Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Sensor Kualiti Air: Bagaimana Baik Cukup Baik?

Sensor kualiti udara sedang dibangunkan, dijual, dan dikerahkan oleh lebih ramai orang, bukan hanya oleh para saintis kualiti udara profesional seperti diri saya sendiri. Ini adalah masa yang benar-benar menarik apabila rakyat dapat membantu memaklumkan sains dengan sensor dan instrumen kos rendah, selagi kualiti pengukurannya cukup baik.

Orang sentiasa bertanya kepada saya: Apakah kualiti sensor ini? Betapa baiknya? Adakah ia berfungsi? Mereka bertanya kepada saya kerana saya bekerja di Sonoma Technology, Inc. (STI), yang menyediakan perundingan berkualiti tinggi kepada agensi-agensi kualiti udara seperti Agensi Perlindungan Alam Sekitar A.S.. Di STI, kami menggunakan alat mahal, sangat tepat untuk menilai keadaan kualiti udara untuk kajian saintifik yang mempengaruhi keputusan dasar dan peraturan. Tetapi di rumah, pada waktu malam dan hujung minggu, saya meretas dan bekerja dengan monitor berkualiti rendah udara dengan masyarakat DIY, bukan keuntungan, dan pembuat.

Semua orang mahu jawapan ringkas dan berpanjangan kepada soalan berkualiti. Sesuatu seperti, "Ketepatannya adalah 98%" atau "Sensor adalah sama baiknya dengan alat muzik berkualiti $ 20,000." Malangnya, tidak ada jawapan mudah seperti itu. Ini mengecewakan orang, dan saya kecewa apabila saya mula bekerja dengan sensor udara pada tahun 2010. Jawapan terbaik untuk soalan ketepatan adalah, "Ia bergantung pada aplikasi dan bagaimana anda merancang untuk menggunakan data. Adakah projek itu satu pendidikan, aktiviti pemeriksaan, kajian sains, kes litigasi, atau sesuatu yang lain? "Semua projek ini memerlukan pengukuran dengan darjah ketepatan dan kualiti yang berbeza-beza: untuk beberapa keputusan, kepentingannya tinggi dan data lebih baik menjadi pepejal.

Daripada terlalu kecewa, saya memutuskan untuk melakukan penilaian kualiti data DIY saya sendiri di garaj dan belakang rumah saya. Saya melakukan ini untuk beberapa sebab: 1) ia akan membantu saya memahami apa yang boleh dilakukan, 2) pengeluar sensor biasanya tidak mempunyai atau menerbitkan data penilaian dunia nyata, dan 3) organisasi lain tidak menilai sensor udara kos rendah ini.1 Jadi, saya memutuskan untuk memfokuskan usaha saya ke salah satu pencemar kualiti udara yang paling berbahaya: bahan zarahan yang kurang daripada 2.5 mikrometer dalam diameter. Juga dipanggil PM2.5, zarah-zarah ini menyebabkan masalah kesihatan paru-paru dan jantung di A.S. dan di seluruh dunia (epa.gov/pm/pdfs/pm-color.pdf, cdc.gov/air/particulate_matter.html).

1 EPA AS baru-baru ini mula menilai kualiti sensor udara kos rendah menggunakan makmal mereka yang canggih di Research Triangle Park, NC [Long, R., Beaver, M., Williams, R. Kronmiller, K., Garvey, S. Sensor pertimbangan penilaian (prosedur dan konsep) usaha penilaian EPA berterusan. Pengurus Alam Sekitar (Ogos 2014), In Press.]

Saya telah menjalankan tiga kajian untuk membandingkan kualiti instrumen kos rendah kepada instrumen rujukan yang diterima oleh masyarakat kualiti udara sebagai menyediakan PM yang berkualiti2.5 pengukuran. Untuk setiap kajian, saya menilai satu atau lebih PM2.5 sensor dengan mengukur kepekatan zarah sekata (dunia nyata) dari sekeliling atau dengan menghasilkan zarah-zarah dari membakar pelbagai jenis bahan bakar (kayu, kemenyan, minyak tanah, kertas). Beberapa jenis analisis membantu mewujudkan kualiti sensor baru: scatterplot yang menunjukkan hubungan antara sensor baru dan rujukan; analisis korelasi yang menunjukkan tahap persetujuan antara sensor; dan plot data yang mudah untuk memastikan mereka memahami secara konseptual.

Eksperimen 1: Winter Woodsmoke

Rujukan: Thermo PDR-1500

Sensor: Dylos (DC1100-PRO-PC)

Kaedah: Semasa musim sejuk tahun 2012, saya berlari sensor Dylos di halaman belakang saya di Santa Rosa, Calif., Untuk mengukur turun naik seminit dalam zarah disebabkan oleh kayu kediaman yang terbakar di perapian (terbakar kebanyakannya untuk suasana, bukan untuk rumah pemanasan). Saya membandingkan hasilnya dengan PM2.5 pengukuran dari instrumen rujukan Thermo.

Keputusan: The scatterplot menunjukkan hubungan linear yang sangat baik antara alat rujukan Thermo dan sensor kos rendah Dylos. Hubungan antara 0.92 menunjukkan bahawa 92% variasi dalam rujukan PM2.5 data juga dicerminkan oleh kiraan zarah Dylos. Perjanjian ini membolehkan sesiapa sahaja untuk menjalankan Dylos dan mengaitkan pengukuran kiraan zarah kepada PM2.5 kepekatan. Di samping itu, seperti ditunjukkan dalam Rajah kedua, Dylos masuk akal secara konseptual, kerana perubahan harian dalam PM2.5 berkaitan dengan masa siang dan perubahan dalam keadaan cuaca. Pada waktu malam, orang mula membakar kayu, dan zarah yang dihasilkan terperangkap di dekat permukaan sejuk bumi; Oleh itu, PM2.5 peningkatan kepekatan. Pada siang hari, PM2.5 tahap berkurang apabila udara dan zarah bercampur secara menegak di atmosfer oleh suhu panas dan angin yang lebih kuat. Adalah menggalakkan untuk melihat Dylos meniru corak yang ditunjukkan oleh instrumen rujukan.

Kesimpulan: Perjanjian ini agak luar biasa dan menggalakkan. Betapa baiknya adalah Dylos? Cukup untuk mengesan perubahan dalam paras zarah akibat asap kayu di halaman belakang Tim.

Maklumat lanjut di https://sites.google.com/site/airsensors2013/final-materials; lihat Poster, halaman 27.

Rajah untuk Eksperimen 1:

Eksperimen 2: Adakah Warna Zarah Mempengaruhi Tindak Sensor?

Rujukan: Thermo PDR-1500

Sensor: Dylos (DC1100-PRO-PC)

Kaedah: Sensor Dylos mengesan zarah apabila zarah yang mengalir menerusi peranti menyalakan cahaya dari LED ke pengesan foto. Warna, saiz, dan bentuk zarah dipengaruhi oleh jenis bahan bakar yang dibakar. Saya berminat bagaimana sensor Dylos akan bertindak balas terhadap pelbagai jenis zarah. Garaj saya berfungsi sebagai ruang asap mini untuk membakar bahan api yang berbeza, mencipta asap, dan kemudian mengumpul data dari instrumen rujukan dan sensor.

Keputusan: The scatterplot membandingkan Dylos ke monitor rujukan untuk semua bahan api yang saya dibakar. Bahan berasaskan tumbuhan (kayu, kertas, tembakau) menghasilkan zarah putih, manakala bahan api berasaskan petroleum menghasilkan zarah-zarah yang lebih gelap. Zarah-zarah putih berserakan lebih banyak cahaya; zarah gelap menyerap lebih banyak cahaya dan lebih sukar untuk mengesan dengan sensor ini. Keluk tindak balas ditunjukkan sebagai garis pepejal. Keluk tindak balas yang ideal adalah di mana perubahan dalam instrumen rujukan sepadan dengan perubahan yang sama dalam bacaan sensor. Perhatikan tindak balas yang sangat baik terhadap kayu dan kertas (penyebaran cahaya yang lebih tinggi); Walau bagaimanapun, tindak balas terhadap minyak tanah tidak begitu baik (hamburan gelap dan kurang ringan).

Kesimpulan: Perjanjian itu baik untuk zarah putih (dari bahan api berasaskan tumbuhan), tetapi tidak baik untuk zarah-zarah gelap yang lebih gelap daripada bahan api berasaskan petroleum.

Angka untuk Eksperimen 2:

Eksperimen 3: Sensor Bahan Partikulat untuk Pelajar Sekolah Menengah

Rujukan: Thermo PDR-1500

Sensor: Shinyei PPD-62PV

Kaedah: STI bekerja dengan HabitatMap untuk membangunkan peranti penginderaan untuk pelajar sekolah menengah untuk mengukur zarah dan mentafsir data yang mereka kumpulkan (KidsMakingSense.org). Saya menguji PM ini yang lebih kecil2.5 sensor dengan dua pendekatan: 1) menilai konsentrasi zarah ambien di malam hari, apabila jiran membakar kayu di perapian dan asapnya hanyut ke belakang rumah saya, dan 2) menilai kepekatan zarah ketika saya membakar kayu di gril belakang rumah saya untuk sengaja membuat kepekatan asap kayu yang lebih tinggi zarah.

Keputusan: Kedua-dua ujian menunjukkan bahawa sensor kos rendah ini berbanding dengan instrumen rujukan. Perjanjian antara sensor Shinyei pada scatterplot adalah munasabah (linear dengan korelasi lebih besar daripada 0.7). Di samping itu, plot rangkaian masa data menunjukkan bahawa variasi dalam kiraan zarah sensor sesuai dengan perubahan dalam pengukuran rujukan PM2.5.

Ringkasan: Sensor Shinyei mencukupi untuk mengesan kepekatan zarah rendah, sederhana dan tinggi. Mereka juga mencukupi untuk pelajar mengesan zarah-zarah di bilik darjah, rumah mereka, dan kawasan sekitarnya.

Angka untuk Eksperimen 3:

Ringkasan

Orang lain mula menjalankan penilaian yang sama untuk zarah dan bahan pencemar gas. Dan saya mengesyaki bahawa, dalam satu atau dua tahun, kami akan mempunyai pelbagai penilaian untuk mencirikan apa jenis sensor yang mempunyai kualiti yang mencukupi untuk permohonan tertentu. Jadi, berapa baik sensor ini? Nah, cukup baik untuk mengesan zarah-zarah dari asap kayu.

Kongsi

Meninggalkan Komen