Eklemeli Üretim Özellikli Düşük Maliyetli Partikül Dedektörü
Summary
Burada, basit ama verimli düşük maliyetli bir parçacık dedektörünün nasıl oluşturulacağı ve test edileceğine dair bir protokol sunuyoruz.
Abstract
1 μm veya daha küçük boyutlu partiküller insan vücudu için ciddi bir sağlık riski oluşturduğundan, partikül emisyonlarının tespiti ve düzenlenmesi büyük önem taşımaktadır. Partikül emisyonlarının büyük bir kısmı taşımacılık sektörü tarafından yayılmaktadır. Ticari olarak temin edilebilen parçacık dedektörlerinin çoğu hantal, çok pahalıdır ve ek ekipmana ihtiyaç duyar. Bu makalede, küçük ve uygun maliyetli bağımsız bir parçacık dedektörü oluşturmak ve test etmek için bir protokol sunulmaktadır.
Bu makalenin odak noktası, video içeren ayrıntılı inşaat kılavuzunun ve sensör değerlendirme prosedürünün açıklamasında yatmaktadır. Sensörün bilgisayar destekli tasarım modeli ek malzemeye dahil edilmiştir. El kitabı, 3D baskıdan tamamen operasyonel sensöre kadar tüm inşaat adımlarını açıklamaktadır. Sensör yüklü partikülleri algılayabilir ve bu nedenle çok çeşitli uygulamalar için uygundur. Olası bir uygulama alanı, enerji santrallerinden, orman yangınlarından, endüstrilerden ve otomobillerden kurum tespiti olacaktır.
Introduction
1 μm veya daha küçük boyutlu parçacıkların solunması, insan vücudu üzerinde olumsuz sağlık etkileri açısından yüksek risk oluşturur. Yanma süreçlerinden kaynaklanan çevre kirliliğinin artmasıyla birlikte, nüfusta solunum yolu hastalıkları artmaktadır 1,2,3. Sağlığı teşvik etmek ve kirliliğe karşı koymak için, önce kirlilik kaynaklarını tanımlamak ve kirlilik derecesini ölçmek gerekir. Bu, mevcut parçacık dedektörleri ile yapılabilir. Bununla birlikte, bunlar büyüktür ve çoğu zaman özel veya vatandaş bilimi amaçları için çok pahalıdır.
Ticari olarak temin edilebilen parçacık dedektörlerinin çoğu hantal, çok pahalıdır ve çalıştırılması için ek ekipman gerektirir4. Çoğunun ayrıca birkaç aerosol şartlandırma adımına ihtiyacı vardır. Örneğin, ölçüm prensibi olarak ışık saçılımını kullanan dedektörler için seyreltme gereklidir ve ölçüm aralığı 5,6,7 dalga boyu ile sınırlıdır. Algılama prensibi olarak lazer kaynaklı akkor akkor kullanan parçacık dedektörleri hem yüksek enerjili lazer kaynaklarına hem de enerji tüketen bir soğutma sistemine ihtiyaç duyar8.
Yoğuşma partikül sayaçları kullanan partikül dedektörleri normalde partikül konsantrasyonu ölçümünde altın standart olarak kullanılır; Bunlar ön koşullandırma, seyreltme ve çalışma sıvılarına (örneğin, bütanol) ihtiyaç duyar9,10,11. Bir elektrostatik sensörün avantajları, basit ve kompakt tasarımında ve düşük imalat maliyetlerinde yatmaktadır. Bununla birlikte, yoğuşma partikül sayaçlarına kıyasla, doğruluk konusunda önemli çıkarımlar yapılmalıdır.
Bir elektrostatik sensör bu yöntemlere bir alternatif oluşturur. Elektrostatik sensörler sağlam, hafif, üretimi ucuz olabilir ve gözetimsiz çalıştırılabilir. Bir elektrostatik sensörün en basit şekli, plakaları arasında yüksek elektrik alanı olan paralel plakalı bir kapasitördür. Aerosol iki bakır elektrot arasındaki yüksek voltaj bölgesine taşınırken, doğal olarak yüklü parçacıklar farklı polarite12 elektrotları üzerinde birikir (Şekil 1).
Dendritler elektrotların yüzeyinde, elektrotlar arasında uygulanan yüksek gerilimin alan çizgileri yönünde oluşur ve kontak şarjı ile şarj edilir. Bu dendritlerin parçaları sonunda elektrotları koparır ve yüklerini aktararak zıt polarite ile elektrot üzerinde yeniden birikir. Bu parçalar çok sayıda yük taşır. Elektrot topraklandığından, biriken yük, tezgah multimetresinin iç direncinde voltaj düşüşüne yol açan bir akım üretir. Bu, birim zaman başına ne kadar sık olursa, akım o kadar yüksek olur ve sonuç olarak, voltaj düşüşü o kadar yüksek olur (Şekil 2).
Parçaların yük birikimi ile indüklenen yüksek voltaj nedeniyle, başka amplifikatör elektroniğine gerek yoktur. Dendrit kopma parçacıklarının oluşumu ve bu parçacıkların müteakip yük salınımı doğal bir sinyal amplifikasyonunu temsil eder12. Ortaya çıkan sensör sinyali, parçacık kütle konsantrasyonu ile orantılıdır. Bu sinyal, kullanıma hazır bir tezgah üstü multimetre ile algılanabilir.
Şekil 1: Sensör şemaları. Aerosol, aerosol girişine akar, sol akış kanalından yayılır ve daha sonra yüksek voltajlı elektrot (iç elektrot) ile ölçüm elektrodu (dış elektrot) arasındaki boşluğa ulaşır. Orada, parçacıklar dendrit büyümesine katkıda bulunur ve daha önce açıklandığı gibi kopmaya katkıda bulunur, böylece sensör tepkisini oluşturur. Daha sonra, parçacıklar sağ akış kanalından daha fazla akar ve sensörü aerosol çıkışında bırakır. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: Fiziksel prensip. Pozitif ve negatif yüklü parçacıkların yanı sıra nötr parçacıklar, zıt kutupluluğun elektrotları arasındaki boşluğa girer. Elektrik alan çizgileri tarafından zıt kutupluluğun elektroduna yönlendirilirler ve yüklerini orada biriktirirler. Daha sonra, bir dendritin parçası olurlar ve ilgili elektrotun yükünü üstlenirler. Alan yoğunluğu, daha fazla parçacığın sıkıştığı dendrit ucunda en yüksektir. Sürükleme kuvveti bağlama kuvvetlerini aştığında, dendritlerin parçaları kopar ve bu da karşı elektrota çarpar ve yüklerini biriktirir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Warey ve ark.10’da olduğu gibi silindirik bir tasarımla, kurum köprülerinin oluşma olasılığı en aza indirilebilir. Sensör geometrisi, uygulanan voltaj, gaz akış hızı ve partikül madde konsantrasyonu hakkında daha fazla bilgiyi burada bulabilirsiniz. Sensör sinyalinin, sensörden akan partikül madde ile korelasyonunu önerirler (denklem 1).
Sensör (V) = 5,7 × 10-5 C V 0 e0,62V × 
(1)
C, partikül maddenin kütle konsantrasyonudur, V0 uygulanan voltajdır, V egzoz hızıdır, L elektrot uzunluğudur ve S, elektrot boşluğu13’tür.
Bilby ve ark., elektrostatik sensörün altında yatan fiziksel etkinin ayrıntılı çalışmasına odaklanmıştır9. Bu çalışmalar, dendrit bazlı sensörün sinyal amplifikasyonunu açıklamak için optik olarak erişilebilir bir kurulum ve kinetik bir model içeriyordu (bkz. denklem 2 ve 3).
(2)
(3)
S, 50-100 nm büyüklüğünde 10-100 kurum aglomerasından oluşan bir kurum diskleri yığınını temsil eder; D n, n diskli bir dendriti temsil eder; Br, f disklerinden oluşan bir kopma parçasını belirtir; S ve ki hız sabitleri12’dir.
Bu makale, daha fazla ekipman olmadan yüksek partikül konsantrasyonları için kullanılabilecek basit ama verimli, düşük maliyetli bir parçacık dedektörünün nasıl oluşturulacağı ve test edileceği konusunda bir protokol sunmaktadır. Bu tip elektrostatik sensörler üzerindeki önceki çalışmalar çoğunlukla egzoz ölçümlerine odaklanmıştı. Bu çalışmada, laboratuvar tarafından üretilen kurum parçacıkları test aerosolleri olarak kullanılmıştır. Açıklanan sensör, Warey ve ark. ve Bilby ve ark.12,13’ün önceki çalışmalarına dayanmaktadır.
Sensör gövdesi, stereolitografi tabanlı 3D baskılı bir gövde, bakır tüplerden kesilmiş koaksiyel elektrotlar, bir vakum contası ve bir vakum kelepçesinden oluşur. Bir sensör için vakum contası, kablo, bakır borular ve 3D reçine gibi malzemelerin maliyeti 40 € ‘dan azdır. Gerekli ek ekipman bir yüksek voltaj kaynağı, bir USB tezgah multimetresi ve bir lehimleme istasyonudur. Sensörü değerlendirmek için, tanımlanmış bir aerosol kaynağı ve bir referans cihazı da bir kez gereklidir (bkz. Bu protokolde açıklanan sensörün boyutu 10 cm x 7 cm’dir. Bu boyut özellikle deney için seçilmiştir ve yine de önemli ölçüde azaltılabilir (tartışmadaki modifikasyonlar/sensör boyutlarına bakın).
Bu protokol, basit bir düşük maliyetli parçacık sensörünün nasıl oluşturulacağını, test edileceğini ve kullanılacağını açıklar. Protokolün bir şeması Şekil 3’te gösterilmiştir – sensör gövdesinin 3D baskısı ve elektrot üretimi, sensörün montajı, ayrıca test ve sensörün saha uygulamasına bir örnek.
Şekil 3: Yöntem için şematik. Protokol dört ana adıma ayrılmıştır. İlk olarak, sensör muhafazası için tüm parçalar yazdırılır. Daha sonra elektrotlar üretilir. Üçüncü adımda, elektrotlar ve vakum contası ile 3D baskılı sensör muhafazası monte edilir. Son adımda, sensör performansı değerlendirilir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
3D baskı işleminin en önemli adımları Şekil 4’te gösterilmiştir. İlk başta, baskı için doğru dilimleyici ayarları seçilir. Daha sonra, baskının en önemli kısımları ve 3D baskılı modelin ön işlenmesi tartışılmaktadır. Bu adım için, izopropanol banyosu ve UV sertleştirme cihazı ve düz öğütücü içeren bir reçine 3D yazıcıya ihtiyaç vardır.
Şekil 4: 3D baskının şeması. (A) Dilimleyici 3B modeli tasvir edilmiştir; (B) baskı işlemi sırasında yazıcı. Son işlem adımları: (C) yıkama ve (D) UV sertleştirme. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5 , elektrot üretiminin en önemli adımlarını göstermektedir: elektrotların form şekillendirmesi ve elektrotlara temasın lehimlenmesi. Bu adım için, farklı çaplarda iki bakır boru, bir kumpas, bir boru kesici, düz bir taşlama makinesi, bir mengene, bir lehimleme istasyonu ve lehimleme kalayı, iki farklı renkte izole kablolar, termal koruyucu eldivenler ve bir tel kesiciye ihtiyaç vardır.
Şekil 5: Elektrot üretimi . (A) Ölçme, (B) kesme, (C) çapak alma ve (D) elektrotların lehimlenmesi. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Protokoldeki montaj bölümü, sensörün nasıl monte edildiğini açıklar. En önemli sensör parçaları Şekil 6’da, yani dış elektrot tutucu, akış kanalı ve iç elektrot tutucu olarak gösterilmiştir. Şekil 7 , sensör montajındaki en önemli adımları göstermektedir. Bu adım için epoksi yapıştırıcı, koruyucu giysiler, vakum contası, vakum kelepçesi, güvenlik gözlükleri ve eldivenlere ihtiyaç vardır.
Şekil 6: Sensör parçaları . (A) Dış elektrot tutucu, (B) akış kanalı ve (C) iç elektrot tutucu. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 7: Sensör tertibatı. Sensör tertibatının tüm adımları gösterilir. A-E, sensörün bir yarısının montajını gösterir. (A) İç elektrot tutucu akış kanalına yapıştırılmıştır. (B) İç elektrot, iç elektrot tutucu üzerine yerleştirilir. (C) Dış elektrot, dış elektrot tutucusuna yerleştirilir. (D) Dış elektrot tutucu, akış kanalı + iç elektrot tutucu tertibatı üzerine yapıştırılır. (E) Vakum sızdırmazlığı, bir sensör yarısının dış elektroduna yapışır ve ardından diğer sensör yarısının aynı ikinci dış elektrodu olan (C)’ye yapışır. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Test bölümünde, yeni üretilen sensörü bir referans cihazıyla karşılaştırmak için deneyin nasıl ayarlanacağı açıklanmaktadır. Bu adım için, bir tezgah multimetresi, vakum pompası, yüksek voltaj beslemesi, aerosol jeneratörü, seyreltme köprüsü, aerosol tüpleri, Y-fitting, bir kütle akış kontrolörü (MFC), bir aerosol karıştırıcı, bir referans cihazı ve bir pamuklu çubuk gereklidir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kritik adımlar
İşlem sonrası yazdırma
Bu protokoldeki hemen hemen her adım, yeni basılmış 3B parçaların son işlenmesi dışında duraklatılabilir veya ertelenebilir (protokol adımı 1.5). Yazıcının UV koruma ekranı açılırsa, son işlem hemen başlamalıdır, aksi takdirde küçük kablo kanalları ve contanın boşluğu tıkanır. Boşluğun hassas bir şekilde oturması, sensörün hava geçirmez bir şekilde kapatılabilmesini sağlar. Bu önemlidir, çünkü sensör akış dalgalanmalarına karşı çok hassastır. Sertleştirme işlemi de önemlidir (protokol adım 1.4); Sıcaklık çok yüksek ayarlanırsa, malzeme çok kırılgan hale gelir ve kelepçe tarafından dış elektrot tutucuya uygulanan kuvvetler altında kırılabilir.
Elektrot üretimi
Elektrotların dikkatli bir şekilde kesilmesi ve çapak alınması (protokol adımları 2.2-2.3) çok önemlidir, çünkü elektrot boşluğundaki düzensizlikler elektrik ve hız alanlarında bozulmalara neden olur ve bu da düşük sensör performansına neden olur. En kötü senaryoda, güçlü bir düzensizlik, elektrotların o kadar yaklaşmasına neden olabilir ki, arıza voltajı aşılır ve kısa devre meydana gelir. Bu noktadan itibaren, ölçüm sinyali hakkında hiçbir açıklama yapılamaz ve ölçüm elektroniği hasara eğilimlidir.
Meclis
Sensörün montajı (protokol adımları 3.4-3.6) çok önemlidir, çünkü bu elektrot boşluğunu oluşturur. Yukarıda belirtildiği gibi, elektrotlar arasındaki mesafe çok önemlidir; Bu boşluk tüm uzunluk boyunca eşit olarak 1 mm olmalıdır. Bu adımlar önemlidir, çünkü sensördeki elektrik alanını büyük ölçüde değiştirebilirler. Genel biriktirme davranışı ve dendrit oluşumu, elektrik alanındaki değişiklikten etkilenebilir. Bu nedenle, sensör tepkisinin gelen aerosole doğrusal olduğu artık garanti edilemez. Kısa devrenin en kötü senaryosu burada da geçerlidir.
Değişiklik
3D baskı
Diğer olası değişiklikler, farklı 3D baskı reçinelerinin kullanılmasıdır. Piyasada sensör muhafazasının yoğunluğunu, esnekliğini, sıcaklık direncini ve gücünü değiştirebilen birçok farklı reçine vardır.
Sensör boyutları
Sensör için ilk tasarım kriteri bir emniyet konfigürasyonudur. Elektrotlar arasındaki havanın dielektrik dayanımı 3 mm/kV’dur. Bu uzunluk hiçbir durumda kesilmemelidir. Elektrik potansiyeli ne kadar yüksek olursa, o kadar fazla parçacık biriktirilir ve bu biriken parçacıklar daha sonra dendritler oluşturmaya eğilimlidir. Elektrotların boyutları, kolayca bulunabilen standart bileşenlerin kullanılabilmesi için seçildi. Yazarlar tarafından bilinen benzer sensörlerin tasarımları, düz bir sensör için aşağıdaki boyutları kullanmıştır: 9 mm genişlik, 2 mm uzunluk, 1 mm boşluk ve 15 mm uzunluk, silindirik bir tasarım için 8,5 mm çapında ve 1,3 mm boşluk12,13. Ayrıca sensörün normal bir atölyede elle üretilebilmesinden de emin olunmalıdır. 1 mm’lik boşluk, sensörün manuel olarak temizlenmesini sağlayan mutlak minimum boşluktur. Burada, 1 kV, güvenlik ve verimli parçacık birikiminin yanı sıra bu aralıktaki voltaj kaynaklarının kullanılabilirliğinin iyi bir uzlaşması olarak kullanılmıştır.
Elektrot -lar
Sensör elektrotları arasındaki 1 mm’lik tam mesafe performans için çok önemli olduğundan, bu adıma daha fazla geliştirme çalışması yapılabilir. Örneğin, 3D baskılı fikstür daha da doğru hale getirilebilir veya ekipman mevcutsa, kesme ve çapak alma için basit bir boru kesici yerine bir torna tezgahı kullanılabilir. Başka bir seçenek de boru kesici yerine testere kullanmaktır. Bu durumda, testerenin kenarları daha sonra öğütülmelidir. Bu yöntem boru kesiciden daha az deformasyona neden olur, ancak daha uzun sürer. Epoksi yapıştırıcıya kıyasla, silikon kablolara hareket etmesi için daha fazla alan sağlar ve elektrotları yeniden yerleştirmek daha kolay hale gelir. Bununla birlikte, kabloların hareket etmek için daha fazla alana sahip olması nedeniyle, sensörü kapatmak daha zordur. Bir kerede açılması daha kolay olan vakum kelepçesi yerine, kendi kendine yapılan bir tasarım da mümkündür. Burada, 3D tasarımda sadece bazı vidalar için delikler ve sızdırmazlık kablosu için bir boşluk değiştirilmelidir.
cesaret
MFC, aerosolün ne kadarının sensörden emildiğini belirler; geri kalanı, odanın kirlenmesini önlemek için taşmanın sonuna yerleştirilmiş bir HEPA filtresi ile taşma yoluyla boşaltılabilmelidir. MFC yerine daha ucuz bir pompa seçerek, daha yüksek akış dalgalanmaları sensör sinyalini olumsuz yönde etkileyecektir.
Seyreltme köprüsü
Şekil 9’da görüldüğü gibi, bir veya daha fazla HEPA filtresine paralel basit bir iğne valfi ile bir seyreltme köprüsü inşa edilebilir. Diğer tasarımlar, iğne valfi yerine tüpü sıkmak için küçük bir mengene içerir. Bu tasarım, tüpün daha kolay temizlenebilmesi avantajına sahiptir. Böyle bir mengene ne kadar çok bobine sahipse, konsantrasyon o kadar ince ayarlanabilir. Bu, özellikle yüksek dinamiklerden kaçınılması gereken kalibrasyon ölçümleri için önemlidir.
Tezgah multimetresi
Tezgah multimetresi, doğru akım değerini elde etmek için iç direnç değerine bölünmesi gereken bir voltajı ölçer. Seçilen ölçüm aralığına bağlı olarak (örneğin, 100 V), bu iç direnç değeri değişebilir (örneğin, 1 MΩ). İç direnç değerinin ölçülen tüm değerler için aynı olması için tanımlanmış bir aralık seçmek önemlidir. “Otomatik aralık” seçilirse, iç direnç değeri de izlenmelidir.
Sorun giderme
3D yazıcı
Yazıcı durursa, depo son baskının kalıntıları açısından kontrol edilmelidir; mikser sık sık sıkışır. Baskı işleminin ilk dakikalarına dikkat edilmelidir. Tıkanmışsa, bunun nedeni ya doğru dilimleyici ayarlarının yapılmamış olması ya da yeni baskının son işlemden önce UV korumalı koşullar altında saklanmamış olmasıdır. Dilimleyici ayarlarında, akış kanalını ve elektrotlar arasındaki boşluğu hiçbir destek noktası engellememeli ve dosyayı yazıcıya göndermeden önce dahili destek yapıları kutusunun tıklaması kaldırılmalıdır.
Aerosol kaynağı + seyreltme köprüsü
Aerosol kaynağı kararsız görünüyorsa, tüm HEPA filtreleri doğru konumda olduklarından ve tıkanmadıklarından emin olmak için kontrol edilmelidir. Ayrıca, aerosol jeneratörü ve referans cihazı, ısınma aşamalarını tamamladıklarından emin olmak için kontrol edilmelidir.
Sensör
En yaygın arızalar, yetersiz bir güç kaynağı bağlantısından, sensördeki bir hava sızıntısından veya biriken parçacıkların elektrotlar arasında kurum köprüleri oluşturmasından kaynaklanır. İlk olarak, elektrotlar arasında kurum köprülerinin oluşup oluşmadığını kontrol etmek için sensör açılır. Sensör kablolarının bağlantısını kesmeden ve sensörü açmadan önce güç kaynağı kapatılmalıdır. Kurum köprüleri çıplak gözle kolayca görülebilir ve çok az çabayla çıkarılabilir. Kurum köprülerini çıkarmak için, optik bir temizleme bezi veya tüy bırakmayan pamuklu çubuk kullanmak en iyisidir.
Sensördeki akış davranışını değiştiren bir sızıntının yanı sıra elektrotlardaki daha düşük voltaj, sensör sinyalini değiştirebilir. Bu sorunlardan hangisinin beklenmeyen bir sensör tepkisinden sorumlu olduğunu önceden söylemek mümkün değildir. Bu nedenle, hem sızdırmazlığı hem de voltaj stabilitesini aşağıdaki gibi kontrol etmek önemlidir. İlk olarak, kablodan elektrotlara bağlantı kontrol edilir (protokol adım 4.4). Daha sonra, beklenen voltları sağlayıp sağlamadığını görmek için voltaj kaynağı kontrol edilir. Bir hava kaçağı en iyi sızıntı spreyi ile tanımlanır. Buna ek olarak, sızdırmazlık, protokol adımı 4.4.2’de açıklandığı gibi bir vakum pompası ile de kontrol edilebilir.
Sınırlama
Bir elektrostatik sensörün sınırlaması Maricq ve ark.14 tarafından iyi tanımlanmıştır. Çalışmalarında, sensörün performansı için kararlı bir voltaj kaynağının ve kararlı bir sensör akışının önemini vurgulamaktadırlar. Bu nedenle, Şekil 10’da açıklandığı gibi, akış kontrolü için her zaman MFC veya pompalı bir kurulum kullanılmalıdır. Ek olarak, sensörün ilk test sırasında dengeye ulaşması için daha uzun bir zamana ihtiyacı vardır. Elektrotlara stabil bir dendrit popülasyonunun yerleştiği diğer deneylerde, sensörün başlatılması için gereken süre azalır. Bununla birlikte, genellikle sensörün ilk konsantrasyona bağlı olarak çalışması için her zaman bir başlatma süresine ihtiyaç duyduğu unutulmamalıdır.
Bilby ve ark.’da olduğu gibi düz bir tasarımın aksine, sensör kayması bu silindirik düzenlemede önemli bir sorun değildir12. Bununla birlikte, düşük partikül konsantrasyonlarındaki hızlı konsantrasyon değişikliklerinin sensörle algılanması hala zordur. Diller ve ark. ve Maricq ve ark. tarafından belirtildiği gibi, anlamlı bir ölçüm sinyali için, ölçülen değerin ortalaması, deneydeki akışın ne kadar değiştiğine bağlı olarak 2-10 dakika boyunca ortalaması alınır14,15.
2.8 nAm3 / mg’lık bir eğim ve ±1.4 nA’lık bir standart sapma ile, Şekil 11’deki regresyon çizgisinden sapma yüksektir. Sensör doğruluğunun daha iyi anlaşılması için, birkaç deneyin karşılaştırılması önerilir. Tekrarlanan deneyler için, eğim ±1.0 nA’lık bir standart sapma ile 3.5 nAm3 / mg ve ± 0.6 nA’lık bir standart sapma ile 4.9 nAm3 / mg’dır. Ek olarak, sensör voltaj kaynağı açıldığı anda çok yüksek bir okuma verecektir. Bu başlangıç değeri, ölçüm verilerinden filtrelenir.
Burada sunulan yöntemin avantajı açıkça basitlikte, aynı zamanda sensör şeklini farklı ihtiyaçlara uyarlamak için çok yönlü olasılıklarda yatmaktadır. Bu nedenle, kuruma ek olarak, sensör çok çeşitli yüklü parçacıkları algılayabilir ve enerji santrallerinden, orman yangınlarından, endüstrilerden ve otomobillerden partikül madde tespiti gibi çok çeşitli uygulamalar için uygundur. Bu makale, ajanslara, şirketlere, araştırma ekiplerine, vatandaş bilim insanlarına ve partikül maddenin tespiti ile ilgilenen herkese, bu basit sensör yapım kılavuzunu yeniden üretmek ve kendi parçacık dedektörlerini oluşturmak için bir teşvik olmalıdır.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma COMET Merkezi “ASSIC-Avusturya Akıllı Sistemler Entegrasyon Araştırma Merkezi” tarafından finanse edilmiştir. ASSIC, BMK, BMDW ve Avusturya’nın Karintiya ve Steiermark illeri tarafından, Avusturya Araştırma Tanıtım Ajansı’nın (FFG) COMET-Mükemmel Teknolojiler için Yeterlilik Merkezleri programı kapsamında ortaklaşa finanse edilmektedir.
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).
