Name: Additive Manufacturing-enabled low-cost deeltjesdetector (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-03-24T12:50:00.000+00:00
Duration: 6 min 5 s
Description: Leer een kosteneffectieve methode voor deeltjesdetectie met additieve productietechnieken. Dit protocol maakt het mogelijk om een eenvoudige sensor te bouwen voor het meten van roet en geladen deeltjes in industriële en milieu-applicaties.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Dit werk werd gefinancierd door het COMET Centre "ASSIC-Austrian Smart Systems Integration Research Center". ASSIC wordt medegefinancierd door de BMK, de BMDW en de Oostenrijkse provincies Karinthië en Stiermarken binnen het COMET-Competence Centres for Excellent Technologies-programma van het Oostenrijkse Agentschap voor Onderzoeksbevordering (FFG).

1.3D afdrukken
<ol><li>Slicer-instellingen<ol><li>Open alle ".stl"-bestanden met de slicersoftware en plaats de sensoronderdelen op het platform (zie Aanvullend bestand 1, aanvullend bestand 2, aanvullend bestand 3, aanvullend bestand 4, aanvullend bestand 5 en aanvullend bestand 6).</li>
		<li>Voor een goed drukresultaat kantel je alle onderdelen ten opzichte van het platform.</li>
		<li>Genereer steunpunten met een dichtheid van 0,8 en een puntgrootte van 0,4 mm.</li>
		<li>Selecteer Clear V4 met een laagdikte van 50 μm.</li>
	</ol></li>
	<li>Begin met afdrukken.<ol><li>Upload het uitvoerbestand van de slicer naar de 3D-printer.</li>
		<li>Zoek naar de afdruktijd en harsvolumes die op het scherm worden weergegeven. Plaats de doorzichtige V4-tank en harscartridge, bevestig het montageplatform en open het cartridgedeksel. Druk op Start op de printer.</li>
	</ol></li>
	<li>Onmiddellijke nabewerking<ol><li>Nadat de afdruk is voltooid, opent u de printer en maakt u het montageplatform los. OPMERKING: Deze stap kan alleen worden uitgesteld als het zeker is dat het model onder het UV-beschermingsscherm van de printer blijft (zie kritieke stappen/nabewerking van afdrukken in de discussie).</li>
		<li>Pel voorzichtig alle delen van het platform en plaats ze in een isopropanolbad.</li>
		<li>Verplaats de onderdelen constant gedurende 20 minuten.</li>
		<li>Haal de onderdelen er elke 5 minuten uit en spoel alle kleine openingen en gaten grondig door.</li>
	</ol></li>
	<li>UV-verharding<ol><li>Droog de onderdelen voordat u met het uithardingsproces begint.</li>
		<li>Spoel alle kleine openingen en gaten met lucht onder druk.</li>
		<li>Plaats de onderdelen in de UV-verhardingsinrichting en hard ze gedurende 50 minuten uit bij 40 °C. OPMERKING: Deze instelling wijkt af van de door de fabrikant aanbevolen droogtijd en -temperatuur (zie kritieke stappen/nabewerking van afdrukken in de discussie).</li>
	</ol></li>
	<li>Nabewerking<ol><li>Controleer of alle holtes en gaten open zijn.</li>
		<li>Als een pad verstopt is, boor of schraap het dan met de rechte slijpmachine.</li>
		<li>Controleer of alle bedrukte onderdelen goed passen en of de koperen buizen kunnen worden ingebracht. Als ze dat niet kunnen, schuur ze dan op.</li>
	</ol></li>
</ol>2. Productie van elektroden
<ol><li>Meet 9 mm vanaf de bovenkant van de 18 mm en 22 mm koperen buizen en markeer deze posities.</li>
	<li>Knip de buizen met de pijpensnijder bij de markeringen. OPMERKING: Zorg ervoor dat u niet te veel kracht gebruikt tijdens het proces. Het duurt verschillende beurten om door de leidingen te snijden (zie kritieke stappen / elektrodeproductie in de discussiesectie).</li>
	<li>Ontbraam de koperen ring voorzichtig. Zet niet te veel druk op de koperen ring tijdens het ontbramen en probeer het elektrodeoppervlak niet te krassen. OPMERKING: Dit is een zeer kritisch onderdeel en beïnvloedt de prestaties van de sensor (zie kritieke stappen / elektrodeproductie en modificaties / elektroden in de discussiesectie).</li>
	<li>Elektrode solderen<ol><li>Soldeer de rode kabel aan de binnenste koperen ring (18 mm) en de zwarte kabel aan de buitenste koperen ring (22 mm).</li>
		<li>Poets de koperen ring om de geoxideerde koperlaag op het oppervlak te verwijderen.</li>
		<li>Klem de ring in een bankschroef.</li>
		<li>Pre-tin zowel de koperen ring als de kabel en soldeer de kabel aan de ring. LET OP: Door het solderen verwarmen de koperen elektroden tot 400 °C. Raak de elektroden alleen aan met een pincet en draag thermobeschermende handschoenen.</li>
	</ol></li>
</ol>3. Montage
<ol><li>Meng de twee componenten van de epoxylijm in een bakje. OPMERKING: Het is erg belangrijk om transparante lijm te gebruiken om onderscheid te maken tussen roetbruggen en geharde lijm. LET OP: Werk onder een zuurkast, draag beschermende kleding (vooral handschoenen) en reinig werkoppervlakken. Verdere veiligheidsinstructies zijn te vinden in het veiligheidsinformatieblad. Gevaar voor de gezondheid: "Skin Corr. 1C - H314 Eye Dam. 1 - H318 Huid Sens. 1 - H317".</li>
	<li>Steek de binnenste elektrodehouder in het stroomkanaal en wacht 60 minuten tot de lijm is uitgehard (figuur 7A).</li>
	<li>Plaats de binnenste elektrodering (18 mm) op de houder en leid de kabel door het kabelkanaal (figuur 7B). OPMERKING: Zorg ervoor dat er voldoende ruimte is voor het soldeerpunt.</li>
	<li>Plaats de afstandhouder rond de binnenste elektrode. OPMERKING: Dit is een zeer kritieke stap. Als de afstand tussen de elektroden niet overal in de hele sensor precies 1 mm is, kan het elektrische veld en vervolgens de sensorprestaties worden beïnvloed (zie kritische stappen / elektrodeproductie in de discussie).</li>
	<li>Plaats de buitenste elektrodering (22 mm) op de houder en voer de kabel door het kabelkanaal (figuur 7C).</li>
	<li>Lijm de buitenste elektrodehouder op het stroomkanaal. Steek de afstandhouder in de opening tussen de twee koperen elektroden. Wacht 60 minuten tot de lijm is uitgehard (figuur 7D).</li>
	<li>Sluit alle kabelgoten af met epoxylijm. Wacht een nacht tot de lijm is uitgehard.</li>
	<li>Plaats de vacuümafdichting in de bedrukte klep van de buitenste elektrode. Steek de twee sensorzijden in elkaar en bevestig ze met de vacuümklem (figuur 7E,F).</li>
</ol>4. Tests
<ol><li>Open de vacuümklem van de sensor.</li>
	<li>Trek de twee helften van de sensor uit elkaar en verwijder de afdichting.</li>
	<li>Raak vanaf daar de elektrodering aan met één multimeter-sondepunt en het uiteinde van de kabel die naar de elektrode leidt met de andere multimeterpunt.</li>
	<li>Voortoetsen<ol><li>Test de elektrische aansluiting van de elektrode en de kabel met de multimeter. Controleer of de weerstand <2 Ω is (afhankelijk van het oxidatieniveau).</li>
		<li>Sluit de slang aan op de in- en uitlaat van de spuitbus en test of de sensor luchtdicht is met de vacuümpomp.</li>
	</ol></li>
	<li>Parallel experiment<ol><li>Bouw de sensoropstelling, volgens figuur 8.<ol><li>Sluit de hoogspanningsvoeding aan op de rode sensorkabel (hoogspanningselektrode).</li>
			<li>Sluit de zwarte sensorkabel aan op de multimeterspanningsingang van de bank.</li>
			<li>Sluit de elektrometeraarde (GND) aan op de voeding GND.</li>
			<li>Sluit de USB-kabel van de multimeter aan op de pc.</li>
		</ol></li>
		<li>Neem de sensor op in de aerosolmeetopstelling. volgens figuur 9.</li>
		<li>Aërosol generator<ol><li>Gastoevoer: Schakel de mantelstroom, stikstof en propaantoevoer in (druk nodig: stikstof, 4 bar; andere gassen, elk 1 bar).</li>
			<li>Voedingsbron: Sluit de 24 V-bronkabel voor de ingebouwde MFC's aan en sluit de USB aan op de pc.</li>
			<li>Software: open de MFC-software en voer het juiste COM-poortnummer in. Zoeken naar apparaten: als er vijf apparaten worden weergegeven (voor vijf verschillende MFC's), klikt u op Zoeken stoppen. Voer de startcondities in volgens de gebruikershandleiding van de aerosolgenerator: 10 ml/min propaan, 1,55 l/min oxidatielucht, 7 l/min blusgas, 20 l/min verdunningslucht.</li>
			<li>Start de aerosolgenerator (zie materiaaltabel) door aan de AAN-UIT-knop te draaien. Wanneer de knop wordt ingeschakeld, staat de stikstofindicator aan, wat aangeeft dat alle stroompaden open zijn. Houd de vlamveiligheidsinrichting ingedrukt en druk op de ontvlamknop op de aerosolgenerator; Observeer een vlam in het raam van de verbrandingskamer. Laat de vlambeveiliging na ~ 60 s heel langzaam los.</li>
			<li>Voer de volgende massastromen in: 60 ml/min propaan, 1,55 l/min oxidatielucht, 7 l/min stikstof (bluslucht) en 20 l/min verdunningslucht om de juiste grootteverdelingsparameters in te stellen. LET OP: Sluit de generator alleen aan op de rest van de installatie als er binnen de volgende minuten metingen moeten worden uitgevoerd; Anders zullen de filters van de verdunningsbrug snel verstoppen.</li>
		</ol></li>
		<li>Sluit de verdunningsbrug aan op de aerosolgenerator. Koppel het weer los en leid de aerosolstroom naar de zuurkast tot het begin van het experiment. Zorg ervoor dat de verdunningsbrug gesloten is voordat u met het experiment begint.</li>
		<li>Sluit de uitlaat van de verdunningsbrug aan op de inlaat van de spuitbusmixer.</li>
		<li>Sluit de aerosolmixeruitlaat 2 (zie figuur 9E) aan op de sensorinlaat.</li>
		<li>Neem het MFC op.<ol><li>Sluit een hepa-filter (high-efficiency particulate absorbing) aan op de sensoruitlaat en sluit de sensoruitlaat aan op de MFC-inlaat.</li>
			<li>Sluit de voeding van de MFC aan en sluit de USB aan op de pc.</li>
		</ol></li>
		<li>Open de MFC-software en voer het juiste COM-poortnummer in.<ol><li>Zoek naar apparaten.</li>
			<li>Klik op stoppen met zoeken?.</li>
			<li>Voer de massastroom in als 1 l/min.</li>
		</ol></li>
		<li>Referentie-instrument (zie materiaaltabel)<ol><li>Sluit de LAN-kabel aan op de pc en open een verbinding met het IP-adres van het referentie-instrument in de browser om een Java-toepassing te openen om het referentie-instrument te besturen.</li>
			<li>Druk in de besturingssoftware van het referentie-instrument op vergrendelingsbronnen | stand-by om de pomp te starten. OPMERKING: Het verwarmingsproces duurt ~ 20 minuten.</li>
			<li>Klik na de opwarmfase op de meting om de aerosol te meten die het referentie-instrument binnenkomt.</li>
			<li>Kies een verdunningsverhouding van 1:10 op het referentie-instrument.</li>
			<li>Gebruik een y-fitting om de aerosolmixeruitlaat 1 (zie figuur 9D) en de verdunningsluchtstroom aan te sluiten op het gesplitste uiteinde van de y-fitting (zie figuur 9C) en sluit het enkele uiteinde van de y-fitting aan op de inlaat van het referentie-instrument. OPMERKING: Deze twee stromen worden vervolgens gecombineerd aan het enkele uiteinde van de y-fitting.</li>
		</ol></li>
		<li>Start van het experiment<ol><li>Sluit de aerosolgenerator nogmaals aan op de verdunningsbrug en zorg ervoor dat de verdunningsbrug gesloten is.</li>
			<li>Klik op meten op het referentie-instrument.</li>
			<li>Open de verdunningsbrug langzaam totdat de gewenste aerosolmassaconcentratie van 3-5 mg/m3 is bereikt en begin met het registreren van gegevens op het referentie-instrument.</li>
			<li>Let op de deeltjesmassaconcentratie van het referentie-instrument. Wanneer de aerosolbron stabiel is, schakelt u de sensorvoeding in op 1.000 V en begint u met het loggen van de gegevens. OPMERKING: Als de concentratie niet stabiel is, raadpleegt u probleemoplossing in de discussiesectie.</li>
		</ol></li>
		<li>Verzamel gegevens van de bankmultimeter met een leesopdracht op de console of een geautomatiseerd script. OPMERKING: Nadat de sensorstroom is gestabiliseerd (ongeveer 5 minuten), is een vergelijking van het referentie-instrument met de sensorstroom mogelijk. LET OP: Als de sensorstroom snel toeneemt boven 10-7 A (overeenkomend met 0,1 V met een interne weerstand van 1 MΩ), schakelt u de hoogspanningsbron uit (zie probleemoplossing in de discussiesectie).</li>
		<li>Parallelle meting: Nadat de sensor het evenwicht heeft bereikt, meet u een concentratiegradiënt in stappen van 5 mg/m 3 tot 0,2mg/m 3door de verdunningsbrug dienovereenkomstig aan te passen. OPMERKING: Wanneer hogere concentraties worden gebruikt, moet de verdunningsverhouding van het referentie-instrument worden verhoogd.</li>
	</ol></li>
	<li>Reinig de sensor met lucht onder druk en een wattenstaafje voor elke nieuwe meting.</li>
</ol>5. Toepassing in het veld
<ol><li>Bouw de sensoropstelling, volgens figuur 8.<ol><li>Sluit de hoogspanningsvoeding aan op de rode sensorkabel (hoogspanningselektrode).</li>
		<li>Sluit de zwarte sensorkabel aan op de multimeterspanningsingang van de bank.</li>
		<li>Sluit de elektrometer GND aan op de voeding GND.</li>
		<li>Sluit de USB-kabel van de multimeter aan op de pc.</li>
	</ol></li>
	<li>Neem de sensoropstelling op in de nieuwe meetopstelling, volgens figuur 10, en verbind de aerosolbron met de sensor.</li>
	<li>Splits de uitstromende deeltjesstroom van de aerosolbron in pad A) sensoropstelling en pad B) ventilatie.<ol><li>MFC of pomp: Gebruik een MFC om het monster door de sensor te leiden.</li>
		<li>Gebruik een HEPA-filter stroomopwaarts van de MFC. Sluit de voeding van de MFC aan en sluit de USB aan op de pc.</li>
		<li>Volg stap 4.5.8 voor parallelle meting.</li>
	</ol></li>
	<li>Start van het veldexperiment: Zorg ervoor dat de aerosolbron is aangesloten op de sensoringang.</li>
	<li>Schakel de voeding van de sensor in en begin met het loggen van gegevens.</li>
</ol><img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64844/64844fig08.jpg"> Figuur 8: Sensor instellen. Een diagram van de sensoropstelling. Aerosol stroomt door de sensor. De sensor is aangesloten op de voltmeter en een hoogspanningsvoeding. De voltmeter wordt aangestuurd door een besturingseenheid die de sensorgegevens registreert. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/64844fig08large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64844/64844fig09.jpg"> Figuur 9: Experimenteel plan voor sensorevaluatie. Een stabiele aerosolbron wordt gebruikt om een deeltjesbron na te bootsen. De uitstromende deeltjesstroom wordt gesplitst in pad (A), sensoropstelling; en pad (B), ventilatie, komt de verdunningsbrug binnen en wordt verder gedistribueerd naar een aerosolmenger. Na de mixer wordt de aerosolstroom gesplitst tussen een referentie-instrumentpad (D), dat parallel aan de sensor meet. Dit referentie-instrument heeft verdunningslucht nodig, die via pad (C) wordt verdeeld. Pad (E): een MFC zuigt lucht door de sensor. Deze MFC wordt beschermd tegen de aerosolstroom met een HEPA-filter. Afkortingen: MFC = mass flow controller; HEPA-filter = hoogrendementsdeeltjesabsorberend filter. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/64844fig09large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
<img alt="Figure 10" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64844/64844fig10.jpg"> Figuur 10: Veldtest: het experimenteerplan. In deze opstelling wordt een aerosolbron gemeten. De uitstromende deeltjesstroom wordt gesplitst in pad A) sensoropstelling en pad B) ventilatie en komt vervolgens in de sensor. In deze opstelling zuigt een MFC met een HEPA-filter stroomopwaarts de aerosol door de sensor. Afkortingen: MFC = mass flow controller; HEPA-filter = hoogrendementsdeeltjesabsorberend filter. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/64844fig10large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>

<ol><li>World Health Organization. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Health+Effects+of+Particulate+Matter%3A+Policy+Implications+for+Countries+in+Eastern+Europe%2C+Caucasus+and+Central+Asia%5BTitle%5D)+AND+%22World+Health+Organization%22%5BJournal%5D)">Health Effects of Particulate Matter: Policy Implications for Countries in Eastern Europe, Caucasus and Central Asia.</a> World Health Organization. , (2013).</li>
<li>Giechaskiel, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Review+of+motor+vehicle+particulate+emissions+sampling+and+measurement%3A+From+smoke+and+filter+mass+to+particle+number%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Aerosol+Science%22%5BJournal%5D)">Review of motor vehicle particulate emissions sampling and measurement: From smoke and filter mass to particle number.</a> Journal of Aerosol Science. 67, 48-86 (2014).</li>
<li>Giechaskiel, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurement+of+automotive+nonvolatile+particle+number+emissions+within+the+European+legislative+framework%3A+a+review%5BTitle%5D)+AND+%22Aerosol+Science+and+Technology%22%5BJournal%5D)">Measurement of automotive nonvolatile particle number emissions within the European legislative framework: a review.</a> Aerosol Science and Technology. 46 (7), 719-749 (2012).</li>
<li>Bainschab, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measuring+sub-23+nanometer+real+driving+particle+number+emissions+using+the+portable+DownToTen+sampling+system%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">Measuring sub-23 nanometer real driving particle number emissions using the portable DownToTen sampling system.</a> Journal of Visualized Experiments. (159), e61287(2020).</li>
<li>Wang, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+novel+optical+instrument+for+estimating+size+segregated+aerosol+mass+concentration+in+real+time%5BTitle%5D)+AND+%22Aerosol+Science+and+Technology%22%5BJournal%5D)">A novel optical instrument for estimating size segregated aerosol mass concentration in real time.</a> Aerosol Science and Technology. 43 (9), 939-950 (2009).</li>
<li>Axmann, H., Bergmann, A., Eichberger, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurement+of+ultrafine+exhaust+particles+using+light+scattering%5BTitle%5D)+AND+%222013+Seventh+International+Conference+on+Sensing+Technology+%28ICST%29.+IEEE%22%5BJournal%5D)">Measurement of ultrafine exhaust particles using light scattering.</a> 2013 Seventh International Conference on Sensing Technology (ICST). IEEE. , 937-941 (2013).</li>
<li>Bermúdez, V., Luján, J. M., Serrano, J. R., Pla, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transient+particle+emission+measurement+with+optical+techniques%5BTitle%5D)+AND+%22Measurement+Science+and+Technology%22%5BJournal%5D)">Transient particle emission measurement with optical techniques.</a> Measurement Science and Technology. 19 (6), 065404(2008).</li>
<li>Michelsen, H. A., Schulz, C., Smallwood, G. J., Will, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Laser-induced+incandescence%3A+Particulate+diagnostics+for+combustion%2C+atmospheric%2C+and+industrial+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Progress+in+Energy+and+Combustion+Science%22%5BJournal%5D)">Laser-induced incandescence: Particulate diagnostics for combustion, atmospheric, and industrial applications.</a> Progress in Energy and Combustion Science. 51, 2-48 (2015).</li>
<li>Giechaskiel, B., Cresnoverh, M., Jörgl, H., Bergmann, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Calibration+and+accuracy+of+a+particle+number+measurement+system%5BTitle%5D)+AND+%22Measurement+Science+and+Technology%22%5BJournal%5D)">Calibration and accuracy of a particle number measurement system.</a> Measurement Science and Technology. 21 (4), 045102(2010).</li>
<li>Kulkarni, P., Baron, P. A., Willeke, K. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aKulkarni%2C+P+%22Aerosol+Measurement%3A+Principles%2C+Techniques%2C+and+Applications%22">Aerosol Measurement: Principles, Techniques, and Applications</a>. , Wiley. Hoboken, NJ. (2011).</li>
<li>Agarwal, J. K., Sem, G. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Continuous+flow%2C+single-particle-counting+condensation+nucleus+counter%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Aerosol+Science%22%5BJournal%5D)">Continuous flow, single-particle-counting condensation nucleus counter.</a> Journal of Aerosol Science. 11 (4), 343-357 (1980).</li>
<li>Bilby, D., Kubinski, D. J., Maricq, M. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Current+amplification+in+an+electrostatic+trap+by+soot+dendrite+growth+and+fragmentation%3A+Application+to+soot+sensors%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Aerosol+Science%22%5BJournal%5D)">Current amplification in an electrostatic trap by soot dendrite growth and fragmentation: Application to soot sensors.</a> Journal of Aerosol Science. 98, 41-58 (2016).</li>
<li>Warey, A., Hall, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Performance+characteristics+of+a+new+on-board+engine+exhaust+particulate+matter+sensor%5BTitle%5D)+AND+%22SAE+Transactions%22%5BJournal%5D)">Performance characteristics of a new on-board engine exhaust particulate matter sensor.</a> SAE Transactions. 114 (14), 1489-1497 (2005).</li>
<li>Maricq, M. M., Bilby, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+impact+of+voltage+and+flow+on+the+electrostatic+soot+sensor+and+the+implications+for+its+use+as+a+diesel+particulate+filter+monitor%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Aerosol+Science%22%5BJournal%5D)">The impact of voltage and flow on the electrostatic soot sensor and the implications for its use as a diesel particulate filter monitor.</a> Journal of Aerosol Science. 124, 41-53 (2018).</li>
<li>Diller, T. T., Hall, M. J., Matthews, R. D. Further development of an electronic particulate matter sensor and its application to diesel engine transients. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aDiller%2C+TT+%22SAE+Technical+Paper%22">SAE Technical Paper</a>. , (2008).</li>
</ol>

De auteur is werkzaam bij Silicon Austria Labs en is student aan de Technische Universiteit Graz. Er zijn geen andere belangenconflicten te melden.

Kritieke stappen Nabewerking afdrukken Bijna elke stap in dit protocol kan worden gepauzeerd of uitgesteld, behalve voor de nabewerking van de vers geprinte 3D-onderdelen (protocolstap 1.5). Als het UV-beschermingsscherm van de printer wordt geopend, moet de nabewerking onmiddellijk beginnen, anders zullen de kleine kabelkanalen, evenals de holte voor de afdichting, verstoppen. De nauwkeurige pasvorm van de spouw zorgt ervoor dat de sensor luchtdicht kan worden afgedicht. Dit is belangrijk omdat de sensor erg gevoelig is voor stromingsschommelingen. Ook het verhardingsproces is van belang (protocolstap 1.4); Als de temperatuur te hoog wordt ingesteld, wordt het materiaal te broos en kan het breken onder de krachten die door de klem op de buitenste elektrodehouder worden uitgeoefend.
Productie van elektroden Zorgvuldig snijden en ontbramen (protocolstappen 2.2-2.3) van de elektroden is erg belangrijk omdat onregelmatigheden in de elektrodespleet verstoringen in de elektrische en snelheidsvelden veroorzaken, wat leidt tot slechte sensorprestaties. In het ergste geval kan een sterke onregelmatigheid ervoor zorgen dat de elektroden zo dichtbij komen dat de doorslagspanning wordt overschreden en er kortsluiting optreedt. Vanaf dit punt kan er geen uitspraak meer worden gedaan over het meetsignaal en zijn de meetelektronica gevoelig voor beschadiging.
Vergadering Montage van de sensor (protocolstappen 3.4-3.6) is cruciaal, omdat hierdoor de elektrodespleet ontstaat. Zoals hierboven vermeld, is de afstand tussen de elektroden erg belangrijk; Deze opening moet over de gehele lengte gelijkmatig 1 mm bedragen. Deze stappen zijn belangrijk omdat ze het elektrische veld in de sensor drastisch kunnen veranderen. Het algehele depositiegedrag, evenals dendrietvorming, kan worden beïnvloed door de verandering in het elektrische veld. Er kan dus niet langer worden gegarandeerd dat de sensorrespons lineair is aan de binnenkomende aerosol. Ook hier geldt het worstcasescenario van kortsluiting.
Wijzigingen 3D printen Andere mogelijke aanpassingen zijn het gebruik van verschillende 3D-printharsen. Er zijn veel verschillende harsen op de markt die de dichtheid, flexibiliteit, temperatuurbestendigheid en sterkte van de sensorbehuizing kunnen veranderen.
Afmetingen van de sensor Het eerste ontwerpcriterium voor de sensor is een veiligheidsconfiguratie. De diëlektrische sterkte van de lucht tussen de elektroden is 3 mm/kV. Deze lengte mag in geen geval worden ondergesneden. Hoe hoger de elektrische potentiaal, hoe meer deeltjes worden afgezet, en deze afgezette deeltjes zijn dan vatbaar voor het vormen van dendrieten. De afmetingen van de elektroden zijn zo gekozen dat gemakkelijk verkrijgbare standaardcomponenten kunnen worden gebruikt. Ontwerpen van soortgelijke sensoren die bekend zijn bij de auteurs gebruikten de volgende afmetingen voor een platte sensor: 9 mm breedte, 2 mm lengte, 1 mm opening en 15 mm lengte, met een diameter van 8,5 mm en opening van 1,3 mm voor een cilindrisch ontwerp12,13. Bovendien moet ervoor worden gezorgd dat de sensor met de hand kan worden vervaardigd in een normale werkplaats. Een opening van 1 mm is de absolute minimale opening die het nog steeds mogelijk maakt om de sensor handmatig te reinigen. Hier werd 1 kV gebruikt als een goed compromis van veiligheid en efficiënte deeltjesafzetting, evenals de beschikbaarheid van spanningsbronnen in dit bereik.
Elektroden Omdat de exacte afstand van 1 mm tussen de sensorelektroden zo cruciaal is voor de prestaties, kan er nog meer ontwikkelingswerk in deze stap worden gestoken. Het 3D-geprinte armatuur kan bijvoorbeeld nog nauwkeuriger worden gemaakt, of een draaibank kan worden gebruikt in plaats van een eenvoudige pijpensnijder voor snijden en ontbramen, als de apparatuur beschikbaar is. Een andere optie is om een zaag te gebruiken in plaats van een pijpensnijder. In dit geval moeten de randen van de zaag daarna worden geslepen. Deze methode veroorzaakt minder vervorming dan de pijpsnijder, maar duurt langer. In vergelijking met epoxylijm geeft siliconen de kabels meer bewegingsruimte en wordt het gemakkelijker om de elektroden opnieuw te plaatsen. Omdat de kabels echter meer bewegingsruimte hebben, is het moeilijker om de sensor af te dichten. In plaats van de vacuümklem, die makkelijker in één keer te openen is, is ook een zelfgemaakt ontwerp mogelijk. Hier moeten alleen gaten voor sommige schroeven en een holte voor het afdichtingskoord worden gewijzigd in het 3D-ontwerp.
MFC De MFC bepaalt hoeveel van de aerosol door de sensor wordt gezogen; de rest moet kunnen worden afgevoerd via een overloop met een HEPA-filter aan het einde van de overloop, om vervuiling van de kamer te voorkomen. Door te kiezen voor een goedkopere pomp in plaats van een MFC, zullen hogere stromingsfluctuaties het sensorsignaal negatief beïnvloeden.
Verdunningsbrug Zoals te zien is in figuur 9, kan een verdunningsbrug worden gebouwd met een eenvoudige naaldklep parallel aan een of meer HEPA-filters. Andere ontwerpen zijn een kleine vise om in de buis te knijpen in plaats van de naaldklep. Dit ontwerp heeft als voordeel dat de buis makkelijker gereinigd kan worden. Hoe meer spoelen zo'n vise heeft, hoe fijner de concentratie kan worden aangepast. Dit is vooral belangrijk voor kalibratiemetingen, waarbij een hoge dynamiek moet worden vermeden.
Tafelmultimeter De tafelmultimeter meet een spanning, die moet worden gedeeld door de waarde van de interne weerstand om de juiste stroomwaarde te verkrijgen. Afhankelijk van het gekozen meetbereik (bijv. 100 V) kan deze interne weerstandswaarde variëren (bijv. 1 MΩ). Het is belangrijk om een gedefinieerd bereik te selecteren, zodat de interne weerstandswaarde voor alle gemeten waarden hetzelfde is. Als "automatisch bereik" wordt gekozen, moet ook de interne weerstandswaarde worden gevolgd.
Probleemoplossing 3D-printer Als de printer stopt, moet de tank worden gecontroleerd op resten van de laatste afdruk; De mixer loopt vaak vast. Men moet de eerste minuten van het drukproces observeren. Als het verstopt is, is dat omdat de juiste snij-instellingen niet zijn ingesteld of omdat de verse afdruk niet vóór de nabewerking onder UV-beschermde omstandigheden is opgeslagen. In de slicerinstellingen mogen geen steunpunten het stroomkanaal en de ruimte tussen de elektroden belemmeren en moet het vakje interne ondersteuningsstructuren worden losgeklikt voordat het bestand naar de printer wordt verzonden.
Aerosolbron + verdunningsbrug Als de aerosolbron onstabiel lijkt, moeten alle HEPA-filters worden gecontroleerd om ervoor te zorgen dat ze zich in de juiste positie bevinden en niet verstopt zijn. Ook moeten de aerosolgenerator en het referentie-instrument worden gecontroleerd om er zeker van te zijn dat ze klaar zijn met hun opwarmfase.
Sensor De meest voorkomende storingen worden veroorzaakt door een onvoldoende voedingsaansluiting, een luchtlek bij de sensor of wanneer afgezette deeltjes roetbruggen vormen tussen de elektroden. Eerst wordt de sensor geopend om te controleren of er roetbruggen tussen de elektroden zijn ontstaan. De voedingsbron moet worden uitgeschakeld voordat u de sensorkabels loskoppelt en de sensor opent. Roetbruggen zijn goed zichtbaar voor het blote oog en kunnen met weinig moeite worden verwijderd. Om roetbruggen te verwijderen, kunt u het beste een optisch reinigingsdoekje of pluisvrij wattenstaafje gebruiken.
Een lek dat het stromingsgedrag in de sensor verandert, evenals een lagere spanning bij de elektroden, kan het sensorsignaal veranderen. Het is niet mogelijk om van tevoren te zeggen welke van deze problemen verantwoordelijk is voor een onverwachte sensorrespons. Daarom is het belangrijk om zowel de dichtheid als de spanningsstabiliteit als volgt te controleren. Eerst wordt de verbinding van de kabel naar de elektroden gecontroleerd (protocolstap 4.4). Vervolgens wordt de spanningsbron gecontroleerd om te zien of deze de verwachte volt levert. Een luchtlek is het best te herkennen met lekspray. Daarnaast kan de dichtheid ook worden gecontroleerd met een vacuümpomp, zoals beschreven in protocolstap 4.4.2.
Beperkingen De beperking van een elektrostatische sensor is goed beschreven door Maricq et al.14. In hun werk benadrukken ze het belang van een stabiele spanningsbron en een stabiele sensorstroom voor de prestaties van de sensor. Om deze reden moet altijd een opstelling met een MFC of een pomp worden gebruikt voor debietregeling, zoals beschreven in figuur 10. Bovendien heeft de sensor tijdens de eerste test een langere tijd nodig om een evenwicht te bereiken. In verdere experimenten, waarbij een stabiele dendrietpopulatie zich op de elektroden heeft gevestigd, wordt de hoeveelheid tijd om de sensor op te starten verminderd. Over het algemeen moet echter worden opgemerkt dat de sensor altijd een opstarttijd nodig heeft om operationeel te worden, afhankelijk van de initiële concentratie.
In tegenstelling tot een plat ontwerp, zoals in Bilby et al., is sensordrift geen groot probleem in deze cilindrische opstelling12. Snelle concentratieveranderingen bij lage deeltjesconcentraties zijn echter nog steeds moeilijk te detecteren met de sensor. Zoals aangegeven door Diller et al. en Maricq et al., voor een betekenisvol meetsignaal, wordt de gemeten waarde gemiddeld over 2-10 min, afhankelijk van hoeveel de stroming verandert in het experiment14,15.
Met een helling van 2,8 nAm3/mg en een standaarddeviatie van ±1,4 nA is de afwijking ten opzichte van de regressielijn in figuur 11 hoog. Voor een beter begrip van de sensornauwkeurigheid wordt de vergelijking van verschillende experimenten aanbevolen. Voor herhaalde experimenten is de helling goed voor 3,5 nAm 3/mg met een standaardafwijking van ±1,0 nA en 4,9 nAm3/mg met een standaardafwijking van ± 0,6 nA. Bovendien geeft de sensor een zeer hoge aflezing op het moment dat de spanningsbron wordt ingeschakeld. Deze beginwaarde wordt uit de meetgegevens gefilterd.
Het voordeel van de hier gepresenteerde methode ligt duidelijk in de eenvoud, maar ook in de veelzijdige mogelijkheden om de sensorvorm aan te passen aan verschillende behoeften. Daarom kan de sensor, naast roet, een grote verscheidenheid aan geladen deeltjes detecteren en is hij geschikt voor een breed scala aan toepassingen, bijvoorbeeld fijnstofdetectie van energiecentrales, bosbranden, industrieën en auto's. Dit artikel zou een stimulans moeten zijn voor instanties, bedrijven, onderzoeksteams, burgerwetenschappers en iedereen die geïnteresseerd is in de detectie van fijnstof om deze eenvoudige sensorconstructiehandleiding te reproduceren en hun eigen deeltjesdetector te bouwen.

Inademing van deeltjes met een grootte van 1 μm of kleiner vormt een hoog risico op nadelige gezondheidseffecten op het menselijk lichaam. Met toenemende milieuvervuiling door verbrandingsprocessen groeien luchtwegaandoeningen in de bevolking 1,2,3. Om de gezondheid te bevorderen en vervuiling tegen te gaan, is het noodzakelijk om eerst de bronnen van vervuiling te identificeren en de mate van vervuiling te kwantificeren. Dit kan met bestaande deeltjesdetectoren. Deze zijn echter groot en vaak veel te duur voor private of citizen science doeleinden.
Veel van de in de handel verkrijgbare deeltjesdetectoren zijn omvangrijk, erg duur en vereisen extra apparatuur om te worden gebruikt4. De meesten van hen hebben ook verschillende aerosol-conditioneringsstappen nodig. Verdunning is bijvoorbeeld nodig voor detectoren die lichtverstrooiing als meetprincipe gebruiken en het meetbereik wordt beperkt door de golflengte 5,6,7. Deeltjesdetectoren die lasergeïnduceerde gloeien als detectieprincipe gebruiken, hebben zowel hoogenergetische laserbronnen als een energieverslindend koelsysteemnodig 8.
Deeltjesdetectoren die condensatiedeeltjestellers gebruiken, worden normaal gesproken gebruikt als de gouden standaard voor het meten van de deeltjesconcentratie; Deze hebben conditionerings-, verdunnings- en werkvloeistoffen nodig (bijv. Butanol)9,10,11. De voordelen van een elektrostatische sensor liggen in het eenvoudige en compacte ontwerp en de lage fabricagekosten. In vergelijking met condensatiedeeltjestellers moeten echter aanzienlijke conclusies worden getrokken met betrekking tot de nauwkeurigheid.
Een elektrostatische sensor is een alternatief voor deze methoden. Elektrostatische sensoren kunnen robuust, licht, goedkoop te produceren zijn en kunnen zonder toezicht worden bediend. De eenvoudigste vorm van een elektrostatische sensor is een parallelle plaatcondensator met een hoog elektrisch veld tussen de platen. Terwijl aerosol in het hoogspanningsgebied tussen de twee koperelektroden wordt getransporteerd, zetten natuurlijk geladen deeltjes zich af op de elektroden met verschillende polariteit12 (figuur 1).
Dendrieten vormen zich op het oppervlak van de elektroden in de richting van de veldlijnen van de toegepaste hoogspanning tussen de elektroden en worden geladen via contactlading. Fragmenten van deze dendrieten breken uiteindelijk de elektroden af en komen opnieuw op de elektrode met tegengestelde polariteit, waardoor hun lading wordt overgedragen. Deze fragmenten dragen een groot aantal ladingen. Omdat de elektrode geaard is, genereert de gedeponeerde lading een stroom die leidt tot een spanningsval bij de interne weerstand van de tafelmultimeter. Hoe vaker dit per tijdseenheid gebeurt, hoe hoger de stroom en dus hoe hoger de spanningsval (figuur 2).
Door de hoge spanning die wordt veroorzaakt door de ladingsafzetting van de fragmenten is geen verdere versterkerelektronica nodig. De vorming van dendrietafbraakdeeltjes en de daaropvolgende ladingsafgifte van deze deeltjes vertegenwoordigt een natuurlijke signaalversterking12. Het resulterende sensorsignaal is evenredig met de deeltjesmassaconcentratie. Dit signaal kan worden gedetecteerd met een kant-en-klare bankmultimeter.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64844/64844fig01.jpg"> Figuur 1: Sensorschema's. Aerosol stroomt in de aerosolinlaat, wordt door het linkerstroomkanaal gepropageerd en bereikt vervolgens de opening tussen de hoogspanningselektrode (binnenelektrode) en de meetelektrode (buitenelektrode). Daar dragen de deeltjes bij aan de groei van dendriet en, zoals eerder uitgelegd, aan de afbraak, waardoor de sensorrespons wordt gegenereerd. Daarna stromen de deeltjes verder door het rechter stromingskanaal en verlaten de sensor bij de aerosoluitlaat. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/64844fig01large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64844/64844fig02.jpg"> Figuur 2: Fysisch principe. Positief en negatief geladen deeltjes, evenals neutrale deeltjes, komen in de opening tussen de elektroden van tegengestelde polariteit. Ze worden door de elektrische veldlijnen omgeleid naar de elektrode van tegengestelde polariteit en zetten daar hun lading af. Vervolgens worden ze onderdeel van een dendriet en nemen ze de lading van de respectieve elektrode over. De velddichtheid is het hoogst aan de dendrietpunt, waar meer deeltjes worden opgesloten. Wanneer de weerstandskracht de bindingskrachten overschrijdt, breken segmenten van de dendrieten af, die op hun beurt de tegenovergestelde elektrode raken en hun ladingen afzetten. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/64844fig02large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
Met een cilindrisch ontwerp, zoals in Warey et al.10, kan de kans op roetbrugvorming worden geminimaliseerd. Meer informatie over de sensorgeometrie, toegepaste spanning, gasstroomsnelheid en fijnstofconcentratie is daar te vinden. Ze suggereren correlatie van het sensorsignaal met deeltjes die door de sensor stromen (vergelijking 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 is de massaconcentratie van het fijnstof, V0 is de toegepaste spanning, V is de uitlaatsnelheid, L is de elektrodelengte en S is de elektrodespleet13.
Bilby et al. richtten zich op de gedetailleerde studie van het onderliggende fysieke effect van de elektrostatische sensor9. Deze studies omvatten een optisch toegankelijke opstelling en een kinetisch model om de signaalversterking van de op dendriet gebaseerde sensor te verklaren (zie vergelijkingen 2 en 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 staat voor een stapel roetschijven van 10-100 roethaglomeraten met een grootte van 50-100 nm; D n staat voor een dendriet metn schijven; Br duidt op een afbraakfragment dat bestaat uit f-schijven; S en ki zijn snelheidsconstanten12.
Dit artikel presenteert een protocol voor het bouwen en testen van een eenvoudige maar efficiënte goedkope deeltjesdetector die zonder verdere apparatuur kan worden gebruikt voor hoge deeltjesconcentraties. Eerder werk aan dit type elektrostatische sensor was vooral gericht op uitlaatmetingen. In dit werk worden in het laboratorium gegenereerde roetdeeltjes gebruikt als testaërosolen. De beschreven sensor is gebaseerd op 'eerder werk van Warey et al. en Bilby et al12,13.
Het sensorlichaam bestaat uit een op stereolithografie gebaseerde 3D-geprinte behuizing, coaxiale elektroden gesneden uit koperen buizen, een vacuümpakking en een vacuümklem. Materialen zoals de vacuümpakking, kabel, koperen buizen en 3D-hars voor één sensor kosten minder dan € 40. De extra apparatuur die nodig is, is een hoogspanningsbron, een USB-bankmultimeter en een soldeerstation. Om de sensor te evalueren, zijn ook eenmalig een gedefinieerde aerosolbron en een referentie-instrument nodig (zie materiaaltabel). De grootte van de sensor beschreven in dit protocol is 10 cm x 7 cm. Deze maat is specifiek gekozen voor het experiment en kan nog steeds aanzienlijk worden verkleind (zie modificaties/sensorafmetingen in de discussie).
Dit protocol beschrijft hoe u een eenvoudige goedkope deeltjessensor bouwt, test en gebruikt. Een schema van het protocol wordt getoond in figuur 3- beginnend met de 3D-print van de sensorromp en de elektrodeproductie, de assemblage van de sensor, evenals testen en een voorbeeld van veldtoepassing van de sensor.
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64844/64844fig03.jpg"> Figuur 3: Schema voor de methode. Het protocol is verdeeld in vier grote stappen. Eerst worden alle onderdelen voor de sensorbehuizing geprint. Vervolgens worden de elektroden vervaardigd. In de derde stap wordt de 3D-geprinte sensorbehuizing met de elektroden en de vacuümpakking geassembleerd. In de laatste stap worden de prestaties van de sensor geëvalueerd. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/64844fig03large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
De belangrijkste stappen van het 3D-printproces zijn weergegeven in figuur 4. In eerste instantie worden de juiste slicerinstellingen voor de afdruk gekozen. Daarna worden de belangrijkste onderdelen van de print en de voorbewerking van het 3D-geprinte model besproken. Voor deze stap is een hars 3D-printer met een isopropanolbad en UV-verhardingsapparaat en een rechte slijper nodig.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64844/64844fig04.jpg"> Figuur 4: Schema van 3D-print. (A) Het 3D-model van de snijmachine is afgebeeld; (B) de printer tijdens het afdrukproces. Nabewerkingsstappen: (C) spoelen en (D) UV-verharding. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/64844fig04large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
Figuur 5 toont de belangrijkste stappen van de elektrodeproductie: de vormvorming van de elektroden en het solderen van het contact met de elektroden. Voor deze stap zijn twee koperen buizen met verschillende diameters, een remklauw, een pijpensnijder, een rechte slijpmachine, een bankschroef, een soldeerstation en soldeerblik, geïsoleerde kabels met twee verschillende kleuren, thermische beschermende handschoenen en een draadsnijder nodig.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64844/64844fig05.jpg"> Figuur 5: Elektrodefabricage . (A) Meten, (B) snijden, (C) ontbramen en (D) solderen van de elektroden. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/64844fig05large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
In het montagegedeelte in het protocol wordt uitgelegd hoe de sensor is geassembleerd. De belangrijkste sensoronderdelen zijn weergegeven in figuur 6, namelijk de buitenste elektrodehouder, het stroomkanaal en de binnenste elektrodehouder. Figuur 7 toont de belangrijkste stappen in de sensorassemblage. Voor deze stap zijn epoxylijm, beschermende kleding, een vacuümafdichting, een vacuümklem, een veiligheidsbril en handschoenen nodig.
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64844/64844fig06.jpg"> Figuur 6: Sensoronderdelen . (A) De buitenste elektrodehouder, (B) stroomkanaal en (C) de binnenste elektrodehouder. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/64844fig06large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64844/64844fig07.jpg"> Figuur 7: Sensorassemblage. Alle stappen van de sensorassemblage worden weergegeven. A-E toont de assemblage van de ene helft van de sensor. (A) De binnenste elektrodehouder is op het stroomkanaal gelijmd. (B) De binnenste elektrode wordt op de binnenste elektrodehouder geplaatst. (C) De buitenste elektrode wordt in de buitenste elektrodehouder geplaatst. (D) De buitenste elektrodehouder wordt op het stroomkanaal + binnenste elektrodehouderassemblage gelijmd. (E) De vacuümafdichting klikt in de buitenste elektrode van de ene sensorhelft en klikt vervolgens in (C), de identieke tweede buitenste elektrode van de andere sensorhelft. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/64844fig07large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
In het testgedeelte wordt uitgelegd hoe u het experiment kunt instellen om de nieuw gebouwde sensor te vergelijken met een referentie-instrument. Voor deze stap zijn een bankmultimeter, vacuümpomp, hoogspanningsvoeding, aerosolgenerator, verdunningsbrug, spuitbusbuizen, Y-fitting, één massflowregelaar (MFC), een aerosolmixer, een referentie-instrument en een wattenstaafje nodig.

<table><tbody><tr><td>Equipment</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>3D printer</td><td>Formlabs</td><td></td><td>Formlabs 3</td></tr><tr><td>Aerosol Mixer</td><td>ESSKA</td><td>304200812095</td><td>95 mm, diameter 8 mm</td></tr><tr><td>Aerosol soot generator</td><td>Jing Aerosol</td><td></td><td>Model 5201 Type C miniCAST</td></tr><tr><td>Benchmultimeter</td><td>Keysight</td><td></td><td>KEYSIGHT 34465A, 0 - 100 V range, 1 M&Omega; internal resistance</td></tr><tr><td>Dilution Bridge</td><td>Custom built</td><td></td><td>Needel valve and HEPA filter in parallel</td></tr><tr><td>High voltage power supply</td><td>Stanford Research Systems</td><td></td><td>PS350, 5000 V - 25 W</td></tr><tr><td>Mas flow controller</td><td>V&ouml;gtlin</td><td>GSC-C3SA-BB26</td><td>Red-y for gas flow, flow range: 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>Diameter 7 mm</td></tr><tr><td>Bidirectional flow control valves series RFO</td><td>CAMOZZI</td><td>RFO 383-1/8</td><td>P max 10 bar</td></tr><tr><td>Connector reduced with barbed fitting</td><td>ESSKA</td><td>IQSG120H6000</td><td></td></tr><tr><td>Copper tube 12 mm</td><td>Obi</td><td>1996602</td><td>Diameter 12 mm</td></tr><tr><td>Copper tube 18 mm</td><td>Obi</td><td>1499441</td><td>Diameter 18 mm</td></tr><tr><td>Copper tube 22 mm</td><td>Obi</td><td>1996628</td><td>Diameter 22 mm</td></tr><tr><td>Cotton swab</td><td>Chemtronics</td><td>48042F</td><td>50 m, 1 mm tip</td></tr><tr><td>Epoxy glue</td><td>RS components</td><td>132605</td><td>RS quick set 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>Isolated electrical cable</td><td>Nexans</td><td></td><td>Diameter 2 mm, two different colors red and black</td></tr><tr><td>Photopolymer Resin</td><td>Formlabs</td><td>851976006196</td><td>1 L&nbsp; Cartridge - Transparent (Clear)</td></tr><tr><td>Soldering tin</td><td>Stannol</td><td>574108</td><td></td></tr><tr><td>Tefen polymer Y - fitting</td><td>TEFEN</td><td>TEF-8357-06-00</td><td></td></tr><tr><td>Thermal protection gloves</td><td>As One</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Vacuum clamp</td><td>MISUMI</td><td>FRNWC40</td><td>Clamp</td></tr><tr><td>Vacuum seal</td><td>MISUMI</td><td>FRNWR40</td><td>Centering ring with O-ring seal</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>Deburrer</td><td>Ruko</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Gloves</td><td>BM Polyoo</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Isopropanol bath</td><td>Formlabs</td><td>FK-F3-01</td><td>Form 3 finish kit</td></tr><tr><td>PCB vice</td><td>RS components</td><td>221-7531</td><td></td></tr><tr><td>Pipe cutter</td><td>Rigid</td><td></td><td>35S</td></tr><tr><td>Safety goggles</td><td>3M</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Sand paper</td><td>Mirka</td><td></td><td>Different sandpaper thicknesses 40 - 200</td></tr><tr><td>Soldering station</td><td>Ersa</td><td></td><td>Ersa i-CON 2, 400 &deg;C, 2.2 mm soldering rod</td></tr><tr><td>Straight grainder</td><td>Dremel</td><td>F013400046</td><td>Dremel 4000</td></tr><tr><td>UV Hardening device</td><td>Formlabs</td><td>FH-CU-01</td><td>Form cure</td></tr><tr><td>Vacuum pump</td><td>Mityvac</td><td>MV8000</td><td>Automotive Tune-up and Brake Bleeding Kit</td></tr><tr><td>Vise</td><td>Proxxon</td><td>NO 28 132</td><td>MS4,&nbsp; Jaw height 10 mm, Max. Clamping width 34 mm</td></tr><tr><td>Wire cutter</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>Supplied with the device: 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>

additive manufacturing-enabled low-cost deeltjesdetector

Additive Manufacturing-Enabled Low-Cost Particle Detector

Aangezien deeltjes met een grootte van 1 μm of kleiner een ernstig gezondheidsrisico vormen voor het menselijk lichaam, is de detectie en regulering van deeltjesemissies van groot belang. Een groot deel van de fijnstofuitstoot wordt uitgestoten door de transportsector. De meeste in de handel verkrijgbare deeltjesdetectoren zijn omvangrijk, erg duur en hebben extra apparatuur nodig. Dit artikel presenteert een protocol voor het bouwen en testen van een stand-alone deeltjesdetector die klein en kostenefficiënt is. 
De focus van dit artikel ligt op de beschrijving van de gedetailleerde bouwhandleiding met video en de sensorevaluatieprocedure. Het computerondersteunde ontwerpmodel van de sensor is opgenomen in het aanvullende materiaal. In de handleiding worden alle bouwstappen uitgelegd, van 3D-printen tot de volledig operationele sensor. De sensor kan geladen deeltjes detecteren en is daarom geschikt voor een breed scala aan toepassingen. Een mogelijk toepassingsgebied zou roetdetectie zijn van energiecentrales, bosbranden, industrieën en auto's.

De exacte correlatie van het sensorsignaal met de deeltjesmassa varieert op basis van de verdeling van de deeltjeslading en de grootteverdeling, evenals de aerosolsamenstelling. Daarom moet de sensor worden gekalibreerd voor een bepaalde toepassing met een referentie-instrument. In dit gedeelte wordt uitgelegd hoe u de nieuw gebouwde sensor kunt vergelijken met een referentie-instrument.
De startfase van de sensor duurt ongeveer 5-10 minuten, afhankelijk van de gekozen deeltjesconcentratie. Binnen de startfase neemt het sensorsignaal aanzienlijk toe terwijl de sensor wordt blootgesteld aan een constante deeltjesconcentratie. Na de startfase stabiliseert het sensorsignaal. In dat stadium wordt een evenwichtstoestand voor accumulatie en fragmentatie van dendrieten bereikt en het sensorsignaal is dan evenredig met de binnenkomende roetconcentratie. Na deze initialisatiefase is de sensor klaar om eventuele veranderingen in de aerosolconcentratie te meten.
De meetgegevens in figuur 11 beginnen vanaf het moment dat de sensor zich in de bovengenoemde evenwichtstoestand bevindt. Om de sensorstroom in ampère te berekenen, moeten de verzamelde gegevens in volt worden gedeeld door de waarde van de interne weerstand om de juiste stroomwaarde te verkrijgen.
De verticale as toont het sensorsignaal in ampère en de horizontale as toont de aerosolconcentratie gemeten door het referentie-instrument in mg/m3. Een lineaire fit met zijn representatieve parameters wordt ook gegeven in de plot. De hoge onzekerheid van de gemeten gegevens is te wijten aan de hoge dynamiek bij het aanpassen van de concentratie met de verdunningsbrug. De lineaire fitparameters zijn een R 2-waarde van 0,80, een interceptie van -0,53 nA en een helling van2,80 nAm3/mg met een standaardafwijking van 1,4 nA.
<img alt="Figure 11" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64844/64844fig11.jpg"> Figuur 11: Positieve resultaten. Het sensorsignaal wordt uitgezet op de verticale as in ampère, terwijl de deeltjesconcentratie gemeten door het referentie-instrument in mg/m3 wordt uitgezet op de horizontale as. Bovendien wordt een lineaire fit met de belangrijkste parameters aan het plot toegevoegd. De lineaire fitparameters zijn een R 2-waarde van 0,80, een interceptie van -0,53 nA en een helling van2,80 nAm3/mg. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/64844fig11large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
Er is ook de mogelijkheid dat deeltjes het pad tussen de elektroden verstoppen, in welk geval geleidende roetbruggen tussen de elektroden ontstaan. Omdat roet een geleidend materiaal is, vormen deze roetbruggen een kortsluiting tussen de elektroden. Het gemeten signaal stijgt snel met toenemende dikte van het geleidende pad, tot het punt waarop de spanning zo hoog wordt dat de voltmeter kan worden beschadigd. Een voorbeeld voor een experiment met het vormen van roetbruggen is te zien in figuur 12. Het signaal stijgt in zeer steile sprongen / stappen en stopt niet of vlakt niet af. Dendrieten worden ook niet meer gevormd en de sensor bevindt zich niet langer in een evenwichtstoestand. In dit geval moet de hoogspanningsbron onmiddellijk worden uitgeschakeld, moet de sensor worden gereinigd en moet een nieuwe meting worden gestart.
<img alt="Figure 12" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64844/64844fig12.jpg"> Figuur 12: Negatief resultaat. Er is kortsluiting opgetreden tijdens de meting. Het sensorsignaal in ampère wordt uitgezet op de verticale as en de meettijd wordt uitgezet op de horizontale as. Het sensorsignaal blijft onbeperkt toenemen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/64844fig12large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>
Als er een vlakke lijn wordt weergegeven en de sensorstroom helemaal niet stijgt tot een waarde boven 1 nA, volgt u de aanwijzingen voor probleemoplossing in het discussiegedeelte. De sensor moet zich te allen tijde in evenwichtstoestand bevinden om de binnenkomende aerosol nauwkeurig te kunnen meten; Daarom moet aan het begin van het experiment een voldoende hoge initiële aerosolconcentratie worden verstrekt.
Aanvullend bestand 1: Dit bestand vertegenwoordigt het CAD-bestand (computer-aided design) om het stroomkanaal af te drukken dat is afgebeeld in figuur 7A met gaten voor de kabel. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/flow_channel.zip" target="_blank">Klik hier om dit bestand te downloaden.</a>
Aanvullend bestand 2: Dit bestand vertegenwoordigt het CAD-bestand om het stroomkanaal af te drukken dat is afgebeeld in figuur 7A zonder gaten. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/flow_channel_no_holes.zip" target="_blank">Klik hier om dit bestand te downloaden.</a>
Aanvullend bestand 3: Dit bestand vertegenwoordigt het CAD-bestand om de binnenste elektrodehouder af te drukken die is afgebeeld in figuur 7A. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/inner_electrode_holder.zip" target="_blank">Klik hier om dit bestand te downloaden.</a>
Aanvullend bestand 4: Dit bestand vertegenwoordigt het CAD-bestand voor het afdrukken van de buitenste elektrodehouder afgebeeld in figuur 7C (rechts). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/outer_electrode_holder.zip" target="_blank">Klik hier om dit bestand te downloaden.</a>
Aanvullend bestand 5: Dit bestand vertegenwoordigt het CAD-bestand om het stroomkanaal af te drukken zonder gaten afgebeeld in figuur 7C (links). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/outer_electrode_holder_no_holes.zip" target="_blank">Klik hier om dit bestand te downloaden.</a>
Aanvullend bestand 6: Dit bestand vertegenwoordigt het CAD-bestand om de elektrode-afstandhouder af te drukken. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64844/electrode_glue_spacer.zip" target="_blank">Klik hier om dit bestand te downloaden.</a>

Hier presenteren we een protocol voor het bouwen en testen van een eenvoudige maar efficiënte goedkope deeltjesdetector.

Additive Manufacturing-enabled low-cost deeltjesdetector

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 ...

De detectie en regulering van deeltjesemissies zijn van groot belang. Het protocol is belangrijk omdat het iedereen in staat stelt om een eenvoudige deeltjessensor te bouwen, te testen en te gebruiken. Het voordeel van de methode ligt niet alleen in deze eenvoud, maar ook in de veelzijdige mogelijkheden om de sensorvorm aan te passen aan verschillende behoeften met minimale apparatuur en minimale totale kosten.Naast roet kan de sensor waarheden van geladen deeltjes detecteren en is geschikt voor vele toepassingen. Bijvoorbeeld bijzondere metaaldetectie voor energiecentrales, bosbranden in industrieën en auto's. Om te beginnen met de productie van de elektroden zijn twee koperen buizen nodig, met diameters van respectievelijk 18 millimeter en 22 millimeter.Meet negen millimeter vanaf de bovenkant van beide leidingen en markeer deze posities. Snijd door de buizen met behulp van een pijpensnijder bij de markeringen zonder al te veel kracht uit te oefenen. Ontbraam de koperen ringen voorzichtig zonder er te veel druk op uit te oefenen en zonder krassen op de elektrodeoppervlakken.Dit is een cruciale stap die de prestaties van de sensoren beïnvloedt. Vervolgens, voordat u de elektroden soldeert, polijst u de koperen ringen om de geoxideerde koperlaag op de oppervlakken te verwijderen. Klem de te solderen ring in een bankschroef.Pre-tin zowel de koperen ring als de kabel voordat u de kabel aan de ring soldeert. Soldeer de rode kabel aan de 18 millimeter binnenste koperen ring en de zwarte kabel aan de 22 millimeter buitenste koperen ring. Plak de binnenste elektrodehouder op het stroomkanaal en wacht een uur om de lijm te laten uitharden.Leid vervolgens de kabel door het kabelkanaal en zorg ervoor dat er voldoende ruimte is voor het soldeerpunt. Plaats de 18 millimeter binnenste elektrodering op de houder. Voer vervolgens de kabel door het kabelkanaal en plaats de buitenste elektrodering van 22 millimeter op de betreffende houder.Lijm de buitenste elektrodehouder op het stroomkanaal. Steek de afstandhouder in de opening tussen de twee koperen elektroden en wacht een uur om de lijm te laten uitharden. Sluit alle kabelgoten af met epoxylijm.Wacht vervolgens een nacht tot de lijm is uitgehard. Plaats de volgende dag de vacuümafdichting in de geprinte klep van de buitenste elektrode. Bevestig ze vervolgens, nadat u de twee sensorzijden in elkaar hebt gestoken, met de vacuümklem.Bouw de sensoropstelling zoals gedemonstreerd in de afbeelding. Om dit te doen, sluit u eerst de hoogspanningsvoeding aan op de rode sensorkabel van de hoogspanningselektrode. Sluit vervolgens de zwarte sensorkabel aan op de multimeterspanningsingang van de bank.Sluit vervolgens na het verzamelen van de elektrometeraarde of GND met een voeding GND de multimeter USB-kabel aan op de pc. Zodra de multimeter op de pc is aangesloten, neemt u de sensor op in de aerosolmeetopstelling volgens de weergegeven lay-out. Zorg ervoor dat de verdunningsbrug gesloten is voordat u met het experiment begint. Sluit de uitlaat van de verdunningsbrug aan op de inlaat van de aerosolmenger en laat twee van het aerosolmengsel in de sensorinlaat uit.Sluit een hoogrendementsdeeltjesabsorberend of HEPA-filter aan op de sensoruitlaat en sluit de HEPA-uitlaat aan op de massflowregelaar of MFC-inlaat. Gebruik een wye-fitting en sluit de aerosolmixeruitlaat één en de verdunningsluchtstroom aan op het gesplitste uiteinde van de wye-fitting. Sluit aan het enkele uiteinde van de wye-fitting de inlaat van het referentie-instrument aan.Start het experiment door de aerosolgenerator aan te sluiten op de verdunningsbrug en ervoor te zorgen dat de verdunningsbrug gesloten is. Klik op Meten op het referentie-instrument. Open de verdunningsbrug langzaam totdat de gewenste aerosolmassaconcentratie van drie tot vijf milligram per kubieke meter is bereikt voordat gegevens op het referentie-instrument worden geregistreerd.Let op de deeltjesmassaconcentratie van het referentie-instrument. Wanneer de aerosolbron stabiel is, schakelt u de sensorvoeding in op 1.000 volt en begint u met het loggen van de gegevens. Nadat een evenwichtstoestand voor accumulatie en fragmentatie van dendrieten was bereikt, werd het sensorsignaal evenredig met de binnenkomende roetconcentratie.De verticale as toont het sensorsignaal in ampère en de horizontale as toont de aerosolconcentratie gemeten door het referentie-instrument in milligram per kubieke meter. Een lineaire fit met zijn representatieve parameters werd berekend uit de plot. Verder toonde een experiment waarbij kortsluiting plaatsvond als gevolg van de vorming van roetbruggen in de elektroden aan dat het signaal steil in stappen steeg zonder te stoppen of af te vlakken.Dendrieten werden niet meer gevormd en de sensor was niet meer in evenwicht. Het is cruciaal om de elektroden zeer zorgvuldig te fabriceren en een uniforme elektrodespleet te creëren. Om een betrouwbare testomgeving te garanderen, moet de experimentele opstelling worden gereproduceerd zoals gedemonstreerd.Dit protocol moet agentschappen, bedrijven, onderzoeksteams en burgerwetenschappers motiveren om deze eenvoudige sensorconstructie te reproduceren en hun eigen deeltjesdetector te bouwen.

additive-manufacturing-enabled-low-cost-particle-detector

Research

JoVE Journal

Engineering

Techniek

In deze video laten we zien hoe om te fabriceren en gebruiken microfabricated na reeks detectoren (mPADs) om modulaties van cellulaire contractiliteit te beoordelen.

Microfabricated Post-Array-Detectoren (mPADs): een benadering van mechanische krachten Isoleer

This video demonstrates a microfluidic system for a magnetic nanoparticle-based immunoassay. The detection system utilizes a microfluidic device incorporating a magnetic trap within its channels. Pre-formed immunocomplexes, comprised of antigen-coated magnetic nanoparticles bound to primary and peroxidase-conjugated secondary antibodies, are introduced into the channels. The immunocomplexes become captured in the porous magnetic trap upon applying an external magnetic field. Using a fluorogenic...

A Magnetic Nanoparticle-Based Immunoassay Using a Microfluidic Device

Een scanner voor beeldvorming magnetische deeltjes in vlakke monsters werd ontwikkeld met vlakke frequentie mengen magnetische detectietechniek. De magnetische intermodulatieproduct reactie van de lineaire nonhysteretic magnetisatie van de deeltjes wordt opgenomen op een twee-frequentie excitatie. Het kan worden gebruikt om 2D beelden dunne biologische monsters.

Frequentie mengen Magnetic Detection Scanner voor de beeldvorming van magnetische deeltjes in Planar Samples

Meerkleurige fluorescentiedetectie in druppelmicrofluidica omvat doorgaans omvangrijke en complexe detectiesystemen op basis van epifluorescentiemicroscopen. Hier beschrijven we een compact en modulair meerkleurig detectieschema dat gebruikmaakt van een reeks optische vezels om meerkleurige gegevens die door een enkele fotodetector worden verzameld, tijdelijk te coderen.

Multicolor Fluorescentie detectie voor Droplet Microfluidics Met behulp van optische vezels

Dit protocol toont hoe femto molaire detectiegevoeligheid van eiwitten in 10 µL vol bloed binnen 30 minuten kan worden bereikt. Dit kan worden bereikt door het gebruik van elektrogesponnen nanovezelmatten geïntegreerd in een lab-on-a-disc, die een groot oppervlak biedt evenals effectief mengen en wassen voor een verbeterde signaal-ruisverhouding.

Volautomatische centrifugale microfluïdische apparaat voor Ultragevoelige Protein Detection uit volbloed

Een microchip fabricageproces dat plasmonische pincet opgenomen wordt hier gepresenteerd. De microchip maakt het afbeelden van een gevangen deeltje trapping maximale krachten meten.

Plasmonische Trapping en het vrijkomen van nanodeeltjes in een Monitoring Milieu

We tonen een microfluïdische platform met een geïntegreerde oppervlakte-elektrode netwerk resistieve pulse sensing (RPS) met code division multiple access (CDMA) combineert, om detectie en afmeting van deeltjes in meerdere microkanalen multiplexen.

Microfluïdische Platform met multiplexverzending elektronische detectie voor ruimtelijke Tracking van Deeltjes

Deze gegevens van het protocol, de bouw en de exploitatie van een real-time 3D één deeltje tracking Microscoop staat tracking nanoschaal fluorescerende probes hoge diffusive snelheden en lage foton graaf tarieven.

Een Protocol voor Real-time 3D één deeltje Tracking

Dit werk presenteert een stam meetsensor bestaande uit een versterkingmechanisme en een polydimethylsiloxane microscoop vervaardigd met behulp van een verbeterde 3D-printer.

Productie van een stammeetapparaat met een verbeterde 3D-printer

Microfluïdica is een krachtig hulpmiddel voor de ontwikkeling van diagnostische tests. Dure apparatuur en materialen, evenals bewerkelijke fabricage- en handlingtechnieken, zijn echter vaak vereist. Hier beschrijven we het fabricageprotocol van een acryl microfluïdisch apparaat voor magnetische micro- en nanodeeltjesgebaseerde immunoassays in een goedkope en eenvoudig te gebruiken omgeving.

Computer numerieke controle Micromilling van een microfluïdisch acrylapparaat met een gespreide beperking voor magnetische immunoassays op basis van nanodeeltjes

Leer een kosteneffectieve methode voor deeltjesdetectie met additieve productietechnieken. Dit protocol maakt het mogelijk om een eenvoudige sensor te bouwen voor het meten van roet en geladen deeltjes in industriële en milieu-applicaties.

Additive Manufacturing-enabled low-cost deeltjesdetector

Meer video's verkennen