסיס. לפי תרשים 9.
    3. מחולל אירוסול
      1. אספקת גז: הפעל את זרימת הנדן, החנקן ואספקת הפרופאן (לחץ נדרש: חנקן, 4 בר; גזים אחרים, 1 בר כל אחד).
      2. מקור מתח: חבר את כבל המקור 24 V עבור המדפסות הרב-תכליתיות המובנות וחבר את ה-USB למחשב.
      3. תוכנה: פתח את תוכנת MFC והכנס את מספר יציאת COM הנכון. חיפוש התקנים: אם מוצגים חמישה התקנים (עבור חמישה התקנים MFC שונים), לחץ/י על ״הפסק חיפוש״. הזן את תנאי ההתחלה בהתאם למדריך למשתמש של מחולל התרסיסים: פרופאן 10 מ"ל/דקה, אוויר חמצון 1.55 ליטר/דקה, גז מרווה 7 ליטר/דקה, אוויר דילול 20 ליטר/דקה.
      4. הפעל את מחולל התרסיסים (ראה טבלת חומרים) על-ידי סיבוב ידית ההפעלה-כיבוי. כאשר הידית מופעלת, מחוון החנקן מופעל, המציין שכל נתיבי הזרימה פתוחים. החזק את התקן בטיחות האש ולחץ על כפתור ההצתה בגנרטור התרסיס; שימו לב ללהבה בחלון תא הבעירה. שחרר את התקן בטיחות האש לאחר ~ 60 שניות לאט מאוד.
      5. הזן את זרימות המסה הבאות: פרופאן של 60 מ"ל/דקה, אוויר חמצון של 1.55 ליטר/דקה, חנקן של 7 ליטר/דקה (מרווה) ואוויר דילול של 20 ליטר/דקה כדי להגדיר את פרמטרי התפלגות הגודל הנכונים.
        התראה: חבר את הגנרטור לשאר ההתקנה רק אם יש לבצע מדידות בדקות הקרובות; אחרת, המסננים של גשר הדילול ייסתמו במהירות.
    4. חבר את גשר הדילול לגנרטור התרסיס. נתקו אותו שוב והיטו את זרימת התרסיס למכסה האדים עד לתחילת הניסוי. יש לוודא כי גשר הדילול סגור לפני תחילת הניסוי.
    5. חבר את שקע גשר הדילול לכניסת מערבל התרסיס.
    6. חבר את שקע מערבל התרסיס 2 (ראה איור 9E) לכניסת החיישן.
    7. שלב את MFC.
      1. חבר מסנן ספיגת חלקיקים (HEPA) ביעילות גבוהה לשקע החיישן וחבר את שקע החיישן לכניסת MFC.
      2. חבר את ספק הכוח של ה- MFC וחבר את ה- USB למחשב.
    8. פתח את תוכנת MFC והזן את מספר יציאת COM הנכון.
      1. חפש מכשירים.
      2. לחץ על הפסק לחפש?.
      3. הזן את זרימת המסה כ - 1 L/min.
    9. מכשיר עזר (ראה טבלת חומרים)
      1. חבר את כבל ה- LAN למחשב ופתח חיבור לכתובת ה- IP של מכשיר הייחוס בדפדפן כדי לפתוח יישום Java לשליטה במכשיר הייחוס.
      2. בתוכנת בקרת מכשירי הייחוס, לחץ על Lock Resources | stand by כדי להפעיל את המשאבה.
        הערה: תהליך החימום לוקח ~ 20 דקות.
      3. לאחר שלב ההתחממות, לחצו על 'מדידה ' כדי למדוד את התרסיס הנכנס למכשיר הייחוס.
      4. בחר יחס דילול של 1:10 במכשיר הייחוס.
      5. השתמשו בהתאמה y כדי לחבר את שקע מערבל התרסיס 1 (ראו איור 9D) ואת זרימת האוויר המדללת לקצה המפוצל של התאמת ה-y (ראו איור 9C), וחברו את הקצה היחיד של התאמת ה-y לכניסת מכשיר הייחוס.
        הערה: שתי זרימות אלה משולבות לאחר מכן בקצה היחיד של התאמת y.
    10. תחילת הניסוי
      1. חברו שוב את מחולל התרסיסים לגשר הדילול וודאו שגשר הדילול סגור.
      2. לחץ על מידה במכשיר הייחוס.
      3. פתחו באיטיות את גשר הדילול עד שמגיעים לריכוז מסת האירוסול הרצוי של 3-5 מ"ג/מ"ק 3 , והתחילו לרשום נתונים במכשיר הייחוס.
      4. שימו לב לריכוז המסה של חלקיקי מכשיר הייחוס. כאשר מקור התרסיס יציב, הפעל את ספק הכוח של החיישן ב- 1,000 V והתחל לרשום את הנתונים.
        הערה: אם הריכוז אינו יציב, ראה פתרון בעיות בסעיף הדיון.
    11. אסוף נתונים מהמולטימטר של הספסל באמצעות פקודת קריאה בקונסולה או סקריפט אוטומטי.
      הערה: לאחר התייצבות זרם החיישן (כ-5 דקות), ניתן להשוות את מכשיר הייחוס לזרם החיישן.
      התראה: אם זרם החיישן עולה במהירות מעל 10-7 אמפר (מקביל ל-0.1 וולט עם התנגדות פנימית של 1 MΩ), כבה את מקור המתח הגבוה (ראה פתרון בעיות בסעיף הדיון).
    12. מדידה מקבילית: לאחר שהחיישן מגיע לשיווי משקל, מדדו שיפוע ריכוז בצעדים מ-5 מ"ג/מ"ר 3 עד 0.2 מ"ג/מ"ק 3על ידי התאמת גשר הדילול בהתאם.
      הערה: כאשר משתמשים בריכוזים גבוהים יותר, יש להגדיל את יחס הדילול של מכשיר הייחוס.
  6. נקו את החיישן עם אוויר בלחץ ומטוש לפני כל מדידה חדשה.

5. יישום שדה

  1. בנו את מערך החיישן, לפי איור 8.
    1. חבר את ספק הכוח במתח גבוה לכבל החיישן האדום (אלקטרודת מתח גבוה).
    2. חבר את כבל החיישן השחור לכניסת מתח מולטימטר של הספסל.
    3. חבר את האלקטרומטר GND עם ספק הכוח GND.
    4. חבר את כבל ה- USB המולטימטר למחשב.
  2. שלבו את הגדרת החיישן במערך המדידה החדש, לפי איור 10, וחברו את מקור התרסיס לחיישן.
  3. פצל את זרם החלקיקים היוצא ממקור התרסיס לנתיב A) הגדרת חיישן ונתיב B) אוורור.
    1. MFC או משאבה: השתמש ב- MFC כדי להעביר את הדגימה דרך החיישן.
    2. השתמש במסנן HEPA במעלה הזרם של ה- MFC. חבר את ספק הכוח של ה- MFC וחבר את ה- USB למחשב.
    3. בצע את שלב 4.5.8 למדידה מקבילית.
  4. תחילת ניסוי השדה: ודא שמקור התרסיס מחובר לקלט החיישן.
  5. הפעל את ספק הכוח של החיישן והתחל לרשום נתונים.

Figure 8
איור 8: הגדרת חיישן. דיאגרמה של הגדרת החיישן. התרסיס זורם דרך החיישן. החיישן מחובר למד-מתח ולאספקת מתח גבוה. מד המתח נשלט על ידי יחידת בקרה שרושמת את נתוני החיישן. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 9
איור 9: תוכנית ניסויית להערכת חיישנים. מקור אירוסול יציב משמש לחיקוי מקור חלקיקים. זרם החלקיקים הזורם החוצה מפוצל לנתיב (A), הגדרת חיישן; ונתיב (B), אוורור, נכנס לגשר הדילול, ומופץ הלאה למערבל אירוסולים. לאחר המיקסר, זרם התרסיס מפוצל בין נתיב מכשיר ייחוס (D), אשר מודד במקביל לחיישן. מכשיר ייחוס זה זקוק לדילול אוויר, המופץ דרך נתיב (C). נתיב (E): MFC שואב אוויר דרך החיישן. MFC זה מוגן מפני זרם התרסיס באמצעות מסנן HEPA. קיצורים: MFC = בקר זרימת המונים; מסנן HEPA = מסנן סופג חלקיקים ביעילות גבוהה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 10
איור 10: ניסוי שדה: תוכנית הניסוי. במערך זה נמדד מקור תרסיס. זרם החלקיקים היוצא מפוצל לנתיב A) הגדרת חיישן ונתיב B) אוורור ולאחר מכן נכנס לחיישן. בהתקנה זו, MFC עם מסנן HEPA במעלה הזרם שואב את התרסיס דרך החיישן. קיצורים: MFC = בקר זרימת המונים; מסנן HEPA = מסנן סופג חלקיקים ביעילות גבוהה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Representative Results

המתאם המדויק של אות החיישן למסת החלקיקים משתנה בהתאם להתפלגות מטען החלקיקים והתפלגות הגודל, כמו גם להרכב התרסיס. לכן, יש לכייל את החיישן ליישום מסוים באמצעות מכשיר ייחוס. סעיף זה מסביר כיצד להשוות את החיישן החדש שנבנה עם מכשיר ייחוס.

שלב ההתחלה של החיישן אורך כ-5-10 דקות, בהתאם לריכוז החלקיקים שנבחר. בשלב ההתחלה, אות החיישן גדל באופן משמעותי בזמן שהחיישן נחשף לריכוז חלקיקים קבוע. לאחר שלב ההתחלה, אות החיישן מתייצב. בשלב זה מגיעים למצב שיווי משקל להצטברות ופיצול של דנדריטים ואז אות החיישן פרופורציונלי לריכוז הפיח הנכנס. לאחר שלב אתחול זה, החיישן מוכן למדוד כל שינוי בריכוז התרסיס.

נתוני המדידה המוצגים באיור 11 מתחילים מרגע שהחיישן נמצא במצב שיווי המשקל שהוזכר לעיל. כדי לחשב את זרם החיישן באמפר, הנתונים שנאספו בוולט חייבים להיות מחולקים בערך ההתנגדות הפנימית כדי לקבל את הערך הנוכחי הנכון.

הציר האנכי מראה את אות החיישן באמפר והציר האופקי מראה את ריכוז התרסיס שנמדד על ידי מכשיר הייחוס במ"ג/מ' 3. התאמה ליניארית עם הפרמטרים המייצגים שלה ניתנת גם במגרש. אי הוודאות הגבוהה של הנתונים הנמדדים נובעת מהדינמיקה הגבוהה בעת התאמת הריכוז עם גשר הדילול. פרמטרי ההתאמה הליניארית הם ערך R 2 של 0.80, יירוט של -0.53 nA, ושיפוע של2.80 nAm3/mg עם סטיית תקן של 1.4 nA.

Figure 11
תרשים 11: תוצאות חיוביות. אות החיישן משורטט על הציר האנכי באמפר, ואילו ריכוז החלקיקים הנמדד על ידי מכשיר הייחוס במ"ג/מ' 3 משורטט על הציר האופקי. בנוסף, התאמה ליניארית עם הפרמטרים החשובים ביותר מתווספת העלילה. פרמטרי ההתאמה הליניארית הם ערך R 2 של 0.80, יירוט של -0.53 nA, ושיפוע של2.80 nAm3/mg. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

קיימת גם אפשרות שחלקיקים סותמים את הנתיב בין האלקטרודות, ובמקרה כזה נוצרים גשרי פיח מוליכים בין האלקטרודות. מכיוון שפיח הוא חומר מוליך, גשרי פיח אלה יוצרים קצר חשמלי בין האלקטרודות. האות הנמדד עולה במהירות עם הגדלת עובי הנתיב המוליך, עד לנקודה שבה המתח הופך כה גבוה עד שמד המתח עלול להיפגע. דוגמה לניסוי ביצירת גשרי פיח ניתן לראות באיור 12. האות עולה בקפיצות/מדרגות תלולות מאוד ואינו עוצר או משתטח. גם הדנדריטים כבר לא נוצרים, והחיישן כבר לא נמצא במצב של שיווי משקל. במקרה זה, יש לכבות את מקור המתח הגבוה באופן מיידי, לנקות את החיישן ולהתחיל במדידה חדשה.

Figure 12
תרשים 12: תוצאה שלילית. במהלך המדידה נוצר קצר חשמלי. אות החיישן באמפר משורטט על הציר האנכי וזמן המדידה משורטט על הציר האופקי. אות החיישן ממשיך לעלות ללא הגבלה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

אם מוצג קו שטוח וזרם החיישן אינו עולה כלל לערך מעל 1 nA, בצע את ההוראות לפתרון בעיות בסעיף הדיון. החיישן חייב להיות במצב שיווי משקל בכל עת כדי למדוד את התרסיס הנכנס במדויק; לכן, יש לספק ריכוז אירוסול ראשוני גבוה מספיק בתחילת הניסוי.

קובץ משלים 1: קובץ זה מייצג את קובץ התכנון בעזרת מחשב (CAD) להדפסת ערוץ הזרימה המתואר באיור 7A עם חורים לכבל. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ משלים 2: קובץ זה מייצג את קובץ CAD להדפסת ערוץ הזרימה המתואר באיור 7A ללא חורים. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ משלים 3: קובץ זה מייצג את קובץ ה-CAD להדפסת מחזיק האלקטרודות הפנימי המתואר באיור 7A. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ משלים 4: קובץ זה מייצג את קובץ ה-CAD להדפסת מחזיק האלקטרודות החיצוני המתואר באיור 7C (מימין). אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ משלים 5: קובץ זה מייצג את קובץ CAD להדפסת ערוץ הזרימה ללא חורים המתוארים באיור 7C (משמאל). אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ משלים 6: קובץ זה מייצג את קובץ ה- CAD להדפסת מרווח האלקטרודות. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

Discussion

שלבים קריטיים
עיבוד לאחר הדפסה
כמעט כל שלב בפרוטוקול זה ניתן להשהות או לדחות, למעט עיבוד לאחר עיבוד של חלקי תלת מימד מודפסים טריים (פרוטוקול שלב 1.5). אם מסך ההגנה מפני UV של המדפסת נפתח, העיבוד שלאחר צריך להתחיל מיד, אחרת ערוצי הכבלים הקטנים, כמו גם את החלל עבור האטם, ייסתם. ההתאמה המדויקת של החלל מבטיחה שניתן יהיה לאטום את החיישן לאוויר. זה חשוב מכיוון שהחיישן רגיש מאוד לתנודות זרימה. תהליך ההתקשות חשוב גם הוא (שלב פרוטוקול 1.4); אם הטמפרטורה מוגדרת גבוהה מדי, החומר הופך שביר מדי ויכול להישבר תחת הכוחות המופעלים על ידי המהדק על מחזיק האלקטרודה החיצוני.

ייצור אלקטרודות
חיתוך ופירוק זהירים (שלבי פרוטוקול 2.2-2.3) של האלקטרודות חשובים מאוד מכיוון שאי סדירות במרווח האלקטרודות גורמות להפרעות בשדה החשמל והמהירות, מה שמוביל לביצועי חיישן ירודים. במקרה הגרוע ביותר, אי סדירות חזקה יכולה לגרום לאלקטרודות להתקרב כל כך עד כי מתח ההתמוטטות הוא חריגה, וקצר חשמלי מתרחשת. מנקודה זו ואילך, לא ניתן להצהיר על אות המדידה ואלקטרוניקה המדידה מועדת לנזק.

הרכבה
הרכבת החיישן (שלבי פרוטוקול 3.4-3.6) היא קריטית, מכיוון שהדבר יוצר את פער האלקטרודות. כאמור, המרחק בין האלקטרודות חשוב מאוד; מרווח זה חייב להיות אחיד 1 מ"מ לכל אורכו. צעדים אלה חשובים מכיוון שהם יכולים לשנות את השדה החשמלי בחיישן באופן דרסטי. התנהגות התצהיר הכוללת, כמו גם היווצרות דנדריטים, יכולה להיות מושפעת מהשינוי בשדה החשמלי. לכן, כבר לא ניתן להבטיח כי תגובת החיישן היא ליניארית לתרסיס הנכנס. התרחיש הגרוע ביותר של קצר חשמלי חל גם כאן.

שינויים
הדפסה תלת מימדית
שינויים אפשריים אחרים הם השימוש בשרפים שונים להדפסה תלת מימדית. ישנם שרפים רבים ושונים בשוק שיכולים לשנות את הצפיפות, הגמישות, עמידות הטמפרטורה והחוזק של בית החיישן.

מידות חיישן
קריטריון התכנון הראשון עבור החיישן הוא תצורת בטיחות. החוזק הדיאלקטרי של האוויר בין האלקטרודות הוא 3 מ"מ/קילו-וולט. אסור לערער אורך זה בכל מקרה. ככל שהפוטנציאל החשמלי גבוה יותר, כך יותר חלקיקים שוקעים, והחלקיקים המושקעים האלה נוטים ליצור דנדריטים. מידות האלקטרודות נבחרו כך שניתן יהיה להשתמש ברכיבים סטנדרטיים זמינים בקלות. עיצובים של חיישנים דומים הידועים למחברים השתמשו במידות הבאות עבור חיישן שטוח: רוחב 9 מ"מ, אורך 2 מ"מ, מרווח 1 מ"מ ואורך 15 מ"מ, עם קוטר של 8.5 מ"מ ומרווח של 1.3 מ"מ עבור עיצוב גלילי12,13. בנוסף, יש לוודא כי ניתן לייצר את החיישן ביד בסדנה רגילה. רווח של 1 מ"מ הוא המרווח המינימלי המוחלט שעדיין מאפשר לנקות את החיישן באופן ידני. כאן, 1 קילו וולט שימש כפשרה טובה של בטיחות ותצהיר חלקיקים יעיל, כמו גם זמינות של מקורות מתח בטווח זה.

אלקטרודות
מכיוון שהמרחק המדויק של 1 מ"מ בין אלקטרודות החיישן הוא כה קריטי לביצועים, ניתן להשקיע בשלב זה עבודת פיתוח רבה אף יותר. לדוגמה, ניתן להפוך את גוף התאורה המודפס בתלת-ממד למדויק עוד יותר, או להשתמש במחרטה במקום חותך צינורות פשוט לחיתוך וחיתוך, אם הציוד זמין. אפשרות נוספת היא להשתמש במסור במקום בחותך צינור. במקרה זה, יש לטחון את שולי המסור לאחר מכן. שיטה זו גורמת לפחות עיוות מאשר חותך הצינור, אך נמשכת זמן רב יותר. בהשוואה לדבק אפוקסי, סיליקון נותן לכבלים יותר מקום לנוע, וקל יותר לרווח מחדש את האלקטרודות. עם זאת, מכיוון שלכבלים יש יותר מקום לזוז, קשה יותר לאטום את החיישן. במקום מהדק ואקום, אשר קל יותר לפתוח בבת אחת, עיצוב תוצרת עצמית הוא גם אפשרי. כאן, יש לשנות רק חורים עבור ברגים מסוימים וחלל עבור כבל האיטום בעיצוב התלת-ממדי.

MFC
ה- MFC קובע כמה מהתרסיס נשאב דרך החיישן; השאר צריך להיות מסוגל להיות מנוקז דרך הצפה עם מסנן HEPA ממוקם בסוף ההצפה, כדי למנוע זיהום של החדר. על ידי בחירת משאבה זולה יותר במקום MFC, תנודות זרימה גבוהות יותר ישפיעו לרעה על אות החיישן.

גשר דילול
כפי שניתן לראות באיור 9, ניתן לבנות גשר דילול עם שסתום מחט פשוט במקביל למסנן HEPA אחד או יותר. עיצובים אחרים כוללים ויזה קטנה לסחיטת הצינור במקום שסתום המחט. עיצוב זה יש את היתרון כי הצינור ניתן לנקות בקלות רבה יותר. ככל שיש יותר סלילים כאלה, כך ניתן לכוונן את הריכוז בצורה עדינה יותר. זה חשוב במיוחד למדידות כיול, שבהן יש להימנע מדינמיקה גבוהה.

ספסל מולטימטר
מולטימטר הספסל מודד מתח, אשר חייב להיות מחולק על ידי הערך של התנגדות פנימית כדי לקבל את הערך הנוכחי הנכון. בהתאם לטווח המדידה שנבחר (למשל, 100 וולט), ערך התנגדות פנימי זה עשוי להשתנות (למשל, 1 MΩ). חשוב לבחור טווח מוגדר כך שערך ההתנגדות הפנימית יהיה זהה לכל הערכים הנמדדים. אם נבחר "טווח אוטומטי", יש לעקוב גם אחר ערך ההתנגדות הפנימי.

פתרון בעיות
מדפסת תלת מימד
אם המדפסת עוצרת, יש לבדוק את המיכל לאיתור שאריות של ההדפסה האחרונה; המיקסר נתקע לעתים קרובות. יש להתבונן בדקות הראשונות של תהליך ההדפסה. אם הוא סתום, הסיבה לכך היא שהגדרות כלי הפריסה הנכונות לא הוגדרו או שההדפסה הטרייה לא אוחסנה בתנאים מוגנים מפני UV לפני העיבוד שלאחר העיבוד. בהגדרות כלי הפריסה, אין לחסום נקודות תמיכה בערוץ הזרימה וברווח שבין האלקטרודות, ויש לבטל את הלחיצה על התיבה מבני תמיכה פנימיים לפני שליחת הקובץ למדפסת.

מקור אירוסול + גשר דילול
אם מקור התרסיס נראה לא יציב, יש לבדוק את כל מסנני HEPA כדי לוודא שהם נמצאים במיקום הנכון ואינם סתומים. כמו כן, יש לבדוק את מחולל התרסיסים כמו גם את מכשיר הייחוס כדי לוודא שהם סיימו את שלב החימום שלהם.

חיישן
התקלות הנפוצות ביותר נגרמות על ידי חיבור ספק כוח לא מספיק, דליפת אוויר בחיישן, או כאשר חלקיקים ששקעו יוצרים גשרי פיח בין האלקטרודות. ראשית, החיישן נפתח כדי לבדוק אם נוצרו גשרי פיח בין האלקטרודות. יש לכבות את מקור החשמל לפני ניתוק כבלי החיישן ופתיחת החיישן. גשרי פיח נראים בקלות לעין בלתי וניתן להסיר אותם במאמץ מועט. כדי להסיר גשרי פיח, עדיף להשתמש במטלית ניקוי אופטית או צמר גפן ללא מוך.

דליפה שמשנה את התנהגות הזרימה בחיישן, כמו גם מתח נמוך יותר באלקטרודות, יכולה לשנות את אות החיישן. לא ניתן לומר מראש איזו מהבעיות הללו אחראית לתגובת חיישן בלתי צפויה. לכן, חשוב לבדוק הן את האטימות והן את יציבות המתח כדלקמן. ראשית, החיבור מהכבל לאלקטרודות נבדק (שלב פרוטוקול 4.4). לאחר מכן, מקור המתח נבדק כדי לראות אם הוא מספק את הוולטים הצפויים. דליפת אוויר מזוהה בצורה הטובה ביותר עם תרסיס דליפה. בנוסף לכך, ניתן לבדוק את האטימות גם באמצעות משאבת ואקום, כמתואר בשלב הפרוטוקול 4.4.2.

מגבלות
המגבלה של חיישן אלקטרוסטטי מתוארת היטב על ידי Maricq et al.14. בעבודתם הם מדגישים את החשיבות של מקור מתח יציב וזרימת חיישן יציבה לביצועי החיישן. מסיבה זו, מערך עם MFC או משאבה צריך תמיד לשמש לבקרת זרימה, כפי שמתואר באיור 10. בנוסף, החיישן זקוק לזמן ארוך יותר כדי להגיע לשיווי משקל במהלך הבדיקה הראשונה. בניסויים נוספים, שבהם אוכלוסיית דנדריטים יציבה התיישבה על האלקטרודות, משך הזמן להפעלת החיישן מצטמצם. עם זאת, יש לציין באופן כללי כי החיישן תמיד צריך זמן אתחול כדי להפוך למבצעי בהתאם לריכוז הראשוני.

בניגוד לעיצוב שטוח, כמו אצל בילבי ואחרים, סחף חיישנים אינו מהווה בעיה מרכזית בסידור גלילי זה12. עם זאת, שינויי ריכוז מהירים בריכוזי חלקיקים נמוכים עדיין קשה לזהות באמצעות החיישן. כפי שצוין על ידי דילר ואחרים ומריק ואחרים, עבור אות מדידה משמעותי, הערך הנמדד הוא ממוצע על פני 2-10 דקות, תלוי כמה משתנה הזרימה בניסוי14,15.

עם שיפוע של 2.8 nAm3/mg וסטיית תקן של ±1.4 nA, הסטייה מקו הרגרסיה באיור 11 גבוהה. להבנה טובה יותר של דיוק החיישן, מומלץ להשוות בין מספר ניסויים. עבור ניסויים חוזרים, השיפוע לוקח בחשבון 3.5 nAm 3/mg עם סטיית תקן של ±1.0 nA, ו 4.9 nAm3/mg עם סטיית תקן של ± 0.6 nA. בנוסף, החיישן ייתן קריאה גבוהה מאוד ברגע הפעלת מקור המתח. ערך התחלה זה מסונן מתוך נתוני המדידה.

יתרונה של השיטה המוצגת כאן טמון בבירור בפשטות, אך גם באפשרויות הרבגוניות להתאים את צורת החיישן לצרכים שונים. לכן, בנוסף לפיח, החיישן יכול לזהות מגוון רחב של חלקיקים טעונים ומתאים למגוון רחב של יישומים, למשל גילוי חלקיקים מתחנות כוח, שריפות, תעשיות וכלי רכב. מאמר זה צריך להוות תמריץ לסוכנויות, חברות, צוותי מחקר, מדענים אזרחיים וכל מי שמעוניין בזיהוי חומר חלקיקי לשחזר את המדריך הפשוט הזה לבניית חיישנים ולבנות גלאי חלקיקים משלהם.

Disclosures

הכותב מועסק על ידי Silicon Austria Labs והוא סטודנט באוניברסיטה הטכנית גראץ. אין ניגודי עניינים אחרים להצהיר.

Acknowledgments

עבודה זו מומנה על ידי מרכז השביט "ASSIC-Austrian Smart Systems Integration Research Center". ASSIC ממומן במשותף על ידי BMK, BMDW והמחוזות האוסטריים קרינתיה ושטיריה במסגרת תוכנית מרכזי כשירות השביט לטכנולוגיות מצוינות של הסוכנות האוסטרית לקידום המחקר (FFG).

Materials

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Tags

החודש ב-JoVE גיליון 193
גלאי חלקיקים בעלות נמוכה התומך בייצור תוספים
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Wallner, T., Bainschab, M.,… More

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

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

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

Waiting X
Simple Hit Counter