Summary
Ici, nous présentons un protocole sur la façon de construire et de tester un détecteur de particules simple mais efficace à faible coût.
Abstract
Comme les particules d’une taille de 1 μm ou moins présentent un risque grave pour la santé du corps humain, la détection et la régulation des émissions de particules sont d’une grande importance. Une grande partie des émissions de particules sont émises par le secteur des transports. La plupart des détecteurs de particules disponibles dans le commerce sont encombrants, très coûteux et nécessitent un équipement supplémentaire. Cet article présente un protocole pour construire et tester un détecteur de particules autonome qui est petit et rentable.
L’objectif de cet article réside dans la description du manuel de construction détaillé avec vidéo et la procédure d’évaluation des capteurs. Le modèle de conception assistée par ordinateur du capteur est inclus dans le matériel supplémentaire. Le manuel explique toutes les étapes de construction, de l’impression 3D au capteur pleinement opérationnel. Le capteur peut détecter les particules chargées et convient donc à une large gamme d’applications. Un champ d’application possible serait la détection de la suie des centrales électriques, des incendies de forêt, des industries et des automobiles.
Introduction
L’inhalation de particules d’une taille de 1 μm ou moins présente un risque élevé d’effets néfastes sur la santé du corps humain. Avec l’augmentation de la pollution de l’environnement due aux processus de combustion, les maladies respiratoires augmentent dans la population 1,2,3. Pour promouvoir la santé et lutter contre la pollution, il est nécessaire d’identifier d’abord les sources de pollution et de quantifier le degré de pollution. Cela peut être fait avec les détecteurs de particules existants. Cependant, ceux-ci sont volumineux et très souvent beaucoup trop chers pour la science privée ou citoyenne.
Bon nombre des détecteurs de particules disponibles dans le commerce sont encombrants, très coûteux et nécessitent un équipement supplémentairepour fonctionner 4. La plupart d’entre eux ont également besoin de plusieurs étapes de conditionnement des aérosols. Par exemple, la dilution est nécessaire pour les détecteurs qui utilisent la diffusion de la lumière comme principe de mesure, et la plage de mesure est limitée par la longueur d’onde 5,6,7. Les détecteurs de particules qui utilisent l’incandescence induite par laser comme principe de détection ont besoin à la fois de sources laser à haute énergie et d’un système de refroidissement énergivore8.
Les détecteurs de particules qui utilisent des compteurs de particules de condensation sont normalement utilisés comme étalon-or pour la mesure de la concentration de particules; Ceux-ci nécessitent un préconditionnement, une dilution et des fluides de travail (par exemple, butanol)9,10,11. Les avantages d’un capteur électrostatique résident dans la conception simple et compacte et les faibles coûts de fabrication. Cependant, par rapport aux compteurs de particules de condensation, des déductions importantes doivent être faites en ce qui concerne la précision.
Un capteur électrostatique représente une alternative à ces méthodes. Les capteurs électrostatiques peuvent être robustes, légers, peu coûteux à fabriquer et peuvent être utilisés sans supervision. La forme la plus simple d’un capteur électrostatique est un condensateur à plaques parallèles avec un champ électrique élevé entre ses plaques. Lorsque l’aérosol est transporté dans la région de haute tension entre les deux électrodes de cuivre, des particules naturellement chargées se déposent sur les électrodes de polarité différente12 (Figure 1).
Les dendrites se forment à la surface des électrodes dans la direction des lignes de champ de la haute tension appliquée entre les électrodes et sont chargées par charge par contact. Des fragments de ces dendrites finissent par se détacher des électrodes et se redéposer sur l’électrode de polarité opposée, transférant leur charge. Ces fragments portent un grand nombre de charges. Parce que l’électrode est mise à la terre, la charge déposée génère un courant conduisant à une chute de tension à la résistance interne du multimètre de banc. Plus cela se produit souvent par unité de temps, plus le courant est élevé et, par conséquent, plus la chute de tension est élevée (Figure 2).
En raison de la haute tension induite par le dépôt de charge des fragments, aucune autre électronique amplificateur n’est nécessaire. La formation de particules de rupture de dendrite et la libération ultérieure de ces particules représente une amplification naturelle du signal12. Le signal du capteur qui en résulte est proportionnel à la concentration massique des particules. Ce signal peut être détecté avec un multimètre de banc standard.
Figure 1 : Schémas des capteurs. L’aérosol s’écoule dans l’entrée de l’aérosol, se propage à travers le canal d’écoulement gauche, puis atteint l’espace entre l’électrode haute tension (électrode interne) et l’électrode de mesure (électrode externe). Là, les particules contribuent à la croissance des dendrites et, comme expliqué précédemment, à la rupture, générant ainsi la réponse du capteur. Ensuite, les particules circulent plus loin dans le canal d’écoulement droit et quittent le capteur à la sortie de l’aérosol. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Principe physique. Les particules chargées positivement et négativement, ainsi que les particules neutres, pénètrent dans l’espace entre les électrodes de polarité opposée. Ils sont détournés par les lignes de champ électrique vers l’électrode de polarité opposée et y déposent leur charge. Ensuite, ils font partie d’une dendrite et prennent en charge l’électrode respective. La densité de champ est la plus élevée à l’extrémité de la dendrite, où plus de particules sont piégées. Lorsque la force de traînée dépasse les forces de liaison, des segments des dendrites se détachent, qui à leur tour frappent l’électrode opposée et déposent leurs charges. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Avec une conception cylindrique, comme dans Warey et al.10, la probabilité de formation de ponts de suie peut être minimisée. Vous y trouverez de plus amples informations sur la géométrie du capteur, la tension appliquée, la vitesse d’écoulement du gaz et la concentration de particules. Ils suggèrent une corrélation entre le signal du capteur et les particules traversant le capteur (équation 1).
Capteur (V) = 5,7 × 10-5 C V 0 e0,62 V × 
(1)
C est la concentration massique des particules, V0 est la tension appliquée, V est la vitesse d’échappement, L est la longueur de l’électrode et S est l’espace d’électrode13.
Bilby et al. se sont concentrés sur l’étude détaillée de l’effet physique sous-jacent du capteur électrostatique9. Ces études comprenaient une configuration optiquement accessible et un modèle cinétique pour expliquer l’amplification du signal du capteur à base de dendrites (voir équations 2 et 3).
(2)
(3)
S représente un empilement de disques de suie de 10 à 100 agglomérats de suie d’une taille de 50 à 100 nm; D n représente une dendrite àn disques; Br désigne un fragment de rupture composé de f disques; S et ki sont des constantes de vitesse12.
Cet article présente un protocole sur la façon de construire et de tester un détecteur de particules simple mais efficace à faible coût qui peut être utilisé pour des concentrations élevées de particules sans équipement supplémentaire. Les travaux antérieurs sur ce type de capteur électrostatique se sont principalement concentrés sur les mesures d’échappement. Dans ce travail, des particules de suie générées en laboratoire sont utilisées comme aérosols d’essai. Le capteur décrit est basé sur des travaux antérieurs de Warey et al. et Bilby et al12,13.
Le corps du capteur se compose d’un corps imprimé en 3D basé sur la stéréolithographie, d’électrodes coaxiales découpées dans des tubes en cuivre, d’un joint à vide et d’une pince à vide. Les matériaux tels que le joint à vide, le câble, les tubes en cuivre et la résine 3D pour un capteur coûtent moins de 40 €. L’équipement supplémentaire nécessaire est une source haute tension, un multimètre de banc USB et une station de soudure. Pour évaluer le capteur, une source d’aérosol définie et un instrument de référence sont également requis une fois (voir le tableau des matériaux). La taille du capteur décrit dans ce protocole est de 10 cm x 7 cm. Cette taille a été choisie spécifiquement pour l’expérience et peut encore être réduite de manière significative (voir modifications / dimensions du capteur dans la discussion).
Ce protocole décrit comment construire, tester et utiliser un capteur de particules simple et économique. Un schéma du protocole est présenté à la figure 3 en commençant par l’impression 3D de la coque du capteur et la fabrication de l’électrode, l’assemblage du capteur, ainsi que les tests et un exemple d’application sur le terrain du capteur.
Figure 3 : Schéma de la méthode. Le protocole est divisé en quatre grandes étapes. Tout d’abord, toutes les pièces du boîtier du capteur sont imprimées. Ensuite, les électrodes sont fabriquées. Dans la troisième étape, le boîtier du capteur imprimé en 3D avec les électrodes et le joint à vide sont assemblés. Dans la dernière étape, les performances du capteur sont évaluées. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Les étapes les plus importantes du processus d’impression 3D sont illustrées à la figure 4. Dans un premier temps, les bons réglages de segment pour l’impression sont choisis. Ensuite, les parties les plus importantes de l’impression et le prétraitement du modèle imprimé en 3D sont discutés. Pour cette étape, une imprimante 3D en résine avec un bain d’isopropanol et un dispositif de durcissement UV et une meuleuse droite sont nécessaires.
Figure 4 : Schéma de l’impression 3D. (A) Le modèle 3D du segment est représenté; (B) l’imprimante pendant le processus d’impression. Étapes de post-traitement : (C) rinçage et (D) durcissement UV. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
La figure 5 montre les étapes les plus importantes de la fabrication des électrodes : la mise en forme des électrodes ainsi que la soudure du contact avec les électrodes. Pour cette étape, deux tubes en cuivre de diamètres différents, un étrier, un coupe-tuyau, une meuleuse droite, un étau, une station de soudure et de l’étain à souder, des câbles isolés de deux couleurs différentes, des gants de protection thermique et un coupe-fil sont nécessaires.
Figure 5 : Fabrication des électrodes. (A) mesure, (B) découpe, (C) ébavurage et (D) brasage des électrodes. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
La section d’assemblage du protocole explique comment le capteur est assemblé. Les pièces les plus importantes du capteur sont représentées à la figure 6, à savoir le support d’électrode externe, le canal d’écoulement et le support d’électrode interne. La figure 7 montre les étapes les plus importantes de l’assemblage du capteur. Pour cette étape, de la colle époxy, des vêtements de protection, un joint sous vide, une pince à vide, des lunettes de sécurité et des gants sont nécessaires.
Figure 6 : pièces du capteur. (A) Le support d’électrode externe, (B) le canal d’écoulement et (C) le support d’électrode interne. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 7 : Ensemble du capteur. Toutes les étapes de l’assemblage du capteur sont représentées. A-E montre l’assemblage de la moitié du capteur. (A) Le support d’électrode interne est collé au canal d’écoulement. (B) L’électrode intérieure est placée sur le support d’électrode interne. (C) L’électrode extérieure est placée dans le support d’électrode extérieur. (D) Le porte-électrode extérieur est collé sur le canal d’écoulement + support d’électrode interne. (E) Le scellage sous vide s’enclenche dans l’électrode extérieure d’une moitié de capteur, puis s’enclenche dans (C), la deuxième électrode extérieure identique de l’autre moitié du capteur. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
La section test explique comment configurer l’expérience pour comparer le capteur nouvellement construit avec un instrument de référence. Pour cette étape, un multimètre de banc, une pompe à vide, une alimentation haute tension, un générateur d’aérosol, un pont de dilution, des tubes aérosols, un raccord en Y, un régulateur de débit massique (MFC), un mélangeur d’aérosols, un instrument de référence et un coton-tige sont nécessaires.
Protocol
1.3D Impression
- Paramètres du segment
- Ouvrez tous les fichiers « .stl » avec le logiciel de découpe et placez les parties du capteur sur la plate-forme (voir Fichier supplémentaire 1, Fichier supplémentaire 2, Fichier supplémentaire 3, Fichier supplémentaire 4, Fichier supplémentaire 5 et Fichier supplémentaire 6).
- Pour un bon résultat d’impression, inclinez toutes les pièces par rapport à la plate-forme.
- Générez des points d’appui avec une densité de 0,8 et une taille de point de 0,4 mm.
- Sélectionnez Clear V4 avec une épaisseur de couche de 50 μm.
- Lancez l’impression.
- Téléchargez le fichier de sortie du segment sur l’imprimante 3D.
- Recherchez le temps d’impression et les volumes de résine affichés à l’écran. Insérez le réservoir V4 transparent et la cartouche de résine, fixez la plate-forme de montage et ouvrez le couvercle de la cartouche. Appuyez sur Démarrer sur l’imprimante.
- Post-traitement immédiat
- Une fois l’impression terminée, ouvrez l’imprimante et détachez la plate-forme de montage.
REMARQUE : Cette étape ne peut être retardée que s’il est certain que le modèle restera sous l’écran de protection UV de l’imprimante (voir étapes critiques/post-traitement de l’impression dans la discussion). - Décollez délicatement toutes les pièces de la plate-forme et placez-les dans un bain d’isopropanol.
- Déplacez les pièces constamment pendant 20 min.
- Retirez les pièces toutes les 5 minutes et rincez soigneusement tous les petits espaces et trous.
- Une fois l’impression terminée, ouvrez l’imprimante et détachez la plate-forme de montage.
- Durcissement aux UV
- Sécher les pièces avant de commencer le processus de durcissement.
- Rincez tous les petits espaces et trous avec de l’air sous pression.
- Placez les pièces dans le dispositif de durcissement UV et durcissez-les pendant 50 min à 40 °C.
REMARQUE: Ce paramètre diffère du temps et de la température de séchage recommandés par le fabricant (voir étapes critiques/post-traitement d’impression dans la discussion).
- Post-traitement
- Vérifiez que toutes les cavités et tous les trous sont ouverts.
- Si un chemin est bouché, percez-le ou grattez-le avec la meuleuse droite.
- Vérifiez que toutes les pièces imprimées s’adaptent correctement et que les tubes en cuivre peuvent être insérés. S’ils ne peuvent pas, alors poncez-les.
2. Fabrication d’électrodes
- Mesurer 9 mm à partir du haut des tuyaux en cuivre de 18 mm et 22 mm et marquer ces positions.
- Coupez les tuyaux avec le coupe-tuyaux au marquage.
REMARQUE: Assurez-vous de ne pas utiliser trop de force pendant le processus. Il faut plusieurs tours pour couper à travers les tuyaux (voir étapes critiques / fabrication des électrodes dans la section de discussion). - Ébavurez soigneusement l’anneau de cuivre. Ne mettez pas trop de pression sur l’anneau de cuivre pendant l’ébavurage et essayez de ne pas rayer la surface de l’électrode.
REMARQUE: Il s’agit d’une pièce très critique qui affecte les performances du capteur (voir étapes critiques / fabrication des électrodes et modifications / électrodes dans la section de discussion). - Soudure d’électrode
- Souder le câble rouge à la bague de cuivre intérieure (18 mm) et le câble noir à la bague de cuivre extérieure (22 mm).
- Polissez l’anneau de cuivre pour vous débarrasser de la couche de cuivre oxydée à la surface.
- Serrez l’anneau dans un étau.
- Pré-étaler à la fois la bague de cuivre et le câble et souder le câble à la bague.
ATTENTION : En raison de la soudure, les électrodes en cuivre chauffent jusqu’à 400 °C. Ne touchez les électrodes qu’avec une pince à épiler et portez des gants thermo-protecteurs.
3. Assemblée
- Mélangez les deux composants de la colle époxy dans un plateau.
REMARQUE: Il est très important d’utiliser de la colle transparente pour différencier les ponts de suie de la colle durcie.
ATTENTION : Travaillez sous une hotte, portez des vêtements de protection (surtout des gants) et nettoyez les surfaces de travail. Vous trouverez d’autres consignes de sécurité dans la fiche de données de sécurité. Danger pour la santé: « Skin Corr. 1C - H314 Eye Dam. 1 - H318 Skin Sens. 1 - H317 ». - Collez le porte-électrode interne dans le canal d’écoulement et attendez 60 minutes que la colle durcisse (Figure 7A).
- Placez la bague d’électrode intérieure (18 mm) sur le support et guidez le câble à travers le canal du câble (Figure 7B).
REMARQUE: Assurez-vous qu’il y a suffisamment d’espace pour le point de soudure. - Placez l’entretoise autour de l’électrode interne.
REMARQUE : Il s’agit d’une étape très critique. Si la distance entre les électrodes n’est pas exactement de 1 mm partout dans l’ensemble du capteur, le champ électrique, et par conséquent les performances du capteur, peuvent être influencés (voir étapes critiques/fabrication des électrodes dans la discussion). - Placez la bague d’électrode extérieure (22 mm) sur le support et faites passer le câble par le canal du câble (Figure 7C).
- Collez le porte-électrode externe sur le canal d’écoulement. Insérez l’entretoise dans l’espace entre les deux électrodes en cuivre. Attendez 60 minutes que la colle durcisse (figure 7D).
- Scellez tous les canaux de câble avec de la colle époxy. Attendez toute la nuit que la colle durcisse.
- Insérez le joint sous vide dans la vanne imprimée de l’électrode extérieure. Insérez les deux côtés du capteur l’un dans l’autre et fixez-les à l’aide de la pince à vide (Figure 7E,F).
4. Essais
- Ouvrez la pince à vide du capteur.
- Séparez les deux moitiés du capteur et retirez le joint.
- De là, touchez l’anneau d’électrode avec une pointe de sonde multimètre et l’extrémité du câble menant à l’électrode avec l’autre pointe multimètre.
- Prétests
- Testez la connexion électrique de l’électrode et du câble avec le multimètre. Vérifiez si la résistance est de <2 Ω (en fonction du niveau d’oxydation).
- Branchez le tuyau sur l’entrée et la sortie de l’aérosol et vérifiez si le capteur est étanche à l’air avec la pompe à vide.
- Expérience parallèle
- Construisez la configuration du capteur, conformément à la Figure 8.
- Connectez l’alimentation haute tension au câble rouge du capteur (électrode haute tension).
- Connectez le câble de capteur noir à l’entrée de tension du multimètre du banc.
- Connectez la masse de l’électromètre (GND) à l’alimentation GND.
- Connectez le câble USB multimètre au PC.
- Incorporez le capteur dans la configuration de mesure des aérosols. selon la figure 9.
- Générateur d’aérosol
- Alimentation en gaz: Allumez le flux de gaine, l’alimentation en azote et en propane (pression nécessaire: azote, 4 bar; autres gaz, 1 bar chacun).
- Source d’alimentation : Branchez le câble source 24 V pour les MFC intégrés et connectez l’USB au PC.
- Logiciel : ouvrez le logiciel MFC et insérez le numéro de port COM correct. Rechercher des périphériques : si cinq périphériques sont affichés (pour cinq MFC différents), cliquez sur Arrêter la recherche. Entrez les conditions de démarrage selon le manuel d’utilisation du générateur d’aérosol : 10 mL/min de propane, 1,55 L/min d’air d’oxydation, 7 L/min de gaz de trempe, 20 L/min d’air de dilution.
- Démarrez le générateur d’aérosol (voir le tableau des matériaux) en tournant le bouton ON-OFF. Lorsque le bouton est allumé, l’indicateur d’azote est allumé, indiquant que toutes les voies d’écoulement sont ouvertes. Tenez le dispositif de protection contre les flammes et appuyez sur le bouton d’allumage du générateur d’aérosol; Observez une flamme dans la fenêtre de la chambre de combustion. Relâchez le dispositif de protection contre les flammes après ~60 s très lentement.
- Entrez les débits massiques suivants : 60 mL/min de propane, 1,55 L/min d’air d’oxydation, 7 L/min d’azote (trempe) et 20 L/min d’air de dilution pour régler les paramètres de distribution granulométrique corrects.
ATTENTION : Connectez le générateur au reste de l’installation uniquement si des mesures doivent être prises dans les prochaines minutes ; Sinon, les filtres du pont de dilution se boucheront rapidement.
- Raccordez le pont de dilution au générateur d’aérosol. Débranchez-le à nouveau et détournez le flux d’aérosol vers la hotte jusqu’au début de l’expérience. Assurez-vous que le pont de dilution est fermé avant de commencer l’expérience.
- Raccordez la sortie du pont de dilution à l’entrée du mélangeur d’aérosols.
- Raccordez la sortie 2 du mélangeur d’aérosol (voir Figure 9E) à l’entrée du capteur.
- Incorporez le MFC.
- Connectez un filtre HEPA (High-Efficiency Particulate Absorbing) à la sortie du capteur et connectez la sortie du capteur à l’entrée MFC.
- Connectez l’alimentation du MFC et connectez l’USB au PC.
- Ouvrez le logiciel MFC et entrez le numéro de port COM correct.
- Recherchez des appareils.
- Cliquez sur Arrêter la recherche ?.
- Entrez le débit massique sous forme de 1 L/min.
- Instrument de référence (voir le tableau des matières)
- Connectez le câble LAN au PC et ouvrez une connexion à l’adresse IP de l’instrument de référence dans le navigateur pour ouvrir une application java permettant de contrôler l’instrument de référence.
- Dans le logiciel de contrôle de l’instrument de référence, appuyez sur les ressources de verrouillage | stand by pour démarrer la pompe.
REMARQUE: Le processus de chauffage prend ~ 20 min. - Après la phase de préchauffage, cliquez sur Mesure pour mesurer l’aérosol entrant dans l’instrument de référence.
- Choisissez un taux de dilution de 1:10 sur l’instrument de référence.
- Utiliser un raccord en Y pour raccorder la sortie 1 du mélangeur d’aérosols (voir fig. 9D) et le débit d’air de dilution à l’extrémité fendue du raccord en Y (voir figure 9C), et raccorder l’extrémité unique du raccord en Y à l’entrée de l’instrument de référence.
REMARQUE: Ces deux flux sont ensuite combinés à l’extrémité unique du raccord en Y.
- Début de l’expérience
- Connectez à nouveau le générateur d’aérosol au pont de dilution et assurez-vous que le pont de dilution est fermé.
- Cliquez sur mesure sur l’instrument de référence.
- Ouvrir lentement le pont de dilution jusqu’à ce que la concentration massique d’aérosol souhaitée de 3-5 mg/m3 soit atteinte, et commencer à consigner les données sur l’instrument de référence.
- Observer la concentration massique des particules de l’instrument de référence. Lorsque la source d’aérosol est stable, allumez l’alimentation du capteur à 1 000 V et commencez à enregistrer les données.
REMARQUE: Si la concentration n’est pas stable, voir dépannage dans la section de discussion.
- Collectez des données à partir du multimètre de banc à l’aide d’une commande de lecture sur la console ou d’un script automatisé.
REMARQUE: Une fois le courant du capteur stabilisé (environ 5 minutes), une comparaison de l’instrument de référence avec le courant du capteur est possible.
ATTENTION : Si le courant du capteur augmente rapidement au-dessus de 10-7 A (correspondant à 0,1 V avec une résistance interne de 1 MΩ), éteignez la source haute tension (voir dépannage dans la section discussion). - Mesure parallèle : Une fois que le capteur a atteint l’équilibre, mesurer un gradient de concentration par étapes de 5 mg/ m3à 0,2 mg/m3en ajustant le pont de dilution en conséquence.
NOTA: Lorsque des concentrations plus élevées sont utilisées, le taux de dilution de l’instrument de référence doit être augmenté.
- Construisez la configuration du capteur, conformément à la Figure 8.
- Nettoyez le capteur avec de l’air sous pression et un écouvillon avant chaque nouvelle mesure.
5. Application sur le terrain
- Construisez la configuration du capteur, conformément à la Figure 8.
- Connectez l’alimentation haute tension au câble rouge du capteur (électrode haute tension).
- Connectez le câble de capteur noir à l’entrée de tension du multimètre du banc.
- Connectez l’électromètre GND à l’alimentation GND.
- Connectez le câble USB multimètre au PC.
- Incorporez la configuration du capteur dans la nouvelle configuration de mesure, conformément à la Figure 10, et connectez la source d’aérosol au capteur.
- Divisez le flux de particules sortant de la source d’aérosol en chemin A) configuration du capteur et chemin B) ventilation.
- MFC ou pompe : utilisez un MFC pour faire passer l’échantillon à travers le capteur.
- Utilisez un filtre HEPA en amont du MFC. Connectez l’alimentation du MFC et connectez l’USB au PC.
- Suivez l’étape 4.5.8 pour la mesure parallèle.
- Début de l’expérience sur le terrain : Assurez-vous que la source d’aérosol est connectée à l’entrée du capteur.
- Allumez l’alimentation du capteur et commencez à enregistrer les données.
Figure 8 : Configuration du capteur. Diagramme de la configuration du capteur. L’aérosol circule à travers le capteur. Le capteur est connecté au voltmètre et à une alimentation haute tension. Le voltmètre est contrôlé par une unité de commande qui enregistre les données du capteur. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 9 : Plan expérimental d’évaluation des capteurs. Une source d’aérosol stable est utilisée pour imiter une source de particules. Le flux de particules sortant est divisé en chemin (A), configuration du capteur; et le chemin (B), la ventilation, pénètre dans le pont de dilution et est ensuite distribué dans un mélangeur d’aérosols. Après le mélangeur, le flux d’aérosol est divisé entre un chemin d’instrument de référence (D), qui mesure parallèlement au capteur. Cet instrument de référence a besoin d’air de dilution, qui est distribué par voie (C). Chemin (E) : un MFC aspire l’air à travers le capteur. Ce MFC est protégé du flux d’aérosol avec un filtre HEPA. Abréviations : MFC = régulateur de débit massique; Filtre HEPA = filtre absorbant les particules à haute efficacité. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 10 : Essai sur le terrain : le plan expérimental. Dans cette configuration, une source d’aérosol est mesurée. Le flux de particules sortant est divisé en chemin A) configuration du capteur et chemin B) ventilation, puis pénètre dans le capteur. Dans cette configuration, un MFC avec un filtre HEPA en amont aspire l’aérosol à travers le capteur. Abréviations : MFC = régulateur de débit massique; Filtre HEPA = filtre absorbant les particules à haute efficacité. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Representative Results
La corrélation exacte entre le signal du capteur et la masse des particules varie en fonction de la distribution de la charge des particules et de la distribution de la taille, ainsi que de la composition de l’aérosol. Par conséquent, le capteur doit être étalonné pour une application particulière avec un instrument de référence. Cette section explique comment comparer le capteur nouvellement construit avec un instrument de référence.
La phase de démarrage du capteur dure environ 5 à 10 minutes, en fonction de la concentration de particules choisie. Au cours de la phase de démarrage, le signal du capteur augmente considérablement tandis que le capteur est exposé à une concentration constante de particules. Après la phase de démarrage, le signal du capteur se stabilise. À ce stade, un état d’équilibre pour l’accumulation et la fragmentation des dendrites est atteint et le signal du capteur est alors proportionnel à la concentration de suie entrante. Après cette phase d’initialisation, le capteur est prêt à mesurer tout changement de concentration d’aérosol.
Les données de mesure présentées à la figure 11 commencent à partir du moment où le capteur est dans l’état d’équilibre mentionné ci-dessus. Pour calculer le courant du capteur en ampères, les données collectées en volts doivent être divisées par la valeur de la résistance interne pour obtenir la valeur de courant correcte.
L’axe vertical montre le signal du capteur en ampères et l’axe horizontal montre la concentration d’aérosol mesurée par l’instrument de référence en mg/m3. Un ajustement linéaire avec ses paramètres représentatifs est également donné dans le graphique. La grande incertitude des données mesurées est due à la dynamique élevée lors de l’ajustement de la concentration avec le pont de dilution. Les paramètres d’ajustement linéaire sont une valeur R 2 de 0,80, une interception de -0,53 nA et une pente de2,80 nAm3/mg avec un écart-type de 1,4 nA.
Figure 11 : Résultats positifs. Le signal du capteur est tracé sur l’axe vertical en ampères, tandis que la concentration de particules mesurée par l’instrument de référence en mg/m3 est tracée sur l’axe horizontal. En outre, un ajustement linéaire avec les paramètres les plus importants est ajouté au tracé. Les paramètres d’ajustement linéaire sont une valeur R 2 de 0,80, une interception de -0,53 nA et une pente de2,80 nAm3/mg. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Il est également possible que des particules obstruent le trajet entre les électrodes, auquel cas des ponts de suie conducteurs se forment entre les électrodes. Parce que la suie est un matériau conducteur, ces ponts de suie forment un court-circuit entre les électrodes. Le signal mesuré augmente rapidement avec l’épaisseur du trajet conducteur, jusqu’au point où la tension devient si élevée que le voltmètre pourrait être endommagé. Un exemple d’expérience de formation de ponts de suie peut être vu à la figure 12. Le signal s’élève dans des sauts / marches très raides et ne s’arrête pas ou ne s’aplatit pas. Les dendrites ne sont également plus formées et le capteur n’est plus en état d’équilibre. Dans ce cas, la source haute tension doit être coupée immédiatement, le capteur doit être nettoyé et une nouvelle mesure doit être lancée.
Figure 12 : Résultat négatif. Un court-circuit s’est produit lors de la mesure. Le signal du capteur en ampères est tracé sur l’axe vertical et le temps de mesure est tracé sur l’axe horizontal. Le signal du capteur continue d’augmenter sans restriction. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Si une ligne plate s’affiche et que le courant du capteur n’atteint pas du tout une valeur supérieure à 1 nA, suivez les instructions de dépannage de la section de discussion. Le capteur doit être à l’état d’équilibre à tout moment pour mesurer avec précision l’aérosol entrant; Par conséquent, une concentration initiale d’aérosols suffisamment élevée doit être fournie au début de l’expérience.
Fichier supplémentaire 1 : Ce fichier représente le fichier de conception assistée par ordinateur (CAO) pour imprimer le canal d’écoulement illustré à la figure 7A avec des trous pour le câble. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Fichier supplémentaire 2 : Ce fichier représente le fichier CAO permettant d’imprimer le canal d’écoulement illustré à la figure 7A sans trous. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Fichier supplémentaire 3 : Ce fichier représente le fichier CAO permettant d’imprimer le support d’électrode interne illustré à la figure 7A. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Fichier supplémentaire 4 : Ce fichier représente le fichier CAO permettant d’imprimer le support d’électrode externe illustré à la figure 7C (à droite). Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Fichier supplémentaire 5 : Ce fichier représente le fichier CAO permettant d’imprimer le canal d’écoulement sans trous illustré à la figure 7C (à gauche). Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Fichier supplémentaire 6 : Ce fichier représente le fichier CAO pour imprimer l’espaceur d’électrodes. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Discussion
Étapes critiques
Post-traitement de l’impression
Presque toutes les étapes de ce protocole peuvent être suspendues ou reportées, à l’exception du post-traitement des pièces 3D fraîchement imprimées (étape 1.5 du protocole). Si l’écran de protection UV de l’imprimante est ouvert, le post-traitement doit commencer immédiatement, sinon les petits canaux de câble, ainsi que la cavité du joint, se boucheront. L’ajustement précis de la cavité garantit que le capteur peut être scellé hermétiquement. Ceci est important car le capteur est très sensible aux fluctuations de débit. Le processus de durcissement est également important (étape 1.4 du protocole); Si la température est réglée trop haut, le matériau devient trop fragile et peut se rompre sous les forces exercées par la pince sur le support d’électrode extérieur.
Fabrication d’électrodes
Une coupe et un ébavurage soigneux (étapes du protocole 2.2-2.3) des électrodes sont très importants car les irrégularités dans l’espace de l’électrode provoquent des perturbations dans les champs électriques et de vitesse, ce qui entraîne de mauvaises performances du capteur. Dans le pire des cas, une forte irrégularité peut amener les électrodes à s’approcher si près que la tension de claquage est dépassée et qu’un court-circuit se produit. À partir de ce moment, aucune déclaration ne peut être faite sur le signal de mesure et l’électronique de mesure est sujette à des dommages.
Assemblée
L’assemblage du capteur (étapes du protocole 3.4-3.6) est crucial, car il crée l’espace entre les électrodes. Comme mentionné ci-dessus, la distance entre les électrodes est très importante; Cet écart doit être uniformément de 1 mm sur toute la longueur. Ces étapes sont importantes car elles peuvent modifier radicalement le champ électrique dans le capteur. Le comportement global des dépôts, ainsi que la formation de dendrite, peuvent être influencés par le changement du champ électrique. Ainsi, il ne peut plus être garanti que la réponse du capteur soit linéaire à l’aérosol entrant. Le pire scénario d’un court-circuit s’applique également ici.
Modifications
Impression 3D
D’autres modifications possibles sont l’utilisation de différentes résines d’impression 3D. Il existe de nombreuses résines différentes sur le marché qui peuvent modifier la densité, la flexibilité, la résistance à la température et la résistance du boîtier du capteur.
Dimensions du capteur
Le premier critère de conception du capteur est une configuration de sécurité. La résistance diélectrique de l’air entre les électrodes est de 3 mm/kV. Cette longueur ne doit en aucun cas être sous-cotée. Plus le potentiel électrique est élevé, plus les particules sont déposées, et ces particules déposées sont alors sujettes à former des dendrites. Les dimensions des électrodes ont été choisies de manière à ce que des composants standard facilement disponibles puissent être utilisés. Les conceptions de capteurs similaires connus des auteurs utilisaient les dimensions suivantes pour un capteur plat: largeur de 9 mm, longueur de 2 mm, espace de 1 mm et longueur de 15 mm, avec un diamètre de 8,5 mm et un espace de 1,3 mm pour une conception cylindrique12,13. En outre, il convient de s’assurer que le capteur peut être fabriqué à la main dans un atelier normal. Un espace de 1 mm est l’espace minimum absolu qui permet toujours de nettoyer manuellement le capteur. Ici, 1 kV a été utilisé comme un bon compromis de sécurité et de dépôt efficace de particules, ainsi que la disponibilité de sources de tension dans cette gamme.
Électrodes
Étant donné que la distance exacte de 1 mm entre les électrodes du capteur est si cruciale pour les performances, encore plus de travail de développement peut être consacré à cette étape. Par exemple, le luminaire imprimé en 3D peut être rendu encore plus précis, ou un tour peut être utilisé à la place d’un simple coupe-tuyau pour la coupe et l’ébavurage, si l’équipement est disponible. Une autre option consiste à utiliser une scie au lieu d’un coupe-tuyau. Dans ce cas, les bords de la scie doivent être rectifiés par la suite. Cette méthode provoque moins de déformation que le coupe-tuyau, mais prend plus de temps. Par rapport à la colle époxy, le silicone donne aux câbles plus d’espace pour bouger et il devient plus facile de réespacer les électrodes. Cependant, comme les câbles ont plus d’espace pour bouger, il est plus difficile de sceller le capteur. Au lieu de la pince à vide, qui est plus facile à ouvrir à la fois, une conception faite par vous-même est également réalisable. Ici, seuls les trous pour certaines vis et une cavité pour le cordon d’étanchéité doivent être modifiés dans la conception 3D.
Le
Le MFC détermine la quantité d’aérosol aspirée à travers le capteur; le reste doit pouvoir être drainé par un trop-plein avec un filtre HEPA placé à l’extrémité du trop-plein, pour éviter la pollution de la pièce. En choisissant une pompe moins chère au lieu d’une MFC, des fluctuations de débit plus élevées influenceront négativement le signal du capteur.
Pont de dilution
Comme le montre la figure 9, un pont de dilution peut être construit avec une simple vanne à aiguille parallèle à un ou plusieurs filtres HEPA. D’autres conceptions incluent un petit étau pour serrer le tube au lieu de la valve à aiguille. Cette conception présente l’avantage de pouvoir nettoyer le tube plus facilement. Plus un tel étau a de bobines, plus la concentration peut être ajustée. Ceci est particulièrement important pour les mesures d’étalonnage, où une dynamique élevée doit être évitée.
Multimètre de banc
Le multimètre banc mesure une tension, qui doit être divisée par la valeur de la résistance interne pour obtenir la valeur de courant correcte. Selon la plage de mesure choisie (par exemple, 100 V), cette valeur de résistance interne peut varier (par exemple, 1 MΩ). Il est important de sélectionner une plage définie afin que la valeur de résistance interne soit la même pour toutes les valeurs mesurées. Si « auto range » est choisi, la valeur de résistance interne doit également être suivie.
Dépannage
Imprimante 3D
Si l’imprimante s’arrête, le réservoir doit être vérifié pour les résidus de la dernière impression; Le mélangeur reste souvent coincé. Il faut observer les premières minutes du processus d’impression. S’il est bouché, c’est soit parce que les paramètres de trancheuse corrects n’ont pas été définis, soit parce que la nouvelle impression n’a pas été stockée dans des conditions de protection UV avant le post-traitement. Dans les paramètres du segment, aucun point d’appui ne doit obstruer le canal d’écoulement et l’espace entre les électrodes, et la case des structures de support internes doit être décliquée avant d’envoyer le fichier à l’imprimante.
Source d’aérosol + pont de dilution
Si la source d’aérosol semble instable, tous les filtres HEPA doivent être vérifiés pour s’assurer qu’ils sont dans la bonne position et qu’ils ne sont pas obstrués. En outre, le générateur d’aérosol ainsi que l’instrument de référence doivent être vérifiés pour s’assurer qu’ils ont terminé leur phase de préchauffage.
Capteur
Les défauts les plus courants sont causés par une connexion d’alimentation insuffisante, une fuite d’air au niveau du capteur ou lorsque des particules déposées forment des ponts de suie entre les électrodes. Tout d’abord, le capteur est ouvert pour vérifier si des ponts de suie se sont formés entre les électrodes. La source d’alimentation doit être éteinte avant de débrancher les câbles du capteur et d’ouvrir le capteur. Les ponts de suie sont facilement visibles à l’œil nu et peuvent être enlevés avec peu d’effort. Pour enlever les ponts de suie, il est préférable d’utiliser un chiffon de nettoyage optique ou un coton-tige non pelucheux.
Une fuite qui modifie le comportement de l’écoulement dans le capteur, ainsi qu’une tension plus faible au niveau des électrodes, peuvent modifier le signal du capteur. Il n’est pas possible de dire à l’avance lequel de ces problèmes est responsable d’une réponse inattendue du capteur. Par conséquent, il est important de vérifier à la fois l’étanchéité et la stabilité de la tension comme suit. Tout d’abord, la connexion du câble aux électrodes est vérifiée (étape de protocole 4.4). Ensuite, la source de tension est vérifiée pour voir si elle fournit les volts attendus. Une fuite d’air est mieux identifiée avec un spray anti-fuite. En plus de cela, l’étanchéité peut également être vérifiée avec une pompe à vide, comme décrit dans l’étape du protocole 4.4.2.
Limitations
La limitation d’un capteur électrostatique est bien décrite par Maricq et al.14. Dans leur travail, ils soulignent l’importance d’une source de tension stable et d’un débit de capteur stable pour les performances du capteur. Pour cette raison, une configuration avec un MFC ou une pompe doit toujours être utilisée pour le contrôle du débit, comme décrit à la figure 10. De plus, le capteur a besoin de plus de temps pour atteindre l’équilibre lors du premier test. Dans d’autres expériences, où une population stable de dendrites s’est installée sur les électrodes, le temps de démarrage du capteur est réduit. Cependant, il convient généralement de noter que le capteur a toujours besoin d’un temps de démarrage pour devenir opérationnel en fonction de la concentration initiale.
Contrairement à une conception plate, comme dans Bilby et al., la dérive du capteur n’est pas un problème majeur dans cet arrangement cylindrique12. Cependant, les changements de concentration rapides à de faibles concentrations de particules sont encore difficiles à détecter avec le capteur. Comme indiqué par Diller et al. et Maricq et al., pour un signal de mesure significatif, la valeur mesurée est calculée en moyenne sur 2-10 min, en fonction de l’ampleur des changements d’écoulement dans l’expérience14,15.
Avec une pente de 2,8 nAm3/mg et un écart-type de ±1,4 nA, l’écart par rapport à la droite de régression de la figure 11 est élevé. Pour une meilleure compréhension de la précision du capteur, la comparaison de plusieurs expériences est recommandée. Pour les expériences répétées, la pente représente 3,5 nAm 3/mg avec un écart-type de ±1,0 nA, et 4,9 nAm3/mg avec un écart-type de ± 0,6 nA. De plus, le capteur donnera une lecture très élevée au moment où la source de tension est allumée. Cette valeur de départ est filtrée hors des données de mesure.
L’avantage de la méthode présentée ici réside clairement dans la simplicité, mais aussi dans les possibilités polyvalentes d’adapter la forme du capteur à différents besoins. Par conséquent, en plus de la suie, le capteur peut détecter une grande variété de particules chargées et convient à un large éventail d’applications, par exemple, la détection de particules provenant de centrales électriques, d’incendies de forêt, d’industries et d’automobiles. Cet article devrait inciter les agences, les entreprises, les équipes de recherche, les citoyens scientifiques et toute personne intéressée par la détection des particules à reproduire ce manuel de construction de capteur simple et à construire leur propre détecteur de particules.
Disclosures
L’auteur est employé par Silicon Austria Labs et est étudiant à l’Université technique de Graz. Il n’y a pas d’autres conflits d’intérêts à déclarer.
Acknowledgments
Ce travail a été financé par le Centre COMET « ASSIC-Austrian Smart Systems Integration Research Center ». L’ASSIC est cofinancé par le BMK, la BMDW et les provinces autrichiennes de Carinthie et de Styrie dans le cadre du programme COMET-Centres de compétences pour les technologies d’excellence de l’Agence autrichienne de promotion de la recherche (FFG).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Equipment | |||
| 3D printer | Formlabs | Formlabs 3 | |
| Aerosol Mixer | ESSKA | 304200812095 | 95 mm, diameter 8 mm |
| Aerosol soot generator | Jing Aerosol | Model 5201 Type C miniCAST | |
| Benchmultimeter | Keysight | KEYSIGHT 34465A, 0 - 100 V range, 1 MΩ internal resistance | |
| Dilution Bridge | Custom built | Needel valve and HEPA filter in parallel | |
| High voltage power supply | Stanford Research Systems | PS350, 5000 V - 25 W | |
| Mas flow controller | Vögtlin | GSC-C3SA-BB26 | Red-y for gas flow, flow range: 0-10 L/min |
| Refence Instument | AVL | MSSplus - AVL Micro Soot Sensor | |
| Material | |||
| Aerosol tygon tubes | Saint Gobain Fluid Transfer | AAG00012 | Diameter 7 mm |
| Bidirectional flow control valves series RFO | CAMOZZI | RFO 383-1/8 | P max 10 bar |
| Connector reduced with barbed fitting | ESSKA | IQSG120H6000 | |
| Copper tube 12 mm | Obi | 1996602 | Diameter 12 mm |
| Copper tube 18 mm | Obi | 1499441 | Diameter 18 mm |
| Copper tube 22 mm | Obi | 1996628 | Diameter 22 mm |
| Cotton swab | Chemtronics | 48042F | 50 m, 1 mm tip |
| Epoxy glue | RS components | 132605 | RS quick set epoxy |
| Hepa Nylon Einweg-Inline-Filter | Parker | 9933-05-BQ | Flüssigkeit 5.4SCFM 1/4Zoll, mit G1/4 Anschluss 8,1 bar |
| Isolated electrical cable | Nexans | Diameter 2 mm, two different colors red and black | |
| Photopolymer Resin | Formlabs | 851976006196 | 1 L Cartridge - Transparent (Clear) |
| Soldering tin | Stannol | 574108 | |
| Tefen polymer Y - fitting | TEFEN | TEF-8357-06-00 | |
| Thermal protection gloves | As One | ||
| Vacuum clamp | MISUMI | FRNWC40 | Clamp |
| Vacuum seal | MISUMI | FRNWR40 | Centering ring with O-ring seal |
| Tool | |||
| Caliper | Starrett | DW990 | |
| Deburrer | Ruko | ||
| Gloves | BM Polyoo | ||
| Isopropanol bath | Formlabs | FK-F3-01 | Form 3 finish kit |
| PCB vice | RS components | 221-7531 | |
| Pipe cutter | Rigid | 35S | |
| Safety goggles | 3M | ||
| Sand paper | Mirka | Different sandpaper thicknesses 40 - 200 | |
| Soldering station | Ersa | Ersa i-CON 2, 400 °C, 2.2 mm soldering rod | |
| Straight grainder | Dremel | F013400046 | Dremel 4000 |
| UV Hardening device | Formlabs | FH-CU-01 | Form cure |
| Vacuum pump | Mityvac | MV8000 | Automotive Tune-up and Brake Bleeding Kit |
| Vise | Proxxon | NO 28 132 | MS4, Jaw height 10 mm, Max. Clamping width 34 mm |
| Wire cutter | KNIPEX | 7712115 | |
| Software | |||
| MFC software | Vögtlin | Get red-y | |
| Reference Instument Software | AVL | Supplied with the device: MSSplus | |
| Slicer software | Formlabs | Preform Download Link: https://formlabs.com/de/software/ |
References
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