Opportunities for Low-Cost Particulate Matter Sensors in Filter Emission Measurements

Schwarz, A. D., Meyer, J., & Dittler, A. (2018)

Uzasadnienie badania

Obserwujemy rosnące zaangażowanie społeczeństwa w badania jakości powietrza. Projekty Citizen Science na całym świecie, takie jak EveryAware [8], Open Sense [9], AirCasting [11], wykorzystują tanie platformy czujników do zbierania danych o jakości powietrza, zapewniając duży obszar pomiaru jakości powietrza . Także

OK Lab Stuttgart, zwrócił uwagę opinii publicznej na ten problem publikując dane z niepokojąco wysokich stężeń pyłów PM10 i PM 2,5, zmierzonych za pomocą tanich czujników SDS011 firmy Nova [12,13]. Ze względu na popularność, ten sam model czujnika był przedmiotem tego badania. Chociaż wyniki tych projektów nauki obywatelskiej rejestrują tendencje, dokładność i precyzja tanich czujników jest często kwestionowana, ponieważ nie istnieją żadne standardowe procedury wdrożeniowe, a precyzyjne informacje dotyczące produkcji i kalibracji są zwykle niedostępne. W wielu różnych badaniach testowano różne rodzaje mikroczujników w celu oceny ich dokładności. Eksperymenty przeprowadzono jako badania polowe lub eksperymenty laboratoryjne lub połączenie obu, wykorzystując profesjonalne urządzenia jako instrumenty referencyjne. Większość badań podaje mieszane wyniki działania tanich czujników pod względem precyzji i dokładności [14-20]. Podjęto próbę znalezienia czynników korekcyjnych w celu zwiększenia dokładności [14, 21-23]. Względna wilgotność została zidentyfikowana jako jeden z głównych czynników przyczyniających się do błędów w pomiarze tanich czujników PM [19-21, 23, 24]. Zmierzone cząsteczki są do pewnego stopnia higroskopijne i zwiększają swoją objętość, ponieważ pochłaniają wodę z otoczenia.

Ponieważ tanie czujniki mierzą mokry rozmiar cząstek i generalnie nie są w stanie odróżnić cząstek i małych kropelek aerozolu, a nie mierzą suszonych cząstek, jak większość urządzeń referencyjnych ze zintegrowanym sprzętem grzewczym, prowadzi to do dużych różnic w wynikach. Crilley i Sousan poinformowali o ogólnej przeszacowaniu przez tanie czujniki PM i zauważyli, że im mniejsze były mierzone cząstki, tym większy był związany z tym błąd [16, 21].

The recordings of the SDS011 show that its application comes with certain limitations. Although its signal response reacts timely to a fast increase in concentration, the relaxation of the signal is delayed (Figs. 8, 9). The quantitative comparison between the SDS011, the Palas_ system, and the cyclone demonstrated that the low-cost sensor records emissions, which are well below the recorded values of the reference devices.

Konkluzja

Wskazania SDS011 pokazują, że jego zastosowanie ma pewne ograniczenia. Chociaż jego odpowiedź na sygnał reaguje w odpowiednim czasie na szybki wzrost stężenia pyłów, narastanie sygnału jest opóźnione (Fig. 8, 9). Ilościowe porównanie SDS011, systemu Palas i cyklonem wykazało, że ten czujnik rejestruje emisje, które są znacznie niższe od zarejestrowanych przez urządzenia referencyjne.

There is an increasing public involvement in air quality studies. Citizen science projects worldwide such as EveryAware [8], Open Sense [9], Citi-sense (terminated) [10] or AirCasting [11] use low-cost sensor platforms to collect air quality data providing large area coverage of air quality measurements.

The OK Lab Stuttgart is part of the ‘Code for Germany’ program by the Open Knowledge Foundation Germany. The organization recently received a lot of public attention for its published PM data, which was measured with low-cost SDS011 sensors by Nova [12], reporting very high PM10 and PM2.5 values [13]. Because of its popularity, the same sensor model was subject of this study. Although results of these citizen science projects record tendencies, the accuracy and precision of low-cost sensors is frequently questioned as no standardized implementation procedures are in place and precise manufacturing and calibration information are usually unavailable. Various types of microsensors were tested aiming to evaluate their accuracy. Experiments were conducted as field studies or laboratory experiments or a combination of both, employing professional devices as reference instruments. The majority of studies report mixed results of the low-cost sensors’ performance in terms of precision and accuracy [14–20]. An attempt has been made to find correction factors in order to increase accuracy [14, 21–23]. Relative humidity has been identified as one of the main factors contributing to errors in measurement of low-cost PM sensors [19–21, 23, 24]. The measured particles are to a certain degree hygroscopic and increase in size as they absorb water from their surroundings.

As low-cost sensors measure the wet size of the particles and are generally not able to differentiate between particles and small water aerosol droplets rather than measuring dried particles like most reference devices with integrated heating equipment, this leads to great differences in results. Crilley and Sousan reported a general overestimation by low-cost PM sensors and noted that the smaller the measured particles were, the larger the associated error seemed to be [16, 21].

Close Menu