Summary
Här presenterar vi ett protokoll för hur man bygger och testar en enkel men effektiv billig partikeldetektor.
Abstract
Eftersom partiklar med en storlek på 1 μm eller mindre utgör en allvarlig hälsorisk för människokroppen är detektion och reglering av partikelutsläpp av stor betydelse. Transportsektorn släpper ut en stor del av partikelutsläppen. De flesta kommersiellt tillgängliga partikeldetektorer är skrymmande, mycket dyra och behöver ytterligare utrustning. Detta dokument presenterar ett protokoll för att bygga och testa en fristående partikeldetektor som är liten och kostnadseffektiv.
Fokus för detta dokument ligger i beskrivningen av den detaljerade konstruktionshandboken med video och sensorutvärderingsproceduren. Den datorstödda designmodellen av sensorn ingår i tilläggsmaterialet. Handboken förklarar alla konstruktionssteg, från 3D-utskrift till den fullt fungerande sensorn. Sensorn kan detektera laddade partiklar och är därför lämplig för ett brett spektrum av applikationer. Ett möjligt användningsområde skulle vara sotdetektering från kraftverk, bränder, industrier och bilar.
Introduction
Inandning av partiklar med en storlek på 1 μm eller mindre utgör en hög risk för negativa hälsoeffekter på människokroppen. Med ökande miljöföroreningar från förbränningsprocesser växer andningssjukdomar i befolkningen 1,2,3. För att främja hälsa och motverka föroreningar är det nödvändigt att först identifiera föroreningskällorna och kvantifiera graden av förorening. Detta kan göras med befintliga partikeldetektorer. Dessa är dock stora och mycket ofta alldeles för dyra för privata eller medborgarvetenskapliga ändamål.
Många av de kommersiellt tillgängliga partikeldetektorerna är skrymmande, mycket dyra och kräver ytterligare utrustning för att kunna användas4. De flesta av dem behöver också flera aerosolkonditioneringssteg. Till exempel behövs utspädning för detektorer som använder ljusspridning som mätprincip, och mätområdet begränsas av våglängden 5,6,7. Partikeldetektorer som använder laserinducerad glödlampa som detektionsprincip behöver både högenergilaserkällor och ett energikrävande kylsystem8.
Partikeldetektorer som använder kondenspartikelräknare används normalt som guldstandard för partikelkoncentrationsmätning; Dessa behöver förkonditionering, utspädning och arbetsvätskor (t.ex. butanol)9,10,11. Fördelarna med en elektrostatisk sensor ligger i den enkla och kompakta designen och de låga tillverkningskostnaderna. I jämförelse med kondenspartikelräknare måste dock betydande avdrag göras med avseende på noggrannhet.
En elektrostatisk sensor representerar ett alternativ till dessa metoder. Elektrostatiska sensorer kan vara robusta, lätta, billiga att tillverka och kan användas utan övervakning. Den enklaste formen av en elektrostatisk sensor är en parallellplattkondensator med ett högt elektriskt fält mellan dess plattor. När aerosol transporteras in i högspänningsområdet mellan de två kopparelektroderna avsätts naturligt laddade partiklar på elektroderna med olika polaritet12 (figur 1).
Dendriter bildas på elektrodernas yta i riktning mot fältlinjerna för den applicerade högspänningen mellan elektroderna och laddas via kontaktladdning. Fragment av dessa dendriter bryter så småningom av elektroderna och deponeras på elektroden med motsatt polaritet och överför deras laddning. Dessa fragment bär ett stort antal laddningar. Eftersom elektroden är jordad genererar den avsatta laddningen en ström som leder till ett spänningsfall vid bänkmultimeterns inre motstånd. Ju oftare detta händer per tidsenhet, desto högre ström och följaktligen desto högre spänningsfall (figur 2).
På grund av den höga spänning som induceras av fragmentens laddningsavsättning behövs ingen ytterligare förstärkarelektronik. Bildandet av dendritnedbrytningspartiklar och den efterföljande laddningsfrisättningen av dessa partiklar representerar en naturlig signalförstärkning12. Den resulterande sensorsignalen är proportionell mot partikelmasskoncentrationen. Denna signal kan detekteras med en multimeter från hyllan.
Figur 1: Sensorscheman. Aerosol strömmar in i aerosolinloppet, förökas genom den vänstra flödeskanalen och når sedan gapet mellan högspänningselektroden (inre elektroden) och mätelektroden (yttre elektroden). Där bidrar partiklarna till dendrittillväxt och, som tidigare förklarats, nedbrytning, vilket genererar sensorsvaret. Därefter strömmar partiklarna vidare genom den högra flödeskanalen och lämnar sensorn vid aerosolutloppet. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 2: Fysisk princip. Positivt och negativt laddade partiklar, såväl som neutrala partiklar, kommer in i gapet mellan elektroderna med motsatt polaritet. De avleds av de elektriska fältlinjerna till elektroden med motsatt polaritet och deponerar sin laddning där. Sedan blir de en del av en dendrit och tar över laddningen av respektive elektrod. Fälttätheten är högst vid dendritspetsen, där fler partiklar fångas in. När dragkraften överstiger bindningskrafterna bryts segment av dendriterna, som i sin tur slår motsatt elektrod och deponerar sina laddningar. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Med en cylindrisk konstruktion, som i Warey et al.10, kan sannolikheten för att sotbroar bildas minimeras. Ytterligare information om sensorgeometri, applicerad spänning, gasflödeshastighet och partikelkoncentration finns där. De föreslår korrelation mellan sensorsignalen och partiklar som strömmar genom sensorn (ekvation 1).
Sensor (V) = 5,7 × 10-5 C V 0 e0,62V × 
(1)
C är masskoncentrationen av partiklarna, V0 är den applicerade spänningen, V är avgashastigheten, L är elektrodlängden och S är elektrodgapet13.
Bilby et al. fokuserade på den detaljerade studien av den underliggande fysiska effekten av den elektrostatiska sensorn9. Dessa studier inkluderade en optiskt tillgänglig inställning och en kinetisk modell för att förklara signalförstärkningen av den dendritbaserade sensorn (se ekvationerna 2 och 3).
(2)
(3)
S representerar en stapel sotskivor med 10-100 sotagglomerat med en storlek på 50-100 nm; D n representerar en dendrit medn skivor; Br betecknar ett avbrytarfragment bestående av f-skivor; S och ki är hastighetskonstanter12.
Detta dokument presenterar ett protokoll för hur man bygger och testar en enkel men effektiv billig partikeldetektor som kan användas för höga partikelkoncentrationer utan ytterligare utrustning. Tidigare arbete med denna typ av elektrostatiska sensorer har mest fokuserat på avgasmätningar. I detta arbete används laboratoriegenererade sotpartiklar som testaerosoler. Den beskrivna sensorn är baserad på "tidigare arbete från Warey et al. och Bilby et al12,13.
Sensorkroppen består av en stereolitografibaserad 3D-tryckt kropp, koaxialelektroder skurna från kopparrör, en vakuumpackning och en vakuumklämma. Material som vakuumpackning, kabel, kopparrör och 3D-harts för en sensor kostar mindre än 40 euro. Den extra utrustning som behövs är en högspänningskälla, en USB-bänkmultimeter och en lödstation. För att utvärdera sensorn krävs också en definierad aerosolkälla och ett referensinstrument en gång (se materialförteckning). Storleken på sensorn som beskrivs i detta protokoll är 10 cm x 7 cm. Denna storlek valdes specifikt för experimentet och kan fortfarande minskas avsevärt (se modifieringar/sensordimensioner i diskussionen).
Detta protokoll beskriver hur man bygger, testar och använder en enkel billig partikelsensor. En schematisk bild av protokollet visas i figur 3 - som börjar med 3D-utskriften av sensorskrovet och elektrodtillverkningen, monteringen av sensorn samt testning och ett exempel på fälttillämpning av sensorn.
Figur 3: Schematisk för metoden. Protokollet är uppdelat i fyra huvudsteg. Först skrivs alla delar till sensorhuset ut. Därefter tillverkas elektroderna. I det tredje steget monteras det 3D-printade sensorhuset med elektroderna och vakuumpackningen. I det sista steget utvärderas sensorns prestanda. Klicka här för att se en större version av denna figur.
De viktigaste stegen i 3D-utskriftsprocessen visas i figur 4. Först väljs rätt skivinställningar för utskriften. Därefter diskuteras de viktigaste delarna av utskriften och förbehandlingen av den 3D-printade modellen. För detta steg behövs en harts 3D-skrivare med ett isopropanolbad och UV-härdningsanordning och en rak kvarn.
Figur 4: Schematisk bild av 3D-utskrift. (A) Utsnittets 3D-modell avbildas; (B) skrivaren under utskriftsprocessen. Efterbehandlingssteg: (C) spolning och (D) UV-härdning. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 5 visar de viktigaste stegen i elektrodtillverkningen: formformningen av elektroderna samt lödningen av kontakten till elektroderna. För detta steg behövs två kopparrör med olika diametrar, en bromsok, en rörskärare, en rak kvarn, en skruvstycke, en lödstation och lödtenn, isolerade kablar med två olika färger, termiska skyddshandskar och en trådskärare.
Figur 5: Elektrodtillverkning. (A) Mätning, (B) skärning, (C) gradning och (D) lödning av elektroderna. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Monteringsavsnittet i protokollet förklarar hur sensorn monteras. De viktigaste sensordelarna visas i figur 6, nämligen den yttre elektrodhållaren, flödeskanalen och den inre elektrodhållaren. Figur 7 visar de viktigaste stegen i sensorenheten. För detta steg behövs epoxilim, skyddskläder, vakuumtätning, vakuumklämma, skyddsglasögon och handskar.
Figur 6: Sensordelar . (A) den yttre elektrodhållaren, (B) flödeskanalen och (C) den inre elektrodhållaren. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Bild 7: Sensormontering. Alla steg i sensorenheten visas. A-E visar monteringen av ena halvan av sensorn. (A) Den inre elektrodhållaren är limmad på flödeskanalen. (B) Den inre elektroden placeras på den inre elektrodhållaren. (C) Den yttre elektroden placeras i den yttre elektrodhållaren. (D) Den yttre elektrodhållaren limmas på flödeskanalen + den inre elektrodhållarenheten. (E) Vakuumtätningen snäpper fast i den yttre elektroden på den ena sensorhalvan och snäpper sedan in i (C), den identiska andra yttre elektroden på den andra sensorhalvan. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Testavsnittet förklarar hur du ställer in experimentet för att jämföra den nybyggda sensorn med ett referensinstrument. För detta steg behövs en bänkmultimeter, vakuumpump, högspänningsförsörjning, aerosolgenerator, utspädningsbro, aerosolrör, Y-koppling, en massflödesregulator (MFC), en aerosolblandare, ett referensinstrument och en bomullspinne.
Protocol
1.3D utskrift
- Inställningar för utsnitt
- Öppna alla ".stl"-filer med utsnittsprogramvaran och placera sensordelarna på plattformen (se Kompletterande fil 1, Kompletterande fil 2, Kompletterande fil 3, Kompletterande fil 4, Kompletterande fil 5 och Kompletterande fil 6).
- För ett bra utskriftsresultat, luta alla delar i förhållande till plattformen.
- Generera stödpunkter med en densitet på 0,8 och en punktstorlek på 0,4 mm.
- Välj Clear V4 med en skikttjocklek på 50 μm.
- Börja skriva ut.
- Ladda upp utsnittets utdatafil på 3D-skrivaren.
- Leta efter utskriftstid och hartsvolymer som visas på skärmen. Sätt i den genomskinliga V4-tanken och hartspatronen, fäst monteringsplattformen och öppna patronlocket. Tryck på Start på skrivaren.
- Omedelbar efterbehandling
- När utskriften är klar öppnar du skrivaren och tar bort monteringsplattformen.
OBS: Detta steg kan endast fördröjas om det är säkert att modellen kommer att stanna under skrivarens UV-skyddsskärm (se kritiska steg/efterbehandling av utskrift i diskussionen). - Skala försiktigt alla delar från plattformen och placera dem i ett isopropanolbad.
- Flytta delarna hela tiden i 20 minuter.
- Ta ut delarna var 5: e minut och spola alla små luckor och hål noggrant.
- När utskriften är klar öppnar du skrivaren och tar bort monteringsplattformen.
- UV-härdning
- Torka delarna innan härdningsprocessen påbörjas.
- Spola alla små luckor och hål med tryckluft.
- Placera delarna i UV-härdningsanordningen och härda dem i 50 minuter vid 40 °C.
OBS: Denna inställning skiljer sig från tillverkarens rekommenderade torktid och temperatur (se kritiska steg/efterbehandling av utskrift i diskussionen).
- Efterbehandling
- Kontrollera att alla håligheter och hål är öppna.
- Om en bana är igensatt, borra eller skrapa den med den raka kvarnen.
- Kontrollera att alla tryckta delar passar ordentligt och att kopparrören kan sättas in. Om de inte kan, slipa ner dem.
2. Tillverkning av elektroder
- Mät 9 mm från toppen av kopparrören på 18 mm och 22 mm och markera dessa positioner.
- Skär rören med rörskäraren vid markeringarna.
OBS: Se till att inte använda för mycket kraft under processen. Det tar flera varv att skära igenom rören (se kritiska steg/elektrodtillverkning i diskussionsavsnittet). - Avgrada kopparringen försiktigt. Lägg inte för mycket tryck på kopparringen under gradning och försök att inte repa elektrodytan.
OBS: Detta är en mycket kritisk del och påverkar sensorns prestanda (se kritiska steg / elektrodtillverkning och modifieringar / elektroder i diskussionsavsnittet). - Lödning av elektroder
- Löd den röda kabeln till den inre kopparringen (18 mm) och den svarta kabeln till den yttre kopparringen (22 mm).
- Polera kopparringen för att bli av med det oxiderade kopparskiktet på ytan.
- Kläm fast ringen i ett skruvstycke.
- Förtenna både kopparringen och kabeln och löd kabeln till ringen.
VARNING: På grund av lödningen värms kopparelektroderna upp till 400 °C. Rör endast elektroderna med pincett och använd termoskyddshandskar.
3. Montering
- Blanda de två komponenterna i epoxilimet i en bricka.
OBS: Det är mycket viktigt att använda transparent lim för att skilja mellan sotbroar och härdat lim.
VARNING: Arbeta under dragskåp, använd skyddskläder (särskilt handskar) och rengör arbetsytor. Ytterligare säkerhetsanvisningar finns i säkerhetsdatabladet. Hälsorisk: "Skin Corr. 1C - H314 Eye Dam. 1 - H318 Hud Sens. 1 - H317". - Stick in den inre elektrodhållaren i flödeskanalen och vänta 60 minuter tills limmet härdar (figur 7A).
- Placera den inre elektrodringen (18 mm) på hållaren och led kabeln genom kabelkanalen (bild 7B).
OBS: Se till att det finns tillräckligt med utrymme för lödpunkten. - Placera distansen runt den inre elektroden.
OBS: Detta är ett mycket kritiskt steg. Om avståndet mellan elektroderna inte är exakt 1 mm överallt i hela sensorn kan det elektriska fältet, och därefter sensorns prestanda, påverkas (se kritiska steg/elektrodtillverkning i diskussionen). - Placera den yttre elektrodringen (22 mm) på hållaren och mata kabeln genom kabelkanalen (bild 7C).
- Limma fast den yttre elektrodhållaren på flödeskanalen. Sätt in distansen i gapet mellan de två kopparelektroderna. Vänta 60 minuter tills limet härdar (bild 7D).
- Försegla alla kabelkanaler med epoxilim. Vänta över natten tills limet härdar.
- Sätt in vakuumtätningen i den tryckta ventilen på den yttre elektroden. Sätt in de två sensorsidorna i varandra och fäst dem med vakuumklämman (figur 7E,F).
4. Tester
- Öppna sensorns vakuumklämma.
- Dra isär de två halvorna av sensorn och ta bort tätningen.
- Därifrån rör du elektrodringen med en multimetersondspets och änden av kabeln som leder till elektroden med den andra multimeterspetsen.
- Förtester
- Testa elektrodens och kabelns elektriska anslutning med multimetern. Kontrollera om motståndet är <2 Ω (beroende på oxidationsnivån).
- Anslut slangen till aerosolinloppet och utloppet och testa om sensorn är lufttät med vakuumpumpen.
- Parallellt experiment
- Bygg sensorinställningen enligt figur 8.
- Anslut högspänningsströmförsörjningen till den röda sensorkabeln (högspänningselektroden).
- Anslut den svarta sensorkabeln till bänkens multimeterspänningsingång.
- Anslut elektrometerns jord (GND) med strömförsörjningen GND.
- Anslut multimeter USB-kabeln till datorn.
- Införliva sensorn i aerosolmätningsinställningen. enligt figur 9.
- Aerosol generator
- Gastillförsel: Slå på mantelflödet, kväve och propantillförsel (tryck behövs: kväve, 4 bar; andra gaser, 1 bar vardera).
- Strömkälla: Anslut 24 V-källkabeln för de inbyggda MFC: erna och anslut USB till datorn.
- Programvara: öppna MFC-programvaran och sätt in rätt COM-portnummer. Sök efter enheter: Om fem enheter visas (för fem olika MFC:er) klickar du på Stoppa sökning. Ange startförhållandena enligt aerosolgeneratorns bruksanvisning: 10 ml/min propan, 1,55 l/min oxidationsluft, 7 l/min utsläckningsgas, 20 l/min utspädningsluft.
- Starta aerosolgeneratorn (se Materialförteckning) genom att vrida ON-OFF-ratten. När ratten slås på lyser kväveindikatorn, vilket indikerar att alla flödesvägar är öppna. Håll i flamsäkerhetsanordningen och tryck på tändknappen på aerosolgeneratorn; observera en låga i förbränningskammarens fönster. Lossa flamsäkerhetsanordningen efter ~ 60 s mycket långsamt.
- Ange följande massflöden: 60 ml/min propan, 1,55 l/min oxidationsluft, 7 l/min kväve (utsläckning) och 20 l/min utspädningsluft för att ställa in rätt parametrar för storleksfördelning.
VARNING: Anslut generatorn till resten av installationen endast om mätningar ska göras inom de närmaste minuterna; Annars kommer filtren på utspädningsbryggan att täppa till snabbt.
- Anslut utspädningsbryggan till aerosolgeneratorn. Koppla bort den igen och avled aerosolflödet till dragskåpet tills experimentet börjar. Se till att utspädningsbryggan är stängd innan du startar experimentet.
- Anslut utspädningsbryggans utlopp till aerosolblandarens inlopp.
- Anslut aerosolblandarens utlopp 2 (se figur 9E) till sensorns inlopp.
- Inkorporera MFC.
- Anslut ett högeffektivt partikelabsorberande filter (HEPA) till sensoruttaget och anslut sensoruttaget till MFC-inloppet.
- Anslut MFC: s strömförsörjning och anslut USB till datorn.
- Öppna MFC-programvaran och ange rätt COM-portnummer.
- Sök efter enheter.
- Klicka på sluta söka?.
- Mata in massflödet som 1 l/min.
- Referensinstrument (se Materialförteckning)
- Anslut LAN-kabeln till datorn och öppna en anslutning till IP-adressen för referensinstrumentet i webbläsaren för att öppna ett Java-program för att styra referensinstrumentet.
- I referensinstrumentets styrprogramvara trycker du på lås resurser | Stå redo att starta pumpen.
OBS: Uppvärmningsprocessen tar ~ 20 min. - Efter uppvärmningsfasen klickar du på mätning för att mäta aerosolen som kommer in i referensinstrumentet.
- Välj en utspädningsfaktor på 1:10 på referensinstrumentet.
- Använd en y-koppling för att ansluta aerosolblandarens utlopp 1 (se figur 9D) och utspädningsluftens flöde till y-kopplingens delade ände (se figur 9C) och anslut y-kopplingens ena ände till referensinstrumentets inlopp.
OBS: Dessa två flöden kombineras sedan i den enda änden av y-kopplingen.
- Start av experimentet
- Anslut aerosolgeneratorn till utspädningsbryggan igen och se till att utspädningsbryggan är stängd.
- Klicka på mått på referensinstrumentet.
- Öppna långsamt utspädningsbryggan tills önskad aerosolmasskoncentration på 3-5 mg/m3 har uppnåtts och börja logga data på referensinstrumentet.
- Observera referensinstrumentets partikelmasskoncentration. När aerosolkällan är stabil, slå på sensorns strömförsörjning vid 1 000 V och börja logga data.
OBS: Om koncentrationen inte är stabil, se felsökning i diskussionsavsnittet.
- Samla in data från bänkmultimetern med ett läskommando på konsolen eller ett automatiserat skript.
OBS: När sensorströmmen stabiliserats (cirka 5 min) är det möjligt att jämföra referensinstrumentet med sensorströmmen.
VARNING: Om sensorströmmen ökar snabbt över 10-7 A (motsvarande 0,1 V med ett internt motstånd på 1 MΩ), stäng av högspänningskällan (se felsökning i diskussionsavsnittet). - Parallell mätning: När sensorn når jämvikt, mät en koncentrationsgradient i steg från 5 mg/m 3 till 0,2mg/m 3genom att justera utspädningsbryggan därefter.
Anmärkning: När högre koncentrationer används måste utspädningsfaktorn för referensinstrumentet ökas.
- Bygg sensorinställningen enligt figur 8.
- Rengör givaren med tryckluft och en pinne före varje ny mätning.
5. Fälttillämpning
- Bygg sensorinställningen enligt figur 8.
- Anslut högspänningsströmförsörjningen till den röda sensorkabeln (högspänningselektrod).
- Anslut den svarta sensorkabeln till bänkens multimeterspänningsingång.
- Anslut elektrometern GND med strömförsörjningen GND.
- Anslut multimeter USB-kabeln till datorn.
- Införliva sensorinställningen i den nya mätinställningen, enligt figur 10, och anslut aerosolkällan till sensorn.
- Dela upp den utströmmande partikelströmmen från aerosolkällan i väg A) sensorinställning och bana B) ventilation.
- MFC eller pump: Använd en MFC för att skicka provet genom sensorn.
- Använd ett HEPA-filter uppströms MFC. Anslut MFC: s strömförsörjning och anslut USB till datorn.
- Följ steg 4.5.8 för parallell mätning.
- Start av fältförsök: Se till att aerosolkällan är ansluten till sensoringången.
- Slå på sensorns strömförsörjning och börja logga data.
Bild 8: Sensorinställning. Ett diagram över sensorinställningen. Aerosol strömmar genom sensorn. Sensorn är ansluten till voltmätaren och en högspänningsförsörjning. Voltmätaren styrs av en styrenhet som loggar sensordata. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 9: Experimentell plan för sensorutvärdering. En stabil aerosolkälla används för att efterlikna en partikelkälla. Den utströmmande partikelströmmen delas upp i bana (A), sensorinställning; och bana (B), ventilation, går in i utspädningsbryggan och distribueras vidare till en aerosolblandare. Efter blandaren delas aerosolströmmen mellan en referensinstrumentväg (D), som mäter parallellt med sensorn. Detta referensinstrument behöver utspädningsluft, som fördelas genom bana (C). Bana (E): en MFC drar luft genom sensorn. Denna MFC är skyddad från aerosolströmmen med ett HEPA-filter. Förkortningar: MFC = massflödesregulator; HEPA-filter = högeffektivt partikelabsorberande filter. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 10: Fälttest: försöksplanen. I denna inställning mäts en aerosolkälla. Den utströmmande partikelströmmen delas upp i väg A) sensorinställning och väg B) ventilation och går sedan in i sensorn. I denna inställning suger en MFC med ett HEPA-filter uppströms aerosolen genom sensorn. Förkortningar: MFC = massflödesregulator; HEPA-filter = högeffektivt partikelabsorberande filter. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Representative Results
Den exakta korrelationen mellan sensorsignalen och partikelmassan varierar beroende på partikelladdningsfördelning och storleksfördelning samt aerosolsammansättningen. Därför måste sensorn kalibreras till en viss applikation med ett referensinstrument. I det här avsnittet beskrivs hur du jämför den nybyggda sensorn med ett referensinstrument.
Startfasen av sensorn tar cirka 5-10 min, beroende på vald partikelkoncentration. Inom startfasen ökar sensorsignalen avsevärt medan sensorn utsätts för en konstant partikelkoncentration. Efter startfasen stabiliseras sensorsignalen. I det skedet uppnås ett jämviktstillstånd för ackumulering och fragmentering av dendriter och sensorsignalen är då proportionell mot den inkommande sotkoncentrationen. Efter denna initieringsfas är sensorn redo att mäta eventuella förändringar i aerosolkoncentrationen.
Mätdata som visas i figur 11 börjar från det ögonblick som sensorn är i ovan nämnda jämviktstillstånd. För att beräkna sensorströmmen i ampère måste insamlade data i volt divideras med värdet på internt motstånd för att erhålla rätt strömvärde.
Den vertikala axeln visar sensorsignalen i ampère och den horisontella axeln visar aerosolkoncentrationen uppmätt av referensinstrumentet i mg/m3. En linjär passform med dess representativa parametrar ges också i diagrammet. Den höga osäkerheten i uppmätta data beror på den höga dynamiken vid justering av koncentrationen med utspädningsbryggan. De linjära passningsparametrarna är ett R 2-värde på 0,80, en skärningspunkt på -0,53 nA och en lutning på2,80 nAm3/mg med en standardavvikelse på 1,4 nA.
Figur 11: Positiva resultat. Sensorsignalen plottas på den vertikala axeln i ampère, medan partikelkoncentrationen uppmätt av referensinstrumentet i mg/m3 plottas på den horisontella axeln. Dessutom läggs en linjär passform med de viktigaste parametrarna till tomten. De linjära passningsparametrarna är ettR2-värde på 0,80, en skärningspunkt på -0,53 nA och en lutning på 2,80 nAm3/mg. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Det finns också möjlighet att partiklar täpper till vägen mellan elektroderna, i vilket fall ledande sotbroar bildas mellan elektroderna. Eftersom sot är ett ledande material bildar dessa sotbroar en kortslutning mellan elektroderna. Den uppmätta signalen stiger snabbt med ökande tjocklek på den ledande banan, upp till den punkt där spänningen blir så hög att voltmätaren kan skadas. Ett exempel på ett experiment med att bilda sotbroar kan ses i figur 12. Signalen stiger i mycket branta hopp / steg och stannar inte eller planar ut. Dendriter bildas inte längre, och sensorn är inte längre i jämvikt. I detta fall måste högspänningskällan stängas av omedelbart, sensorn måste rengöras och en ny mätning måste startas.
Figur 12: Negativt resultat. En kortslutning har inträffat under mätningen. Sensorsignalen i ampère plottas på den vertikala axeln och mättiden plottas på den horisontella axeln. Sensorsignalen fortsätter att öka utan begränsning. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Om en plan linje visas och sensorströmmen inte stiger alls till ett värde över 1 nA, följ felsökningsanvisningarna i diskussionsavsnittet. Sensorn måste alltid vara i jämviktstillstånd för att mäta den ingående aerosolen exakt; Därför måste en tillräckligt hög initial aerosolkoncentration anges i början av experimentet.
Kompletterande fil 1: Den här filen representerar CAD-filen (computer-aided design) för att skriva ut flödeskanalen som visas i figur 7A med hål för kabeln. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Tilläggsfil 2: Den här filen representerar CAD-filen för att skriva ut flödeskanalen som visas i figur 7A utan hål. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande fil 3: Den här filen representerar CAD-filen för att skriva ut den inre elektrodhållaren som visas i figur 7A. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande fil 4: Den här filen representerar CAD-filen för att skriva ut den yttre elektrodhållaren som visas i figur 7C (höger). Klicka här för att ladda ner den här filen.
Tilläggsfil 5: Den här filen representerar CAD-filen för att skriva ut flödeskanalen utan hål som visas i figur 7C (vänster). Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande fil 6: Den här filen representerar CAD-filen för att skriva ut elektroddistansen. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Discussion
Kritiska steg
Efterbehandling av utskrift
Nästan alla steg i detta protokoll kan pausas eller skjutas upp, förutom efterbehandling av de nytryckta 3D-delarna (protokollsteg 1.5). Om skrivarens UV-skyddsskärm öppnas bör efterbehandlingen påbörjas omedelbart, annars kommer de små kabelkanalerna, liksom hålrummet för tätningen, att täppa till. Kavitetens precisionspassning säkerställer att sensorn kan tätas lufttätt. Detta är viktigt eftersom sensorn är mycket känslig för flödesfluktuationer. Härdningsprocessen är också viktig (protokollsteg 1.4); Om temperaturen är för hög blir materialet för sprött och kan gå sönder under de krafter som klämman utövar på den yttre elektrodhållaren.
Tillverkning av elektroder
Noggrann skärning och gradning (protokollsteg 2.2-2.3) av elektroderna är mycket viktigt eftersom oregelbundenheter i elektrodgapet orsakar störningar i de elektriska fälten och hastighetsfälten, vilket leder till dålig sensorprestanda. I värsta fall kan en stark oregelbundenhet leda till att elektroderna kommer så nära att nedbrytningsspänningen överskrids och en kortslutning uppstår. Från och med denna tidpunkt kan inget uttalande göras om mätsignalen och mätelektroniken är benägen att skadas.
Församling
Montering av sensorn (protokollsteg 3.4-3.6) är avgörande, eftersom detta skapar elektrodgapet. Som nämnts ovan är avståndet mellan elektroderna mycket viktigt; Detta mellanrum måste vara jämnt 1 mm över hela längden. Dessa steg är viktiga eftersom de kan ändra det elektriska fältet i sensorn drastiskt. Det övergripande deponeringsbeteendet, såväl som dendritbildning, kan påverkas av förändringen i det elektriska fältet. Således kan det inte längre garanteras att sensorsvaret är linjärt mot den inkommande aerosolen. Det värsta scenariot för en kortslutning gäller också här.
Ändringar
3D-utskrift
Andra möjliga modifieringar är användningen av olika 3D-utskriftshartser. Det finns många olika hartser på marknaden som kan ändra densiteten, flexibiliteten, temperaturbeständigheten och styrkan hos sensorhuset.
Sensorns mått
Det första designkriteriet för sensorn är en säkerhetskonfiguration. Den dielektriska styrkan hos luft mellan elektroderna är 3 mm/kV. Denna längd får under inga omständigheter underskridas. Ju högre elektrisk potential, desto fler partiklar deponeras, och dessa deponerade partiklar är då benägna att bilda dendriter. Elektrodernas dimensioner valdes så att lättillgängliga standardkomponenter kan användas. Konstruktioner av liknande sensorer som är kända för författarna använde följande dimensioner för en platt sensor: 9 mm bredd, 2 mm längd, 1 mm mellanrum och 15 mm längd, med en diameter på 8,5 mm och mellanrum på 1,3 mm för en cylindrisk design12,13. Dessutom bör det säkerställas att sensorn kan tillverkas för hand i en vanlig verkstad. Ett mellanrum på 1 mm är det absoluta minsta gapet som fortfarande gör att sensorn kan rengöras manuellt. Här användes 1 kV som en bra kompromiss för säkerhet och effektiv partikelavsättning, liksom tillgänglighet av spänningskällor inom detta område.
Elektroder
Eftersom det exakta avståndet på 1 mm mellan sensorelektroderna är så avgörande för prestanda kan ännu mer utvecklingsarbete läggas in i detta steg. Till exempel kan den 3D-tryckta fixturen göras ännu mer exakt, eller en svarv kan användas istället för en enkel rörskärare för skärning och gradning, om utrustningen är tillgänglig. Ett annat alternativ är att använda en såg istället för en rörskärare. I detta fall måste sågens kanter slipas efteråt. Denna metod orsakar mindre deformation än rörskäraren, men tar längre tid. I jämförelse med epoxilim ger silikon kablarna mer utrymme att röra sig, och det blir lättare att rymma elektroderna. Men eftersom kablarna har mer utrymme att röra sig är det svårare att täta sensorn. Istället för vakuumklämman, som är lättare att öppna på en gång, är en självtillverkad design också möjlig. Här behöver endast hål för vissa skruvar och ett hålrum för tätningssladden ändras i 3D-designen.
MFC
MFC bestämmer hur mycket av aerosolen som sugs genom sensorn; resten ska kunna dräneras genom ett överflöde med ett HEPA-filter placerat i slutet av överflödet för att undvika förorening av rummet. Genom att välja en billigare pump istället för en MFC kommer högre flödesfluktuationer att påverka sensorsignalen negativt.
Utspädningsbro
Som framgår av figur 9 kan en utspädningsbrygga byggas med en enkel nålventil parallellt med ett eller flera HEPA-filter. Andra konstruktioner inkluderar en liten skruvstång för att pressa röret istället för nålventilen. Denna design har fördelen att röret kan rengöras lättare. Ju fler spolar en sådan skruvstycke har, desto finare kan koncentrationen justeras. Detta är särskilt viktigt för kalibreringsmätningar, där hög dynamik bör undvikas.
Bänk multimeter
Bänkmultimetern mäter en spänning, som måste divideras med värdet på det inre motståndet för att få rätt strömvärde. Beroende på det valda mätområdet (t.ex. 100 V) kan detta interna motståndsvärde variera (t.ex. 1 MΩ). Det är viktigt att välja ett definierat intervall så att det interna motståndsvärdet är detsamma för alla uppmätta värden. Om "auto range" väljs måste det interna motståndsvärdet också spåras.
Felsökning
3D-skrivare
Om skrivaren stannar bör tanken kontrolleras för rester av den senaste utskriften. Blandaren fastnar ofta. Man bör observera de första minuterna av utskriftsprocessen. Om det är igensatt beror det antingen på att rätt utsnittsinställningar inte har ställts in eller att det nya trycket inte har lagrats under UV-skyddade förhållanden före efterbehandling. I utsnittsinställningarna bör inga stödpunkter hindra flödeskanalen och utrymmet mellan elektroderna, och rutan för interna stödstrukturer måste avklickas innan filen skickas till skrivaren.
Aerosolkälla + utspädningsbrygga
Om aerosolkällan verkar instabil bör alla HEPA-filter kontrolleras för att säkerställa att de är i rätt läge och inte är igensatta. Dessutom bör aerosolgeneratorn och referensinstrumentet kontrolleras för att säkerställa att de har avslutat sin uppvärmningsfas.
Sensor
De vanligaste felen orsakas av otillräcklig strömförsörjningsanslutning, en luftläcka vid sensorn eller när avsatta partiklar bildar sotbroar mellan elektroderna. Först öppnas sensorn för att kontrollera om sotbryggor har bildats mellan elektroderna. Strömkällan måste stängas av innan sensorkablarna kopplas bort och sensorn öppnas. Sotbroar är lätt synliga för blotta ögat och kan tas bort med liten ansträngning. För att ta bort sotbroar är det bäst att använda en optisk rengöringsduk eller luddfri bomullspinne.
En läcka som ändrar flödesbeteendet i sensorn, liksom en lägre spänning vid elektroderna, kan ändra sensorsignalen. Det är inte möjligt att säga i förväg vilket av dessa problem som är ansvarigt för ett oväntat sensorsvar. Därför är det viktigt att kontrollera både tätheten och spänningsstabiliteten enligt följande. Först kontrolleras anslutningen från kabeln till elektroderna (protokollsteg 4.4). Därefter kontrolleras spänningskällan för att se om den levererar de förväntade volten. En luftläcka identifieras bäst med läckspray. Utöver detta kan tätheten också kontrolleras med en vakuumpump, som beskrivs i protokollsteg 4.4.2.
Begränsningar
Begränsningen av en elektrostatisk sensor beskrivs väl av Maricq et al.14. I sitt arbete betonar de vikten av en stabil spänningskälla och ett stabilt sensorflöde för sensorns prestanda. Av denna anledning bör en installation med en MFC eller en pump alltid användas för flödeskontroll, som beskrivs i figur 10. Dessutom behöver sensorn längre tid för att nå jämvikt under det första testet. I ytterligare experiment, där en stabil dendritpopulation har lagt sig på elektroderna, minskar tiden för att starta sensorn. Det bör dock noteras generellt att sensorn alltid behöver en starttid för att bli operativ beroende på den initiala koncentrationen.
Till skillnad från en platt design, som i Bilby et al., är sensordrift inte ett stort problem i detta cylindriska arrangemang12. Snabba koncentrationsförändringar vid låga partikelkoncentrationer är dock fortfarande svåra att upptäcka med sensorn. Som indikeras av Diller et al. och Maricq et al., för en meningsfull mätsignal, är det uppmätta värdet i genomsnitt över 2-10 min, beroende på hur mycket flödet förändras i experimentet14,15.
Med en lutning på 2,8 nAm3/mg och en standardavvikelse på ±1,4 nA är avvikelsen från regressionslinjen i figur 11 hög. För en bättre förståelse av sensorns noggrannhet rekommenderas jämförelse av flera experiment. För upprepade experiment står lutningen för 3,5 nAm 3/mg med en standardavvikelse på ±1,0 nA och 4,9 nAm3/mg med en standardavvikelse på ± 0,6 nA. Dessutom kommer sensorn att ge en mycket hög avläsning när spänningskällan slås på. Detta startvärde filtreras bort från mätdata.
Fördelen med metoden som presenteras här ligger helt klart i enkelheten, men också i de mångsidiga möjligheterna att anpassa sensorformen till olika behov. Därför kan sensorn, förutom sot, detektera en mängd olika laddade partiklar och är lämplig för ett brett spektrum av applikationer, till exempel partikeldetektering från kraftverk, bränder, industrier och bilar. Detta dokument bör vara ett incitament för byråer, företag, forskargrupper, medborgarforskare och alla som är intresserade av detektering av partiklar att reproducera denna enkla sensorkonstruktionsmanual och bygga sin egen partikeldetektor.
Disclosures
Författaren är anställd av Silicon Austria Labs och är student vid Technical University Graz. Det finns inga andra intressekonflikter att deklarera.
Acknowledgments
Detta arbete finansierades av COMET Centre "ASSIC-Austrian Smart Systems Integration Research Center". ASSIC samfinansieras av BMK, BMW och de österrikiska provinserna Kärnten och Steiermark inom programmet COMET-Competence Centres for Excellent Technologies från Austrian Research Promotion Agency (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).
