低成本气溶胶传感器在加利福尼亚监测站点的现场校准外文翻译资料

英语原文共 28 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

低成本气溶胶传感器在加利福尼亚监测站点的现场校准

D. M. Holstius¹, A. Pillarisetti¹, K. R. Smith1, E. Seto²

¹University of California, Berkeley, USA

²University of Washington, Seattle, USA

摘要：目前,微粒物质（PM2.5）的健康效应已被列为世界上具有最高健康风险因素之一。但现有的监测基础设施无法充分表征城市PM2.5浓度的空间和时间变化，也不能充分反映人口暴露的情况。基于低成本传感器的便携式监测器的开发和评估弥补了现有基础设施不足，可扩大空气质量监测站监测覆盖范围。在这篇文章中，我们将自己设计的电池供电的气溶胶监测仪器进行现场校准。我们使用美国EPA联邦等效方法（FEM）基于beta;衰减原理的PM2.5监测器的1小时均值和24小时均值数据校准了仪器，该监测器在加利福尼亚州奥克兰的监管监测点连续操作。我们观察到环境湿度和温度对监测器无影响;一小时均值序列情况下相关系数为0.6,24均值序列情况下相关系数为0.72。以1小时序列作为标准时，我们的仪器性能可以比得上商用光学仪器当。这些发现值得进一步探索，这类气溶胶传感器可能会被有效地用于改进的PM2.5数据采集情况。

1 介绍

室外细颗粒物(PM2.5)对健康的影响是世界上健康负担最重的危险因素之一，每年超过320万人过早死亡，7600多万人失去了生命(Brauer et al.，2011; Lim et al .,2012)。原则上，增加的固定现场监测可以改善环境PM2.5数据集的覆盖率和质量，但由于传统技术需要昂贵的设备(Wilson et al.，2002)，目前技术的监管网络的扩张受到资源限制的阻碍。在缺乏足够的时空分辨率的实证测量的情况下，流行病学研究依赖于缩减从卫星、监管监测、土地利用数据库和排放清单获得的数据(布劳尔et al .,2011;Jerrett et al .,2005)。在对空气污染和健康影响的研究中，由此产生的错误分类可能会减弱或影响对健康影响关系的估计。粗略解析的PM2.5监测数据也阻碍了对城市排放、大气变化和运输机制产生的通量的科学理解。最后，基于政策的干预措施的经验验证，相对缺乏负担得起的仪器及时地来用以减少排放和接触。

小型、廉价的便携式设备可以以高空间和时间分辨率和低系统成本来表征气溶胶浓度，特别是当许多这样的设备可以同时部署的时候。然而，这种方法的效用尚未在现场观测中得到充分试验。在本文中，我们展示了通过将一个传感器与其他低成本、已获得的硬件相结合，可以在一个监控站点上采集有效准确的PM2.5浓度的小时均值。由Watson, Wilson, Chow和同事的前期工作指导(Watson,2002; Watson et al .,1998; Wilson等，2002,2005; Wilson和Suh,1997),他广泛的分析和讨论当前FRM PM2.5网络连续点显示器,我们首先集中在展示一个预测之间的关系(a)传感器的输出和(b) 广泛依赖于空气质量监管和流行病学的监管监控数据。我们注意到，考虑到预测关系，进一步的工作仍需要与PM2.5或任何其他PM浓度指标建立相等关系。我们的目的是在一个自然环境中展示“概念证明”，这样就可以扩展、批判和复制那些对这类传感器的效用感兴趣的独立研究人员的发现和方法。

在本文中，我们着重于在奥克兰的一个监管监测点进行现场校准。我们使用小组以前的观察和实验方法来验证低成本的仪器，这些仪器包括了重新定位的烟雾探测器部件(Chowdhury等，2007; Edwards et al .,2006; Litton et al.，2004)和一个以消费者为导向、基于激光的粒子计数器(Northcross et al.，2013; Smith,2011)。其他研究人员先前的研究已经对相对便宜的光学仪器的短期反应进行了描述，这些光学仪器都是定制和商用的，用于室内环境中的颗粒生成活动(Budde et al.，2012; Nafis,2012; Olivares et al.,2012)。一个更大的科学研究机构将商业上可用的浊度计、粒子计数器和其他光散射仪器与标准方式进行了比较(Burkart et al.，2010; Watson et al .,1998; Wilson et al., 2002)在这篇论文中，我们报告了一个更低成本的仪器的结果，它基于一个传感器成本大约为10美元。我们显然是第一个在美国监管监测站的环境条件下评估这类传感器的，并且第一个使用联邦等效方法(FEM)状态的参考仪器并使用24小时的PM2.5平均值来校准它。

2 实验方法和材料

2.1 PANDA 平台

产品系列包括一个低成本，现成的光学传感器：Shinyei PPD42NS，它是一种便携式，可重构的平台。 （Shinyei Corp，2010）。 我们将我们的平台称为PANDA（便携式和可调节比浊数据采集）系统。

2.1.1比浊法传感器设计和规格

Shinyei PPD42NS传感器有一个部分封闭的空间，里面含有单片发光二极管,一个塑料透镜和一个大约45°角的光接收机。可拆卸的盖子可以从镜头上擦拭残留物。通过一个小的0.25W电阻器建立的对流电流，空气被抽吸通过感测体积。从风扇或泵产生的噪声的缺乏是家庭应用中可能的应用的一个吸引人的特征，但是对流机制使得气流对方位敏感。并没有具体说明空中粒子的流量和最大尺寸。在PPD42NS上，通过对散射光的检测而产生的信号经过滤波和放大电路，产生0 - 5v的脉冲，长度约为10-100毫秒。由制造商在线发布的文件表明，该PWM信号的30秒综合占空比随“香烟烟雾”单调递增，在较高浓度下具有零截距和轻微次线性响应 (Shinyei Corp, 2010)。此后，我们将30秒的综合占空比称为“满载百分率”(% FS)。

我们设计了一个单片机，通过采样PWM信号在大约1mhz的频率来测量满载百分率，并在一个实时时钟的帮助下将时间戳的测量值记录到microSD卡上。为了研究温度、湿度和环境光对PPD42NS传感器性能的影响，并验证我们的仪器保持不受干扰、直立和不受极端条件的影响，我们在本文中所描述的这两种情况下增加了对光线、温度和相对湿度的辅助传感器。所有组件都安装在一个12英寸、250克的聚碳酸酯外壳上，以及一个充电电路和一个16h、 2600 mAh的锂聚合物电池，这是一个提供5v电源、连续充电的USB电缆。制造商部件标识和所有组件的近似成本列于表S1；物理设计如图1所示。这些组件很容易从在线电子产品零售商那里获得，总材料成本低于每个PANDA200美元。我们估计，依靠主机设备(如电脑或电话)进行电力和数据通信的最小变量，可以在电子部件中以低于25美元(美元)的价格建造。

2.2 参考工具

我们的主要标准是一个联邦等效方法(FEM) beta;衰减监控(型号为bam-1020的一种仪器)，这被海湾地区空气质量管理地区(AQMD)用于监测持续PM2.5质量浓度。我们从AQMD网站下载了该仪器报告的1h FEM PM2.5数据。我们还在监管现场部署了自己的商用光学仪器:一个16通道的粒度仪 (GRIMM OPC，模型1.108,GRIMM);浊度计(DustTrak II模型8530,TSI)配备2.5mu;m撞击器和程序默认为ISO 12103 - 1 A1校正系数;以及一个光学粒子计数器(DC1700, Dylos Corp)。这些仪器是典型的人工照射研究中使用的仪器，虽然可以部署的数量会受到成本的极大限制。除了最后一个,所有这些工具报告数据在mu;gmminus;3在使用专有的算法来过滤和光学测量转换成质量浓度的等价物。只有bamm -1020和DustTrak有一个物理尺寸的切割机能。

2.3 研究的位置

海湾地区AQMD准许我们将设备放在加利福尼亚奥克兰的奥克兰西的监管地点和校准仪器仪器观测。从2013年4月15日到2013年4月23日，我们把我们的仪器放在两个30升的室内，在AQMD的beta;衰减监测器的入口2m内，大约5ma.g.l，在一个停车场的空调拖车的屋顶上。

西奥克兰以前一直是有针对性的空气污染模型，排放清单，移动监测，饱和监测，化学特征和来源分配研究的主题（Fujita and Campbell，2010;，2008; Reid，2007; Fujit，2013），以及一个关于与交通相关的排放的基于社区参与研究的地点（Gonzalez等，2011）。靠近相当数量的卡车和铁路柴油，以及在湾大桥收费广场和周围5条高速公路上的轻型车辆。之前的监测、形态分析研究表明, 元素碳集中在流动路径附近，表明柴油卡车对一次气溶胶有影响，而有机碳和PM2.5在该地区表现出更均匀的空间分布，反映二次气溶胶形成和硝酸盐和硫酸盐颗粒的重要性（Fujita和Campbell，2010; Fujita等，2013）。

2.4 分析方法

从不同的仪器中收集到的成对的数据，用loess平滑并检查线性。为了量化和比较相关性强度，我们使用了从普通最小二乘回归模型中得到的确定系数(R2)，适用于每一个成对的数据集。我们还计算了两个BAM-1020s的经验值和模拟的R2值，以提供对期望的R2值范围的透视。用均方根误差(RMSE)计算了线性校正的精度。我们还进行了灵敏度分析，以评估温度、相对湿度和环境光对仪器性能的影响。

3 结论

3.1 一小时的时间序列

3.1.1 每小时的PM浓度值

图1显示了2013年4月8天期间部署的一系列仪器的时间序列数据。夜间PM2.5浓度高于日间浓度，与边界层夜间下降一致。在第一个48小时内发现较小的范围。DuTrTrk报告的浓度始终高于beta;衰减测量，这可以通过使用默认的DuffTRAK校正因子来解释。 (这并不影响我们的主要兴趣，R2。) GRIMM OPC的质量浓度在0.3～30mu;m范围内也有报道，因为GRIMM OPC没有报告对应于0＜DP＜2.5mu;m（即PM2.5）的数据，图1反而示出了0.3＜DP＜3mu;m和0.3＜DP＜2mu;m的数据。DYLOS对“小”颗粒（约0.3＜DP＜2.5mu;m）的数量浓度，也遵循与其他仪器相同的日和天气图（图1）。

3.1.2 每小时的温度、相对湿度和环境光

室内引入口位于BAM-1020引入口的2m处，而电子仪器放置在室内来分配少量余热，提高温度和降低相对湿度。详细的温度、相对湿度和环境光线数据如图S4所示，此外，日均温度大约是20-30摄氏度，日变化大约为plusmn;8℃。除了进行为期1小时的检查后，我们进行了抽查并移除盖子，环境光线仍然低于1x10¹勒克斯，运行中，一整天内室内的相对湿度变化大约在10-60℃之间，并开始影响浊度测量值的质量（周等人，2002）。

3.2 一小时情况下的相关性

3.2.1 PANDAs与其它光学仪器的相关性

图2表示所有仪器一小时内数据之间产生的成对相关性之间的统计和图形总结，个体PANDA（R²=0.91-0.92）和PANDA与Dylos（R²=0.87-0.92）之间产生了高度相关性，这些数据与为期六周的实验图形数据具有一致性，在为期六周的实验中，我们测量了PPD42NS传感器的长期稳定性和仪器内可变性（参见附录图S5和S6），PANDA与GRIMM PM_2.0和PM_3.0之间的相关性也很高（分别高达R²=0.90-0.93和0.92-0.94），粉尘测定仪与其他光学仪器之间的相关性较高（R²=0.64-0.80）。

3.2.2 在参照仪器下，PANDA和其他光学仪器之间的相关性

以一小时的衰减数据作为参照，PANDA、GRIMM PM_2.0和PM_3.0、Dylos和粉尘测定仪数据的确定系数（R²）分别是0.55-0.60；0.59和0.58；0.58和0.49（图2）。基于各个仪器产生的线性模型的准确性几乎是相等的（RMSE=3.4-3.6；3.4和3.5；3.5和3.5mu;gm^-3），除了粉尘测定仪之外，非线性可以采用loess进行处理，并将它叠加到图2所示的低面板上。

乍一看，0.55-0.60的R²值看起来有些低，但是它是参照仪器固有的测量误差所产生的结果，并且在一小时的累积时间（Met One Instruments, n.d.）内，将它指定为sigma;=2.0-2.4mu;gm²。在仿真中，我们利用该sigma;来生成结果为“真”的PM2.5分布成对观察值，且同时具有独立高斯误差，将预期的R²只估算为0.59（95%CI0.50-0.67）（图S7，附加信息）。换句话，这与两个参照仪器所预期的一小时测量值具有相关性。实证数据与预期值具有相关性，只有BAM-1020在西奥克兰进行现场操作，图3表示40千米远处瓦列霍机场区域附近采用BAM-1020s的同周期一小束数据，这些一小时衰减测量值（a）的R²（R²=0.58）与仿真预期值以及西奥克兰BAM-1020和三个PANDA（b）、GRIMM（c）和Dylos（d）之间的实证R²相关结果可忽略不计。

3.3 环境光、温度和湿度的影响

光（L）、温度（T）和相对湿度（RH）的变化具有可忽略的影响。仅使用这些变量作为预测因子的参考仪器（BAM）的每小时数据的模型作为阴性对照：不存在任

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[23900]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word