Name: Kostengünstiger Partikeldetektor für die additive Fertigung (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-03-24T12:50:00.000+00:00
Duration: 6 min 5 s
Description: Erfahren Sie, wie Sie einen kostengünstigen Partikeldetektor für die additive Fertigung bauen und testen. Diese Methode ermöglicht die Messung von Ruß und geladenen Partikeln mit minimalem Equipment.

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Diese Arbeit wurde vom COMET-Zentrum "ASSIC-Austrian Smart Systems Integration Research Center" gefördert. ASSIC wird vom BMK, dem BMDW und den österreichischen Bundesländern Kärnten und Steiermark im Rahmen des COMET-Kompetenzzentrums für exzellente Technologien der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) kofinanziert.

1.3D Drucken
<ol><li>Slicer-Einstellungen<ol><li>Öffnen Sie alle ".stl"-Dateien mit der Slicer-Software und platzieren Sie die Sensorteile auf der Plattform (siehe Supplemental File 1, Supplemental File 2, Supplemental File 3, Supplemental File 4, Supplemental File 5 und Supplemental File 6).</li>
		<li>Um ein gutes Druckergebnis zu erzielen, kippen Sie alle Teile in Bezug auf die Plattform.</li>
		<li>Erzeugen Sie Stützpunkte mit einer Dichte von 0,8 und einer Punktgröße von 0,4 mm.</li>
		<li>Wählen Sie Clear V4 mit einer Schichtdicke von 50 μm.</li>
	</ol></li>
	<li>Starten Sie den Druckvorgang.<ol><li>Laden Sie die Slicer-Ausgabedatei auf den 3D-Drucker hoch.</li>
		<li>Achten Sie auf die Druckzeit und die Harzmengen, die auf dem Bildschirm angezeigt werden. Setzen Sie den durchsichtigen V4-Tank und die Harzkartusche ein, bringen Sie die Montageplattform an und öffnen Sie den Kartuschendeckel. Drücken Sie auf dem Drucker auf Start .</li>
	</ol></li>
	<li>Sofortige Nachbearbeitung<ol><li>Öffnen Sie nach Abschluss des Druckvorgangs den Drucker und nehmen Sie die Montageplattform ab. HINWEIS: Dieser Schritt kann nur verzögert werden, wenn sichergestellt ist, dass das Modell unter dem UV-Schutzbildschirm des Druckers bleibt (siehe kritische Schritte/Drucknachbearbeitung in der Diskussion).</li>
		<li>Ziehen Sie alle Teile vorsichtig von der Plattform ab und legen Sie sie in ein Isopropanolbad.</li>
		<li>Bewegen Sie die Teile 20 Minuten lang konstant.</li>
		<li>Nehmen Sie die Teile alle 5 Minuten heraus und spülen Sie alle kleinen Spalten und Löcher gründlich aus.</li>
	</ol></li>
	<li>UV-Härtung<ol><li>Trocknen Sie die Teile, bevor Sie mit dem Aushärten beginnen.</li>
		<li>Spülen Sie alle kleinen Spalten und Löcher mit Druckluft.</li>
		<li>Legen Sie die Teile in die UV-Härtevorrichtung und härten Sie sie 50 min bei 40 °C aus. HINWEIS: Diese Einstellung weicht von der vom Hersteller empfohlenen Trocknungszeit und -temperatur ab (siehe kritische Schritte/Drucknachbearbeitung in der Diskussion).</li>
	</ol></li>
	<li>Nachbearbeitung<ol><li>Überprüfen Sie, ob alle Hohlräume und Löcher offen sind.</li>
		<li>Wenn ein Pfad verstopft ist, bohren oder kratzen Sie ihn mit dem Geradschleifer.</li>
		<li>Prüfen Sie, ob alle gedruckten Teile richtig sitzen und die Kupferrohre eingesetzt werden können. Wenn sie es nicht können, schleifen Sie sie ab.</li>
	</ol></li>
</ol>2. Herstellung von Elektroden
<ol><li>Messen Sie 9 mm von der Oberkante der 18 mm und 22 mm Kupferrohre und markieren Sie diese Positionen.</li>
	<li>Schneiden Sie die Rohre mit dem Rohrschneider an den Markierungen ab. Anmerkungen: Achten Sie darauf, während des Vorgangs nicht zu viel Kraft aufzuwenden. Es dauert mehrere Umdrehungen, um die Rohre zu durchtrennen (siehe kritische Schritte/Elektrodenherstellung im Diskussionsabschnitt).</li>
	<li>Entgraten Sie den Kupferring vorsichtig. Üben Sie beim Entgraten nicht zu viel Druck auf den Kupferring aus und versuchen Sie, die Elektrodenoberfläche nicht zu zerkratzen. HINWEIS: Dies ist ein sehr kritischer Teil und wirkt sich auf die Leistung des Sensors aus (siehe kritische Schritte/Elektrodenherstellung und -modifikationen/Elektroden im Diskussionsabschnitt).</li>
	<li>Elektrodenlöten<ol><li>Löten Sie das rote Kabel an den inneren Kupferring (18 mm) und das schwarze Kabel an den äußeren Kupferring (22 mm).</li>
		<li>Polieren Sie den Kupferring, um die oxidierte Kupferschicht auf der Oberfläche zu entfernen.</li>
		<li>Klemmen Sie den Ring in einen Schraubstock.</li>
		<li>Verzinnen Sie sowohl den Kupferring als auch das Kabel vor und löten Sie das Kabel an den Ring. ACHTUNG: Durch das Löten erhitzen sich die Kupferelektroden auf bis zu 400 °C. Berühren Sie die Elektroden nur mit einer Pinzette und tragen Sie Thermoschutzhandschuhe.</li>
	</ol></li>
</ol>3. Montage
<ol><li>Mischen Sie die beiden Komponenten des Epoxidklebers in einer Schale. Anmerkungen: Es ist sehr wichtig, transparenten Kleber zu verwenden, um zwischen Rußbrücken und ausgehärtetem Kleber zu unterscheiden. VORSICHT: Arbeiten Sie unter einem Abzug, tragen Sie Schutzkleidung (insbesondere Handschuhe) und reinigen Sie die Arbeitsflächen. Weitere Sicherheitshinweise finden Sie im Sicherheitsdatenblatt. Gesundheitsgefahr: "Skin Corr. 1C - H314 Eye Dam. 1 - H318 Skin Sens. 1 - H317".</li>
	<li>Stecken Sie den inneren Elektrodenhalter in den Durchflusskanal und warten Sie 60 Minuten, bis der Kleber ausgehärtet ist (Abbildung 7A).</li>
	<li>Setzen Sie den inneren Elektrodenring (18 mm) auf die Halterung und führen Sie das Kabel durch den Kabelkanal (Abbildung 7B). HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass genügend Platz für die Lötstelle vorhanden ist.</li>
	<li>Platzieren Sie den Abstandshalter um die innere Elektrode. HINWEIS: Dies ist ein sehr kritischer Schritt. Wenn der Abstand zwischen den Elektroden nicht überall im gesamten Sensor exakt 1 mm beträgt, kann das elektrische Feld und damit die Sensorleistung beeinflusst werden (siehe kritische Schritte/Elektrodenherstellung in der Diskussion).</li>
	<li>Setzen Sie den äußeren Elektrodenring (22 mm) auf die Halterung und führen Sie das Kabel durch den Kabelkanal (Bild 7C).</li>
	<li>Kleben Sie den äußeren Elektrodenhalter auf den Strömungskanal. Führen Sie den Abstandshalter in den Spalt zwischen den beiden Kupferelektroden ein. Warten Sie 60 Minuten, bis der Kleber ausgehärtet ist (Abbildung 7D).</li>
	<li>Versiegeln Sie alle Kabelkanäle mit Epoxidkleber. Warten Sie über Nacht, bis der Kleber ausgehärtet ist.</li>
	<li>Setzen Sie die Vakuumdichtung in das aufgedruckte Ventil der äußeren Elektrode ein. Setzen Sie die beiden Sensorseiten ineinander ein und befestigen Sie sie mit der Vakuumklemme (Bild 7E,F).</li>
</ol>4. Prüfungen
<ol><li>Öffnen Sie die Vakuumklemme des Sensors.</li>
	<li>Ziehen Sie die beiden Hälften des Sensors auseinander und entfernen Sie die Dichtung.</li>
	<li>Berühren Sie von dort aus den Elektrodenring mit einer Multimeter-Sondenspitze und das Ende des Kabels, das zur Elektrode führt, mit der anderen Multimeter-Spitze.</li>
	<li>Vorabtests<ol><li>Prüfen Sie die elektrische Verbindung der Elektrode und des Kabels mit dem Multimeter. Prüfen Sie, ob der Widerstand &lt;2 Ω beträgt (je nach Oxidationsgrad).</li>
		<li>Stecken Sie den Schlauch auf den Aerosoleinlass und -auslass und testen Sie mit der Vakuumpumpe, ob der Sensor luftdicht ist.</li>
	</ol></li>
	<li>Paralleles Experiment<ol><li>Erstellen Sie den Sensoraufbau gemäß Abbildung 8.<ol><li>Schließen Sie das Hochspannungsnetzteil an das rote Sensorkabel (Hochspannungselektrode) an.</li>
			<li>Schließen Sie das schwarze Sensorkabel an den Spannungseingang des Tischmultimeters an.</li>
			<li>Verbinden Sie die Elektrometermasse (GND) mit der Stromversorgung GND.</li>
			<li>Schließen Sie das USB-Kabel des Multimeters an den PC an.</li>
		</ol></li>
		<li>Integrieren Sie den Sensor in den Aerosolmessaufbau. gemäß Abbildung 9.</li>
		<li>Aerosol-Generator<ol><li>Gasversorgung: Schalten Sie den Mantelstrom, die Stickstoff- und Propanzufuhr ein (erforderlicher Druck: Stickstoff, 4 bar; andere Gase, je 1 bar).</li>
			<li>Stromquelle: Stecken Sie das 24-V-Quellkabel für die eingebauten MFCs ein und verbinden Sie den USB-Anschluss an den PC.</li>
			<li>Software: Öffnen Sie die MFC-Software, und geben Sie die richtige COM-Portnummer ein. Nach Geräten suchen: Wenn fünf Geräte angezeigt werden (für fünf verschiedene MFCs), klicken Sie auf Suche beenden. Geben Sie die Startbedingungen gemäß der Bedienungsanleitung des Aerosolgenerators ein: 10 ml/min Propan, 1,55 l/min Oxidationsluft, 7 l/min Abschreckgas, 20 l/min Verdünnungsluft.</li>
			<li>Starten Sie den Aerosolgenerator (siehe Materialtabelle), indem Sie den ON-OFF-Knopf drehen. Wenn der Knopf eingeschaltet ist, leuchtet die Stickstoffanzeige und zeigt an, dass alle Strömungswege offen sind. Halten Sie die Flammensicherung fest und drücken Sie die Zündtaste am Aerosolgenerator. Beobachten Sie eine Flamme im Brennraumfenster. Lassen Sie die Flammensicherung nach ~60 s sehr langsam los.</li>
			<li>Geben Sie die folgenden Massenströme ein: 60 ml/min Propan, 1,55 l/min Oxidationsluft, 7 l/min Stickstoff (Abschreckung) und 20 l/min Verdünnungsluft, um die richtigen Größenverteilungsparameter einzustellen. VORSICHT: Schließen Sie den Generator nur dann an den Rest des Setups an, wenn innerhalb der nächsten Minuten Messungen durchgeführt werden sollen. Andernfalls verstopfen die Filter der Verdünnungsbrücke schnell.</li>
		</ol></li>
		<li>Schließen Sie die Verdünnungsbrücke an den Aerosolgenerator an. Trennen Sie ihn wieder und leiten Sie den Aerosolstrom bis zum Versuchsstart in den Abzug um. Stellen Sie sicher, dass die Verdünnungsbrücke geschlossen ist, bevor Sie mit dem Experiment beginnen.</li>
		<li>Verbinden Sie den Auslass der Verdünnungsbrücke mit dem Einlass des Aerosolmischers.</li>
		<li>Verbinden Sie den Auslass des Aerosolmischers 2 (siehe Abbildung 9E) mit dem Sensoreinlass.</li>
		<li>Integrieren Sie die MFC.<ol><li>Schließen Sie einen HEPA-Filter (High Efficiency Particulate Absorbing) an den Sensorauslass und den Sensorauslass an den MFC-Einlass an.</li>
			<li>Schließen Sie das Netzteil des MFC an und verbinden Sie den USB-Stick mit dem PC.</li>
		</ol></li>
		<li>Öffnen Sie die MFC-Software, und geben Sie die richtige COM-Portnummer ein.<ol><li>Suchen Sie nach Geräten.</li>
			<li>Klicken Sie auf Suche beenden?.</li>
			<li>Geben Sie den Massenstrom mit 1 L/min ein.</li>
		</ol></li>
		<li>Referenzinstrument (siehe Materialtabelle)<ol><li>Schließen Sie das LAN-Kabel an den PC an und öffnen Sie im Browser eine Verbindung zur IP-Adresse des Referenzgeräts, um eine Java-Anwendung zur Steuerung des Referenzgeräts zu öffnen.</li>
			<li>Drücken Sie in der Software zur Steuerung des Referenzinstruments auf Ressourcen sperren | Standby , um die Pumpe zu starten. Anmerkungen: Der Aufheizvorgang dauert ~20 min.</li>
			<li>Klicken Sie nach der Aufwärmphase auf Messung , um das Aerosol zu messen, das in das Referenzgerät eintritt.</li>
			<li>Wählen Sie ein Verdünnungsverhältnis von 1:10 für das Referenzinstrument.</li>
			<li>Verwenden Sie eine Y-Verschraubung, um den Auslass 1 des Aerosolmischers (siehe Abbildung 9D) und den Verdünnungsluftstrom mit dem geteilten Ende der Y-Verschraubung (siehe Abbildung 9C) zu verbinden, und verbinden Sie das einzelne Ende der Y-Verschraubung mit dem Einlass des Referenzinstruments. HINWEIS: Diese beiden Strömungen werden dann am einzigen Ende des Y-Fittings kombiniert.</li>
		</ol></li>
		<li>Beginn des Experiments<ol><li>Schließen Sie den Aerosolgenerator wieder an die Verdünnungsbrücke an und stellen Sie sicher, dass die Verdünnungsbrücke geschlossen ist.</li>
			<li>Klicken Sie auf dem Referenzinstrument auf Messen .</li>
			<li>Öffnen Sie die Verdünnungsbrücke langsam, bis die gewünschte Aerosolmassenkonzentration von 3-5 mg/m3 erreicht ist, und beginnen Sie mit der Aufzeichnung der Daten auf dem Referenzgerät.</li>
			<li>Beobachten Sie die Partikelmassenkonzentration des Referenzgeräts. Wenn die Aerosolquelle stabil ist, schalten Sie die Sensorstromversorgung mit 1.000 V ein und beginnen Sie mit der Aufzeichnung der Daten. HINWEIS: Wenn die Konzentration nicht stabil ist, lesen Sie die Fehlerbehebung im Abschnitt "Diskussion".</li>
		</ol></li>
		<li>Erfassen Sie Daten vom Tischmultimeter mit einem Lesebefehl auf der Konsole oder einem automatisierten Skript. HINWEIS: Nachdem sich der Sensorstrom stabilisiert hat (ca. 5 min), ist ein Vergleich des Referenzgeräts mit dem Sensorstrom möglich. ACHTUNG: Wenn der Sensorstrom schnell über 10-7 A ansteigt (entspricht 0,1 V bei einem Innenwiderstand von 1 MΩ), schalten Sie die Hochspannungsquelle aus (siehe Fehlerbehebung im Diskussionsabschnitt).</li>
		<li>Parallele Messung: Nachdem der Sensor das Gleichgewicht erreicht hat, messen Sie einen Konzentrationsgradienten in Schritten von 5 mg/m3 bis 0,2 mg/m3, indem Sie die Verdünnungsbrücke entsprechend anpassen. Anmerkungen: Wenn höhere Konzentrationen verwendet werden, muss das Verdünnungsverhältnis des Referenzgeräts erhöht werden.</li>
	</ol></li>
	<li>Reinigen Sie den Sensor vor jeder neuen Messung mit Druckluft und einem Tupfer.</li>
</ol>5. Anwendung vor Ort
<ol><li>Erstellen Sie den Sensoraufbau gemäß Abbildung 8.<ol><li>Schließen Sie das Hochspannungsnetzteil an das rote Sensorkabel (Hochspannungselektrode) an.</li>
		<li>Schließen Sie das schwarze Sensorkabel an den Spannungseingang des Tischmultimeters an.</li>
		<li>Verbinden Sie das Elektrometer GND mit dem Netzteil GND.</li>
		<li>Schließen Sie das USB-Kabel des Multimeters an den PC an.</li>
	</ol></li>
	<li>Integrieren Sie den Sensoraufbau in den neuen Messaufbau gemäß Abbildung 10 und verbinden Sie die Aerosolquelle mit dem Sensor.</li>
	<li>Teilen Sie den ausströmenden Partikelstrom von der Aerosolquelle in Pfad A) Sensoraufbau und Pfad B) Belüftung auf.<ol><li>MFC oder Pumpe: Verwenden Sie einen MFC, um die Probe durch den Sensor zu leiten.</li>
		<li>Verwenden Sie einen HEPA-Filter, der dem MFC vorgeschaltet ist. Schließen Sie das Netzteil des MFC an und verbinden Sie den USB-Stick mit dem PC.</li>
		<li>Befolgen Sie Schritt 4.5.8 für die parallele Messung.</li>
	</ol></li>
	<li>Beginn des Feldversuchs: Stellen Sie sicher, dass die Aerosolquelle mit dem Sensoreingang verbunden ist.</li>
	<li>Schalten Sie die Stromversorgung des Sensors ein und beginnen Sie mit der Datenaufzeichnung.</li>
</ol><img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64844/64844fig08.jpg"> Abbildung 8: Aufbau des Sensors. Ein Diagramm des Sensor-Setups. Das Aerosol strömt durch den Sensor. Der Sensor wird an das Voltmeter und eine Hochspannungsversorgung angeschlossen. Das Voltmeter wird von einem Steuergerät gesteuert, das die Sensordaten protokolliert. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/64844fig08large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.</a>
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64844/64844fig09.jpg"> Abbildung 9: Versuchsplan zur Sensorauswertung. Eine stabile Aerosolquelle wird verwendet, um eine Partikelquelle nachzuahmen. Der ausströmende Partikelstrom wird aufgeteilt in Pfad (A), Sensoraufbau; und Pfad (B), Belüftung, tritt in die Verdünnungsbrücke ein und wird weiter auf einen Aerosolmischer verteilt. Nach dem Mischer wird der Aerosolstrom auf einen Referenzinstrumentenpfad (D) aufgeteilt, der parallel zum Sensor misst. Dieses Referenzinstrument benötigt Verdünnungsluft, die über den Pfad (C) verteilt wird. Pfad (E): Ein MFC saugt Luft durch den Sensor. Dieser MFC ist mit einem HEPA-Filter vor dem Aerosolstrom geschützt. Abkürzungen: MFC = Massendurchflussregler; HEPA-Filter = hocheffizienter partikelabsorbierender Filter. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/64844fig09large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.</a>
<img alt="Figure 10" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64844/64844fig10.jpg"> Abbildung 10: Feldversuch: der Versuchsplan. In diesem Aufbau wird eine Aerosolquelle gemessen. Der ausströmende Partikelstrom wird in Pfad A) Sensoraufbau und Pfad B) Belüftung aufgeteilt und tritt dann in den Sensor ein. In diesem Aufbau saugt ein MFC mit einem vorgeschalteten HEPA-Filter das Aerosol durch den Sensor. Abkürzungen: MFC = Massendurchflussregler; HEPA-Filter = hocheffizienter partikelabsorbierender Filter. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/64844fig10large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.</a>

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</ol>

Der Autor ist angestellt bei Silicon Austria Labs und studiert an der Technischen Universität Graz. Es gibt keine weiteren Interessenkonflikte, die deklariert werden müssen.

Kritische Schritte Nachbearbeitung des Drucks Fast jeder Schritt in diesem Protokoll kann pausiert oder verschoben werden, mit Ausnahme der Nachbearbeitung der frisch gedruckten 3D-Teile (Protokollschritt 1.5). Wird der UV-Schutzschirm des Druckers geöffnet, sollte sofort mit der Nachbearbeitung begonnen werden, da sonst die kleinen Kabelkanäle, sowie der Hohlraum für die Dichtung verstopfen. Die Passgenauigkeit der Kavität sorgt dafür, dass der Sensor luftdicht verschlossen werden kann. Dies ist wichtig, da der Sensor sehr empfindlich auf Strömungsschwankungen reagiert. Wichtig ist auch der Härtungsprozess (Protokollschritt 1.4); Wird die Temperatur zu hoch eingestellt, wird das Material zu spröde und kann unter den Kräften, die die Klemme auf den äußeren Elektrodenhalter ausübt, brechen.
Herstellung von Elektroden Das sorgfältige Schneiden und Entgraten (Protokollschritte 2.2-2.3) der Elektroden ist sehr wichtig, da Unregelmäßigkeiten im Elektrodenspalt Störungen in den elektrischen und Geschwindigkeitsfeldern verursachen, was zu einer schlechten Sensorleistung führt. Im schlimmsten Fall kann eine starke Unregelmäßigkeit dazu führen, dass sich die Elektroden so nahe kommen, dass die Durchbruchspannung überschritten wird und es zu einem Kurzschluss kommt. Ab diesem Zeitpunkt kann keine Aussage mehr über das Messsignal getroffen werden und die Messelektronik ist anfällig für Beschädigungen.
Versammlung Die Montage des Sensors (Protokollschritte 3.4-3.6) ist entscheidend, da dadurch der Elektrodenspalt entsteht. Wie oben erwähnt, ist der Abstand zwischen den Elektroden sehr wichtig; Dieser Spalt muss über die gesamte Länge gleichmäßig 1 mm betragen. Diese Schritte sind wichtig, da sie das elektrische Feld im Sensor drastisch verändern können. Das gesamte Abscheideverhalten sowie die Dendritenbildung können durch die Änderung des elektrischen Feldes beeinflusst werden. Somit kann nicht mehr garantiert werden, dass die Sensorantwort linear zum einfallenden Aerosol ist. Auch hier gilt das Worst-Case-Szenario eines Kurzschlusses.
Änderungen 3D-Druck Weitere mögliche Modifikationen sind die Verwendung verschiedener 3D-Druckharze. Es gibt viele verschiedene Harze auf dem Markt, die die Dichte, Flexibilität, Temperaturbeständigkeit und Festigkeit des Sensorgehäuses verändern können.
Abmessungen des Sensors Das erste Designkriterium für den Sensor ist eine Sicherheitskonfiguration. Die Durchschlagsfestigkeit der Luft zwischen den Elektroden beträgt 3 mm/kV. Diese Länge darf auf keinen Fall unterschritten werden. Je höher das elektrische Potential ist, desto mehr Teilchen lagern sich ab, und diese abgeschiedenen Teilchen neigen dann zur Bildung von Dendriten. Die Abmessungen der Elektroden wurden so gewählt, dass leicht verfügbare Standardkomponenten verwendet werden können. Entwürfe ähnlicher Sensoren, die den Autoren bekannt waren, verwendeten die folgenden Abmessungen für einen flachen Sensor: 9 mm Breite, 2 mm Länge, 1 mm Spalt und 15 mm Länge, mit einem Durchmesser von 8,5 mm und einem Spalt von 1,3 mm für eine zylindrische Bauform12,13. Zudem sollte darauf geachtet werden, dass der Sensor in einer normalen Werkstatt von Hand gefertigt werden kann. Ein Spalt von 1 mm ist der absolute Mindestspalt, der es noch ermöglicht, den Sensor manuell zu reinigen. Hier wurde 1 kV als guter Kompromiss aus Sicherheit und effizienter Partikelabscheidung sowie der Verfügbarkeit von Spannungsquellen in diesem Bereich verwendet.
Elektroden Da der exakte Abstand von 1 mm zwischen den Sensorelektroden so entscheidend für die Performance ist, kann noch mehr Entwicklungsarbeit in diesen Schritt gesteckt werden. So kann beispielsweise die 3D-gedruckte Vorrichtung noch genauer gemacht werden, oder eine Drehmaschine anstelle eines einfachen Rohrschneiders zum Schneiden und Entgraten verwendet werden, wenn die Ausrüstung vorhanden ist. Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine Säge anstelle eines Rohrschneiders zu verwenden. In diesem Fall müssen die Kanten der Säge anschließend geschliffen werden. Diese Methode verursacht weniger Verformungen als der Rohrschneider, dauert aber länger. Im Vergleich zu Epoxidkleber gibt Silikon den Kabeln mehr Bewegungsfreiheit und es wird einfacher, die Elektroden neu zu platzieren. Da die Kabel jedoch mehr Bewegungsfreiheit haben, ist es schwieriger, den Sensor abzudichten. Anstelle der Vakuumklemme, die sich auf Anhieb leichter öffnen lässt, ist auch eine Eigenkonstruktion denkbar. Hier müssen in der 3D-Konstruktion lediglich Löcher für einige Schrauben und ein Hohlraum für die Dichtschnur verändert werden.
MFC Der MFC bestimmt, wie viel des Aerosols durch den Sensor gesaugt wird. Der Rest sollte durch einen Überlauf mit einem HEPA-Filter am Ende des Überlaufs abgelassen werden können, um eine Verschmutzung des Raumes zu vermeiden. Wenn Sie sich für eine kostengünstigere Pumpe anstelle einer MFC entscheiden, beeinflussen höhere Durchflussschwankungen das Sensorsignal negativ.
Verdünnungsbrücke Wie in Abbildung 9 zu sehen ist, kann eine Verdünnungsbrücke mit einem einfachen Nadelventil parallel zu einem oder mehreren HEPA-Filtern aufgebaut werden. Andere Designs enthalten einen kleinen Schraubstock, um den Schlauch anstelle des Nadelventils zu quetschen. Diese Konstruktion hat den Vorteil, dass der Schlauch leichter gereinigt werden kann. Je mehr Windungen ein solcher Schraubstock hat, desto feiner kann die Konzentration eingestellt werden. Dies ist besonders wichtig für Kalibriermessungen, bei denen eine hohe Dynamik vermieden werden soll.
Tisch-Multimeter Das Tischmultimeter misst eine Spannung, die durch den Wert des Innenwiderstands dividiert werden muss, um den korrekten Stromwert zu erhalten. Je nach gewähltem Messbereich (z.B. 100 V) kann dieser Innenwiderstandswert variieren (z.B. 1 MΩ). Es ist wichtig, einen definierten Bereich zu wählen, damit der Innenwiderstandswert für alle Messwerte gleich ist. Wenn "Auto Range" gewählt wird, muss auch der Innenwiderstandswert verfolgt werden.
Fehlerbehebung 3D-Drucker Wenn der Drucker stoppt, sollte der Tank auf Rückstände des letzten Drucks überprüft werden. Der Mischer bleibt oft stecken. Man sollte die ersten Minuten des Druckvorgangs beachten. Wenn er verstopft ist, liegt das entweder daran, dass nicht die richtigen Slicer-Einstellungen vorgenommen wurden oder der frische Druck vor der Nachbearbeitung nicht unter UV-geschützten Bedingungen gelagert wurde. In den Slicer-Einstellungen dürfen keine Stützpunkte den Strömungskanal und den Raum zwischen den Elektroden behindern, und das Kästchen für die internen Stützstrukturen muss deaktiviert werden, bevor die Datei an den Drucker gesendet wird.
Aerosolquelle + Verdünnungsbrücke Wenn die Aerosolquelle instabil erscheint, sollten alle HEPA-Filter überprüft werden, um sicherzustellen, dass sie sich in der richtigen Position befinden und nicht verstopft sind. Außerdem sollten sowohl der Aerosolgenerator als auch das Referenzgerät überprüft werden, um sicherzustellen, dass sie ihre Aufwärmphase beendet haben.
Sensor Die häufigsten Fehler entstehen durch eine unzureichende Stromversorgung, ein Luftleck am Sensor oder wenn abgelagerte Partikel Rußbrücken zwischen den Elektroden bilden. Zunächst wird der Sensor geöffnet, um zu prüfen, ob sich Rußbrücken zwischen den Elektroden gebildet haben. Die Stromquelle muss ausgeschaltet werden, bevor die Sensorkabel abgezogen und der Sensor geöffnet wird. Rußbrücken sind mit bloßem Auge gut sichtbar und können mit wenig Aufwand entfernt werden. Um Rußbrücken zu entfernen, verwenden Sie am besten ein optisches Reinigungstuch oder ein fusselfreies Wattestäbchen.
Ein Leck, das das Fließverhalten im Sensor verändert, sowie eine niedrigere Spannung an den Elektroden können das Sensorsignal verändern. Es ist nicht möglich, im Voraus zu sagen, welches dieser Probleme für eine unerwartete Sensorreaktion verantwortlich ist. Daher ist es wichtig, sowohl die Dichtheit als auch die Spannungsstabilität wie folgt zu überprüfen. Zunächst wird die Verbindung vom Kabel zu den Elektroden geprüft (Protokollschritt 4.4). Als nächstes wird die Spannungsquelle überprüft, um festzustellen, ob sie die erwarteten Volt liefert. Ein Luftleck wird am besten mit Leckspray identifiziert. Darüber hinaus kann die Dichtheit auch mit einer Vakuumpumpe überprüft werden, wie in Protokollschritt 4.4.2 beschrieben.
Begrenzungen Die Limitierung eines elektrostatischen Sensors wird von Maricq et al.14 gut beschrieben. In ihrer Arbeit betonen sie die Bedeutung einer stabilen Spannungsquelle und eines stabilen Sensorflusses für die Leistungsfähigkeit des Sensors. Aus diesem Grund sollte für die Durchflussregelung immer ein Setup mit einem MFC oder einer Pumpe verwendet werden, wie in Abbildung 10 beschrieben. Hinzu kommt, dass der Sensor beim ersten Test eine längere Zeit benötigt, um das Gleichgewicht zu erreichen. In weiteren Experimenten, in denen sich eine stabile Dendritenpopulation auf den Elektroden angesiedelt hat, verkürzt sich die Zeit bis zum Starten des Sensors. Generell ist jedoch zu beachten, dass der Sensor je nach Anfangskonzentration immer eine Anlaufzeit benötigt, um betriebsbereit zu werden.
Im Gegensatz zu einer flachen Bauweise, wie bei Bilby et al., ist die Sensordrift bei dieser zylindrischen Anordnung kein großes Problem12. Schnelle Konzentrationsänderungen bei niedrigen Partikelkonzentrationen sind mit dem Sensor jedoch noch schwer zu erkennen. Wie von Diller et al. und Maricq et al. angegeben, wird für ein aussagekräftiges Messsignal der Messwert über 2-10 min gemittelt, je nachdem, wie stark sich die Strömung im Experiment ändert14,15.
Mit einer Steigung von 2,8nAm3/mg und einer Standardabweichung von ±1,4 nA ist die Abweichung von der Regressionsgeraden in Abbildung 11 hoch. Für ein besseres Verständnis der Sensorgenauigkeit empfiehlt sich der Vergleich mehrerer Experimente. Bei wiederholten Experimenten beträgt die Steigung 3,5 nAm3/mg mit einer Standardabweichung von ±1,0 nA und 4,9nAm3/mg mit einer Standardabweichung von ± 0,6 nA. Darüber hinaus liefert der Sensor einen sehr hohen Messwert, sobald die Spannungsquelle eingeschaltet wird. Dieser Startwert wird aus den Messdaten herausgefiltert.
Der Vorteil der hier vorgestellten Methode liegt ganz klar in der Einfachheit, aber auch in den vielseitigen Möglichkeiten, die Sensorform an unterschiedliche Bedürfnisse anzupassen. Daher kann der Sensor neben Ruß auch eine Vielzahl geladener Teilchen detektieren und eignet sich für eine Vielzahl von Anwendungen, zum Beispiel die Feinstaubdetektion von Kraftwerken, Waldbränden, Industrien und Automobilen. Dieses Papier soll ein Anreiz für Behörden, Unternehmen, Forschungsteams, Citizen Scientists und alle, die sich für die Detektion von Feinstaub interessieren, sein, diese einfache Sensorbauanleitung zu reproduzieren und einen eigenen Teilchendetektor zu bauen.

Das Einatmen von Partikeln mit einer Größe von 1 μm oder kleiner birgt ein hohes Risiko für gesundheitliche Beeinträchtigungen des menschlichen Körpers. Mit zunehmender Umweltbelastung durch Verbrennungsprozesse nehmen Atemwegserkrankungen in der Bevölkerung zu 1,2,3. Um die Gesundheit zu fördern und der Verschmutzung entgegenzuwirken, ist es notwendig, zunächst die Verschmutzungsquellen zu identifizieren und den Grad der Verschmutzung zu quantifizieren. Dies kann mit vorhandenen Teilchendetektoren erfolgen. Diese sind jedoch groß und sehr oft viel zu teuer für private oder Citizen-Science-Zwecke.
Viele der kommerziell erhältlichen Teilchendetektoren sind sperrig, sehr teuer und erfordern zusätzliche Ausrüstung, um betrieben zu werden4. Die meisten von ihnen benötigen auch mehrere Aerosolkonditionierungsschritte. Zum Beispiel wird eine Verdünnung für Detektoren benötigt, die Lichtstreuung als Messprinzip verwenden, und der Messbereich ist durch die Wellenlänge 5,6,7 begrenzt. Teilchendetektoren, die laserinduziertes Glühen als Detektionsprinzip nutzen, benötigen sowohl hochenergetische Laserquellen als auch ein energieaufwändiges Kühlsystem8.
Partikeldetektoren, die Kondensationspartikelzähler verwenden, werden normalerweise als Goldstandard für die Messung der Partikelkonzentration verwendet. Diese benötigen Vorkonditionierung, Verdünnung und Arbeitsflüssigkeiten (z. B. Butanol)9,10,11. Die Vorteile eines elektrostatischen Sensors liegen in der einfachen und kompakten Bauweise und den geringen Herstellungskosten. Im Vergleich zu Kondensationspartikelzählern sind jedoch erhebliche Abstriche hinsichtlich der Genauigkeit zu machen.
Ein elektrostatischer Sensor stellt eine Alternative zu diesen Methoden dar. Elektrostatische Sensoren können robust, leicht, kostengünstig in der Herstellung und unbeaufsichtigt betrieben werden. Die einfachste Form eines elektrostatischen Sensors ist ein paralleler Plattenkondensator mit einem hohen elektrischen Feld zwischen seinen Platten. Wenn Aerosol in den Hochspannungsbereich zwischen den beiden Kupferelektroden gefördert wird, lagern sich natürlich geladene Partikel an den Elektroden unterschiedlicher Polaritätab 12 (Abbildung 1).
Dendriten bilden sich auf der Oberfläche der Elektroden in Richtung der Feldlinien der angelegten Hochspannung zwischen den Elektroden und werden über Kontaktladung aufgeladen. Fragmente dieser Dendriten brechen schließlich von den Elektroden ab und lagern sich mit entgegengesetzter Polarität wieder auf der Elektrode ab, wobei ihre Ladung übertragen wird. Diese Fragmente tragen eine hohe Anzahl von Ladungen. Da die Elektrode geerdet ist, erzeugt die deponierte Ladung einen Strom, der zu einem Spannungsabfall am Innenwiderstand des Tischmultimeters führt. Je häufiger dies pro Zeiteinheit geschieht, desto höher ist der Strom und desto höher ist der Spannungsabfall (Abbildung 2).
Aufgrund der hohen Spannung, die durch die Ladungseinlagerung der Fragmente induziert wird, wird keine weitere Verstärkerelektronik benötigt. Die Bildung von Dendritenabbruchpartikeln und die anschließende Ladungsabgabe dieser Partikel stellt eine natürliche Signalverstärkung12 dar. Das resultierende Sensorsignal ist proportional zur Partikelmassenkonzentration. Dieses Signal kann mit einem handelsüblichen Tischmultimeter detektiert werden.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64844/64844fig01.jpg"> Abbildung 1: Schaltplan des Sensors. Das Aerosol strömt in den Aerosoleinlass, breitet sich durch den linken Strömungskanal aus und erreicht dann den Spalt zwischen der Hochspannungselektrode (Innenelektrode) und der Messelektrode (Außenelektrode). Dort tragen die Partikel zum Dendritenwachstum und, wie bereits erläutert, zum Abbruch bei und erzeugen so die Sensorantwort. Danach strömen die Partikel weiter durch den rechten Strömungskanal und verlassen den Sensor am Aerosolaustritt. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/64844fig01large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64844/64844fig02.jpg"> Abbildung 2: Physikalisches Prinzip. Positiv und negativ geladene Teilchen sowie neutrale Teilchen treten in den Spalt zwischen den Elektroden entgegengesetzter Polarität ein. Sie werden durch die elektrischen Feldlinien auf die entgegengesetzte Elektrode umgelenkt und lagern dort ihre Ladung ab. Dann werden sie Teil eines Dendriten und übernehmen die Ladung der jeweiligen Elektrode. Die Felddichte ist an der Dendritenspitze am höchsten, wo mehr Partikel gefangen werden. Übersteigt die Widerstandskraft die Bindungskräfte, brechen Segmente der Dendriten ab, die wiederum auf die gegenüberliegende Elektrode treffen und ihre Ladungen ablagern. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/64844fig02large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.</a>
Mit einem zylindrischen Design, wie in Warey et al.10, kann die Wahrscheinlichkeit der Bildung von Rußbrücken minimiert werden. Dort finden Sie weitere Informationen über die Sensorgeometrie, die angelegte Spannung, die Gasströmungsgeschwindigkeit und die Feinstaubkonzentration. Sie deuten auf eine Korrelation des Sensorsignals mit Feinstaub hin, der durch den Sensor strömt (Gleichung 1).
Sensor (V) = 5,7 × 10-5 C V 0 e0,62V × <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/64844/64844eq01.jpg" style="margin: auto;"> (1) 
C ist die Massenkonzentration des Feinstaubs, V0 ist die angelegte Spannung, V ist die Abgasgeschwindigkeit, L ist die Elektrodenlänge und S ist der Elektrodenabstand13.
Bilby et al. konzentrierten sich auf die detaillierte Untersuchung der zugrunde liegenden physikalischen Wirkung des elektrostatischen Sensors9. Diese Studien umfassten einen optisch zugänglichen Aufbau und ein kinetisches Modell, um die Signalverstärkung des Dendriten-basierten Sensors zu erklären (siehe Gleichungen 2 und 3).
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/64844/64844eq02v2.jpg" style="margin: auto;">(2)
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/64844/64844eq03v2.jpg" style="margin: auto;">(3)
S stellt einen Stapel von Rußscheiben aus 10-100 Rußagglomeraten mit einer Größe von 50-100 nm dar; D n stellt einen Dendriten mitn Scheiben dar; Br bezeichnet ein abbrechendes Fragment, das aus f-Scheiben besteht; S und ki sind die Geschwindigkeitskonstanten12.
In diesem Artikel wird ein Protokoll vorgestellt, wie ein einfacher, aber effizienter, kostengünstiger Teilchendetektor gebaut und getestet werden kann, der ohne weitere Ausrüstung für hohe Partikelkonzentrationen verwendet werden kann. Bisherige Arbeiten zu dieser Art von elektrostatischen Sensoren konzentrierten sich hauptsächlich auf Abgasmessungen. In dieser Arbeit werden im Labor erzeugte Rußpartikel als Testaerosole verwendet. Der beschriebene Sensor basiert auf früheren Arbeiten von Warey et al. und Bilby et al.12,13.
Das Sensorgehäuse besteht aus einem auf Stereolithografie basierenden 3D-gedruckten Körper, Koaxialelektroden, die aus Kupferrohren geschnitten werden, einer Vakuumdichtung und einer Vakuumklemme. Materialien wie Vakuumdichtung, Kabel, Kupferrohre und 3D-Harz für einen Sensor kosten weniger als 40 €. Die zusätzlich benötigte Ausrüstung ist eine Hochspannungsquelle, ein USB-Tischmultimeter und eine Lötstation. Zur Auswertung des Sensors werden zusätzlich einmalig eine definierte Aerosolquelle und ein Referenzgerät benötigt (siehe Materialtabelle). Die Größe des in diesem Protokoll beschriebenen Sensors beträgt 10 cm x 7 cm. Diese Größe wurde speziell für das Experiment gewählt und kann noch deutlich reduziert werden (siehe Modifikationen/Sensorabmessungen in der Diskussion).
Dieses Protokoll beschreibt, wie ein einfacher, kostengünstiger Partikelsensor gebaut, getestet und verwendet wird. Eine schematische Darstellung des Protokolls ist in Abbildung 3 dargestellt, beginnend mit dem 3D-Druck der Sensorhülle und der Elektrodenherstellung, der Montage des Sensors sowie Tests und einem Beispiel für die Feldanwendung des Sensors.
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64844/64844fig03.jpg"> Abbildung 3: Schematische Darstellung der Methode. Das Protokoll gliedert sich in vier Hauptschritte. Zunächst werden alle Teile für das Sensorgehäuse gedruckt. Anschließend werden die Elektroden hergestellt. Im dritten Schritt wird das 3D-gedruckte Sensorgehäuse mit den Elektroden und der Vakuumdichtung montiert. Im letzten Schritt wird die Sensorleistung bewertet. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/64844fig03large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.</a>
Die wichtigsten Schritte des 3D-Druckprozesses sind in Abbildung 4 dargestellt. Zunächst werden die richtigen Slicer-Einstellungen für den Druck ausgewählt. Anschließend werden die wichtigsten Teile des Drucks und die Vorverarbeitung des 3D-gedruckten Modells besprochen. Für diesen Schritt wird ein Resin-3D-Drucker mit Isopropanolbad und UV-Härtevorrichtung sowie ein Geradschleifer benötigt.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64844/64844fig04.jpg"> Abbildung 4: Schematische Darstellung des 3D-Drucks. (A) Das 3D-Modell des Slicers ist dargestellt; (B) den Drucker während des Druckvorgangs. Nachbearbeitungsschritte: (C) Spülen und (D) UV-Härtung. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/64844fig04large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.</a>
Abbildung 5 zeigt die wichtigsten Schritte der Elektrodenherstellung: die Formgebung der Elektroden sowie das Löten des Kontakts zu den Elektroden. Für diesen Schritt werden zwei Kupferrohre mit unterschiedlichen Durchmessern, ein Messschieber, ein Rohrschneider, ein Geradschleifer, ein Schraubstock, eine Lötstation und Lötzinn, isolierte Kabel mit zwei verschiedenen Farben, Thermoschutzhandschuhe und ein Drahtschneider benötigt.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64844/64844fig05.jpg"> Abbildung 5: Elektrodenherstellung: (A) Messen, (B) Schneiden, (C) Entgraten und (D) Löten der Elektroden. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/64844fig05large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.</a>
Im Montageabschnitt des Protokolls wird erläutert, wie der Sensor zusammengebaut wird. Die wichtigsten Sensorteile sind in Abbildung 6 dargestellt, nämlich der äußere Elektrodenhalter, der Strömungskanal und der innere Elektrodenhalter. Abbildung 7 zeigt die wichtigsten Schritte in der Sensormontage. Für diesen Schritt werden Epoxidkleber, Schutzkleidung, eine Vakuumversiegelung, eine Vakuumklemme, eine Schutzbrille und Handschuhe benötigt.
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64844/64844fig06.jpg"> Abbildung 6: Sensorteile . (A) Der äußere Elektrodenhalter, (B) der Durchflusskanal und (C) der innere Elektrodenhalter. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/64844fig06large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64844/64844fig07.jpg"> Abbildung 7: Sensorbaugruppe. Alle Schritte der Sensormontage werden gezeigt. A-E zeigt den Zusammenbau einer Hälfte des Sensors. (A) Der innere Elektrodenhalter ist mit dem Strömungskanal verklebt. (B) Die innere Elektrode wird auf den inneren Elektrodenhalter aufgesetzt. (C) Die äußere Elektrode wird in den äußeren Elektrodenhalter eingesetzt. (D) Der äußere Elektrodenhalter wird auf den Durchflusskanal + die innere Elektrodenhalterbaugruppe geklebt. (E) Die Vakuumversiegelung rastet in die äußere Elektrode der einen Sensorhälfte ein und rastet dann in (C), die identische zweite äußere Elektrode der anderen Sensorhälfte, ein. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/64844fig07large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.</a>
Im Testteil wird erklärt, wie das Experiment aufgebaut wird, um den neu gebauten Sensor mit einem Referenzinstrument zu vergleichen. Für diesen Schritt werden ein Tischmultimeter, eine Vakuumpumpe, eine Hochspannungsversorgung, ein Aerosolgenerator, eine Verdünnungsbrücke, Aerosolschläuche, eine Y-Verschraubung, ein Massendurchflussregler (MFC), ein Aerosolmischer, ein Referenzinstrument und ein Wattestäbchen benötigt.

<table><tbody><tr><td>Equipment3D-Drucker</td><td></td><td></td><td></td></tr> <tr><td></td><td>Formlabs</td><td></td><td>Formlabs 3</td></tr><tr><td>Aerosolmischer</td><td>ESSKA</td><td>304200812095</td><td>95 mm, Durchmesser 8 mm</td></tr><tr><td>Aerosol-Rußgenerator</td><td>Jing Aerosol</td><td></td><td>Modell 5201 Typ C miniCAST</td></tr><tr><td>Bankmultimeter</td><td>Keysight KEYSIGHT</td><td></td><td>34465A, Bereich 0 - 100 V, 1 M& Omega; Innenwiderstand</td></tr><tr><td>Verdünnungsbrücke</td><td>Speziell angefertigtes</td><td></td><td>Needel-Ventil und HEPA-Filter parallel</td></tr><tr><td>Hochspannungsnetzteil</td><td>Stanford Research Systems</td><td></td><td>PS350, 5000 V - 25 W</td></tr><tr><td>Mas Durchflussregler</td><td>V&ouml; gtlin</td><td>GSC-C3SA-BB26</td><td>Red-y für Gasdurchfluss, Durchflussbereich: 0-10 L/min</td></tr><tr><td>Refence Instument</td><td>AVL</td><td></td><td>MSSplus - AVL Micro Soot Sensor</td></tr><tr><td>Material</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Aerosol tygon tubes</td><td>Saint Gobain Fluid Transfer</td><td>AAG00012</td><td>Durchmesser 7 mm</td></tr><tr><td>Bidirektionale Durchflussregelventile Serie RFO</td><td>CAMOZZI</td><td>RFO 383-1/8</td><td>P max 10 bar</td></tr><tr><td>Verbinder reduziert mit Stachelverschraubung</td><td>ESSKA</td><td>IQSG120H6000</td><td></td></tr><tr><td>Kupferrohr 12 mm</td><td>Obi</td><td>1996602</td><td>Durchmesser 12 mm</td></tr><tr><td>Kupferrohr 18 mm</td><td>Obi</td><td>1499441</td><td>Durchmesser 18 mm</td></tr><tr><td>Kupferrohr 22 mm</td><td>Obi</td><td>1996628</td><td>Durchmesser 22 mm</td></tr><tr><td>Wattestäbchen</td><td>Chemtronics</td><td>48042F</td><td>50 m, 1 mm Spitze</td></tr><tr><td>Epoxidkleber</td><td>RS Komponenten</td><td>132605</td><td>RS Schnellspanner Epoxy</td></tr><tr><td>Hepa Nylon Einweg-Inline-Filter</td><td>Parker</td><td>9933-05-BQ</td><td>Fl&uuml; ssigkeit 5.4SCFM 1/4Zoll, mit G1/4 Anschluss 8,1 bar</td></tr><tr><td>Isoliertes elektrisches Kabel</td><td>Nexans</td><td></td><td>Durchmesser 2 mm, zwei verschiedene Farben rot und schwarz</td></tr><tr><td>Photopolymer Resin</td><td>Formlabs</td><td>851976006196</td><td>1 L&nbsp; Kartusche - Transparent (Klar)</td></tr><tr><td>Lötzinn</td><td>Stannol</td><td>574108</td><td></td></tr><tr><td>Tefen Polymer Y - Verschraubung</td><td>TEFEN</td><td>TEF-8357-06-00</td><td></td></tr><tr><td>Thermoschutzhandschuhe</td><td>As One</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Vakuumklemme</td><td>MISUMI</td><td>FRNWC40</td><td>Klemme</td></tr><tr><td>Vakuumdichtung</td><td>MISUMI</td><td>FRNWR40</td><td>Zentrierring mit O-Ring-Dichtung</td></tr><tr><td>Tool</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Caliper</td><td>Starrett</td><td>DW990</td><td></td></tr><tr><td>Entgrater</td><td>Ruko</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Handschuhe</td><td>BM Polyoo</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Isopropanol Bad</td><td>Formlabs</td><td>FK-F3-01</td><td>Form 3 Finish Kit</td></tr><tr><td>PCB Schraubstock</td><td>RS Komponenten</td><td>221-7531</td><td></td></tr><tr><td>Rohrschneider</td><td>starr</td><td></td><td>35S</td></tr><tr><td>Schutzbrille</td><td>3M</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Schleifpapier</td><td>Mirka</td><td></td><td>Verschiedene Schleifpapierstärken 40 - 200</td></tr><tr><td>Lötstation</td><td>Ersa</td><td></td><td>Ersa i-CON 2, 400 &deg; C, 2,2 mm Lötstab</td></tr><tr><td>Gerader</td><td>Dremel</td><td>F013400046</td><td>Dremel 4000</td></tr><tr><td>UV-Härtungsgerät</td><td>Formlabs</td><td>FH-CU-01</td><td>Formhärte</td></tr><tr><td>Vakuumpumpe</td><td>Mityvac</td><td>MV8000</td><td>Automotive Tune-up und Bremsenentlüftungskit</td></tr><tr><td>Schraubstock</td><td>Proxxon</td><td>NO 28 132</td><td>MS4,&nbsp; Backenhöhe 10 mm, Max. Spannbreite 34 mm</td></tr><tr><td>Drahtschneider</td><td>KNIPEX</td><td>7712115</td><td></td></tr><tr><td>Software</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>MFC Software</td><td>V&ouml; gtlin</td><td></td><td>Get red-y</td></tr><tr><td>Reference Instument Software</td><td>AVL</td><td></td><td>Im Lieferumfang enthalten: MSSplus</td></tr><tr><td>Slicer Software</td><td>Formlabs</td><td></td><td>Preform Download Link: https://formlabs.com/de/software/</td></tr></tbody></table>

kostengünstiger partikeldetektor für die additive fertigung

Additive Manufacturing-Enabled Low-Cost Particle Detector

Da Partikel mit einer Größe von 1 μm oder kleiner ein ernsthaftes Gesundheitsrisiko für den menschlichen Körper darstellen, ist die Detektion und Regulierung von Partikelemissionen von großer Bedeutung. Ein großer Teil der Feinstaubemissionen entfällt auf den Verkehrssektor. Die meisten kommerziell erhältlichen Teilchendetektoren sind sperrig, sehr teuer und benötigen zusätzliche Ausrüstung. In diesem Artikel wird ein Protokoll zum Aufbau und Testen eines eigenständigen Teilchendetektors vorgestellt, der klein und kostengünstig ist. 
Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Beschreibung der ausführlichen Bauanleitung mit Video und dem Verfahren zur Sensorauswertung. Das computergestützte Designmodell des Sensors ist im Ergänzungsmaterial enthalten. Das Handbuch erklärt alle Konstruktionsschritte, vom 3D-Druck bis zum voll funktionsfähigen Sensor. Der Sensor kann geladene Teilchen detektieren und eignet sich daher für eine Vielzahl von Anwendungen. Ein mögliches Einsatzgebiet wäre die Rußdetektion aus Kraftwerken, Waldbränden, Industrien und Automobilen.

Die genaue Korrelation des Sensorsignals mit der Partikelmasse hängt von der Ladungs- und Größenverteilung der Partikel sowie der Aerosolzusammensetzung ab. Daher muss der Sensor mit einem Referenzgerät auf eine bestimmte Anwendung kalibriert werden. In diesem Abschnitt wird erläutert, wie der neu gebaute Sensor mit einem Referenzgerät verglichen wird.
Die Startphase des Sensors dauert ca. 5-10 min, abhängig von der gewählten Partikelkonzentration. Innerhalb der Startphase steigt das Sensorsignal deutlich an, während der Sensor einer konstanten Partikelkonzentration ausgesetzt ist. Nach der Startphase stabilisiert sich das Sensorsignal. In diesem Stadium wird ein Gleichgewichtszustand für die Akkumulation und Fragmentierung von Dendriten erreicht und das Sensorsignal ist dann proportional zur eingehenden Rußkonzentration. Nach dieser Initialisierungsphase ist der Sensor bereit, Änderungen der Aerosolkonzentration zu messen.
Die in Abbildung 11 gezeigten Messdaten beginnen ab dem Moment, in dem sich der Sensor im oben genannten Gleichgewichtszustand befindet. Um den Sensorstrom in Ampere zu berechnen, müssen die gesammelten Daten in Volt durch den Wert des Innenwiderstands geteilt werden, um den korrekten Stromwert zu erhalten.
Die vertikale Achse zeigt das Sensorsignal in Ampere und die horizontale Achse die vom Referenzgerät gemessene Aerosolkonzentration in mg/m3. Eine lineare Anpassung mit ihren repräsentativen Parametern ist ebenfalls im Diagramm angegeben. Die hohe Unsicherheit der Messdaten ist auf die hohe Dynamik beim Einstellen der Konzentration mit der Verdünnungsbrücke zurückzuführen. Die linearen Anpassungsparameter sind einR2-Wert von 0,80, ein Schnittpunkt mit dem Schnittpunkt -0,53 nA und eine Steigung von 2,80nAm3/mg mit einer Standardabweichung von 1,4 nA.
<img alt="Figure 11" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64844/64844fig11.jpg"> Abbildung 11: Positive Ergebnisse. Das Sensorsignal wird auf der vertikalen Achse in Ampere aufgetragen, während die vom Referenzgerät gemessene Partikelkonzentration in mg/m3 auf der horizontalen Achse aufgetragen wird. Zusätzlich wird dem Plot eine lineare Anpassung mit den wichtigsten Parametern hinzugefügt. Die Parameter für die lineare Anpassung sind einR2-Wert von 0,80, ein Schnittpunkt mit dem Schnittpunkt -0,53 nA und eine Steigung von 2,80 nAm3/mg. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/64844fig11large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
Es besteht auch die Möglichkeit, dass Partikel den Weg zwischen den Elektroden verstopfen, wodurch sich leitende Rußbrücken zwischen den Elektroden bilden. Da Ruß ein leitfähiges Material ist, bilden diese Rußbrücken einen Kurzschluss zwischen den Elektroden. Das gemessene Signal steigt mit zunehmender Dicke der Leiterbahn schnell an, bis zu dem Punkt, an dem die Spannung so hoch wird, dass das Voltmeter beschädigt werden kann. Ein Beispiel für ein Experiment mit der Bildung von Rußbrücken ist in Abbildung 12 zu sehen. Das Signal steigt in sehr steilen Sprüngen/Stufen an und hört nicht auf oder flacht ab. Auch Dendriten werden nicht mehr gebildet und der Sensor befindet sich nicht mehr im Gleichgewicht. In diesem Fall muss die Hochspannungsquelle sofort abgeschaltet, der Sensor gereinigt und eine neue Messung gestartet werden.
<img alt="Figure 12" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64844/64844fig12.jpg"> Abbildung 12: Negatives Ergebnis. Während der Messung ist ein Kurzschluss aufgetreten. Das Sensorsignal in Ampere wird auf der vertikalen Achse und die Messzeit auf der horizontalen Achse aufgetragen. Das Sensorsignal steigt uneingeschränkt weiter an. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/64844fig12large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.</a>
Wenn eine flache Linie angezeigt wird und der Sensorstrom überhaupt nicht auf einen Wert über 1 nA ansteigt, befolgen Sie die Anweisungen zur Fehlerbehebung im Abschnitt "Diskussion". Der Sensor muss sich jederzeit im Gleichgewichtszustand befinden, um das eintretende Aerosol genau zu messen. Daher muss zu Beginn des Experiments eine ausreichend hohe anfängliche Aerosolkonzentration bereitgestellt werden.
Ergänzende Datei 1: Diese Datei stellt die CAD-Datei (Computer-Aided Design) dar, um den in Abbildung 7A dargestellten Strömungskanal mit Löchern für das Kabel auszudrucken. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/flow_channel.zip" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.</a>
Zusatzdatei 2: Diese Datei stellt die CAD-Datei dar, um den in Abbildung 7A dargestellten Strömungskanal ohne Bohrungen auszudrucken. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/flow_channel_no_holes.zip" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.</a>
Zusatzdatei 3: Diese Datei stellt die CAD-Datei zum Ausdrucken des in Abbildung 7A dargestellten inneren Elektrodenhalters dar. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/inner_electrode_holder.zip" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.</a>
Zusatzdatei 4: Diese Datei stellt die CAD-Datei zum Ausdrucken des äußeren Elektrodenhalters dar, der in Abbildung 7C (rechts) dargestellt ist. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/outer_electrode_holder.zip" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.</a>
Zusatzdatei 5: Diese Datei stellt die CAD-Datei dar, um den in Abbildung 7C (links) dargestellten Strömungskanal ohne Löcher auszudrucken. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/outer_electrode_holder_no_holes.zip" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.</a>
Zusatzdatei 6: Diese Datei stellt die CAD-Datei dar, um den Elektrodenabstandshalter auszudrucken. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/electrode_glue_spacer.zip" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.</a>

Hier stellen wir ein Protokoll vor, wie ein einfacher, aber effizienter und kostengünstiger Teilchendetektor gebaut und getestet werden kann.

Kostengünstiger Partikeldetektor für die additive Fertigung

As particles with a size of 1 &#181;m or smaller pose a severe health risk to the human body, the detection and regulation of particle emissions are of ...

Die Detektion und Regulierung von Partikelemissionen ist von großer Bedeutung. Das Protokoll ist bedeutsam, weil es jedem ermöglicht, einen einfachen Partikelsensor zu bauen, zu testen und zu verwenden. Der Vorteil des Verfahrens liegt nicht nur in dieser Einfachheit, sondern auch in den vielseitigen Möglichkeiten, die Sensorform mit minimalem Equipment und minimalen Gesamtkosten an unterschiedliche Bedürfnisse anzupassen.Neben Ruß kann der Sensor auch Konzentrationen geladener Teilchen erkennen und eignet sich für viele Anwendungen. Zum Beispiel spezielle Metalldetektion für Kraftwerke, Waldbrände in der Industrie und Automobile. Um mit der Herstellung der Elektroden zu beginnen, werden zwei Kupferrohre mit einem Durchmesser von 18 Millimetern bzw. 22 Millimetern benötigt.Messen Sie neun Millimeter von der Oberkante der beiden Rohre und markieren Sie diese Positionen. Schneiden Sie die Rohre mit einem Rohrschneider an den Markierungen durch, ohne zu viel Kraft aufzuwenden. Entgraten Sie die Kupferringe vorsichtig, ohne zu viel Druck auszuüben und ohne die Elektrodenoberflächen zu zerkratzen.Dies ist ein kritischer Schritt, der sich auf die Leistung der Sensoren auswirkt. Polieren Sie als Nächstes vor dem Löten der Elektroden die Kupferringe, um die oxidierte Kupferschicht auf den Oberflächen zu entfernen. Klemmen Sie den zu lötenden Ring in einen Schraubstock.Verzinnen Sie sowohl den Kupferring als auch das Kabel, bevor Sie das Kabel an den Ring löten. Löten Sie das rote Kabel an den 18 Millimeter inneren Kupferring und das schwarze Kabel an den 22 Millimeter äußeren Kupferring. Kleben Sie den inneren Elektrodenhalter auf den Durchflusskanal und warten Sie eine Stunde, bis der Kleber ausgehärtet ist.Führen Sie dann das Kabel durch den Kabelkanal und achten Sie darauf, dass genügend Platz für die Lötstelle vorhanden ist. Setzen Sie den 18 Millimeter großen inneren Elektrodenring auf die Halterung. Führen Sie anschließend das Kabel durch den Kabelkanal und setzen Sie den 22 Millimeter großen äußeren Elektrodenring auf die jeweilige Halterung.Kleben Sie den äußeren Elektrodenhalter auf den Strömungskanal. Setzen Sie den Abstandshalter in den Spalt zwischen den beiden Kupferelektroden ein und warten Sie eine Stunde, bis der Kleber ausgehärtet ist. Versiegeln Sie alle Kabelkanäle mit Epoxidkleber.Warten Sie dann über Nacht, bis der Kleber ausgehärtet ist. Setzen Sie am nächsten Tag die Vakuumdichtung in das aufgedruckte Ventil der Außenelektrode ein. Befestigen Sie dann nach dem Einsetzen der beiden Sensorseiten ineinander diese mit der Vakuumklemme.Bauen Sie den Sensor wie in der Abbildung gezeigt auf. Verbinden Sie dazu zunächst das Hochspannungsnetzteil mit dem roten Sensorkabel der Hochspannungselektrode. Schließen Sie dann das schwarze Sensorkabel an den Spannungseingang des Tischmultimeters an.Nachdem Sie die Masse des Elektrometers oder GND mit einem Netzteil GND erfasst haben, schließen Sie das USB-Kabel des Multimeters an den PC an. Sobald das Multimeter an den PC angeschlossen ist, integrieren Sie den Sensor gemäß dem gezeigten Layout in den Aerosolmessaufbau. Stellen Sie sicher, dass die Verdünnungsbrücke geschlossen ist, bevor Sie mit dem Experiment beginnen. Verbinden Sie den Auslass der Verdünnungsbrücke mit dem Einlass des Aerosolmischers und lassen Sie zwei der Aerosolgemische in den Sensoreinlass aus.Schließen Sie einen hocheffizienten Partikelabsorptions- oder HEPA-Filter an den Sensorauslass und den HEPA-Auslass an den Massendurchflussregler oder MFC-Einlass an. Verwenden Sie eine Wye-Armatur und verbinden Sie den Auslass des Aerosolmischers und den Verdünnungsluftstrom mit dem geteilten Ende der Wye-Verschraubung. Verbinden Sie den Einlass des Referenzinstruments mit dem einzigen Ende der Wye-Verschraubung.Starten Sie das Experiment, indem Sie den Aerosolgenerator an die Verdünnungsbrücke anschließen und darauf achten, dass die Verdünnungsbrücke geschlossen ist. Klicken Sie auf Messen auf dem Referenzinstrument. Öffnen Sie die Verdünnungsbrücke langsam, bis die gewünschte Aerosolmassenkonzentration von drei bis fünf Milligramm pro Kubikmeter erreicht ist, bevor Sie die Daten auf dem Referenzgerät aufzeichnen.Beobachten Sie die Partikelmassenkonzentration des Referenzgeräts. Wenn die Aerosolquelle stabil ist, schalten Sie die Stromversorgung des Sensors auf 1.000 Volt ein und beginnen Sie mit der Aufzeichnung der Daten. Nachdem ein Gleichgewichtszustand für die Akkumulation und Fragmentierung von Dendriten erreicht war, wurde das Sensorsignal proportional zur eingehenden Rußkonzentration.Die vertikale Achse zeigt das Sensorsignal in Ampere und die horizontale Achse die vom Referenzgerät gemessene Aerosolkonzentration in Milligramm pro Kubikmeter. Aus dem Diagramm wurde eine lineare Anpassung mit ihren repräsentativen Parametern berechnet. Darüber hinaus zeigte ein Experiment, bei dem es aufgrund der Bildung von Rußbrücken innerhalb der Elektroden zu einem Kurzschluss kam, dass das Signal in Stufen steil ansteigt, ohne anzuhalten oder abzuflachen.Dendriten bildeten sich nicht mehr und der Sensor befand sich nicht mehr im Gleichgewicht. Entscheidend ist, die Elektroden sehr sorgfältig herzustellen und einen gleichmäßigen Elektrodenspalt zu schaffen. Um eine zuverlässige Testumgebung zu gewährleisten, sollte der Versuchsaufbau wie demonstriert reproduziert werden.Dieses Protokoll soll Behörden, Unternehmen, Forschungsteams und Citizen Scientists motivieren, diese einfache Sensorkonstruktion zu reproduzieren und einen eigenen Teilchendetektor zu bauen.

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Ingenieurwesen

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Erfahren Sie, wie Sie einen kostengünstigen Partikeldetektor für die additive Fertigung bauen und testen. Diese Methode ermöglicht die Messung von Ruß und geladenen Partikeln mit minimalem Equipment.

Kostengünstiger Partikeldetektor für die additive Fertigung

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