Additive Manufacturing-enabled low-cost deeltjesdetector
Summary
Hier presenteren we een protocol voor het bouwen en testen van een eenvoudige maar efficiënte goedkope deeltjesdetector.
Abstract
Aangezien deeltjes met een grootte van 1 μm of kleiner een ernstig gezondheidsrisico vormen voor het menselijk lichaam, is de detectie en regulering van deeltjesemissies van groot belang. Een groot deel van de fijnstofuitstoot wordt uitgestoten door de transportsector. De meeste in de handel verkrijgbare deeltjesdetectoren zijn omvangrijk, erg duur en hebben extra apparatuur nodig. Dit artikel presenteert een protocol voor het bouwen en testen van een stand-alone deeltjesdetector die klein en kostenefficiënt is.
De focus van dit artikel ligt op de beschrijving van de gedetailleerde bouwhandleiding met video en de sensorevaluatieprocedure. Het computerondersteunde ontwerpmodel van de sensor is opgenomen in het aanvullende materiaal. In de handleiding worden alle bouwstappen uitgelegd, van 3D-printen tot de volledig operationele sensor. De sensor kan geladen deeltjes detecteren en is daarom geschikt voor een breed scala aan toepassingen. Een mogelijk toepassingsgebied zou roetdetectie zijn van energiecentrales, bosbranden, industrieën en auto’s.
Introduction
Inademing van deeltjes met een grootte van 1 μm of kleiner vormt een hoog risico op nadelige gezondheidseffecten op het menselijk lichaam. Met toenemende milieuvervuiling door verbrandingsprocessen groeien luchtwegaandoeningen in de bevolking 1,2,3. Om de gezondheid te bevorderen en vervuiling tegen te gaan, is het noodzakelijk om eerst de bronnen van vervuiling te identificeren en de mate van vervuiling te kwantificeren. Dit kan met bestaande deeltjesdetectoren. Deze zijn echter groot en vaak veel te duur voor private of citizen science doeleinden.
Veel van de in de handel verkrijgbare deeltjesdetectoren zijn omvangrijk, erg duur en vereisen extra apparatuur om te worden gebruikt4. De meesten van hen hebben ook verschillende aerosol-conditioneringsstappen nodig. Verdunning is bijvoorbeeld nodig voor detectoren die lichtverstrooiing als meetprincipe gebruiken en het meetbereik wordt beperkt door de golflengte 5,6,7. Deeltjesdetectoren die lasergeïnduceerde gloeien als detectieprincipe gebruiken, hebben zowel hoogenergetische laserbronnen als een energieverslindend koelsysteemnodig 8.
Deeltjesdetectoren die condensatiedeeltjestellers gebruiken, worden normaal gesproken gebruikt als de gouden standaard voor het meten van de deeltjesconcentratie; Deze hebben conditionerings-, verdunnings- en werkvloeistoffen nodig (bijv. Butanol)9,10,11. De voordelen van een elektrostatische sensor liggen in het eenvoudige en compacte ontwerp en de lage fabricagekosten. In vergelijking met condensatiedeeltjestellers moeten echter aanzienlijke conclusies worden getrokken met betrekking tot de nauwkeurigheid.
Een elektrostatische sensor is een alternatief voor deze methoden. Elektrostatische sensoren kunnen robuust, licht, goedkoop te produceren zijn en kunnen zonder toezicht worden bediend. De eenvoudigste vorm van een elektrostatische sensor is een parallelle plaatcondensator met een hoog elektrisch veld tussen de platen. Terwijl aerosol in het hoogspanningsgebied tussen de twee koperelektroden wordt getransporteerd, zetten natuurlijk geladen deeltjes zich af op de elektroden met verschillende polariteit12 (figuur 1).
Dendrieten vormen zich op het oppervlak van de elektroden in de richting van de veldlijnen van de toegepaste hoogspanning tussen de elektroden en worden geladen via contactlading. Fragmenten van deze dendrieten breken uiteindelijk de elektroden af en komen opnieuw op de elektrode met tegengestelde polariteit, waardoor hun lading wordt overgedragen. Deze fragmenten dragen een groot aantal ladingen. Omdat de elektrode geaard is, genereert de gedeponeerde lading een stroom die leidt tot een spanningsval bij de interne weerstand van de tafelmultimeter. Hoe vaker dit per tijdseenheid gebeurt, hoe hoger de stroom en dus hoe hoger de spanningsval (figuur 2).
Door de hoge spanning die wordt veroorzaakt door de ladingsafzetting van de fragmenten is geen verdere versterkerelektronica nodig. De vorming van dendrietafbraakdeeltjes en de daaropvolgende ladingsafgifte van deze deeltjes vertegenwoordigt een natuurlijke signaalversterking12. Het resulterende sensorsignaal is evenredig met de deeltjesmassaconcentratie. Dit signaal kan worden gedetecteerd met een kant-en-klare bankmultimeter.
Figuur 1: Sensorschema’s. Aerosol stroomt in de aerosolinlaat, wordt door het linkerstroomkanaal gepropageerd en bereikt vervolgens de opening tussen de hoogspanningselektrode (binnenelektrode) en de meetelektrode (buitenelektrode). Daar dragen de deeltjes bij aan de groei van dendriet en, zoals eerder uitgelegd, aan de afbraak, waardoor de sensorrespons wordt gegenereerd. Daarna stromen de deeltjes verder door het rechter stromingskanaal en verlaten de sensor bij de aerosoluitlaat. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Fysisch principe. Positief en negatief geladen deeltjes, evenals neutrale deeltjes, komen in de opening tussen de elektroden van tegengestelde polariteit. Ze worden door de elektrische veldlijnen omgeleid naar de elektrode van tegengestelde polariteit en zetten daar hun lading af. Vervolgens worden ze onderdeel van een dendriet en nemen ze de lading van de respectieve elektrode over. De velddichtheid is het hoogst aan de dendrietpunt, waar meer deeltjes worden opgesloten. Wanneer de weerstandskracht de bindingskrachten overschrijdt, breken segmenten van de dendrieten af, die op hun beurt de tegenovergestelde elektrode raken en hun ladingen afzetten. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Met een cilindrisch ontwerp, zoals in Warey et al.10, kan de kans op roetbrugvorming worden geminimaliseerd. Meer informatie over de sensorgeometrie, toegepaste spanning, gasstroomsnelheid en fijnstofconcentratie is daar te vinden. Ze suggereren correlatie van het sensorsignaal met deeltjes die door de sensor stromen (vergelijking 1).
Sensor (V) = 5,7 × 10-5 C V 0 e0,62V × 
(1)
C is de massaconcentratie van het fijnstof, V0 is de toegepaste spanning, V is de uitlaatsnelheid, L is de elektrodelengte en S is de elektrodespleet13.
Bilby et al. richtten zich op de gedetailleerde studie van het onderliggende fysieke effect van de elektrostatische sensor9. Deze studies omvatten een optisch toegankelijke opstelling en een kinetisch model om de signaalversterking van de op dendriet gebaseerde sensor te verklaren (zie vergelijkingen 2 en 3).
(2)
(3)
S staat voor een stapel roetschijven van 10-100 roethaglomeraten met een grootte van 50-100 nm; D n staat voor een dendriet metn schijven; Br duidt op een afbraakfragment dat bestaat uit f-schijven; S en ki zijn snelheidsconstanten12.
Dit artikel presenteert een protocol voor het bouwen en testen van een eenvoudige maar efficiënte goedkope deeltjesdetector die zonder verdere apparatuur kan worden gebruikt voor hoge deeltjesconcentraties. Eerder werk aan dit type elektrostatische sensor was vooral gericht op uitlaatmetingen. In dit werk worden in het laboratorium gegenereerde roetdeeltjes gebruikt als testaërosolen. De beschreven sensor is gebaseerd op ‘eerder werk van Warey et al. en Bilby et al12,13.
Het sensorlichaam bestaat uit een op stereolithografie gebaseerde 3D-geprinte behuizing, coaxiale elektroden gesneden uit koperen buizen, een vacuümpakking en een vacuümklem. Materialen zoals de vacuümpakking, kabel, koperen buizen en 3D-hars voor één sensor kosten minder dan € 40. De extra apparatuur die nodig is, is een hoogspanningsbron, een USB-bankmultimeter en een soldeerstation. Om de sensor te evalueren, zijn ook eenmalig een gedefinieerde aerosolbron en een referentie-instrument nodig (zie materiaaltabel). De grootte van de sensor beschreven in dit protocol is 10 cm x 7 cm. Deze maat is specifiek gekozen voor het experiment en kan nog steeds aanzienlijk worden verkleind (zie modificaties/sensorafmetingen in de discussie).
Dit protocol beschrijft hoe u een eenvoudige goedkope deeltjessensor bouwt, test en gebruikt. Een schema van het protocol wordt getoond in figuur 3– beginnend met de 3D-print van de sensorromp en de elektrodeproductie, de assemblage van de sensor, evenals testen en een voorbeeld van veldtoepassing van de sensor.
Figuur 3: Schema voor de methode. Het protocol is verdeeld in vier grote stappen. Eerst worden alle onderdelen voor de sensorbehuizing geprint. Vervolgens worden de elektroden vervaardigd. In de derde stap wordt de 3D-geprinte sensorbehuizing met de elektroden en de vacuümpakking geassembleerd. In de laatste stap worden de prestaties van de sensor geëvalueerd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
De belangrijkste stappen van het 3D-printproces zijn weergegeven in figuur 4. In eerste instantie worden de juiste slicerinstellingen voor de afdruk gekozen. Daarna worden de belangrijkste onderdelen van de print en de voorbewerking van het 3D-geprinte model besproken. Voor deze stap is een hars 3D-printer met een isopropanolbad en UV-verhardingsapparaat en een rechte slijper nodig.
Figuur 4: Schema van 3D-print. (A) Het 3D-model van de snijmachine is afgebeeld; (B) de printer tijdens het afdrukproces. Nabewerkingsstappen: (C) spoelen en (D) UV-verharding. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5 toont de belangrijkste stappen van de elektrodeproductie: de vormvorming van de elektroden en het solderen van het contact met de elektroden. Voor deze stap zijn twee koperen buizen met verschillende diameters, een remklauw, een pijpensnijder, een rechte slijpmachine, een bankschroef, een soldeerstation en soldeerblik, geïsoleerde kabels met twee verschillende kleuren, thermische beschermende handschoenen en een draadsnijder nodig.
Figuur 5: Elektrodefabricage . (A) Meten, (B) snijden, (C) ontbramen en (D) solderen van de elektroden. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
In het montagegedeelte in het protocol wordt uitgelegd hoe de sensor is geassembleerd. De belangrijkste sensoronderdelen zijn weergegeven in figuur 6, namelijk de buitenste elektrodehouder, het stroomkanaal en de binnenste elektrodehouder. Figuur 7 toont de belangrijkste stappen in de sensorassemblage. Voor deze stap zijn epoxylijm, beschermende kleding, een vacuümafdichting, een vacuümklem, een veiligheidsbril en handschoenen nodig.
Figuur 6: Sensoronderdelen . (A) De buitenste elektrodehouder, (B) stroomkanaal en (C) de binnenste elektrodehouder. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 7: Sensorassemblage. Alle stappen van de sensorassemblage worden weergegeven. A-E toont de assemblage van de ene helft van de sensor. (A) De binnenste elektrodehouder is op het stroomkanaal gelijmd. (B) De binnenste elektrode wordt op de binnenste elektrodehouder geplaatst. (C) De buitenste elektrode wordt in de buitenste elektrodehouder geplaatst. (D) De buitenste elektrodehouder wordt op het stroomkanaal + binnenste elektrodehouderassemblage gelijmd. (E) De vacuümafdichting klikt in de buitenste elektrode van de ene sensorhelft en klikt vervolgens in (C), de identieke tweede buitenste elektrode van de andere sensorhelft. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
In het testgedeelte wordt uitgelegd hoe u het experiment kunt instellen om de nieuw gebouwde sensor te vergelijken met een referentie-instrument. Voor deze stap zijn een bankmultimeter, vacuümpomp, hoogspanningsvoeding, aerosolgenerator, verdunningsbrug, spuitbusbuizen, Y-fitting, één massflowregelaar (MFC), een aerosolmixer, een referentie-instrument en een wattenstaafje nodig.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kritieke stappen
Nabewerking afdrukken
Bijna elke stap in dit protocol kan worden gepauzeerd of uitgesteld, behalve voor de nabewerking van de vers geprinte 3D-onderdelen (protocolstap 1.5). Als het UV-beschermingsscherm van de printer wordt geopend, moet de nabewerking onmiddellijk beginnen, anders zullen de kleine kabelkanalen, evenals de holte voor de afdichting, verstoppen. De nauwkeurige pasvorm van de spouw zorgt ervoor dat de sensor luchtdicht kan worden afgedicht. Dit is belangrijk omdat de sensor erg gevoelig is voor stromingsschommelingen. Ook het verhardingsproces is van belang (protocolstap 1.4); Als de temperatuur te hoog wordt ingesteld, wordt het materiaal te broos en kan het breken onder de krachten die door de klem op de buitenste elektrodehouder worden uitgeoefend.
Productie van elektroden
Zorgvuldig snijden en ontbramen (protocolstappen 2.2-2.3) van de elektroden is erg belangrijk omdat onregelmatigheden in de elektrodespleet verstoringen in de elektrische en snelheidsvelden veroorzaken, wat leidt tot slechte sensorprestaties. In het ergste geval kan een sterke onregelmatigheid ervoor zorgen dat de elektroden zo dichtbij komen dat de doorslagspanning wordt overschreden en er kortsluiting optreedt. Vanaf dit punt kan er geen uitspraak meer worden gedaan over het meetsignaal en zijn de meetelektronica gevoelig voor beschadiging.
Vergadering
Montage van de sensor (protocolstappen 3.4-3.6) is cruciaal, omdat hierdoor de elektrodespleet ontstaat. Zoals hierboven vermeld, is de afstand tussen de elektroden erg belangrijk; Deze opening moet over de gehele lengte gelijkmatig 1 mm bedragen. Deze stappen zijn belangrijk omdat ze het elektrische veld in de sensor drastisch kunnen veranderen. Het algehele depositiegedrag, evenals dendrietvorming, kan worden beïnvloed door de verandering in het elektrische veld. Er kan dus niet langer worden gegarandeerd dat de sensorrespons lineair is aan de binnenkomende aerosol. Ook hier geldt het worstcasescenario van kortsluiting.
Wijzigingen
3D printen
Andere mogelijke aanpassingen zijn het gebruik van verschillende 3D-printharsen. Er zijn veel verschillende harsen op de markt die de dichtheid, flexibiliteit, temperatuurbestendigheid en sterkte van de sensorbehuizing kunnen veranderen.
Afmetingen van de sensor
Het eerste ontwerpcriterium voor de sensor is een veiligheidsconfiguratie. De diëlektrische sterkte van de lucht tussen de elektroden is 3 mm/kV. Deze lengte mag in geen geval worden ondergesneden. Hoe hoger de elektrische potentiaal, hoe meer deeltjes worden afgezet, en deze afgezette deeltjes zijn dan vatbaar voor het vormen van dendrieten. De afmetingen van de elektroden zijn zo gekozen dat gemakkelijk verkrijgbare standaardcomponenten kunnen worden gebruikt. Ontwerpen van soortgelijke sensoren die bekend zijn bij de auteurs gebruikten de volgende afmetingen voor een platte sensor: 9 mm breedte, 2 mm lengte, 1 mm opening en 15 mm lengte, met een diameter van 8,5 mm en opening van 1,3 mm voor een cilindrisch ontwerp12,13. Bovendien moet ervoor worden gezorgd dat de sensor met de hand kan worden vervaardigd in een normale werkplaats. Een opening van 1 mm is de absolute minimale opening die het nog steeds mogelijk maakt om de sensor handmatig te reinigen. Hier werd 1 kV gebruikt als een goed compromis van veiligheid en efficiënte deeltjesafzetting, evenals de beschikbaarheid van spanningsbronnen in dit bereik.
Elektroden
Omdat de exacte afstand van 1 mm tussen de sensorelektroden zo cruciaal is voor de prestaties, kan er nog meer ontwikkelingswerk in deze stap worden gestoken. Het 3D-geprinte armatuur kan bijvoorbeeld nog nauwkeuriger worden gemaakt, of een draaibank kan worden gebruikt in plaats van een eenvoudige pijpensnijder voor snijden en ontbramen, als de apparatuur beschikbaar is. Een andere optie is om een zaag te gebruiken in plaats van een pijpensnijder. In dit geval moeten de randen van de zaag daarna worden geslepen. Deze methode veroorzaakt minder vervorming dan de pijpsnijder, maar duurt langer. In vergelijking met epoxylijm geeft siliconen de kabels meer bewegingsruimte en wordt het gemakkelijker om de elektroden opnieuw te plaatsen. Omdat de kabels echter meer bewegingsruimte hebben, is het moeilijker om de sensor af te dichten. In plaats van de vacuümklem, die makkelijker in één keer te openen is, is ook een zelfgemaakt ontwerp mogelijk. Hier moeten alleen gaten voor sommige schroeven en een holte voor het afdichtingskoord worden gewijzigd in het 3D-ontwerp.
MFC
De MFC bepaalt hoeveel van de aerosol door de sensor wordt gezogen; de rest moet kunnen worden afgevoerd via een overloop met een HEPA-filter aan het einde van de overloop, om vervuiling van de kamer te voorkomen. Door te kiezen voor een goedkopere pomp in plaats van een MFC, zullen hogere stromingsfluctuaties het sensorsignaal negatief beïnvloeden.
Verdunningsbrug
Zoals te zien is in figuur 9, kan een verdunningsbrug worden gebouwd met een eenvoudige naaldklep parallel aan een of meer HEPA-filters. Andere ontwerpen zijn een kleine vise om in de buis te knijpen in plaats van de naaldklep. Dit ontwerp heeft als voordeel dat de buis makkelijker gereinigd kan worden. Hoe meer spoelen zo’n vise heeft, hoe fijner de concentratie kan worden aangepast. Dit is vooral belangrijk voor kalibratiemetingen, waarbij een hoge dynamiek moet worden vermeden.
Tafelmultimeter
De tafelmultimeter meet een spanning, die moet worden gedeeld door de waarde van de interne weerstand om de juiste stroomwaarde te verkrijgen. Afhankelijk van het gekozen meetbereik (bijv. 100 V) kan deze interne weerstandswaarde variëren (bijv. 1 MΩ). Het is belangrijk om een gedefinieerd bereik te selecteren, zodat de interne weerstandswaarde voor alle gemeten waarden hetzelfde is. Als “automatisch bereik” wordt gekozen, moet ook de interne weerstandswaarde worden gevolgd.
Probleemoplossing
3D-printer
Als de printer stopt, moet de tank worden gecontroleerd op resten van de laatste afdruk; De mixer loopt vaak vast. Men moet de eerste minuten van het drukproces observeren. Als het verstopt is, is dat omdat de juiste snij-instellingen niet zijn ingesteld of omdat de verse afdruk niet vóór de nabewerking onder UV-beschermde omstandigheden is opgeslagen. In de slicerinstellingen mogen geen steunpunten het stroomkanaal en de ruimte tussen de elektroden belemmeren en moet het vakje interne ondersteuningsstructuren worden losgeklikt voordat het bestand naar de printer wordt verzonden.
Aerosolbron + verdunningsbrug
Als de aerosolbron onstabiel lijkt, moeten alle HEPA-filters worden gecontroleerd om ervoor te zorgen dat ze zich in de juiste positie bevinden en niet verstopt zijn. Ook moeten de aerosolgenerator en het referentie-instrument worden gecontroleerd om er zeker van te zijn dat ze klaar zijn met hun opwarmfase.
Sensor
De meest voorkomende storingen worden veroorzaakt door een onvoldoende voedingsaansluiting, een luchtlek bij de sensor of wanneer afgezette deeltjes roetbruggen vormen tussen de elektroden. Eerst wordt de sensor geopend om te controleren of er roetbruggen tussen de elektroden zijn ontstaan. De voedingsbron moet worden uitgeschakeld voordat u de sensorkabels loskoppelt en de sensor opent. Roetbruggen zijn goed zichtbaar voor het blote oog en kunnen met weinig moeite worden verwijderd. Om roetbruggen te verwijderen, kunt u het beste een optisch reinigingsdoekje of pluisvrij wattenstaafje gebruiken.
Een lek dat het stromingsgedrag in de sensor verandert, evenals een lagere spanning bij de elektroden, kan het sensorsignaal veranderen. Het is niet mogelijk om van tevoren te zeggen welke van deze problemen verantwoordelijk is voor een onverwachte sensorrespons. Daarom is het belangrijk om zowel de dichtheid als de spanningsstabiliteit als volgt te controleren. Eerst wordt de verbinding van de kabel naar de elektroden gecontroleerd (protocolstap 4.4). Vervolgens wordt de spanningsbron gecontroleerd om te zien of deze de verwachte volt levert. Een luchtlek is het best te herkennen met lekspray. Daarnaast kan de dichtheid ook worden gecontroleerd met een vacuümpomp, zoals beschreven in protocolstap 4.4.2.
Beperkingen
De beperking van een elektrostatische sensor is goed beschreven door Maricq et al.14. In hun werk benadrukken ze het belang van een stabiele spanningsbron en een stabiele sensorstroom voor de prestaties van de sensor. Om deze reden moet altijd een opstelling met een MFC of een pomp worden gebruikt voor debietregeling, zoals beschreven in figuur 10. Bovendien heeft de sensor tijdens de eerste test een langere tijd nodig om een evenwicht te bereiken. In verdere experimenten, waarbij een stabiele dendrietpopulatie zich op de elektroden heeft gevestigd, wordt de hoeveelheid tijd om de sensor op te starten verminderd. Over het algemeen moet echter worden opgemerkt dat de sensor altijd een opstarttijd nodig heeft om operationeel te worden, afhankelijk van de initiële concentratie.
In tegenstelling tot een plat ontwerp, zoals in Bilby et al., is sensordrift geen groot probleem in deze cilindrische opstelling12. Snelle concentratieveranderingen bij lage deeltjesconcentraties zijn echter nog steeds moeilijk te detecteren met de sensor. Zoals aangegeven door Diller et al. en Maricq et al., voor een betekenisvol meetsignaal, wordt de gemeten waarde gemiddeld over 2-10 min, afhankelijk van hoeveel de stroming verandert in het experiment14,15.
Met een helling van 2,8 nAm3/mg en een standaarddeviatie van ±1,4 nA is de afwijking ten opzichte van de regressielijn in figuur 11 hoog. Voor een beter begrip van de sensornauwkeurigheid wordt de vergelijking van verschillende experimenten aanbevolen. Voor herhaalde experimenten is de helling goed voor 3,5 nAm 3/mg met een standaardafwijking van ±1,0 nA en 4,9 nAm3/mg met een standaardafwijking van ± 0,6 nA. Bovendien geeft de sensor een zeer hoge aflezing op het moment dat de spanningsbron wordt ingeschakeld. Deze beginwaarde wordt uit de meetgegevens gefilterd.
Het voordeel van de hier gepresenteerde methode ligt duidelijk in de eenvoud, maar ook in de veelzijdige mogelijkheden om de sensorvorm aan te passen aan verschillende behoeften. Daarom kan de sensor, naast roet, een grote verscheidenheid aan geladen deeltjes detecteren en is hij geschikt voor een breed scala aan toepassingen, bijvoorbeeld fijnstofdetectie van energiecentrales, bosbranden, industrieën en auto’s. Dit artikel zou een stimulans moeten zijn voor instanties, bedrijven, onderzoeksteams, burgerwetenschappers en iedereen die geïnteresseerd is in de detectie van fijnstof om deze eenvoudige sensorconstructiehandleiding te reproduceren en hun eigen deeltjesdetector te bouwen.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gefinancierd door het COMET Centre “ASSIC-Austrian Smart Systems Integration Research Center”. ASSIC wordt medegefinancierd door de BMK, de BMDW en de Oostenrijkse provincies Karinthië en Stiermarken binnen het COMET-Competence Centres for Excellent Technologies-programma van het Oostenrijkse Agentschap voor Onderzoeksbevordering (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).
