Наука и технологические разработки: статья

КОМПАКТНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ ДАТЧИКИ КОНЦЕНТРАЦИИ МИКРОЧАСТИЦ В ВОЗДУХЕ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ЦЕНТРЕ ГЕОФИЗИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ИДГ РАН
КРАШЕНИННИКОВ АЛЕКСЕЙ ВАДИМОВИЧ
ЛОКТЕВ ДМИТРИЙ НИКОЛАЕВИЧ
СОЛОВЬЕВ СЕРГЕЙ ПЕТРОВИЧ
СПИВАК АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ
Институт динамики геосфер им. академика М.А. Садовского РАН, 119334, Москва, Ленинский просп., д. 38, корп. 1
Журнал: Наука и технологические разработки
Том: 100
Номер: 3
Год: 2021
Страницы: 5-18
УДК: 550.8.04, 504.3.054
DOI: 10.21455/std2021.3-2
Ключевые слова: ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ, ПЫЛЬ, МЕЛКОДИСПЕРСНЫЕ ЧАСТИЦЫ, ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ
Аннотация: Разработан вариант методики проведения наблюдений за массовой концентрацией частиц PM2.5 и PM10 на основе платы Arduino UNO и лазерного датчика Sensirion SPS30. Построенный по такой методике измерительный комплекс был использован в рамках полевого эксперимента, а также при непрерывном наблюдении на стационарном пункте - Центре геофизического мониторинга г. Москвы ИДГ РАН. Приведены примеры вариаций наблюдаемых характеристик, которые свидетельствуют о возможности использования данного приборного комплекса в дополнение к уже существующим при наблюдении за геофизической обстановкой.
Список литературы: 1. Адушкин В.В., Соловьев С.П., Спивак А.А., Хазинс В.М. Геоэкологические последствия проведения горных работ на карьерах с применением взрывных технологий // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2020. № 2. С.164-178. DOI: 10.15372/FTPRPI20200219 EDN: XMIHMW

Контекст: ...Это наиболее важно в местностях, где могут возникать большие изменения при небольших пространственных масштабах, т.е. поблизости от мощных локальных источников частиц [Адушкин и др., 2020], или же это может использоваться для исследования неоднородностей в городской местности [Olivares, Edwards, 2015]...



2. Губанова Д.П., Беликов И.Б., Еланский Н.Ф., Скороход А.И., Чубарова Н.Е. Изменчивость приземной концентрации аэрозолей PM2.5 в г. Москве по наблюдениям в метеорологической обсерватории МГУ // Оптика атмосферы и океана. 2017. Т. 30, № 12. С.1033-1042. DOI: 10.15372/AOO20171206 EDN: ZXLZQT

Контекст: ...В качестве наиболее распространённых показателей загрязнённости атмосферы микрочастицами используются массовые концентрации взвешенных в воздухе твёрдых частиц мелкодисперсных фракций с размерами менее 2.5 мкм и менее 10 мкм - PM2.5 и PM10 соответственно [Li et al., 2015; Губанова и др., 2017]...



3. Спивак А.А., Кишкина С.Б., Локтев Д.Н., Рыбнов Ю.С., Соловьев С.П., Харламов В.А. Аппаратура и методики для мониторинга геофизических полей мегаполиса и их применение в Центре геофизического мониторинга г. Москвы ИДГ РАН // Сейсмические приборы. 2016а. Т. 52, № 2. С.65-78. EDN: WAZAFH

Контекст: ...Москвы, предназначенный для систематических исследований воздействия природных и техногенных факторов на среду обитания и инфраструктуру мегаполиса [Спивак и др., 2016а,б]...

...В нем проводятся наблюдения за сейсмическими колебаниями, электрическим и акустическим полями, а также метеорологическими параметрами атмосферы [Спивак и др., 2016б]...



4. Спивак А.А., Локтев Д.Н., Рыбнов Ю.С., Соловьев С.П., Харламов В.А. Геофизические поля мегаполиса // Геофизические процессы и биосфера. 2016б. Т. 15, № 2. С.39-54. EDN: WAYVSJ

Контекст: ...Москвы, предназначенный для систематических исследований воздействия природных и техногенных факторов на среду обитания и инфраструктуру мегаполиса [Спивак и др., 2016а,б]...

...В нем проводятся наблюдения за сейсмическими колебаниями, электрическим и акустическим полями, а также метеорологическими параметрами атмосферы [Спивак и др., 2016б]...



5. Ahn K.-H., Lee H., Lee H.D., Kim S.C. Extensive evaluation and classification of low cost dust sensors in laboratory using a newly developed test method // Indoor Air. 2019. V. 30, N 1. P.137-146. DOI: 10.1111/ina.12615

Контекст: ...Как показывают эксперименты [Ahn et al., 2019], точного измерения PM10 с помощью недорогих датчиков достичь сложно, и большинство исследователей рассматривают именно изменения PM2.5, имеющие у многих датчиков высокую корреляцию с данными прецизионных приборов...



6. Badura M., Batog P., Drzeniecka-Osiadacz A., Modzel P. Evaluation of Low-Cost Sensors for Ambient PM2.5 Monitoring // J. Sensors. 2018. V. 2018, Art. 5096540. P.1-16. DOI: 10.1155/2018/5096540

Контекст: ...Многие исследования по тестированию систем измерений показывают, что недорогие оптические датчики микрочастиц могут быть эффективными инструментами для мониторинга качества окружающего воздуха [Badura et al., 2018]...

...Тем не менее недорогие оптические датчики микрочастиц могут быть эффективным инструментом мониторинга качества окружающего воздуха, особенно при большом количестве точек измерения [Badura et al., 2018; Gramsch et al., 2020; Park et al., 2020; Phung et al., 2020]...



7. Bai L., Huang L., Wang Z., Ying Q., Zheng J., Shi X., Hu J. Long-term field evaluation of low-cost particulate matter sensors in Nanjing // Aerosol Air Qual. Res. 2020. N 20. P.242-253. DOI: 10.4209/aaqr.2018.11.0424

Контекст: ...Это влияние метеопараметров на точность показаний [Shao et al., 2017], зависимость сигнала рассеяния от массовой концентрации и возникающие вопросы калибровки [Li, Biswas, 2017], а также длительность беспрерывной работы без ущерба качеству измерений [Bai et al., 2020]...



8. Báthory C., Kiss M., Trohák A., Palotás A. Calculation methods of low cost particulate matter sensors // 4th Conference of the Hungarian Section of the Combustion Institute. 2018. DOI: 10.13140/RG.2.2.19886.56643

Контекст: ...На графиках зависимостей отношения величины PM10 к PM2.5 от концентрации PM2.5 у отдельных датчиков прослеживаются определённые тренды [Báthory et al., 2018], свидетельствующие о наличии некоторой встроенной функции пересчёта...



9. Báthory C., Kiss M., Trohák A., Dobó Zs., Palotas A. Reliability of particulate matter sensor operation during uncomfortable weather conditions // 9th European Combustion Meeting 2019. At: Lisbon, Portugal. 2019.

Контекст: ...Так, влажность и температура воздуха оказывают значительное влияние на получаемые на выходе концентрации микрочастиц [Hojaiji et al., 2017; Báthory et al., 2019; Tryner et al., 2020], что требует дополнительно проводить контроль погодных условий одновременно с измерениями...



10. Budde M., Masri R.E., Beigl M. Enabling low-cost particulate matter measurement for participatory sensing scenarios profile image // MUM'13: Proceedings of the 12th International Conference on Mobile and Ubiquitous Multimedia, 2013. N 19. P.1-10. 10.1145/2541831. 2541859. DOI: 10.1145/2541831.2541859

Контекст: ...Первые исследования качества воздуха с помощью недорогих компактных датчиков начались около 7 лет назад [Budde et al., 2013; Kumar et al., 2015]...



11. Hojaiji H., Kalantarian H., Bui A., King C., Sarrafzadeh M. Temperature and Humidity Calibration of a Low-Cost Wireless Dust Sensor for Real-Time Monitoring // 2017 IEEE Sensors Applications Symposium (SAS). IEEE Staff. 2017. P.1-19.

Контекст: ...Так, влажность и температура воздуха оказывают значительное влияние на получаемые на выходе концентрации микрочастиц [Hojaiji et al., 2017; Báthory et al., 2019; Tryner et al., 2020], что требует дополнительно проводить контроль погодных условий одновременно с измерениями...



12. Gramsch E., Morales L., Baeza M., Ayala C., Soto C., Neira J., Pérez P., Moreno F. Citizens' Surveillance Micro-network for the Mapping of PM2.5 in the City of Concon, Chile // Aerosol Air Qual. Res. 2020. V. 20, N 2. P.358-368. https://doi.org. DOI: 10.4209/aaqr.2019.04.0179

Контекст: ...Тем не менее недорогие оптические датчики микрочастиц могут быть эффективным инструментом мониторинга качества окружающего воздуха, особенно при большом количестве точек измерения [Badura et al., 2018; Gramsch et al., 2020; Park et al., 2020; Phung et al., 2020]...



13. Kumar P., Morawska L., Martani C., Biskos G., Neophytou M., Di Sabatino S., Bell M., Norford L., Britter R. The rise of low-cost sensing for managing air pollution in cities // Environ. Int. 2015. V. 75. P.199-205. DOI: 10.1016/j.envint.2014.11.019

Контекст: ...Первые исследования качества воздуха с помощью недорогих компактных датчиков начались около 7 лет назад [Budde et al., 2013; Kumar et al., 2015]...



14. Li J., Biswas P. Optical Characterization Studies of a Low-Cost Particle Sensor // Aerosol Air Qual. Res. 2017. V. 17, N 7. P.1691-1704. DOI: 10.4209/aaqr.2017.02.0085

15. Li Y., Chen Q., Zhao H., Wang L., Tao R. Variations in PM10, PM2.5 and PM1.0 in an urban area of the Sichuan basin and their relation to meteorological factors // Atmosphere. 2015. N 6. P.150-163. DOI: 10.3390/atmos6010150

16. Nakayma T., Matsumi Y., Kawahito K., Watabe Y. Development and evaluation of a palm-sized optical PM2.5 sensor // Aerosol science and technology. 2018. V. 52, N 1. P.2-12.

17. Olivares G., Edwards S. The Outdoor Dust Information Node (ODIN) - development and performance assessment of a low cost ambient dust sensor // Atmos. Meas. Tech. Discuss. 2015. N 8. P.7511-7533. DOI: 10.5194/amtd-8-7511-2015

Контекст: ...Это наиболее важно в местностях, где могут возникать большие изменения при небольших пространственных масштабах, т.е. поблизости от мощных локальных источников частиц [Адушкин и др., 2020], или же это может использоваться для исследования неоднородностей в городской местности [Olivares, Edwards, 2015]...

...Ещё одним важным преимуществом лазерных датчиков является малое энергопотребление, позволяющее им работать длительное время от аккумуляторной батареи [Olivares, Edwards, 2015]...



18. Park H.S., Kim R.E., Park Y.M., Hwang K.C., Lee S.H., Kim J.J., Choi J.Y., Lee D.G., Chang L.S., Choi W. The potential of commercial sensors for spatially dense short-term air quality monitoring based on multiple short-term evaluations of 30 sensor nodes in urban areas in Korea // Aerosol Air Qual. Res. 2020. V. 20, N 2. P.369-380. DOI: 10.4209/aaqr.2019.03.0143

Контекст: ...Тем не менее недорогие оптические датчики микрочастиц могут быть эффективным инструментом мониторинга качества окружающего воздуха, особенно при большом количестве точек измерения [Badura et al., 2018; Gramsch et al., 2020; Park et al., 2020; Phung et al., 2020]...



19. Phung N.K., Long N.Q., Tin N.V., Le D.T.T. Development of a PM2.5 Forecasting system integrating low-cost sensors for Ho Chi Minh City, Vietnam // Aerosol Air Qual. Res. 2020. V. 20, N 6. P.1454-1468. DOI: 10.4209/aaqr.2019.10.0490

Контекст: ...Тем не менее недорогие оптические датчики микрочастиц могут быть эффективным инструментом мониторинга качества окружающего воздуха, особенно при большом количестве точек измерения [Badura et al., 2018; Gramsch et al., 2020; Park et al., 2020; Phung et al., 2020]...



20. Shao W., Zhang H., Zhou H. Fine particle sensor based on multi-angle light scattering and data fusion // Sensors. 2017. V. 17, N 5. P.1033.1-15. DOI: 10.3390/s17051033

Контекст: ...Это влияние метеопараметров на точность показаний [Shao et al., 2017], зависимость сигнала рассеяния от массовой концентрации и возникающие вопросы калибровки [Li, Biswas, 2017], а также длительность беспрерывной работы без ущерба качеству измерений [Bai et al., 2020]...



21. Tryner J., Mehaffy J., Miller-Lionberg D., Volckens J. Effects of aerosol type and simulated aging on performance of low-cost PM sensors // J. Aerosol Sci. 2020. V. 150, Art. 105654. DOI: 10.1016/j.jaerosci.2020.105654

Контекст: ...Так, влажность и температура воздуха оказывают значительное влияние на получаемые на выходе концентрации микрочастиц [Hojaiji et al., 2017; Báthory et al., 2019; Tryner et al., 2020], что требует дополнительно проводить контроль погодных условий одновременно с измерениями...