Development and On-Field Testing of Low-Cost Portable System for Monitoring PM2.5 Concentrations

K. N., Genikomsakis, N. Galatoulas, P. I., Dallas, L. M., Candanedo Ibarra, D., Margaritis, C. S., Ioakimidis

Najnowsze osiągnięcia w dziedzinie tanich czujników umożliwiają projektowanie i wdrażanie kompaktowych, niedrogich i przenośnych czujników do monitorowania zanieczyszczeń powietrza o dokładnej szczegółowej rozdzielczości przestrzennej i czasowej, w celu wspierania zastosowań o szerszym znaczeniu w obszarze inteligentnych systemów transportowych (ITS). W tym kontekście obecne prace rozwijają koncepcję opracowania niedrogiego przenośnego systemu monitorowania zanieczyszczeń powietrza (APMS) do pomiaru stężenia pyłu zawieszonego (PM), w szczególności drobnych cząstek stałych o średnicy 2,5 μm lub mniejszej (PM2,5). W szczególności w niniejszym opracowaniu przedstawiono badania terenowe proponowanej nisko kosztowej implementacji APMS z wykorzystaniem pomiarów drogowych z mobilnego laboratorium wyposażonego w skalibrowany instrument jako podstawę do porównań oraz przedstawiono jego dokładność w charakterystyce stężeń PM2.5 w rozdzielczości 1 min w próbie drogowej. Ponadto, demonstruje zamierzone zastosowanie zbierania drobnoziarnistych profili spatio-temporalnych PM2.5 poprzez zamontowanie opracowanego systemu APMS na rowerze elektrycznym jako studium przypadku w mieście Mons w Belgii.

Wnioski

W niniejszym artykule zbadano, czy proponowane tanie wdrożenie może stanowić obiecującą alternatywę dla zintegrowanego systemu APMS dedykowanego do szacowania stężenia PM2.5 z wystarczającą dokładnością. W tym celu kalibracja opracowanego systemu została przeprowadzona w mobilnym laboratorium wyposażonym w dostępny w handlu sortownik cząstek optycznych jako certyfikowany przyrząd porównawczy w przydrożnym teście stacjonarnym. Następnie, wykrywanie tej kategorii zanieczyszczeń zostało przetestowane w mobilnej pracy w ramach scenariusza ruchu miejskiego w celu potwierdzenia przydatności proponowanego systemu do przestrzenno-czasowej rejestracji drobnoziarnistych zanieczyszczeń środowiska. Zaobserwowane opóźnienie pomiędzy pomiarami przyrządu porównawczego a tanim APMS można przypisać właściwościom i ograniczeniom zastosowanego niskokosztowego czujnika PM2.5. Pomimo błędów wprowadzonych ze względu na warunki mobilnego przebiegu testowego, uzyskane modele regresji (opracowane w celu dostosowania wydajności taniego APMS) utrzymują wysoki poziom dokładności. W związku z tym, w zależności od wymagań zamierzonego zastosowania, ten brak bardzo szybkiej reakcji można było przezwyciężyć zastępując obecny komponent czujnikiem PM, który jest bardziej wrażliwy na nagłe zmiany. W artykule przedstawiono studium przypadku, w którym podkreślono konieczność zbierania danych geolokalizacyjnych stężeń PM2.5 w wysokiej rozdzielczości w środowisku miejskim poprzez porównanie pomiarów zebranych przez tani APMS zamontowany na rowerze elektronicznym z pomiarami pobranymi z lokalnej stałej stacji monitorowania w Mons.

Dokładność systemu można poprawić poprzez dalszą kalibrację i walidację w terenie. Na początku należy uzyskać dostęp do szerszego zakresu stężeń PM2.5 w celu zmniejszenia błędów resztkowych obserwowanych podczas pomiaru wyższych stężeń. Dokładniej rzecz ujmując, możliwość zbadania zestawu danych z dłuższego okresu czasu może skutkować bardziej precyzyjną analizą danych, gdzie współczynniki modelu mogą być wyprowadzane przy użyciu walidacji krzyżowej w celu określenia najlepszych wartości współczynników dla dopasowanych modeli. W tym miejscu należy zauważyć, że wytyczne Światowej Organizacji Zdrowia (WHO) określają limit średniej rocznej PM2,5 do 10 μg/m3 [33]. W tym względzie proponowany tani APMS jest w pełni zdolny do rejestrowania zdarzeń, w których wartość progowa jest przekroczona.Ograniczeniem proponowanego wdrożenia jest ryzyko gromadzenia się pyłu wewnątrz komory optycznej czujników cząstek stałych, co wpływa na dokładność pomiarów. W tym celu należy od czasu do czasu przeprowadzić staranne czyszczenie komory w ramach rutynowej konserwacji systemów. W związku z tym przyszłe prace powinny koncentrować się na badaniu wpływu akumulacji pyłu na dokładność czujnika. Wreszcie, inne kierunki przyszłych prac obejmują analizę porównawczą z co najmniej jednym innym dostępnym na rynku tanim czujnikiem PM i już scharakteryzowanym w innych publikacjach, jak również badanie odtwarzalności oparte na tańszych czujnikach PM tego samego typu.

Close Menu