Utilização de sensores de baixo custo na medição de monóxido de carbono no ar ambiente

Nos últimos anos tem-se assistido à introdução de novos dispositivos de medição da poluição do ar baseados na utilização de sensores de baixo custo. A utilização menos complexa destes sistemas, possibilita a obtenção de dados com elevada resolução temporal e espacial, abrindo novas oportunidades para diferentes metodologias de estudos de monitorização da poluição do ar. Apesar de apresentarem capacidades analíticas distantes dos métodos de referência, a utilização destes sensores tem sido sugerida e incentivada pela União Europeia no âmbito das medições indicativas previstas na Diretiva 2008/50/CE, com uma incerteza expandida máxima de 25%. O trabalho desenvolvido no âmbito da disciplina de Projeto consistiu na escolha, caracterização e utilização em medições reais de um sensor de qualidade do ar, integrado num equipamento protótipo desenvolvido com esse fim, visando obtenção uma estimativa da incerteza de medição associada à utilização deste dispositivo através da aplicação da metodologia de demonstração de equivalência de métodos de medição de qualidade do ar definida pela União Europeia. A pesquisa bibliográfica realizada permitiu constatar que o monóxido de carbono é neste momento o parâmetro de qualidade do ar que permite ser medido de forma mais exata através da utilização de sensores, nomeadamente o sensor eletroquímico da marca Alphasense, modelo COB4, amplamente utilizado em projetos de desenvolvimento neste cotexto de monitorização ambiental. O sensor foi integrado num sistema de medição com o objetivo de poder ser utlizado em condições de autonomia de fornecimento de energia elétrica, aquisição interna dos dados, tendo em consideração ser o mais pequeno possível e de baixo custo. Foi utlizado um sistema baseado na placa Arduino Uno com gravação de dados em cartão de memória SD, baterias e painel solar, permitindo para além do registo das tensões elétricas do sensor, a obtenção dos valores de temperatura, humidade relativa e pressão atmosférica, com um custo global a rondar os 300 euros. Numa primeira fase foram executados um conjunto de testes laboratoriais que permitiram a determinação de várias características de desempenho em dois sensores iguais: tempo de resposta, a equação modelo do sensor, avaliação da repetibilidade, desvio de curto e longo termo, interferência da temperatura e histerese. Os resultados demonstraram um comportamento dos sensores muito linear, com um tempo de resposta inferior a um minuto e com uma equação modelo do sensor dependente da variação da temperatura. A estimativa da incerteza expandida laboratorial ficou, para ambos os sensores, abaixo dos 10%. Após a realização de duas campanhas reais de medição de CO em que os valores foram muito baixos, foi realizada uma campanha de quinze dias num parque de estacionamento subterrâneo que permitiu a obtenção de concentrações suficientemente elevadas e a comparação dos resultados dos sensores com o método de referência em toda a gama de medição (0 a 12 mol.mol-1). Os valores de concentração obtidos pelos dois sensores demonstraram uma excelente correlação com o método de referência (r2≥0,998), obtendo-se resultados para a estimativa da incerteza expandida de campo inferiores aos obtidos para a incerteza laboratorial, cumprindo o objetivo de qualidade de dados definido para as medições indicativas de incerteza expandida máxima de 25%. Os resultados observados durante o trabalho realizado permitiram confirmar o bom desempenho que este tipo de sensor pode ter no âmbito de medições de poluição do ar com um caracter mais indicativo.

Recent years have seen the introduction of new instruments for measuring air pollution based on the use of low cost sensors. The use of these less complex systems has made it possible to obtain high resolution spatial and temporal data, opening up new opportunities for new methods of study of air pollution monitoring. Despite having shown analytical capabilities considerably below those of the recognised referential methods, the use of these sensors have been suggested and encouraged by the European Union for the indicative measurements recommended by Directive 2008/50/CE, with a maximum expanded uncertainty of 25%. Work carried out for the Project subject consisted on the choice, characterisation and use, in real measurements, of an air quality sensor, in order to obtain an estimate of the uncertainty in measurements associated with the use of this instrument, by applying a demonstrative methodology of the equivalent measurement methods of air quality, as defined by the European Union. Bibliographic research revealed that carbon monoxide is, up to this moment, the air quality parameter which can be most exactly measured through the use of sensors, namely the electrochemical sensor of the brand Alphasense, model CO-B4, widely used in development projects in this context of environmental monitoring. The sensor was incorporated into a measurement system with the aim of being self-sufficient in terms of electrical power source and internal acquisition of data, whilst taking into consideration that it should be as small as possible and of low cost. The system used was based on the Arduino Uno board, with data recordings onto an SD memory card, batteries with solar panel, allowing for the registration of sensor voltages, temperature readings, relative humidity and atmospheric pressure. During the first phase, a series of laboratory tests were carried out with two identical sensors, which made it possible to define various performance characteristics: response time, model equation of the sensor, evaluation of repeatability, short and long term deviation, temperature interference and hysteresis. The results showed that the behaviour of the sensors was very linear, with a response time below one minute and with the model equation of the sensor being dependant on temperature variation. The estimate of the laboratorial expanded uncertainty was below 10% for both sensors. Following two real CO measurement campaigns, in which readings were very low, a fifteen day campaign was carried out in an underground car park, which made it possible to obtain sufficiently high concentrations and a comparison of results with the reference method for the whole measurement scale (0 to 12 mol.mol-1). Concentration readings obtained by the sensors show an excellent correlation with the reference method (r2≥0,998), producing results for estimated expanded uncertainty in the field below those obtained for laboratorial uncertainty, thus complying with the objective for the quality of data, set at a maximum of 25% expanded uncertainty for the indicative measurements. Results, observed during this work, made it possible to confirm the good performance that this type of sensor can produce in relation to air pollution measurements with a more indicative character.