Certification EPA pour les capteurs de qualité de l'air : Un guide complet

Le terme « certifié EPA » apparaît fréquemment dans les brochures pour capteurs d'air. Cependant, cette certification est rarement applicable. La seule véritable certification EPA à laquelle s'appliquent le Méthode de référence fédérale (FRM) et le programme Méthode équivalente fédérale (FEM) concerne des analyseurs réglementaires coûteux basés sur des stations. L'EPA a clairement déclaré qu'elle n'a certifié aucun équipement de capteur de pollution de l'air. Mais il y a une autre raison pour laquelle l'EPA est significatif. Bien qu'il ne certifie pas les capteurs à faible coût, il a développé des méthodologies qui incluent des éléments tels que des instructions de colocalisation, des règles de situation, des outils d'analyse de données et des recherches directes organisées sous ce qu'on appelle la Boîte à outils des capteurs d'air.

Ce blog décrit le système développé par l'EPA, discute de ses implications et compare la méthodologie américaine à celle d'autres pays.

Le terme « capteur d'air certifié EPA » apparaît à plusieurs endroits : publicités, brochures, spécifications, médias sociaux, appels de vente, etc. L'hypothèse de base est presque toujours la même : quelque part, l'EPA doit avoir testé ce produit spécifique et l'avoir approuvé. Cependant, en réalité, ce n'est pas le cas. Comme le dit l'agence, les protocoles de test sont volontaires, et les testeurs ne reçoivent pas de certification ou d'approbation de l'EPA.

Cette seule phrase clarifie plusieurs malentendus concernant les capteurs d'air. Cependant, cela ne signifie pas que l'EPA est restée en dehors de l'espace des capteurs à faible coût ; elle a en réalité été plutôt active. Le Bureau de la recherche et du développement de l'agence a mené de nombreux développements basés sur des capteurs et a établi sa Boîte à outils pour les capteurs d'air.

Avant d'entrer dans le véritable sujet, il convient de préciser le seul endroit où 'certifié EPA' est un terme légalement exact. Cela concerne spécifiquement la Méthode de Référence Fédérale et le Programme de Méthode Équivalente Fédérale établi sous 40 CFR Part 53. Un fabricant réalise une série de tests prescrits sur l'instrument, suivant des procédures que l'EPA a spécifiées dans les moindres détails, et soumet les données résultantes à l'EPA en tant que demande officielle. L'EPA examine les données par rapport à ses critères de performance prédéfinis, liés aux Normes Fédérales de Qualité de l'Air Ambiant (NAAQS), et décide d'accorder ou non la désignation.

Si l'instrument répond aux critères, l'EPA publie la désignation dans le Registre Fédéral et exige une étiquette permanente qui permet l'identification d'une méthodologie spécifique par son numéro. La Méthode de Référence Fédérale et la Méthode Équivalente Fédérale couvrent des instruments tels que le Moniteur d'Atténuation Beta, qui mesure la concentration de particules en suivant le degré d'atténuation d'une source de rayons beta à mesure que des particules s'accumulent sur une bande filtrante.

Le programme FRM/FEM a été développé pour une petite gamme d'analysateurs réglementaires stationnaires coûteux. Aucun dispositif de surveillance basé sur des capteurs à faible coût ou à coût modéré disponible dans le commerce n'a le statut FRM/FEM, et ce n'est pas un défaut de ces dispositifs, juste une catégorie différente d'instrument évaluée à des fins différentes.

Donc, le point à retenir avant de passer à autre chose : si vous évaluez un moniteur basé sur des capteurs, FRM/FEM n'est pas la question pertinente. La Boîte à Outils de Capteurs d'Air l'est.

La boîte à outils des capteurs d'air est organisée autour de six domaines, et la véritable substance réside à l'intérieur de chacun d'eux, avec bien plus de détails que ce que le résumé 'L'EPA a des protocoles volontaires' véhicule habituellement.

Utilisation des capteurs et conception d'étude

Dans cette partie, l'EPA discute de son approche de la planification, même avant de prendre une seule mesure. L'EPA reconnaît que l'utilisation principale des capteurs d'air est la surveillance complémentaire et informative non réglementaire (NSIM), y compris la surveillance des tendances au jour le jour, les prévisions de qualité de l'air, la science participative, l'éducation, la réponse d'urgence, la surveillance mobile, le surveillance des expositions personnelles et la surveillance de l'air intérieur.

La ressource la plus précieuse dans cette section est le Guide amélioré des capteurs d'air publié en 2022, qui guide les lecteurs sur l'interprétation des données des capteurs et la planification de la surveillance, considérant la planification comme une partie nécessaire pour garantir la qualité.

À part cela, l'EPA maintient un Guide pour le placement et l'installation des capteurs d'air, traité des questions concernant l'emplacement d'un capteur pour maximiser l'utilité de ses données, et un ensemble de procédures opérationnelles standard (SOP) développées par des scientifiques de l'EPA pour les capteurs utilisés dans leurs évaluations et projets sur le terrain, garantissant un fonctionnement cohérent des dispositifs.

Performance des capteurs et évaluation

C'est le pilier le plus détaillé des six : l'EPA a établi des objectifs de performance et protocoles d'essai développés lors des ateliers au Research Triangle Park en 2018 et 2019 et publiés dans plusieurs rapports. Cependant, un fait important est souvent omis. La même section dirige les utilisateurs vers deux types distincts d'évaluation indépendante : des évaluations régulières menées par des agences externes, telles que AQ-SPEC et des organisations similaires, et les évaluations de la performance des capteurs réalisées par ses propres scientifiques.

De plus, il y a davantage de détails à connaître, qui ne sont généralement pas discutés. Le premier est que l'EPA recommande que les données de performance des capteurs soient rapportées deux fois : la première fois, présenter les résultats bruts, non corrigés ; la deuxième fois, présenter les résultats après application du modèle de correction. Cela importe pour l'interprétation de toute déclaration d'exactitude : une valeur de R² n'est utile que si l'on sait si elle reflète la sortie brute du capteur ou des données déjà calibrées par rapport à l'instrument de référence.

Deuxièmement, l'EPA n'est pas la seule entité à développer ce type de cadre ; l'UE et le Royaume-Uni ont chacun publié leurs propres objectifs de qualité des données pour les capteurs à faible coût. Cependant, il y a quelques distinctions ; la méthode de l'EPA traite le moniteur de référence comme la "norme d'or" sans erreur lors du calcul des métriques de performance d'un capteur. Les méthodes de l'UE et du Royaume-Uni appliquent plutôt une métrique d'"incertitude" qui reflète l'incertitude de l'instrument de référence, de sorte qu'un capteur évalué n'est pas pénalisé de manière injuste pour le bruit qui provient en réalité du moniteur de référence plutôt que du capteur lui-même.

Collocation des capteurs

La collocation est le mécanisme qui rend tout cela testable. Cela fonctionne en faisant fonctionner un capteur aux côtés d'un moniteur de référence pour déterminer à quel point ses lectures correspondent à celles du moniteur de référence. Le langage propre de l'EPA spécifie que, puisque les réglages des capteurs ne peuvent généralement pas être ajustés de la manière dont le peuvent les instruments réglementaires, les données brutes des capteurs sont plutôt corrigées mathématiquement avec un multiplicateur, un facteur additif, ou les deux, de sorte que la lecture du capteur corresponde étroitement à celle du moniteur de référence.

L'EPA fournit trois ressources spécifiques pour soutenir cela. La première ressource est le Guide d'instruction de collocation des capteurs d'air, qui explique l'importance de la collocation et comment l'effectuer en pratique. La deuxième ressource est la liste des Opportunités de Collocation, qui répertorie les agences de surveillance réglementaire qui collectent des lectures de capteurs à l'aide d'instruments de référence et permet aux chercheurs, aux communautés et aux entreprises de collocation leurs capteurs. Chaque site est géré de manière indépendante, avec ses propres règles d'éligibilité et polluants disponibles. Enfin, le Outil d'analyse macro de collocation des capteurs est une ressource basée sur Excel qui permet aux utilisateurs non experts de comparer leurs propres données de capteurs avec des données de surveillance réglementaire sans avoir besoin de les traiter avec un logiciel statistique sur mesure.

Compréhension des données des capteurs

Acquérir les données comparables nécessaires n'est que la moitié du travail ; l'interpréter vient ensuite. Parmi les ressources disponibles de l'EPA sur le sujet, on trouve une série de vidéos sur la manière dont les données de qualité de l'air sont collectées et interprétées, ainsi qu'un ensemble d'outils logiciels (les Outils de données des capteurs d'air) qui peuvent aider à traiter et visualiser les données des capteurs.

Recherche et rapports

Cette section discute de l'activité de recherche directe de l'EPA menée dans ses installations, en dehors des programmes volontaires. Les chercheurs de l'EPA étudient la technologie des capteurs, développent de nouvelles méthodes de mesure intégrées et placent des capteurs côte à côte avec des moniteurs de référence tout en collectant des données pour comparer la précision et la fiabilité de la technologie des capteurs à faible coût. L'EPA publie les résultats de ces recherches dans des rapports techniques et des articles scientifiques. L'agence maintient également une liste de ses projets de recherche actuels et passés pour la transparence.

De plus, l'EPA continue de mener de telles études à travers des accords fédéraux de transfert de technologie avec d'autres organisations, ainsi que par divers subventions et compétitions.

Sensibilisation et ressources

Le dernier pilier est celui où l'EPA partage des informations avec des audiences plus larges. Cela inclut la création de Programmes de prêt de capteurs d'air par les bureaux régionaux de l'EPA (généralement en coopération avec des bibliothèques et des musées), le développement de programmes éducatifs adaptables des salles de classe élémentaires aux ateliers communautaires, et l'organisation de plusieurs conférences et ateliers, avec des webinaires, sur les paramètres des capteurs, les bonnes pratiques et les dernières découvertes de l'EPA. De plus, l'EPA publie des articles, des infographies et des bulletins d'information pour informer le public des progrès réalisés dans ses études sur les capteurs.

Lorsque ces six piliers sont résumés, ils représentent la véritable réponse à la question 'Que fait l'EPA concernant les technologies des capteurs ?' : pas une certification, mais sans doute un ensemble de conseils appliqués plus complet que ce qu'une certification seule aurait pu fournir.

En se concentrant spécifiquement sur la méthodologie de colocalisation, puisque c'est la partie la plus directement pertinente pour comment une entreprise validerait effectivement un produit basé sur un capteur : pour évaluer un capteur PM2.5, l'approche recommandée par l'EPA est de colocaliser le capteur de test PM2.5 à côté d'un moniteur de référence (FRM ou FEM). Cela doit être fait pendant un minimum de 30 jours, dans au moins deux sites de test représentant différentes régions climatiques. C'est parce que 30 jours n'est pas un nombre arbitraire ; tester un capteur pendant quelques jours dans des conditions favorables ne donne pas des résultats concluants sur ses performances dans des conditions météorologiques difficiles.

Il est également recommandé de tester au moins trois unités du même modèle de capteur et configuration matérielle et logicielle pour déterminer si leurs performances sont liées à la conception du capteur ou simplement le reflet de la chance d'une unité individuelle. C'est là que les propres pratiques de validation d'Oizom offrent un exemple concret du monde réel plutôt que de simplement revendiquer une certification. Par exemple, Dustroid a été placé à côté d'une station de référence qui inclut un analyseur BAM-1020. L'analyseur BAM-1020 porte une désignation FEM de l'EPA pour la mesure des PM. Les données reçues des deux appareils sont comparées pendant la période de colocalisation convenue pour calculer des métriques telles que R².

Il convient de noter qu'un programme de certification formel pour cette catégorie de dispositifs existe, mais pas par le biais de l'EPA. L'Agence de l'environnement du Royaume-Uni gère MCERTS, qui inclut une norme de certification de produit spécifique pour les moniteurs de particules ambiantes indicatifs dans la même catégorie de capteurs à faible coût/coût moyen abordée par les protocoles volontaires de l'EPA sans certification. La certification MCERTS implique des tests formels en laboratoire et sur le terrain réalisés par un organisme tiers accrédité, et Dustroid détient cette certification.

Il est courant d'interpréter ‘volontaire, sans certification’ comme une indication que le cadre n'est qu'un luxe plutôt qu'un effort sérieux. Cela sous-estime ce qui se passe réellement. La structure volontaire existe en partie peut-être parce que fixer la barre trop haut risquait de pousser les fabricants à éviter complètement le cadre, ce qui compromettrait la cohérence même qu'il était censé créer. La structure volontaire n'est pas un compromis sur la rigueur. C'est ce qui rend une adoption large possible dans une catégorie de produits en évolution rapide où aucun régime obligatoire n'existe encore. Cela ne devrait probablement pas être le cas, étant donné à quelle vitesse la technologie sous-jacente continue d'évoluer.

Vu sous cet angle, un fabricant qui suit le protocole de près pendant toute la durée de la co-localisation, sur plusieurs sites et unités, et avec un reporting métrique transparent opte pour un niveau de transparence qu'il n'est pas légalement tenu de fournir. Cela peut, en fait, être plus un signal de confiance qu'un badge de certification.
 

Il existe une restriction qui apparaît rarement dans le marketing des fournisseurs, mais qui devrait être soulignée bien plus que simplement mentionnée. L'approche de l'EPA en matière de tests et de valeurs cibles a été développée lors d'ateliers tenus aux États-Unis et à partir de revues de littérature et d'études de terrain menées principalement aux États-Unis, en tenant compte des diverses conditions climatiques du pays. Même les collocations présentées par l'EPA se réfèrent aux agences réglementaires des États-Unis. Ce n'est pas une erreur mais reflète plutôt la population statistique dont le cadre a été tiré.

La distinction pratique réside entre la méthodologie et les valeurs cibles. La méthodologie - la durée de la collocation, combien de dispositifs sont testés, quels paramètres sont mesurés et comment les lectures des capteurs sont corrélées avec l'instrument de référence - est un design expérimental solide qui se transpose bien n'importe où dans le monde. Cependant, les normes et même les équations d'ajustement obtenues dans des conditions de terrain aux États-Unis ne peuvent pas être supposées s'appliquer en dehors des États-Unis sans redérivation.

Dans un marché tel que l'Inde, c'est plus qu'un simple inconvénient. Les niveaux d'humidité diffèrent de ceux de la plupart des stations de test américaines car ils sont plus élevés et varient considérablement tout au long de l'année. La composition des PM varie significativement, avec des quantités plus élevées de croûte et de poussière dans les zones industrielles par rapport aux PM provenant de la combustion, comme l'a étudié la littérature américaine. Les concentrations ambiantes de base de certains polluants dépassent parfois les plages sur lesquelles les études originales sur les valeurs cibles des États-Unis ont été construites.

Rien de tout cela n'invalide l'utilisation de l'approche de test de l'EPA comme méthodologie. Cela signifie qu'un capteur validé uniquement par rapport aux résultats dérivés des États-Unis, sans données de co-localisation locales, ne raconte qu'une partie de l'histoire. L'option privilégiée est de mettre en œuvre les méthodes de l'EPA parallèlement aux processus et méthodes de co-localisation locaux pour obtenir des données locales.

Deux autres noms apparaissent souvent dans cet espace et valent la peine d'être correctement placés, puisqu'ils sont facilement confondus avec le cadre ci-dessus.AQ-SPEC (Centre d'évaluation des performances des capteurs de qualité de l'air) est connu pour effectuer des tests sur le terrain et en laboratoire de manière indépendante sur des capteurs abordables, avec des résultats accessibles au public. AQ-SPEC est le type de programme d'évaluation indépendant que les directives sur la performance et l'évaluation des capteurs de l'EPA dirigent les utilisateurs à suivre, ce qui le rend facile à confondre avec un programme de l'EPA. AQ-SPEC est géré par le District de gestion de la qualité de l'air de la côte sud, une agence régionale californienne opérant entièrement indépendamment de l'EPA.

Quant au Bureau de recherche et développement de l'agence, il teste occasionnellement des capteurs à faible coût spécifiques directement, souvent en coopération avec des agences locales. Par exemple, des évaluations sur le terrain ont été réalisées avec le Maricopa County Air Quality à Phoenix. La recherche tombe sous le pilier de recherche et de rapports de l'EPA et fournit des données générées par l'EPA, publiées dans des rapports techniques et des revues scientifiques.

Puisqu'aucune certification formelle n'existe pour cette catégorie de produit, la compétence la plus utile n'est pas de cocher une case de conformité, mais de savoir quelles questions distinguent une revendication validée d'une non vérifiée.

• Cela nomme-t-il des spécificités?La collocation revendique-t-elle réellement le nom de l'instrument de référence et la durée des tests?
• Le test correspond-il à la forme du protocole de l'EPA?Cela suit-il plus de 30 jours, plusieurs sites dans différents climats, et plusieurs unités identiques, avec un emplacement raisonnable selon les propres directives de l'EPA, ou s'agit-il d'un seul test de courte durée étant généralisé en une revendication d'exactitude plus large?
• Est-il validé localement?Les performances de valeur cible sont-elles tirées des rapports américains appliqués sans aucune validation locale pour confirmer qu'elles tiennent dans la géographie de déploiement réelle?
• Le chiffre R² est-il spécifié?Le chiffre R² cité est-il spécifié comme sortie brute du capteur, ou comme données après calibration par rapport à l'instrument de référence?

L'EPA n'a pas encore construit de système de certification pour la surveillance de la qualité de l'air basée sur des capteurs. Au lieu de cela, elle a construit un ensemble volontaire de protocoles véritablement substantiels : tests, protocoles de colocalisation, conseils de localisation, outils analytiques et recherches qui offrent aux fabricants un moyen réel, scientifiquement fondé, de prouver leur propre performance, et donnent aux autres un moyen de faire la différence entre une affirmation fondée et une affirmée gonflée. Suivre rigoureusement ce cadre, en utilisant sa méthodologie et ses outils là où ils s'appliquent réellement, et en restant transparent sur la validation locale en plus de tout critère de référence dérivé des États-Unis est le véritable marqueur de crédibilité dans cet espace, pas un badge 'certifié EPA' qui n'existe pas pour cette catégorie de produits, et qui n'a jamais existé.