Nízkonákladové senzory kvality ovzduší
využití nízkonákladových senzorů pro měření kvality venkovního ovzduší
Co jsou nízkonákladové senzory?
Nízkonákladové senzory jsou poměrně mladou technologií, která teprve prochází vlastním vývojem a jejíž uplatnění je v současnosti ve fázi výzkumu. Tato zařízení jsou vyráběna firmami po celém světě, jejich variabilita je tedy poměrně velká. Navzájem se liší jak designem (rozměry, tvarem, celkovým zpracováním), tak technickými parametry (použitou technologií, rozsahem měření, limity zařízení, citlivostí vůči okolním vlivům) a cenou.
Tyto senzory se označují různými způsoby a terminologie v tomto směru není sjednocená. Grafika níže ukazuje některé z nejčastěji používaných termínů.
K čemu se nízkonákladové senzory používají?
K čemu nízkonákladové senzory slouží a co měří?
Nízkonákladové senzory se obecně používají pro měření koncentrací znečišťujících látek v ovzduší. Jednotlivé senzory se navzájem liší podle toho, jaké znečišťující látky jsou schopné měřit, proto je lze rozdělit na:
- senzory měřící některou z plynných látek: oxid uhelnatý (CO), oxid uhličitý (CO2), oxid dusný (NO), oxid dusičitý (NO2), oxid siřičitý (SO2), ozón (O3) a těkavé organické sloučeniny (VOC),
- senzory měřící koncentrace suspendovaných (prachových) částic PM, tzv. optické čítače částic.
V praxi se často setkáme se senzorovými systémy, které spojují více typů senzorů dohromady, dokáží tedy měřit více znečišťujících látek zároveň. Někdy jsou tyto systémy doplněné také o měření základních meteorologických veličin (teplota, vlhkost vzduchu, atmosférický tlak).
Optické čítače částic mají z uvedených senzorů nejčastější uplatnění, neboť mají nejširší spektrum zdrojů (domácí vytápění, doprava, zemědělství, průmysl). Senzory pro měření koncentrací oxidů dusíku mají největší smysl v dopravně zatížených lokalitách, zatímco senzory pro měření SO2 najdou své uplatnění nejčastěji v lokalitách ovlivněných průmyslem. Měření CO a CO2 pak dává smysl pouze ve vnitřním prostředí, neboť tam tyto látky ovlivňují naše zdraví a jejich měření ve venkovním prostředí postrádá význam.
Domácí vytápění
- suspendované částice PM
Doprava
- suspendované částice PM
- oxidy dusíku (NOX)
Průmysl
- suspendované částice PM
- oxid siřičitý (SO2)
Zemědělství
- suspendované částice PM
- oxidy dusíku (NOX)
Vzhledem ke své relativně nízké pořizovací ceně jsou nízkonákladové senzory výhodným nástrojem pro dočasné měřicí kampaně v oblastech, kde není technicky možné nebo finančně realizovatelné provozování sice velmi přesných, nicméně výrazně finančně nákladnějších monitorovacích zařízení používaných ve státní síti imisního monitoringu ČHMÚ. Díky své velikosti a menší náročnosti umožňují senzory také monitorovat chemické látky v mnohem podrobnějším prostorovém měřítku (např. v rámci jednotek až desítek metrů), případně je lze použít také pro měření „za pohybu“, tedy za použití automobilu, letadla nebo dronu.
Nízkonákladové senzory mohou sloužit jako cenný doplňující zdroj informací, díky kterým lze ve veřejné a městské správě činit opatření související se zlepšením kvality ovzduší a tepelného komfortu na konkrétním místě. Jsou vhodné pro prvotní průzkum nových potenciálně problémových lokalit (hotspotů), případně lze data z měření využít pro edukativní a výzkumné účely.
Platí však, že senzorová měření nelze využívat pro vyhodnocování plnění legislativy, hodnocení zdravotních rizik ani nelze na jejich základě činit rozhodnutí, která by jakkoliv zasahovala do života a práv fyzických i právnických osob.
- orientační informace o úrovni znečištění na konkrétním místě
- identifikace problémových lokalit (hotspotů)
- doplňková informace sloužící k opatřením ve veřejné a městské správě souvisejícím se zlepšením kvality ovzduší a tepelného komfortu na konkrétním místě
- data pro výzkumné a vzdělávací účely
- hodnocení plnění imisních limitů
- hodnocení zdravotních rizik
- vymáhání legislativních nároků
- rozhodující informace sloužící k opatřením zasahujícím do práv fyzických nebo právnických osob
Jak spolehlivé jsou výsledky měření?
Nakolik lze výsledkům měření nízkonákladových senzorů věřit? Co musíme vzít v potaz? Jaké faktory vstupují do hry?
Kvalita výsledných měření je z velké části ovlivněna přístupem provozovatele k senzorovým zařízením, a to z následujících důvodů.
Senzory vykazují nejen poruchovost (neměří vůbec nebo měří evidentně chybně), ale také různorodost v kvalitě měření, a to i mezi jednotlivými senzory stejného typu. Z toho důvodu je výrazně doporučeno před každou měřicí kampaní provádět tzv. srovnávací měření, kdy jsou všechny senzory umístěny na stejné lokalitě společně s měřením, jehož kvalita podléhá legislativním pravidlům, a je tudíž ověřena (např. měřicí stanice ČHMÚ). Takovým způsobem lze odhalit vadná zařízení a také individuální odchylky senzorů (v případech, kdy senzor měří o něco více nebo méně oproti reálné koncentraci). Všechny senzory odchýlené od správné hodnoty je třeba zpětně přepočítávat, tedy korigovat za pomocí různých matematických postupů.
U nízkonákladových senzorů lze pak velmi často pozorovat závislost kvality měření na meteorologických podmínkách, kdy se liší reakce senzorů při nízkých nebo naopak vysokých teplotách (je patrný rozdíl mezi kvalitou měření v létě a v zimě). U senzorů měřících koncentrace suspendovaných (prachových) částic lze také identifikovat případy falešně zvýšených koncentrací vlivem vysoké vlhkosti vzduchu.
U některých senzorů se objevuje vzájemná interference (překrývání) podobných typů znečišťujících látek, kdy jedna látka uměle navyšuje koncentraci jiné látky měřené senzorem. Dále pak může v průběhu času docházet také k tzv. stárnutí senzoru, které lze pozorovat jako náhlé či systematické datové posuny.
Pro zajištění dostatečné kvality měření je tedy třeba především:
- znát technické parametry a limity konkrétního zařízení (např. rozsah měření),
- zvolit smysluplné umístění senzorů v terénu,
- provést srovnávací měření alespoň před měřicí kampaní a po měřicí kampani, při delším měření ideálně i v průběhu kampaně,
- zajistit doplňující meteorologické měření (alespoň venkovní teploty a vlhkosti vzduchu).
Protože však nízkonákladové senzory spadají do oblasti orientačního/indikativního měření, nepodléhají legislativním pravidlům předepisujícím nutnost ověřování kvality jejich měření. Existují pouze doporučené postupy vytvořené na základě empirických znalostí, které uživatelům navrhují, jak vhodně zacházet se senzorovými zařízeními, a to včetně kontroly a interpretace naměřených dat.
Jedním z takových dokumentů je doporučení pro nakládání s nízkonákladovými senzory vydané ČHMÚ v rámci projektu ARAMIS, kde jsou shrnuty dosavadní znalosti a zkušenosti se zaváděním těchto zařízení včetně postupu kontroly a korekce dat:
Zkušenosti s nízkonákladovými senzory byly dále prezentovány v rámci několika projektů
Mám zájem o měření nízkonákladovými senzory, co pro to mám dělat?
Co je potřeba zvážit, než se do měření pustíte? Na jaké otázky si musíte odpovědět?
Pokud zvažujete nákup senzorových zařízení, je třeba nejprve zvážit všechny přednosti i úskalí, která jsou s tímto typem měření spojena:
- malé rozměry
- nízká hmotnost
- snadná instalace a manipulace se zařízením
- nízké pořizovací náklady
- možnost vytvoření husté měřicí sítě
- měření v hůře dostupných místech
- možnost identifikace nových problémových míst
- využití dat v oblasti modelování kvality ovzduší
- vyšší detekční limity
- neschopnost kompenzace vlivu nepříznivých meteorologických podmínek
- limitovaná/chybějící možnost kalibrace
- životnost v průměru 1–2 roky
- náhodné posuny v datech
- různorodost kvality měření (i mezi jednotkami stejného typu senzoru)
- odlišná reakce senzorů při nízkých a vysokých koncentracích
- neschopnost zamezit vzájemné interferenci (překrývání) podobných typů znečišťujících látek
Pro zajištění smysluplného měření nízkonákladovými senzory je pak třeba si dále ujasnit několik základních otázek:
- Jaký je účel měření? Co chceme měřením zjistit?
- Máme dostatek technických informací o senzorech, které zamýšlíme pořídit?
- Máme dostatek financí nejen na nákup, ale také na provoz senzorů?
- Kam přesně budeme senzory instalovat, aby měření splnilo svůj účel?
- Jakým způsobem bude ověřena kvalita měření jednotlivých senzorů?
- Jak zajistíme správnou interpretaci naměřených dat?
Všechny tyto otázky jsou detailně popsané a vysvětlené v následujícím dokumentu:
