Уличный датчик PM2.5: точность при низких концентрациях и влажность

Уличный датчик PM2.5 сообщает массовую концентрацию частиц размером до 2,5 мкм, обычно методом лазерного рассеяния в диапазоне 0–1000 мкг/м³. На малых фоновых концентрациях, которые важны на границе площадки или в городском фоне, число определяется не столько оптикой, сколько влажностью, гигроскопическим ростом частиц и любой расчётной размерной долей, выданной за измерение.

Отсчёт 8 мкг/м³, который поддерживает два разных решения

Два уличных узла на одной площадке мониторинга в разные утра выдали одинаковое значение. Один отсчёт вызвал проверку качества данных, другой нет. Разница была не в датчике, а в том, что ещё записывалось вместе с ним.

Рисунок 1. Датчики PM100.

Для уличного датчика PM2.5 значение 8 мкг/м³ на узле B при 81% RH — не то же измерение, что 8 мкг/м³ на узле A при 42% RH. Вода, поглощённая гигроскопическими частицами, увеличивает их сечение рассеяния, поэтому оптический прибор сообщает большую массу без всякого изменения сухой нагрузки частиц. Только хранение RH рядом с концентрацией позволяет их различить.

Столбец расчётного PM1 — вторая ловушка. Уличный датчик PM2.5 этого класса способен алгоритмически выдавать PM1, PM2.5 и PM10, и в качестве заявленной оценки приводится PM1 = PM2.5 × 0,7 для большинства городских фонов, где PM1 составляет примерно 50–80% от PM2.5. Это выход модели, а не измеренный канал.

При 8 мкг/м³ коэффициент 0,7 даёт 5,6 мкг/м³. Применение полосы 50–80% даёт вместо этого 4,0–6,4 мкг/м³ — разброс 2,4 мкг/м³, вызванный принятым отношением, а не прибором. Внесение 5,6 мкг/м³ в приёмочный лист выдаёт модельное допущение за измерение.

Где нижний конец шкалы перестаёт быть измерением?

Уличный датчик PM2.5 с лазерным рассеянием в этом диапазоне задан на 0–1000 мкг/м³ с относительной погрешностью ±15% и максимальной абсолютной погрешностью ±10 мкг/м³. Он обнаруживает частицы от 0,3 мкм, работает от 12–24 В пост. тока и заявлен для −20…+60 °C и 0–99% RH. На малых фоновых уровнях доминирует абсолютный член: против отсчёта 8 мкг/м³ член ±10 мкг/м³ больше самого значения.

Это не делает датчик бесполезным на фоновой площадке. Это значит, что число следует использовать как тренд и индикатор события, а не как абсолютное определение на малом уровне. Переход с 8 до 21 мкг/м³ после проезда техники — разрешимое событие; утверждение, что узел A ровно на 3 мкг/м³ чище узла B, таковым не является.

Величина 0–99% RH — это класс условий эксплуатации с жёсткой оговоркой: попадание жидкой влаги во внутреннюю схему должно быть исключено. Числовой диапазон не есть утверждение о невосприимчивости к конденсату. Отдельная сборка качества воздуха 6-в-1 задана для −30…50 °C и 15–90% RH с погрешностью отбора пробы ±5% от полной шкалы по каналам PM2.5, CO, CO2, O3, SO2 и NO2 и опциональным PM10.

Таким образом, две области влажности на одной площадке описывают разные изделия. Условие 15–90% RH действует при отсутствии конденсации, тогда как 0–99% RH описывает режим камеры, который всё равно запрещает попадание жидкости. Не сводите их в одну таблицу характеристик и указывайте, к какому изделию относится каждая строка.

Влажность, поток воздуха и расчётная доля

Гигроскопический рост — не фиксированное смещение у уличного датчика PM2.5. Он зависит от состава частиц, поэтому аэрозоль, богатый сульфатами, при том же RH отвечает иначе, чем сажа. Выше примерно 70–80% RH смещение растёт быстро, а восстановление после влажного периода может быть медленным. Утренний подъём, совпавший с высокой RH, часто означает воду, а не выбросы.

Движение воздуха меняет показание сразу двумя путями. Ветер меняет пробу, поступающую в воздухозаборник, а изменение RH меняет то, как оставшиеся частицы рассеивают свет. Записывайте ветер и RH с той же меткой времени, что и PM2.5, иначе решение о размещении принимается по смешанному сигналу.

Расчётные соотношения PM1 и PM10 добавляют ещё один слой. В районах с относительно устойчивым распределением частиц по размерам PM1 можно оценить по PM10, где PM1 составляет около 30% от PM10. Это допущение верно только при устойчивом распределении размеров — именно то условие, которое нарушает проходящий шлейф или близкое пылевое событие.

Если решение зависит от размерной доли, запрашивайте прямой канал, а не алгоритмическую оценку. Серия датчиков с интегрированным мониторингом PM1, PM2.5 и PM10 — иная конфигурация, чем одиночный прибор PM2.5 с расчётным выходом PM1, и это различие должно быть отражено в карте регистров.

Рабочее сравнение на малых значениях

Рассмотрим два совместно установленных уличных прибора, сообщающих 8 мкг/м³ и 11 мкг/м³ за одно и то же 30-минутное усреднение при 45% RH. Разница 3 мкг/м³, или 37,5% от меньшего отсчёта. Она выглядит серьёзным расхождением, пока не названы члены погрешности.

Рисунок 2. Комбинированный датчик температуры и относительной влажности воздуха.

Иллюстративный расчёт на принятых для площадки значениях, а не протокол полевых измерений. Если действует выражение погрешности ±15% от показания, первый прибор перекрывает 6,8–9,2 мкг/м³, а второй 9,35–12,65 мкг/м³. Эти интервалы почти не соприкасаются: остаётся зазор 0,15 мкг/м³, так что при таком правиле приборы выглядели бы различимыми.

Если вместо этого действует абсолютный член ±10 мкг/м³, оба интервала расширяются на порядок и почти полностью перекрываются, поэтому разница 3 мкг/м³ не несёт различительной информации. Таким образом, одна и та же пара отсчётов поддерживает противоположные выводы в зависимости от того, что указано в паспорте. До выяснения правила задания погрешности вывод невозможен.

Та же арифметика применима и к порогу тревоги. Порог, поставленный на 2 мкг/м³ выше базовой линии 8 мкг/м³, меньше разброса в полосе расчётного PM1 и меньше абсолютного члена погрешности. Задавайте пороги кратными заявленной неопределённости, а не круглыми числами.

Используйте наветренный опорный узел, чтобы решить, локален подъём или принесён. Если PM2.5 на площадке растёт, а наветренный узел стоит ровно и RH стабильна, источник, вероятно, местный. Если растут оба, площадка отслеживает региональный фон, и осмотр воздухозаборника может быть неверным ответом.

Приёмочная запись уличного датчика PM2.5 должна содержать шесть полей на интервал: исходную концентрацию, RH, температуру, запись ветра, действующее правило задания погрешности и флаг, помечающий любую расчётную размерную долю. При записи раз в минуту это 1440 строк в сутки на узел, так что недельная совместная установка с образцом даёт 10 080 строк до первого сравнения узлов между собой. Держите расчётные столбцы отдельно от измеренных: карта регистров, хранящая оценочное PM1 в том же поле, что и измеренное PM2.5, делает последующую проверку невозможной.

Когда отсчёт использовать нельзя

Не используйте оптический уличный датчик PM2.5 как гравиметрический образец или доказательство соблюдения норматива качества атмосферного воздуха. Его пересчёт в массу опирается на предполагаемые плотность и форму частиц, а поведение на малых значениях зависит от RH. Когда речь о нормативе, согласуйте референтный метод и его неопределённость отдельно.

Не выдавайте расчётное PM1 или PM10 за независимое измерение. Коэффициент 0,7 или соотношение 30% от PM10 описывает типичное городское распределение по размерам, а не воздух у воздухозаборника. Сообщайте такую величину как оценку с указанием принятого отношения либо опускайте её.

Не сравнивайте два узла, чья RH различается на 30 пунктов, без флага влажности. В рабочей таблице оба узла показали 8 мкг/м³, но лишь один оправдал осмотр воздухозаборника после учёта RH. И не размещайте воздухозаборник под навесом, вплотную к стене, рядом с вытяжкой или в зоне действия разбрызгивателя: тогда проба описывает локальный поток воздуха, а не площадку.

Пусконаладка уличного узла

1. Запишите точную модель, её диапазон PM2.5, выражение погрешности и действующее правило — от показания или от диапазона.

2. Укажите рабочую область RH и подтвердите отсутствие пути конденсата к внутренней схеме.

3. Записывайте RH, температуру и ветер с той же меткой времени и тем же интервалом усреднения, что и PM2.5.

4. Помечайте каждую расчётную размерную долю как оценку и храните вместе с ней принятое отношение.

5. Задавайте пороги тревог кратными заявленной неопределённости, а не круглыми числами.

6. Перед сравнением площадок не менее недели держите новый узел рядом с образцом.

7. Переснимите базовую линию после любой смены прошивки: изменённое масштабирование или пересчёт массы сдвигает весь ряд.

Рисунок 3. Компактный ультразвуковой метеодатчик 10-в-1 — CO2, PM2.5, PM10, мониторинг окружающей среды.

Частые вопросы

В1. Точен ли уличный отсчёт 8 мкг/м³ до 1 мкг/м³?

Нет. Датчик PM2.5 этого класса заявлен на 0–1000 мкг/м³ с относительной погрешностью ±15% и максимальной абсолютной погрешностью ±10 мкг/м³, причём абсолютный член больше самого отсчёта 8 мкг/м³. Используйте значение как тренд и индикатор события; уличный датчик PM2.5 — не референтный прибор для малых значений. Укажите действующее правило задания погрешности до сравнения двух приборов.

В2. Можно ли считать расчётное PM1 измеренным каналом?

Нет. Оценка вида PM1 = PM2.5 × 0,7 отражает типичный городской фон, где PM1 составляет примерно 50–80% от PM2.5. При 8 мкг/м³ это даёт 5,6 мкг/м³, но полоса 50–80% даёт 4,0–6,4 мкг/м³. Разброс 2,4 мкг/м³ есть неопределённость модели, а не шум прибора.

В3. Означает ли 0–99% RH работу в конденсирующем воздухе?

Нет. Класс сопровождается явным условием: попадание жидкой влаги во внутреннюю схему должно быть строго исключено. Сборка 6-в-1 того же семейства задана для 15–90% RH при отсутствии конденсации. Числовой диапазон — не защита от конденсата.

В4. Почему два узла с одинаковым PM2.5 привели к разным решениям?

Потому что один был при 42% RH, а другой при 81% RH. Гигроскопический рост усиливает рассеяние при высокой влажности, поэтому оптическая оценка массы растёт без изменения сухой нагрузки частиц. В рабочей таблице случай 81% RH оправдал осмотр воздухозаборника, а случай 42% RH — нет. Уличный датчик PM2.5 не способен различить их без поля влажности.

В5. Равны ли ±5% от полной шкалы и ±15% от показания?

Нет. Одно есть доля полной шкалы, другое — доля текущего значения; при 8 мкг/м³ против измерительного диапазона 1000 мкг/м³ они различаются на порядки. Величина ±5% от полной шкалы относится к конкретной сборке 6-в-1, а не ко всякому датчику PM2.5. Никогда не сводите оба правила в один приёмочный столбец.

В6. Можно ли ставить уличный узел под навесом?

Нет. Воздухозаборник тогда отбирал бы защищённый воздух вместо воздуха площадки, а сдвиг ветра и RH способен разом изменить показание. Устанавливайте в открытом, хорошо проветриваемом месте со свободными входами и записывайте ветер рядом с PM2.5, чтобы изменение переноса не прочли как выброс.

Что может и чего не может подтвердить малое число

Уличный датчик PM2.5 оправдывает своё место, когда различает изменения, а не когда удостоверяет малые абсолютные разности. В рабочем сравнении 8 и 11 мкг/м³ не удавалось разделить, пока не было названо правило задания погрешности, а два одинаковых отсчёта при 42% и 81% RH поддержали противоположные решения.

Храните RH, температуру и запись ветра при каждом значении, помечайте расчётные размерные доли как оценки с принятым отношением и задавайте пороги кратными заявленной неопределённости. До приёмки узла спросите, какие каналы измеряются, а какие вычисляются, — эта одна строка в карте регистров решает, можно ли данные сравнивать вообще.

Как верно прочесть малое значение PM2.5

Уличный датчик PM2.5 при малых фоновых концентрациях — прибор тренда и событий, а не референт для низких уровней. Два уличных узла с одинаковыми 8 мкг/м³ при 42% и 81% RH дают не одно и то же измерение, а расчётное PM1 в рабочей полосе 4,0–6,4 мкг/м³ есть выход модели, а не размерная доля. Против диапазона 0–1000 мкг/м³ отсчёт 8 мкг/м³ составляет менее 1% полной шкалы, поэтому правило задания погрешности решает, что он способен подтвердить. Храните RH, запись ветра и флаг расчётного значения при каждом интервале и перед сравнением площадок проведите совместную установку с образцом.

Планируете совместную установку уличных датчиков PM2.5? Передайте схему площадки, диапазон RH и образцовый прибор через нашу страницу контактов, и мы поможем задать приёмочные поля и флаги расчётных значений.