Comment la calibration des capteurs de qualité de l'air améliore-t-elle la précision des données ?

Des capteurs à faible coût ont émergé comme une solution efficace pour la surveillance de la qualité de l'air avec une meilleure couverture spatiale. La principale préoccupation concernant le déploiement à grande échelle de ces capteurs est leur précision. Cependant, le rapport coût-efficacité et la capacité de ces systèmes à fournir des données de qualité réglementaire ont conduit à de grandes études de terrain. Les gouvernements et les organisations de recherche jouent un rôle essentiel dans le soutien de ces études. Le Programme des Nations Unies pour l'environnement (PNUE) identifie les capteurs à faible coût comme importants pour fournir des données supplémentaires sur la qualité de l'air afin d'améliorer la précision, l'exactitude et la couverture spatiale/temporelle des mesures par satellite et des stations de référence traditionnelles.

En plus de cela, l'Indian Institute of Technology, Kanpur (IIT) en collaboration avec le Maharashtra Pollution Control Board (MPCB) a mené une analyse détaillée des capteurs à faible coût indigènes. L'objectif principal de cette étude était de freiner la dégradation de la qualité de l'air du Maharashtra à travers un réseau de dispositifs de surveillance. Cette étude fait état d'une efficacité des capteurs de 85-90% qui est sujette à amélioration avec un entretien périodique.

La calibration des capteurs de qualité de l'air est le processus de correction ou d'ajustement des mesures des capteurs par juxtaposition avec une concentration connue/référentielle des paramètres. De plus, ces capteurs présentent une solution unique pour les études de qualité de l'air à grande échelle. Ils sont capables de surveiller une large gamme de paramètres de l'air ambiant. Ceux-ci incluent le dioxyde de carbone, les composés organiques volatils (COV), les particules en suspension et le dioxyde de soufre parmi d'autres. Cependant, un cadre solide de procédures de calibration précède le déploiement. Cela se concentre sur l'amélioration de la précision des capteurs grâce à de multiples tests en laboratoire ainsi qu'à l'emplacement de l'installation. La calibration est une partie essentielle du contrôle de la qualité des capteurs car elle aide à identifier et à éliminer les dérives de données.

Dérive des données

La dérive est une déviation dans les lectures du capteur due à des influences externes telles que des fluctuations de température ou des conditions environnementales. Elle entraîne un changement des mesures au fil du temps, ce qui conduit à de la désinformation.

Biais

Le biais est une erreur systématique persistante dans la mesure qui maintient toujours une dérive constante par rapport à la valeur réelle. La sortie peut montrer une lecture plus élevée ou plus faible que la valeur réelle.

Précision

Le NIST définit la précision comme le niveau d'accord ou la proximité des valeurs rapportées par le capteur par rapport aux mesures de référence / valeurs connues du paramètre cible.

R2

La valeur R2 ou coefficient de détermination est la mesure de la performance du capteur par rapport à une station de référence. Elle fournit des informations statistiques sur la nature de la corrélation qui existe entre deux variables. Dans l'étalonnage du capteur, cela se réfère aux sorties du capteur et aux valeurs de référence connues. En conclusion, une valeur R2 de 1 indique une corrélation parfaite avec le moniteur de référence.

Courbe d'étalonnage

Chaque capteur a une courbe d'étalonnage qui représente sa réponse par rapport à la concentration de gaz d'entrée. À des fins d'étalonnage, cette concentration d'entrée est prédéterminée afin d'identifier les dérives.

Les dispositifs de capteurs à faible coût sont faciles à installer et à faire fonctionner à grande échelle. Les résultats suggèrent qu'en plus d'être capables de produire des mesures très précises, la fiabilité globale de ces capteurs dépend d'une étalonnage en temps voulu. L'humidité relative et la température de la zone d'installation interfèrent avec les mesures. Cela pourrait à son tour conduire à une augmentation ou une diminution erronée des tendances de pollution. Par exemple, les capteurs électrochimiques, en particulier, sont affectés par les fluctuations de température ambiante, de plus, des études ont indiqué que cela peut conduire à une valeur de coefficient de détermination plus faible c'est-à-dire R2 <0.2.

Les objectifs de performance des capteurs sont essentiels tant pour les fabricants que pour les utilisateurs afin d'identifier la fiabilité de l'unité. L'EPA a décrit certaines considérations relatives à la sélection d'un système de surveillance de la qualité de l'air. Ces paramètres de performance comprennent généralement les résultats de la procédure de calibration tels que les dérives.

Ces mesures de calibration fournissent également une base de preuves pour la fiabilité des données produites. La surveillance des villes intelligentes est également réalisée suite à de telles études complètes axées sur l'exactitude des données. Le processus d'affinement de la performance des capteurs est une tâche extrêmement complexe et technique. Cependant, avec une approche globale, les capteurs à faible coût deviennent fiables et plus précis pour fournir des mesures de polluants de qualité référence.

Idéalement, l'EPA recommande fortement des calibrations sur site pour déterminer exactement la réponse du capteur aux conditions météorologiques locales et l'application immédiate de facteurs correctifs. Cependant, plusieurs étapes de calibration précèdent l'installation et le fonctionnement de l'appareil. Cette méthode garantit en outre une plus grande précision des données.

Un processus de calibration de capteur de qualité de l'air efficace peut garantir l'exactitude et la fiabilité des données à travers plusieurs niveaux. En outre, ceux-ci vont des calibrations de niveau zéro aux comparaisons de référence sur le site d'installation visant à éliminer les erreurs et les interférences météorologiques régionales.

1. Calibration en usine
Nos partenaires de fabrication de capteurs réalisent cela avec de l'air à concentration nulle et des gaz de calibration. Cela garantit que la performance du capteur est conforme aux spécifications fournies. De plus, c'est une étape essentielle dans l'analyse de sensibilité des capteurs individuels.

2. Calibration en laboratoire
Un environnement propre et contrôlé est nécessaire pour un rendement de calibration efficace. Des cylindres de gaz avec des paramètres connus dans des valeurs recommandées doivent être disponibles. Pour garantir des résultats corrects, les sources de contamination ambiante à proximité doivent être identifiées et éliminées. En outre, plusieurs lectures aident à déterminer la cohérence de l'opération du capteur.

La calibration monitorée en laboratoire comprend deux étapes successives, à savoir

Calibration à zéro est une étape clé pour établir une erreur de référence pour la performance du capteur. Les capteurs sont ensuite exposés à une concentration de gaz cible nulle/négligeable. De plus, les dérives et les biais sont analysés à travers les écarts dans la sortie.

Calibration d'intervalle comprend l'entrée d'un gaz cible avec une concentration connue. Les valeurs d'entrée connues aident à quantifier les dérives dans les lectures du capteur. Les cylindres de gaz utilisés sont conformes à l'Institut national des normes et de la technologie (NIST). De plus, cela garantit un contrôle total des valeurs de la concentration d'entrée du gaz cible.

3. Calibration de colocation
Les interférences régionales dans les lectures des capteurs tendent à créer des dérives significatives dans les données. Ces signaux régionaux proviennent de conditions météorologiques locales comprenant la température et l'humidité. Cependant, de telles conditions n'affectent pas chaque capteur. La calibration de colocation/spot élimine toute possible déviation des données de sortie. Un appareil basé sur un capteur à faible coût est opérationnel avec un moniteur de référence pendant 5 à 6 jours sur le site d'installation.

Ces modèles de calibration impliquent plusieurs étapes avant de passer réellement à la correction et à l'analyse des données. Cela inclut généralement la planification de l'évaluation scientifique pour la récupération et l'examen des données. Le nombre de capteurs identiques à utiliser, ainsi que le calendrier opérationnel approprié, est déterminé à ce stade. De même, l'évaluation du site est également un aspect important, car elle inclut la recherche d'activités inhabituelles sur le site qui pourraient déclencher des interférences avec la calibration des capteurs.

Dans le cadre de notre initiative de recherche pour élargir le niveau de précision et de fiabilité des données pour les utilisateurs, OIZOM a collaboré avec plusieurs projets de l'AQMD, de l'Université de York et de l'IIT Kanpur. De plus, ces projets incluent des collectes de données intensives sur de longues durées sur site pour générer des rapports d'analyse qualitative et quantitative sur la performance des capteurs.

Étude de cas pour les capteurs de SO2 et de CO
OIZOM emploie des capteurs fonctionnant selon divers principes tels que la photo-conductivité, la diffusion optique, la radiation infrarouge non dispersive (NDIR), etc. Cela inclut l'analyse et la correction de deux facteurs majeurs affectant la performance des capteurs, à savoir la sensibilité et la dérive des données.

Calibration zéro pour la dérive des données
La calibration zéro est le processus par lequel le décalage ou la dérive du capteur est déterminé. Cette dérive est la déviation de la sortie finale du capteur par rapport aux cylindres de gaz connus. Ces cylindres de gaz ont une valeur nulle pour le gaz cible. De plus, ces dérives sont utilisées pour calculer les facteurs de correction afin d'améliorer la précision. La sortie peut varier de zéro à presque zéro dans un tel environnement de calibration.

Calibration d'étalonnage pour les valeurs de sensibilité
La sensibilité est le degré de changement dans la sortie, détecté lorsque la concentration de gaz d'entrée est variable. Les déviations de sensibilité se produisent généralement dans des facteurs de solution de capteur, 0,02 ppm dans le cas d'un capteur de dioxyde de soufre. De plus, ces valeurs sont utilisées pour affiner les mesures des capteurs pour une surveillance efficace des données. Elles tendent à fournir des informations sur l'ampleur de la variation par rapport aux valeurs connues.

Illustré ci-dessous est une étude de calibration dans le processus de calibration du laboratoire d'OIZOM ;

Un environnement fortement contrôlé est nécessaire pour atteindre une efficacité maximale. Par exemple, cela inclut des valeurs modérées de température et d'humidité ainsi que de pression. Une courbe standard avec concentration de gaz de référence et réponse du capteur pour le monoxyde de carbone et le dioxyde de soufre est analysée.

 Y = mx + c, où m = pente de la courbe de calibration, c = intercept

La linéarité de la courbe de calibration détermine l'efficacité de la calibration et la précision des données du système de surveillance de la qualité de l'air. La proximité de la sortie du capteur avec les entrées de référence produit une courbe standard linéaire idéale. Les sorties R2 pour le CO et le SO2 sont respectivement de 0,93 et 0,99. En conclusion, cela indique que plus de 90 % de la sortie du capteur concorde avec l'entrée de concentration de gaz connue.

Pour résumer, une approche de calibration robuste est importante pour améliorer la fiabilité des données des capteurs à faible coût. De plus, les méthodes d'analyse statistique aideront à quantifier le niveau de précision atteint. Un cadre de calibration soigneusement conçu est essentiel pour atteindre une précision de grade de référence.