גלאי חלקיקים בעלות נמוכה התומך בייצור תוספים
Summary
כאן, אנו מציגים פרוטוקול כיצד לבנות ולבדוק גלאי חלקיקים פשוט אך יעיל בעלות נמוכה.
Abstract
מכיוון שחלקיקים בגודל של 1 מיקרומטר או פחות מהווים סיכון בריאותי חמור לגוף האדם, יש חשיבות רבה לאיתור ולוויסות פליטת החלקיקים. חלק גדול מפליטות החלקיקים נפלט על ידי מגזר התחבורה. רוב גלאי החלקיקים הזמינים מסחרית הם מגושמים, יקרים מאוד וזקוקים לציוד נוסף. מאמר זה מציג פרוטוקול לבנייה ובדיקה של גלאי חלקיקים עצמאי, קטן וחסכוני.
המוקד של מאמר זה טמון בתיאור מדריך הבנייה המפורט עם וידאו ואת הליך הערכת החיישן. מודל התכנון בעזרת מחשב של החיישן כלול בחומר המשלים. המדריך מסביר את כל שלבי הבנייה, החל מהדפסה תלת מימדית ועד לחיישן התפעולי במלואו. החיישן מסוגל לזהות חלקיקים טעונים ולכן מתאים למגוון רחב של יישומים. תחום יישום אפשרי יהיה גילוי פיח מתחנות כוח, שריפות, תעשיות וכלי רכב.
Introduction
שאיפת חלקיקים בגודל של 1 מיקרומטר או פחות מהווה סיכון גבוה להשפעות בריאותיות שליליות על גוף האדם. עם הזיהום הסביבתי הגובר מתהליכי בעירה, מחלות נשימה גדלות באוכלוסייה 1,2,3. כדי לקדם בריאות ולנטרל את הזיהום, יש צורך לזהות תחילה את מקורות הזיהום ולכמת את מידת הזיהום. ניתן לעשות זאת עם גלאי חלקיקים קיימים. עם זאת, אלה גדולים ולעתים קרובות יקרים מדי למטרות מדע פרטי או אזרחי.
רבים מגלאי החלקיקים הזמינים מסחרית הם מגושמים, יקרים מאוד, ודורשים ציוד נוסף להפעלה4. רובם זקוקים גם למספר שלבים של מיזוג אירוסולים. לדוגמה, דילול נדרש עבור גלאים המשתמשים בפיזור אור כעיקרון המדידה שלהם, וטווח המדידה מוגבל על ידי אורך הגל 5,6,7. גלאי חלקיקים המשתמשים בליבון המושרה בלייזר כעיקרון גילוי זקוקים הן למקורות לייזר עתירי אנרגיה והן למערכת קירור צורכת אנרגיה8.
גלאי חלקיקים המשתמשים במוני חלקיקי עיבוי משמשים בדרך כלל כתקן הזהב למדידת ריכוז חלקיקים; אלה זקוקים להתניה מוקדמת, דילול ונוזלי עבודה (למשל, בוטאנול)9,10,11. היתרונות של חיישן אלקטרוסטטי טמונים בעיצוב הפשוט והקומפקטי ובעלויות הייצור הנמוכות. עם זאת, בהשוואה למוני חלקיקי עיבוי, יש להסיק מסקנות משמעותיות לגבי הדיוק.
חיישן אלקטרוסטטי מייצג חלופה לשיטות אלה. חיישנים אלקטרוסטטיים יכולים להיות חזקים, קלים, זולים לייצור וניתן להפעיל אותם ללא פיקוח. הצורה הפשוטה ביותר של חיישן אלקטרוסטטי היא קבל לוח מקביל עם שדה חשמלי גבוה בין הלוחות שלו. כאשר אירוסול מועבר לאזור המתח הגבוה בין שתי אלקטרודות הנחושת, חלקיקים טעונים באופן טבעי שוקעים על אלקטרודות בקטבים שונים12 (איור 1).
דנדריטים נוצרים על פני השטח של האלקטרודות בכיוון קווי השדה של המתח הגבוה המופעל בין האלקטרודות, והם נטענים באמצעות טעינת מגע. שברים של דנדריטים אלה בסופו של דבר מנתקים את האלקטרודות ושוקעים מחדש על האלקטרודה בקוטביות הפוכה, ומעבירים את המטען שלהם. שברים אלה נושאים מספר רב של מטענים. מכיוון שהאלקטרודה מוארקת, המטען המושקע מייצר זרם המוביל לנפילת מתח בהתנגדות הפנימית של מולטימטר הספסל. ככל שזה קורה לעתים קרובות יותר ליחידת זמן, כך הזרם גבוה יותר, וכתוצאה מכך, ירידת המתח גבוהה יותר (איור 2).
בשל המתח הגבוה המושרה על ידי שקיעת המטען של השברים, אין צורך באלקטרוניקה נוספת של מגבר. היווצרותם של חלקיקי פירוק דנדריטים ושחרור המטען הבא של חלקיקים אלה מייצגים הגברת אות טבעית12. אות החיישן המתקבל פרופורציונלי לריכוז מסת החלקיקים. ניתן לזהות אות זה באמצעות מולטימטר ספסל מדף.
איור 1: סכמות חיישנים. אירוסול זורם לתוך כניסת התרסיס, מופץ דרך תעלת הזרימה השמאלית, ואז מגיע לרווח בין אלקטרודת המתח הגבוה (אלקטרודה פנימית) לבין אלקטרודת המדידה (אלקטרודה חיצונית). שם, החלקיקים תורמים לצמיחת הדנדריטים, וכפי שהוסבר קודם לכן, מתנתקים, ובכך יוצרים את תגובת החיישן. לאחר מכן, החלקיקים זורמים הלאה דרך ערוץ הזרימה הימני ומשאירים את החיישן במוצא התרסיס. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: עיקרון פיזיקלי. חלקיקים בעלי מטען חיובי ושלילי, כמו גם חלקיקים ניטרליים, נכנסים לפער בין האלקטרודות של קוטביות הפוכה. הם מוסטים על ידי קווי השדה החשמלי לאלקטרודה של קוטביות נגדית ומפקידים שם את המטען שלהם. לאחר מכן, הם הופכים לחלק מדנדריט ומשתלטים על המטען של האלקטרודה המתאימה. צפיפות השדה היא הגבוהה ביותר בקצה הדנדריט, שם נלכדים יותר חלקיקים. כאשר כוח הגרר עולה על כוחות הקשירה, מקטעים של הדנדריטים נשברים, אשר בתורו פוגעים באלקטרודה הנגדית ומפקידים את מטעניהם. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
עם עיצוב גלילי, כמו ב- Warey et al.10, ניתן למזער את ההסתברות להיווצרות גשרי פיח. מידע נוסף על גיאומטריית החיישן, מתח מופעל, מהירות זרימת גז וריכוז חומר חלקיקי ניתן למצוא שם. הם מציעים התאמה של אות החיישן לחומר חלקיקי הזורם דרך החיישן (משוואה 1).
חיישן (V) = 5.7 × 10-5 C V 0 e0.62V × 
(1)
C הוא ריכוז המסה של החומר החלקיקי, V0 הוא המתח המופעל, V הוא מהירות הפליטה, L הוא אורך האלקטרודה, ו-S הוא פער האלקטרודות13.
בילבי ועמיתיו התמקדו במחקר מפורט של ההשפעה הפיזיקלית הבסיסית של החיישן האלקטרוסטטי9. מחקרים אלה כללו מערך נגיש אופטית ומודל קינטי כדי להסביר את הגברת האות של חיישן מבוסס דנדריט (ראה משוואות 2 ו – 3).
(2)
(3)
S מייצג ערימה של דיסקיות פיח של 10-100 אגלומרטים פיח בגודל של 50-100 ננומטר; D n מייצג דנדריט עםn דיסקים; Br מציין קטע ניתוק המורכב מדיסקים f; S ו-k i הם קבועי קצב12.
מאמר זה מציג פרוטוקול כיצד לבנות ולבדוק גלאי חלקיקים פשוט אך יעיל בעלות נמוכה שניתן להשתמש בו לריכוזי חלקיקים גבוהים ללא ציוד נוסף. עבודות קודמות על סוג זה של חיישן אלקטרוסטטי התמקדו בעיקר במדידות פליטה. בעבודה זו, חלקיקי פיח שנוצרו במעבדה משמשים כאירוסולים לבדיקה. החיישן המתואר מבוסס על “עבודה קודמת של Warey et al. ו- Bilby et al12,13.
גוף החיישן מורכב מגוף מודפס תלת-ממדי מבוסס סטריאוליתוגרפיה, אלקטרודות קואקסיאליות שנחתכו משפופרות נחושת, אטם ואקום ומהדק ואקום. חומרים כמו אטם ואקום, כבל, צינורות נחושת ושרף תלת ממדי לחיישן אחד עולים פחות מ-40 אירו. הציוד הנוסף הדרוש הוא מקור מתח גבוה, מולטימטר ספסל USB ותחנת הלחמה. כדי להעריך את החיישן, נדרש גם מקור אירוסול מוגדר ומכשיר ייחוס פעם אחת (ראה טבלת חומרים). גודל החיישן המתואר בפרוטוקול זה הוא 10 ס”מ x 7 ס”מ. גודל זה נבחר במיוחד עבור הניסוי ועדיין ניתן להקטינו באופן משמעותי (ראו שינויים/מידות חיישן בדיון).
פרוטוקול זה מתאר כיצד לבנות, לבדוק ולהשתמש בחיישן חלקיקים פשוט בעלות נמוכה. שרטוט של הפרוטוקול מוצג באיור 3 – החל מההדפסה התלת-ממדית של גוף החיישן וייצור האלקטרודות, הרכבת החיישן, כמו גם בדיקה ודוגמה ליישום בשטח של החיישן.
איור 3: סכמטי לשיטה. הפרוטוקול מחולק לארבעה שלבים עיקריים. ראשית, כל החלקים עבור בית החיישן מודפסים. לאחר מכן, האלקטרודות מיוצרות. בשלב השלישי, בית החיישן המודפס בתלת מימד עם האלקטרודות ואטם הוואקום מורכבים. בשלב האחרון, ביצועי החיישן מוערך. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
השלבים החשובים ביותר בתהליך ההדפסה בתלת-ממד מוצגים באיור 4. בהתחלה, הגדרות כלי הפריסה הנכונות עבור ההדפסה נבחרות. לאחר מכן, החלקים החשובים ביותר של ההדפסה ואת עיבוד מראש של המודל המודפס 3D נדונים. בשלב זה יש צורך במדפסת תלת ממד שרף עם אמבט איזופרופנול ומכשיר התקשות UV ומטחנה ישרה.
איור 4: סכמטי של הדפסה תלת-ממדית. (A) מתואר המודל התלת-ממדי של כלי הפריסה; (ב) המדפסת בתהליך ההדפסה. שלבים לאחר עיבוד: (C) שטיפה ו-(D) התקשות UV. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 5 מראה את השלבים החשובים ביותר בייצור אלקטרודות: עיצוב הצורה של האלקטרודות, כמו גם הלחמה של המגע עם האלקטרודות. עבור שלב זה, שני צינורות נחושת בקטרים שונים, קליפר, חותך צינור, מטחנה ישרה, סגן, תחנת הלחמה ופח הלחמה, כבלים מבודדים עם שני צבעים שונים, כפפות מגן תרמיות, חותך חוט נדרשים.
איור 5: ייצור אלקטרודות . (A) מדידה, (B) חיתוך, (C) דיבורינג ו-(D) הלחמה של האלקטרודות. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
סעיף ההרכבה בפרוטוקול מסביר כיצד מורכב החיישן. חלקי החיישן החשובים ביותר מתוארים באיור 6, כלומר מחזיק האלקטרודה החיצוני, ערוץ הזרימה ומחזיק האלקטרודה הפנימי. איור 7 מציג את השלבים החשובים ביותר במכלול החיישן. לשם כך יש צורך בדבק אפוקסי, ביגוד מגן, אטם ואקום, מהדק ואקום, משקפי מגן וכפפות.
איור 6: חלקי חיישן . (A) מחזיק האלקטרודה החיצוני, (B) ערוץ זרימה, ו-(C) מחזיק האלקטרודה הפנימי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 7: הרכבת חיישנים. כל השלבים של מכלול החיישן מוצגים. A-E מראה את ההרכבה של מחצית החיישן. (A) מחזיק האלקטרודה הפנימי מודבק לתעלת הזרימה. (B) האלקטרודה הפנימית מונחת על מחזיק האלקטרודה הפנימי. (C) האלקטרודה החיצונית ממוקמת במחזיק האלקטרודה החיצוני. (D) מחזיק האלקטרודה החיצוני מודבק על תעלת הזרימה + מכלול מחזיק האלקטרודות הפנימי. (E) איטום הוואקום נצמד לאלקטרודה החיצונית של חצי חיישן אחד ואז נצמד ל-(C), האלקטרודה החיצונית השנייה הזהה של חצי החיישן השני. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
פרק הבדיקה מסביר כיצד להגדיר את הניסוי כדי להשוות את החיישן החדש שנבנה עם מכשיר ייחוס. עבור שלב זה, מולטימטר ספסל, משאבת ואקום, אספקת מתח גבוה, גנרטור אירוסול, גשר דילול, צינורות אירוסול, התאמת Y, בקר זרימת מסה אחד (MFC), מערבל אירוסול, מכשיר ייחוס וצמר גפן נדרשים.
Protocol
Representative Results
Discussion
שלבים קריטיים
עיבוד לאחר הדפסה
כמעט כל שלב בפרוטוקול זה ניתן להשהות או לדחות, למעט עיבוד לאחר עיבוד של חלקי תלת מימד מודפסים טריים (פרוטוקול שלב 1.5). אם מסך ההגנה מפני UV של המדפסת נפתח, העיבוד שלאחר צריך להתחיל מיד, אחרת ערוצי הכבלים הקטנים, כמו גם את החלל עבור האטם, ייסתם. ההתאמה המדויקת של החלל מבטיחה שניתן יהיה לאטום את החיישן לאוויר. זה חשוב מכיוון שהחיישן רגיש מאוד לתנודות זרימה. תהליך ההתקשות חשוב גם הוא (שלב פרוטוקול 1.4); אם הטמפרטורה מוגדרת גבוהה מדי, החומר הופך שביר מדי ויכול להישבר תחת הכוחות המופעלים על ידי המהדק על מחזיק האלקטרודה החיצוני.
ייצור אלקטרודות
חיתוך ופירוק זהירים (שלבי פרוטוקול 2.2-2.3) של האלקטרודות חשובים מאוד מכיוון שאי סדירות במרווח האלקטרודות גורמות להפרעות בשדה החשמל והמהירות, מה שמוביל לביצועי חיישן ירודים. במקרה הגרוע ביותר, אי סדירות חזקה יכולה לגרום לאלקטרודות להתקרב כל כך עד כי מתח ההתמוטטות הוא חריגה, וקצר חשמלי מתרחשת. מנקודה זו ואילך, לא ניתן להצהיר על אות המדידה ואלקטרוניקה המדידה מועדת לנזק.
הרכבה
הרכבת החיישן (שלבי פרוטוקול 3.4-3.6) היא קריטית, מכיוון שהדבר יוצר את פער האלקטרודות. כאמור, המרחק בין האלקטרודות חשוב מאוד; מרווח זה חייב להיות אחיד 1 מ”מ לכל אורכו. צעדים אלה חשובים מכיוון שהם יכולים לשנות את השדה החשמלי בחיישן באופן דרסטי. התנהגות התצהיר הכוללת, כמו גם היווצרות דנדריטים, יכולה להיות מושפעת מהשינוי בשדה החשמלי. לכן, כבר לא ניתן להבטיח כי תגובת החיישן היא ליניארית לתרסיס הנכנס. התרחיש הגרוע ביותר של קצר חשמלי חל גם כאן.
שינויים
הדפסה תלת מימדית
שינויים אפשריים אחרים הם השימוש בשרפים שונים להדפסה תלת מימדית. ישנם שרפים רבים ושונים בשוק שיכולים לשנות את הצפיפות, הגמישות, עמידות הטמפרטורה והחוזק של בית החיישן.
מידות חיישן
קריטריון התכנון הראשון עבור החיישן הוא תצורת בטיחות. החוזק הדיאלקטרי של האוויר בין האלקטרודות הוא 3 מ”מ/קילו-וולט. אסור לערער אורך זה בכל מקרה. ככל שהפוטנציאל החשמלי גבוה יותר, כך יותר חלקיקים שוקעים, והחלקיקים המושקעים האלה נוטים ליצור דנדריטים. מידות האלקטרודות נבחרו כך שניתן יהיה להשתמש ברכיבים סטנדרטיים זמינים בקלות. עיצובים של חיישנים דומים הידועים למחברים השתמשו במידות הבאות עבור חיישן שטוח: רוחב 9 מ”מ, אורך 2 מ”מ, מרווח 1 מ”מ ואורך 15 מ”מ, עם קוטר של 8.5 מ”מ ומרווח של 1.3 מ”מ עבור עיצוב גלילי12,13. בנוסף, יש לוודא כי ניתן לייצר את החיישן ביד בסדנה רגילה. רווח של 1 מ”מ הוא המרווח המינימלי המוחלט שעדיין מאפשר לנקות את החיישן באופן ידני. כאן, 1 קילו וולט שימש כפשרה טובה של בטיחות ותצהיר חלקיקים יעיל, כמו גם זמינות של מקורות מתח בטווח זה.
אלקטרודות
מכיוון שהמרחק המדויק של 1 מ”מ בין אלקטרודות החיישן הוא כה קריטי לביצועים, ניתן להשקיע בשלב זה עבודת פיתוח רבה אף יותר. לדוגמה, ניתן להפוך את גוף התאורה המודפס בתלת-ממד למדויק עוד יותר, או להשתמש במחרטה במקום חותך צינורות פשוט לחיתוך וחיתוך, אם הציוד זמין. אפשרות נוספת היא להשתמש במסור במקום בחותך צינור. במקרה זה, יש לטחון את שולי המסור לאחר מכן. שיטה זו גורמת לפחות עיוות מאשר חותך הצינור, אך נמשכת זמן רב יותר. בהשוואה לדבק אפוקסי, סיליקון נותן לכבלים יותר מקום לנוע, וקל יותר לרווח מחדש את האלקטרודות. עם זאת, מכיוון שלכבלים יש יותר מקום לזוז, קשה יותר לאטום את החיישן. במקום מהדק ואקום, אשר קל יותר לפתוח בבת אחת, עיצוב תוצרת עצמית הוא גם אפשרי. כאן, יש לשנות רק חורים עבור ברגים מסוימים וחלל עבור כבל האיטום בעיצוב התלת-ממדי.
MFC
ה- MFC קובע כמה מהתרסיס נשאב דרך החיישן; השאר צריך להיות מסוגל להיות מנוקז דרך הצפה עם מסנן HEPA ממוקם בסוף ההצפה, כדי למנוע זיהום של החדר. על ידי בחירת משאבה זולה יותר במקום MFC, תנודות זרימה גבוהות יותר ישפיעו לרעה על אות החיישן.
גשר דילול
כפי שניתן לראות באיור 9, ניתן לבנות גשר דילול עם שסתום מחט פשוט במקביל למסנן HEPA אחד או יותר. עיצובים אחרים כוללים ויזה קטנה לסחיטת הצינור במקום שסתום המחט. עיצוב זה יש את היתרון כי הצינור ניתן לנקות בקלות רבה יותר. ככל שיש יותר סלילים כאלה, כך ניתן לכוונן את הריכוז בצורה עדינה יותר. זה חשוב במיוחד למדידות כיול, שבהן יש להימנע מדינמיקה גבוהה.
ספסל מולטימטר
מולטימטר הספסל מודד מתח, אשר חייב להיות מחולק על ידי הערך של התנגדות פנימית כדי לקבל את הערך הנוכחי הנכון. בהתאם לטווח המדידה שנבחר (למשל, 100 וולט), ערך התנגדות פנימי זה עשוי להשתנות (למשל, 1 MΩ). חשוב לבחור טווח מוגדר כך שערך ההתנגדות הפנימית יהיה זהה לכל הערכים הנמדדים. אם נבחר “טווח אוטומטי”, יש לעקוב גם אחר ערך ההתנגדות הפנימי.
פתרון בעיות
מדפסת תלת מימד
אם המדפסת עוצרת, יש לבדוק את המיכל לאיתור שאריות של ההדפסה האחרונה; המיקסר נתקע לעתים קרובות. יש להתבונן בדקות הראשונות של תהליך ההדפסה. אם הוא סתום, הסיבה לכך היא שהגדרות כלי הפריסה הנכונות לא הוגדרו או שההדפסה הטרייה לא אוחסנה בתנאים מוגנים מפני UV לפני העיבוד שלאחר העיבוד. בהגדרות כלי הפריסה, אין לחסום נקודות תמיכה בערוץ הזרימה וברווח שבין האלקטרודות, ויש לבטל את הלחיצה על התיבה מבני תמיכה פנימיים לפני שליחת הקובץ למדפסת.
מקור אירוסול + גשר דילול
אם מקור התרסיס נראה לא יציב, יש לבדוק את כל מסנני HEPA כדי לוודא שהם נמצאים במיקום הנכון ואינם סתומים. כמו כן, יש לבדוק את מחולל התרסיסים כמו גם את מכשיר הייחוס כדי לוודא שהם סיימו את שלב החימום שלהם.
חיישן
התקלות הנפוצות ביותר נגרמות על ידי חיבור ספק כוח לא מספיק, דליפת אוויר בחיישן, או כאשר חלקיקים ששקעו יוצרים גשרי פיח בין האלקטרודות. ראשית, החיישן נפתח כדי לבדוק אם נוצרו גשרי פיח בין האלקטרודות. יש לכבות את מקור החשמל לפני ניתוק כבלי החיישן ופתיחת החיישן. גשרי פיח נראים בקלות לעין בלתי וניתן להסיר אותם במאמץ מועט. כדי להסיר גשרי פיח, עדיף להשתמש במטלית ניקוי אופטית או צמר גפן ללא מוך.
דליפה שמשנה את התנהגות הזרימה בחיישן, כמו גם מתח נמוך יותר באלקטרודות, יכולה לשנות את אות החיישן. לא ניתן לומר מראש איזו מהבעיות הללו אחראית לתגובת חיישן בלתי צפויה. לכן, חשוב לבדוק הן את האטימות והן את יציבות המתח כדלקמן. ראשית, החיבור מהכבל לאלקטרודות נבדק (שלב פרוטוקול 4.4). לאחר מכן, מקור המתח נבדק כדי לראות אם הוא מספק את הוולטים הצפויים. דליפת אוויר מזוהה בצורה הטובה ביותר עם תרסיס דליפה. בנוסף לכך, ניתן לבדוק את האטימות גם באמצעות משאבת ואקום, כמתואר בשלב הפרוטוקול 4.4.2.
מגבלות
המגבלה של חיישן אלקטרוסטטי מתוארת היטב על ידי Maricq et al.14. בעבודתם הם מדגישים את החשיבות של מקור מתח יציב וזרימת חיישן יציבה לביצועי החיישן. מסיבה זו, מערך עם MFC או משאבה צריך תמיד לשמש לבקרת זרימה, כפי שמתואר באיור 10. בנוסף, החיישן זקוק לזמן ארוך יותר כדי להגיע לשיווי משקל במהלך הבדיקה הראשונה. בניסויים נוספים, שבהם אוכלוסיית דנדריטים יציבה התיישבה על האלקטרודות, משך הזמן להפעלת החיישן מצטמצם. עם זאת, יש לציין באופן כללי כי החיישן תמיד צריך זמן אתחול כדי להפוך למבצעי בהתאם לריכוז הראשוני.
בניגוד לעיצוב שטוח, כמו אצל בילבי ואחרים, סחף חיישנים אינו מהווה בעיה מרכזית בסידור גלילי זה12. עם זאת, שינויי ריכוז מהירים בריכוזי חלקיקים נמוכים עדיין קשה לזהות באמצעות החיישן. כפי שצוין על ידי דילר ואחרים ומריק ואחרים, עבור אות מדידה משמעותי, הערך הנמדד הוא ממוצע על פני 2-10 דקות, תלוי כמה משתנה הזרימה בניסוי14,15.
עם שיפוע של 2.8 nAm3/mg וסטיית תקן של ±1.4 nA, הסטייה מקו הרגרסיה באיור 11 גבוהה. להבנה טובה יותר של דיוק החיישן, מומלץ להשוות בין מספר ניסויים. עבור ניסויים חוזרים, השיפוע לוקח בחשבון 3.5 nAm 3/mg עם סטיית תקן של ±1.0 nA, ו 4.9 nAm3/mg עם סטיית תקן של ± 0.6 nA. בנוסף, החיישן ייתן קריאה גבוהה מאוד ברגע הפעלת מקור המתח. ערך התחלה זה מסונן מתוך נתוני המדידה.
יתרונה של השיטה המוצגת כאן טמון בבירור בפשטות, אך גם באפשרויות הרבגוניות להתאים את צורת החיישן לצרכים שונים. לכן, בנוסף לפיח, החיישן יכול לזהות מגוון רחב של חלקיקים טעונים ומתאים למגוון רחב של יישומים, למשל גילוי חלקיקים מתחנות כוח, שריפות, תעשיות וכלי רכב. מאמר זה צריך להוות תמריץ לסוכנויות, חברות, צוותי מחקר, מדענים אזרחיים וכל מי שמעוניין בזיהוי חומר חלקיקי לשחזר את המדריך הפשוט הזה לבניית חיישנים ולבנות גלאי חלקיקים משלהם.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו מומנה על ידי מרכז השביט “ASSIC-Austrian Smart Systems Integration Research Center”. ASSIC ממומן במשותף על ידי BMK, BMDW והמחוזות האוסטריים קרינתיה ושטיריה במסגרת תוכנית מרכזי כשירות השביט לטכנולוגיות מצוינות של הסוכנות האוסטרית לקידום המחקר (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).
