La qualité des données recueillies par les capteurs d'air peut varier considérablement selon la conception du capteur. Plusieurs facteurs doivent être pris en compte lors de la sélection et de l'utilisation de ces capteurs pour collecter des mesures de qualité, notamment : la précision, le biais ou l'erreur systématique, la limite et la portée de détection, la courbe de réponse, le temps de réponse, la sélectivité et les interférences, la dérive et la décroissance.
Ci-dessous une description technique de chaque sujet et sa pertinence pour les applications de capteurs à faible coût. Bien sûr, ce qui sera montré est également valable pour d'autres types de capteurs, pas seulement pour les capteurs d'air : pensez, par exemple, aux capteurs pour la mesure de la radioactivité, de la qualité de l'eau, de la pollution sonore, de la pollution électromagnétique, etc.
Précision (ou erreur aléatoire)
La précision mesure la concordance entre des mesures répétées d'un même paramètre dans des conditions identiques ou sensiblement similaires. L'exactitude peut être exprimée en termes de ce que l'on appelle "l'écart type". La précision peut être considérée comme la dispersion introduite dans les données par des erreurs aléatoires (indéterminées) lorsqu'un instrument tente de mesurer plusieurs fois la même concentration d'un polluant.
La précision d'un capteur est importante car elle détermine la quantité de données nécessaires pour atteindre un niveau de qualité adapté à vos besoins. En fait, plus les données sont collectées fréquemment au cours d'une période donnée, plus vous avez confiance dans l'estimation de la concentration. La précision d'un instrument peut être améliorée en faisant la moyenne de plus de données brutes.
Par exemple, si les données d'une seconde sont sujettes à une erreur aléatoire importante, les données peuvent être regroupées en moyennes de 5 minutes de sorte que les erreurs aléatoires s'annulent. Le regroupement des données permettra de réduire le nombre de points de données individuels, mais les données regroupées seront plus précises (c'est-à-dire qu'elles auront un écart-type plus faible) et donneront potentiellement une meilleure représentation de la valeur réelle du polluant, à condition que les mesures soient impartiales.
La précision d'un instrument peut également être améliorée en faisant la moyenne des données fournies par plusieurs capteurs - plutôt qu'un seul - fonctionnant dans la même position. Il est concevable qu'un certain nombre de capteurs mesurant le même polluant puissent être utilisés sur le même site et qu'on puisse en faire la moyenne pour augmenter la précision de la mesure combinée.
Il n'existe pas de méthode unique et correcte pour estimer la précision d'un capteur. La précision peut être estimée à l'aide de diverses techniques statistiques utilisant une certaine dérivation de l'écart type. Par exemple, P = Cs / Cm (où P est la précision, Cs est l'écart-type des mesures et Cm est la valeur moyenne des mesures prises à une concentration donnée).
Biais (ou erreur systématique)
Le biais indique une distorsion moyenne systématique ou persistante d'un processus de mesure qui provoque des erreurs dans une direction donnée. Le biais peut être considéré comme une valeur fixe qui est toujours ajoutée ou soustraite à la valeur réelle du polluant par le capteur. La concentration réelle du polluant peut être établie par un moniteur de référence situé près du capteur.
Le biais est important car des mesures déformées, toujours dans la même direction, représentent de manière incorrecte la concentration réelle d'un polluant, produisant généralement des données qui sont régulièrement supérieures ou inférieures à la valeur réelle du polluant d'une quantité fixe. Cela est généralement dû à une caractéristique du capteur, à un problème avec la méthode de mesure générale ou à une erreur persistante que l'opérateur commet par inadvertance à chaque mesure.
Un biais est considéré comme une erreur déterminée (c'est-à-dire dont la cause est connue ou détectable) et peut être corrigé en recalibrant le capteur, en modifiant la méthode ou en corrigeant les procédures d'exploitation. La comparaison avec des instruments de haute performance - ou des capteurs qui fonctionnent selon un autre principe de mesure, ou un autre fabricant - peut être précieuse pour le détecter.
Il n'existe pas de méthode unique et correcte pour estimer le biais, ou l'erreur systématique. Un exemple de calcul du biais est : B = (C / CR)^-1, où B est le biais, C est la moyenne des mesures et CR est la concentration de référence, ou valeur réelle, du polluant. La confiance dans le calcul du biais augmente généralement avec le nombre de mesures.
Bien sûr, l'idéal est d'avoir un biais zéro, mais des valeurs de biais faibles peuvent également être acceptables. Le biais peut également changer en fonction des conditions environnementales (par exemple, la température et l'humidité), de la durée de vie du capteur ou d'autres facteurs. Il est donc recommandé de vérifier systématiquement le capteur, avec des calibrages fréquents et/ou des comparaisons avec d'autres capteurs.
Limite de détection (et portée)
La limite de détection du capteur est une autre mesure de performance importante à prendre en compte. Il s'agit de la concentration la plus faible qui peut être déterminée comme étant supérieure à zéro pour une mesure unique à un niveau de certitude donné. Il existe de nombreux types de limites de détection. L'une d'entre elles est souvent définie comme la confiance à 99 que la mesure n'est pas le bruit de l'instrument .
La limite de détection d'un capteur est importante car les polluants environnementaux peuvent souvent être présents en très faibles concentrations, en particulier lorsque les mesures sont prises loin de la source de la pollution. Pour être utiles, les capteurs doivent donc être capables de mesurer les polluants au-delà des plages de concentrations typiquement observées dans l'atmosphère.
Un instrument avec une limite de détection plus élevée peut être approprié près d'une source, mais un instrument avec une limite de détection beaucoup plus basse (plus capable de mesurer des concentrations plus faibles) peut être nécessaire loin des sources, dans des endroits où les concentrations de polluants se sont diluées. En fonction de la situation, un instrument peut donc avoir besoin ou non de bien mesurer à l'extrémité inférieure de la gamme de concentration.
Un capteur sera donc très utile lorsqu'il est capable de mesurer un polluant "cible" sur toute la gamme des concentrations que l'on trouve couramment dans l'atmosphère. Selon la proximité de la source de pollution, vous devez vous assurer - avant de prendre des mesures - que le capteur est précis à des concentrations très faibles ou très élevées.
Résumé de certains polluants atmosphériques courants et de leur fourchette prévue
La limite de détection est généralement fournie par le fabricant. Cependant, la limite de détection d'un capteur peut varier dans le temps, donc si vous mesurez régulièrement de très faibles concentrations, il est recommandé de mesurer souvent la limite de détection. Cela peut se faire en diluant le gaz de réglage de sensibilité jusqu'à ce que l'instrument ne puisse plus détecter de manière fiable le polluant concerné, ou en comparant les données avec celles d'un instrument de référence qui mesure les faibles concentrations de fond régionales.
Courbe de réponse
Une réponse "utile" du capteur consiste en une courbe de réponse unique pour chaque concentration mesurée. Cette réponse est appelée "augmentation monotone". En pratique, pour être utile, une courbe d'étalonnage ne doit qu'augmenter, ou seulement diminuer, et non faire les deux.
Les réponses des capteurs aux concentrations de polluants sont normalement corrélées à l'aide d'une équation mathématique et sont généralement à valeur unique (c'est-à-dire uniques pour chaque concentration de polluant) dans la région concernée. La réponse du capteur doit être quantifiable par une équation ; les polynômes, les lois de puissance ou les équations exponentielles sont tous acceptables.
Temps de réponse
Le temps de réponse est le temps nécessaire à un capteur pour répondre à un changement de concentration de polluant. Disposer d'un capteur qui réagit rapidement peut être particulièrement utile pour la surveillance mobile et pour observer les changements très rapides des concentrations de polluants. Et la durée et la fréquence de la mesure sont ajustées par le temps de réponse du capteur.
Un capteur qui répond lentement peut être plus adapté à la surveillance stationnaire de polluants dont la concentration varie progressivement. La plupart des fabricants caractérisent les temps de réponse des capteurs comme un moyen de comparer les spécifications entre les capteurs. Ils utilisent généralement "t90" pour les capteurs à réponse rapide et "t50" pour les capteurs à temps de réponse plus lent.
Le "t90" est défini comme le temps nécessaire pour que la réponse du capteur atteigne 90 la pollution ou la concentration standard qui est mesurée. Elle est mesurée en introduisant d'abord de l'air zéro dans le capteur, puis en envoyant soudainement un flux du polluant ou du niveau d'intérêt. De même, "t50" est le temps nécessaire pour que la réponse du capteur atteigne 50 ell polluants ou la concentration standard qui est mesurée.
Le temps de réponse d'un instrument à un gaz d'étalonnage
Sélectivité et interférence
La sélectivité est la capacité d'un capteur à répondre à un polluant particulier et non à d'autres polluants. C'est important car les capteurs sont plus utiles lorsqu'ils ne réagissent qu'à un seul polluant ou à plusieurs polluants d'intérêt. En ce qui concerne les instruments de haute qualité, les fabricants ont mis au point des techniques pour éliminer ou réduire ces préoccupations.
Cependant, l'air est composé d'une grande variété de composés chimiques et certains capteurs peuvent réagir simultanément aux polluants d'intérêt et à d'autres substances présentes dans l'air. Par exemple, certains capteurs de qualité de l'air qui mesurent l'ozone réagissent également aux changements des concentrations d'oxydes d'azote et de dioxyde de soufre, fournissant un signal trompeur.
L'interférence, en revanche, est un facteur qui entrave ou empêche la capacité d'un capteur à effectuer des mesures précises. En pratique, les capteurs peuvent réagir de manière significative à d'autres polluants ou à d'autres facteurs indissociables de la réponse au polluant cible. Par conséquent, avant d'utiliser un capteur pour surveiller la qualité de l'air, il convient d'envisager, de tester et, si possible, de réduire au minimum les interférences éventuelles du capteur.
Les interférences peuvent avoir un effet croissant ou décroissant sur le signal d'un capteur. De plus, un capteur peut répondre à plusieurs interférences simultanément. Les fabricants révèlent généralement les polluants et les paramètres météorologiques qui peuvent affecter la performance des capteurs, mais pas le facteur de réponse, qui serait utile pour déterminer l'importance de l'interférence.
Dérive et déclin
La dérive est un changement progressif de la réponse de l'instrument à un paramètre mesuré qui est quantitativement constant dans la réalité (c'est-à-dire à une concentration standard ou en l'absence d'air). La dérive des instruments est importante car elle peut amener un utilisateur à conclure de manière erronée que les concentrations de polluants ont augmenté ou diminué au fil du temps.
Le déplacement peut être positif (c'est-à-dire vers des valeurs plus élevées) ou négatif (vers des valeurs plus faibles) et peut être dû à plusieurs raisons. Par exemple, le capteur peut réagir à des changements de conditions météorologiques, à l'empoisonnement ou à la dégradation du capteur ou, dans le cas des capteurs optiques, à des sources de lumière qui deviennent moins puissantes ou moins efficaces avec le temps.
La figure ci-dessous montre un exemple de mesure du dioxyde d'azote (NO2) qui s'est atténué avec le temps. Une façon de surmonter la dérive est de calibrer fréquemment le capteur afin que l'instrument ne dérive qu'une petite quantité entre chaque recalibrage. La fréquence d'étalonnage requise dépendra bien sûr de l'ampleur de la dérive de l'instrument.
Une raison importante de la dérive possible du capteur est liée à sa dégradation, c'est-à-dire à une baisse permanente de ses performances due à plusieurs facteurs possibles. En général, cela signifie que le capteur perd sa capacité à effectuer des mesures significatives.
La dégradation du capteur est donc très importante : certains composés chimiques présents dans l'atmosphère peuvent réagir et endommager les capteurs de manière irréversible, limitant la capacité du capteur à répondre aux polluants d'intérêt comme il le faisait initialement. Notez que certains capteurs ont une date d'expiration, même s'ils ne sont jamais utilisés et sont dans leur emballage d'origine.
