Summary
Qui, presentiamo un protocollo su come costruire e testare un rilevatore di particelle a basso costo semplice ma efficiente.
Abstract
Poiché le particelle con una dimensione di 1 μm o inferiore rappresentano un grave rischio per la salute del corpo umano, il rilevamento e la regolazione delle emissioni di particelle sono di grande importanza. Gran parte delle emissioni di particolato sono emesse dal settore dei trasporti. La maggior parte dei rilevatori di particelle disponibili in commercio sono ingombranti, molto costosi e necessitano di apparecchiature aggiuntive. Questo documento presenta un protocollo per costruire e testare un rilevatore di particelle autonomo che sia piccolo ed economico.
Il focus di questo documento risiede nella descrizione del manuale di costruzione dettagliato con video e nella procedura di valutazione del sensore. Il modello di progettazione assistita da computer del sensore è incluso nel materiale supplementare. Il manuale spiega tutte le fasi di costruzione, dalla stampa 3D al sensore completamente operativo. Il sensore è in grado di rilevare particelle cariche ed è quindi adatto per una vasta gamma di applicazioni. Un possibile campo di applicazione sarebbe il rilevamento di fuliggine da centrali elettriche, incendi, industrie e automobili.
Introduction
L'inalazione di particelle con una dimensione di 1 μm o inferiore comporta un alto rischio di effetti avversi sulla salute del corpo umano. Con l'aumento dell'inquinamento ambientale da processi di combustione, le malattie respiratorie stanno crescendo nella popolazione 1,2,3. Per promuovere la salute e contrastare l'inquinamento, è necessario innanzitutto identificare le fonti di inquinamento e quantificare il grado di inquinamento. Questo può essere fatto con i rilevatori di particelle esistenti. Tuttavia, questi sono grandi e molto spesso troppo costosi per scopi privati o di citizen science.
Molti dei rilevatori di particelle disponibili in commercio sono ingombranti, molto costosi e richiedono apparecchiature aggiuntive per essere utilizzati4. La maggior parte di loro ha anche bisogno di diversi passaggi di condizionamento aerosol. Ad esempio, la diluizione è necessaria per i rivelatori che utilizzano la diffusione della luce come principio di misurazione e l'intervallo di misurazione è limitato dalla lunghezza d'onda 5,6,7. I rilevatori di particelle che utilizzano l'incandescenza indotta dal laser come principio di rilevamento necessitano sia di sorgenti laser ad alta energia che di un sistema di raffreddamento che consuma energia8.
I rivelatori di particelle che utilizzano contatori di particelle di condensazione sono normalmente utilizzati come gold standard per la misurazione della concentrazione di particelle; Questi necessitano di precondizionamento, diluizione e fluidi di lavoro (ad esempio, butanolo)9,10,11. I vantaggi di un sensore elettrostatico risiedono nel design semplice e compatto e nei bassi costi di fabbricazione. Tuttavia, rispetto ai contatori di particelle di condensazione, è necessario effettuare deduzioni significative per quanto riguarda l'accuratezza.
Un sensore elettrostatico rappresenta un'alternativa a questi metodi. I sensori elettrostatici possono essere robusti, leggeri, economici da produrre e possono essere utilizzati senza supervisione. La forma più semplice di un sensore elettrostatico è un condensatore a piastre parallele con un alto campo elettrico tra le sue piastre. Quando l'aerosol viene convogliato nella regione ad alta tensione tra i due elettrodi di rame, particelle cariche naturalmente si depositano sugli elettrodi di diversa polarità12 (Figura 1).
I dendriti si formano sulla superficie degli elettrodi nella direzione delle linee di campo dell'alta tensione applicata tra gli elettrodi e vengono caricati tramite ricarica a contatto. Frammenti di questi dendriti alla fine rompono gli elettrodi e si ridepositano sull'elettrodo con polarità opposta, trasferendo la loro carica. Questi frammenti portano un numero elevato di cariche. Poiché l'elettrodo è collegato a terra, la carica depositata genera una corrente che porta a una caduta di tensione alla resistenza interna del multimetro da banco. Più spesso ciò accade per unità di tempo, maggiore è la corrente e, di conseguenza, maggiore è la caduta di tensione (Figura 2).
A causa dell'alta tensione indotta dalla deposizione di carica dei frammenti, non sono necessari ulteriori componenti elettronici dell'amplificatore. La formazione di particelle di rottura dei dendriti e il successivo rilascio di carica di queste particelle rappresenta un'amplificazione naturale del segnale12. Il segnale del sensore risultante è proporzionale alla concentrazione di massa delle particelle. Questo segnale può essere rilevato con un multimetro da banco standard.
Figura 1: Schemi dei sensori. L'aerosol scorre nell'ingresso dell'aerosol, viene propagato attraverso il canale di flusso sinistro e quindi raggiunge lo spazio tra l'elettrodo ad alta tensione (elettrodo interno) e l'elettrodo di misurazione (elettrodo esterno). Lì, le particelle contribuiscono alla crescita dei dendriti e, come spiegato in precedenza, alla rottura, generando così la risposta del sensore. Successivamente, le particelle fluiscono ulteriormente attraverso il canale di flusso destro e lasciano il sensore all'uscita dell'aerosol. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 2: Principio fisico. Le particelle caricate positivamente e negativamente, così come le particelle neutre, entrano nello spazio tra gli elettrodi di polarità opposta. Vengono deviati dalle linee del campo elettrico verso l'elettrodo di polarità opposta e depositano lì la loro carica. Quindi, diventano parte di un dendrite e assumono la carica del rispettivo elettrodo. La densità del campo è più alta sulla punta del dendrite, dove più particelle sono intrappolate. Quando la forza di trascinamento supera le forze di legame, i segmenti dei dendriti si staccano, che a loro volta colpiscono l'elettrodo opposto e depositano le loro cariche. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Con un design cilindrico, come in Warey et al.10, la probabilità che si formino ponti di fuliggine può essere ridotta al minimo. Ulteriori informazioni sulla geometria del sensore, la tensione applicata, la velocità del flusso di gas e la concentrazione di particolato sono disponibili qui. Suggeriscono la correlazione del segnale del sensore con il particolato che scorre attraverso il sensore (equazione 1).
Sensore (V) = 5.7 × 10-5 C V 0 e0.62V × 
(1)
C è la concentrazione di massa del particolato, V0 è la tensione applicata, V è la velocità di scarico, L è la lunghezza dell'elettrodo e S è lo spazio elettrodico13.
Bilby et al. si sono concentrati sullo studio dettagliato dell'effetto fisico sottostante del sensore elettrostatico9. Questi studi includevano una configurazione otticamente accessibile e un modello cinetico per spiegare l'amplificazione del segnale del sensore basato sulla dendrite (vedi equazioni 2 e 3).
(2)
(3)
S rappresenta una pila di dischi di fuliggine di 10-100 agglomerati di fuliggine con una dimensione di 50-100 nm; D n rappresenta un dendrite conn dischi; Br denota un frammento di rottura composto da f dischi; S e ki sono costanti di velocità12.
Questo documento presenta un protocollo su come costruire e testare un rivelatore di particelle a basso costo semplice ma efficiente che può essere utilizzato per alte concentrazioni di particelle senza ulteriori apparecchiature. Il lavoro precedente su questo tipo di sensore elettrostatico si è concentrato principalmente sulle misurazioni dei gas di scarico. In questo lavoro, le particelle di fuliggine generate in laboratorio vengono utilizzate come aerosol di prova. Il sensore descritto si basa su "precedenti lavori di Warey et al. e Bilby et al12,13.
Il corpo del sensore è costituito da un corpo stampato in 3D basato su stereolitografia, elettrodi coassiali tagliati da tubi di rame, una guarnizione per vuoto e un morsetto a vuoto. Materiali come la guarnizione del vuoto, il cavo, i tubi di rame e la resina 3D per un sensore costano meno di € 40. L'attrezzatura aggiuntiva necessaria è una sorgente ad alta tensione, un multimetro da banco USB e una stazione di saldatura. Per valutare il sensore, una volta sono necessari anche una sorgente di aerosol definita e uno strumento di riferimento (vedere Tabella dei materiali). La dimensione del sensore descritto in questo protocollo è 10 cm x 7 cm. Questa dimensione è stata scelta appositamente per l'esperimento e può ancora essere ridotta in modo significativo (vedi modifiche / dimensioni del sensore nella discussione).
Questo protocollo descrive come costruire, testare e utilizzare un semplice sensore di particelle a basso costo. Uno schema del protocollo è mostrato nella Figura 3, a partire dalla stampa 3D dello scafo del sensore e dalla produzione dell'elettrodo, l'assemblaggio del sensore, nonché i test e un esempio di applicazione sul campo del sensore.
Figura 3: Schema del metodo. Il protocollo è diviso in quattro fasi principali. Innanzitutto, vengono stampate tutte le parti per l'alloggiamento del sensore. Quindi, vengono prodotti gli elettrodi. Nella terza fase, viene assemblato l'alloggiamento del sensore stampato in 3D con gli elettrodi e la guarnizione del vuoto. Nell'ultimo passaggio, vengono valutate le prestazioni del sensore. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
I passaggi più importanti del processo di stampa 3D sono illustrati nella Figura 4. All'inizio, vengono scelte le impostazioni dell'affettatrice corrette per la stampa. Successivamente, vengono discusse le parti più importanti della stampa e la pre-elaborazione del modello stampato in 3D. Per questo passaggio, sono necessarie una stampante 3D in resina con bagno di isopropanolo e dispositivo di indurimento UV e una smerigliatrice dritta.
Figura 4: Schema della stampa 3D. (A) Viene rappresentato il modello 3D dell'affettatrice; (B) la stampante durante il processo di stampa. Fasi di post-elaborazione: (C) lavaggio e (D) indurimento UV. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
La figura 5 mostra le fasi più importanti della produzione degli elettrodi: la forma degli elettrodi e la saldatura del contatto con gli elettrodi. Per questa fase sono necessari due tubi di rame con diametri diversi, una pinza, un tagliatubi, una smerigliatrice dritta, una morsa, una stazione di saldatura e uno stagno di saldatura, cavi isolati con due colori diversi, guanti di protezione termica e un tagliafili.
Figura 5: Produzione di elettrodi . (A) misurazione, (B) taglio, (C) sbavatura e (D) saldatura degli elettrodi. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
La sezione di assemblaggio nel protocollo spiega come viene assemblato il sensore. Le parti più importanti del sensore sono rappresentate nella Figura 6, vale a dire il supporto esterno dell'elettrodo, il canale di flusso e il supporto dell'elettrodo interno. La Figura 7 mostra i passaggi più importanti nell'assemblaggio del sensore. Per questo passaggio, sono necessari colla epossidica, indumenti protettivi, una guarnizione sottovuoto, un morsetto sottovuoto, occhiali di sicurezza e guanti.
Figura 6: Parti del sensore . (A) Il supporto esterno dell'elettrodo, (B) il canale di flusso e (C) il supporto dell'elettrodo interno. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 7: Assemblaggio del sensore. Vengono mostrati tutti i passaggi dell'assemblaggio del sensore. A-E mostra l'assemblaggio di metà del sensore. (A) Il supporto interno dell'elettrodo è incollato al canale di flusso. (B) L'elettrodo interno è posizionato sul supporto dell'elettrodo interno. (C) L'elettrodo esterno è inserito nel supporto esterno dell'elettrodo. (D) Il supporto esterno dell'elettrodo è incollato sul gruppo canale di flusso + supporto dell'elettrodo interno. (E) La sigillatura sottovuoto scatta nell'elettrodo esterno di una metà del sensore e quindi scatta in (C), l'identico secondo elettrodo esterno dell'altra metà del sensore. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
La sezione test spiega come impostare l'esperimento per confrontare il sensore appena costruito con uno strumento di riferimento. Per questa fase sono necessari un multimetro da banco, una pompa per vuoto, un'alimentazione ad alta tensione, un generatore di aerosol, un ponte di diluizione, tubi aerosol, raccordo a Y, un regolatore di flusso di massa (MFC), un miscelatore di aerosol, uno strumento di riferimento e un batuffolo di cotone.
Protocol
1.3D stampa
- Impostazioni del filtro dei dati
- Aprire tutti i file ".stl" con il software di filtro dei dati e posizionare le parti del sensore sulla piattaforma (vedere File supplementare 1, File supplementare 2, File supplementare 3, File supplementare 4, File supplementare 5 e File supplementare 6).
- Per un buon risultato di stampa, inclinare tutte le parti rispetto alla piattaforma.
- Generare punti di supporto con una densità di 0,8 e una dimensione del punto di 0,4 mm.
- Selezionare Clear V4 con uno spessore dello strato di 50 μm.
- Inizia a stampare.
- Caricare il file di output dell'affettatrice sulla stampante 3D.
- Cercare il tempo di stampa e i volumi di resina visualizzati sullo schermo. Inserire il serbatoio V4 trasparente e la cartuccia resina, collegare la piattaforma di montaggio e aprire il coperchio della cartuccia. Premere Start sulla stampante.
- Post-elaborazione immediata
- Al termine della stampa, aprire la stampante e staccare la piattaforma di montaggio.
NOTA: questo passaggio può essere ritardato solo se si è certi che il modello rimarrà sotto lo schermo di protezione UV della stampante (vedere passaggi critici/post-elaborazione della stampa nella discussione). - Staccare delicatamente tutte le parti dalla piattaforma e metterle in un bagno di isopropanolo.
- Spostare costantemente le parti per 20 minuti.
- Estrarre le parti ogni 5 minuti e lavare accuratamente tutti i piccoli spazi vuoti e i fori.
- Al termine della stampa, aprire la stampante e staccare la piattaforma di montaggio.
- Indurimento UV
- Asciugare le parti prima di iniziare il processo di indurimento.
- Lavare tutti i piccoli spazi vuoti e fori con aria pressurizzata.
- Inserire le parti nel dispositivo di indurimento UV e indurirle per 50 minuti a 40 °C.
NOTA: questa impostazione differisce dal tempo e dalla temperatura di asciugatura consigliati dal produttore (vedere i passaggi critici/post-elaborazione di stampa nella discussione).
- Post-elaborazione
- Controllare che tutte le cavità e i fori siano aperti.
- Se un percorso è intasato, forarlo o raschiarlo con la smerigliatrice dritta.
- Verificare che tutte le parti stampate combacino correttamente e che i tubi di rame possano essere inseriti. Se non possono, allora carteggiali.
2. Produzione di elettrodi
- Misurare 9 mm dalla parte superiore dei tubi di rame da 18 mm e 22 mm e contrassegnare queste posizioni.
- Tagliare i tubi con il tagliatubi ai segni.
NOTA: assicurarsi di non usare troppa forza durante il processo. Ci vogliono diversi giri per tagliare i tubi (vedere passaggi critici / produzione di elettrodi nella sezione di discussione). - Sbavare accuratamente l'anello di rame. Non esercitare troppa pressione sull'anello di rame durante la sbavatura e cercare di non graffiare la superficie dell'elettrodo.
NOTA: questa è una parte molto critica e influisce sulle prestazioni del sensore (vedere passaggi critici/produzione e modifiche degli elettrodi/elettrodi nella sezione di discussione). - Saldatura ad elettrodo
- Saldare il cavo rosso all'anello di rame interno (18 mm) e il cavo nero all'anello di rame esterno (22 mm).
- Lucidare l'anello di rame per eliminare lo strato di rame ossidato sulla superficie.
- Blocca l'anello in una morsa.
- Pre-stagno sia l'anello di rame che il cavo e saldare il cavo all'anello.
ATTENZIONE: A causa della saldatura, gli elettrodi in rame riscaldano fino a 400 °C. Toccare solo gli elettrodi con una pinzetta e indossare guanti termoprotettivi.
3. Assemblaggio
- Mescolare i due componenti della colla epossidica in un vassoio.
NOTA: È molto importante utilizzare colla trasparente per distinguere tra ponti di fuliggine e colla indurita.
ATTENZIONE: Lavorare sotto una cappa aspirante, indossare indumenti protettivi (in particolare guanti) e pulire le superfici di lavoro. Ulteriori istruzioni di sicurezza sono disponibili nella scheda di dati di sicurezza. Pericolo per la salute: "Skin Corr. 1C - H314 Eye Dam. 1 - H318 Skin Sens. 1 - H317". - Inserire il supporto dell'elettrodo interno nel canale di flusso e attendere 60 minuti affinché la colla si indurisca (Figura 7A).
- Posizionare l'anello interno dell'elettrodo (18 mm) sul supporto e guidare il cavo attraverso il canale del cavo (Figura 7B).
NOTA: assicurarsi che vi sia spazio sufficiente per il punto di saldatura. - Posizionare il distanziatore attorno all'elettrodo interno.
NOTA: questo è un passaggio molto critico. Se la distanza tra gli elettrodi non è esattamente 1 mm ovunque nell'intero sensore, il campo elettrico, e successivamente le prestazioni del sensore, possono essere influenzati (vedere passaggi critici / produzione di elettrodi nella discussione). - Posizionare l'anello esterno dell'elettrodo (22 mm) sul supporto e alimentare il cavo attraverso il canale del cavo (Figura 7C).
- Incollare il supporto dell'elettrodo esterno sul canale di flusso. Inserire il distanziatore nello spazio tra i due elettrodi di rame. Attendere 60 minuti affinché la colla si indurisca (Figura 7D).
- Sigillare tutti i canali del cavo con colla epossidica. Attendere durante la notte che la colla si indurisca.
- Inserire la guarnizione a vuoto nella valvola stampata dell'elettrodo esterno. Inserire i due lati del sensore l'uno nell'altro e fissarli con il morsetto a vuoto (Figura 7E,F).
4. Test
- Aprire il morsetto del vuoto del sensore.
- Separare le due metà del sensore e rimuovere il sigillo.
- Da lì, toccare l'anello dell'elettrodo con una punta della sonda multimetro e l'estremità del cavo che porta all'elettrodo con l'altra punta del multimetro.
- Pretest
- Testare il collegamento elettrico dell'elettrodo e del cavo con il multimetro. Controllare se la resistenza è <2 Ω (a seconda del livello di ossidazione).
- Collegare il tubo all'ingresso e all'uscita dell'aerosol e verificare se il sensore è ermetico con la pompa per vuoto.
- Esperimento parallelo
- Costruire la configurazione del sensore, in base alla Figura 8.
- Collegare l'alimentatore ad alta tensione al cavo del sensore rosso (elettrodo ad alta tensione).
- Collegare il cavo del sensore nero all'ingresso di tensione del multimetro da banco.
- Collegare l'elettrometro di terra (GND) con l'alimentatore GND.
- Collegare il cavo USB multimetro al PC.
- Incorporare il sensore nella configurazione di misurazione dell'aerosol. secondo la figura 9.
- Generatore di aerosol
- Forniture di gas: attivare il flusso della guaina, l'alimentazione di azoto e propano (pressione necessaria: azoto, 4 bar; altri gas, 1 bar ciascuno).
- Alimentazione: collegare il cavo sorgente da 24 V per gli MFC integrati e collegare l'USB al PC.
- Software: aprire il software MFC e inserire il numero di porta COM corretto. Cerca dispositivi: se vengono visualizzati cinque dispositivi (per cinque MFC diversi), fare clic su Interrompi ricerca. Inserire le condizioni di partenza secondo il manuale utente del generatore di aerosol: 10 mL/min di propano, 1,55 L/min di aria di ossidazione, 7 L/min di gas di spegnimento, 20 L/min di aria di diluizione.
- Avviare il generatore di aerosol (vedere Tabella dei materiali) ruotando la manopola ON-OFF. Quando la manopola è accesa, l'indicatore di azoto è acceso, indicando che tutti i percorsi di flusso sono aperti. Tenere premuto il dispositivo di sicurezza contro la fiamma e premere il pulsante di accensione sul generatore di aerosol; Osservare una fiamma nella finestra della camera di combustione. Rilasciare il dispositivo di sicurezza della fiamma dopo ~ 60 s molto lentamente.
- Immettere i seguenti flussi massici: 60 ml/min di propano, 1,55 L/min di aria di ossidazione, 7 L/min di azoto (quench) e 20 L/min di aria di diluizione per impostare i parametri di distribuzione granulometrici corretti.
ATTENZIONE: collegare il generatore al resto della configurazione solo se le misurazioni devono essere effettuate entro i minuti successivi; In caso contrario, i filtri del ponte di diluizione si ostruiranno rapidamente.
- Collegare il ponte di diluizione al generatore di aerosol. Scollegarlo ancora una volta e deviare il flusso di aerosol verso la cappa aspirante fino all'inizio dell'esperimento. Assicurarsi che il ponte di diluizione sia chiuso prima di iniziare l'esperimento.
- Collegare l'uscita del ponte di diluizione all'ingresso del miscelatore aerosol.
- Collegare l'uscita 2 del miscelatore di aerosol (vedere Figura 9E) all'ingresso del sensore.
- Incorporare MFC.
- Collegare un filtro HEPA (High Efficiency Particulate Absorbing) all'uscita del sensore e collegare l'uscita del sensore all'ingresso MFC.
- Collegare l'alimentatore dell'MFC e collegare l'USB al PC.
- Aprire il software MFC e immettere il numero di porta COM corretto.
- Cerca dispositivi.
- Fai clic su Interrompi la ricerca?.
- Immettere il flusso di massa come 1 L/min.
- Strumento di riferimento (vedi Tabella dei materiali)
- Collegare il cavo LAN al PC e aprire una connessione all'indirizzo IP dello strumento di riferimento nel browser per aprire un'applicazione java per controllare lo strumento di riferimento.
- Nel software di controllo dello strumento di riferimento, premere le risorse di blocco | stand by per avviare la pompa.
NOTA: Il processo di riscaldamento richiede ~ 20 min. - Dopo la fase di riscaldamento, fare clic sulla misurazione per misurare l'aerosol che entra nello strumento di riferimento.
- Scegliere un rapporto di diluizione di 1:10 sullo strumento di riferimento.
- Utilizzare un raccordo a Y per collegare l'uscita 1 del miscelatore di aerosol (vedere Figura 9D) e il flusso d'aria di diluizione all'estremità divisa del raccordo a Y (vedere Figura 9C), quindi collegare l'estremità singola del raccordo a Y all'ingresso dello strumento di riferimento.
NOTA: Questi due flussi vengono quindi combinati alla singola estremità del raccordo a Y.
- Inizio dell'esperimento
- Collegare nuovamente il generatore di aerosol al ponte di diluizione e assicurarsi che il ponte di diluizione sia chiuso.
- Fare clic su misura sullo strumento di riferimento.
- Aprire lentamente il ponte di diluizione fino a raggiungere la concentrazione di massa di aerosol desiderata di 3-5 mg/m3 e iniziare a registrare i dati sullo strumento di riferimento.
- Osservare la concentrazione di massa delle particelle dello strumento di riferimento. Quando la sorgente di aerosol è stabile, accendere l'alimentazione del sensore a 1.000 V e iniziare a registrare i dati.
NOTA: se la concentrazione non è stabile, vedere la risoluzione dei problemi nella sezione di discussione.
- Raccogli i dati dal multimetro da banco con un comando di lettura sulla console o uno script automatico.
NOTA: Dopo che la corrente del sensore si è stabilizzata (circa 5 minuti), è possibile confrontare lo strumento di riferimento con la corrente del sensore.
ATTENZIONE: se la corrente del sensore aumenta rapidamente al di sopra di 10-7 A (corrispondente a 0,1 V con una resistenza interna di 1 MΩ), spegnere la sorgente ad alta tensione (vedere la risoluzione dei problemi nella sezione di discussione). - Misurazione parallela: dopo che il sensore ha raggiunto l'equilibrio, misurare un gradiente di concentrazione in passi da 5 mg/m 3 a 0,2 mg/m 3regolando di conseguenza il ponte di diluizione.
NOTA: Quando si utilizzano concentrazioni più elevate, il rapporto di diluizione dello strumento di riferimento deve essere aumentato.
- Costruire la configurazione del sensore, in base alla Figura 8.
- Pulire il sensore con aria pressurizzata e un tampone prima di ogni nuova misurazione.
5. Applicazione sul campo
- Costruire la configurazione del sensore, in base alla Figura 8.
- Collegare l'alimentatore ad alta tensione al cavo del sensore rosso (elettrodo ad alta tensione).
- Collegare il cavo del sensore nero all'ingresso di tensione del multimetro da banco.
- Collegare l'elettrometro GND con l'alimentatore GND.
- Collegare il cavo USB multimetro al PC.
- Incorporare la configurazione del sensore nella nuova configurazione di misura, secondo la Figura 10, e collegare la sorgente di aerosol con il sensore.
- Suddividere il flusso di particelle in uscita dalla sorgente di aerosol nel percorso A) configurazione del sensore e percorso B) ventilazione.
- MFC o pompa: utilizzare un MFC per far passare il campione attraverso il sensore.
- Utilizzare un filtro HEPA a monte dell'MFC. Collegare l'alimentatore dell'MFC e collegare l'USB al PC.
- Seguire il passaggio 4.5.8 per la misurazione parallela.
- Inizio dell'esperimento sul campo: assicurarsi che la sorgente di aerosol sia collegata all'ingresso del sensore.
- Accendere l'alimentazione del sensore e avviare la registrazione dei dati.
Figura 8: Configurazione del sensore. Un diagramma della configurazione del sensore. L'aerosol scorre attraverso il sensore. Il sensore è collegato al voltmetro e ad un'alimentazione ad alta tensione. Il voltmetro è controllato da un'unità di controllo che registra i dati del sensore. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 9: Piano sperimentale per la valutazione dei sensori. Una sorgente di aerosol stabile viene utilizzata per imitare una fonte di particelle. Il flusso di particelle in uscita è suddiviso in percorso (A), impostazione del sensore; e il percorso (B), ventilazione, entra nel ponte di diluizione e viene ulteriormente distribuito a un miscelatore di aerosol. Dopo il miscelatore, il flusso di aerosol viene diviso tra un percorso dello strumento di riferimento (D), che misura parallelamente al sensore. Questo strumento di riferimento necessita di aria di diluizione, che viene distribuita attraverso il percorso (C). Percorso (E): un MFC aspira l'aria attraverso il sensore. Questo MFC è protetto dal flusso di aerosol con un filtro HEPA. Abbreviazioni: MFC = regolatore di flusso di massa; Filtro HEPA = filtro antiparticolato ad alta efficienza. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 10: Test sul campo: il piano sperimentale. In questa configurazione, viene misurata una fonte di aerosol. Il flusso di particelle in uscita viene suddiviso in percorso A) configurazione del sensore e percorso B) ventilazione e quindi entra nel sensore. In questa configurazione, un MFC con un filtro HEPA a monte aspira l'aerosol attraverso il sensore. Abbreviazioni: MFC = regolatore di flusso di massa; Filtro HEPA = filtro antiparticolato ad alta efficienza. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Representative Results
L'esatta correlazione del segnale del sensore con la massa del particolato varia in base alla distribuzione della carica delle particelle e alla distribuzione delle dimensioni, nonché alla composizione dell'aerosol. Pertanto, il sensore deve essere calibrato per una particolare applicazione con uno strumento di riferimento. Questa sezione spiega come confrontare il sensore appena costruito con uno strumento di riferimento.
La fase di avvio del sensore richiede circa 5-10 minuti, a seconda della concentrazione di particelle scelta. All'interno della fase iniziale, il segnale del sensore aumenta significativamente mentre il sensore è esposto a una concentrazione di particelle costante. Dopo la fase di avvio, il segnale del sensore si stabilizza. In quella fase, viene raggiunto uno stato di equilibrio per l'accumulo e la frammentazione dei dendriti e il segnale del sensore è quindi proporzionale alla concentrazione di fuliggine in entrata. Dopo questa fase di inizializzazione, il sensore è pronto a misurare eventuali variazioni della concentrazione di aerosol.
I dati di misurazione mostrati nella Figura 11 iniziano dal momento in cui il sensore si trova nello stato di equilibrio sopra menzionato. Per calcolare la corrente del sensore in ampere, i dati raccolti in volt devono essere divisi per il valore della resistenza interna per ottenere il valore di corrente corretto.
L'asse verticale mostra il segnale del sensore in ampere e l'asse orizzontale mostra la concentrazione di aerosol misurata dallo strumento di riferimento in mg/m3. Nel grafico è anche indicato un adattamento lineare con i suoi parametri rappresentativi. L'elevata incertezza dei dati misurati è dovuta all'elevata dinamica durante la regolazione della concentrazione con il ponte di diluizione. I parametri di adattamento lineare sono un valore R 2 di 0,80, un'intercetta di -0,53 nA e una pendenza di2,80 nAm3/mg con una deviazione standard di 1,4 nA.
Figura 11: Risultati positivi. Il segnale del sensore viene tracciato sull'asse verticale in ampere, mentre la concentrazione di particelle misurata dallo strumento di riferimento in mg/m3 viene tracciata sull'asse orizzontale. Inoltre, un adattamento lineare con i parametri più importanti viene aggiunto alla trama. I parametri di adattamento lineare sono un valore R 2 di 0,80, un'intercetta di -0,53 nA e una pendenza di2,80 nAm3/mg. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
C'è anche la possibilità che le particelle ostruiscano il percorso tra gli elettrodi, nel qual caso si formano ponti di fuliggine conduttivi tra gli elettrodi. Poiché la fuliggine è un materiale conduttivo, questi ponti di fuliggine formano un cortocircuito tra gli elettrodi. Il segnale misurato sale rapidamente con l'aumentare dello spessore del percorso conduttivo, fino al punto in cui la tensione diventa così alta che il voltmetro potrebbe essere danneggiato. Un esempio di esperimento con la formazione di ponti di fuliggine può essere visto nella Figura 12. Il segnale sale in salti / gradini molto ripidi e non si ferma o si appiattisce. Anche i dendriti non si formano più e il sensore non è più in uno stato di equilibrio. In questo caso, la sorgente ad alta tensione deve essere spenta immediatamente, il sensore deve essere pulito e deve essere avviata una nuova misurazione.
Figura 12: Risultato negativo. Si è verificato un cortocircuito durante la misurazione. Il segnale del sensore in ampere viene tracciato sull'asse verticale e il tempo di misurazione viene tracciato sull'asse orizzontale. Il segnale del sensore continua ad aumentare senza restrizioni. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Se viene visualizzata una linea piatta e la corrente del sensore non sale affatto a un valore superiore a 1 nA, seguire le istruzioni per la risoluzione dei problemi nella sezione di discussione. Il sensore deve essere sempre nello stato di equilibrio per misurare con precisione l'aerosol in entrata; Pertanto, all'inizio dell'esperimento deve essere fornita una concentrazione iniziale di aerosol sufficientemente elevata.
File supplementare 1: questo file rappresenta il file CAD (computer-aided design) per stampare il canale di flusso illustrato nella Figura 7A con fori per il cavo. Clicca qui per scaricare questo file.
File supplementare 2: questo file rappresenta il file CAD per stampare il canale di flusso illustrato nella Figura 7A senza fori. Clicca qui per scaricare questo file.
File supplementare 3: Questo file rappresenta il file CAD per stampare il supporto dell'elettrodo interno illustrato nella Figura 7A. Clicca qui per scaricare questo file.
File supplementare 4: questo file rappresenta il file CAD per stampare il supporto esterno dell'elettrodo illustrato nella Figura 7C (a destra). Clicca qui per scaricare questo file.
File supplementare 5: questo file rappresenta il file CAD per stampare il canale di flusso senza fori illustrato nella Figura 7C (a sinistra). Clicca qui per scaricare questo file.
File supplementare 6: questo file rappresenta il file CAD per stampare il distanziatore dell'elettrodo. Clicca qui per scaricare questo file.
Discussion
Passaggi critici
Post-elaborazione della stampa
Quasi tutte le fasi di questo protocollo possono essere messe in pausa o posticipate, ad eccezione della post-elaborazione delle parti 3D appena stampate (fase 1.5 del protocollo). Se lo schermo di protezione UV della stampante è aperto, la post-elaborazione dovrebbe iniziare immediatamente, altrimenti i piccoli canali via cavo, così come la cavità per la tenuta, si ostruiranno. L'adattamento preciso della cavità assicura che il sensore possa essere sigillato ermeticamente. Questo è importante perché il sensore è molto sensibile alle fluttuazioni del flusso. Anche il processo di tempra è importante (fase 1.4 del protocollo); Se la temperatura è impostata troppo alta, il materiale diventa troppo fragile e può rompersi sotto le forze esercitate dal morsetto sul supporto esterno dell'elettrodo.
Produzione di elettrodi
Un attento taglio e sbavatura (fasi del protocollo 2.2-2.3) degli elettrodi è molto importante perché le irregolarità nel gap dell'elettrodo causano perturbazioni nei campi elettrici e di velocità, il che porta a scarse prestazioni del sensore. Nel peggiore dei casi, una forte irregolarità può causare l'avvicinamento degli elettrodi così tanto da superare la tensione di rottura e si verifica un cortocircuito. Da questo punto in poi, non è possibile fare alcuna dichiarazione sul segnale di misurazione e l'elettronica di misura è soggetta a danni.
Assemblea
L'assemblaggio del sensore (passaggi del protocollo 3.4-3.6) è fondamentale, in quanto crea il gap dell'elettrodo. Come accennato in precedenza, la distanza tra gli elettrodi è molto importante; Questo spazio deve essere uniformemente di 1 mm su tutta la lunghezza. Questi passaggi sono importanti perché possono cambiare drasticamente il campo elettrico nel sensore. Il comportamento complessivo della deposizione, così come la formazione di dendriti, può essere influenzato dal cambiamento nel campo elettrico. Pertanto, non è più possibile garantire che la risposta del sensore sia lineare rispetto all'aerosol in arrivo. Lo scenario peggiore di un cortocircuito si applica anche qui.
Modifiche
Stampa 3D
Altre possibili modifiche sono l'uso di diverse resine di stampa 3D. Esistono molte resine diverse sul mercato che possono modificare la densità, la flessibilità, la resistenza alla temperatura e la resistenza dell'alloggiamento del sensore.
Dimensioni del sensore
Il primo criterio di progettazione per il sensore è una configurazione di sicurezza. La rigidità dielettrica dell'aria tra gli elettrodi è di 3 mm/kV. Questa lunghezza non deve essere sottovalutata in nessun caso. Maggiore è il potenziale elettrico, più particelle si depositano e queste particelle depositate sono quindi inclini a formare dendriti. Le dimensioni degli elettrodi sono state scelte in modo da poter utilizzare componenti standard facilmente disponibili. I progetti di sensori simili noti agli autori utilizzavano le seguenti dimensioni per un sensore piatto: larghezza 9 mm, lunghezza 2 mm, spazio vuoto 1 mm e lunghezza 15 mm, con un diametro di 8,5 mm e spazio di 1,3 mm per un design cilindrico12,13. Inoltre, è necessario assicurarsi che il sensore possa essere fabbricato a mano in una normale officina. Uno spazio di 1 mm è lo spazio minimo assoluto che consente comunque di pulire manualmente il sensore. Qui, 1 kV è stato utilizzato come un buon compromesso di sicurezza e deposizione efficiente di particelle, nonché disponibilità di sorgenti di tensione in questo intervallo.
Elettrodi
Poiché la distanza esatta di 1 mm tra gli elettrodi del sensore è così cruciale per le prestazioni, è possibile dedicare ancora più lavoro di sviluppo in questa fase. Ad esempio, il dispositivo stampato in 3D può essere reso ancora più preciso, oppure è possibile utilizzare un tornio al posto di un semplice tagliatubi per il taglio e la sbavatura, se l'attrezzatura è disponibile. Un'altra opzione è quella di utilizzare una sega invece di un tagliatubi. In questo caso, i bordi della sega devono essere rettificati in seguito. Questo metodo causa meno deformazioni rispetto al tagliatubi, ma richiede più tempo. Rispetto alla colla epossidica, il silicone offre ai cavi più spazio per muoversi e diventa più facile ridistanziare gli elettrodi. Tuttavia, poiché i cavi hanno più spazio per muoversi, è più difficile sigillare il sensore. Invece del morsetto a vuoto, che è più facile da aprire contemporaneamente, è anche possibile un design fatto da sé. Qui, solo i fori per alcune viti e una cavità per il cavo di tenuta devono essere modificati nel design 3D.
MFC
L'MFC determina la quantità di aerosol aspirata attraverso il sensore; il resto dovrebbe poter essere drenato attraverso un troppopieno con un filtro HEPA posto alla fine del troppopieno, per evitare l'inquinamento della stanza. Scegliendo una pompa meno costosa invece di una MFC, fluttuazioni di flusso più elevate influenzeranno negativamente il segnale del sensore.
Ponte di diluizione
Come mostrato nella Figura 9, un ponte di diluizione può essere costruito con una semplice valvola a spillo parallela a uno o più filtri HEPA. Altri progetti includono una piccola morsa per spremere il tubo invece della valvola a spillo. Questo design ha il vantaggio che il tubo può essere pulito più facilmente. Più bobine ha una morsa di questo tipo, più fine può essere regolata la concentrazione. Ciò è particolarmente importante per le misurazioni di calibrazione, dove l'alta dinamica dovrebbe essere evitata.
Multimetro da banco
Il multimetro da banco misura una tensione, che deve essere divisa per il valore della resistenza interna per ottenere il corretto valore di corrente. A seconda del campo di misura scelto (ad es. 100 V), questo valore di resistenza interna può variare (ad es. 1 MΩ). È importante selezionare un intervallo definito in modo che il valore di resistenza interna sia lo stesso per tutti i valori misurati. Se si sceglie "gamma automatica", è necessario tenere traccia anche del valore della resistenza interna.
Risoluzione dei problemi
Stampante 3D
Se la stampante si ferma, il serbatoio deve essere controllato per i residui dell'ultima stampa; Il mixer si blocca spesso. Si dovrebbero osservare i primi minuti del processo di stampa. Se è intasato, è perché non sono state impostate le impostazioni corrette dell'affettatrice o perché la nuova stampa non è stata conservata in condizioni di protezione UV prima della post-elaborazione. Nelle impostazioni del filtro dei dati, nessun punto di supporto deve ostruire il canale di flusso e lo spazio tra gli elettrodi e la casella delle strutture di supporto interne deve essere deselezionata prima di inviare il file alla stampante.
Sorgente aerosol + ponte di diluizione
Se la sorgente di aerosol sembra instabile, tutti i filtri HEPA devono essere controllati per assicurarsi che siano nella posizione corretta e non siano ostruiti. Inoltre, il generatore di aerosol e lo strumento di riferimento devono essere controllati per assicurarsi che abbiano terminato la fase di riscaldamento.
Sensore
I guasti più comuni sono causati da una connessione di alimentazione insufficiente, da una perdita d'aria al sensore o quando le particelle depositate formano ponti di fuliggine tra gli elettrodi. Innanzitutto, il sensore viene aperto per verificare se si sono formati ponti di fuliggine tra gli elettrodi. La fonte di alimentazione deve essere spenta prima di scollegare i cavi del sensore e aprire il sensore. I ponti di fuliggine sono facilmente visibili ad occhio nudo e possono essere rimossi con poco sforzo. Per rimuovere i ponti di fuliggine, è meglio usare un panno per la pulizia ottica o un batuffolo di cotone privo di lanugine.
Una perdita che modifica il comportamento del flusso nel sensore, così come una tensione inferiore agli elettrodi, può modificare il segnale del sensore. Non è possibile dire in anticipo quale di questi problemi sia responsabile di una risposta inaspettata del sensore. Pertanto, è importante verificare sia la tenuta che la stabilità della tensione come segue. Innanzitutto, viene controllato il collegamento dal cavo agli elettrodi (passaggio del protocollo 4.4). Successivamente, la fonte di tensione viene controllata per vedere se sta erogando i volt previsti. Una perdita d'aria è meglio identificata con spray di perdita. Oltre a questo, la tenuta può anche essere controllata con una pompa per vuoto, come descritto nella fase 4.4.2 del protocollo.
Limitazioni
La limitazione di un sensore elettrostatico è ben descritta da Maricq et al.14. Nel loro lavoro, sottolineano l'importanza di una fonte di tensione stabile e di un flusso di sensori stabile per le prestazioni del sensore. Per questo motivo, una configurazione con un MFC o una pompa dovrebbe sempre essere utilizzata per il controllo del flusso, come descritto nella Figura 10. Inoltre, il sensore ha bisogno di un tempo più lungo per raggiungere l'equilibrio durante il primo test. In ulteriori esperimenti, in cui una popolazione stabile di dendriti si è stabilita sugli elettrodi, la quantità di tempo per avviare il sensore è ridotta. Tuttavia, va generalmente notato che il sensore ha sempre bisogno di un tempo di avvio per diventare operativo a seconda della concentrazione iniziale.
A differenza di un progetto piatto, come in Bilby et al., la deriva del sensore non è un grosso problema in questa disposizione cilindrica12. Tuttavia, i rapidi cambiamenti di concentrazione a basse concentrazioni di particelle sono ancora difficili da rilevare con il sensore. Come indicato da Diller et al. e Maricq et al., per un segnale di misurazione significativo, il valore misurato viene mediato su 2-10 minuti, a seconda di quanto cambia il flusso nell'esperimento14,15.
Con una pendenza di 2,8 nAm3/mg e una deviazione standard di ±1,4 nA, la deviazione dalla linea di regressione nella figura 11 è elevata. Per una migliore comprensione della precisione del sensore, si consiglia il confronto di diversi esperimenti. Per esperimenti ripetuti, la pendenza rappresenta 3,5 nAm 3/mg con una deviazione standard di ±1,0 nA e 4,9 nAm3/mg con una deviazione standard di ± 0,6 nA. Inoltre, il sensore darà una lettura molto alta nel momento in cui la sorgente di tensione viene accesa. Questo valore iniziale viene filtrato dai dati di misurazione.
Il vantaggio del metodo qui presentato risiede chiaramente nella semplicità, ma anche nelle versatili possibilità di adattare la forma del sensore alle diverse esigenze. Pertanto, oltre alla fuliggine, il sensore è in grado di rilevare una grande varietà di particelle cariche ed è adatto per una vasta gamma di applicazioni, ad esempio il rilevamento di particolato da centrali elettriche, incendi, industrie e automobili. Questo documento dovrebbe essere un incentivo per agenzie, aziende, team di ricerca, cittadini scienziati e chiunque sia interessato al rilevamento del particolato per riprodurre questo semplice manuale di costruzione del sensore e costruire il proprio rilevatore di particelle.
Disclosures
L'autore è impiegato presso Silicon Austria Labs ed è uno studente dell'Università tecnica di Graz. Non ci sono altri conflitti di interesse da dichiarare.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato finanziato dal Centro COMET "ASSIC-Austrian Smart Systems Integration Research Center". L'ASSIC è cofinanziato dal BMK, dal BMDW e dai Länder austriaci di Carinzia e Stiria nell'ambito del programma COMET-Competence Centres for Excellent Technologies dell'Agenzia austriaca per la promozione della ricerca (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
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