Opportunities and limitations of aerosol sensors to urban air quality monitoring
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2020-05-29
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2020
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
70 + app. 75
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 61/2020
Abstract
Atmospheric particles are one of the leading mortality risk factors in the global burden of disease analysis. The association between particulate mass of particles smaller than 2.5 μm in diameter (PM2.5) and cardiovascular and pulmonary diseases has been characterized by multiple epidemiological studies, and varying estimates suggest that several million premature death occur globally each year due to PM2.5 exposure. Mitigation of the adverse health effects of particulate matter requires comprehensive understanding of their sources and dynamic processes, such as spatial dispersion. Recent emergence and development of aerosol sensors, which are typically characterized as small, relatively low cost and easy to use, have enabled new opportunities in air quality monitoring. As a result of their practical convenience, sensors can be deployed to the field in high quantities which, consequently, enables network-type, spatially comprehensive measurements. However, with more simplified and less expensive measurement approach, less accurate and reliable results may be expected. This study aimed to evaluate and characterize the accuracy and usability of aerosol sensor to urban air quality measurements. The investigation focused on two of the most prominent measurement techniques applicable to sensor type monitoring; optical and diffusion charging-based techniques. Sensors utilizing optical technique were evaluated in laboratory and field studies for their error sources and particle size-selectivity, specifically. Diffusion charging-based sensors, which measure lung deposited surface area of particles, were evaluated in the field for their suitability to measure combustion emitted particles, such as vehicular exhaust and residential wood combustion emissions. Results of the study indicated that optical aerosol sensors are unlikely to be fit for long-term regulatory monitoring. The main issues preventing this arise from their improper calibration which poses a significant risk of data misinterpretation; none of the laboratory evaluated sensors measured particle sizes which their technical specifications implied. On the other hand, field tests showed that when the measured size fraction was targeted to match the true detection range of the sensor, highly accurate and repeatable results were obtained. This implies that, while the usability of optical sensors is limited in their current form, the concept and vision of a sensor driven air quality monitoring network remains valid and achievable. In comparison to optical sensors, diffusion charging-based sensors were found to be more mature in terms of their technological development. The evaluated sensors exhibited accurate and stable performance throughout the test campaigns and were shown to be particularly well-suited the measurement of combustion emitted particles. As optical methods cannot be used to measure ultrafine particles reliably, and particles emitted from combustion sources have a significant contribution to air quality, diffusion charger sensors would be a valuable addition to be used alongside the typically used measurement techniques, such as the optical based.Ilmakehän pienhiukkaset ovat yksi keskeisimmistä kuolleisuuden riskitekijöistä kansainvälisessä taudin rasittavuuden analyysissä. Useat epidemiologiset tutkimukset ovat osoittaneet pienhiukkasten ja sydän- ja verisuoni- sekä hengitystiesairauksien yhteyden, ja eri arvioiden mukaan useita miljoonia ennenaikaisia kuolemia tapahtuu joka vuosi pienhiukkasaltistumisen seurauksena. Jotta pienhiukkasten negatiivisiin terveysvaikutuksiin voitaisiin vaikuttaa, tulee niiden lähteet ja dynaamiset prosessit, kuten alueellinen leviäminen, tuntea hyvin. Viimeaikainen aerosolisensoreiden esilletulo ja kehittyminen ovat avanneet uusia mahdollisuuksia ilmanlaadun seurantaan. Sensorit, jotka ovat tyypillisesti pienikokoisia, suhteellisen edullisia ja helppokäyttöisiä, mahdollistavat alueellisesti kattavien sensoriverkkomittausten toteuttamisen ja siten pienhiukkasten tarkemman tutkimisen. Sensoreiden edullisempi ja siten yksinkertaisempi mittaustekniikka saattaa toisaalta johtaa suurempaan mittausepätarkkuuteen ja huonompaan laatuun. Tämän työn tavoitteena oli arvioida ja luonnehtia aerosolisensoreiden tarkkuutta ja soveltuvuutta kaupunkialueiden ilmanlaadun seurantaan. Tutkimus keskittyi kahteen mittaustekniikkaan, jotka ovat parhaiten sovellettavissa sensorityyppisiin mittauksiin; optiseen ja diffuusiovarautumiseen perustuvaan tekniikkaan. Optisia sensoreita testattiin sekä ulkoilmassa että laboratoriossa, missä niiden hiukkaskokovalikoivuutta arvioitiin tutkimalla sensorin vastetta keinotekoisesti tuotetuilla referenssihiukkasilla. Diffuusiovarautumiseen perustuvia sensoreita, jotka mittaamat niin kutsuttua keuhkodeposoituvaa pinta-ala, testattiin ulkoilmassa, missä niiden suorituskykyä arvioitiin erityisesti nanohiukkasten, kuten liikenteen pakokaasun sekä puunpolton päästöjen, näkökulmasta. Tutkimustulosten perusteella optiset aerosolisensorit eivät todennäköisesti ole soveltuvia pitkäaikaiseen viranomaisvalvonnassa tehtävään ilmanlaadun seurantaan. Tämä johtuu niiden virheellisestä kalibroinnista, jonka seurauksena sensorit eivät mittaa hiukkaskokoluokkia, joita niiden tekniset tuoteselosteet antavat olettaa. Riski mittausdatan väärin tulkinnalle on täten ilmeinen. Toisaalta, kun mitattu hiukkasten kokojakauma rajattiin vastaamaan sensorin ominaista vastealuetta, sensorin mittaustarkkuus oli hyvä ja toistettava. Tämän perusteella, vaikkakin virheellinen kalibrointi rajoittaa optisten sensoreiden käytettävyyttä, konsepti ja visio sensoripohjaisesta mittausverkosta on mahdollinen ja saavutettavissa. Diffuusiovarautumiseen perustuvat sensorit osoittivat olevan teknisesti kehittyneempiä kuin optiset sensorit. Testatut sensorit olivat tarkkoja ja stabiileja kaikissa kenttämittauskampanjoissa, ja ne olivat erityisen hyvin soveltuvia liikenteen pakokaasujen sekä puunpolton mittaukseen. Kun optiset mittausmenetelmät soveltuvat huonosti ultrapienten hiukkasten mittaamiseen, ja kaupunki-ilmanlaatu on kuitenkin vahvasti riippuvainen näistä hiukkasista, olisi diffuusiovaraukseen perustuvat sensorit arvokas lisä tyypillisesti käytettyjen, kuten optisten, mittaustekniikoiden rinnalle.Description
The public defense on 29th May 2020 at 12:00 will be organized via remote technology.
Link: https://aalto.zoom.us/j/66888988207
Zoom Quick Guide: https://www.aalto.fi/en/services/zoom-quick-guide
Supervising professor
Tammi, Kari, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, FinlandThesis advisor
Timonen, Hilkka, Dr., Finnish Meteorological Institute, FinlandAurela, Minna, Dr., Finnish Meteorological Institute, Finland
Keywords
urban air quality, particulate matter, aerosol sensor, kaupunki-ilmanlaatu, pienhiukkaset, hiukkassensori
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Kuula, Joel; Mäkelä, Timo; Hillamo, Risto; Timonen, Hilkka. Response characterization of an in inexpensive aerosol sensor. Sensors, 2017, volume 17, issue 12.
DOI: 10.3390/s17122915 View at publisher
-
[Publication 2]: Kuula, Joel; Mäkelä, Timo; Aurela, Minna; Teinilä, Kimmo; Varjonen, Samu; González, Óscar; Timonen, Hilkka. Evaluation of particle size-selectivity of optical low-cost particulate matter sensors. Submitted to the Journal of Atmospheric Measurement Techniques in the year 2019.
DOI: 10.5194/amt-2019-422 View at publisher
-
[Publication 3]: Kuula, Joel; Kuuluvainen, Heino; Rönkkö, Topi; Niemi, Jarkko V.; Saukko, Erkka; Portin, Harri; Aurela, Minna; Saarikoski, Sanna; Rostedt, Antti; Timonen, Hilkka. Applicability of optical and diffusion charging-based particulate matter sensors to urban air quality measurements. Aerosol and Air Quality Research, 2019, volume 19, issue 5, pages 1024-1039.
DOI: 10.4209/aaqr.2018.04.0143 View at publisher
-
[Publication 4]: Kuula, Joel; Kuuluvainen, Heino; Niemi, Jarkko V.; Saukko, Erkka; Portin, Harri; Kousa, Anu; Aurela, Minna; Rönkkö, Topi; Timonen, Hilkka. Long-term sensor measurements of lung deposited surface area of particulate matter emitted from local vehicular and wood combustion sources. Aerosol Science and Technology, 2019, volume 53, issue 11.
DOI: 10.1080/02786826.2019.1668909 View at publisher