Progresele în domeniul senzorilor optici de particule au deschis ușa existenței unor rețele de monitorizare a calității aerului care utilizează senzori de cost redus (“low cost”). Costul redus a permis răspândirea a mii de senzori automati IOT, oferind o rezoluție spațială fără precedent, așa-numita „monitorizare hiperlocală a calității aerului”. Deși s-au făcut progrese tehnice semnificative pentru a oferi măsurători fiabile ale particulelor de particule prin mijloace optice, există încă anumite situații în care calitatea datelor rămâne discutabilă, în special în cazurile de umiditate ridicată și temperaturi scăzute, unde particulele de apă atomizată sunt interpretate a fi praf fin, conducând la citiri crescute și alarme false (“false positives”).

Principiul de funcționare

Senzorul optic utilizează un fascicul de lumină colimat care se reflecta înapoi de la orice particula de praf care intră în camera senzorului. Reflexiile sunt înregistrate de o fotodiodă pe care o folosim pentru a număra impulsurile și amplitudinile acestora.

O sursă de lumină laser luminează o particulă în timp ce aceasta este trece prin camera de detectare din interiorul senzorului. Lumina împrăștiată (reflexia) este înregistrată pe detectorul de lumină. Acest mecanism oferă informații despre frecvența evenimentelor (numărul de particule => concentrația) și amplitudinea pulsului (corelată cu dimensiunea particulelor).

Dezavantajul imediat este că nu există informații despre natura particulelor care intră în senzor. Unele particule ar putea fi mai mari, dar mai puțin reflectorizante la lungimea de undă a laserului, altele dimpotrivă – mici, dar foarte strălucitoare. Această parte lipsă introduce un grad de incertitudine, care afectează fiabilitatea măsurătorilor.

De exemplu, considerăm praful fin ca o sursă de degradare a calității aerului, o cauză a deceselor premature în întreaga lume și o problemă de sănătate care afectează categoriile vulnerabile. Senzorii optici vor măsura praful fin, dar, în unele cazuri, vor avea un răspuns exagerat atunci când umiditatea mediului este ridicată. Vaporii de apă, lipiți de particulele de praf, le vor face să pară mai mari pentru un senzor optic de praf. Senzorul va afișa valori ridicate ale poluării cu particule pur și simplu pentru că umiditatea aerului a crescut. De asemenea, când umiditatea este ridicată, dar temperatura este foarte scăzută, așa cum se întâmplă în iernile reci, apa va forma picături atomizate (ceață inghețată) pe care senzorii optici le vor considera praf fin, ducând la alarme false (“false positives”).

Un mecanism de cost redus pentru a îmbunătăți răspunsul senzorului optic de particule în condiții de umiditate ridicată

Problema demonstrată a alarmelor false (“false-positives”) pe senzorii optici de împrăștiere cu laser cauzate de umiditatea ridicată se manifestă în special în cazurile de apă atomizată. În lunile de iarnă, umiditatea ridicată combinată cu temperaturile scăzute este cauza principală a citirilor aberante și nu numai umiditatea ridicată. Vaporii de apă s-ar putea lipi de particule mici, ceea ce duce la creșterea răspunsului rezultat în senzori, dar acesta este doar un fenomen minor. În multe cazuri, senzorul optic poate produce citiri foarte precise atunci când umiditatea este de până la 80% deci aceasta directie nu este predominantă. Pe de altă parte, picăturile mici de apă sub formă de apă atomizată, precum cea produsă de un traductor cu ultrasunete sau ca ceața naturală în timpul lunilor reci de iarnă, vor crește în mod dramatic răspunsul unui senzor optic de particule.

Indiferent de care dintre cele două direcții afectează mai mult un anumit senzor optic este evident că, dacă vrem să corectăm comportamentul, trebuie să controlăm umiditatea aerului la intrarea senzorului. Având în vedere acest lucru, am optat pentru o modificare a senzorului PM „uRADMonitor SMOGGIE” premiat in 2023 la Paris in cadrul AIRLAB 2023. Acest design a fost selectat din două motive: este #opensource și orice îmbunătățire poate fi distribuită comunității într-o manieră eficientă și, în al doilea rând, este o unitate cu cost foarte scăzut, ceea ce înseamnă că se potrivește cerinței originale de „cost scăzut” a metodei propusă în acest articol.

Carcasa senzorului a fost reproiectată pentru a schimba canalul de admisie a aerului. A fost adăugat un încălzitor de 5V pentru a crește temperatura aerului la aproximativ 60 de grade înainte de a intra în admisia senzorului optic. Acesta funcționează ca un uscător, menținând umiditatea constantă indiferent de condițiile de mediu exterioare.

Unitatea rămâne foarte compactă ca dimensiuni, în timp ce consumul de energie a crescut cu doar 1W datorită puterii suplimentare necesare încălzitorului.

Date experimentale și comparații

SMOGGIE și SMOGGIE-PM-HEAT au fost plasate unul lângă celălalt pentru primele teste, într-o lună de iarnă rece și ceață, cu raportarea datelor setată la 1 minut, pentru a genera citiri de înaltă rezoluție privind particulele. Temperatura și umiditatea au fost înregistrate și de ambele unități:

Rezultatele au venit instantaneu și am urmărit citirile pentru un interval de timp mai lung. Temperatura era aproape de îngheț, în timp ce umiditatea era aproape de limita superioară, condițiile perfecte pentru formarea micilor picături de apă.

Citiri de umiditate pe ambele unități:

Citirile de particule:

Verificări în laborator

Smoggie-PM-HEAT a fost conceput special pentru AIRPARIF AIRLAB 2023. Această a patra ediție a competiției internaționale de senzori a introdus un nou loc de testare în Thailanda, gestionat sub autoritatea Institutului Național de Metrologie (NIMT) din Thailanda. Airparif și-a propus să studieze impactul noilor parametri asupra performanței microsenzorilor și mai ales: niveluri mai ridicate de poluare; profiluri de emisii diferite; și condiții meteorologice diferite, inclusiv temperaturi și umiditate mai ridicate. Pentru a îmbunătăți performanța senzorului uRADMonitor în mediul cu umiditate ridicată din Thailanda, uRADMonitor SMOGGIE-PM-HEAT a fost proiectat și construit, în urma rezultatelor inițiale promițătoare prezentate în acest articol.

Raportul de evaluare AIRLAB este disponibil online (selectați SMOGGIE-PM-HEAT din listă) sau poate fi descărcat ca PDF aici.

Opinia juriului: SMOGGIE-PM-HEAT este o versiune mai nouă a SMOGGIE care integrează un mic sistem de încălzire pentru medii cu umiditate ridicată. Rămâne un sistem de senzori foarte mic și foarte ușor care vizează măsurătorile de particule pentru aplicații în aer liber. A oferit o performanță de precizie similară cu SMOGGIE.

uRADMonitor SMOGGIE a fost unul dintre Câștigătorii AIRLAB 2023, în timp ce performanța SMOGGIE-PM-HEAT a fost apropiata. Anunțul oficial este aici.

Concluzii

Datele arată că compensarea umidității funcționează impecabil, confirmând designul de succes al Smoggie-PM-HEAT.

Cu o simplă modificare hardware, umiditatea poate fi controlată, în timp ce întregul dispozitiv rămâne un senzor compact din aceeași categorie de cost redus ca Smoggie original. Controlul umidității a afectat citirile de particule în felul prevăzut: citirile de particule sunt mai mici pe SMOGGIE-PM-HEAT, atunci când sunt plasate alături de SMOGGIE necompensat într-un mediu cu umiditate ridicată. Acest lucru demonstrează o modalitate eficientă de a corecta supraestimarea senzorului PM a senzorilor optici în medii cu umiditate ridicată.

Fișa tehnică completă SMOGGIE-PM-HEAT este disponibilă aici. Consultați acest document pentru mai multe date și verificări de măsurare pe intervale mai lungi.