Pomiary zebrane przy użyciu czujnika ciągłego rozpraszania światła AV zostały porównane z pomiarami wykonanymi przy użyciu referencyjnych danych BAM, obliczonych przez ambasadę USA i rząd chiński, w okresie od 1 czerwca do 30 czerwca 2015 roku. Celem tego badania była analiza dokładności i precyzji czujnika AV w pomiarze stężenia masowego cząstek unoszących się w powietrzu o średnicy aerodynamicznej mniejszej niż 2,5 mikrometra (µm). Pomiary PM2,5 wykonane przez czujnik AV i czujnik BAM okazały się dobrze skorelowane, z dzienną i godzinową skutecznością korelacji wynoszącą odpowiednio 0,96 i 0,83. W związku z tym AV i BAM są odpowiednie do wdrożenia w ciągłym monitorowaniu PM 2,5 w czasie rzeczywistym.

Wszystkie instrumenty były obsługiwane w dzielnicy ChaoYang w Pekinie. Dane z BAM zostały zmierzone w ambasadzie Stanów Zjednoczonych, która znajduje się przy 55 Anjialou Road. Odległość między AV a czujnikiem ambasady USA wynosi około 0,5 km. Detektor AV został umieszczony na balkonie o wysokości 20 m, zwróconym w stronę dzielnicy mieszkalnej, aby zapewnić, że na dane zebrane przez czujnik nie będą miały wpływu zanieczyszczenia pochodzące z ruchu samochodowego.

Monitoring prowadzony był od 1 czerwca (18:00) do 30 czerwca 2015 roku (15:00), łącznie przez 30 dni. Stężenie PM2.5 było monitorowane w czerwcu ze względu na dużą zmienność stężenia PM2.5 i zróżnicowanie poziomów wilgotności.

Ilościowa metoda porównywania danych została wykorzystana do uzyskania wizualnego poczucia precyzji danych za pomocą wykresu szeregów czasowych, jak pokazano na rysunkach 1 i 2. Średnie stężenie PM2,5 obliczono na podstawie danych rejestrowanych co godzinę. Stężenie PM2,5 zarejestrowane przez oba urządzenia różniło się nieznacznie. Wynika to z różnych metod wykrywania w obu instrumentach, ponieważ AV wykorzystuje rozpraszanie światła, a BAM wykorzystuje rozpraszanie promieniowania beta. Ponadto czas reakcji AV i BAM jest różny, w którym AV został ustawiony na rejestrowanie stężenia co jedną sekundę, podczas gdy BAM rejestruje dane co godzinę.

Łącznie zarejestrowano 694 punkty danych. Podczas gdy średnie stężenie masowe PM2,5 było rozłożone między 0 a 250 µg/m3, pokazano podobny trend stężenia dla AV i BAM.

Rysunek 1: Szereg czasowy średnich godzinowych PM2,5 przy użyciu AV i BAM (Ambasada USA)
​

Rysunek 2: Szeregi czasowe średnich godzinowych PM2,5 przy użyciu AV i BAM (rząd chiński, centrum wystaw rolniczych)

Do porównania stężeń z AV i BAM wykorzystano dwie analizy statystyczne. Pierwszym z nich było porównanie godzinowej różnicy między dwoma urządzeniami zarówno jako stężenia bezwzględnego, jak i procentowego, a drugim było porównanie AV z BAM przy użyciu analizy regresji liniowej.

Względną różnicę można obliczyć, dzieląc bezwzględną różnicę i wartość stężenia z ambasady USA. Porównując średnie dzienne pomiary z ambasady USA i czujnika AV, różnica procentowa wyniosła 13,9%, co wskazuje na doskonałą korelację, ponieważ średni błąd urządzenia rozpraszającego światło szacuje się na około 30% do 40% (Molenar, n.d.). Względne różnice wynikają z naturalnej zmienności parametrów aerozolu PM2,5 i skuteczności rozpraszania czujnika AV. Różnica przestrzenna stanowi dodatkowy wkład w różnicę między pomiarami. (Patrz czynniki wpływające na pomiary PM2.5)

Podczas gdy godzinowa względna różnica między AV i BAM wynosi 16,1%. Wyższą dokładność można uzyskać, jeśli pominie się wartości odstające, zwłaszcza przy bardzo niskich poziomach stężenia (<8 µg/m3). Im niższy poziom stężenia, tym wyższa niepewność.

Celem analizy regresji liniowej jest zbadanie związku między odpowiednimi pomiarami AV i BAM w całym zakresie stężeń. Procedura regresji określa "najlepszą" dostępną linię prostą opisującą związek, a współczynnik regresji wyjaśnia korelację danych. Rysunek X przedstawia porównanie wykresu regresji.

Średni współczynnik korelacji kwadratowej (r2) średnich dziennych pomiarów między AV i BAM wyniósł 0,959. Nachylenie wynosiło 0,9067, a średnie przechwycenie 4,6644. Zgodność między codziennymi pomiarami jest bardzo dobra, ponieważ nachylenie jest bliskie 1, a r2 przekracza 0,9.

Jednak na podstawie pomiarów godzinowych nachylenie wynosi około 0,822, a r2 wynosi 0,83, zgodnie z rysunkiem 4. Chociaż dane godzinowe bardziej odbiegają od stosunku jeden do jednego w porównaniu z pomiarami dziennymi, r2 wynoszące 0,83 wskazuje na silną korelację między stężeniami AV i BAM.

Podczas gdy korelacja między danymi z chińskiego rządu a AV wykazuje wysoki współczynnik r2, z wartością 0,93, dane bardziej odbiegają od linii stosunku jeden do jednego, z niższym nachyleniem (0,83) i wyższym punktem przecięcia (9,54).

Rysunek 3. Linie regresji liniowej średnich dziennych danych BAM ambasady USA względem danych AV

Rysunek 4. Linie regresji liniowej średnich godzinowych danych BAM ambasady USA w porównaniu z danymi AV

Rysunek 5. Linie regresji liniowej średnich dziennych danych rządu chińskiego w porównaniu z danymi AV

Tabela 1. Porównanie rozpraszania światła cząstek i rozpraszania promieni beta

Badania te i dane liczbowe ilustrują, że skalibrowane urządzenie do wykrywania rozpraszania światła, czujnik Air Visual, jest przydatne jako alternatywny instrument do monitorowania poziomów stężenia PM2,5. Pomimo stosunkowo niskiego kosztu czujnika Air Visual, wyniki niniejszego badania sugerują, że pomiary Air Visual są dość precyzyjne, z (R2=0,959) w porównaniu do BAM, chociaż na czujnik Air Visual mogą nadal wpływać takie czynniki, jak zmiany w charakterystyce cząstek.

Odniesienie:

John V. Molenar. Teoretyczna analiza pomiarów masy pyłu PM2,5 przeprowadzona przez. Nefelometria. Air Resource Specialists, Inc.