Summary
Aquí, presentamos un protocolo sobre cómo construir y probar un detector de partículas simple pero eficiente de bajo costo.
Abstract
Como las partículas con un tamaño de 1 μm o menos representan un grave riesgo para la salud del cuerpo humano, la detección y regulación de las emisiones de partículas son de gran importancia. Una gran parte de las emisiones de partículas son emitidas por el sector del transporte. La mayoría de los detectores de partículas disponibles comercialmente son voluminosos, muy caros y necesitan equipo adicional. Este documento presenta un protocolo para construir y probar un detector de partículas independiente que es pequeño y rentable.
El enfoque de este documento radica en la descripción del manual de construcción detallado con video y el procedimiento de evaluación del sensor. El modelo de diseño asistido por ordenador del sensor se incluye en el material suplementario. El manual explica todos los pasos de construcción, desde la impresión 3D hasta el sensor completamente operativo. El sensor puede detectar partículas cargadas y, por lo tanto, es adecuado para una amplia gama de aplicaciones. Un posible campo de aplicación sería la detección de hollín de centrales eléctricas, incendios forestales, industrias y automóviles.
Introduction
La inhalación de partículas con un tamaño de 1 μm o menos plantea un alto riesgo de efectos adversos para la salud en el cuerpo humano. Con el aumento de la contaminación ambiental por procesos de combustión, las enfermedades respiratorias están creciendo en la población 1,2,3. Para promover la salud y contrarrestar la contaminación, es necesario identificar primero las fuentes de contaminación y cuantificar el grado de contaminación. Esto se puede hacer con los detectores de partículas existentes. Sin embargo, estos son grandes y muy a menudo demasiado caros para fines de ciencia privada o ciudadana.
Muchos de los detectores de partículas disponibles comercialmente son voluminosos, muy caros y requieren equipo adicional para ser operados4. La mayoría de ellos también necesitan varios pasos de acondicionamiento de aerosoles. Por ejemplo, la dilución es necesaria para los detectores que utilizan la dispersión de la luz como principio de medición, y el rango de medición está limitado por la longitud de onda 5,6,7. Los detectores de partículas que utilizan la incandescencia inducida por láser como principio de detección necesitan tanto fuentes láser de alta energía como un sistema de refrigeración que consuma energía8.
Los detectores de partículas que utilizan contadores de partículas de condensación se utilizan normalmente como el estándar de oro para la medición de la concentración de partículas; Estos necesitan preacondicionamiento, dilución y fluidos de trabajo (por ejemplo, butanol)9,10,11. Las ventajas de un sensor electrostático radican en el diseño simple y compacto y los bajos costos de fabricación. Sin embargo, en comparación con los contadores de partículas de condensación, se deben hacer deducciones significativas con respecto a la precisión.
Un sensor electrostático representa una alternativa a estos métodos. Los sensores electrostáticos pueden ser robustos, ligeros, económicos de fabricar y pueden operarse sin supervisión. La forma más simple de un sensor electrostático es un condensador de placa paralela con un alto campo eléctrico entre sus placas. A medida que el aerosol se transporta a la región de alto voltaje entre los dos electrodos de cobre, las partículas cargadas naturalmente se depositan en los electrodos de diferente polaridad12 (Figura 1).
Las dendritas se forman en la superficie de los electrodos en la dirección de las líneas de campo del alto voltaje aplicado entre los electrodos, y se cargan a través de la carga de contacto. Los fragmentos de estas dendritas eventualmente rompen los electrodos y se vuelven a depositar en el electrodo con polaridad opuesta, transfiriendo su carga. Estos fragmentos llevan un alto número de cargas. Debido a que el electrodo está conectado a tierra, la carga depositada genera una corriente que conduce a una caída de voltaje en la resistencia interna del multímetro de banco. Cuanto más a menudo sucede esto por unidad de tiempo, mayor es la corriente y, en consecuencia, mayor es la caída de voltaje (Figura 2).
Debido al alto voltaje inducido por la deposición de carga de los fragmentos, no se necesita más electrónica de amplificador. La formación de partículas de ruptura de dendrita y la posterior liberación de carga de estas partículas representa una amplificación natural de la señal12. La señal del sensor resultante es proporcional a la concentración de masa de partículas. Esta señal se puede detectar con un multímetro de banco estándar.
Figura 1: Esquemas del sensor. El aerosol fluye hacia la entrada de aerosol, se propaga a través del canal de flujo izquierdo y luego alcanza el espacio entre el electrodo de alto voltaje (electrodo interno) y el electrodo de medición (electrodo externo). Allí, las partículas contribuyen al crecimiento de las dendritas y, como se explicó anteriormente, se rompen, generando así la respuesta del sensor. Después, las partículas fluyen más a través del canal de flujo derecho y salen del sensor en la salida del aerosol. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Principio físico. Las partículas cargadas positiva y negativamente, así como las partículas neutras, entran en el espacio entre los electrodos de polaridad opuesta. Son desviados por las líneas del campo eléctrico al electrodo de polaridad opuesta y depositan allí su carga. Luego, se convierten en parte de una dendrita y se hacen cargo de la carga del electrodo respectivo. La densidad de campo es más alta en la punta de la dendrita, donde quedan atrapadas más partículas. Cuando la fuerza de arrastre excede las fuerzas de unión, los segmentos de las dendritas se rompen, que a su vez golpean el electrodo opuesto y depositan sus cargas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Con un diseño cilíndrico, como en Warey et al.10, se puede minimizar la probabilidad de formación de puentes de hollín. Puede encontrar más información sobre la geometría del sensor, el voltaje aplicado, la velocidad del flujo de gas y la concentración de partículas allí. Sugieren la correlación de la señal del sensor con la materia particulada que fluye a través del sensor (ecuación 1).
Sensor (V) = 5.7 × 10-5 C V 0 e0.62V × 
(1)
C es la concentración de masa de la materia particulada, V0 es el voltaje aplicado, V es la velocidad de escape, L es la longitud del electrodo y S es el espacio entre electrodos13.
Bilby et al. se centraron en el estudio detallado del efecto físico subyacente del sensor electrostático9. Estos estudios incluyeron una configuración ópticamente accesible y un modelo cinético para explicar la amplificación de la señal del sensor basado en dendritas (ver ecuaciones 2 y 3).
(2)
(3)
S representa una pila de discos de hollín de 10-100 aglomerados de hollín con un tamaño de 50-100 nm; D n representa una dendrita conn discos; Br denota un fragmento de ruptura compuesto de discos f; S y ki son constantes de tasa12.
Este documento presenta un protocolo sobre cómo construir y probar un detector de partículas simple pero eficiente de bajo costo que se puede usar para altas concentraciones de partículas sin equipo adicional. El trabajo previo sobre este tipo de sensor electrostático se ha centrado principalmente en las mediciones de escape. En este trabajo, las partículas de hollín generadas en laboratorio se utilizan como aerosoles de prueba. El sensor descrito se basa en "trabajos previos de Warey et al. y Bilby et al12,13.
El cuerpo del sensor consiste en un cuerpo impreso en 3D basado en estereolitografía, electrodos coaxiales cortados de tubos de cobre, una junta de vacío y una abrazadera de vacío. Los materiales como la junta de vacío, el cable, los tubos de cobre y la resina 3D para un sensor cuestan menos de 40 €. El equipo adicional necesario es una fuente de alto voltaje, un multímetro de banco USB y una estación de soldadura. Para evaluar el sensor, también se requiere una fuente de aerosol definida y un instrumento de referencia una vez (consulte la Tabla de materiales). El tamaño del sensor descrito en este protocolo es de 10 cm x 7 cm. Este tamaño fue elegido específicamente para el experimento y aún puede reducirse significativamente (ver modificaciones / dimensiones del sensor en la discusión).
Este protocolo describe cómo construir, probar y usar un sensor de partículas simple y de bajo costo. Un esquema del protocolo se muestra en la Figura 3, comenzando con la impresión 3D del casco del sensor y la fabricación de electrodos, el ensamblaje del sensor, así como las pruebas y un ejemplo de aplicación de campo del sensor.
Figura 3: Esquema del método. El protocolo se divide en cuatro pasos principales. En primer lugar, se imprimen todas las piezas de la carcasa del sensor. Luego, se fabrican los electrodos. En el tercer paso, se ensambla la carcasa del sensor impreso en 3D con los electrodos y la junta de vacío. En el último paso, se evalúa el rendimiento del sensor. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Los pasos más importantes del proceso de impresión 3D se muestran en la Figura 4. Al principio, se elige la configuración correcta de la segmentación de datos para la impresión. Después, se discuten las partes más importantes de la impresión y el preprocesamiento del modelo impreso en 3D. Para este paso, se necesita una impresora 3D de resina con un baño de isopropanol y un dispositivo de endurecimiento UV y un molinillo recto.
Figura 4: Esquema de la impresión 3D. (A) Se representa el modelo 3D de la segmentación de datos; (B) la impresora durante el proceso de impresión. Pasos posteriores al procesamiento: (C) lavado y (D) endurecimiento UV. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
La figura 5 muestra los pasos más importantes de la fabricación de electrodos: la forma de dar forma a los electrodos, así como la soldadura del contacto con los electrodos. Para este paso, se necesitan dos tubos de cobre con diferentes diámetros, una pinza, un cortador de tubos, una amoladora recta, un vicio, una estación de soldadura y estaño de soldadura, cables aislados con dos colores diferentes, guantes de protección térmica y un cortador de alambre.
Figura 5: Fabricación de electrodos. (A) Medición, (B) corte, (C) desbarbado y (D) soldadura de los electrodos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
La sección de ensamblaje del protocolo explica cómo se ensambla el sensor. Las partes más importantes del sensor se representan en la Figura 6, a saber, el soporte del electrodo externo, el canal de flujo y el soporte del electrodo interno. La figura 7 muestra los pasos más importantes en el ensamblaje del sensor. Para este paso, se necesita pegamento epoxi, ropa protectora, un sello de vacío, una abrazadera de vacío, gafas de seguridad y guantes.
Figura 6: Partes del sensor . (A) El soporte del electrodo exterior, (B) el canal de flujo y (C) el soporte del electrodo interno. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 7: Montaje del sensor. Se muestran todos los pasos del conjunto del sensor. A-E muestra el montaje de la mitad del sensor. (A) El soporte del electrodo interno está pegado al canal de flujo. (B) El electrodo interno se coloca en el soporte del electrodo interno. (C) El electrodo exterior se coloca en el soporte exterior del electrodo. (D) El soporte del electrodo exterior está pegado al canal de flujo + conjunto interno del soporte del electrodo. (E) El sellado al vacío encaja en el electrodo exterior de una mitad del sensor y luego encaja en (C), el segundo electrodo exterior idéntico de la otra mitad del sensor. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
La sección de prueba explica cómo configurar el experimento para comparar el sensor recién construido con un instrumento de referencia. Para este paso, se necesitan un multímetro de banco, una bomba de vacío, un suministro de alto voltaje, un generador de aerosol, un puente de dilución, tubos de aerosol, conexión en Y, un controlador de flujo másico (MFC), un mezclador de aerosoles, un instrumento de referencia y un hisopo de algodón.
Protocol
1.3D impresión
- Configuración de segmentación de datos
- Abra todos los archivos ".stl" con el software de segmentación de datos y coloque las partes del sensor en la plataforma (consulte Archivo complementario 1, Archivo complementario 2, Archivo complementario 3, Archivo complementario 4, Archivo complementario 5 y Archivo complementario 6).
- Para un buen resultado de impresión, incline todas las piezas con respecto a la plataforma.
- Genere puntos de soporte con una densidad de 0,8 y un tamaño de punto de 0,4 mm.
- Seleccione Clear V4 con un grosor de capa de 50 μm.
- Comience a imprimir.
- Cargue el archivo de salida de la segmentación de datos en la impresora 3D.
- Busque el tiempo de impresión y los volúmenes de resina que se muestran en la pantalla. Inserte el tanque V4 transparente y el cartucho de resina, conecte la plataforma de montaje y abra la tapa del cartucho. Pulse Inicio en la impresora.
- Post-procesamiento inmediato
- Una vez finalizada la impresión, abra la impresora y desconecte la plataforma de montaje.
NOTA: Este paso solo se puede retrasar si está seguro de que el modelo permanecerá debajo de la pantalla de protección UV de la impresora (consulte los pasos críticos / posprocesamiento de impresión en la discusión). - Despegue suavemente todas las partes de la plataforma y colóquelas en un baño de isopropanol.
- Mueva las piezas constantemente durante 20 minutos.
- Saque las piezas cada 5 minutos y enjuague bien todos los pequeños huecos y agujeros.
- Una vez finalizada la impresión, abra la impresora y desconecte la plataforma de montaje.
- Endurecimiento UV
- Seque las piezas antes de comenzar el proceso de endurecimiento.
- Enjuague todos los huecos y orificios pequeños con aire a presión.
- Coloque las piezas en el dispositivo de endurecimiento UV y endurezca durante 50 minutos a 40 °C.
NOTA: Esta configuración difiere del tiempo de secado y la temperatura recomendados por el fabricante (consulte los pasos críticos/posprocesamiento de impresión en la discusión).
- Post-procesamiento
- Compruebe que todas las cavidades y agujeros estén abiertos.
- Si un camino está obstruido, taladrarlo o rasparlo con la amoladora recta.
- Compruebe que todas las piezas impresas encajan correctamente y que los tubos de cobre se pueden insertar. Si no pueden, entonces lijarlos.
2. Fabricación de electrodos
- Mida 9 mm desde la parte superior de los tubos de cobre de 18 mm y 22 mm y marque estas posiciones.
- Corte las tuberías con el cortador de tuberías en las marcas.
NOTA: Asegúrese de no usar demasiada fuerza durante el proceso. Se necesitan varias vueltas para cortar a través de las tuberías (consulte los pasos críticos / fabricación de electrodos en la sección de discusión). - Desbarba el anillo de cobre con cuidado. No ejerza demasiada presión sobre el anillo de cobre mientras desbarba y trate de no rayar la superficie del electrodo.
NOTA: Esta es una parte muy crítica y afecta el rendimiento del sensor (consulte pasos críticos / fabricación de electrodos y modificaciones / electrodos en la sección de discusión). - Soldadura de electrodos
- Suelde el cable rojo al anillo interior de cobre (18 mm) y el cable negro al anillo exterior de cobre (22 mm).
- Pule el anillo de cobre para deshacerse de la capa de cobre oxidado en la superficie.
- Sujete el anillo en un vicio.
- Pre-tin tanto el anillo de cobre como el cable y suelde el cable al anillo.
PRECAUCIÓN: Debido a la soldadura, los electrodos de cobre se calientan hasta 400 °C. Solo toque los electrodos con pinzas y use guantes termoprotectores.
3. Montaje
- Mezcle los dos componentes del pegamento epoxi en una bandeja.
NOTA: Es muy importante utilizar pegamento transparente para diferenciar entre puentes de hollín y pegamento endurecido.
PRECAUCIÓN: Trabaje bajo una campana extractora, use ropa protectora (especialmente guantes) y limpie las superficies de trabajo. Puede encontrar más instrucciones de seguridad en la hoja de datos de seguridad. Peligro para la salud: "Skin Corr. 1C - H314 Eye Dam. 1 - H318 Skin Sens. 1 - H317". - Pegue el soporte del electrodo interno en el canal de flujo y espere 60 minutos a que el pegamento se endurezca (Figura 7A).
- Coloque el anillo interior del electrodo (18 mm) en el soporte y guíe el cable a través del canal del cable (Figura 7B).
NOTA: Asegúrese de que haya suficiente espacio para el punto de soldadura. - Coloque el espaciador alrededor del electrodo interior.
NOTA: Este es un paso muy crítico. Si la distancia entre los electrodos no es exactamente de 1 mm en todas partes de todo el sensor, el campo eléctrico y, posteriormente, el rendimiento del sensor pueden verse influenciados (consulte los pasos críticos / fabricación de electrodos en la discusión). - Coloque el anillo exterior del electrodo (22 mm) en el soporte y alimente el cable a través del canal del cable (Figura 7C).
- Pegue el soporte exterior del electrodo en el canal de flujo. Inserte el espaciador en el espacio entre los dos electrodos de cobre. Espere 60 minutos para que el pegamento se endurezca (Figura 7D).
- Selle todos los canales de cable con pegamento epoxi. Espere toda la noche para que el pegamento se cure.
- Inserte el sello de vacío en la válvula impresa del electrodo exterior. Inserte los dos lados del sensor entre sí y fíjelos con la abrazadera de vacío (Figura 7E, F).
4. Pruebas
- Abra la abrazadera de vacío del sensor.
- Separa las dos mitades del sensor y retira el sello.
- Desde allí, toque el anillo del electrodo con una punta de sonda de multímetro y el extremo del cable que conduce al electrodo con la otra punta de multímetro.
- Pruebas previas
- Pruebe la conexión eléctrica del electrodo y el cable con el multímetro. Compruebe si la resistencia es <2 Ω (dependiendo del nivel de oxidación).
- Enchufe la manguera a la entrada y salida de aerosol y compruebe si el sensor es hermético con la bomba de vacío.
- Experimento paralelo
- Cree la configuración del sensor, de acuerdo con la Figura 8.
- Conecte la fuente de alimentación de alto voltaje al cable rojo del sensor (electrodo de alto voltaje).
- Conecte el cable negro del sensor a la entrada de voltaje del multímetro de banco.
- Conecte la toma a tierra del electrómetro (GND) con la fuente de alimentación GND.
- Conecte el cable USB del multímetro al PC.
- Incorpore el sensor en la configuración de medición de aerosoles. según la figura 9.
- Generador de aerosoles
- Suministro de gas: Encienda el flujo de la vaina, el suministro de nitrógeno y propano (presión necesaria: nitrógeno, 4 bar; otros gases, 1 bar cada uno).
- Fuente de alimentación: Conecte el cable fuente de 24 V para los MFC integrados y conecte el USB al PC.
- Software: abra el software MFC e inserte el número de puerto COM correcto. Buscar dispositivos: si se muestran cinco dispositivos (para cinco MFC diferentes), haga clic en Detener búsqueda. Introduzca las condiciones de arranque según el manual de usuario del generador de aerosoles: 10 mL/min propano, 1,55 L/min de aire de oxidación, 7 L/min de gas de enfriamiento, 20 L/min de aire de dilución.
- Arranque el generador de aerosol (consulte la Tabla de materiales) girando la perilla ON-OFF. Cuando se enciende la perilla, el indicador de nitrógeno está encendido, lo que indica que todas las rutas de flujo están abiertas. Sostenga el dispositivo de seguridad contra llamas y presione el botón de encendido en el generador de aerosol; Observe una llama en la ventana de la cámara de combustión. Suelte el dispositivo de seguridad contra llamas después de ~60 s muy lentamente.
- Introduzca los siguientes flujos másicos: 60 ml/min de propano, 1,55 L/min de aire de oxidación, 7 L/min de nitrógeno (enfriamiento) y 20 L/min de aire de dilución para establecer los parámetros correctos de distribución de tamaño.
PRECAUCIÓN: Conecte el generador al resto de la configuración solo si se deben tomar medidas en los próximos minutos; De lo contrario, los filtros del puente de dilución se obstruirán rápidamente.
- Conecte el puente de dilución al generador de aerosol. Desconéctelo una vez más y desvíe el flujo de aerosol a la campana extractora hasta el inicio del experimento. Asegúrese de que el puente de dilución esté cerrado antes de comenzar el experimento.
- Conecte la salida del puente de dilución a la entrada del mezclador de aerosol.
- Conecte la salida 2 del mezclador de aerosoles (consulte la figura 9E) a la entrada del sensor.
- Incorpore el MFC.
- Conecte un filtro de absorción de partículas de alta eficiencia (HEPA) a la salida del sensor y conecte la salida del sensor a la entrada MFC.
- Conecte la fuente de alimentación del MFC y conecte el USB al PC.
- Abra el software MFC e introduzca el número de puerto COM correcto.
- Busca dispositivos.
- Haga clic en ¿Detener búsqueda?.
- Introduzca el flujo másico como 1 L/min.
- Instrumento de referencia (ver Tabla de Materiales)
- Conecte el cable LAN al PC y abra una conexión a la dirección IP del instrumento de referencia en el navegador para abrir una aplicación java para controlar el instrumento de referencia.
- En el software de control de instrumentos de referencia, presione lock resources | stand by para arrancar la bomba.
NOTA: El proceso de calentamiento toma ~ 20 min. - Después de la fase de calentamiento , haga clic en medición para medir el aerosol que entra en el instrumento de referencia.
- Elija una relación de dilución de 1:10 en el instrumento de referencia.
- Utilice un accesorio en Y para conectar la salida 1 del mezclador de aerosoles (véase la figura 9D) y el flujo de aire de dilución al extremo dividido del accesorio en Y (véase la figura 9C), y conecte el extremo único del accesorio en Y a la entrada del instrumento de referencia.
NOTA: Estos dos flujos se combinan en el extremo único del accesorio en y.
- Inicio del experimento
- Conecte el generador de aerosol al puente de dilución una vez más y asegúrese de que el puente de dilución esté cerrado.
- Haga clic en medida en el instrumento de referencia.
- Abra lentamente el puente de dilución hasta alcanzar la concentración másica de aerosol deseada de 3-5 mg/m3 y comience a registrar datos en el instrumento de referencia.
- Observe la concentración de masa de partículas del instrumento de referencia. Cuando la fuente de aerosol esté estable, encienda la fuente de alimentación del sensor a 1.000 V y comience a registrar los datos.
NOTA: Si la concentración no es estable, consulte solución de problemas en la sección de discusión.
- Recopile datos del multímetro de banco con un comando de lectura en la consola o un script automatizado.
NOTA: Después de que la corriente del sensor se estabilice (aproximadamente 5 min), es posible comparar el instrumento de referencia con la corriente del sensor.
PRECAUCIÓN: Si la corriente del sensor aumenta rápidamente por encima de 10-7 A (correspondiente a 0,1 V con una resistencia interna de 1 MΩ), apague la fuente de alto voltaje (consulte solución de problemas en la sección de discusión). - Medición paralela: Después de que el sensor alcance el equilibrio, mida un gradiente de concentración en pasos de 5 mg/ m3a 0,2 mg/m3ajustando el puente de dilución en consecuencia.
NOTA: Cuando se utilizan concentraciones más altas, debe aumentarse la relación de dilución del instrumento de referencia.
- Cree la configuración del sensor, de acuerdo con la Figura 8.
- Limpie el sensor con aire a presión y un hisopo antes de cada nueva medición.
5. Aplicación de campo
- Cree la configuración del sensor, de acuerdo con la Figura 8.
- Conecte la fuente de alimentación de alto voltaje al cable rojo del sensor (electrodo de alto voltaje).
- Conecte el cable negro del sensor a la entrada de voltaje del multímetro de banco.
- Conecte el electrómetro GND con la fuente de alimentación GND.
- Conecte el cable USB del multímetro al PC.
- Incorpore la configuración del sensor en la nueva configuración de medición, de acuerdo con la Figura 10, y conecte la fuente de aerosol con el sensor.
- Divida la corriente de partículas que sale de la fuente de aerosol en la ruta A) configuración del sensor y la ruta B) ventilación.
- MFC o bomba: Utilice un MFC para pasar la muestra a través del sensor.
- Utilice un filtro HEPA aguas arriba del MFC. Conecte la fuente de alimentación del MFC y conecte el USB al PC.
- Siga el paso 4.5.8 para la medición paralela.
- Inicio del experimento de campo: Asegúrese de que la fuente de aerosol esté conectada a la entrada del sensor.
- Encienda la fuente de alimentación del sensor y comience a registrar datos.
Figura 8: Configuración del sensor. Un diagrama de la configuración del sensor. El aerosol fluye a través del sensor. El sensor está conectado al voltímetro y a una fuente de alto voltaje. El voltímetro está controlado por una unidad de control que registra los datos del sensor. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 9: Plan experimental para la evaluación de sensores. Una fuente de aerosol estable se utiliza para imitar una fuente de partículas. La corriente de partículas que sale se divide en ruta (A), configuración del sensor; y la vía (B), ventilación, entra en el puente de dilución y se distribuye a un mezclador de aerosoles. Después del mezclador, la corriente de aerosol se divide entre una trayectoria del instrumento de referencia (D), que mide paralelamente al sensor. Este instrumento de referencia necesita aire de dilución, que se distribuye a través de la ruta (C). Trayectoria (E): un MFC extrae aire a través del sensor. Este MFC está protegido de la corriente de aerosol con un filtro HEPA. Abreviaturas: MFC = controlador de flujo másico; Filtro HEPA = filtro absorbente de partículas de alta eficiencia. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 10: Prueba de campo: el plan experimental. En esta configuración, se mide una fuente de aerosol. La corriente de partículas de salida se divide en la ruta A) configuración del sensor y la ruta B) ventilación y luego ingresa al sensor. En esta configuración, un MFC con un filtro HEPA aguas arriba succiona el aerosol a través del sensor. Abreviaturas: MFC = controlador de flujo másico; Filtro HEPA = filtro absorbente de partículas de alta eficiencia. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Representative Results
La correlación exacta de la señal del sensor con la masa de partículas varía según la distribución de la carga de las partículas y la distribución del tamaño, así como la composición del aerosol. Por lo tanto, el sensor debe calibrarse para una aplicación particular con un instrumento de referencia. En esta sección se explica cómo comparar el sensor recién construido con un instrumento de referencia.
La fase de inicio del sensor dura aproximadamente 5-10 minutos, dependiendo de la concentración de partículas elegida. Dentro de la fase inicial, la señal del sensor aumenta significativamente mientras el sensor está expuesto a una concentración constante de partículas. Después de la fase inicial, la señal del sensor se estabiliza. En esa etapa, se alcanza un estado de equilibrio para la acumulación y fragmentación de dendritas y la señal del sensor es proporcional a la concentración de hollín entrante. Después de esta fase de inicialización, el sensor está listo para medir cualquier cambio en la concentración de aerosoles.
Los datos de medición que se muestran en la Figura 11 comienzan desde el momento en que el sensor se encuentra en el estado de equilibrio mencionado anteriormente. Para calcular la corriente del sensor en amperios, los datos recopilados en voltios deben dividirse por el valor de la resistencia interna para obtener el valor de corriente correcto.
El eje vertical muestra la señal del sensor en amperios y el eje horizontal muestra la concentración de aerosol medida por el instrumento de referencia en mg/m3. Un ajuste lineal con sus parámetros representativos también se da en la gráfica. La alta incertidumbre de los datos medidos se debe a la alta dinámica al ajustar la concentración con el puente de dilución. Los parámetros de ajuste lineal son un valor deR2 de 0,80, una intersección de -0,53 nA y una pendiente de 2,80 nAm3/mg con una desviación estándar de 1,4 nA.
Figura 11: Resultados positivos. La señal del sensor se traza en el eje vertical en amperios, mientras que la concentración de partículas medida por el instrumento de referencia en mg/m3 se traza en el eje horizontal. Además, se agrega un ajuste lineal con los parámetros más importantes a la trama. Los parámetros de ajuste lineal son un valor deR2 de 0,80, una intersección de -0,53 nA y una pendiente de 2,80 nAm3/mg. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
También existe la posibilidad de que las partículas obstruyan el camino entre los electrodos, en cuyo caso se forman puentes conductores de hollín entre los electrodos. Debido a que el hollín es un material conductor, estos puentes de hollín forman un cortocircuito entre los electrodos. La señal medida aumenta rápidamente con el aumento del grosor de la trayectoria conductora, hasta el punto en que el voltaje se vuelve tan alto que el voltímetro podría dañarse. Un ejemplo para un experimento con la formación de puentes de hollín se puede ver en la Figura 12. La señal se eleva en saltos/escalones muy empinados y no se detiene ni se aplana. Las dendritas ya no se forman y el sensor ya no está en un estado de equilibrio. En este caso, la fuente de alto voltaje debe apagarse inmediatamente, el sensor debe limpiarse y se debe iniciar una nueva medición.
Figura 12: Resultado negativo. Se ha producido un cortocircuito durante la medición. La señal del sensor en amperios se traza en el eje vertical y el tiempo de medición se traza en el eje horizontal. La señal del sensor continúa aumentando sin restricciones. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Si se muestra una línea plana y la corriente del sensor no aumenta en absoluto a un valor superior a 1 nA, siga las instrucciones de solución de problemas en la sección de discusión. El sensor debe estar en el estado de equilibrio en todo momento para medir el aerosol de entrada con precisión; Por lo tanto, debe proporcionarse una concentración inicial de aerosol suficientemente alta al comienzo del experimento.
Archivo complementario 1: Este archivo representa el archivo de diseño asistido por ordenador (CAD) para imprimir el canal de flujo representado en la Figura 7A con orificios para el cable. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Archivo complementario 2: Este archivo representa el archivo CAD para imprimir el canal de flujo representado en la Figura 7A sin agujeros. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Archivo complementario 3: Este archivo representa el archivo CAD para imprimir el soporte del electrodo interno representado en la Figura 7A. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Archivo complementario 4: Este archivo representa el archivo CAD para imprimir el soporte del electrodo exterior representado en la Figura 7C (derecha). Haga clic aquí para descargar este archivo.
Archivo complementario 5: Este archivo representa el archivo CAD para imprimir el canal de flujo sin orificios que se muestra en la Figura 7C (izquierda). Haga clic aquí para descargar este archivo.
Archivo complementario 6: Este archivo representa el archivo CAD para imprimir el espaciador de electrodos. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Discussion
Pasos críticos
Post-procesamiento de impresión
Casi cualquier paso de este protocolo se puede pausar o posponer, excepto el procesamiento posterior de las piezas 3D recién impresas (paso de protocolo 1.5). Si se abre la pantalla de protección UV de la impresora, el procesamiento posterior debe comenzar de inmediato, de lo contrario, los pequeños canales de cable, así como la cavidad para el sello, se obstruirán. El ajuste preciso de la cavidad garantiza que el sensor pueda sellarse herméticamente. Esto es importante porque el sensor es muy sensible a las fluctuaciones de flujo. El proceso de endurecimiento también es importante (paso de protocolo 1.4); Si la temperatura se establece demasiado alta, el material se vuelve demasiado frágil y puede romperse bajo las fuerzas ejercidas por la abrazadera sobre el soporte exterior del electrodo.
Fabricación de electrodos
El corte y desbarbado cuidadoso (pasos del protocolo 2.2-2.3) de los electrodos es muy importante porque las irregularidades en el espacio del electrodo causan perturbaciones en los campos eléctricos y de velocidad, lo que conduce a un rendimiento deficiente del sensor. En el peor de los casos, una fuerte irregularidad puede hacer que los electrodos se acerquen tanto que se exceda el voltaje de ruptura y se produzca un cortocircuito. A partir de este momento, no se puede hacer ninguna declaración sobre la señal de medición y la electrónica de medición es propensa a daños.
Ensamblaje
El montaje del sensor (pasos de protocolo 3.4-3.6) es crucial, ya que esto crea la brecha del electrodo. Como se mencionó anteriormente, la distancia entre los electrodos es muy importante; Este espacio debe ser uniformemente de 1 mm en toda la longitud. Estos pasos son importantes porque pueden cambiar drásticamente el campo eléctrico en el sensor. El comportamiento general de deposición, así como la formación de dendritas, pueden verse influenciados por el cambio en el campo eléctrico. Por lo tanto, ya no se puede garantizar que la respuesta del sensor sea lineal al aerosol entrante. El peor escenario de un cortocircuito también se aplica aquí.
Modificaciones
Impresión 3D
Otras posibles modificaciones son el uso de diferentes resinas de impresión 3D. Hay muchas resinas diferentes en el mercado que pueden cambiar la densidad, flexibilidad, resistencia a la temperatura y resistencia de la carcasa del sensor.
Dimensiones del sensor
El primer criterio de diseño para el sensor es una configuración de seguridad. La resistencia dieléctrica del aire entre los electrodos es de 3 mm/kV. Esta longitud no debe ser socavada en ningún caso. Cuanto mayor es el potencial eléctrico, más partículas se depositan, y estas partículas depositadas son propensas a formar dendritas. Las dimensiones de los electrodos se eligieron para que se puedan utilizar componentes estándar fácilmente disponibles. Los diseños de sensores similares conocidos por los autores utilizaron las siguientes dimensiones para un sensor plano: 9 mm de ancho, 2 mm de largo, 1 mm de espacio y 15 mm de largo, con un diámetro de 8,5 mm y un espacio de 1,3 mm para un diseño cilíndrico12,13. Además, se debe garantizar que el sensor se pueda fabricar a mano en un taller normal. Un espacio de 1 mm es el espacio mínimo absoluto que aún permite que el sensor se limpie manualmente. Aquí, 1 kV se utilizó como un buen compromiso de seguridad y deposición eficiente de partículas, así como la disponibilidad de fuentes de voltaje en este rango.
Electrodos
Dado que la distancia exacta de 1 mm entre los electrodos del sensor es tan crucial para el rendimiento, se puede realizar aún más trabajo de desarrollo en este paso. Por ejemplo, el accesorio impreso en 3D se puede hacer aún más preciso, o se puede usar un torno en lugar de un simple cortador de tuberías para cortar y desbarbar, si el equipo está disponible. Otra opción es usar una sierra en lugar de un cortador de tubos. En este caso, los bordes de la sierra deben ser molidos después. Este método causa menos deformación que el cortador de tubos, pero lleva más tiempo. En comparación con el pegamento epoxi, la silicona da a los cables más espacio para moverse, y se vuelve más fácil reespaciar los electrodos. Sin embargo, dado que los cables tienen más espacio para moverse, es más difícil sellar el sensor. En lugar de la abrazadera de vacío, que es más fácil de abrir a la vez, también es factible un diseño hecho por uno mismo. Aquí, solo los orificios para algunos tornillos y una cavidad para el cable de sellado deben modificarse en el diseño 3D.
MFC
El MFC determina qué cantidad de aerosol se aspira a través del sensor; el resto debe poder drenarse a través de un desbordamiento con un filtro HEPA colocado al final del desbordamiento, para evitar la contaminación de la habitación. Al elegir una bomba menos costosa en lugar de una MFC, las fluctuaciones de flujo más altas influirán negativamente en la señal del sensor.
Puente de dilución
Como se ve en la Figura 9, se puede construir un puente de dilución con una válvula de aguja simple paralela a uno o más filtros HEPA. Otros diseños incluyen un pequeño tornillo para apretar el tubo en lugar de la válvula de aguja. Este diseño tiene la ventaja de que el tubo se puede limpiar más fácilmente. Cuantas más bobinas tenga tal tornillo, más fina será la concentración que se puede ajustar. Esto es especialmente importante para las mediciones de calibración, donde se debe evitar la alta dinámica.
Multímetro de banco
El multímetro de banco mide un voltaje, que debe dividirse por el valor de la resistencia interna para obtener el valor de corriente correcto. Dependiendo del rango de medición elegido (por ejemplo, 100 V), este valor de resistencia interna puede variar (por ejemplo, 1 MΩ). Es importante seleccionar un rango definido para que el valor de resistencia interna sea el mismo para todos los valores medidos. Si se elige "rango automático", también se debe realizar un seguimiento del valor de resistencia interna.
Solución de problemas
Impresora 3D
Si la impresora se detiene, se debe revisar el tanque para detectar residuos de la última impresión; La batidora a menudo se atasca. Uno debe observar los primeros minutos del proceso de impresión. Si está obstruida, es porque no se ha configurado la segmentación de datos correcta o porque la impresión nueva no se ha almacenado en condiciones de protección UV antes del posprocesamiento. En la configuración de la segmentación de datos, ningún punto de soporte debe obstruir el canal de flujo y el espacio entre los electrodos, y el cuadro de estructuras de soporte interno debe desactivarse antes de enviar el archivo a la impresora.
Fuente de aerosol + puente de dilución
Si la fuente de aerosol parece inestable, se deben revisar todos los filtros HEPA para asegurarse de que estén en la posición correcta y no estén obstruidos. Además, el generador de aerosol, así como el instrumento de referencia, deben revisarse para asegurarse de que hayan terminado su fase de calentamiento.
Sensor
Las fallas más comunes son causadas por una conexión insuficiente de la fuente de alimentación, una fuga de aire en el sensor o cuando las partículas depositadas forman puentes de hollín entre los electrodos. Primero, el sensor se abre para verificar si se han formado puentes de hollín entre los electrodos. La fuente de alimentación debe estar apagada antes de desconectar los cables del sensor y abrir el sensor. Los puentes de hollín son fácilmente visibles a simple vista y se pueden quitar con poco esfuerzo. Para eliminar los puentes de hollín, es mejor usar un paño de limpieza óptico o un hisopo de algodón sin pelusa.
Una fuga que cambia el comportamiento del flujo en el sensor, así como un voltaje más bajo en los electrodos, pueden cambiar la señal del sensor. No es posible decir de antemano cuál de estos problemas es responsable de una respuesta inesperada del sensor. Por lo tanto, es importante verificar tanto la estanqueidad como la estabilidad del voltaje de la siguiente manera. En primer lugar, se comprueba la conexión del cable a los electrodos (paso de protocolo 4.4). A continuación, se verifica la fuente de voltaje para ver si está entregando los voltios esperados. Una fuga de aire se identifica mejor con el aerosol de fuga. Además de esto, la estanqueidad también se puede verificar con una bomba de vacío, como se describe en el paso del protocolo 4.4.2.
Limitaciones
La limitación de un sensor electrostático está bien descrita por Maricq et al.14. En su trabajo, enfatizan la importancia de una fuente de voltaje estable y un flujo de sensor estable para el rendimiento del sensor. Por esta razón, siempre se debe usar una configuración con un MFC o una bomba para el control de flujo, como se describe en la Figura 10. Además, el sensor necesita más tiempo para alcanzar el equilibrio durante la primera prueba. En experimentos posteriores, donde una población estable de dendritas se ha asentado en los electrodos, la cantidad de tiempo para poner en marcha el sensor se reduce. Sin embargo, debe tenerse en cuenta en general que el sensor siempre necesita un tiempo de inicio para entrar en funcionamiento dependiendo de la concentración inicial.
A diferencia de un diseño plano, como en Bilby et al., la deriva del sensor no es un problema importante en esta disposición cilíndrica12. Sin embargo, los cambios rápidos de concentración a bajas concentraciones de partículas siguen siendo difíciles de detectar con el sensor. Como indican Diller et al. y Maricq et al., para una señal de medición significativa, el valor medido se promedia durante 2-10 min, dependiendo de cuánto cambie el flujo en el experimento14,15.
Con una pendiente de 2,8 nAm3/mg y una desviación estándar de ±1,4 nA, la desviación de la línea de regresión en la Figura 11 es alta. Para una mejor comprensión de la precisión del sensor, se recomienda la comparación de varios experimentos. Para experimentos repetidos, la pendiente representa 3,5 nAm 3/mg con una desviación estándar de ±1,0 nA, y 4,9 nAm3/mg con una desviación estándar de ± 0,6 nA. Además, el sensor dará una lectura muy alta en el momento en que se encienda la fuente de voltaje. Este valor inicial se filtra de los datos de medición.
La ventaja del método presentado aquí radica claramente en la simplicidad, pero también en las posibilidades versátiles para adaptar la forma del sensor a diferentes necesidades. Por lo tanto, además del hollín, el sensor puede detectar una gran variedad de partículas cargadas y es adecuado para una amplia gama de aplicaciones, por ejemplo, la detección de partículas de centrales eléctricas, incendios forestales, industrias y automóviles. Este documento debería ser un incentivo para que agencias, empresas, equipos de investigación, científicos ciudadanos y cualquier persona interesada en la detección de partículas reproduzca este sencillo manual de construcción de sensores y construya su propio detector de partículas.
Disclosures
El autor trabaja para Silicon Austria Labs y es estudiante de la Universidad Técnica de Graz. No hay otros conflictos de intereses que declarar.
Acknowledgments
Este trabajo fue financiado por el Centro COMET "ASSIC-Austrian Smart Systems Integration Research Center". ASSIC está cofinanciado por BMK, BMDW y las provincias austriacas de Carintia y Estiria dentro del programa COMET-Competence Centres for Excellent Technologies de la Agencia Austriaca de Promoción de la Investigación (FFG).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Equipment | |||
| 3D printer | Formlabs | Formlabs 3 | |
| Aerosol Mixer | ESSKA | 304200812095 | 95 mm, diameter 8 mm |
| Aerosol soot generator | Jing Aerosol | Model 5201 Type C miniCAST | |
| Benchmultimeter | Keysight | KEYSIGHT 34465A, 0 - 100 V range, 1 MΩ internal resistance | |
| Dilution Bridge | Custom built | Needel valve and HEPA filter in parallel | |
| High voltage power supply | Stanford Research Systems | PS350, 5000 V - 25 W | |
| Mas flow controller | Vögtlin | GSC-C3SA-BB26 | Red-y for gas flow, flow range: 0-10 L/min |
| Refence Instument | AVL | MSSplus - AVL Micro Soot Sensor | |
| Material | |||
| Aerosol tygon tubes | Saint Gobain Fluid Transfer | AAG00012 | Diameter 7 mm |
| Bidirectional flow control valves series RFO | CAMOZZI | RFO 383-1/8 | P max 10 bar |
| Connector reduced with barbed fitting | ESSKA | IQSG120H6000 | |
| Copper tube 12 mm | Obi | 1996602 | Diameter 12 mm |
| Copper tube 18 mm | Obi | 1499441 | Diameter 18 mm |
| Copper tube 22 mm | Obi | 1996628 | Diameter 22 mm |
| Cotton swab | Chemtronics | 48042F | 50 m, 1 mm tip |
| Epoxy glue | RS components | 132605 | RS quick set epoxy |
| Hepa Nylon Einweg-Inline-Filter | Parker | 9933-05-BQ | Flüssigkeit 5.4SCFM 1/4Zoll, mit G1/4 Anschluss 8,1 bar |
| Isolated electrical cable | Nexans | Diameter 2 mm, two different colors red and black | |
| Photopolymer Resin | Formlabs | 851976006196 | 1 L Cartridge - Transparent (Clear) |
| Soldering tin | Stannol | 574108 | |
| Tefen polymer Y - fitting | TEFEN | TEF-8357-06-00 | |
| Thermal protection gloves | As One | ||
| Vacuum clamp | MISUMI | FRNWC40 | Clamp |
| Vacuum seal | MISUMI | FRNWR40 | Centering ring with O-ring seal |
| Tool | |||
| Caliper | Starrett | DW990 | |
| Deburrer | Ruko | ||
| Gloves | BM Polyoo | ||
| Isopropanol bath | Formlabs | FK-F3-01 | Form 3 finish kit |
| PCB vice | RS components | 221-7531 | |
| Pipe cutter | Rigid | 35S | |
| Safety goggles | 3M | ||
| Sand paper | Mirka | Different sandpaper thicknesses 40 - 200 | |
| Soldering station | Ersa | Ersa i-CON 2, 400 °C, 2.2 mm soldering rod | |
| Straight grainder | Dremel | F013400046 | Dremel 4000 |
| UV Hardening device | Formlabs | FH-CU-01 | Form cure |
| Vacuum pump | Mityvac | MV8000 | Automotive Tune-up and Brake Bleeding Kit |
| Vise | Proxxon | NO 28 132 | MS4, Jaw height 10 mm, Max. Clamping width 34 mm |
| Wire cutter | KNIPEX | 7712115 | |
| Software | |||
| MFC software | Vögtlin | Get red-y | |
| Reference Instument Software | AVL | Supplied with the device: MSSplus | |
| Slicer software | Formlabs | Preform Download Link: https://formlabs.com/de/software/ |
References
- World Health Organization. Health Effects of Particulate Matter: Policy Implications for Countries in Eastern Europe, Caucasus and Central Asia. World Health Organization. , (2013).
- Giechaskiel, B., et al. Review of motor vehicle particulate emissions sampling and measurement: From smoke and filter mass to particle number. Journal of Aerosol Science. 67, 48-86 (2014).
- Giechaskiel, B., et al. Measurement of automotive nonvolatile particle number emissions within the European legislative framework: a review. Aerosol Science and Technology. 46 (7), 719-749 (2012).
- Bainschab, M., et al. Measuring sub-23 nanometer real driving particle number emissions using the portable DownToTen sampling system. Journal of Visualized Experiments. (159), e61287 (2020).
- Wang, X., et al. A novel optical instrument for estimating size segregated aerosol mass concentration in real time. Aerosol Science and Technology. 43 (9), 939-950 (2009).
- Axmann, H., Bergmann, A., Eichberger, B. Measurement of ultrafine exhaust particles using light scattering. 2013 Seventh International Conference on Sensing Technology (ICST). IEEE. , 937-941 (2013).
- Bermúdez, V., Luján, J. M., Serrano, J. R., Pla, B. Transient particle emission measurement with optical techniques. Measurement Science and Technology. 19 (6), 065404 (2008).
- Michelsen, H. A., Schulz, C., Smallwood, G. J., Will, S. Laser-induced incandescence: Particulate diagnostics for combustion, atmospheric, and industrial applications. Progress in Energy and Combustion Science. 51, 2-48 (2015).
- Giechaskiel, B., Cresnoverh, M., Jörgl, H., Bergmann, A. Calibration and accuracy of a particle number measurement system. Measurement Science and Technology. 21 (4), 045102 (2010).
- Kulkarni, P., Baron, P. A., Willeke, K. Aerosol Measurement: Principles, Techniques, and Applications. , Wiley. Hoboken, NJ. (2011).
- Agarwal, J. K., Sem, G. J. Continuous flow, single-particle-counting condensation nucleus counter. Journal of Aerosol Science. 11 (4), 343-357 (1980).
- Bilby, D., Kubinski, D. J., Maricq, M. M. Current amplification in an electrostatic trap by soot dendrite growth and fragmentation: Application to soot sensors. Journal of Aerosol Science. 98, 41-58 (2016).
- Warey, A., Hall, M. J. Performance characteristics of a new on-board engine exhaust particulate matter sensor. SAE Transactions. 114 (14), 1489-1497 (2005).
- Maricq, M. M., Bilby, D. The impact of voltage and flow on the electrostatic soot sensor and the implications for its use as a diesel particulate filter monitor. Journal of Aerosol Science. 124, 41-53 (2018).
- Diller, T. T., Hall, M. J., Matthews, R. D. Further development of an electronic particulate matter sensor and its application to diesel engine transients. SAE Technical Paper. , (2008).
