Certificación de la EPA para Sensores de Calidad del Aire: Una Guía Completa

El término “certificado por la EPA” aparece con frecuencia en folletos de sensores de aire. Sin embargo, esta certificación rara vez es aplicable. La única certificación real de la EPA a la que se aplica el Método de Referencia Federal (FRM) y el programa de Método Equivalente Federal (FEM) es costosa, basada en estaciones, y se refiere a analizadores regulatorios. La EPA ha declarado claramente que no ha certificado ningún equipo de sensor de contaminación del aire. Pero hay otra razón por la cual la EPA es significativa. Aunque no certifica sensores de bajo costo, ha desarrollado metodologías que incluyen elementos como instrucciones de colocación, reglas de ubicación, herramientas de análisis de datos e investigación directa organizada como el llamado Caja de Herramientas de Sensores de Aire.

Este blog describe el sistema desarrollado por la EPA, discute sus implicaciones y compara la metodología de EE. UU. con la de otros países.

El término “sensor de aire certificado por la EPA” aparece en múltiples lugares: anuncios, folletos, especificaciones, redes sociales, llamadas de ventas, etc. La suposición básica es casi siempre la misma: en algún lugar, la EPA debe haber probado este producto específico y haberlo aprobado. Sin embargo, en realidad, este no es el caso. Como afirma la agencia, los protocolos de prueba son voluntarios y los evaluadores no reciben certificación ni respaldo de la EPA.

Esta sola frase aclara múltiples malentendidos sobre los sensores de aire. Sin embargo, eso no significa que la EPA se haya mantenido al margen del espacio de los sensores de bajo costo; de hecho, ha estado bastante activa. La “Oficina de Investigación y Desarrollo de la agencia ha llevado a cabo numerosos desarrollos basados en sensores y ha establecido su “Caja de herramientas para sensores de aire.

Antes de entrar en el tema real, vale la pena aclarar el único lugar donde 'certificado por la EPA' es un término legalmente exacto. Esto se refiere específicamente al Método de Referencia Federal y al Programa de Método Equivalente Federal establecido bajo 40 CFR Parte 53. Un fabricante realiza una batería de pruebas prescritas en el instrumento, siguiendo procedimientos que la EPA ha especificado en detalle exacto, y presenta los datos resultantes a la EPA como una solicitud oficial. La EPA revisa los datos en función de sus criterios de rendimiento predefinidos, vinculados a los Estándares Nacionales de Calidad del Aire Ambiente (NAAQS), y decide si concede la designación.

Si el instrumento cumple con los criterios, la EPA publica la designación en el Registro Federal y requiere una etiqueta permanente que permite la identificación de una metodología específica por su número. El Método de Referencia Federal y el Método Equivalente Federal cubren instrumentos como el Monitor de Atenuación Beta, que mide la concentración de partículas al rastrear el grado de atenuación de una fuente de rayos beta a medida que las partículas se acumulan en una cinta de filtro.

El programa FRM/FEM se desarrolló para un pequeño rango de analizadores regulatorios estacionarios costosos. Ningún dispositivo de monitoreo basado en sensores de bajo costo o de costo medio disponible comercialmente tiene estatus FRM/FEM, y eso no es un defecto de estos dispositivos, solo una categoría diferente de instrumento evaluado para un propósito diferente.

Así que la conclusión en una línea antes de continuar: si estás evaluando un monitor basado en sensores, FRM/FEM no es la pregunta relevante. La Caja de Herramientas de Sensores de Aire sí lo es.

La Caja de Herramientas de Sensores de Aire está organizada en torno a seis áreas, y la verdadera sustancia vive dentro de cada una, con muchos más detalles de lo que el resumen 'EPA tiene protocolos voluntarios' suele transmitir.

Uso de Sensores y Diseño de Estudios

En esta parte, la EPA discute su enfoque para la planificación, incluso antes de tomar una sola medición. La EPA reconoce que el uso principal de los sensores de aire es el monitoreo suplementario e informativo no regulatorio (NSIM), incluyendo el monitoreo de tendencias del día a día, pronóstico de calidad del aire, ciencia participativa, educación, respuesta a emergencias, monitoreo móvil, monitoreo de exposición personal y monitoreo del aire interior.

El recurso más valioso en esta sección es el Manual Mejorado de Sensores de Airepublicado en 2022, que guía a los lectores sobre la interpretación de datos de sensores y la planificación del monitoreo, tratando la planificación como una parte necesaria para garantizar la calidad.

Aparte de esto, la EPA mantiene un Guía para la Ubicación e Instalación de Sensores de Aire, que aborda los problemas de dónde debe colocarse un sensor para maximizar la utilidad de sus datos, y un conjunto de Procedimientos Operativos Estandarizados (SOP) desarrollados por científicos de la EPA para sensores utilizados en sus evaluaciones y proyectos de campo, asegurando un funcionamiento consistente del dispositivo.

Desempeño y Evaluación de Sensores

Este es el más detallado de los seis pilares: la EPA objetivos de desempeño y protocolos de pruebadesarrollados en los talleres en Research Triangle Park en 2018 y 2019 y publicados en varios informes. Sin embargo, un hecho importante se omite comúnmente. La misma sección dirige a los usuarios a dos tipos distintos de evaluación independiente: evaluaciones regulares realizadas por agencias externas, como AQ-SPEC y organizaciones similares, y las evaluaciones de desempeño de sensores de la EPA realizadas por sus propios científicos.

Además, hay más detalles que vale la pena conocer, que no suelen discutirse. El primero es que la EPA recomienda que los datos de desempeño del sensor se informen dos veces: la primera vez, presentar resultados en bruto, no corregidos; la segunda vez, presentar resultados después de aplicar el modelo de corrección. Esto importa para interpretar cualquier declaración de precisión: un valor R² solo es útil cuando está claro si refleja la salida del sensor en bruto o datos que ya han sido calibrados contra el instrumento de referencia.

En segundo lugar, la EPA no es el único organismo en desarrollar este tipo de marco; la UE y el Reino Unido han publicado sus propios objetivos de calidad de datos para sensores de bajo costo. Sin embargo, hay algunas distinciones; el método de la EPA trata al monitor de referencia como el "estándar de oro" sin errores al calcular las métricas de desempeño de un sensor. Los métodos de la UE y el Reino Unido, en cambio, aplican una métrica de "incertidumbre" que refleja la incertidumbre del instrumento de referencia, por lo que un sensor que está siendo evaluado no es penalizado injustamente por el ruido que en realidad proviene del monitor de referencia en lugar del sensor mismo.

Colocación de Sensores

La colocación es el mecanismo que hace que todo esto sea comprobable. Funciona haciendo que un sensor funcione junto a un monitor de referencia para determinar cuán cerca coinciden sus lecturas con las del monitor de referencia. El propio lenguaje de la EPA especifica que, dado que los ajustes del sensor generalmente no se pueden cambiar como los de un instrumento regulatorio, los datos en bruto del sensor se corrigen matemáticamente en su lugar con un multiplicador, un factor aditivo o ambos, para que la lectura del sensor coincida estrechamente con la lectura del monitor de referencia.

La EPA proporciona tres recursos específicos para apoyar esto. El primer recurso es el Guía de Instrucciones para la Colocación de Sensores de Aire, que explica la importancia de la colocación y cómo realizarla en la práctica. El segundo recurso es la lista de Oportunidades de Colocación, que enumera las agencias de monitoreo regulatorio que recopilan lecturas de sensores utilizando instrumentos de referencia y permite a investigadores, comunidades y empresas colocar sus sensores. Cada sitio es operado de forma independiente, con sus propias reglas de elegibilidad y contaminantes disponibles. Finalmente, el Herramienta de Análisis Macro de Colocación de Sensores, es un recurso basado en Excel que permite a los usuarios no expertos comparar sus propios datos de sensores con datos de monitoreo regulatorio sin necesidad de procesarlos con software estadístico personalizado.

Entendiendo los Datos del Sensor

Adquirir los datos comparables necesarios es sólo la mitad de la tarea; interpretarlos viene a continuación. Entre los recursos disponibles de la EPA sobre el tema hay una serie de videos sobre cómo se recopilan e interpretan los datos de calidad del aire, y un conjunto de herramientas de software (las Herramientas de Datos de Sensores de Aire) que pueden ayudar a procesar y visualizar datos de sensores.

Investigación e Informes

Esta sección discute la actividad de investigacióndirecta de la EPA realizada en sus instalaciones, además de programas voluntarios. Los investigadores de la EPA estudian la tecnología de sensores, desarrollan métodos de medición integrados novedosos y colocan sensores lado a lado con monitores de grado de referencia mientras recopilan datos para comparar la precisión y la confiabilidad de la tecnología de sensores de bajo costo. La EPA publica los resultados de dicha investigación tanto en informes técnicos como en artículos científicos. La agencia también mantiene una lista de sus proyectos de investigación actuales y pasados para mayor transparencia.

Además, la EPA continúa realizando tales estudios a través de acuerdos de transferencia de tecnología federal con otras organizaciones, y también a través de diversas subvenciones y competencias.

Difusión y Recursos

El último pilar es donde la EPA comparte información con audiencias más amplias. Esto incluye la creación de Programas de Préstamo de Sensores de Airea través de las oficinas regionales de la EPA (generalmente en cooperación con bibliotecas y museos), desarrollando currículos educativos adaptables desde aulas de educación básica hasta talleres comunitarios, y organizando varias conferencias y talleres, con seminarios web, sobre parámetros de sensores, mejores prácticas y los últimos hallazgos de la EPA. Además, la EPA publica artículos, infografías y boletines para informar al público sobre el progreso en sus estudios de sensores.

Cuando se resumen estos seis pilares, representan la verdadera respuesta a la pregunta ‘¿Qué ha hecho la EPA sobre las tecnologías de sensores?’: no una certificación, sino posiblemente un cuerpo de orientación aplicada más integral de lo que una certificación por sí sola habría proporcionado.

Enfocándonos en la metodología de colocación específicamente, ya que es la parte más directamente relevante para cómo una empresa validaría realmente un producto basado en sensor: para evaluar un sensor de PM2.5, el enfoque recomendado por la EPA es co-locar el sensor de prueba de PM2.5 junto a un monitor de referencia (FRM o FEM). Esto necesita hacerse durante un mínimo de 30 días, en un mínimo de dos lugares de prueba que representen diferentes regiones climáticas. Esto se debe a que 30 días no es un número arbitrario; probar un sensor durante unos pocos días bajo condiciones favorables no proporciona resultados concluyentes sobre su rendimiento en condiciones climáticas difíciles.

También se recomienda probar al menos tres unidades del mismo modelo de sensor y configuración de hardware y software para determinar si su rendimiento está vinculado al diseño del sensor o simplemente refleja la suerte de una unidad individual. Aquí es donde las propias prácticas de validación de Oizom ofrecen un ejemplo concreto y real en lugar de simplemente reclamar una certificación. Por ejemplo, Dustroid se ha colocado junto a una estación de referencia que incluye un analizador BAM-1020. El analizador BAM-1020 tiene una designación FEM de la EPA para la medición de PM. Los datos recibidos de ambos dispositivos se comparan durante el período de co-locación acordado para calcular métricas como R².

Vale la pena mencionar que existe un programa de certificación formal para esta categoría de dispositivos, pero no a través de la EPA. La Agencia Ambiental del Reino Unido opera MCERTS, que incluye un estándar específico de certificación de producto para monitores de partículas ambientales indicativos en la misma categoría de sensor de bajo costo/costo medio que abordan los protocolos voluntarios de la EPA sin certificar. La certificación MCERTS implica pruebas de laboratorio y de campo formales realizadas por un cuerpo tercero acreditado, y Dustroid tiene esta certificación.

Es común interpretar ‘voluntario, sin certificación’ como una indicación de que el marco es meramente un lujo en lugar de un esfuerzo serio. Eso subestima lo que realmente está sucediendo. La estructura voluntaria existe en parte posiblemente porque establecer el listón demasiado alto arriesgaba empujar a los fabricantes a evitar el marco por completo, lo que socavaría la misma consistencia que se pretendía crear. La estructura voluntaria no es un compromiso con el rigor. Es lo que hace posible una amplia adopción en una categoría de productos de rápido movimiento donde aún no existe un régimen obligatorio. Se podría argumentar que no debería, dado lo rápido que continúa evolucionando la tecnología subyacente.

Visto de esta manera, un fabricante que sigue de cerca el protocolo durante toda la duración de la co-localización, en múltiples sitios y unidades, y con informes métricos transparentes está optando por un nivel de transparencia que no está legalmente obligado a proporcionar. Esto puede, de hecho, ser más una señal de confianza que cualquier insignia de certificación.
 

Hay una restricción que rara vez aparece en el marketing de los proveedores, pero debería ser enfatizada mucho más de lo que se menciona. El enfoque de la EPA para las pruebas y los valores objetivos se ha desarrollado a partir de talleres realizados en los EE. UU. y de revisiones literarias y estudios de campo realizados principalmente en los EE. UU., teniendo en cuenta las diversas condiciones climáticas del país. Incluso las colocaciones presentadas por la EPA se refieren a agencias regulatorias en los EE. UU. Esto no es un error, sino que refleja la población estadística de la cual se extrajo el marco.

La distinción práctica es entre metodología y valores objetivo. La metodología: cuánto dura la colocación, cuántos dispositivos se prueban, qué parámetros se miden y cómo se correlacionan las lecturas del sensor con el instrumento de referencia, es un diseño experimental sólido que se transfiere bien en cualquier parte del mundo. Sin embargo, no se puede suponer que los estándares e incluso las ecuaciones de ajuste obtenidas en condiciones de campo en los EE. UU. sean válidas fuera de los EE. UU. sin una re-derivación.

En un mercado como el de India, esto es más que un simple inconveniente. Los niveles de humedad difieren de los de la mayoría de las estaciones de prueba de EE. UU. porque son más altos y varían significativamente a lo largo del año. La composición de PM varía significativamente, con mayores cantidades de corteza y polvo en áreas industriales en comparación con PM de combustión, como se estudió en la literatura de EE. UU. Las concentraciones ambientales básicas de algunos contaminantes a veces superan los rangos sobre los cuales se construyeron los estudios de valores objetivo originales de EE. UU.

Nada de esto invalida el uso del enfoque de pruebas de la EPA como metodología. Significa que un sensor validado únicamente contra hallazgos derivados de EE. UU., sin datos de co-localización local, cuenta solo la mitad de la historia. La opción preferida es implementar los métodos de la EPA junto con procesos y métodos de co-localización locales para obtener datos locales.

Dos otros nombres aparecen con la suficiente frecuencia en este espacio que vale la pena colocar correctamente, ya que se confunden fácilmente con el marco anterior.AQ-SPEC (Centro de Evaluación del Rendimiento de Sensores de Calidad del Aire) es conocido por realizar pruebas independientes en campo y laboratorio sobre sensores asequibles, con resultados accesibles públicamente. AQ-SPEC es el tipo de programa de evaluación independiente al que la guía de Rendimiento y Evaluación de Sensores de la EPA dirige a los usuarios, lo que facilita confundirlo con un programa de la EPA. AQ-SPEC es administrado por el Distrito de Gestión de Calidad del Aire de la Costa Sur, una agencia de aire regional de California que opera completamente de manera independiente de la EPA.

En cuanto a la Oficina de Investigación y Desarrollo de la agencia, ocasionalmente prueba sensores de bajo costo específicos directamente, a menudo en cooperación con agencias locales. Por ejemplo, se han realizado evaluaciones de campo con la Calidad del Aire del Condado de Maricopa en Phoenix. La investigación se encuadra dentro del pilar de Investigación e Informes de la EPA y proporciona datos generados por la EPA, publicados en informes técnicos y revistas revisadas por pares.

Dado que no existe una certificación formal para esta categoría de producto, la habilidad más útil no es marcar una casilla de cumplimiento, sino saber qué preguntas separan una reclamación validada de una no verificada.

• ¿Nombra especificaciones?¿La reclamación de colocalización realmente nombra el instrumento de referencia y la duración de la prueba?
• ¿La prueba coincide con la forma del protocolo de la EPA?¿Sigue más de 30 días, múltiples sitios en diferentes climas y múltiples unidades idénticas, con una ubicación sensata según la propia guía de la EPA, o es una única prueba de corta duración generalizada en una reclamación de precisión más amplia?
• ¿Está validado localmente?¿Se aplica el rendimiento del valor objetivo extraído de los informes de EE. UU. sin ninguna validación local para confirmar que se mantiene en la geografía de despliegue real?
• ¿Se especifica la cifra de R²?¿Se especifica una cifra de R² citada como salida de sensor bruto, o como datos después de la calibración frente al instrumento de referencia?

La EPA no ha construido un sistema de certificación para el monitoreo de calidad del aire basado en sensores aún. En cambio, ha construido un cuerpo de protocolos voluntarios realmente sustancial: pruebas, protocolos de colocalización, asesoramiento de ubicación, herramientas analíticas e investigación que le brinda a los fabricantes una forma real y científicamente fundamentada de demostrar su propio rendimiento, y le da a los demás una manera de diferenciar entre una afirmación respaldada y una inflada. Seguir ese marco rigurosamente, usando su metodología y herramientas donde realmente se aplican, y manteniendo transparencia sobre la validación local además de cualquier referencia derivada de EE. UU., es el verdadero marcador de credibilidad en este espacio, no una insignia de 'certificado por la EPA' que no existe para esta categoría de producto, y nunca lo ha estado.