كاشف الجسيمات منخفض التكلفة الذي يدعم التصنيع الإضافي
Summary
هنا ، نقدم بروتوكولا حول كيفية بناء واختبار كاشف جسيمات بسيط ولكنه فعال منخفض التكلفة.
Abstract
نظرا لأن الجسيمات التي يبلغ حجمها 1 ميكرومتر أو أصغر تشكل خطرا صحيا شديدا على جسم الإنسان ، فإن اكتشاف وتنظيم انبعاثات الجسيمات لهما أهمية كبيرة. ينبعث قطاع النقل من حصة كبيرة من انبعاثات الجسيمات. معظم أجهزة الكشف عن الجسيمات المتاحة تجاريا ضخمة ومكلفة للغاية وتحتاج إلى معدات إضافية. تقدم هذه الورقة بروتوكولا لبناء واختبار كاشف جسيمات مستقل صغير وفعال من حيث التكلفة.
يكمن تركيز هذه الورقة في وصف دليل البناء التفصيلي مع الفيديو وإجراء تقييم المستشعر. يتم تضمين نموذج التصميم بمساعدة الكمبيوتر للمستشعر في المواد التكميلية. يشرح الدليل جميع خطوات البناء ، من الطباعة 3D إلى جهاز استشعار يعمل بكامل طاقته. يمكن للمستشعر اكتشاف الجسيمات المشحونة وبالتالي فهو مناسب لمجموعة واسعة من التطبيقات. سيكون مجال التطبيق المحتمل هو اكتشاف السخام من محطات الطاقة وحرائق الغابات والصناعات والسيارات.
Introduction
استنشاق الجسيمات بحجم 1 ميكرومتر أو أصغر يشكل خطرا كبيرا من الآثار الصحية الضارة على جسم الإنسان. مع زيادة التلوث البيئي الناجم عن عمليات الاحتراق ، تنمو أمراض الجهاز التنفسي في السكان1،2،3. لتعزيز الصحة ومكافحة التلوث ، من الضروري أولا تحديد مصادر التلوث وتحديد درجة التلوث. يمكن القيام بذلك باستخدام أجهزة الكشف عن الجسيمات الموجودة. ومع ذلك ، فهي كبيرة وغالبا ما تكون مكلفة للغاية لأغراض علمية خاصة أو مواطنة.
العديد من أجهزة الكشف عن الجسيمات المتاحة تجاريا ضخمة ومكلفة للغاية وتتطلب معدات إضافية ليتم تشغيلها4. يحتاج معظمهم أيضا إلى العديد من خطوات تكييف الهباء الجوي. على سبيل المثال ، هناك حاجة إلى التخفيف للكاشفات التي تستخدم تشتت الضوء كمبدأ للقياس ، ونطاق القياس محدود بالطول الموجي5،6،7. تحتاج أجهزة الكشف عن الجسيمات التي تستخدم التوهج الناجم عن الليزر كمبدأ للكشف إلى كل من مصادر الليزر عالية الطاقة ونظام التبريد المستهلك للطاقة8.
عادة ما تستخدم أجهزة الكشف عن الجسيمات التي تستخدم عدادات جسيمات التكثيف كمعيار ذهبي لقياس تركيز الجسيمات. هذه تحتاج إلى التكييف المسبق والتخفيف وسوائل العمل (على سبيل المثال ، البيوتانول)9،10،11. تكمن مزايا المستشعر الكهروستاتيكي في التصميم البسيط والمدمج وتكاليف التصنيع المنخفضة. ومع ذلك ، بالمقارنة مع عدادات جسيمات التكثيف ، يجب إجراء خصومات كبيرة فيما يتعلق بالدقة.
يمثل المستشعر الكهروستاتيكي بديلا لهذه الطرق. يمكن أن تكون المستشعرات الكهروستاتيكية قوية وخفيفة وغير مكلفة في التصنيع ويمكن تشغيلها دون إشراف. أبسط شكل من أشكال المستشعر الكهروستاتيكي هو مكثف لوحة متوازي مع مجال كهربائي مرتفع بين لوحاته. عندما يتم نقل الهباء الجوي إلى منطقة الجهد العالي بين القطبين النحاسيين ، تترسب الجسيمات المشحونة بشكل طبيعي على الأقطاب الكهربائية ذات القطبية المختلفة12 (الشكل 1).
تتشكل التشعبات على سطح الأقطاب الكهربائية في اتجاه خطوط المجال للجهد العالي المطبق بين الأقطاب الكهربائية ، ويتم شحنها عن طريق الشحن بالتلامس. تقطع شظايا هذه الزوائد الشجيرية في النهاية الأقطاب الكهربائية وتعيد ترسيبها على القطب بقطبية معاكسة ، مما ينقل شحنتها. تحمل هذه الشظايا عددا كبيرا من الشحنات. نظرا لأن القطب مؤرض ، فإن الشحنة المودعة تولد تيارا يؤدي إلى انخفاض الجهد عند المقاومة الداخلية لمقياس مقاعد البدلاء. كلما حدث هذا في كثير من الأحيان لكل وحدة زمنية ، زاد التيار ، وبالتالي ، زاد انخفاض الجهد (الشكل 2).
نظرا للجهد العالي الناجم عن ترسب شحنة الشظايا ، لا توجد حاجة إلى مزيد من إلكترونيات مكبر الصوت. يمثل تكوين جسيمات انفصال التغصنات وإطلاق الشحنة اللاحقة لهذه الجسيمات تضخيم إشارة طبيعي12. تتناسب إشارة المستشعر الناتجة مع تركيز كتلة الجسيمات. يمكن اكتشاف هذه الإشارة باستخدام مقياس متعدد مقاعد البدلاء الجاهز.
الشكل 1: مخططات المستشعر. يتدفق الهباء الجوي إلى مدخل الهباء الجوي ، ويتم نشره عبر قناة التدفق اليسرى ، ثم يصل إلى الفجوة بين القطب عالي الجهد (القطب الداخلي) وقطب القياس (القطب الخارجي). هناك ، تساهم الجسيمات في نمو التغصنات ، وكما أوضحنا سابقا ، تنفصل ، وبالتالي تولد استجابة المستشعر. بعد ذلك ، تتدفق الجسيمات أكثر عبر قناة التدفق اليمنى وتترك المستشعر عند مخرج الهباء الجوي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: المبدأ الفيزيائي. تدخل الجسيمات الموجبة والسالبة الشحنة ، وكذلك الجسيمات المحايدة ، الفجوة بين الأقطاب الكهربائية ذات القطبية المعاكسة. يتم تحويلها بواسطة خطوط المجال الكهربائي إلى القطب الكهربائي ذي القطبية المعاكسة وإيداع شحنتها هناك. بعد ذلك ، يصبحون جزءا من الزوائد الشجيرية ويتولون شحنة القطب المعني. تكون كثافة المجال أعلى عند قمة الزوائد الشجيرية؛ حيث يتم احتجاز المزيد من الجسيمات. عندما تتجاوز قوة السحب قوى الربط ، تنفصل أجزاء من الزوائد الشجيرية ، والتي بدورها تصطدم بالقطب المعاكس وترسب شحناتها. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
مع تصميم أسطواني ، كما هو الحال في Warey et al.10 ، يمكن تقليل احتمال تشكيل جسور السخام. يمكن العثور على مزيد من المعلومات حول هندسة المستشعر والجهد المطبق وسرعة تدفق الغاز وتركيز الجسيمات هناك. يقترحون ارتباط إشارة المستشعر بالجسيمات المتدفقة عبر المستشعر (المعادلة 1).
المستشعر (V) = 5.7 × 10-5 C V 0 e0.62V × 
(1)
C هو تركيز كتلة الجسيمات ، V0 هو الجهد المطبق ، V هي سرعة العادم ، L هو طول القطب ، و S هي فجوة القطب13.
ركز Bilby et al. على الدراسة التفصيلية للتأثير المادي الأساسي للمستشعر الكهروستاتيكي9. تضمنت هذه الدراسات إعدادا يمكن الوصول إليه بصريا ونموذجا حركيا لشرح تضخيم إشارة المستشعر القائم على الزوائد الشجيرية (انظر المعادلتين 2 و 3).
(2)
(3)
يمثل S كومة من أقراص السخام من 10-100 تكتلات السخام بحجم 50-100 نانومتر ؛ D n يمثل تغصنات معn أقراص. يشير Br إلى جزء فاصل يتكون من أقراص f ؛ S و ki هما ثوابت المعدل12.
تقدم هذه الورقة بروتوكولا حول كيفية بناء واختبار كاشف جسيمات بسيط ولكنه فعال منخفض التكلفة يمكن استخدامه لتركيزات الجسيمات العالية دون مزيد من المعدات. ركز العمل السابق على هذا النوع من أجهزة الاستشعار الكهروستاتيكية في الغالب على قياسات العادم. في هذا العمل ، يتم استخدام جزيئات السخام الناتجة عن المختبر كهباء اختبار. يعتمد المستشعر الموصوف على “العمل السابق من Warey et al. و Bilby etal 12,13.
يتكون جسم المستشعر من جسم مطبوع 3D قائم على الطباعة الحجرية المجسمة ، وأقطاب كهربائية متحدة المحور مقطوعة من أنابيب نحاسية ، وحشية فراغ ، ومشبك فراغ. تكلف مواد مثل حشية الفراغ والكابلات والأنابيب النحاسية وراتنج 3D لجهاز استشعار واحد أقل من 40 يورو. المعدات الإضافية المطلوبة هي مصدر الجهد العالي ، ومقياس متعدد مقاعد البدلاء USB ، ومحطة لحام. لتقييم المستشعر ، يلزم أيضا وجود مصدر أيروسول محدد وأداة مرجعية مرة واحدة (انظر جدول المواد). حجم المستشعر الموصوف في هذا البروتوكول هو 10 سم × 7 سم. تم اختيار هذا الحجم خصيصا للتجربة ولا يزال من الممكن تقليله بشكل كبير (انظر التعديلات / أبعاد المستشعر في المناقشة).
يصف هذا البروتوكول كيفية بناء واختبار واستخدام مستشعر جسيمات بسيط منخفض التكلفة. يظهر رسم تخطيطي للبروتوكول في الشكل 3 – بدءا من الطباعة ثلاثية الأبعاد لهيكل المستشعر وتصنيع القطب ، وتجميع المستشعر ، بالإضافة إلى الاختبار ومثال على التطبيق الميداني للمستشعر.
الشكل 3: تخطيطي للطريقة. ينقسم البروتوكول إلى أربع خطوات رئيسية. أولا ، تتم طباعة جميع أجزاء غلاف المستشعر. ثم يتم تصنيع الأقطاب الكهربائية. في الخطوة الثالثة ، يتم تجميع مبيت المستشعر المطبوع 3D مع الأقطاب الكهربائية وحشية الفراغ. في الخطوة الأخيرة ، يتم تقييم أداء المستشعر. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
يتم عرض أهم خطوات عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد في الشكل 4. في البداية ، يتم اختيار إعدادات مقسم طريقة العرض المناسبة للطباعة. بعد ذلك ، تتم مناقشة أهم أجزاء الطباعة والمعالجة المسبقة للنموذج المطبوع 3D. لهذه الخطوة ، هناك حاجة إلى طابعة 3D الراتنج مع حمام الأيزوبروبانول وجهاز تصلب الأشعة فوق البنفسجية وطاحونة مستقيمة.
الشكل 4: رسم تخطيطي للطباعة ثلاثية الأبعاد. (أ) تم تصوير نموذج القطاعة ثلاثي الأبعاد ؛ ( ب) الطابعة أثناء عملية الطباعة. خطوات المعالجة اللاحقة: (ج) التنظيف و (د) تصلب الأشعة فوق البنفسجية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
يوضح الشكل 5 أهم خطوات تصنيع الأقطاب الكهربائية: تشكيل شكل الأقطاب الكهربائية وكذلك لحام التلامس مع الأقطاب الكهربائية. لهذه الخطوة ، هناك حاجة إلى أنبوبين نحاسيين بأقطار مختلفة ، وفرجار ، وقاطع أنابيب ، وطاحونة مستقيمة ، ونائب ، ومحطة لحام وقصدير لحام ، وكابلات معزولة بلونين مختلفين ، وقفازات واقية حرارية ، وقاطع أسلاك.
الشكل 5: تصنيع الأقطاب الكهربائية. أ: القياس، ب: القطع، ج: إزالة الأزيز، د: لحام الأقطاب الكهربائية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
يشرح قسم التجميع في البروتوكول كيفية تجميع المستشعر. يتم تصوير أهم أجزاء المستشعر في الشكل 6 ، وهي حامل القطب الخارجي وقناة التدفق وحامل القطب الداخلي. يوضح الشكل 7 أهم الخطوات في تجميع المستشعر. لهذه الخطوة ، هناك حاجة إلى غراء الايبوكسي ، والملابس الواقية ، وختم الفراغ ، ومشبك الفراغ ، ونظارات السلامة ، والقفازات.
الشكل 6: أجزاء المستشعر. أ: حامل القطب الخارجي، ب: قناة السريان، ج: حامل القطب الداخلي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 7: تجميع المستشعر. يتم عرض جميع خطوات تجميع المستشعر. يظهر A-E تجميع نصف المستشعر. (أ) يلصق حامل القطب الداخلي بقناة التدفق. (ب) يوضع القطب الداخلي على حامل القطب الداخلي. (ج) يوضع القطب الخارجي في حامل القطب الخارجي. (د) يتم لصق حامل القطب الخارجي على قناة التدفق + مجموعة حامل القطب الداخلي. (ه) ينجذب الختم الفراغي إلى القطب الخارجي لنصف مستشعر واحد ثم ينجذب إلى (C) ، وهو القطب الخارجي الثاني المطابق لنصف المستشعر الآخر. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
يشرح قسم الاختبار كيفية إعداد التجربة لمقارنة المستشعر الذي تم بناؤه حديثا بأداة مرجعية. لهذه الخطوة ، هناك حاجة إلى مقياس متعدد مقاعد البدلاء ، ومضخة تفريغ ، وإمداد عالي الجهد ، ومولد الهباء الجوي ، وجسر التخفيف ، وأنابيب الهباء الجوي ، وتركيب Y ، ووحدة تحكم واحدة في التدفق الشامل (MFC) ، وخلاط الهباء الجوي ، وأداة مرجعية ، ومسحة قطنية.
Protocol
Representative Results
Discussion
خطوات حاسمة
المعالجة اللاحقة للطباعة
يمكن إيقاف أي خطوة تقريبا في هذا البروتوكول مؤقتا أو تأجيلها ، باستثناء المعالجة اللاحقة للأجزاء ثلاثية الأبعاد المطبوعة حديثا (خطوة البروتوكول 1.5). إذا تم فتح شاشة الحماية من الأشعة فوق البنفسجية الخاصة بالطابعة ، فيجب أن تبدأ المعالجة اللاحقة على الفور ، وإلا فسوف تسد قنوات الكابل الصغيرة ، وكذلك تجويف الختم. يضمن الملاءمة الدقيقة للتجويف إمكانية إغلاق المستشعر بإحكام. هذا مهم لأن المستشعر حساس للغاية لتقلبات التدفق. عملية التصلب مهمة أيضا (خطوة البروتوكول 1.4) ؛ إذا تم ضبط درجة الحرارة على درجة حرارة عالية جدا ، تصبح المادة هشة للغاية ويمكن أن تنكسر تحت القوى التي يمارسها المشبك على حامل القطب الخارجي.
تصنيع الأقطاب الكهربائية
يعد القطع الدقيق وإزالة الأزيز (خطوات البروتوكول 2.2-2.3) للأقطاب الكهربائية أمرا مهما للغاية لأن المخالفات في فجوة القطب الكهربائي تسبب اضطرابات في المجالات الكهربائية والسرعة ، مما يؤدي إلى ضعف أداء المستشعر. في أسوأ السيناريوهات ، يمكن أن يتسبب عدم انتظام قوي في اقتراب الأقطاب الكهربائية بحيث يتم تجاوز جهد الانهيار ، وتحدث دائرة كهربائية قصيرة. من هذه النقطة فصاعدا ، لا يمكن الإدلاء بأي بيان حول إشارة القياس وإلكترونيات القياس عرضة للتلف.
محفل
يعد تجميع المستشعر (خطوات البروتوكول 3.4-3.6) أمرا بالغ الأهمية ، لأن هذا يخلق فجوة القطب الكهربائي. كما ذكر أعلاه ، فإن المسافة بين الأقطاب الكهربائية مهمة جدا ؛ يجب أن تكون هذه الفجوة بشكل موحد 1 مم على طول كامل. هذه الخطوات مهمة لأنها يمكن أن تغير المجال الكهربائي في المستشعر بشكل كبير. يمكن أن يتأثر سلوك الترسيب الكلي ، وكذلك تكوين التغصنات ، بالتغيير في المجال الكهربائي. وبالتالي ، لم يعد من الممكن ضمان أن تكون استجابة المستشعر خطية للهباء الجوي الوارد. السيناريو الأسوأ لماس كهربائى ينطبق هنا أيضا.
التعديلات
الطباعة 3D
التعديلات المحتملة الأخرى هي استخدام راتنجات الطباعة 3D مختلفة. هناك العديد من الراتنجات المختلفة في السوق التي يمكن أن تغير الكثافة والمرونة ومقاومة درجات الحرارة وقوة غلاف المستشعر.
أبعاد المستشعر
معيار التصميم الأول للمستشعر هو تكوين السلامة. قوة العزل الكهربائي للهواء بين الأقطاب الكهربائية هي 3 مم / كيلو فولت. يجب عدم تقويض هذا الطول بأي حال من الأحوال. كلما زاد الجهد الكهربي، زاد ترسب الجسيمات، وتكون هذه الجسيمات المترسبة عرضة لتكوين الزوائد الشجيرية. تم اختيار أبعاد الأقطاب الكهربائية بحيث يمكن استخدام المكونات القياسية المتاحة بسهولة. استخدمت تصميمات أجهزة الاستشعار المماثلة المعروفة للمؤلفين الأبعاد التالية لمستشعر مسطح: عرض 9 مم ، وطول 2 مم ، وفجوة 1 مم ، وطول 15 مم ، بقطر 8.5 مم وفجوة 1.3 مم لتصميم أسطواني12,13. بالإضافة إلى ذلك ، يجب التأكد من إمكانية تصنيع المستشعر يدويا في ورشة عمل عادية. الفجوة 1 مم هي الحد الأدنى المطلق للفجوة التي لا تزال تسمح بتنظيف المستشعر يدويا. هنا ، تم استخدام 1 كيلو فولت كحل وسط جيد للسلامة وترسب الجسيمات الفعال ، فضلا عن توافر مصادر الجهد في هذا النطاق.
اقطاب
نظرا لأن المسافة الدقيقة البالغة 1 مم بين أقطاب المستشعر أمر بالغ الأهمية للأداء ، يمكن وضع المزيد من أعمال التطوير في هذه الخطوة. على سبيل المثال ، يمكن جعل تركيبات 3D المطبوعة أكثر دقة ، أو يمكن استخدام مخرطة بدلا من قاطع الأنابيب البسيط للقطع وإزالة الأزيز ، إذا كانت المعدات متوفرة. خيار آخر هو استخدام منشار بدلا من قاطع الأنابيب. في هذه الحالة ، يجب طحن حواف المنشار بعد ذلك. تسبب هذه الطريقة تشوها أقل من قاطع الأنابيب ، ولكنها تستغرق وقتا أطول. بالمقارنة مع غراء الايبوكسي ، يمنح السيليكون الكابلات مساحة أكبر للتحرك ، ويصبح من الأسهل إعادة تباعد الأقطاب الكهربائية. ومع ذلك ، نظرا لأن الكابلات بها مساحة أكبر للتحرك ، فمن الصعب إغلاق المستشعر. بدلا من المشبك الفراغي ، الذي يسهل فتحه مرة واحدة ، يكون التصميم الذاتي ممكنا أيضا. هنا ، يجب تغيير ثقوب بعض البراغي وتجويف سلك الختم فقط في تصميم 3D.
MFC
يحدد MFC مقدار الهباء الجوي الذي يتم امتصاصه من خلال المستشعر ؛ يجب أن يكون الباقي قادرا على التصريف من خلال الفائض باستخدام مرشح HEPA الموجود في نهاية الفائض ، لتجنب تلوث الغرفة. من خلال اختيار مضخة أقل تكلفة بدلا من MFC ، ستؤثر تقلبات التدفق الأعلى على إشارة المستشعر بشكل سلبي.
جسر التخفيف
كما هو موضح في الشكل 9 ، يمكن بناء جسر التخفيف بصمام إبرة بسيط مواز لمرشح HEPA واحد أو أكثر. تشمل التصميمات الأخرى ملزمة صغيرة للضغط على الأنبوب بدلا من صمام الإبرة. يتميز هذا التصميم بأنه يمكن تنظيف الأنبوب بسهولة أكبر. كلما زاد عدد الملفات التي تحتوي عليها هذه الملزمة ، يمكن تعديل التركيز بشكل أدق. هذا مهم بشكل خاص لقياسات المعايرة ، حيث يجب تجنب الديناميكيات العالية.
مقاعد البدلاء متعددة
يقيس مقياس مقاعد البدلاء المتعدد الجهد ، والذي يجب تقسيمه على قيمة المقاومة الداخلية للحصول على القيمة الحالية الصحيحة. اعتمادا على نطاق القياس المختار (على سبيل المثال ، 100 فولت) ، يمكن أن تختلف قيمة المقاومة الداخلية هذه (على سبيل المثال ، 1 MΩ). من المهم تحديد نطاق محدد بحيث تكون قيمة المقاومة الداخلية هي نفسها لجميع القيم المقاسة. إذا تم اختيار “النطاق التلقائي” ، فيجب تتبع قيمة المقاومة الداخلية أيضا.
استكشاف الاخطاء
طابعة 3D
إذا توقفت الطابعة ، فيجب فحص الخزان بحثا عن بقايا آخر طباعة ؛ غالبا ما يتعطل الخلاط. يجب على المرء مراقبة الدقائق الأولى من عملية الطباعة. إذا كانت مسدودة ، فذلك إما بسبب عدم ضبط إعدادات مقسم طريقة العرض الصحيحة أو لم يتم تخزين الطباعة الجديدة في ظروف محمية من الأشعة فوق البنفسجية قبل المعالجة اللاحقة. في إعدادات مقسم طريقة العرض، يجب ألا تعيق أي نقاط دعم قناة التدفق والمسافة بين الأقطاب الكهربائية، ويجب إلغاء النقر فوق مربع هياكل الدعم الداخلية قبل إرسال الملف إلى الطابعة.
مصدر الهباء الجوي + جسر التخفيف
إذا بدا مصدر الهباء الجوي غير مستقر ، فيجب فحص جميع مرشحات HEPA للتأكد من أنها في الموضع الصحيح وليست مسدودة. أيضا ، يجب فحص مولد الهباء الجوي وكذلك الأداة المرجعية للتأكد من الانتهاء من مرحلة الإحماء.
مجس
تحدث الأخطاء الأكثر شيوعا بسبب عدم كفاية اتصال مصدر الطاقة ، أو تسرب الهواء في المستشعر ، أو عندما تشكل الجسيمات المترسبة جسور السخام بين الأقطاب الكهربائية. أولا ، يتم فتح المستشعر للتحقق مما إذا كانت جسور السخام قد تشكلت بين الأقطاب الكهربائية. يجب إيقاف تشغيل مصدر الطاقة قبل فصل كبلات المستشعر وفتح المستشعر. يمكن رؤية جسور السخام بسهولة بالعين المجردة ويمكن إزالتها بجهد قليل. لإزالة جسور السخام ، من الأفضل استخدام قطعة قماش للتنظيف البصري أو قطعة قطن خالية من النسالة.
يمكن أن يؤدي التسرب الذي يغير سلوك التدفق في المستشعر ، بالإضافة إلى انخفاض الجهد عند الأقطاب الكهربائية ، إلى تغيير إشارة المستشعر. لا يمكن تحديد أي من هذه المشاكل مسؤولة مسبقا عن استجابة مستشعر غير متوقعة. لذلك ، من المهم التحقق من كل من الضيق واستقرار الجهد على النحو التالي. أولا ، يتم فحص الاتصال من الكبل إلى الأقطاب الكهربائية (خطوة البروتوكول 4.4). بعد ذلك ، يتم فحص مصدر الجهد لمعرفة ما إذا كان يوفر الفولت المتوقع. من الأفضل تحديد تسرب الهواء برذاذ التسرب. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أيضا التحقق من الضيق باستخدام مضخة تفريغ ، كما هو موضح في البروتوكول الخطوة 4.4.2.
القيود
تم وصف حدود المستشعر الكهروستاتيكي بشكل جيد بواسطة Maricq et al.14. في عملهم ، يؤكدون على أهمية مصدر جهد ثابت وتدفق مستشعر مستقر لأداء المستشعر. لهذا السبب ، يجب دائما استخدام الإعداد مع MFC أو مضخة للتحكم في التدفق ، كما هو موضح في الشكل 10. بالإضافة إلى ذلك ، يحتاج المستشعر إلى وقت أطول للوصول إلى التوازن أثناء الاختبار الأول. في تجارب أخرى ، حيث استقرت مجموعة التغصنات المستقرة على الأقطاب الكهربائية ، يتم تقليل مقدار الوقت لبدء تشغيل المستشعر. ومع ذلك ، تجدر الإشارة عموما إلى أن المستشعر يحتاج دائما إلى وقت بدء التشغيل ليصبح جاهزا للعمل اعتمادا على التركيز الأولي.
على عكس التصميم المسطح ، كما هو الحال في Bilby et al. ، فإن انحراف المستشعر ليس مشكلة كبيرة في هذا الترتيب الأسطواني12. ومع ذلك ، لا يزال من الصعب اكتشاف التغيرات السريعة في التركيز عند تركيزات الجسيمات المنخفضة باستخدام المستشعر. كما أشار Diller et al. و Maricq et al. ، للحصول على إشارة قياس ذات مغزى ، يتم متوسط القيمة المقاسة على مدى 2-10 دقائق ، اعتمادا على مقدار تغير التدفق في التجربة14,15.
مع ميل 2.8 nAm3 / mg وانحراف معياري قدره ±1.4 nA ، يكون الانحراف عن خط الانحدار في الشكل 11 مرتفعا. لفهم دقة المستشعر بشكل أفضل ، يوصى بمقارنة العديد من التجارب. بالنسبة للتجارب المتكررة ، يمثل الميل 3.5 nAm 3 / mg مع انحراف معياري قدره ±1.0 nA ، و 4.9 nAm3 / mg مع انحراف معياري قدره ± 0.6 nA. بالإضافة إلى ذلك ، سيعطي المستشعر قراءة عالية جدا في اللحظة التي يتم فيها تشغيل مصدر الجهد. تتم تصفية قيمة البدء هذه من بيانات القياس.
تكمن ميزة الطريقة المعروضة هنا بوضوح في البساطة ، ولكن أيضا في الإمكانيات المتنوعة لتكييف شكل المستشعر مع الاحتياجات المختلفة. لذلك ، بالإضافة إلى السخام ، يمكن للمستشعر اكتشاف مجموعة كبيرة ومتنوعة من الجسيمات المشحونة وهو مناسب لمجموعة واسعة من التطبيقات ، على سبيل المثال ، اكتشاف الجسيمات من محطات الطاقة وحرائق الغابات والصناعات والسيارات. يجب أن تكون هذه الورقة حافزا للوكالات والشركات وفرق البحث والعلماء المواطنين وأي شخص مهتم بالكشف عن الجسيمات لإعادة إنتاج دليل بناء المستشعر البسيط هذا وبناء كاشف الجسيمات الخاص بهم.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم تمويل هذا العمل من قبل مركز COMET “مركز أبحاث تكامل الأنظمة الذكية ASSIC-النمساوي”. يتم تمويل ASSIC بشكل مشترك من قبل BMK و BMDW ومقاطعتي كارينثيا وستيريا النمساويتين ضمن برنامج مراكز كفاءة المذنبات للتكنولوجيات الممتازة التابع للوكالة النمساوية لتعزيز البحوث (FFG).
Materials
| 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 |
| 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 | |
| Steckverbinder reduziert mit Stecknippel | ESSKA | IQSG120H6000 | |
| 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. , (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).
