Kostengünstiger Partikeldetektor für die additive Fertigung
Summary
Hier stellen wir ein Protokoll vor, wie ein einfacher, aber effizienter und kostengünstiger Teilchendetektor gebaut und getestet werden kann.
Abstract
Da Partikel mit einer Größe von 1 μm oder kleiner ein ernsthaftes Gesundheitsrisiko für den menschlichen Körper darstellen, ist die Detektion und Regulierung von Partikelemissionen von großer Bedeutung. Ein großer Teil der Feinstaubemissionen entfällt auf den Verkehrssektor. Die meisten kommerziell erhältlichen Teilchendetektoren sind sperrig, sehr teuer und benötigen zusätzliche Ausrüstung. In diesem Artikel wird ein Protokoll zum Aufbau und Testen eines eigenständigen Teilchendetektors vorgestellt, der klein und kostengünstig ist.
Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Beschreibung der ausführlichen Bauanleitung mit Video und dem Verfahren zur Sensorauswertung. Das computergestützte Designmodell des Sensors ist im Ergänzungsmaterial enthalten. Das Handbuch erklärt alle Konstruktionsschritte, vom 3D-Druck bis zum voll funktionsfähigen Sensor. Der Sensor kann geladene Teilchen detektieren und eignet sich daher für eine Vielzahl von Anwendungen. Ein mögliches Einsatzgebiet wäre die Rußdetektion aus Kraftwerken, Waldbränden, Industrien und Automobilen.
Introduction
Das Einatmen von Partikeln mit einer Größe von 1 μm oder kleiner birgt ein hohes Risiko für gesundheitliche Beeinträchtigungen des menschlichen Körpers. Mit zunehmender Umweltbelastung durch Verbrennungsprozesse nehmen Atemwegserkrankungen in der Bevölkerung zu 1,2,3. Um die Gesundheit zu fördern und der Verschmutzung entgegenzuwirken, ist es notwendig, zunächst die Verschmutzungsquellen zu identifizieren und den Grad der Verschmutzung zu quantifizieren. Dies kann mit vorhandenen Teilchendetektoren erfolgen. Diese sind jedoch groß und sehr oft viel zu teuer für private oder Citizen-Science-Zwecke.
Viele der kommerziell erhältlichen Teilchendetektoren sind sperrig, sehr teuer und erfordern zusätzliche Ausrüstung, um betrieben zu werden4. Die meisten von ihnen benötigen auch mehrere Aerosolkonditionierungsschritte. Zum Beispiel wird eine Verdünnung für Detektoren benötigt, die Lichtstreuung als Messprinzip verwenden, und der Messbereich ist durch die Wellenlänge 5,6,7 begrenzt. Teilchendetektoren, die laserinduziertes Glühen als Detektionsprinzip nutzen, benötigen sowohl hochenergetische Laserquellen als auch ein energieaufwändiges Kühlsystem8.
Partikeldetektoren, die Kondensationspartikelzähler verwenden, werden normalerweise als Goldstandard für die Messung der Partikelkonzentration verwendet. Diese benötigen Vorkonditionierung, Verdünnung und Arbeitsflüssigkeiten (z. B. Butanol)9,10,11. Die Vorteile eines elektrostatischen Sensors liegen in der einfachen und kompakten Bauweise und den geringen Herstellungskosten. Im Vergleich zu Kondensationspartikelzählern sind jedoch erhebliche Abstriche hinsichtlich der Genauigkeit zu machen.
Ein elektrostatischer Sensor stellt eine Alternative zu diesen Methoden dar. Elektrostatische Sensoren können robust, leicht, kostengünstig in der Herstellung und unbeaufsichtigt betrieben werden. Die einfachste Form eines elektrostatischen Sensors ist ein paralleler Plattenkondensator mit einem hohen elektrischen Feld zwischen seinen Platten. Wenn Aerosol in den Hochspannungsbereich zwischen den beiden Kupferelektroden gefördert wird, lagern sich natürlich geladene Partikel an den Elektroden unterschiedlicher Polaritätab 12 (Abbildung 1).
Dendriten bilden sich auf der Oberfläche der Elektroden in Richtung der Feldlinien der angelegten Hochspannung zwischen den Elektroden und werden über Kontaktladung aufgeladen. Fragmente dieser Dendriten brechen schließlich von den Elektroden ab und lagern sich mit entgegengesetzter Polarität wieder auf der Elektrode ab, wobei ihre Ladung übertragen wird. Diese Fragmente tragen eine hohe Anzahl von Ladungen. Da die Elektrode geerdet ist, erzeugt die deponierte Ladung einen Strom, der zu einem Spannungsabfall am Innenwiderstand des Tischmultimeters führt. Je häufiger dies pro Zeiteinheit geschieht, desto höher ist der Strom und desto höher ist der Spannungsabfall (Abbildung 2).
Aufgrund der hohen Spannung, die durch die Ladungseinlagerung der Fragmente induziert wird, wird keine weitere Verstärkerelektronik benötigt. Die Bildung von Dendritenabbruchpartikeln und die anschließende Ladungsabgabe dieser Partikel stellt eine natürliche Signalverstärkung12 dar. Das resultierende Sensorsignal ist proportional zur Partikelmassenkonzentration. Dieses Signal kann mit einem handelsüblichen Tischmultimeter detektiert werden.
Abbildung 1: Schaltplan des Sensors. Das Aerosol strömt in den Aerosoleinlass, breitet sich durch den linken Strömungskanal aus und erreicht dann den Spalt zwischen der Hochspannungselektrode (Innenelektrode) und der Messelektrode (Außenelektrode). Dort tragen die Partikel zum Dendritenwachstum und, wie bereits erläutert, zum Abbruch bei und erzeugen so die Sensorantwort. Danach strömen die Partikel weiter durch den rechten Strömungskanal und verlassen den Sensor am Aerosolaustritt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 2: Physikalisches Prinzip. Positiv und negativ geladene Teilchen sowie neutrale Teilchen treten in den Spalt zwischen den Elektroden entgegengesetzter Polarität ein. Sie werden durch die elektrischen Feldlinien auf die entgegengesetzte Elektrode umgelenkt und lagern dort ihre Ladung ab. Dann werden sie Teil eines Dendriten und übernehmen die Ladung der jeweiligen Elektrode. Die Felddichte ist an der Dendritenspitze am höchsten, wo mehr Partikel gefangen werden. Übersteigt die Widerstandskraft die Bindungskräfte, brechen Segmente der Dendriten ab, die wiederum auf die gegenüberliegende Elektrode treffen und ihre Ladungen ablagern. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Mit einem zylindrischen Design, wie in Warey et al.10, kann die Wahrscheinlichkeit der Bildung von Rußbrücken minimiert werden. Dort finden Sie weitere Informationen über die Sensorgeometrie, die angelegte Spannung, die Gasströmungsgeschwindigkeit und die Feinstaubkonzentration. Sie deuten auf eine Korrelation des Sensorsignals mit Feinstaub hin, der durch den Sensor strömt (Gleichung 1).
Sensor (V) = 5,7 × 10-5 C V 0 e0,62V × 
(1)
C ist die Massenkonzentration des Feinstaubs, V0 ist die angelegte Spannung, V ist die Abgasgeschwindigkeit, L ist die Elektrodenlänge und S ist der Elektrodenabstand13.
Bilby et al. konzentrierten sich auf die detaillierte Untersuchung der zugrunde liegenden physikalischen Wirkung des elektrostatischen Sensors9. Diese Studien umfassten einen optisch zugänglichen Aufbau und ein kinetisches Modell, um die Signalverstärkung des Dendriten-basierten Sensors zu erklären (siehe Gleichungen 2 und 3).
(2)
(3)
S stellt einen Stapel von Rußscheiben aus 10-100 Rußagglomeraten mit einer Größe von 50-100 nm dar; D n stellt einen Dendriten mitn Scheiben dar; Br bezeichnet ein abbrechendes Fragment, das aus f-Scheiben besteht; S und ki sind die Geschwindigkeitskonstanten12.
In diesem Artikel wird ein Protokoll vorgestellt, wie ein einfacher, aber effizienter, kostengünstiger Teilchendetektor gebaut und getestet werden kann, der ohne weitere Ausrüstung für hohe Partikelkonzentrationen verwendet werden kann. Bisherige Arbeiten zu dieser Art von elektrostatischen Sensoren konzentrierten sich hauptsächlich auf Abgasmessungen. In dieser Arbeit werden im Labor erzeugte Rußpartikel als Testaerosole verwendet. Der beschriebene Sensor basiert auf früheren Arbeiten von Warey et al. und Bilby et al.12,13.
Das Sensorgehäuse besteht aus einem auf Stereolithografie basierenden 3D-gedruckten Körper, Koaxialelektroden, die aus Kupferrohren geschnitten werden, einer Vakuumdichtung und einer Vakuumklemme. Materialien wie Vakuumdichtung, Kabel, Kupferrohre und 3D-Harz für einen Sensor kosten weniger als 40 €. Die zusätzlich benötigte Ausrüstung ist eine Hochspannungsquelle, ein USB-Tischmultimeter und eine Lötstation. Zur Auswertung des Sensors werden zusätzlich einmalig eine definierte Aerosolquelle und ein Referenzgerät benötigt (siehe Materialtabelle). Die Größe des in diesem Protokoll beschriebenen Sensors beträgt 10 cm x 7 cm. Diese Größe wurde speziell für das Experiment gewählt und kann noch deutlich reduziert werden (siehe Modifikationen/Sensorabmessungen in der Diskussion).
Dieses Protokoll beschreibt, wie ein einfacher, kostengünstiger Partikelsensor gebaut, getestet und verwendet wird. Eine schematische Darstellung des Protokolls ist in Abbildung 3 dargestellt, beginnend mit dem 3D-Druck der Sensorhülle und der Elektrodenherstellung, der Montage des Sensors sowie Tests und einem Beispiel für die Feldanwendung des Sensors.
Abbildung 3: Schematische Darstellung der Methode. Das Protokoll gliedert sich in vier Hauptschritte. Zunächst werden alle Teile für das Sensorgehäuse gedruckt. Anschließend werden die Elektroden hergestellt. Im dritten Schritt wird das 3D-gedruckte Sensorgehäuse mit den Elektroden und der Vakuumdichtung montiert. Im letzten Schritt wird die Sensorleistung bewertet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Die wichtigsten Schritte des 3D-Druckprozesses sind in Abbildung 4 dargestellt. Zunächst werden die richtigen Slicer-Einstellungen für den Druck ausgewählt. Anschließend werden die wichtigsten Teile des Drucks und die Vorverarbeitung des 3D-gedruckten Modells besprochen. Für diesen Schritt wird ein Resin-3D-Drucker mit Isopropanolbad und UV-Härtevorrichtung sowie ein Geradschleifer benötigt.
Abbildung 4: Schematische Darstellung des 3D-Drucks. (A) Das 3D-Modell des Slicers ist dargestellt; (B) den Drucker während des Druckvorgangs. Nachbearbeitungsschritte: (C) Spülen und (D) UV-Härtung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 5 zeigt die wichtigsten Schritte der Elektrodenherstellung: die Formgebung der Elektroden sowie das Löten des Kontakts zu den Elektroden. Für diesen Schritt werden zwei Kupferrohre mit unterschiedlichen Durchmessern, ein Messschieber, ein Rohrschneider, ein Geradschleifer, ein Schraubstock, eine Lötstation und Lötzinn, isolierte Kabel mit zwei verschiedenen Farben, Thermoschutzhandschuhe und ein Drahtschneider benötigt.
Abbildung 5: Elektrodenherstellung: (A) Messen, (B) Schneiden, (C) Entgraten und (D) Löten der Elektroden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Im Montageabschnitt des Protokolls wird erläutert, wie der Sensor zusammengebaut wird. Die wichtigsten Sensorteile sind in Abbildung 6 dargestellt, nämlich der äußere Elektrodenhalter, der Strömungskanal und der innere Elektrodenhalter. Abbildung 7 zeigt die wichtigsten Schritte in der Sensormontage. Für diesen Schritt werden Epoxidkleber, Schutzkleidung, eine Vakuumversiegelung, eine Vakuumklemme, eine Schutzbrille und Handschuhe benötigt.
Abbildung 6: Sensorteile . (A) Der äußere Elektrodenhalter, (B) der Durchflusskanal und (C) der innere Elektrodenhalter. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 7: Sensorbaugruppe. Alle Schritte der Sensormontage werden gezeigt. A-E zeigt den Zusammenbau einer Hälfte des Sensors. (A) Der innere Elektrodenhalter ist mit dem Strömungskanal verklebt. (B) Die innere Elektrode wird auf den inneren Elektrodenhalter aufgesetzt. (C) Die äußere Elektrode wird in den äußeren Elektrodenhalter eingesetzt. (D) Der äußere Elektrodenhalter wird auf den Durchflusskanal + die innere Elektrodenhalterbaugruppe geklebt. (E) Die Vakuumversiegelung rastet in die äußere Elektrode der einen Sensorhälfte ein und rastet dann in (C), die identische zweite äußere Elektrode der anderen Sensorhälfte, ein. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Im Testteil wird erklärt, wie das Experiment aufgebaut wird, um den neu gebauten Sensor mit einem Referenzinstrument zu vergleichen. Für diesen Schritt werden ein Tischmultimeter, eine Vakuumpumpe, eine Hochspannungsversorgung, ein Aerosolgenerator, eine Verdünnungsbrücke, Aerosolschläuche, eine Y-Verschraubung, ein Massendurchflussregler (MFC), ein Aerosolmischer, ein Referenzinstrument und ein Wattestäbchen benötigt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kritische Schritte
Nachbearbeitung des Drucks
Fast jeder Schritt in diesem Protokoll kann pausiert oder verschoben werden, mit Ausnahme der Nachbearbeitung der frisch gedruckten 3D-Teile (Protokollschritt 1.5). Wird der UV-Schutzschirm des Druckers geöffnet, sollte sofort mit der Nachbearbeitung begonnen werden, da sonst die kleinen Kabelkanäle, sowie der Hohlraum für die Dichtung verstopfen. Die Passgenauigkeit der Kavität sorgt dafür, dass der Sensor luftdicht verschlossen werden kann. Dies ist wichtig, da der Sensor sehr empfindlich auf Strömungsschwankungen reagiert. Wichtig ist auch der Härtungsprozess (Protokollschritt 1.4); Wird die Temperatur zu hoch eingestellt, wird das Material zu spröde und kann unter den Kräften, die die Klemme auf den äußeren Elektrodenhalter ausübt, brechen.
Herstellung von Elektroden
Das sorgfältige Schneiden und Entgraten (Protokollschritte 2.2-2.3) der Elektroden ist sehr wichtig, da Unregelmäßigkeiten im Elektrodenspalt Störungen in den elektrischen und Geschwindigkeitsfeldern verursachen, was zu einer schlechten Sensorleistung führt. Im schlimmsten Fall kann eine starke Unregelmäßigkeit dazu führen, dass sich die Elektroden so nahe kommen, dass die Durchbruchspannung überschritten wird und es zu einem Kurzschluss kommt. Ab diesem Zeitpunkt kann keine Aussage mehr über das Messsignal getroffen werden und die Messelektronik ist anfällig für Beschädigungen.
Versammlung
Die Montage des Sensors (Protokollschritte 3.4-3.6) ist entscheidend, da dadurch der Elektrodenspalt entsteht. Wie oben erwähnt, ist der Abstand zwischen den Elektroden sehr wichtig; Dieser Spalt muss über die gesamte Länge gleichmäßig 1 mm betragen. Diese Schritte sind wichtig, da sie das elektrische Feld im Sensor drastisch verändern können. Das gesamte Abscheideverhalten sowie die Dendritenbildung können durch die Änderung des elektrischen Feldes beeinflusst werden. Somit kann nicht mehr garantiert werden, dass die Sensorantwort linear zum einfallenden Aerosol ist. Auch hier gilt das Worst-Case-Szenario eines Kurzschlusses.
Änderungen
3D-Druck
Weitere mögliche Modifikationen sind die Verwendung verschiedener 3D-Druckharze. Es gibt viele verschiedene Harze auf dem Markt, die die Dichte, Flexibilität, Temperaturbeständigkeit und Festigkeit des Sensorgehäuses verändern können.
Abmessungen des Sensors
Das erste Designkriterium für den Sensor ist eine Sicherheitskonfiguration. Die Durchschlagsfestigkeit der Luft zwischen den Elektroden beträgt 3 mm/kV. Diese Länge darf auf keinen Fall unterschritten werden. Je höher das elektrische Potential ist, desto mehr Teilchen lagern sich ab, und diese abgeschiedenen Teilchen neigen dann zur Bildung von Dendriten. Die Abmessungen der Elektroden wurden so gewählt, dass leicht verfügbare Standardkomponenten verwendet werden können. Entwürfe ähnlicher Sensoren, die den Autoren bekannt waren, verwendeten die folgenden Abmessungen für einen flachen Sensor: 9 mm Breite, 2 mm Länge, 1 mm Spalt und 15 mm Länge, mit einem Durchmesser von 8,5 mm und einem Spalt von 1,3 mm für eine zylindrische Bauform12,13. Zudem sollte darauf geachtet werden, dass der Sensor in einer normalen Werkstatt von Hand gefertigt werden kann. Ein Spalt von 1 mm ist der absolute Mindestspalt, der es noch ermöglicht, den Sensor manuell zu reinigen. Hier wurde 1 kV als guter Kompromiss aus Sicherheit und effizienter Partikelabscheidung sowie der Verfügbarkeit von Spannungsquellen in diesem Bereich verwendet.
Elektroden
Da der exakte Abstand von 1 mm zwischen den Sensorelektroden so entscheidend für die Performance ist, kann noch mehr Entwicklungsarbeit in diesen Schritt gesteckt werden. So kann beispielsweise die 3D-gedruckte Vorrichtung noch genauer gemacht werden, oder eine Drehmaschine anstelle eines einfachen Rohrschneiders zum Schneiden und Entgraten verwendet werden, wenn die Ausrüstung vorhanden ist. Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine Säge anstelle eines Rohrschneiders zu verwenden. In diesem Fall müssen die Kanten der Säge anschließend geschliffen werden. Diese Methode verursacht weniger Verformungen als der Rohrschneider, dauert aber länger. Im Vergleich zu Epoxidkleber gibt Silikon den Kabeln mehr Bewegungsfreiheit und es wird einfacher, die Elektroden neu zu platzieren. Da die Kabel jedoch mehr Bewegungsfreiheit haben, ist es schwieriger, den Sensor abzudichten. Anstelle der Vakuumklemme, die sich auf Anhieb leichter öffnen lässt, ist auch eine Eigenkonstruktion denkbar. Hier müssen in der 3D-Konstruktion lediglich Löcher für einige Schrauben und ein Hohlraum für die Dichtschnur verändert werden.
MFC
Der MFC bestimmt, wie viel des Aerosols durch den Sensor gesaugt wird. Der Rest sollte durch einen Überlauf mit einem HEPA-Filter am Ende des Überlaufs abgelassen werden können, um eine Verschmutzung des Raumes zu vermeiden. Wenn Sie sich für eine kostengünstigere Pumpe anstelle einer MFC entscheiden, beeinflussen höhere Durchflussschwankungen das Sensorsignal negativ.
Verdünnungsbrücke
Wie in Abbildung 9 zu sehen ist, kann eine Verdünnungsbrücke mit einem einfachen Nadelventil parallel zu einem oder mehreren HEPA-Filtern aufgebaut werden. Andere Designs enthalten einen kleinen Schraubstock, um den Schlauch anstelle des Nadelventils zu quetschen. Diese Konstruktion hat den Vorteil, dass der Schlauch leichter gereinigt werden kann. Je mehr Windungen ein solcher Schraubstock hat, desto feiner kann die Konzentration eingestellt werden. Dies ist besonders wichtig für Kalibriermessungen, bei denen eine hohe Dynamik vermieden werden soll.
Tisch-Multimeter
Das Tischmultimeter misst eine Spannung, die durch den Wert des Innenwiderstands dividiert werden muss, um den korrekten Stromwert zu erhalten. Je nach gewähltem Messbereich (z.B. 100 V) kann dieser Innenwiderstandswert variieren (z.B. 1 MΩ). Es ist wichtig, einen definierten Bereich zu wählen, damit der Innenwiderstandswert für alle Messwerte gleich ist. Wenn “Auto Range” gewählt wird, muss auch der Innenwiderstandswert verfolgt werden.
Fehlerbehebung
3D-Drucker
Wenn der Drucker stoppt, sollte der Tank auf Rückstände des letzten Drucks überprüft werden. Der Mischer bleibt oft stecken. Man sollte die ersten Minuten des Druckvorgangs beachten. Wenn er verstopft ist, liegt das entweder daran, dass nicht die richtigen Slicer-Einstellungen vorgenommen wurden oder der frische Druck vor der Nachbearbeitung nicht unter UV-geschützten Bedingungen gelagert wurde. In den Slicer-Einstellungen dürfen keine Stützpunkte den Strömungskanal und den Raum zwischen den Elektroden behindern, und das Kästchen für die internen Stützstrukturen muss deaktiviert werden, bevor die Datei an den Drucker gesendet wird.
Aerosolquelle + Verdünnungsbrücke
Wenn die Aerosolquelle instabil erscheint, sollten alle HEPA-Filter überprüft werden, um sicherzustellen, dass sie sich in der richtigen Position befinden und nicht verstopft sind. Außerdem sollten sowohl der Aerosolgenerator als auch das Referenzgerät überprüft werden, um sicherzustellen, dass sie ihre Aufwärmphase beendet haben.
Sensor
Die häufigsten Fehler entstehen durch eine unzureichende Stromversorgung, ein Luftleck am Sensor oder wenn abgelagerte Partikel Rußbrücken zwischen den Elektroden bilden. Zunächst wird der Sensor geöffnet, um zu prüfen, ob sich Rußbrücken zwischen den Elektroden gebildet haben. Die Stromquelle muss ausgeschaltet werden, bevor die Sensorkabel abgezogen und der Sensor geöffnet wird. Rußbrücken sind mit bloßem Auge gut sichtbar und können mit wenig Aufwand entfernt werden. Um Rußbrücken zu entfernen, verwenden Sie am besten ein optisches Reinigungstuch oder ein fusselfreies Wattestäbchen.
Ein Leck, das das Fließverhalten im Sensor verändert, sowie eine niedrigere Spannung an den Elektroden können das Sensorsignal verändern. Es ist nicht möglich, im Voraus zu sagen, welches dieser Probleme für eine unerwartete Sensorreaktion verantwortlich ist. Daher ist es wichtig, sowohl die Dichtheit als auch die Spannungsstabilität wie folgt zu überprüfen. Zunächst wird die Verbindung vom Kabel zu den Elektroden geprüft (Protokollschritt 4.4). Als nächstes wird die Spannungsquelle überprüft, um festzustellen, ob sie die erwarteten Volt liefert. Ein Luftleck wird am besten mit Leckspray identifiziert. Darüber hinaus kann die Dichtheit auch mit einer Vakuumpumpe überprüft werden, wie in Protokollschritt 4.4.2 beschrieben.
Begrenzungen
Die Limitierung eines elektrostatischen Sensors wird von Maricq et al.14 gut beschrieben. In ihrer Arbeit betonen sie die Bedeutung einer stabilen Spannungsquelle und eines stabilen Sensorflusses für die Leistungsfähigkeit des Sensors. Aus diesem Grund sollte für die Durchflussregelung immer ein Setup mit einem MFC oder einer Pumpe verwendet werden, wie in Abbildung 10 beschrieben. Hinzu kommt, dass der Sensor beim ersten Test eine längere Zeit benötigt, um das Gleichgewicht zu erreichen. In weiteren Experimenten, in denen sich eine stabile Dendritenpopulation auf den Elektroden angesiedelt hat, verkürzt sich die Zeit bis zum Starten des Sensors. Generell ist jedoch zu beachten, dass der Sensor je nach Anfangskonzentration immer eine Anlaufzeit benötigt, um betriebsbereit zu werden.
Im Gegensatz zu einer flachen Bauweise, wie bei Bilby et al., ist die Sensordrift bei dieser zylindrischen Anordnung kein großes Problem12. Schnelle Konzentrationsänderungen bei niedrigen Partikelkonzentrationen sind mit dem Sensor jedoch noch schwer zu erkennen. Wie von Diller et al. und Maricq et al. angegeben, wird für ein aussagekräftiges Messsignal der Messwert über 2-10 min gemittelt, je nachdem, wie stark sich die Strömung im Experiment ändert14,15.
Mit einer Steigung von 2,8nAm3/mg und einer Standardabweichung von ±1,4 nA ist die Abweichung von der Regressionsgeraden in Abbildung 11 hoch. Für ein besseres Verständnis der Sensorgenauigkeit empfiehlt sich der Vergleich mehrerer Experimente. Bei wiederholten Experimenten beträgt die Steigung 3,5 nAm3/mg mit einer Standardabweichung von ±1,0 nA und 4,9nAm3/mg mit einer Standardabweichung von ± 0,6 nA. Darüber hinaus liefert der Sensor einen sehr hohen Messwert, sobald die Spannungsquelle eingeschaltet wird. Dieser Startwert wird aus den Messdaten herausgefiltert.
Der Vorteil der hier vorgestellten Methode liegt ganz klar in der Einfachheit, aber auch in den vielseitigen Möglichkeiten, die Sensorform an unterschiedliche Bedürfnisse anzupassen. Daher kann der Sensor neben Ruß auch eine Vielzahl geladener Teilchen detektieren und eignet sich für eine Vielzahl von Anwendungen, zum Beispiel die Feinstaubdetektion von Kraftwerken, Waldbränden, Industrien und Automobilen. Dieses Papier soll ein Anreiz für Behörden, Unternehmen, Forschungsteams, Citizen Scientists und alle, die sich für die Detektion von Feinstaub interessieren, sein, diese einfache Sensorbauanleitung zu reproduzieren und einen eigenen Teilchendetektor zu bauen.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde vom COMET-Zentrum “ASSIC-Austrian Smart Systems Integration Research Center” gefördert. ASSIC wird vom BMK, dem BMDW und den österreichischen Bundesländern Kärnten und Steiermark im Rahmen des COMET-Kompetenzzentrums für exzellente Technologien der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) kofinanziert.
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
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