Kostengünstiger Partikeldetektor für die additive Fertigung

Die Detektion und Regulierung von Partikelemissionen ist von großer Bedeutung. Das Protokoll ist bedeutsam, weil es jedem ermöglicht, einen einfachen Partikelsensor zu bauen, zu testen und zu verwenden. Der Vorteil des Verfahrens liegt nicht nur in dieser Einfachheit, sondern auch in den vielseitigen Möglichkeiten, die Sensorform mit minimalem Equipment und minimalen Gesamtkosten an unterschiedliche Bedürfnisse anzupassen.

Neben Ruß kann der Sensor auch Konzentrationen geladener Teilchen erkennen und eignet sich für viele Anwendungen. Zum Beispiel spezielle Metalldetektion für Kraftwerke, Waldbrände in der Industrie und Automobile. Um mit der Herstellung der Elektroden zu beginnen, werden zwei Kupferrohre mit einem Durchmesser von 18 Millimetern bzw. 22 Millimetern benötigt.

Messen Sie neun Millimeter von der Oberkante der beiden Rohre und markieren Sie diese Positionen. Schneiden Sie die Rohre mit einem Rohrschneider an den Markierungen durch, ohne zu viel Kraft aufzuwenden. Entgraten Sie die Kupferringe vorsichtig, ohne zu viel Druck auszuüben und ohne die Elektrodenoberflächen zu zerkratzen.

Dies ist ein kritischer Schritt, der sich auf die Leistung der Sensoren auswirkt. Polieren Sie als Nächstes vor dem Löten der Elektroden die Kupferringe, um die oxidierte Kupferschicht auf den Oberflächen zu entfernen. Klemmen Sie den zu lötenden Ring in einen Schraubstock.

Verzinnen Sie sowohl den Kupferring als auch das Kabel, bevor Sie das Kabel an den Ring löten. Löten Sie das rote Kabel an den 18 Millimeter inneren Kupferring und das schwarze Kabel an den 22 Millimeter äußeren Kupferring. Kleben Sie den inneren Elektrodenhalter auf den Durchflusskanal und warten Sie eine Stunde, bis der Kleber ausgehärtet ist.

Führen Sie dann das Kabel durch den Kabelkanal und achten Sie darauf, dass genügend Platz für die Lötstelle vorhanden ist. Setzen Sie den 18 Millimeter großen inneren Elektrodenring auf die Halterung. Führen Sie anschließend das Kabel durch den Kabelkanal und setzen Sie den 22 Millimeter großen äußeren Elektrodenring auf die jeweilige Halterung.

Kleben Sie den äußeren Elektrodenhalter auf den Strömungskanal. Setzen Sie den Abstandshalter in den Spalt zwischen den beiden Kupferelektroden ein und warten Sie eine Stunde, bis der Kleber ausgehärtet ist. Versiegeln Sie alle Kabelkanäle mit Epoxidkleber.

Warten Sie dann über Nacht, bis der Kleber ausgehärtet ist. Setzen Sie am nächsten Tag die Vakuumdichtung in das aufgedruckte Ventil der Außenelektrode ein. Befestigen Sie dann nach dem Einsetzen der beiden Sensorseiten ineinander diese mit der Vakuumklemme.

Bauen Sie den Sensor wie in der Abbildung gezeigt auf. Verbinden Sie dazu zunächst das Hochspannungsnetzteil mit dem roten Sensorkabel der Hochspannungselektrode. Schließen Sie dann das schwarze Sensorkabel an den Spannungseingang des Tischmultimeters an.

Nachdem Sie die Masse des Elektrometers oder GND mit einem Netzteil GND erfasst haben, schließen Sie das USB-Kabel des Multimeters an den PC an. Sobald das Multimeter an den PC angeschlossen ist, integrieren Sie den Sensor gemäß dem gezeigten Layout in den Aerosolmessaufbau. Stellen Sie sicher, dass die Verdünnungsbrücke geschlossen ist, bevor Sie mit dem Experiment beginnen. Verbinden Sie den Auslass der Verdünnungsbrücke mit dem Einlass des Aerosolmischers und lassen Sie zwei der Aerosolgemische in den Sensoreinlass aus.

Schließen Sie einen hocheffizienten Partikelabsorptions- oder HEPA-Filter an den Sensorauslass und den HEPA-Auslass an den Massendurchflussregler oder MFC-Einlass an. Verwenden Sie eine Wye-Armatur und verbinden Sie den Auslass des Aerosolmischers und den Verdünnungsluftstrom mit dem geteilten Ende der Wye-Verschraubung. Verbinden Sie den Einlass des Referenzinstruments mit dem einzigen Ende der Wye-Verschraubung.

Starten Sie das Experiment, indem Sie den Aerosolgenerator an die Verdünnungsbrücke anschließen und darauf achten, dass die Verdünnungsbrücke geschlossen ist. Klicken Sie auf Messen auf dem Referenzinstrument. Öffnen Sie die Verdünnungsbrücke langsam, bis die gewünschte Aerosolmassenkonzentration von drei bis fünf Milligramm pro Kubikmeter erreicht ist, bevor Sie die Daten auf dem Referenzgerät aufzeichnen.

Beobachten Sie die Partikelmassenkonzentration des Referenzgeräts. Wenn die Aerosolquelle stabil ist, schalten Sie die Stromversorgung des Sensors auf 1.000 Volt ein und beginnen Sie mit der Aufzeichnung der Daten. Nachdem ein Gleichgewichtszustand für die Akkumulation und Fragmentierung von Dendriten erreicht war, wurde das Sensorsignal proportional zur eingehenden Rußkonzentration.

Die vertikale Achse zeigt das Sensorsignal in Ampere und die horizontale Achse die vom Referenzgerät gemessene Aerosolkonzentration in Milligramm pro Kubikmeter. Aus dem Diagramm wurde eine lineare Anpassung mit ihren repräsentativen Parametern berechnet. Darüber hinaus zeigte ein Experiment, bei dem es aufgrund der Bildung von Rußbrücken innerhalb der Elektroden zu einem Kurzschluss kam, dass das Signal in Stufen steil ansteigt, ohne anzuhalten oder abzuflachen.

Dendriten bildeten sich nicht mehr und der Sensor befand sich nicht mehr im Gleichgewicht. Entscheidend ist, die Elektroden sehr sorgfältig herzustellen und einen gleichmäßigen Elektrodenspalt zu schaffen. Um eine zuverlässige Testumgebung zu gewährleisten, sollte der Versuchsaufbau wie demonstriert reproduziert werden.

Dieses Protokoll soll Behörden, Unternehmen, Forschungsteams und Citizen Scientists motivieren, diese einfache Sensorkonstruktion zu reproduzieren und einen eigenen Teilchendetektor zu bauen.