Summary
Здесь мы представляем протокол о том, как создать и протестировать простой, но эффективный недорогой детектор частиц.
Abstract
Поскольку частицы размером 1 мкм и менее представляют серьезную опасность для здоровья человеческого организма, обнаружение и регулирование выбросов частиц имеют большое значение. Значительная доля выбросов твердых частиц приходится на транспортный сектор. Большинство коммерчески доступных детекторов частиц громоздки, очень дороги и нуждаются в дополнительном оборудовании. В этой статье представлен протокол для создания и тестирования автономного детектора частиц, который является небольшим и экономичным.
Основное внимание в этой статье уделяется описанию подробного руководства по строительству с видео и процедурой оценки датчиков. Модель датчика для автоматизированного проектирования включена в дополнительный материал. В руководстве описаны все этапы строительства, от 3D-печати до полностью работоспособного датчика. Датчик может обнаруживать заряженные частицы и поэтому подходит для широкого спектра применений. Возможной областью применения может быть обнаружение сажи на электростанциях, лесных пожарах, промышленных предприятиях и автомобилях.
Introduction
Вдыхание частиц размером 1 мкм и менее сопряжено с высоким риском неблагоприятного воздействия на здоровье человека. С увеличением загрязнения окружающей среды процессами горения среди населения растут респираторные заболевания 1,2,3. Для укрепления здоровья и противодействия загрязнению необходимо сначала определить источники загрязнения и количественно оценить степень загрязнения. Это можно сделать с помощью существующих детекторов частиц. Тем не менее, они велики и очень часто слишком дороги для частных или гражданских научных целей.
Многие из имеющихся в продаже детекторов частиц громоздки, очень дороги и требуют дополнительного оборудования для работы4. Большинство из них также нуждаются в нескольких этапах аэрозольной подготовки. Например, разбавление необходимо для детекторов, использующих в качестве принципа измерения рассеяние света, а диапазон измерений ограничен длиной волны 5,6,7. Детекторы частиц, использующие лазерно-индуцированное накаливания в качестве принципа детектирования, нуждаются как в высокоэнергетических лазерных источниках, так и в энергоемкой системеохлаждения 8.
Детекторы частиц, использующие счетчики частиц конденсации, обычно используются в качестве золотого стандарта для измерения концентрации частиц; Они нуждаются в предварительном кондиционировании, разбавлении и рабочих жидкостях (например, бутаноле)9,10,11. Преимущества электростатического датчика заключаются в простой и компактной конструкции и низких затратах на изготовление. Однако по сравнению со счетчиками частиц конденсации необходимо сделать значительные выводы относительно точности.
Электростатический датчик представляет собой альтернативу этим методам. Электростатические датчики могут быть прочными, легкими, недорогими в производстве и могут эксплуатироваться без присмотра. Простейшей формой электростатического датчика является параллельный пластинчатый конденсатор с высоким электрическим полем между его пластинами. Когда аэрозоль переносится в область высокого напряжения между двумя медными электродами, естественно заряженные частицы оседают на электродах разной полярности12 (рис. 1).
Дендриты образуются на поверхности электродов в направлении силовых линий приложенного высокого напряжения между электродами и заряжаются за счет контактной зарядки. Фрагменты этих дендритов со временем отрывают электроды и снова осаждаются на электроде с противоположной полярностью, передавая свой заряд. Эти осколки несут большое количество зарядов. Поскольку электрод заземлен, осажденный заряд генерирует ток, приводящий к падению напряжения на внутреннем сопротивлении настольного мультиметра. Чем чаще это происходит в единицу времени, тем выше ток, а следовательно, тем выше падение напряжения (рисунок 2).
Из-за высокого напряжения, вызванного осаждением заряда фрагментов, дополнительная электроника усилителя не требуется. Образование дендритных отрывных частиц и последующее высвобождение заряда этих частиц представляет собой естественное усиление сигнала12. Результирующий сигнал датчика пропорционален массовой концентрации частиц. Этот сигнал может быть обнаружен с помощью готового настольного мультиметра.
Рисунок 1: Схемы датчиков. Аэрозоль поступает во входное отверстие аэрозоля, распространяется по левому каналу потока, а затем достигает зазора между высоковольтным электродом (внутренним электродом) и измерительным электродом (внешним электродом). Там частицы способствуют росту дендритов и, как объяснялось ранее, отрыву, тем самым генерируя реакцию датчика. После этого частицы проходят дальше по правому каналу потока и покидают датчик на выходе аэрозоля. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Физический принцип. Положительно и отрицательно заряженные частицы, а также нейтральные частицы попадают в зазор между электродами противоположной полярности. Они отклоняются линиями электрического поля к электроду противоположной полярности и откладывают там свой заряд. Затем они становятся частью дендрита и принимают заряд соответствующего электрода. Плотность поля наиболее высока на кончике дендрита, где задерживается больше частиц. Когда сила сопротивления превышает силы связывания, отламываются сегменты дендритов, которые, в свою очередь, ударяются о противоположный электрод и откладывают свои заряды. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
При цилиндрической конструкции, как в Warey et al.10, вероятность образования сажевых мостиков может быть сведена к минимуму. Там можно найти дополнительную информацию о геометрии датчика, приложенном напряжении, скорости потока газа и концентрации твердых частиц. Они предполагают корреляцию сигнала датчика с твердыми частицами, проходящими через датчик (уравнение 1).
Датчик (В) = 5,7 × 10-5 С В 0 e0,62 В × 
(1)
C - массовая концентрация твердых частиц, V0 - приложенное напряжение, V - скорость выхлопа, L - длина электрода, S - зазор между электродами13.
Билби и др. сосредоточились на детальном изучении лежащего в основе физического эффекта электростатического датчика9. Эти исследования включали оптически доступную установку и кинетическую модель для объяснения усиления сигнала датчика на основе дендритов (см. уравнения 2 и 3).
(2)
(3)
S представляет собой стопку сажевых дисков из 10-100 сажевых агломератов размером 50-100 нм; D n представляет собой дендрит сn дисками; Br обозначает фрагмент отрыва, состоящий из f-дисков; S и ki — константыскорости 12.
В этой статье представлен протокол создания и тестирования простого, но эффективного, недорогого детектора частиц, который можно использовать для высоких концентраций частиц без дополнительного оборудования. Предыдущая работа над этим типом электростатического датчика в основном была сосредоточена на измерениях выхлопных газов. В этой работе в качестве тестовых аэрозолей используются лабораторные частицы сажи. Описанный датчик основан на «предыдущих работах Warey et al. и Bilby et al12,13.
Корпус датчика состоит из корпуса, напечатанного на 3D-принтере на основе стереолитографии, коаксиальных электродов, вырезанных из медных трубок, вакуумной прокладки и вакуумного зажима. Такие материалы, как вакуумная прокладка, кабель, медные трубки и 3D-смола для одного датчика, стоят менее 40 евро. Дополнительное оборудование — высоковольтный источник, настольный USB-мультиметр и паяльная станция. Для оценки датчика также требуется определенный источник аэрозоля и эталонный прибор (см. Таблицу материалов). Размер датчика, описанного в этом протоколе, составляет 10 см х 7 см. Этот размер был выбран специально для эксперимента и все еще может быть значительно уменьшен (см. модификации / размеры датчика в обсуждении).
Этот протокол описывает, как создавать, тестировать и использовать простой недорогой датчик частиц. Схема протокола показана на рисунке 3 - начиная с 3D-печати корпуса датчика и изготовления электрода, сборки датчика, а также тестирования и примера применения датчика в полевых условиях.
Рисунок 3: Схема метода. Протокол разделен на четыре основных этапа. Сначала печатаются все детали корпуса датчика. Затем изготавливаются электроды. На третьем этапе собирается напечатанный на 3D-принтере корпус датчика с электродами и вакуумной прокладкой. На последнем шаге оценивается производительность датчика. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Наиболее важные этапы процесса 3D-печати показаны на рисунке 4. Сначала выбираются правильные настройки слайсера для печати. После этого обсуждаются наиболее важные части печати и предварительная обработка 3D-печатной модели. Для этого шага необходим полимерный 3D-принтер с изопропаноловой ванной и устройством для УФ-закалки, а также прямая шлифовальная машина.
Рисунок 4: Схема 3D-печати. (A) Изображена 3D-модель слайсера; (B) принтер в процессе печати. Этапы постобработки: (C) промывка и (D) УФ-отверждение. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
На рисунке 5 показаны наиболее важные этапы изготовления электродов: формообразование электродов, а также пайка контакта с электродами. Для этого шага понадобятся две медные трубки разного диаметра, штангенциркуль, труборез, прямая шлифовальная машина, тиски, паяльная станция и паяльная олово, изолированные кабели двух разных цветов, термозащитные перчатки и кусачек.
Рисунок 5: Изготовление электродов . (A) измерение, (B) резка, (C) удаление заусенцев и (D) пайка электродов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
В разделе сборки в протоколе объясняется, как собирается датчик. Наиболее важные части датчика изображены на рисунке 6, а именно внешний электрододержатель, проточный канал и внутренний электрододержатель. На рисунке 7 показаны наиболее важные этапы сборки датчика. Для этого шага необходимы эпоксидный клей, защитная одежда, вакуумное уплотнение, вакуумный зажим, защитные очки и перчатки.
Рисунок 6: Детали датчика . (A) внешний электрододержатель, (B) проточный канал и (C) внутренний электрододержатель. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 7: Датчик в сборе. Показаны все этапы сборки датчика. A-E показывает сборку одной половины датчика. (A) Внутренний электрододержатель приклеен к проточному каналу. (B) Внутренний электрод помещается на держатель внутреннего электрода. (C) Внешний электрод помещается в держатель внешнего электрода. (D) Внешний электрододержатель приклеен к проточному каналу + внутренний электрододержатель в сборе. (E) Вакуумное уплотнение защелкивается во внешнем электроде одной половины датчика, а затем защелкивается в (C), идентичном втором внешнем электроде другой половины датчика. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
В тестовом разделе объясняется, как настроить эксперимент для сравнения вновь созданного датчика с эталонным прибором. Для этого шага необходимы настольный мультиметр, вакуумный насос, высоковольтный источник питания, генератор аэрозоля, мостик для разбавления, аэрозольные трубки, Y-образный фитинг, один контроллер массового расхода (MFC), аэрозольный смеситель, эталонный прибор и ватный тампон.
Protocol
1.3D печать
- Настройки среза
- Откройте все файлы «.stl» с помощью программного обеспечения слайсера и поместите детали датчика на платформу (см. Дополнительный файл 1, Дополнительный файл 2, Дополнительный файл 3, Дополнительный файл 4, Дополнительный файл 5 и Дополнительный файл 6).
- Для хорошего результата печати наклоните все детали по отношению к платформе.
- Сгенерируйте опорные точки с плотностью 0,8 и размером точки 0,4 мм.
- Выберите Clear V4 с толщиной слоя 50 мкм.
- Начните печать.
- Загрузите выходной файл слайсера на 3D-принтер.
- Обратите внимание на время печати и объемы смолы, которые отображаются на экране. Вставьте прозрачный бак V4 и картридж со смолой, прикрепите монтажную платформу и откройте крышку картриджа. Нажмите кнопку Пуск на принтере.
- Немедленная постобработка
- После завершения печати откройте принтер и отсоедините монтажную платформу.
ПРИМЕЧАНИЕ: Этот шаг может быть отложен только в том случае, если вы уверены, что модель останется под экраном защиты от ультрафиолета принтера (см. Критические шаги/постобработка печати в обсуждении). - Аккуратно снимите все детали с платформы и поместите их в ванну с изопропанолом.
- Перемещайте детали постоянно в течение 20 минут.
- Вынимайте детали каждые 5 минут и тщательно промывайте все небольшие зазоры и отверстия.
- После завершения печати откройте принтер и отсоедините монтажную платформу.
- УФ-отверждение
- Высушите детали перед началом процесса закалки.
- Промойте все небольшие зазоры и отверстия сжатым воздухом.
- Поместите детали в устройство для УФ-закалки и затвердевайте в течение 50 минут при 40 °C.
ПРИМЕЧАНИЕ: Эта настройка отличается от рекомендованного производителем времени и температуры сушки (см. Критические этапы/постобработку печати в обсуждении).
- Постобработка
- Убедитесь, что все полости и отверстия открыты.
- Если дорожка забита, просверлите или соскребите ее прямой шлифовальной машиной.
- Убедитесь, что все напечатанные детали подходят правильно и что медные трубки можно вставить. Если не могут, то отшлифуйте.
2. Производство электродов
- Отмерьте 9 мм от вершины медных труб 18 мм и 22 мм и отметьте эти позиции.
- Разрежьте трубы труборезом по разметке.
ПРИМЕЧАНИЕ: Следите за тем, чтобы не прилагать слишком много усилий во время процесса. Чтобы прорезать трубы, требуется несколько ходов (см. Критические этапы/изготовление электродов в разделе обсуждения). - Аккуратно снимите заусенцы с медного кольца. Не оказывайте слишком сильного давления на медное кольцо во время снятия заусенцев и старайтесь не поцарапать поверхность электрода.
ПРИМЕЧАНИЕ: Это очень важная деталь, которая влияет на производительность датчика (см. критические этапы / производство и модификации электродов / электроды в разделе обсуждения). - Пайка электродов
- Припаяйте красный кабель к внутреннему медному кольцу (18 мм), а черный кабель — к внешнему медному кольцу (22 мм).
- Отполируйте медное кольцо, чтобы избавиться от окисленного слоя меди на поверхности.
- Зажмите кольцо в тиски.
- Предварительно зажмите медное кольцо и кабель и припаяйте кабель к кольцу.
ВНИМАНИЕ: Из-за пайки медные электроды нагреваются до 400 °C. Прикасайтесь к электродам только пинцетом и надевайте термозащитные перчатки.
3. Сборка
- Смешайте два компонента эпоксидного клея в лотке.
ПРИМЕЧАНИЕ: Очень важно использовать прозрачный клей, чтобы различать мостики сажи и затвердевший клей.
ВНИМАНИЕ: Работайте под вытяжным шкафом, надевайте защитную одежду (особенно перчатки) и чистите рабочие поверхности. Дополнительные инструкции по технике безопасности можно найти в паспорте безопасности. Опасность для здоровья: «Кожа Corr. 1C - H314 Глазная плотина. 1 - H318 Skin Sens. 1 - H317". - Вставьте внутренний электрододержатель в проточный канал и подождите 60 минут, пока клей затвердеет (рис. 7A).
- Поместите внутреннее кольцо электрода (18 мм) на держатель и проведите кабель через кабельный канал (рис. 7B).
ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что для точки пайки достаточно места. - Поместите прокладку вокруг внутреннего электрода.
ПРИМЕЧАНИЕ: Это очень важный шаг. Если расстояние между электродами не составляет ровно 1 мм повсюду во всем датчике, это может повлиять на электрическое поле и, следовательно, на производительность датчика (см. Критические этапы / производство электродов в обсуждении). - Поместите внешнее кольцо электрода (22 мм) на держатель и подайте кабель через кабельный канал (рис. 7C).
- Приклейте внешний электрододержатель к проточному каналу. Вставьте прокладку в зазор между двумя медными электродами. Подождите 60 минут, пока клей затвердеет (рис. 7D).
- Заклейте все кабельные каналы эпоксидным клеем. Подождите ночь, пока клей застынет.
- Вставьте вакуумное уплотнение в печатный клапан внешнего электрода. Вставьте две стороны датчика друг в друга и закрепите их вакуумным зажимом (рис. 7E, F).
4. Тесты
- Откройте вакуумный зажим датчика.
- Раздвиньте две половинки датчика и снимите уплотнение.
- Оттуда коснитесь кольца электрода одним наконечником щупа мультиметра, а конец кабеля, ведущего к электроду, другим наконечником мультиметра.
- Предварительные тесты
- Проверьте электрическое соединение электрода и кабеля с помощью мультиметра. Проверьте, является ли сопротивление <2 Ω (в зависимости от уровня окисления).
- Подключите шланг к входному и выходному отверстиям аэрозоля и проверьте герметичность датчика с помощью вакуумного насоса.
- Параллельный эксперимент
- Выполните настройку датчика, как показано на рисунке 8.
- Подключите высоковольтный источник питания к красному кабелю датчика (высоковольтному электроду).
- Подключите черный кабель датчика к входу напряжения настольного мультиметра.
- Подключите электрометр к заземлению (GND) с блоком питания GND.
- Подключите USB-кабель мультиметра к ПК.
- Включите датчик в установку измерения аэрозолей. согласно рисунку 9.
- Аэрозольный генератор
- Подача газа: Включите поток оболочки, подачу азота и пропана (необходимое давление: азот, 4 бар; другие газы, по 1 бар каждый).
- Источник питания: Подключите кабель источника 24 В для встроенных MFC и подключите USB к ПК.
- Программное обеспечение: откройте программное обеспечение MFC и введите правильный номер COM-порта. Поиск устройств: если отображается пять устройств (для пяти разных MFC), нажмите кнопку Остановить поиск. Введите условия запуска в соответствии с инструкцией по эксплуатации аэрозольного генератора: пропан 10 мл/мин, окислительный воздух 1,55 л/мин, гасящий газ 7 л/мин, разрежающий воздух 20 л/мин.
- Запустите аэрозольный генератор (см. Таблицу материалов), повернув ручку ВКЛ-ВЫКЛ. Когда ручка включена, загорается индикатор азота, указывающий на то, что все пути потока открыты. Удерживая огнезащитное устройство, нажмите кнопку зажигания на аэрозольном генераторе; Наблюдайте за пламенем в окне камеры сгорания. Отпустите огнезащитное устройство через ~ 60 с очень медленно.
- Введите следующие массовые потоки: пропан 60 мл/мин, окислительный воздух 1,55 л/мин, азот 7 л/мин (закалка) и разрежающий воздух 20 л/мин , чтобы установить правильные параметры распределения по размерам.
ВНИМАНИЕ: Подключайте генератор к остальной части установки только в том случае, если измерения должны быть проведены в течение следующих минут; В противном случае фильтры мостика разрежения будут быстро засоряться.
- Подсоедините мост разбавления к аэрозольному генератору. Отсоедините его еще раз и переведите поток аэрозоля в вытяжной шкаф до начала эксперимента. Перед началом эксперимента убедитесь, что мостик разбавления закрыт.
- Подсоедините выпускной патрубок разрежения к входному отверстию аэрозольного смесителя.
- Подсоедините выходное отверстие аэрозольного смесителя 2 (см. рис. 9E) к входному отверстию датчика.
- Включите MFC.
- Подключите высокоэффективный фильтр для поглощения твердых частиц (HEPA) к выходному отверстию датчика и подключите выходное отверстие датчика к входному отверстию MFC.
- Подключите блок питания MFC и подключите USB к ПК.
- Откройте программное обеспечение MFC и введите правильный номер COM-порта.
- Поиск устройств.
- Нажмите остановить поиск?.
- Введите массовый расход как 1 л/мин.
- Эталонный прибор (см. Таблицу материалов)
- Подключите кабель LAN к ПК и откройте соединение с IP-адресом эталонного прибора в браузере, чтобы открыть java-приложение для управления эталонным прибором.
- В программном обеспечении управления эталонным прибором нажмите кнопку блокировки ресурсов | ждите , чтобы запустить насос.
ПРИМЕЧАНИЕ: Процесс нагрева занимает ~20 мин. - После фазы прогрева нажмите измерение , чтобы измерить аэрозоль, поступающий в эталонный прибор.
- Выберите соотношение разбавления 1:10 на эталонном приборе.
- С помощью Y-образного фитинга подсоедините выходное отверстие аэрозольного смесителя 1 (см. рис. 9D) и поток разрежающего воздуха к разделенному концу Y-образного штуцера (см. рис. 9C), а один конец Y-образного штуцера подсоедините к входному отверстию эталонного прибора.
ПРИМЕЧАНИЕ: Затем эти два потока объединяются на одном конце Y-образного фитинга.
- Начало эксперимента
- Снова подключите аэрозольный генератор к мосту разрежения и убедитесь, что мост разрежения закрыт.
- Нажмите «Измерить » на эталонном приборе.
- Медленно откройте мост разбавления до тех пор, пока не будет достигнута желаемая массовая концентрация аэрозоля 3-5 мг/м3 , и начните регистрацию данных на эталонном приборе.
- Наблюдайте за массовой концентрацией частиц эталонного прибора. Когда источник аэрозоля стабилен, включите питание датчика на 1,000 В и начните регистрировать данные.
ПРИМЕЧАНИЕ: Если концентрация нестабильна, см. раздел «Устранение неполадок» в разделе обсуждения.
- Собирайте данные с настольного мультиметра с помощью команды чтения на консоли или автоматизированного скрипта.
ПРИМЕЧАНИЕ: После стабилизации тока датчика (приблизительно 5 мин) возможно сравнение эталонного прибора с током датчика.
ВНИМАНИЕ: Если ток датчика быстро увеличивается выше 10-7 А (что соответствует 0.1 В с внутренним сопротивлением 1 МОм), выключите источник высокого напряжения (см. Поиск и устранение неисправностей в разделе обсуждения). - Параллельное измерение: После того, как датчик достигнет равновесия, измерьте градиент концентрации с шагом от 5 мг/м3 до 0,2 мг/м3, соответствующим образом отрегулировав мост разрежения.
ПРИМЕЧАНИЕ: При использовании более высоких концентраций коэффициент разбавления эталонного прибора должен быть увеличен.
- Выполните настройку датчика, как показано на рисунке 8.
- Очищайте датчик сжатым воздухом и тампоном перед каждым новым измерением.
5. Полевое применение
- Выполните настройку датчика, как показано на рисунке 8.
- Подключите высоковольтный источник питания к красному кабелю датчика (высоковольтному электроду).
- Подключите черный кабель датчика к входу напряжения настольного мультиметра.
- Подключите электрометр GND к источнику питания GND.
- Подключите USB-кабель мультиметра к ПК.
- Включите настройку датчика в новую настройку измерения, как показано на рисунке 10, и подключите источник аэрозоля к датчику.
- Разделите выходящий поток частиц из источника аэрозоля на тракт А) настройка датчика и тракт Б) вентиляцию.
- MFC или насос: используйте MFC для пропускания образца через датчик.
- Используйте фильтр HEPA выше по течению MFC. Подключите блок питания MFC и подключите USB к ПК.
- Выполните шаг 4.5.8 для параллельного измерения.
- Начало полевого эксперимента: Убедитесь, что источник аэрозоля подключен к входу датчика.
- Включите питание датчика и начните регистрацию данных.
Рисунок 8: Настройка датчика. Схема настройки датчика. Аэрозоль проходит через датчик. Датчик подключается к вольтметру и высоковольтному источнику питания. Вольтметр управляется блоком управления, который регистрирует данные датчика. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 9: Экспериментальный план оценки датчиков. Стабильный источник аэрозоля используется для имитации источника частиц. Истекающий поток частиц разбивается на тракт (А), настройка датчика; и тракт (B), вентиляция, поступает в мостик разрежения и далее распределяется по аэрозольному смесителю. После смесителя аэрозольный поток разделяется между эталонным трактом прибора (D), который измеряется параллельно датчику. Этот эталонный прибор нуждается в разрежающем воздухе, который распределяется по тракту (C). Путь (E): MFC втягивает воздух через датчик. Этот MFC защищен от аэрозольного потока HEPA-фильтром. Сокращения: MFC = контроллер массового расхода; HEPA-фильтр = высокоэффективный фильтр, поглощающий частицы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 10: Натурные испытания: план эксперимента. В этой установке измеряется источник аэрозоля. Выходящий поток частиц разделяется на тракт А) настройка датчика и тракт Б) вентиляцию, а затем поступает в датчик. В этой установке MFC с HEPA-фильтром перед потоком всасывает аэрозоль через датчик. Сокращения: MFC = контроллер массового расхода; HEPA-фильтр = высокоэффективный фильтр, поглощающий частицы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Representative Results
Точная корреляция сигнала датчика с массой твердых частиц зависит от распределения заряда частиц и распределения по размерам, а также от состава аэрозоля. Поэтому датчик должен быть откалиброван для конкретного применения с помощью эталонного прибора. В этом разделе объясняется, как сравнить новый датчик с эталонным прибором.
Начальная фаза датчика занимает примерно 5-10 минут, в зависимости от выбранной концентрации частиц. На начальном этапе сигнал датчика значительно увеличивается, в то время как датчик подвергается воздействию постоянной концентрации частиц. После фазы запуска сигнал датчика стабилизируется. На этом этапе достигается состояние равновесия для накопления и фрагментации дендритов, и сигнал датчика пропорционален входящей концентрации сажи. После этой фазы инициализации датчик готов измерять любые изменения концентрации аэрозоля.
Данные измерений, показанные на рисунке 11 , начинаются с момента, когда датчик находится в вышеупомянутом состоянии равновесия. Чтобы рассчитать ток датчика в амперах, собранные данные в вольтах необходимо разделить на значение внутреннего сопротивления для получения правильного значения тока.
На вертикальной оси показан сигнал датчика в амперах, а на горизонтальной оси - концентрация аэрозоля, измеренная эталонным прибором в мг/м3. Линейная подгонка с ее репрезентативными параметрами также приведена на графике. Высокая погрешность измеряемых данных обусловлена высокой динамикой при корректировке концентрации с помощью мостика разбавления. Параметры линейной подгонки: значение R 2 0,80, пересечение -0,53 нА и наклон2,80 нАм3/мг со стандартным отклонением 1,4нА.
Рисунок 11: Положительные результаты. Сигнал датчика отображается на вертикальной оси в амперах, тогда как концентрация частиц, измеренная эталонным прибором в мг/м3, строится на горизонтальной оси. Кроме того, на график добавляется линейная подгонка с наиболее важными параметрами. Параметры линейной подгонки: значение R 2 0,80, пересечение -0,53нА и наклон2,80 нАм3/мг. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Существует также вероятность того, что частицы забивают путь между электродами, и в этом случае между электродами образуются токопроводящие мостики сажи. Поскольку сажа является проводящим материалом, эти мостики сажи образуют короткое замыкание между электродами. Измеренный сигнал быстро возрастает с увеличением толщины проводящего тракта, до такой степени, что напряжение становится настолько высоким, что вольтметр может быть поврежден. Пример эксперимента с формированием сажевых мостиков можно увидеть на рисунке 12. Сигнал поднимается очень крутыми прыжками/шагами и не останавливается и не сглаживается. Дендриты также больше не образуются, и датчик больше не находится в состоянии равновесия. В этом случае необходимо немедленно отключить источник высокого напряжения, очистить датчик и начать новое измерение.
Рисунок 12: Отрицательный результат. Во время измерения произошло короткое замыкание. Сигнал датчика в амперах наносится на вертикальную ось, а время измерения - на горизонтальную ось. Сигнал датчика продолжает увеличиваться без ограничений. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Если отображается ровная линия, а ток датчика вообще не повышается до значения выше 1 нА, следуйте инструкциям по поиску и устранению неисправностей в разделе обсуждения. Датчик должен постоянно находиться в состоянии равновесия, чтобы точно измерять входящий аэрозоль; Поэтому в начале эксперимента необходимо обеспечить достаточно высокую начальную концентрацию аэрозоля.
Дополнительный файл 1: Этот файл представляет собой файл автоматизированного проектирования (САПР) для печати проточного канала, изображенного на рисунке 7A , с отверстиями для кабеля. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 2: Этот файл представляет собой файл САПР для печати канала потока, изображенного на рисунке 7A , без отверстий. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 3: Этот файл представляет собой файл САПР для распечатки внутреннего электрододержателя, изображенного на рисунке 7A. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 4: Этот файл представляет собой файл САПР для распечатки внешнего электрододержателя, изображенного на рисунке 7C (справа). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 5: Этот файл представляет собой файл САПР для распечатки канала потока без отверстий, изображенных на рисунке 7C (слева). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 6: Этот файл представляет собой файл САПР для печати прокладки электрода. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Discussion
Критические шаги
Постобработка печати
Практически любой шаг в этом протоколе может быть приостановлен или отложен, за исключением постобработки только что напечатанных 3D-деталей (шаг протокола 1.5). Если экран защиты от ультрафиолета принтера открыт, постобработка должна начаться немедленно, иначе мелкие кабельные каналы, а также полость для пломбы засорятся. Прецизионная посадка полости обеспечивает герметичную герметизацию датчика. Это важно, потому что датчик очень чувствителен к колебаниям потока. Процесс упрочнения также важен (этап протокола 1.4); Если температура установлена слишком высокой, материал становится слишком хрупким и может сломаться под действием сил, оказываемых зажимом на внешний электрододержатель.
Производство электродов
Тщательная резка и удаление заусенцев (этапы протокола 2.2-2.3) электродов очень важны, поскольку неровности в зазоре между электродами вызывают возмущения в электрическом и скоростном полях, что приводит к снижению производительности датчика. В худшем случае сильная неравномерность может привести к тому, что электроды подойдут так близко, что напряжение пробоя будет превышено, и произойдет короткое замыкание. С этого момента нельзя делать никаких заявлений об измерительном сигнале, и измерительная электроника подвержена повреждениям.
Собрание
Сборка датчика (этапы протокола 3.4-3.6) имеет решающее значение, так как это создает зазор между электродами. Как уже было сказано выше, расстояние между электродами очень важно; Этот зазор должен быть равномерно 1 мм по всей длине. Эти шаги важны, потому что они могут кардинально изменить электрическое поле в датчике. На общее поведение осаждения, а также на образование дендритов может влиять изменение электрического поля. Таким образом, больше нельзя гарантировать, что реакция датчика будет линейной по отношению к входящему аэрозолю. Здесь также применим наихудший сценарий короткого замыкания.
Изменения
3D-печать
Другими возможными модификациями являются использование различных смол для 3D-печати. На рынке существует множество различных смол, которые могут изменять плотность, гибкость, термостойкость и прочность корпуса датчика.
Размеры датчика
Первым критерием проектирования датчика является конфигурация безопасности. Диэлектрическая прочность воздуха между электродами составляет 3 мм/кВ. Эта длина ни в коем случае не должна быть подрезана. Чем выше электрический потенциал, тем больше частиц осаждается, и эти осажденные частицы затем склонны образовывать дендриты. Размеры электродов были подобраны таким образом, чтобы можно было использовать легкодоступные стандартные компоненты. В известных авторам конструкциях подобных датчиков использовались следующие размеры для плоского датчика: ширина 9 мм, длина 2 мм, зазор 1 мм и длина 15 мм, диаметр 8,5 мм и зазор 1,3 мм для цилиндрической конструкции12,13. Кроме того, следует убедиться, что датчик может быть изготовлен вручную в обычной мастерской. Зазор в 1 мм — это абсолютный минимальный зазор, который позволяет очищать датчик вручную. Здесь 1 кВ был использован как хороший компромисс между безопасностью и эффективным осаждением частиц, а также наличием источников напряжения в этом диапазоне.
Электроды
Поскольку точное расстояние в 1 мм между электродами датчика имеет решающее значение для производительности, на этом этапе можно провести еще большую разработку. Например, приспособление, напечатанное на 3D-принтере, можно сделать еще более точным, или вместо простого трубореза можно использовать токарный станок для резки и удаления заусенцев, если оборудование доступно. Другой вариант — использовать пилу вместо трубореза. В этом случае края пилы после этого необходимо отшлифовать. Этот метод вызывает меньшую деформацию, чем труборез, но занимает больше времени. По сравнению с эпоксидным клеем, силикон дает кабелям больше места для перемещения, и становится легче перемещать электроды. Однако, поскольку кабели имеют больше места для перемещения, запечатать датчик сложнее. Вместо вакуумного зажима, который легче открыть сразу, также возможна самодельная конструкция. Здесь в 3D-дизайне должны быть изменены только отверстия для некоторых винтов и полость для уплотнительного шнура.
МФЦ
MFC определяет, сколько аэрозоля всасывается через датчик; остальные должны иметь возможность сливаться через перелив с помощью HEPA-фильтра, размещенного в конце перелива, чтобы избежать загрязнения помещения. При выборе менее дорогого насоса вместо MFC более высокие колебания расхода будут отрицательно влиять на сигнал датчика.
Мост разбавления
Как показано на рисунке 9, разводной мост может быть построен с помощью простого игольчатого клапана, параллельного одному или нескольким фильтрам HEPA. Другие конструкции включают в себя небольшие тиски для сжатия трубки вместо игольчатого клапана. Преимущество этой конструкции заключается в том, что трубку легче чистить. Чем больше витков у таких тисков, тем тоньше можно регулировать концентрацию. Это особенно важно для калибровочных измерений, где следует избегать высокой динамики.
Настольный мультиметр
Настольный мультиметр измеряет напряжение, которое необходимо разделить на величину внутреннего сопротивления для получения правильного значения тока. В зависимости от выбранного диапазона измерения (например, 100 В) это значение внутреннего сопротивления может варьироваться (например, 1 МОм). Важно выбрать определенный диапазон, чтобы значение внутреннего сопротивления было одинаковым для всех измеренных значений. Если выбран «автоматический диапазон», необходимо отслеживать и значение внутреннего сопротивления.
Устранение неполадок
3D-принтер
Если принтер останавливается, следует проверить бак на наличие остатков последнего отпечатка; Миксер часто застревает. Следует наблюдать за первыми минутами процесса печати. Если он забит, это происходит либо из-за того, что не были установлены правильные настройки слайсера, либо из-за того, что свежий отпечаток не был сохранен в условиях защиты от ультрафиолета перед последующей обработкой. В настройках слайсера никакие точки опоры не должны закрывать проточный канал и пространство между электродами, а перед отправкой файла на принтер необходимо снять флажок с внутренней опорной конструкции.
Источник аэрозоля + мостик разбавления
Если источник аэрозоля кажется нестабильным, следует проверить все фильтры HEPA, чтобы убедиться, что они находятся в правильном положении и не засорены. Кроме того, аэрозольный генератор, а также эталонный прибор должны быть проверены, чтобы убедиться, что они завершили фазу прогрева.
Датчик
Наиболее распространенные неисправности вызваны недостаточным подключением к источнику питания, утечкой воздуха на датчике или когда осажденные частицы образуют сажевые мостики между электродами. Сначала датчик открывают, чтобы проверить, не образовались ли между электродами мостики сажи. Источник питания необходимо выключить перед отсоединением кабелей датчика и открытием датчика. Мостики сажи хорошо видны невооруженным глазом и могут быть удалены без особых усилий. Для удаления мостиков сажи лучше всего использовать оптическую чистящую салфетку или безворсовый ватный тампон.
Утечка, изменяющая поведение потока в датчике, а также более низкое напряжение на электродах могут изменить сигнал датчика. Невозможно заранее сказать, какая из этих проблем ответственна за неожиданную реакцию датчика. Поэтому важно проверить как герметичность, так и стабильность напряжения следующим образом. Сначала проверяется подключение кабеля к электродам (шаг протокола 4.4). Затем проверяется источник напряжения, чтобы убедиться, что он выдает ожидаемые напряжения. Утечку воздуха лучше всего определить с помощью спрея утечки. В дополнение к этому, герметичность также может быть проверена с помощью вакуумного насоса, как описано в шаге протокола 4.4.2.
Ограничения
Ограничение электростатического датчика хорошо описано Maricq et al.14. В своей работе они подчеркивают важность стабильного источника напряжения и стабильного потока датчика для работы датчика. По этой причине для управления потоком всегда следует использовать установку с MFC или насосом, как описано на рисунке 10. Кроме того, датчику требуется больше времени, чтобы достичь равновесия во время первого теста. В дальнейших экспериментах, где стабильная популяция дендритов поселилась на электродах, количество времени для запуска датчика сокращается. Однако следует в целом отметить, что датчику всегда требуется время запуска для ввода в эксплуатацию в зависимости от начальной концентрации.
В отличие от плоской конструкции, как в Bilby et al., дрейф датчика не является серьезной проблемой в этом цилиндрическом расположении12. Тем не менее, быстрые изменения концентрации при низких концентрациях частиц по-прежнему трудно обнаружить с помощью датчика. Как указывают Diller et al. и Maricq et al., для значимого измерительного сигнала измеренное значение усредняется за 2-10 мин, в зависимости от того, насколько сильно изменяется поток в эксперименте14,15.
При наклоне 2,8нАм3/мг и стандартном отклонении ±1,4 нА отклонение от линии регрессии на рисунке 11 является высоким. Для лучшего понимания точности датчика рекомендуется сравнить несколько экспериментов. Для повторных экспериментов наклон составляет 3,5 нАм 3/мг со стандартным отклонением ±1,0 нА и 4,9 нАм3/мг со стандартным отклонением ± 0,6 нА. Кроме того, датчик будет давать очень высокие показания в момент включения источника напряжения. Это начальное значение отфильтровывается из данных измерений.
Преимущество представленного здесь метода заключается не только в простоте, но и в универсальных возможностях адаптации формы датчика к различным потребностям. Поэтому, помимо сажи, датчик может обнаруживать большое количество заряженных частиц и подходит для широкого спектра применений, например, для обнаружения твердых частиц на электростанциях, лесных пожарах, в промышленности и автомобилях. Эта статья должна стать стимулом для агентств, компаний, исследовательских групп, гражданских ученых и всех, кто интересуется обнаружением твердых частиц, воспроизвести это простое руководство по изготовлению датчика и создать свой собственный детектор частиц.
Disclosures
Автор работает в Silicon Austria Labs и является студентом Технического университета Граца. Других конфликтов интересов, о которых можно было бы заявлять, нет.
Acknowledgments
Эта работа была профинансирована Центром COMET «ASSIC-Австрийский исследовательский центр интеграции интеллектуальных систем». ASSIC совместно финансируется BMK, BMDW и австрийскими провинциями Каринтия и Штирия в рамках программы COMET-Competence Centers for Excellent Technologies Австрийского агентства по содействию исследованиям (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).
