Evaluation of Low-Cost Sensors for Ambient PM2.5 Monitoring

M., Badura, Batog, P., Drzeniecka-Osiadacz, A., Modzel

Źródło: https://www.researchgate.net/publication/328631397_Evaluation_of_Low-Cost_Sensors_for_Ambient_PM25_Monitoring

Abstrakt

Tanie czujniki stwarzają możliwość zwiększenia rozdzielczości przestrzennej i czasowej stężenia cząstek stałych w powietrzu. Jednakże takie czujniki przed podjęciem jakichkolwiek działań monitorujących powinny być kalibrowane w warunkach zbliżonych do warunków w jakich będą eksploatowane. W artykule przedstawiono wyniki porównania czterech modeli tanich czujników optycznych z analizatorem TEOM 1400a. W badaniach wykorzystano czujniki SDS011 (Nova Fitness), ZH03A (Winsen), PMS7003 (Plantower) oraz OPC-N2 (Alphasense). Po trzy egzemplarze każdego modelu czujnika umieszczono we wspólnej komorze w celu porównania ich wskazań. Monitorowanie frakcji PM2.5 prowadzone było od 21 sierpnia 2017 r. do 19 lutego 2018 r. we Wrocławiu. Odtwarzalność pomiędzy jednostkami sensorów oceniano na podstawie współczynnika zmienności (CV*). Wartości CV były niższe niż 7% w przypadku czujników SDS011 i PMS7003 i równe 20% dla jednostek OPC-N2. CV było wyższe niż 50% dla ZH03A, głównie z powodu awarii. W trakcie pomiarów tendencje wyników z czujników były generalnie podobne do danych TEOM**, ale w przypadku surowych danych z czujników zaobserwowano znaczne przeszacowanie stężeń PM2.5. Wysoką liniową zależność pomiędzy TEOM i czujnikami zaobserwowano dla danych uśrednionych dla 1 min, 15 min i 1 godz. dla czujników PMS7003 (R2*** ≈ 0 83-0.89), dla jednostek SDS011 (R2 ≈ 0 79-0.86), oraz dla jednej jednostki ZH03A (R2 ≈ 0 74-0.81). Wartości R2 dla średnich dziennych mieściły się na poziomie 0,91-0,93 dla PMS7003, 0,87-0,90 dla SDS011 i 0,89 dla ZH03A. OPC-N2 miał jedynie umiarkowaną liniową zależność z TEOM (R2 ≈ 0 53-0,69 dla danych dziennych i 0,43-0,61 dla krótszych średnich czasowych). Dość duże rozproszenie danych i wysokie błędy względne oszacowania PM2.5 zaobserwowano dla zakresów stężeń poniżej 20-30 μg/m3. Wpływ wysokiego poziomu wilgotności względnej obserwowano dla urządzeń SDS011 i OPC-N2 – wyraźne przeszacowanie wielkości wyjściowych obserwowano powyżej 80% RH.

Wnioski:

Wiele modeli tanich czujników PM jest obecnie dostępnych na rynku. Przeprowadzone porównanie czterech modeli czujników PM i analizatora TEOM wykazało, że optyczne czujniki PM generalnie podążają za trendem zmian PM 2.5 w powietrzu atmosferycznym. W przypadku wszystkich badanych czujników zaobserwowano jednak chwilowe szczyty surowych danych krótkoterminowych. Ważną rzeczą, na którą należy zwrócić uwagę jest to, że surowe dane wyjściowe z witryny off – urządzenia półkowe mogą znacząco zawyżać stężenie PM2.5 (można zaobserwować czynnik 2.5-5, jak pokazały wyniki tego badania). Może to wynikać z faktu, że czujniki są kalibrowane przez producenta z wykorzystaniem cząsteczek o właściwościach całkowicie odmiennych niż cząsteczki stałe w monitorowanym powietrzu. Z tego powodu kalibracja (lub ponowna kalibracja) czujników cząstek stałych powinna być przeprowadzona w określonym środowisku pomiarów. Najczęstszą metodą takiej kalibracji jest wykorzystanie danych z kolokowanego urządzenia wyższej klasy. Jak wykazały wyniki tego badania, tego rodzaju działania mogą być w pewnym sensie skomplikowane. Czujniki takie jak OPC-N2 (Alphasense) czy ZH03A (Winsen) charakteryzowały się stosunkowo dużą zmiennością wewnątrzmodelową. Z drugiej strony, SDS011 (Nova Fitness) i PMS7003 (Plantower) były precyzyjne pod względem powtarzalności wyników pomiędzy różnymi egzemplarzami. W takim przypadku współczynniki kalibracji z jednej jednostki mogą być wykorzystane w innych. Drugi aspekt kalibracji związany jest z liniowością reakcji czujników. Jednostki OPC-N2 eksponują tylko umiarkowaną zależność w porównaniu z TEOM** (średnia wartość R2*** na poziomie 0,5-0,6). Wyniki dla pomiarów liniowych były znacznie lepsze w przypadku czujników PMS7003, SDS011 i ZH03A. W szczególności, czujniki PMS7003 osiągnęły wartość R2 wyższą niż 0,8 dla krótkotrwałych czasów uśredniania i przekraczały 0,9 dla średnich dziennych.Przeprowadzona analiza danych wykazała również, że dla właściwego opisu charakterystyki czujnika pożądane jest szerszy zakres stężeń PM2.5. Sytuacja, w której zakres stężeń cząstek stałych jest wąski, może obniżyć jakość danych z czujników i skomplikować kalibrację. Czas trwania wspólnej instalacji dla kalibracji powinien trwać co najmniej kilka tygodni, aby uzyskać wystarczającą liczbę danych. Badania zostały przeprowadzone w różnych warunkach meteorologicznych. Czujniki PM pracowały zarówno w temperaturach poniżej 0°C, jak i powyżej 30°C i nie zauważono żadnych problemów z ich działaniem. Uszkodzenie obserwowano tylko w dwóch egzemplarzach czujników ZH03A i za tę sytuację mogło być odpowiedzialne nagromadzenie cząsteczek. W okresie pomiaru wilgotność względna wahała się od 27% do poziomu powyżej 90%. W przypadku czujników SDS011 i OPC-N2 zaobserwowano pewien wpływ wysokiej wilgotności względnej (RH > 80%). Większe rozproszenie mocy wyjściowych SDS011 odnotowano w bardzo wilgotnym powietrzu, a w przypadku niektórych typów urządzeń nastąpiła istotna zmiana nachylenia modeli liniowych. Ogólnie rzecz biorąc, badania wykazały, że tanie optyczne czujniki PM mogą być: skutecznymi narzędziami do monitorowania jakości powietrza atmosferycznego. Wyniki tych badań mogą pomóc autorom systemów pomiarowych i użytkownikom tanich czujników PM w doborze odpowiednich warunków pracy czujników pracy i ich kalibracji.

 

*CV iloraz odchylenia standardowego i średniej arytmetycznej w %, gdy CV< 25 % zmienność mała

**TEOM certyfikowane urządzenie przyrząd do detekcji w czasie rzeczywistym cząstek aerozolu poprzez pomiar ich stężenia masowego (tapered element oscillating microbalance).

***R2 (R-kwadrat) – współczynnik determinacji, dla wartość z zakresu 0,6-0,8 dopasowanie zadowalające.

Close Menu