Sähköiseen detektioon perustuvien anturitekniikoiden soveltuvuus 10 nm - 1 μm pienhiukkasten massa- ja lukumääräpitoisuuden määritykseen
Nykänen, Juuso (2019)
2019
Teknis-luonnontieteellinen DI-ohjelma - Degree Programme in Science and Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2019-10-08
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-201909093199
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-201909093199
Tiivistelmä
Sähköistä detektiota hyödyntävillä anturiteknologioilla on jo pitkään voitu havaita ilman pienhiukkasia, jotka ovat liian pieniä optisella detektiolla havaittaviksi. Valitettavasti näiden sähköisten menetelmien mittaamien signaalien muuntaminen yleisesti käytetyiksi lukumäärä- tai massapitoisuuksiksi ei ole triviaalia mitattavan hiukkasjakauman ollessa tuntematon.
Tämän työn tavoitteena oli tutkia sähköiseen detektioon perustuvien anturiteknologioiden soveltuvuutta 10 nm – 1 µm hiukkasten lukumäärä- ja massapitoisuuden määrittämiseen kaupunkiympäristössä. Neljän eri anturin suorituskykyä mallinnettiin hyödyntäen teoreettisia lognormaaleja jakaumia sekä Pekingistä, Nanjingista ja Delhistä mitattua todellista hiukkasjakaumadataa. Mallinnettavat anturit olivat varaajasta ja Faradayn kupista koostuva yksinkertainen anturi, NanoTracer, miniature DiSC sekä tämän työn tekemisen yhteydessä kehitetty uusi sähköiseen detektioon perustuva anturi (EPS). Mallinnuksen lisäksi EPS:n toimintaa tutkittiin laboratorioprototyypin avulla.
Mallinnuksen perusteella yksinkertaisen anturin suorituskyky lukumäärä- ja massapitoisuutta mitattaessa oli heikko. NanoTracerin suorituskyky oli hyvä lukumäärää mitattaessa mutta massan mittaukseen anturi ei sovellu. Miniature DiSC ja EPS suoriutuivat hyvin sekä lukumäärä- että massapitoisuuden määrityksessä – massapitoisuuden määrityksessä EPS oli selkeästi mallinnetuista antureista paras. Antureiden malleja kehitettäessä ja antureita mallintaessa havaittiin, että antureiden käyttämillä algoritmeilla ja niiden sopivuudella mittaustilanteeseen on merkittävä vaikutus anturin suorituskykyyn. Erityisesti NanoTracerin ja EPS:n suorituskykyä mallinnetuissa kaupunkiolosuhteissa voitaisiin parantaa tekemällä muutoksia antureissa käytettyihin algoritmeihin.
EPS:n prototyypin epäsuora diffuusiovaraaja, nollannen kertaluvun liikkuvuusanalysaattori sekä suodattimella varustettu Faradayn kuppi ja elektrometri karakterisoitiin laboratoriomittauksin. Mittauksien perusteella komponenttien suorituskyky oli sopivalla tasolla EPS:n mittausperiaatteen testaamista varten. EPS:n mittausperiaatteen toimivuutta testattiin lognormaaleilla hiukkaskokojakaumilla, joiden CMD vaihteli välillä 25-634 nm. Jakauman CMD:n ollessa välillä 25-68 nm EPS:n mittaama lukumääräjakauma noudatti pääpiirteissään SMPS:llä mitattua. EPS:llä mitatuista jakaumista lasketut lukumäärä- ja massapitoisuudet korreloivat hyvin SMPS:n mittaamien pitoisuuksien kanssa selitysasteiden ollessa R² = 0,90 ja R² = 0,98. Sensor technologies utilizing electrical detection have long been capable of detecting particles that are too small to be detected utilizing optical detection. Unfortunately conversion of the signals measured by the electrical technologies to number or mass concentration is not trivial when particle size distribution being measured is unknown.
Objective of this work was to study applicability of electrical detection based sensor technologies for determination of 10 nm – 1 µm particle number and mass concentration in urban environment. Performance of four different sensors was modeled utilizing both theoretical lognormal distributions and real particle size distribution data from Beijing, Nanjing and Delhi. Sensors being modeled were a simple sensor comprised of charger and Faraday cup, NanoTracer, miniature DiSC and a novel electrical detection based sensor (EPS) that was being developed in parallel with this work. In addition to modeling operation principle of the EPS was studied with a laboratory prototype.
Based on the modeling performance of the simple sensor was weak in both measuring number and mass concentration. Performance of NanoTracer was good measuring particle number but the sensor is not suitable for mass measurements. Miniature DiSC and EPS performed well in measuring mass and number concentration – in measuring mass concentration EPS was clearly best of the modeled sensors. While developing models for sensors it was observed that algorithms utilized in the sensors and applicability of them for the measurement situation have significant impact on the performance of the sensor in the application. Especially NanoTracer’s and EPS’s performance in urban environment could further be improved by implementing some algorithm modifications.
Components of the EPS prototype, indirect diffusion charger, zeroth order mobility analyzer and Faraday cup equipped with a filter were characterized with laboratory measurements. Based on the measurements performance of the components was sufficient for testing EPS’s operation principle. EPS’s operation principle was tested with lognormal particle size distributions with CMD of 25-634 nm. While CMD was 25-68 nm particle size distribution measured by the EPS agreed reasonably well with SMPS. Number and mass concentrations computed from the particle size distributions measured by the EPS correlated well with the ones measured by the SMPS, coefficients of determination were R² = 0.90 and R² = 0.98.
Tämän työn tavoitteena oli tutkia sähköiseen detektioon perustuvien anturiteknologioiden soveltuvuutta 10 nm – 1 µm hiukkasten lukumäärä- ja massapitoisuuden määrittämiseen kaupunkiympäristössä. Neljän eri anturin suorituskykyä mallinnettiin hyödyntäen teoreettisia lognormaaleja jakaumia sekä Pekingistä, Nanjingista ja Delhistä mitattua todellista hiukkasjakaumadataa. Mallinnettavat anturit olivat varaajasta ja Faradayn kupista koostuva yksinkertainen anturi, NanoTracer, miniature DiSC sekä tämän työn tekemisen yhteydessä kehitetty uusi sähköiseen detektioon perustuva anturi (EPS). Mallinnuksen lisäksi EPS:n toimintaa tutkittiin laboratorioprototyypin avulla.
Mallinnuksen perusteella yksinkertaisen anturin suorituskyky lukumäärä- ja massapitoisuutta mitattaessa oli heikko. NanoTracerin suorituskyky oli hyvä lukumäärää mitattaessa mutta massan mittaukseen anturi ei sovellu. Miniature DiSC ja EPS suoriutuivat hyvin sekä lukumäärä- että massapitoisuuden määrityksessä – massapitoisuuden määrityksessä EPS oli selkeästi mallinnetuista antureista paras. Antureiden malleja kehitettäessä ja antureita mallintaessa havaittiin, että antureiden käyttämillä algoritmeilla ja niiden sopivuudella mittaustilanteeseen on merkittävä vaikutus anturin suorituskykyyn. Erityisesti NanoTracerin ja EPS:n suorituskykyä mallinnetuissa kaupunkiolosuhteissa voitaisiin parantaa tekemällä muutoksia antureissa käytettyihin algoritmeihin.
EPS:n prototyypin epäsuora diffuusiovaraaja, nollannen kertaluvun liikkuvuusanalysaattori sekä suodattimella varustettu Faradayn kuppi ja elektrometri karakterisoitiin laboratoriomittauksin. Mittauksien perusteella komponenttien suorituskyky oli sopivalla tasolla EPS:n mittausperiaatteen testaamista varten. EPS:n mittausperiaatteen toimivuutta testattiin lognormaaleilla hiukkaskokojakaumilla, joiden CMD vaihteli välillä 25-634 nm. Jakauman CMD:n ollessa välillä 25-68 nm EPS:n mittaama lukumääräjakauma noudatti pääpiirteissään SMPS:llä mitattua. EPS:llä mitatuista jakaumista lasketut lukumäärä- ja massapitoisuudet korreloivat hyvin SMPS:n mittaamien pitoisuuksien kanssa selitysasteiden ollessa R² = 0,90 ja R² = 0,98.
Objective of this work was to study applicability of electrical detection based sensor technologies for determination of 10 nm – 1 µm particle number and mass concentration in urban environment. Performance of four different sensors was modeled utilizing both theoretical lognormal distributions and real particle size distribution data from Beijing, Nanjing and Delhi. Sensors being modeled were a simple sensor comprised of charger and Faraday cup, NanoTracer, miniature DiSC and a novel electrical detection based sensor (EPS) that was being developed in parallel with this work. In addition to modeling operation principle of the EPS was studied with a laboratory prototype.
Based on the modeling performance of the simple sensor was weak in both measuring number and mass concentration. Performance of NanoTracer was good measuring particle number but the sensor is not suitable for mass measurements. Miniature DiSC and EPS performed well in measuring mass and number concentration – in measuring mass concentration EPS was clearly best of the modeled sensors. While developing models for sensors it was observed that algorithms utilized in the sensors and applicability of them for the measurement situation have significant impact on the performance of the sensor in the application. Especially NanoTracer’s and EPS’s performance in urban environment could further be improved by implementing some algorithm modifications.
Components of the EPS prototype, indirect diffusion charger, zeroth order mobility analyzer and Faraday cup equipped with a filter were characterized with laboratory measurements. Based on the measurements performance of the components was sufficient for testing EPS’s operation principle. EPS’s operation principle was tested with lognormal particle size distributions with CMD of 25-634 nm. While CMD was 25-68 nm particle size distribution measured by the EPS agreed reasonably well with SMPS. Number and mass concentrations computed from the particle size distributions measured by the EPS correlated well with the ones measured by the SMPS, coefficients of determination were R² = 0.90 and R² = 0.98.