La irrupción del Covid-19 en el mundo provocó que el interés sobre la CAI creciera de manera exponencial y, con ello, la instalación de dispositivos para medirla. La popularidad del conteo de PM ha atraído a muchos fabricantes y en la actualidad existen decenas de marcas de sensores de PM de bajo costo en el mercado, cuya precisión no siempre es la mejor. Conocer sus características y métodos de conteo es una forma de diferenciar entre los de baja calidad y los más avanzados y precisos
Por Julien Stamatakis
El material particulado (PM, por sus siglas en inglés) es un contaminante presente en el aire que recientemente ha cobrado mayor atención, debido a sus efectos negativos sobre la salud. Esto se debe a que el PM con medidas de 10μm o menores pueden ingresar al sistema respiratorio y provocar diversas enfermedades.
Lo cierto es que la mayoría de la investigación acerca de los niveles de concentración peligrosos se ha realizado en relación con la exposición al aire exterior; por ello, existen pocas investigaciones en relación con los ambientes interiores, a los que, además, se les ha puesto poca atención, pero donde la mayoría de las personas pasa entre 80 y 90% de su tiempo.
Si bien la preocupación por la salud y su vínculo con la calidad de aire interior (CAI) en edificios, tanto residenciales como comerciales, cobró una relevancia inusitada como resultado de la emergencia sanitaria por Covid-19, el muestreo de PM se ha llevado a cabo desde la década de 1960; no obstante, en años recientes, la llegada del Internet de las Cosas (IoT, por sus siglas en inglés) ha popularizado los sensores de PM de bajo costo, integrados en los monitores de CAI.
La realidad sobre este tipo de sensores es que aún se encuentran en sus inicios y son mucho menos precisos que los equipos de laboratorio más costosos. Sin embargo, debido a que operan en tiempo real y son de bajo costo, ayudan a que las personas entiendan la composición del aire que respiran. Este conocimiento contribuye a que las personas tengan la certeza de que habitan espacios donde se han tomado las medidas necesarias para hacerlos tan seguros como sea posible.
Los equipos más costosos utilizan métodos como la determinación de la masa gravimétrica, los cuales observan la masa de las partículas filtradas de diferentes tamaños durante un determinado periodo de tiempo. Por otro lado, los sensores de PM en tiempo real de bajo costo utilizan técnicas de dispersión de luz, que pueden brindar un grado de precisión y exactitud similar, pero no en las versiones miniatura que se encuentran en los sensores de bajo costo.
Para lograr la portabilidad y la rentabilidad de los sensores, los fabricantes simplifican los diseños, lo cual impacta directamente en la precisión y la exactitud de los datos brindados. Desafortunadamente, las fichas técnicas no suelen documentar estas decisiones de manera muy fidedigna, sino que se enfocan en lenguaje de marketing llamativo, como “medimos el tamaño de partículas más pequeño que un sensor puede detectar”, lo cual confunde a la mayoría de los usuarios.
En otras palabras, las decisiones de diseño tienen implicaciones en la calidad de los datos. Por ejemplo, la dispersión de luz se basa en las reacciones de la luz ante la interacción con partículas de diferentes tamaños. Dentro del sensor, un diodo luminoso emite luz. Cuando las partículas cruzan el sensor, interactúan con la luz y la desvían en función de su tamaño. La luz dispersada interactúa entonces con un fotodetector que determina el tamaño de las partículas, con base en la intensidad de las señales medidas a través del procesamiento de señales y algoritmos de clasificación.
Con base en este proceso, los sensores miden la cantidad de partículas por unidad de volumen (número de concentración) y la convierten en concentración de masa, con base en estimaciones de la masa de partículas. Dado que se asume que las partículas son esféricas, su masa crece a la tercera potencia de su diámetro, lo que significa que las partículas más grandes impactarán en mayor medida en el total de masa computada.
Flujo de aire
Antes de que las partículas se coloquen frente al láser, tienen que fluir desde la habitación hasta la cámara del láser a través de la entrada del sensor. Esto se logra utilizando un ventilador o una bomba dentro del sensor. Tanto la fuerza del ventilador/bomba como la trayectoria del flujo de aire dentro del sensor afectarán el tamaño de las partículas que llegan hasta el láser.
Algunas fichas técnicas no mencionan la tasa de flujo, en cuyo caso probablemente es baja (tan baja como 0.003 CFM) y no será capaz de llevar partículas suficientemente pesadas de manera eficaz hacia el interior del sensor. Por otro lado, los sensores más avanzados mencionan tasas de flujo de 0.1 CFM o superiores. El paso del aire también es importante, pues los ángulos rectos podrían bloquear partículas más pesadas.
Ángulo de dispersión
La intensidad de la luz medida por el detector se utiliza para estimar el tamaño de la partícula que cruzó el haz del láser. Esta intensidad no es lineal con el tamaño de la partícula, sino que también depende del ángulo entre el láser y el detector, del tipo de partícula y de la longitud de onda del láser. Si el ángulo es de entre 150º y 170º, una partícula de 4μm tendrá la misma intensidad que una partícula de 2μm y el sensor no será capaz de diferenciar el tamaño real de la partícula.
La mayoría de los sensores de bajo costo usan un ángulo de 90º, debido a que es el más simple y rentable. Los sensores más avanzados usan dos láseres o dos detectores en ángulos diferentes, lo cual mejora considerablemente la categorización adecuada del tamaño de las partículas. Otros dispositivos más costosos emplean espejos para enfocar la luz, lo cual los hace más precisos, pero requieren un mantenimiento periódico, debido a que los espejos se ensucian con el tiempo.
Longitud de onda del láser
Debido a las ecuaciones subyacentes que definen el comportamiento de la dispersión de la luz, la longitud de onda del láser tiene que ser proporcional al diámetro de la partícula. En los sensores de PM de bajo costo, por lo general, se usa un láser rojo (longitud de onda de ~660nm o 0.66μm). La detección óptima de partículas es de 1x a 10x la longitud de onda del láser, lo que significa que medirá las partículas que tengan dimensiones entre 0.66μm y 6.6μm. Ésta es la razón por la que los sensores de PM de bajo costo se limitan a partículas de 0.3μm; incluso si cuentan con un buen procesamiento de señal no serán capaces de detectar partículas por debajo de ese tamaño.
Los sensores que anuncian que pueden llevar el conteo de partículas de menor tamaño por lo regular sólo lo estiman por extrapolación, no porque realmente el conteo se esté llevando a cabo. Los láseres azules con una longitud de onda de 450nm son capaces de detectar partículas de hasta 0.15-0.20μm, pero no son tan eficaces contando partículas de tamaño mayor. La mejor luz para este tipo de funciones es la luz blanca, debido a que cuenta con todas las longitudes de onda de los diferentes colores, pero estos láseres son extremadamente costosos.
Compensación de humedad
Los niveles de humedad superiores a 70% impactan en el conteo de partículas, debido a que éstas se vuelven pegajosas y las más pequeñas se adhieren entre sí, provocando que los sensores las contabilicen como una partícula más grande. Por ello, es importante asegurarse de que el sensor cuenta con un proceso de secado de partículas, antes de que éstas crucen frente al láser. Además, las partículas húmedas también se adhieren al interior del sensor y, con el paso del tiempo, lo taponan en ambientes húmedos, como cuando se muestrea aire exterior o de suministro.
Precisión del sensor
Debido a que los sensores de PM de bajo costo recurren a muchas suposiciones en sus cálculos, los fabricantes por lo general los calibran contra instrumentos de referencia, con base en condiciones ambientales específicas. La mayoría de las fichas técnicas de los sensores de PM no mencionan qué tan precisos son en el conteo de partículas, sino qué tanto se desvían de un instrumento de referencia tras ser calibrados. Cada fabricante tiene su propia forma de reportar la precisión del dispositivo. La ficha técnica también menciona la desviación del sensor con el paso del tiempo, ya que estos sensores de PM de bajo costo no pueden recalibrarse.
Los sensores más avanzados mencionan su eficiencia de conteo ante partículas de diferentes tamaños, lo que significa que no se basan, o lo hacen menos, en la calibración contra instrumentos de referencia.
Conclusión
Durante los últimos años, la popularidad del conteo de PM ha atraído a muchos fabricantes y en la actualidad existen decenas de marcas de sensores de PM de bajo costo en el mercado. No obstante, no existe una forma fácil de diferenciar entre sensores de PM de baja calidad y sensores más avanzados y precisos.
Los proveedores de monitores de CAI que integran estos sensores en productos finales, por lo general, no entienden cómo funcionan realmente los sensores y utilizan los más baratos del mercado. Es importante que los usuarios pregunten a su proveedor qué sensores usan, para asegurarse de que la información que observen en los monitores sea precisa.
Es importante que los usuarios pregunten a su proveedor qué sensores usan, para asegurarse de que la información que observen en los monitores sea precisa
En un esfuerzo para brindar algo de claridad al mercado sobre los sensores de PM de bajo costo, organizaciones como AQ-SPEC (Air Quality Sensor Performance Evaluation Center) realizan pruebas a los sensores continuamente, tanto en el laboratorio como en campo. En este sentido, sólo los sensores que cuentan con campo alto R2 (entre más cerca están del 1, más cerca están de la información de un instrumento de referencia) deben usarse.
La tecnología utilizada en el conteo de PM de bajo costo evoluciona continuamente. Sensores más nuevos y más precisos se lanzan al mercado conforme la tecnología evoluciona, pero integrarlos en los productos finales de monitoreo de CAI es costoso. Por ello, asegurarse de que el monitor de CAI utiliza los mejores sensores es crucial para cualquier estrategia de monitoreo, a fin de realmente tener la certeza de que la información observada es precisa y refleja la calidad real del aire que se respira.
