Cảm biến PM2.5 ngoài trời: Độ chính xác nồng độ thấp

Cảm biến PM2.5 ngoài trời báo nồng độ khối lượng của các hạt có kích thước không quá 2.5 μm, thường bằng tán xạ laser trên dải 0–1000 μg/m³. Ở các nồng độ môi trường thấp vốn đáng kể tại vành đai hay một điểm nền đô thị, con số này bị định hình ít bởi hệ quang mà nhiều hơn bởi độ ẩm, sự phồng hạt do hút ẩm và bất kỳ phân đoạn kích thước suy dẫn nào được trình bày như một phép đo.

Một số đọc 8 μg/m³ dẫn tới hai quyết định khác nhau

Hai nút ngoài trời trên cùng một điểm giám sát cho cùng một giá trị báo cáo vào những buổi sáng khác nhau. Một số đọc kích hoạt rà soát chất lượng dữ liệu; số kia thì không. Sự khác biệt không nằm ở cảm biến mà ở những dữ liệu khác được ghi cùng nó.

Figure 1. Cảm biến PM100.

Với cảm biến PM2.5 ngoài trời, số 8 μg/m³ của Nút B ở 81% RH không phải cùng một phép đo với số 8 μg/m³ của Nút A ở 42% RH. Lượng nước mà các hạt hút ẩm nhận vào làm tăng tiết diện tán xạ của chúng, nên một thiết bị quang học báo nhiều khối lượng hơn dù tải hạt khô không hề đổi. Lưu RH cùng nồng độ là cách duy nhất để tách hai trường hợp này.

Cột PM1 suy dẫn là cái bẫy thứ hai. Cảm biến PM2.5 ngoài trời trong dòng này có thể xuất PM1, PM2.5 và PM10 qua thuật toán, với một ước tính được nêu là PM1 = PM2.5 × 0.7 ở hầu hết các nền đô thị, nơi PM1 chiếm khoảng 50–80% của PM2.5. Đó là đầu ra của mô hình, không phải một kênh đo được.

Tại 8 μg/m³, hệ số 0.7 cho 5.6 μg/m³. Áp dải 50–80% thay vào đó cho 4.0–6.4 μg/m³ — một độ trải 2.4 μg/m³ do chính tỷ lệ giả định gây ra, không phải do thiết bị. Ghi 5.6 μg/m³ vào một phiếu nghiệm thu là trình bày một giả định mô hình như thể đó là phép đo.

Đầu thấp của dải đo dừng việc là một phép đo ở đâu?

Cảm biến PM2.5 ngoài trời dùng tán xạ laser trong dải này được quy định 0–1000 μg/m³ với sai số tương đối ±15% và sai số tuyệt đối cực đại ±10 μg/m³. Nó phát hiện hạt nhỏ tới 0.3 μm, chạy trên nguồn DC 12–24 V, và được công bố cho −20 đến +60 °C cùng 0–99% RH. Số hạng sai số tuyệt đối chiếm ưu thế ở các mức môi trường thấp: so với một số đọc 8 μg/m³, số hạng ±10 μg/m³ còn lớn hơn chính giá trị đó.

Điều đó không làm cảm biến vô dụng tại một điểm nền. Nó có nghĩa là con số nên được dùng như một xu hướng và một chỉ báo sự kiện, không phải một phép xác định tuyệt đối ở nồng độ thấp. Sự thay đổi từ 8 lên 21 μg/m³ sau khi xe đi qua là một sự kiện phân giải được; còn khẳng định Nút A sạch hơn Nút B đúng 3 μg/m³ thì không.

Con số 0–99% RH là một cấp môi trường kèm điều kiện cứng: phải ngăn tuyệt đối hơi ẩm dạng lỏng lọt vào mạch bên trong. Một dải số không phải khẳng định miễn nhiễm với sự ngưng tụ. Một cụm chất lượng không khí 6 trong 1 riêng biệt được quy định cho −30 đến 50 °C và 15–90% RH, với độ chính xác lấy mẫu ±5% FS trên PM2.5, CO, CO2, O3, SO2 và NO2 cùng tùy chọn PM10.

Vì vậy hai vùng bao độ ẩm tại cùng một địa điểm mô tả hai sản phẩm khác nhau. Điều kiện 15–90% RH áp dụng khi không ngưng tụ, còn 0–99% RH mô tả một cấp đo trong buồng vẫn cấm nước lỏng lọt vào. Hãy giữ hai điều kiện này ra khỏi cùng một bảng thông số, và nêu rõ mỗi dòng thuộc về sản phẩm nào.

Độ ẩm, luồng khí và phân đoạn suy dẫn

Sự phồng hạt do hút ẩm không phải một độ lệch cố định trên cảm biến PM2.5 ngoài trời. Nó phụ thuộc vào thành phần hạt, nên một sol khí giàu sulfat ứng xử khác với muội than ở cùng một mức RH. Trên khoảng 70–80% RH, sai lệch tăng nhanh và quá trình hồi phục sau một giai đoạn ẩm có thể chậm. Một cú tăng lúc bình minh trùng với RH cao thường là nước, không phải phát thải.

Sự dịch chuyển của không khí làm thay đổi số đọc theo hai cách cùng lúc. Gió làm thay đổi mẫu khí tới đầu vào, còn sự thay đổi RH làm thay đổi cách các hạt còn lại tán xạ ánh sáng. Hãy ghi bản ghi gió và RH tại cùng dấu thời gian với PM2.5, nếu không quyết định chọn vị trí lắp đặt đang được đưa ra trên một tín hiệu đã trộn.

Các quan hệ suy dẫn PM1 và PM10 thêm một tầng nữa. Ở những nơi có phân bố kích thước hạt tương đối ổn định, PM1 có thể được ước tính từ PM10, với PM1 chiếm khoảng 30% của PM10. Giả định đó chỉ đúng khi phân bố kích thước ổn định — đúng là điều kiện mà một chùm khí thải đi qua hay một đợt bụi ở gần phá vỡ.

Khi một quyết định phụ thuộc vào một phân đoạn kích thước, hãy yêu cầu một kênh đo trực tiếp thay vì một ước tính thuật toán. Một dòng cảm biến tích hợp giám sát PM1, PM2.5 và PM10 là một cấu hình khác với một thiết bị PM2.5 đơn lẻ có ngõ ra PM1 suy dẫn, và sự phân biệt này phải nằm trong bản đồ thanh ghi.

Một phép so sánh ở nồng độ thấp, có ví dụ

Hãy xét hai thiết bị ngoài trời đặt song song cùng vị trí, một báo 8 μg/m³ và một báo 11 μg/m³ trong cùng giá trị trung bình 30 phút ở 45% RH. Độ chênh là 3 μg/m³, tức 37.5% của số đọc thấp hơn. Đó trông như một bất đồng nghiêm trọng cho đến khi các số hạng sai số được nêu ra.

Figure 2. Cảm biến nhiệt độ không khí và độ ẩm tương đối tích hợp.

Phép tính minh họa dựa trên giá trị giả định tại chỗ, không phải số liệu đo thực địa. Nếu biểu thức sai số áp dụng là ±15% giá trị đo, thiết bị thứ nhất trải từ 6.8–9.2 μg/m³ và thiết bị thứ hai từ 9.35–12.65 μg/m³. Hai khoảng này chưa hẳn chạm nhau: vẫn còn một khe hở 0.15 μg/m³, nên theo quy ước này hai thiết bị có vẻ phân biệt được.

Nếu thay vào đó áp dụng số hạng tuyệt đối ±10 μg/m³, cả hai khoảng rộng thêm một bậc độ lớn và chồng lên nhau gần như hoàn toàn, nên độ chênh 3 μg/m³ không mang thông tin phân biệt nào. Vì vậy cùng một cặp số đọc lại dẫn tới những kết luận trái ngược tùy vào điều tài liệu kỹ thuật nêu. Không thể có kết luận nào chừng nào quy ước chưa được biết.

Cùng phép tính đó áp cho một ngưỡng cảnh báo. Một ngưỡng đặt cao hơn đường nền 8 μg/m³ thêm 2 μg/m³ nhỏ hơn độ trải trong dải PM1 suy dẫn và nhỏ hơn số hạng sai số tuyệt đối. Hãy đặt ngưỡng theo bội số của độ bất định đã nêu, không phải theo những con số tròn.

Hãy dùng một nút tham chiếu phía đầu gió để quyết định một cú tăng là tại chỗ hay do vận chuyển tới. Nếu PM2.5 tăng tại điểm đo trong khi nút đầu gió đứng yên và RH ổn định, nguồn nhiều khả năng là tại chỗ. Nếu cả hai cùng tăng, điểm đo đang bám theo nền khu vực và kiểm tra đầu vào có thể là phản ứng sai.

Hồ sơ nghiệm thu cho một cảm biến PM2.5 ngoài trời nên mang sáu trường cho mỗi khoảng: nồng độ thô, RH, nhiệt độ, bản ghi gió, quy ước sai số đang áp dụng, và một cờ đánh dấu bất kỳ phân đoạn kích thước suy dẫn nào. Với chu kỳ ghi 1 phút, đó là 1,440 dòng mỗi ngày cho mỗi nút, nên một đợt đo song song 7 ngày với chuẩn tạo ra 10,080 dòng trước khi thực hiện dù chỉ một phép so sánh giữa hai nút. Hãy giữ các cột suy dẫn tách khỏi các cột đo được; một bản đồ thanh ghi lưu PM1 ước tính trong cùng trường với PM2.5 đo được sẽ làm cuộc kiểm toán về sau không thể thực hiện.

Khi nào không nên dùng số đọc

Đừng dùng cảm biến PM2.5 ngoài trời quang học làm chuẩn trọng lượng hay làm bằng chứng tuân thủ một giới hạn chất lượng không khí môi trường. Phép chuyển đổi khối lượng của nó phụ thuộc vào mật độ và hình dạng hạt giả định, còn hành vi ở nồng độ thấp phụ thuộc vào RH. Khi có một giới hạn bị đem ra xem xét, hãy thống nhất riêng phương pháp chuẩn và độ bất định của nó.

Đừng trình bày một giá trị PM1 hay PM10 suy dẫn như một phép đo độc lập. Hệ số 0.7 hay quan hệ 30% với PM10 mô tả một phân bố kích thước đô thị điển hình, không phải không khí tại đầu vào. Hãy báo nó như một ước tính kèm tỷ lệ giả định, hoặc bỏ hẳn.

Đừng so sánh hai nút có RH chênh 30 điểm mà thiếu cờ độ ẩm. Trong bảng ví dụ, cả hai nút đều đọc 8 μg/m³, nhưng chỉ một nút đáng phải kiểm tra đầu vào khi RH được đưa vào xem xét. Và đừng lắp đầu vào dưới mái che, tựa vào tường, gần cửa xả hay trong tầm vòi phun nước: khi đó mẫu khí mô tả luồng khí cục bộ chứ không phải cả địa điểm.

Nghiệm thu một nút ngoài trời

1. Ghi chính xác model, dải PM2.5, biểu thức sai số và quy ước sai số nào đang áp dụng, theo giá trị đo hay theo toàn thang.

2. Nêu vùng bao RH vận hành và xác nhận không có đường ngưng tụ nào dẫn vào mạch bên trong.

3. Ghi RH, nhiệt độ và bản ghi gió tại cùng dấu thời gian và cùng chu kỳ tính trung bình với PM2.5.

4. Gắn nhãn mọi phân đoạn kích thước suy dẫn là ước tính và lưu tỷ lệ giả định kèm theo.

5. Đặt ngưỡng cảnh báo theo bội số của độ bất định đã nêu, không phải theo số tròn.

6. Đặt song song một nút mới với chuẩn ít nhất một tuần trước khi so sánh các địa điểm.

7. Lập lại đường nền sau bất kỳ thay đổi firmware nào, vì một phép đổi tỷ lệ hay chuyển đổi khối lượng bị sửa làm dịch chuyển toàn bộ chuỗi.

Figure 3. Cảm biến thời tiết siêu âm nhỏ gọn 10 trong 1 — Cảm biến giám sát môi trường CO2 PM2.5 PM10.

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

Q1. Một số đọc ngoài trời 8 μg/m³ có chính xác tới 1 μg/m³ không?

Không. Cảm biến PM2.5 trong dòng này được nêu cho 0–1000 μg/m³ với sai số tương đối ±15% và sai số tuyệt đối cực đại ±10 μg/m³, và số hạng tuyệt đối còn lớn hơn một số đọc 8 μg/m³. Hãy dùng giá trị như một xu hướng và chỉ báo sự kiện; cảm biến PM2.5 ngoài trời không phải thiết bị chuẩn ở nồng độ thấp. Hãy nêu rõ quy ước sai số nào áp dụng trước khi so sánh hai thiết bị.

Q2. Giá trị PM1 suy dẫn có được coi là một kênh đo được không?

Không. Một ước tính như PM1 = PM2.5 × 0.7 phản ánh nền đô thị điển hình nơi PM1 chiếm khoảng 50–80% của PM2.5. Tại 8 μg/m³ nó cho 5.6 μg/m³, nhưng dải 50–80% lại cho 4.0–6.4 μg/m³. Độ trải 2.4 μg/m³ là độ bất định của mô hình, không phải nhiễu của thiết bị.

Q3. 0–99% RH có nghĩa là cảm biến hoạt động được trong không khí đang ngưng tụ không?

Không. Cấp này đi kèm điều kiện nêu rõ rằng phải ngăn tuyệt đối hơi ẩm dạng lỏng lọt vào mạch bên trong. Một cụm 6 trong 1 trong cùng họ sản phẩm được quy định cho 15–90% RH, áp dụng khi không ngưng tụ. Một dải số không phải khả năng miễn nhiễm ngưng tụ.

Q4. Vì sao hai nút có cùng giá trị PM2.5 lại dẫn tới những quyết định khác nhau?

Vì một nút ở 42% RH còn nút kia ở 81% RH. Sự phồng hạt do hút ẩm làm tăng tán xạ ở độ ẩm cao, nên ước tính khối lượng quang học tăng lên dù tải hạt khô không đổi. Trong bảng ví dụ, trường hợp 81% RH đáng phải kiểm tra đầu vào còn trường hợp 42% RH thì không. Cảm biến PM2.5 ngoài trời không thể tách hai trường hợp đó nếu thiếu trường độ ẩm.

Q5. ±5% FS có giống ±15% giá trị đo không?

Không. Một bên là tỷ phần của toàn thang đo, bên kia là tỷ phần của giá trị hiện tại; tại 8 μg/m³ so với dải đo 1000 μg/m³ chúng chênh nhau những bậc độ lớn. Con số ±5% FS thuộc về một cụm 6 trong 1 cụ thể, không phải mọi cảm biến PM2.5. Đừng bao giờ đưa cả hai quy ước vào cùng một cột nghiệm thu.

Q6. Có nên đặt nút ngoài trời dưới mái che không?

Không. Khi đó đầu vào sẽ lấy mẫu không khí bị che chắn thay vì của cả địa điểm, và một thay đổi về gió lẫn RH có thể lập tức làm số đọc dịch chuyển. Hãy lắp ở vị trí thoáng, thông gió tốt với đầu vào không bị cản, và ghi bản ghi gió cùng PM2.5 để một thay đổi về vận chuyển không bị đọc thành phát thải.

Một con số nhỏ có thể và không thể hỗ trợ điều gì

Cảm biến PM2.5 ngoài trời xứng đáng có chỗ đứng khi nó phân giải được các thay đổi, không phải khi nó chứng nhận những khác biệt tuyệt đối nhỏ. Trong phép so sánh ví dụ, 8 và 11 μg/m³ không thể tách rời cho đến khi quy ước sai số được nêu ra, và hai số đọc giống hệt nhau ở 42% và 81% RH lại hỗ trợ những quyết định trái ngược.

Hãy giữ RH, nhiệt độ và bản ghi gió cùng mọi giá trị, gắn nhãn các phân đoạn kích thước suy dẫn là ước tính kèm tỷ lệ giả định, và đặt ngưỡng theo bội số của độ bất định đã nêu. Trước khi nghiệm thu một nút, hãy hỏi kênh nào được đo và kênh nào được tính toán — chính dòng duy nhất đó trong bản đồ thanh ghi quyết định liệu dữ liệu có thể đem so sánh hay không.

Đọc đúng một con số PM2.5 nhỏ

Cảm biến PM2.5 ngoài trời là thiết bị xu hướng và sự kiện ở nồng độ môi trường thấp, không phải chuẩn ở nồng độ thấp. Hai nút ngoài trời cùng đọc 8 μg/m³ tại 42% và 81% RH không phải cùng một phép đo, và một giá trị PM1 suy dẫn trong dải ví dụ 4.0–6.4 μg/m³ là đầu ra mô hình chứ không phải một phân đoạn đã phân loại. So với dải 0–1000 μg/m³, số đọc 8 μg/m³ chưa tới 1% toàn thang đo, nên quy ước sai số quyết định nó hỗ trợ được gì. Hãy lưu RH, bản ghi gió và cờ giá trị suy dẫn cho mọi khoảng, và đo song song với chuẩn trước khi so sánh các địa điểm.

Đang đặt song song các cảm biến PM2.5 ngoài trời? Hãy chia sẻ sơ đồ địa điểm, dải RH và thiết bị chuẩn qua trang liên hệ của chúng tôi, và chúng tôi sẽ giúp bạn xác định các trường nghiệm thu và cờ giá trị suy dẫn.