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Engineering

एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग-सक्षम कम लागत वाले कण डिटेक्टर

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

Summary

यहां, हम एक सरल लेकिन कुशल कम लागत वाले कण डिटेक्टर का निर्माण और परीक्षण करने के तरीके पर एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत करते हैं।

Abstract

चूंकि 1 μm या उससे छोटे आकार के कण मानव शरीर के लिए एक गंभीर स्वास्थ्य जोखिम पैदा करते हैं, कण उत्सर्जन का पता लगाने और विनियमन का बहुत महत्व है। पार्टिकुलेट उत्सर्जन का एक बड़ा हिस्सा परिवहन क्षेत्र द्वारा उत्सर्जित किया जाता है। व्यावसायिक रूप से उपलब्ध अधिकांश कण डिटेक्टर भारी, बहुत महंगे हैं, और अतिरिक्त उपकरणों की आवश्यकता है। यह पेपर एक स्टैंडअलोन कण डिटेक्टर बनाने और परीक्षण करने के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत करता है जो छोटा और लागत कुशल है।

इस पेपर का फोकस वीडियो और सेंसर मूल्यांकन प्रक्रिया के साथ विस्तृत निर्माण मैनुअल के विवरण में निहित है। सेंसर के कंप्यूटर-एडेड डिज़ाइन मॉडल को पूरक सामग्री में शामिल किया गया है। मैनुअल 3 डी प्रिंटिंग से लेकर पूरी तरह से परिचालन सेंसर तक सभी निर्माण चरणों की व्याख्या करता है। सेंसर आवेशित कणों का पता लगा सकता है और इसलिए अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए उपयुक्त है। आवेदन का एक संभावित क्षेत्र बिजली संयंत्रों, जंगल की आग, उद्योगों और ऑटोमोबाइल से कालिख का पता लगाना होगा।

Introduction

1 μm या उससे छोटे आकार के कणों की साँस लेना मानव शरीर पर प्रतिकूल स्वास्थ्य प्रभाव ों का एक उच्च जोखिम पैदा करता है। दहन प्रक्रियाओं से बढ़ते पर्यावरण प्रदूषण के साथ, 1,2,3 आबादी में श्वसन रोग बढ़ रहे हैं। स्वास्थ्य को बढ़ावा देने और प्रदूषण का मुकाबला करने के लिए, पहले प्रदूषण के स्रोतों की पहचान करना और प्रदूषण की डिग्री को निर्धारित करना आवश्यक है। यह मौजूदा कण डिटेक्टरों के साथ किया जा सकता है। हालांकि, ये बड़े हैं और अक्सर निजी या नागरिक विज्ञान उद्देश्यों के लिए बहुत महंगे होते हैं।

व्यावसायिक रूप से उपलब्ध कण डिटेक्टरों में से कई भारी, बहुत महंगे हैं,और संचालित होने के लिए अतिरिक्त उपकरणों की आवश्यकता होती है। उनमें से अधिकांश को कई एयरोसोल-कंडीशनिंग चरणों की भी आवश्यकता होती है। उदाहरण के लिए, डिटेक्टरों के लिए कमजोर पड़ने की आवश्यकता होती है जो अपने माप सिद्धांत के रूप में प्रकाश प्रकीर्णन का उपयोग करते हैं, और माप सीमा तरंग दैर्ध्य 5,6,7 द्वारा सीमित है। कण डिटेक्टर जो एक पहचान सिद्धांत के रूप में लेजर-प्रेरित इनकैंडेंस का उपयोग करते हैं, उन्हें उच्च ऊर्जा लेजर स्रोतों और ऊर्जा की खपत करने वाली शीतलनप्रणाली दोनों की आवश्यकता होती है।

कण डिटेक्टर जो संक्षेपण कण काउंटरों का उपयोग करते हैं, आमतौर पर कण एकाग्रता माप के लिए सोने के मानक के रूप में उपयोग किए जाते हैं; इन्हें पूर्व शर्त, कमजोर पड़ने और काम करने वाले तरल पदार्थ (जैसे, बुटानॉल) 9,10,11 की आवश्यकता होती है। इलेक्ट्रोस्टैटिक सेंसर के फायदे सरल और कॉम्पैक्ट डिजाइन और कम निर्माण लागत में निहित हैं। हालांकि, संक्षेपण कण काउंटरों की तुलना में, सटीकता के संबंध में महत्वपूर्ण कटौती की जानी चाहिए।

एक इलेक्ट्रोस्टैटिक सेंसर इन तरीकों के विकल्प का प्रतिनिधित्व करता है। इलेक्ट्रोस्टैटिक सेंसर मजबूत, हल्का, निर्माण के लिए सस्ता हो सकता है, और पर्यवेक्षण के बिना संचालित किया जा सकता है। इलेक्ट्रोस्टैटिक सेंसर का सबसे सरल रूप एक समानांतर प्लेट कैपेसिटर है जिसमें इसकी प्लेटों के बीच एक उच्च विद्युत क्षेत्र होता है। जैसा कि एरोसोल को दो तांबे के इलेक्ट्रोड के बीच उच्च वोल्टेज क्षेत्र में व्यक्त किया जाता है, स्वाभाविक रूप से चार्ज किए गए कण विभिन्न ध्रुवीयता12 (चित्रा 1) के इलेक्ट्रोड पर जमा होते हैं।

डेंड्राइट इलेक्ट्रोड की सतह पर इलेक्ट्रोड के बीच लागू उच्च वोल्टेज की क्षेत्र रेखाओं की दिशा में बनते हैं, और संपर्क चार्जिंग के माध्यम से चार्ज होते हैं। इन डेंड्राइट के टुकड़े अंततः इलेक्ट्रोड को तोड़ देते हैं और विपरीत ध्रुवीयता के साथ इलेक्ट्रोड पर फिर से जमा होते हैं, जिससे उनका चार्ज स्थानांतरित होता है। इन टुकड़ों में बड़ी संख्या में चार्ज होते हैं। क्योंकि इलेक्ट्रोड ग्राउंडेड है, जमा चार्ज एक करंट उत्पन्न करता है जिससे बेंच मल्टीमीटर के आंतरिक प्रतिरोध पर वोल्टेज में गिरावट आती है। समय की प्रति इकाई जितनी अधिक बार ऐसा होता है, धारा उतनी ही अधिक होती है, और परिणामस्वरूप, वोल्टेज में गिरावट उतनी ही अधिक होती है (चित्र 2)।

टुकड़ों के चार्ज जमाव से प्रेरित उच्च वोल्टेज के कारण, आगे एम्पलीफायर इलेक्ट्रॉनिक्स की आवश्यकता नहीं है। डेंड्राइट ब्रेक-ऑफ कणों का गठन और इन कणों की बाद की चार्ज रिलीज एक प्राकृतिक संकेत प्रवर्धन12 का प्रतिनिधित्व करती है। परिणामी सेंसर सिग्नल कण द्रव्यमान एकाग्रता के आनुपातिक है। इस सिग्नल को ऑफ-द-शेल्फ बेंच मल्टीमीटर से डिटेक्ट किया जा सकता है।

Figure 1
चित्र 1: सेंसर योजनाबद्ध। एरोसोल एरोसोल इनलेट में बहता है, बाएं प्रवाह चैनल के माध्यम से फैलता है, और फिर उच्च-वोल्टेज इलेक्ट्रोड (आंतरिक इलेक्ट्रोड) और मापने वाले इलेक्ट्रोड (बाहरी इलेक्ट्रोड) के बीच के अंतर तक पहुंचता है। वहां, कण डेंड्राइट विकास में योगदान करते हैं और, जैसा कि पहले बताया गया है, ब्रेक-ऑफ, इस प्रकार सेंसर प्रतिक्रिया उत्पन्न करता है। बाद में, कण सही प्रवाह चैनल के माध्यम से आगे बहते हैं और एयरोसोल आउटलेट पर सेंसर छोड़ देते हैं। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्र 2: भौतिक सिद्धांत। सकारात्मक और नकारात्मक रूप से चार्ज किए गए कण, साथ ही तटस्थ कण, विपरीत ध्रुवीयता के इलेक्ट्रोड के बीच की खाई में प्रवेश करते हैं। उन्हें विद्युत क्षेत्र लाइनों द्वारा विपरीत ध्रुवीयता के इलेक्ट्रोड में मोड़ दिया जाता है और वहां अपना चार्ज जमा किया जाता है। फिर, वे एक डेंड्राइट का हिस्सा बन जाते हैं और संबंधित इलेक्ट्रोड का प्रभार लेते हैं। क्षेत्र घनत्व डेंड्राइट टिप पर सबसे अधिक है, जहां अधिक कण फंस जाते हैं। जब ड्रैग फोर्स बाइंडिंग बलों से अधिक हो जाती है, तो डेंड्राइट के खंड टूट जाते हैं, जो बदले में विपरीत इलेक्ट्रोड पर हमला करते हैं और अपने चार्ज जमा करते हैं। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

एक बेलनाकार डिजाइन के साथ, जैसा कि वेरी एट अल .10 में, कालिख पुलों के गठन की संभावना को कम किया जा सकता है। सेंसर ज्यामिति, लागू वोल्टेज, गैस प्रवाह वेग और कण पदार्थ एकाग्रता के बारे में अधिक जानकारी वहां पाई जा सकती है। वे सेंसर सिग्नल के सेंसर के माध्यम से पार्टिकुलेट मैटर स्ट्रीमिंग के सहसंबंध का सुझाव देते हैं (समीकरण 1)।

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

सी कण पदार्थ की द्रव्यमान एकाग्रता है, वी0 लागू वोल्टेज है, वी निकास वेग है, एल इलेक्ट्रोड लंबाई है, और एस इलेक्ट्रोड गैप13 है।

बिल्बी एट अल इलेक्ट्रोस्टैटिक सेंसर9 के अंतर्निहित भौतिक प्रभाव के विस्तृत अध्ययन पर केंद्रित है। इन अध्ययनों में डेंड्राइट-आधारित सेंसर के सिग्नल प्रवर्धन की व्याख्या करने के लिए एक ऑप्टिकल रूप से सुलभ सेटअप और एक गतिज मॉडल शामिल था (समीकरण 2 और 3 देखें)।

Equation 2(2)

Equation 3(3)

एस 50-100 एनएम के आकार के साथ 10-100 कालिख एग्लोमेरेट्स के कालिख डिस्क के ढेर का प्रतिनिधित्व करता है; डी एनएन डिस्क के साथ एक डेंड्राइट का प्रतिनिधित्व करता है; बीआर एफ डिस्क से बना एक ब्रेक-ऑफ टुकड़े को दर्शाता है; S और ki दर स्थिरांक12 हैं।

यह पेपर एक सरल लेकिन कुशल कम लागत वाले कण डिटेक्टर का निर्माण और परीक्षण करने के तरीके पर एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत करता है जिसका उपयोग आगे के उपकरणों के बिना उच्च कण सांद्रता के लिए किया जा सकता है। इस प्रकार के इलेक्ट्रोस्टैटिक सेंसर पर पिछला काम ज्यादातर निकास माप पर केंद्रित है। इस काम में, प्रयोगशाला द्वारा उत्पन्न कालिख कणों का उपयोग परीक्षण एरोसोल के रूप में किया जाता है। वर्णित सेंसर 'वारे एट अल और बिल्बी एट अल12,13 से पिछले काम पर आधारित है।

सेंसर बॉडी में एक स्टीरियोलिथोग्राफी-आधारित 3 डी प्रिंटेड बॉडी, तांबे की ट्यूबों से काटे गए समाक्षीय इलेक्ट्रोड, एक वैक्यूम गैसकेट और एक वैक्यूम क्लैंप शामिल हैं। एक सेंसर के लिए वैक्यूम गैसकेट, केबल, तांबा ट्यूब और 3 डी राल जैसी सामग्री की लागत € 40 से कम है। आवश्यक अतिरिक्त उपकरण एक उच्च वोल्टेज स्रोत, एक यूएसबी बेंच मल्टीमीटर और एक सोल्डरिंग स्टेशन है। सेंसर का मूल्यांकन करने के लिए, एक परिभाषित एयरोसोल स्रोत और एक संदर्भ उपकरण भी एक बार आवश्यक है ( सामग्री की तालिका देखें)। इस प्रोटोकॉल में वर्णित सेंसर का आकार 10 सेमी x 7 सेमी है। यह आकार विशेष रूप से प्रयोग के लिए चुना गया था और अभी भी काफी कम किया जा सकता है (चर्चा में संशोधन / सेंसर आयाम देखें)।

यह प्रोटोकॉल वर्णन करता है कि एक साधारण कम लागत वाले कण सेंसर का निर्माण, परीक्षण और उपयोग कैसे करें। प्रोटोकॉल का एक योजनाबद्ध चित्र 3 में दिखाया गया है- सेंसर पतवार और इलेक्ट्रोड निर्माण के 3 डी प्रिंट के साथ शुरुआत, सेंसर की असेंबली, साथ ही परीक्षण और सेंसर के क्षेत्र अनुप्रयोग का एक उदाहरण।

Figure 3
चित्रा 3: विधि के लिए योजनाबद्ध। प्रोटोकॉल को चार प्रमुख चरणों में विभाजित किया गया है। सबसे पहले, सेंसर आवास के लिए सभी भागों को मुद्रित किया जाता है। फिर, इलेक्ट्रोड का निर्माण किया जाता है। तीसरे चरण में, इलेक्ट्रोड और वैक्यूम गैसकेट के साथ 3 डी मुद्रित सेंसर आवास को इकट्ठा किया जाता है। अंतिम चरण में, सेंसर प्रदर्शन का मूल्यांकन किया जाता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

3 डी प्रिंटिंग प्रक्रिया के सबसे महत्वपूर्ण चरण चित्रा 4 में दिखाए गए हैं। सबसे पहले, प्रिंट के लिए सही स्लाइसर सेटिंग्स चुनी जाती हैं। बाद में, प्रिंट के सबसे महत्वपूर्ण हिस्सों और 3 डी मुद्रित मॉडल के प्रीप्रोसेसिंग पर चर्चा की जाती है। इस चरण के लिए, एक आइसोप्रोपेनोल स्नान और यूवी हार्डनिंग डिवाइस और एक सीधी ग्राइंडर के साथ एक राल 3 डी प्रिंटर की आवश्यकता होती है।

Figure 4
चित्रा 4: 3 डी प्रिंट का योजनाबद्ध। (ए) स्लाइसर 3 डी मॉडल को चित्रित किया गया है; (बी) मुद्रण प्रक्रिया के दौरान प्रिंटर। पोस्टप्रोसेसिंग चरण: (सी) फ्लशिंग और (डी) यूवी-हार्डनिंग। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

चित्रा 5 इलेक्ट्रोड निर्माण के सबसे महत्वपूर्ण चरणों को दर्शाता है: इलेक्ट्रोड के रूप को आकार देने के साथ-साथ इलेक्ट्रोड के संपर्क की सोल्डरिंग। इस चरण के लिए, अलग-अलग व्यास वाले दो तांबे के ट्यूब, एक कैलिपर, एक पाइप कटर, एक सीधी ग्राइंडर, एक वाइस, एक सोल्डरिंग स्टेशन और सोल्डरिंग टिन, दो अलग-अलग रंगों के साथ पृथक केबल, थर्मल सुरक्षात्मक दस्ताने, और एक वायर कटर की आवश्यकता होती है।

Figure 5
चित्र 5: इलेक्ट्रोड विनिर्माण। (ए) मापना, (बी) काटना, (सी) डिबरिंग, और (डी) इलेक्ट्रोड की सोल्डरिंग। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

प्रोटोकॉल में असेंबली अनुभाग बताता है कि सेंसर कैसे इकट्ठा किया जाता है। सबसे महत्वपूर्ण सेंसर भागों को चित्रा 6 में दर्शाया गया है, अर्थात् बाहरी इलेक्ट्रोड धारक, प्रवाह चैनल और आंतरिक इलेक्ट्रोड धारक। चित्रा 7 सेंसर असेंबली में सबसे महत्वपूर्ण चरणों को दर्शाता है। इस चरण के लिए, एपॉक्सी गोंद, सुरक्षात्मक कपड़े, एक वैक्यूम सील, एक वैक्यूम क्लैंप, सुरक्षा चश्मे और दस्ताने की आवश्यकता होती है।

Figure 6
चित्र 6: सेंसर भागों. (ए) बाहरी इलेक्ट्रोड धारक, (बी) प्रवाह चैनल, और (सी) आंतरिक इलेक्ट्रोड धारक। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 7
चित्र 7: सेंसर असेंबली। सेंसर असेंबली के सभी चरण दिखाए गए हैं। ए-ई सेंसर के आधे हिस्से की असेंबली दिखाता है। (ए) आंतरिक इलेक्ट्रोड धारक प्रवाह चैनल से चिपका हुआ है। (बी) आंतरिक इलेक्ट्रोड को आंतरिक इलेक्ट्रोड धारक पर रखा जाता है। (सी) बाहरी इलेक्ट्रोड को बाहरी इलेक्ट्रोड धारक में रखा जाता है। (डी) बाहरी इलेक्ट्रोड धारक प्रवाह चैनल + आंतरिक इलेक्ट्रोड धारक असेंबली पर चिपका हुआ है। (ई) वैक्यूम सीलिंग एक सेंसर आधे के बाहरी इलेक्ट्रोड में स्नैप करती है और फिर (सी) में स्नैप करती है, दूसरे सेंसर आधे के समान दूसरे बाहरी इलेक्ट्रोड। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

परीक्षण अनुभाग बताता है कि एक संदर्भ उपकरण के साथ नव निर्मित सेंसर की तुलना करने के लिए प्रयोग कैसे सेट किया जाए। इस चरण के लिए, एक बेंच मल्टीमीटर, वैक्यूम पंप, उच्च वोल्टेज आपूर्ति, एयरोसोल जनरेटर, तनुकरण पुल, एरोसोल ट्यूब, वाई-फिटिंग, एक मास फ्लो कंट्रोलर (एमएफसी), एक एयरोसोल मिक्सर, एक संदर्भ उपकरण और एक कपास स्वैब की आवश्यकता होती है।

Protocol

1.3D मुद्रण

  1. स्लाइसर सेटिंग्स
    1. स्लाइसर सॉफ़्टवेयर के साथ सभी ".stl" फ़ाइलों को खोलें और सेंसर भागों को प्लेटफ़ॉर्म पर रखें (पूरक फ़ाइल 1, पूरक फ़ाइल 2, पूरक फ़ाइल 3, पूरक फ़ाइल 4, पूरक फ़ाइल 5, और पूरक फ़ाइल 6 देखें)।
    2. एक अच्छे मुद्रण परिणाम के लिए, प्लेटफ़ॉर्म के संबंध में सभी भागों को झुकाएं।
    3. 0.8 के घनत्व और 0.4 मिमी के बिंदु आकार के साथ समर्थन बिंदु उत्पन्न करें।
    4. 50 μm की परत मोटाई के साथ स्पष्ट V4 का चयन करें।
  2. मुद्रण प्रारंभ करें.
    1. 3D प्रिंटर पर स्लाइसर आउटपुट फ़ाइल अपलोड करें।
    2. स्क्रीन पर प्रदर्शित मुद्रण समय और राल वॉल्यूम देखें। स्पष्ट वी 4 टैंक और राल कारतूस डालें, बढ़ते मंच को संलग्न करें, और कारतूस ढक्कन खोलें। प्रिंटर पर प्रारंभ दबाएँ .
  3. तत्काल पोस्ट-प्रोसेसिंग
    1. प्रिंट समाप्त होने के बाद, प्रिंटर खोलें और माउंटिंग प्लेटफ़ॉर्म को अलग करें।
      नोट: इस चरण में केवल तभी देरी हो सकती है जब यह सुनिश्चित हो कि मॉडल प्रिंटर की यूवी सुरक्षा स्क्रीन के नीचे रहेगा (चर्चा में महत्वपूर्ण चरण / प्रिंट पोस्ट-प्रोसेसिंग देखें)।
    2. धीरे से मंच से सभी भागों को छीलें और उन्हें आइसोप्रोपेनोल स्नान में रखें।
    3. भागों को 20 मिनट के लिए लगातार हिलाएं।
    4. हर 5 मिनट में भागों को बाहर निकालें और सभी छोटे अंतराल और छेद ों को अच्छी तरह से फ्लश करें।
  4. यूवी-हार्डनिंग
    1. सख्त प्रक्रिया शुरू करने से पहले भागों को सुखाएं।
    2. दबाव वाली हवा के साथ सभी छोटे अंतराल और छेद ों को फ्लश करें।
    3. भागों को यूवी हार्डनिंग डिवाइस में रखें और उन्हें 40 डिग्री सेल्सियस पर 50 मिनट के लिए कठोर करें।
      नोट: यह सेटिंग निर्माता के अनुशंसित सुखाने के समय और तापमान से भिन्न होती है (चर्चा में महत्वपूर्ण चरण/प्रिंट पोस्ट-प्रोसेसिंग देखें)।
  5. पोस्ट-प्रोसेसिंग
    1. जांच ें कि सभी गुहाएं और छेद खुले हैं।
    2. यदि कोई रास्ता भरा हुआ है, तो इसे सीधे ग्राइंडर से ड्रिल या खुरच ें।
    3. जांचें कि सभी मुद्रित भाग ठीक से फिट होते हैं और तांबे की ट्यूब डाली जा सकती है। यदि वे नहीं कर सकते हैं, तो उन्हें रेत दें।

2. इलेक्ट्रोड विनिर्माण

  1. 18 मिमी और 22 मिमी तांबे के पाइप के शीर्ष से 9 मिमी मापें और इन स्थितियों को चिह्नित करें।
  2. पाइप को निशान पर पाइप कटर से काटें।
    नोट: सुनिश्चित करें कि प्रक्रिया के दौरान बहुत अधिक बल का उपयोग न करें। पाइप ों को काटने में कई मोड़ लगते हैं (चर्चा अनुभाग में महत्वपूर्ण चरण / इलेक्ट्रोड विनिर्माण देखें)।
  3. तांबे की अंगूठी को सावधानी से रगड़ें। डिब्यूरिंग करते समय तांबे की अंगूठी पर बहुत अधिक दबाव न डालें और इलेक्ट्रोड सतह को खरोंचने की कोशिश न करें।
    नोट: यह एक बहुत ही महत्वपूर्ण हिस्सा है और सेंसर के प्रदर्शन को प्रभावित करता है (चर्चा अनुभाग में महत्वपूर्ण चरण / इलेक्ट्रोड विनिर्माण और संशोधन / इलेक्ट्रोड देखें)।
  4. इलेक्ट्रोड सोल्डरिंग
    1. लाल केबल को आंतरिक तांबे की अंगूठी (18 मिमी) और काले केबल को बाहरी तांबे की अंगूठी (22 मिमी) में ठंडा करें।
    2. सतह पर ऑक्सीकृत तांबे की परत से छुटकारा पाने के लिए तांबे की अंगूठी को पॉलिश करें।
    3. अंगूठी को एक विकार में दबाएं।
    4. कॉपर रिंग और केबल दोनों को प्री-टिन करें और केबल को रिंग में डालें।
      सावधानी: सोल्डरिंग के कारण, तांबे के इलेक्ट्रोड 400 डिग्री सेल्सियस तक गर्म होते हैं। केवल चिमटी के साथ इलेक्ट्रोड को स्पर्श करें और थर्मो-सुरक्षात्मक दस्ताने पहनें।

3. विधानसभा

  1. एक ट्रे में एपॉक्सी गोंद के दो घटकों को मिलाएं।
    नोट: कालिख पुलों और कठोर गोंद के बीच अंतर करने के लिए पारदर्शी गोंद का उपयोग करना बहुत महत्वपूर्ण है।
    सावधानी: फ्यूम हुड के तहत काम करें, सुरक्षात्मक कपड़े (विशेष रूप से दस्ताने) पहनें, और काम की सतहों को साफ करें। सुरक्षा डेटा शीट में आगे के सुरक्षा निर्देश पाए जा सकते हैं। स्वास्थ्य खतरा: "त्वचा कोर 1 सी - एच 314 आई डैम। 1 - एच 318 स्किन सेंस 1 - एच 317"।
  2. आंतरिक इलेक्ट्रोड धारक को प्रवाह चैनल में चिपकाएं और गोंद को कठोर होने के लिए 60 मिनट प्रतीक्षा करें (चित्रा 7 ए)।
  3. धारक पर आंतरिक इलेक्ट्रोड रिंग (18 मिमी) रखें और केबल चैनल (चित्रा 7 बी) के माध्यम से केबल का मार्गदर्शन करें।
    नोट: सुनिश्चित करें कि सोल्डरिंग बिंदु के लिए पर्याप्त स्थान है।
  4. स्पेसर को आंतरिक इलेक्ट्रोड के चारों ओर रखें।
    नोट: यह एक बहुत ही महत्वपूर्ण कदम है। यदि इलेक्ट्रोड के बीच की दूरी पूरे सेंसर में हर जगह ठीक 1 मिमी नहीं है, तो विद्युत क्षेत्र, और बाद में सेंसर प्रदर्शन को प्रभावित किया जा सकता है (चर्चा में महत्वपूर्ण चरण / इलेक्ट्रोड विनिर्माण देखें)।
  5. धारक पर बाहरी इलेक्ट्रोड रिंग (22 मिमी) रखें और केबल चैनल (चित्रा 7 सी) के माध्यम से केबल को फीड करें।
  6. प्रवाह चैनल पर बाहरी इलेक्ट्रोड धारक को गोंद दें। स्पेसर को दो तांबे के इलेक्ट्रोड के बीच के अंतर में डालें। गोंद को सख्त होने के लिए 60 मिनट प्रतीक्षा करें (चित्रा 7 डी)।
  7. एपॉक्सी गोंद के साथ सभी केबल चैनलों को सील करें। गोंद के ठीक होने के लिए रात भर प्रतीक्षा करें।
  8. बाहरी इलेक्ट्रोड के मुद्रित वाल्व में वैक्यूम सील डालें। दो सेंसर पक्षों को एक दूसरे में डालें और उन्हें वैक्यूम क्लैंप (चित्रा 7 ई, एफ) के साथ बांधें।

4. परीक्षण

  1. सेंसर के वैक्यूम क्लैंप को खोलें।
  2. सेंसर के दो हिस्सों को अलग खींचें और सील को हटा दें।
  3. वहां से, एक मल्टीमीटर प्रोब टिप के साथ इलेक्ट्रोड रिंग को स्पर्श करें, और दूसरे मल्टीमीटर टिप के साथ इलेक्ट्रोड की ओर जाने वाले केबल के अंत को स्पर्श करें।
  4. प्रीटेस्ट
    1. मल्टीमीटर के साथ इलेक्ट्रोड और केबल के विद्युत कनेक्शन का परीक्षण करें। जांचें कि क्या प्रतिरोध <2 Ω है (ऑक्सीकरण के स्तर के आधार पर)।
    2. एयरोसोल इनलेट और आउटलेट पर नली प्लग करें और परीक्षण करें कि क्या सेंसर वैक्यूम पंप के साथ एयरटाइट है।
  5. समानांतर प्रयोग
    1. चित्रा 8 के अनुसार, सेंसर सेटअप का निर्माण करें।
      1. उच्च वोल्टेज बिजली की आपूर्ति को लाल सेंसर केबल (उच्च वोल्टेज इलेक्ट्रोड) से कनेक्ट करें।
      2. ब्लैक सेंसर केबल को बेंच मल्टीमीटर वोल्टेज इनपुट से कनेक्ट करें।
      3. बिजली आपूर्ति जीएनडी के साथ इलेक्ट्रोमीटर ग्राउंड (जीएनडी) को कनेक्ट करें।
      4. मल्टीमीटर USB केबल को PC से कनेक्ट करें।
    2. सेंसर को एयरोसोल माप सेटअप में शामिल करें। चित्र 9 के अनुसार।
    3. एरोसोल जनरेटर
      1. गैस की आपूर्ति: म्यान प्रवाह, नाइट्रोजन और प्रोपेन आपूर्ति चालू करें (दबाव की जरूरत: नाइट्रोजन, 4 बार; अन्य गैसों, प्रत्येक 1 बार)।
      2. पावर स्रोत: अंतर्निहित एमएफसी के लिए 24 वी स्रोत केबल में प्लग करें और यूएसबी को पीसी से कनेक्ट करें।
      3. सॉफ़्टवेयर: MFC सॉफ़्टवेयर खोलें और सही COM पोर्ट नंबर डालें। उपकरणों की खोज करें: यदि पांच डिवाइस प्रदर्शित होते हैं (पांच अलग-अलग एमएफसी के लिए), तो खोज बंद करें पर क्लिक करें। एरोसोल जनरेटर के उपयोगकर्ता मैनुअल के अनुसार शुरुआती स्थितियों को इनपुट करें: 10 एमएल / मिनट प्रोपेन, 1.55 एल / मिनट ऑक्सीकरण हवा, 7 एल / मिनट बुझाने वाली गैस, 20 एल / मिनट कमजोर हवा।
      4. ऑन-ऑफ नॉब को चालू करके एयरोसोल जनरेटर (सामग्री की तालिका देखें) शुरू करें। जब नॉब चालू होता है, तो नाइट्रोजन इंडिकेटर चालू होता है, यह दर्शाता है कि सभी प्रवाह पथ खुले हैं। लौ-सुरक्षा उपकरण को पकड़ें और एयरोसोल जनरेटर पर इग्नाइट बटन दबाएं; दहन कक्ष की खिड़की में एक लौ का निरीक्षण करें। ~ 60 सेकंड के बाद लौ-सुरक्षा उपकरण को बहुत धीरे-धीरे जारी करें।
      5. निम्नलिखित द्रव्यमान प्रवाह दर्ज करें: सही आकार वितरण पैरामीटर सेट करने के लिए 60 एमएल / मिनट प्रोपेन, 1.55 एल / मिनट ऑक्सीकरण वायु, 7 एल / मिनट नाइट्रोजन (बुझाने), और 20 एल / मिनट कमजोर हवा ।
        चेतावनी: जनरेटर को शेष सेटअप से केवल तभी कनेक्ट करें जब अगले मिनटों के भीतर माप लिया जाना हो; अन्यथा, कमजोर पड़ने वाले पुल के फिल्टर तेजी से बंद हो जाएंगे।
    4. तनुकरण पुल को एयरोसोल जनरेटर से कनेक्ट करें। इसे एक बार फिर डिस्कनेक्ट करें और प्रयोग की शुरुआत तक एयरोसोल प्रवाह को फ्यूम हुड में मोड़ दें। सुनिश्चित करें कि प्रयोग शुरू करने से पहले कमजोर पड़ने वाला पुल बंद है।
    5. तनुकरण पुल आउटलेट को एयरोसोल मिक्सर इनलेट से कनेक्ट करें।
    6. एयरोसोल मिक्सर आउटलेट 2 ( चित्रा 9 ई देखें) को सेंसर इनलेट से कनेक्ट करें।
    7. एमएफसी को शामिल करें।
      1. एक उच्च दक्षता वाले कण अवशोषण (एचईपीए) फिल्टर को सेंसर आउटलेट से कनेक्ट करें और सेंसर आउटलेट को एमएफसी इनलेट से कनेक्ट करें।
      2. एमएफसी की बिजली की आपूर्ति कनेक्ट करें और यूएसबी को पीसी से कनेक्ट करें।
    8. MFC सॉफ़्टवेयर खोलें और सही COM पोर्ट नंबर इनपुट करें।
      1. उपकरणों की खोज करें.
      2. खोज बंद करें पर क्लिक करें?.
      3. द्रव्यमान प्रवाह को 1 L/min के रूप में इनपुट करें।
    9. संदर्भ उपकरण ( सामग्री तालिका देखें)
      1. लैन केबल को पीसी से कनेक्ट करें और संदर्भ उपकरण को नियंत्रित करने के लिए जावा एप्लिकेशन खोलने के लिए ब्राउज़र में संदर्भ उपकरण के आईपी पते से कनेक्शन खोलें।
      2. संदर्भ उपकरण नियंत्रण सॉफ्टवेयर में, पंप शुरू करने के लिए लॉक संसाधन | स्टैंड बाय दबाएं।
        नोट: हीटिंग प्रक्रिया में ~ 20 मिनट लगते हैं।
      3. वार्म-अप चरण के बाद, संदर्भ उपकरण में प्रवेश करने वाले एयरोसोल को मापने के लिए माप पर क्लिक करें।
      4. संदर्भ उपकरण पर 1: 10 का कमजोर अनुपात चुनें।
      5. एयरोसोल मिक्सर आउटलेट 1 (चित्रा 9 डी देखें) और कमजोर वायु प्रवाह को वाई-फिटिंग के विभाजित छोर से जोड़ने के लिए वाई-फिटिंग का उपयोग करें ( चित्रा 9 सी देखें), और वाई-फिटिंग के एकल छोर को संदर्भ उपकरण इनलेट से कनेक्ट करें।
        नोट: इन दो प्रवाहों को तब वाई-फिटिंग के एकल छोर पर जोड़ा जाता है।
    10. प्रयोग की शुरुआत
      1. एयरोसोल जनरेटर को एक बार फिर से कमजोर पड़ने वाले पुल से कनेक्ट करें और सुनिश्चित करें कि कमजोर पड़ने वाला पुल बंद है।
      2. संदर्भ उपकरण पर माप पर क्लिक करें।
      3. धीरे-धीरे कमजोर पड़ने वाले पुल को खोलें जब तक कि 3-5 मिलीग्राम / एम3 की वांछित एरोसोल द्रव्यमान एकाग्रता तक न पहुंच जाए, और संदर्भ उपकरण पर डेटा लॉगिंग शुरू करें।
      4. संदर्भ उपकरण कण द्रव्यमान एकाग्रता का निरीक्षण करें। जब एरोसोल स्रोत स्थिर होता है, तो 1,000 वी पर सेंसर पावर सप्लाई चालू करें और डेटा लॉग िंग शुरू करें।
        नोट: एकाग्रता स्थिर नहीं है, तो चर्चा अनुभाग में समस्या निवारण देखें।
    11. कंसोल या स्वचालित स्क्रिप्ट पर रीड कमांड के साथ बेंच मल्टीमीटर से डेटा एकत्र करें।
      नोट: सेंसर करंट स्थिर होने के बाद (लगभग 5 मिनट), सेंसर करंट के साथ संदर्भ उपकरण की तुलना संभव है।
      चेतावनी: यदि सेंसर प्रवाह 10-7 ए से ऊपर तेजी से बढ़ता है (1 मीटर के आंतरिक प्रतिरोध के साथ 0.1 वी के अनुरूप), तो उच्च वोल्टेज स्रोत को बंद करें (चर्चा अनुभाग में समस्या निवारण देखें)।
    12. समानांतर माप: सेंसर के संतुलन तक पहुंचने के बाद, तनुकरण पुल को तदनुसार समायोजित करके 5 मिलीग्राम / मीटर 3 से 0.2मिलीग्राम / मीटर 3तक के चरणों में एकाग्रता ढाल को मापें।
      नोट: जब उच्च सांद्रता का उपयोग किया जाता है, तो संदर्भ उपकरण के कमजोर पड़ने के अनुपात में वृद्धि की जानी चाहिए।
  6. प्रत्येक नए माप से पहले दबाव वाली हवा और एक स्वैब के साथ सेंसर को साफ करें।

5. फ़ील्ड अनुप्रयोग

  1. चित्रा 8 के अनुसार, सेंसर सेटअप का निर्माण करें।
    1. उच्च वोल्टेज बिजली की आपूर्ति को लाल सेंसर केबल (उच्च वोल्टेज इलेक्ट्रोड) से कनेक्ट करें।
    2. ब्लैक सेंसर केबल को बेंच मल्टीमीटर वोल्टेज इनपुट से कनेक्ट करें।
    3. बिजली की आपूर्ति जीएनडी के साथ इलेक्ट्रोमीटर जीएनडी कनेक्ट करें।
    4. मल्टीमीटर USB केबल को PC से कनेक्ट करें।
  2. चित्रा 10 के अनुसार, सेंसर सेटअप को नए माप सेटअप में शामिल करें, और सेंसर के साथ एयरोसोल स्रोत को कनेक्ट करें।
  3. एरोसोल स्रोत से बाहर बहने वाले कण प्रवाह को पथ ए) सेंसर सेटअप और पथ बी) वेंटिलेशन में विभाजित करें।
    1. एमएफसी या पंप: सेंसर के माध्यम से नमूना पास करने के लिए एमएफसी का उपयोग करें।
    2. MFC के अपस्ट्रीम में HEPA फ़िल्टर का उपयोग करें। एमएफसी की बिजली की आपूर्ति कनेक्ट करें और यूएसबी को पीसी से कनेक्ट करें।
    3. समानांतर माप के लिए चरण 4.5.8 का पालन करें।
  4. फील्ड प्रयोग की शुरुआत: सुनिश्चित करें कि एयरोसोल स्रोत सेंसर इनपुट से जुड़ा हुआ है।
  5. सेंसर पावर सप्लाई पर स्विच करें और डेटा लॉगिंग शुरू करें।

Figure 8
चित्र 8: सेंसर सेटअप। सेंसर सेटअप का एक आरेख। एरोसोल सेंसर के माध्यम से बहता है। सेंसर वोल्टमीटर और एक उच्च वोल्टेज आपूर्ति से जुड़ा हुआ है। वोल्टमीटर को एक नियंत्रण इकाई द्वारा नियंत्रित किया जाता है जो सेंसर डेटा को लॉग करता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 9
चित्रा 9: सेंसर मूल्यांकन के लिए प्रयोगात्मक योजना। एक स्थिर एरोसोल स्रोत का उपयोग कण स्रोत की नकल करने के लिए किया जाता है। बहिर्वाह कण धारा को पथ (ए), सेंसर सेटअप में विभाजित किया गया है; और पथ (बी), वेंटिलेशन, कमजोर पड़ने वाले पुल में प्रवेश करता है, और आगे एक एयरोसोल मिक्सर में वितरित किया जाता है। मिक्सर के बाद, एयरोसोल स्ट्रीम को एक संदर्भ उपकरण पथ (डी) के बीच विभाजित किया जाता है, जो सेंसर के समानांतर मापता है। इस संदर्भ उपकरण को कमजोर हवा की आवश्यकता होती है, जिसे पथ (सी) के माध्यम से वितरित किया जाता है। पथ (ई): एक एमएफसी सेंसर के माध्यम से हवा खींचता है। यह एमएफसी एक एचईपीए फिल्टर के साथ एयरोसोल स्ट्रीम से सुरक्षित है। संक्षेप: एमएफसी = द्रव्यमान प्रवाह नियंत्रक; एचईपीए फिल्टर = उच्च दक्षता कण अवशोषित फिल्टर। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 10
चित्रा 10: फील्ड परीक्षण: प्रयोगात्मक योजना। इस सेटअप में, एक एयरोसोल स्रोत मापा जाता है। बहिर्वाह कण धारा को पथ ए) सेंसर सेटअप और पथ बी) वेंटिलेशन में विभाजित किया जाता है और फिर सेंसर में प्रवेश करता है। इस सेटअप में, एक एचईपीए फिल्टर के साथ एक एमएफसी सेंसर के माध्यम से एयरोसोल को चूसता है। संक्षेप: एमएफसी = द्रव्यमान प्रवाह नियंत्रक; एचईपीए फिल्टर = उच्च दक्षता कण अवशोषित फिल्टर। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Representative Results

कण द्रव्यमान के लिए सेंसर सिग्नल का सटीक सहसंबंध कण चार्ज वितरण और आकार वितरण, साथ ही एरोसोल संरचना के आधार पर भिन्न होता है। इसलिए, सेंसर को एक संदर्भ उपकरण के साथ एक विशेष अनुप्रयोग के लिए कैलिब्रेट किया जाना चाहिए। यह खंड बताता है कि एक संदर्भ उपकरण के साथ नव निर्मित सेंसर की तुलना कैसे करें।

चुने हुए कण एकाग्रता के आधार पर सेंसर के शुरुआती चरण में लगभग 5-10 मिनट लगते हैं। शुरुआती चरण के भीतर, सेंसर सिग्नल काफी बढ़ जाता है जबकि सेंसर एक निरंतर कण एकाग्रता के संपर्क में आता है। शुरुआती चरण के बाद, सेंसर सिग्नल स्थिर हो जाता है। उस स्तर पर, डेंड्राइट के संचय और विखंडन के लिए एक संतुलन स्थिति तक पहुंच जाता है और सेंसर सिग्नल तब आने वाली कालिख एकाग्रता के आनुपातिक होता है। इस प्रारंभिक चरण के बाद, सेंसर एयरोसोल एकाग्रता में किसी भी बदलाव को मापने के लिए तैयार है।

चित्रा 11 में दिखाया गया माप डेटा उस क्षण से शुरू होता है जब सेंसर उपर्युक्त संतुलन स्थिति में होता है। एम्पीयर में सेंसर करंट की गणना करने के लिए, वोल्ट में एकत्र किए गए डेटा को सही वर्तमान मान प्राप्त करने के लिए आंतरिक प्रतिरोध के मूल्य से विभाजित किया जाना चाहिए।

ऊर्ध्वाधर अक्ष एम्पीयर में सेंसर सिग्नल दिखाता है और क्षैतिज अक्ष मिलीग्राम / एम3 में संदर्भ उपकरण द्वारा मापा गया एरोसोल एकाग्रता दिखाता है। इसके प्रतिनिधि मापदंडों के साथ एक रैखिक फिट भी प्लॉट में दिया गया है। मापा डेटा की उच्च अनिश्चितता कमजोर पड़ने वाले पुल के साथ एकाग्रता को समायोजित करते समय उच्च गतिशीलता के कारण होती है। रैखिक फिट पैरामीटर 0.80 का आर 2 मान, -0.53 एनए का एक इंटरसेप्ट और 1.4 एनए के मानक विचलन के साथ2.80 एनएएम3 / मिलीग्राम की ढलान हैं।

Figure 11
चित्र 11: सकारात्मक परिणाम। सेंसर सिग्नल को एम्पीयर में ऊर्ध्वाधर अक्ष पर प्लॉट किया जाता है, जबकि मिलीग्राम / एम3 में संदर्भ उपकरण द्वारा मापा गया कण एकाग्रता क्षैतिज अक्ष पर प्लॉट किया जाता है। इसके अलावा, सबसे महत्वपूर्ण मापदंडों के साथ एक रैखिक फिट को प्लॉट में जोड़ा जाता है। रैखिक फिट पैरामीटर 0.80 का आर 2 मान, -0.53 एनए का एक इंटरसेप्ट और2.80 एनएएम3 / मिलीग्राम का ढलान है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

यह भी संभावना है कि कण इलेक्ट्रोड के बीच के मार्ग को रोकते हैं, इस मामले में इलेक्ट्रोड के बीच प्रवाहकीय कालिख पुल बनते हैं। क्योंकि कालिख एक प्रवाहकीय सामग्री है, ये कालिख पुल इलेक्ट्रोड के बीच एक शॉर्ट सर्किट बनाते हैं। मापा गया संकेत प्रवाहकीय पथ की बढ़ती मोटाई के साथ तेजी से बढ़ता है, उस बिंदु तक जहां वोल्टेज इतना अधिक हो जाता है कि वोल्टमीटर क्षतिग्रस्त हो सकता है। कालिख पुल बनाने के साथ एक प्रयोग के लिए एक उदाहरण चित्र 12 में देखा जा सकता है। सिग्नल बहुत तेज छलांग / कदमों में बढ़ता है और रुकता या समतल नहीं होता है। डेंड्राइट भी अब नहीं बनते हैं, और सेंसर अब संतुलन की स्थिति में नहीं है। इस मामले में, उच्च-वोल्टेज स्रोत को तुरंत बंद कर दिया जाना चाहिए, सेंसर को साफ करना होगा, और एक नया माप शुरू करना होगा।

Figure 12
चित्र 12: नकारात्मक परिणाम। माप के दौरान शॉर्ट सर्किट हुआ है। एम्पीयर में सेंसर सिग्नल को ऊर्ध्वाधर अक्ष पर प्लॉट किया जाता है और माप समय क्षैतिज अक्ष पर प्लॉट किया जाता है। सेंसर सिग्नल बिना किसी प्रतिबंध के बढ़ता रहता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

यदि कोई सपाट रेखा प्रदर्शित होती है और सेंसर प्रवाह 1 nA से ऊपर के मान तक बिल्कुल नहीं बढ़ता है, तो चर्चा अनुभाग में समस्या निवारण निर्देशों का पालन करें। एरोसोल में प्रवेश को सटीक रूप से मापने के लिए सेंसर को हर समय संतुलन स्थिति में होना चाहिए; इसलिए, प्रयोग की शुरुआत में पर्याप्त रूप से उच्च प्रारंभिक एरोसोल एकाग्रता प्रदान की जानी चाहिए।

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Discussion

महत्वपूर्ण कदम
पोस्ट-प्रोसेसिंग प्रिंट करें
इस प्रोटोकॉल में लगभग किसी भी चरण को रोका या स्थगित किया जा सकता है, ताजा मुद्रित 3 डी भागों (प्रोटोकॉल चरण 1.5) के पोस्ट-प्रोसेसिंग को छोड़कर। यदि प्रिंटर की यूवी सुरक्षा स्क्रीन खोली जाती है, तो पोस्ट-प्रोसेसिंग तुरंत शुरू होनी चाहिए, अन्यथा छोटे केबल चैनल, साथ ही सील के लिए गुहा, बंद हो जाएंगे। गुहा का सटीक फिट यह सुनिश्चित करता है कि सेंसर को एयरटाइट सील किया जा सकता है। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि सेंसर प्रवाह के उतार-चढ़ाव के प्रति बहुत संवेदनशील है। सख्त करने की प्रक्रिया भी महत्वपूर्ण है (प्रोटोकॉल चरण 1.4); यदि तापमान बहुत अधिक सेट किया जाता है, तो सामग्री बहुत भंगुर हो जाती है और बाहरी इलेक्ट्रोड धारक पर क्लैंप द्वारा लगाए गए बलों के तहत टूट सकती है।

इलेक्ट्रोड विनिर्माण
इलेक्ट्रोड की सावधानीपूर्वक कटाई और डिबरिंग (प्रोटोकॉल चरण 2.2-2.3) बहुत महत्वपूर्ण है क्योंकि इलेक्ट्रोड गैप में अनियमितताएं विद्युत और वेग क्षेत्रों में गड़बड़ी का कारण बनती हैं, जिससे खराब सेंसर प्रदर्शन होता है। सबसे खराब स्थिति में, एक मजबूत अनियमितता इलेक्ट्रोड को इतने करीब आने का कारण बन सकती है कि ब्रेकडाउन वोल्टेज पार हो जाता है, और शॉर्ट सर्किट होता है। इस बिंदु से, माप संकेत के बारे में कोई बयान नहीं दिया जा सकता है और माप इलेक्ट्रॉनिक्स को नुकसान होने का खतरा है।

सभा
सेंसर की असेंबली (प्रोटोकॉल चरण 3.4-3.6) महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह इलेक्ट्रोड गैप बनाता है। जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, इलेक्ट्रोड के बीच की दूरी बहुत महत्वपूर्ण है; यह अंतर पूरी लंबाई में समान रूप से 1 मिमी होना चाहिए। ये कदम महत्वपूर्ण हैं क्योंकि वे सेंसर में विद्युत क्षेत्र को काफी बदल सकते हैं। समग्र जमाव व्यवहार, साथ ही डेंड्राइट गठन, विद्युत क्षेत्र में परिवर्तन से प्रभावित हो सकता है। इस प्रकार, अब यह गारंटी नहीं दी जा सकती है कि सेंसर प्रतिक्रिया आने वाले एयरोसोल के लिए रैखिक है। शॉर्ट सर्किट की सबसे खराब स्थिति यहां भी लागू होती है।

संशोधन
3 डी प्रिंटिंग
अन्य संभावित संशोधन विभिन्न 3 डी प्रिंटिंग रेजिन का उपयोग कर रहे हैं। बाजार पर कई अलग-अलग रेजिन हैं जो सेंसर आवास के घनत्व, लचीलेपन, तापमान प्रतिरोध और ताकत को बदल सकते हैं।

सेंसर आयाम
सेंसर के लिए पहला डिजाइन मानदंड एक सुरक्षा विन्यास है। इलेक्ट्रोड के बीच हवा की ढांकता हुआ ताकत 3 मिमी / इस लंबाई को किसी भी मामले में कम नहीं किया जाना चाहिए। विद्युत क्षमता जितनी अधिक होती है, उतने ही अधिक कण जमा होते हैं, और ये जमा कण तब डेंड्राइट बनाने के लिए प्रवण होते हैं। इलेक्ट्रोड के आयामों को चुना गया था ताकि आसानी से उपलब्ध मानक घटकों का उपयोग किया जा सके। लेखकों के लिए ज्ञात समान सेंसर के डिजाइन ने एक फ्लैट सेंसर के लिए निम्नलिखित आयामों का उपयोग किया: 9 मिमी चौड़ाई, 2 मिमी लंबाई, 1 मिमी अंतर और 15 मिमी लंबाई, 8.5 मिमी के व्यास और बेलनाकार डिजाइन12,13 के लिए 1.3 मिमी के अंतर के साथ। इसके अलावा, यह सुनिश्चित किया जाना चाहिए कि सेंसर को एक सामान्य कार्यशाला में हाथ से निर्मित किया जा सकता है। एक 1 मिमी अंतर पूर्ण न्यूनतम अंतर है जो अभी भी सेंसर को मैन्युअल रूप से साफ करने की अनुमति देता है। यहां, 1 केवी का उपयोग सुरक्षा और कुशल कण जमाव के साथ-साथ इस सीमा में वोल्टेज स्रोतों की उपलब्धता के अच्छे समझौते के रूप में किया गया था।

इलेक्ट्रोड
चूंकि सेंसर इलेक्ट्रोड के बीच 1 मिमी की सटीक दूरी प्रदर्शन के लिए बहुत महत्वपूर्ण है, इसलिए इस चरण में और भी अधिक विकास कार्य किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, 3 डी मुद्रित फिक्स्चर को और भी सटीक बनाया जा सकता है, या उपकरण उपलब्ध होने पर काटने और डिब्यूरिंग के लिए एक साधारण पाइप कटर के बजाय खराद का उपयोग किया जा सकता है। एक अन्य विकल्प पाइप कटर के बजाय आरी का उपयोग करना है। इस मामले में, आरी के किनारों को बाद में जमीन दी जानी चाहिए। यह विधि पाइप कटर की तुलना में कम विरूपण का कारण बनती है, लेकिन अधिक समय लेती है। एपॉक्सी गोंद की तुलना में, सिलिकॉन केबलों को स्थानांतरित करने के लिए अधिक जगह देता है, और इलेक्ट्रोड को पुन: स्थान देना आसान हो जाता है। हालांकि, चूंकि केबलों को स्थानांतरित करने के लिए अधिक जगह है, इसलिए सेंसर को सील करना अधिक कठिन है। वैक्यूम क्लैंप के बजाय, जो एक बार में खोलना आसान है, एक स्व-निर्मित डिजाइन भी संभव है। यहां, 3 डी डिजाइन में केवल कुछ स्क्रू के लिए छेद और सीलिंग कॉर्ड के लिए एक गुहा को बदलना होगा।

MFC
एमएफसी निर्धारित करता है कि सेंसर के माध्यम से एयरोसोल का कितना हिस्सा चूसा जाता है; कमरे के प्रदूषण से बचने के लिए, बाकी को अतिप्रवाह के अंत में रखे गए एचईपीए फिल्टर के साथ अतिप्रवाह के माध्यम से निकालने में सक्षम होना चाहिए। एमएफसी के बजाय कम महंगे पंप का चयन करके, उच्च प्रवाह में उतार-चढ़ाव सेंसर सिग्नल को नकारात्मक रूप से प्रभावित करेगा।

कमजोर पड़ने वाला पुल
जैसा कि चित्र 9 में देखा गया है, एक या अधिक एचईपीए फिल्टर के समानांतर एक साधारण सुई वाल्व के साथ एक कमजोर पड़ने वाला पुल बनाया जा सकता है। अन्य डिजाइनों में सुई वाल्व के बजाय ट्यूब को निचोड़ने के लिए एक छोटा सा विज़ शामिल है। इस डिजाइन का लाभ यह है कि ट्यूब को अधिक आसानी से साफ किया जा सकता है। इस तरह के विज़ में जितने अधिक कॉइल होते हैं, एकाग्रता को उतना ही बेहतर समायोजित किया जा सकता है। यह अंशांकन माप के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण है, जहां उच्च गतिशीलता से बचा जाना चाहिए।

बेंच मल्टीमीटर
बेंच मल्टीमीटर एक वोल्टेज को मापता है, जिसे सही वर्तमान मूल्य प्राप्त करने के लिए आंतरिक प्रतिरोध के मूल्य से विभाजित किया जाना चाहिए। चुने हुए माप सीमा (जैसे, 100 वी) के आधार पर, यह आंतरिक प्रतिरोध मान भिन्न हो सकता है (उदाहरण के लिए, 1 एम)। एक परिभाषित श्रेणी का चयन करना महत्वपूर्ण है ताकि आंतरिक प्रतिरोध मान सभी मापा मानों के लिए समान हो। यदि "ऑटो रेंज" चुना जाता है, तो आंतरिक प्रतिरोध मान को भी ट्रैक किया जाना चाहिए।

समस्या निवारण
3D प्रिंटर
यदि प्रिंटर बंद हो जाता है, तो टैंक को अंतिम प्रिंट के अवशेषों के लिए जांच की जानी चाहिए; मिक्सर अक्सर फंस जाता है। मुद्रण प्रक्रिया के पहले मिनटों का निरीक्षण करना चाहिए। यदि यह भरा हुआ है, तो यह या तो इसलिए है क्योंकि सही स्लाइसर सेटिंग्स सेट नहीं की गई हैं या पोस्ट-प्रोसेसिंग से पहले यूवी संरक्षित परिस्थितियों के तहत ताजा प्रिंट संग्रहीत नहीं किया गया है। स्लाइसर सेटिंग्स में, कोई भी समर्थन बिंदु प्रवाह चैनल और इलेक्ट्रोड के बीच की जगह को बाधित नहीं करना चाहिए, और प्रिंटर को फ़ाइल भेजने से पहले आंतरिक समर्थन संरचनाओं बॉक्स को अनक्लिक किया जाना चाहिए।

एरोसोल स्रोत + कमजोर पड़ने वाला पुल
यदि एरोसोल स्रोत अस्थिर लगता है, तो सभी एचईपीए फिल्टर को यह सुनिश्चित करने के लिए जांचकी जानी चाहिए कि वे सही स्थिति में हैं और अवरुद्ध नहीं हैं। इसके अलावा, एयरोसोल जनरेटर के साथ-साथ संदर्भ उपकरण की जांच की जानी चाहिए ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि उन्होंने अपना वार्म-अप चरण पूरा कर लिया है।

सेंसर
सबसे आम दोष अपर्याप्त बिजली आपूर्ति कनेक्शन, सेंसर पर एक हवा के रिसाव के कारण होते हैं, या जब जमा कण इलेक्ट्रोड के बीच कालिख पुल बनाते हैं। सबसे पहले, सेंसर को यह जांचने के लिए खोला जाता है कि इलेक्ट्रोड के बीच कालिख पुल बन गए हैं या नहीं। सेंसर केबल को डिस्कनेक्ट करने और सेंसर खोलने से पहले पावर स्रोत को बंद करना होगा। कालिख पुल नग्न आंखों को आसानी से दिखाई देते हैं और थोड़े प्रयास के साथ हटाया जा सकता है। कालिख पुलों को हटाने के लिए, ऑप्टिकल सफाई कपड़े या लिंट-मुक्त कपास के फाहे का उपयोग करना सबसे अच्छा है।

एक रिसाव जो सेंसर में प्रवाह व्यवहार को बदलता है, साथ ही इलेक्ट्रोड पर कम वोल्टेज, सेंसर सिग्नल को बदल सकता है। पहले से यह कहना संभव नहीं है कि इनमें से कौन सी समस्या अप्रत्याशित सेंसर प्रतिक्रिया के लिए जिम्मेदार है। इसलिए, निम्नानुसार जकड़न और वोल्टेज स्थिरता दोनों की जांच करना महत्वपूर्ण है। सबसे पहले, केबल से इलेक्ट्रोड तक कनेक्शन की जांच की जाती है (प्रोटोकॉल चरण 4.4)। इसके बाद, वोल्टेज स्रोत की जांच यह देखने के लिए की जाती है कि क्या यह अपेक्षित वोल्ट वितरित कर रहा है। एक वायु रिसाव को रिसाव स्प्रे के साथ सबसे अच्छी तरह से पहचाना जाता है। इसके अलावा, जकड़न को वैक्यूम पंप के साथ भी जांचा जा सकता है, जैसा कि प्रोटोकॉल चरण 4.4.2 में वर्णित है।

सीमाओं
इलेक्ट्रोस्टैटिक सेंसर की सीमा को मैरिक एट अल .14 द्वारा अच्छी तरह से वर्णित किया गया है। अपने काम में, वे सेंसर के प्रदर्शन के लिए एक स्थिर वोल्टेज स्रोत और एक स्थिर सेंसर प्रवाह के महत्व पर जोर देते हैं। इस कारण से, एमएफसी या पंप के साथ एक सेटअप का उपयोग हमेशा प्रवाह नियंत्रण के लिए किया जाना चाहिए, जैसा कि चित्रा 10 में वर्णित है। इसके अलावा, सेंसर को पहले परीक्षण के दौरान संतुलन तक पहुंचने के लिए अधिक समय की आवश्यकता होती है। आगे के प्रयोगों में, जहां इलेक्ट्रोड पर एक स्थिर डेंड्राइट आबादी बस गई है, सेंसर को शुरू करने के लिए समय की मात्रा कम हो गई है। हालांकि, यह आमतौर पर ध्यान दिया जाना चाहिए कि सेंसर को प्रारंभिक एकाग्रता के आधार पर चालू होने के लिए हमेशा स्टार्टअप समय की आवश्यकता होती है।

एक फ्लैट डिजाइन के विपरीत, जैसा कि बिल्बी एट अल में, सेंसर बहाव इस बेलनाकार व्यवस्था12 में एक बड़ी समस्या नहीं है। हालांकि, कम कण सांद्रता पर तेजी से एकाग्रता परिवर्तन अभी भी सेंसर के साथ पता लगाना मुश्किल है। जैसा कि डिलर एट अल और मैरिक एट अल द्वारा इंगित किया गया है, एक सार्थक माप संकेत के लिए, मापा मान 2-10 मिनट से अधिक औसत है, यह इस बात पर निर्भर करता है कि प्रयोग 14,15 में प्रवाह कितना बदलता है।

2.8 nAm3/mg की ढलान और ±1.4 nA के मानक विचलन के साथ, चित्र 11 में प्रतिगमन रेखा से विचलन अधिक है। सेंसर सटीकता की बेहतर समझ के लिए, कई प्रयोगों की तुलना की सिफारिश की जाती है। बार-बार प्रयोगों के लिए, ढलान ±1.0 nA के मानक विचलन के साथ 3.5 nAm 3/mg और 0.6 nA के मानक विचलन के साथ 4.9 nAm3/mg ± है। इसके अलावा, सेंसर वोल्टेज स्रोत को चालू करने के क्षण में बहुत अधिक रीडिंग देगा। यह प्रारंभ मान माप डेटा से फ़िल्टर किया जाता है.

यहां प्रस्तुत विधि का लाभ सादगी में स्पष्ट रूप से निहित है, लेकिन विभिन्न आवश्यकताओं के लिए सेंसर आकार को अनुकूलित करने की बहुमुखी संभावनाओं में भी है। इसलिए, कालिख के अलावा, सेंसर विभिन्न प्रकार के आवेशित कणों का पता लगा सकता है और अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए उपयुक्त है, उदाहरण के लिए, बिजली संयंत्रों, जंगल की आग, उद्योगों और ऑटोमोबाइल से कण पदार्थ का पता लगाना। यह पेपर एजेंसियों, कंपनियों, अनुसंधान टीमों, नागरिक वैज्ञानिकों और कण पदार्थ का पता लगाने में रुचि रखने वाले किसी भी व्यक्ति के लिए इस सरल सेंसर निर्माण मैनुअल को पुन: पेश करने और अपने स्वयं के कण डिटेक्टर का निर्माण करने के लिए एक प्रोत्साहन होना चाहिए।

Disclosures

लेखक सिलिकॉन ऑस्ट्रिया लैब्स द्वारा कार्यरत है और तकनीकी विश्वविद्यालय ग्राज़ का छात्र है। घोषित करने के लिए हितों का कोई अन्य टकराव नहीं है।

Acknowledgments

यह काम कॉमेट सेंटर "एएसआईसी-ऑस्ट्रियाई स्मार्ट सिस्टम इंटीग्रेशन रिसर्च सेंटर" द्वारा वित्त पोषित किया गया था। एएसएसआईसी को बीएमके, बीएमडीडब्ल्यू और ऑस्ट्रियाई प्रांतों केरिंथिया और स्टाइलिया द्वारा ऑस्ट्रियाई रिसर्च प्रमोशन एजेंसी (एफएफजी) के उत्कृष्ट प्रौद्योगिकियों कार्यक्रम के लिए कॉमेट-क्षमता केंद्रों के भीतर सह-वित्त पोषित किया जाता है।

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/

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References

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एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग-सक्षम कम लागत वाले कण डिटेक्टर
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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).

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