¿Cómo determinar la precisión de los sensores de calidad del aire?

Según un estudio, más del 8% de las enfermedades en el mundo fueron causadas por la mala calidad del aire en 2021, y desde entonces, esta cifra ha ido en aumento. Por lo tanto, el primer paso en las medidas preventivas consiste en medir la calidad del aire que respiramos. Esto se puede lograr con un monitor ambiental integrado, también conocido como sensor de calidad del aire .

Los sensores de calidad del aire miden la calidad del aire que respiramos. Estos dispositivos compactos detectan impurezas o contaminantes presentes en el aire, como dióxido de carbono (CO₂), dióxido de nitrógeno (NO₂), monóxido de carbono (CO) y partículas finas (PM2.5 y PM10). Gracias a estas mediciones, es posible monitorizar la calidad del aire en hogares, empresas, zonas industriales y ciudades inteligentes para obtener información sobre los contaminantes presentes en el ambiente y su concentración, de modo que se puedan tomar medidas preventivas para mejorar la calidad de la respiración, la salud pública, la seguridad ambiental y la calidad de vida en general.

Instalar sensores de calidad del aire y obtener lecturas no es tan sencillo. Todo depende de la precisión y fiabilidad de los datos que proporciona el sensor. Cuanto más precisos y fiables sean los datos, mayor será la probabilidad de implementar estrategias de control de la contaminación que influyan en la planificación urbana general, mantengan la seguridad laboral y garanticen que todos respiren aire de calidad. Incluso las más mínimas imprecisiones en las lecturas de la calidad del aire pueden afectar la formulación de políticas y la toma de decisiones, lo que puede acarrear riesgos innecesarios para la salud.

En este artículo, abordaremos todos los factores que pueden afectar la precisión del sensor, cómo funcionan y las mejores prácticas para garantizar que el sensor de calidad del aire siga brindando resultados precisos.

Comprensión de los sensores de calidad del aire

En cuanto a los sensores de calidad del aire, existen diferentes tipos que pueden medir diversos parámetros, lo que permite comprender qué sensores se adaptan mejor a las distintas necesidades de monitoreo y entornos. Analicemos los diferentes tipos de sensores de calidad del aire y los parámetros que pueden medir.

▪ Tipos de sensores de calidad del aire

Existen diversos tipos de sensores de calidad del aire diseñados para adaptarse a las necesidades de monitoreo y al entorno. Los sensores para interiores, generalmente de tamaño compacto, se centran en el monitoreo de factores como el CO₂, los COV (compuestos orgánicos volátiles) y la humedad para determinar si la calidad del aire interior es saludable para respirar y, así, tomar las medidas preventivas o de seguridad necesarias.

Por otro lado, los sensores para exteriores están diseñados para soportar condiciones ambientales más adversas, como polvo, viento, lluvia y fluctuaciones de temperatura. También pueden medir una amplia gama de contaminantes, como PM2.5, PM10, NO₂ y CO, que proporcionan datos vitales para tomar medidas que mejoren la calidad del aire urbano y para asesorar a las agencias ambientales. Las diferencias de diseño más comunes entre ambos tipos de sensores son las carcasas resistentes a la intemperie, una mayor durabilidad y sistemas de calibración avanzados.

▪ Parámetros medidos por sensores de calidad del aire

Los parámetros que suelen medir los sensores de calidad del aire proporcionan información valiosa a las redes urbanas de monitoreo de la calidad del aire y a las agencias ambientales para rastrear contaminantes como las partículas finas (PM2.5 y PM10) presentes en el aire, que tienen un impacto directo en la salud respiratoria y los problemas respiratorios. Estos sensores pueden detectar gases nocivos en el aire, como CO₂, CO, NO₂, SO₂ y O₃, que indican emisiones por combustión, tráfico o emisiones industriales. Algunos sensores avanzados también pueden identificar compuestos orgánicos volátiles (COV), cruciales en los sensores de interiores, ya que sugieren la contaminación del aire interior por el uso excesivo de pinturas, productos de limpieza o mobiliario. Además, los sensores de calidad del aire, especialmente los utilizados en exteriores, miden la temperatura y la humedad para garantizar que estos factores se tengan en cuenta al calcular las lecturas de calidad del aire y así asegurar su precisión.

Importancia de la precisión de los sensores en la monitorización de la calidad del aire

La calidad del aire no puede mejorarse si no se dispone de mediciones ni información sobre su verdadero estado. Por lo tanto, tanto en interiores como en exteriores, contar con un sensor de calidad del aire preciso es fundamental para monitorizarla y tomar medidas en función de la información que proporciona.

Gracias a las lecturas que proporcionan los sensores de calidad del aire, los gobiernos y las organizaciones pueden emitir alertas sanitarias y avisos oportunos para reducir las emisiones y aplicar políticas de control de la contaminación que ayuden a controlar los contaminantes en el aire. Estos sensores no solo ofrecen información valiosa sobre la calidad del aire, sino que también son de gran utilidad para que las personas tomen decisiones informadas, como ajustar sus actividades al aire libre o la ventilación para garantizar una mejor calidad de vida.

El monitoreo de la calidad del aire es crucial, pero si las lecturas de los sensores son inexactas, pueden causar problemas mucho mayores. Las lecturas inexactas pueden generar falsas alarmas, lo que conlleva un desperdicio de recursos o pánico innecesario entre la población. Además, si los niveles de contaminación no se reportan correctamente, las personas pueden estar expuestas a niveles dañinos de contaminación sin previo aviso, lo que representa un riesgo mayor. En entornos urbanos o industriales, la falta de precisión en las lecturas puede provocar que las empresas incumplan las normas de calidad del aire, poniendo en riesgo a quienes trabajan en esas condiciones. En resumen, garantizar la precisión de los sensores es fundamental para mejorar la calidad de vida de las personas y contribuye de manera decisiva a lograr entornos más limpios y comunidades más saludables en todo el mundo.

Factores que influyen en la precisión del sensor

Diversos factores pueden afectar directa o indirectamente la precisión de las lecturas del sensor, y su identificación es crucial para realizar los ajustes necesarios y garantizar que los sensores de calidad del aire proporcionen lecturas precisas. Analicemos algunos de los factores comunes que influyen en la precisión del sensor.

★ Condiciones ambientales

Los sensores de calidad del aire son muy sensibles, por lo que las lecturas pueden verse afectadas por las condiciones ambientales cambiantes, como la temperatura, la humedad y la presencia de gases interferentes. Las temperaturas extremas, ya sean demasiado bajas o demasiado altas, pueden afectar directamente el tiempo de respuesta del sensor. Asimismo, las variaciones en la humedad pueden provocar condensación o reacciones químicas en la atmósfera que pueden alterar las lecturas. Además, los gases presentes en el entorno cercano a los sensores, aunque no sean detectados por estos, pueden causar interferencias, lo que genera datos inexactos.

★ Tecnología y diseño

No todos los sensores son iguales y pueden presentar diferencias en su tecnología y diseño. Algunos sensores son capaces de proporcionar lecturas estables y precisas gracias a tecnologías avanzadas como la NDIR para CO₂ o la dispersión láser para partículas. Otros sensores cuentan con un diseño que resiste la humedad y las condiciones climáticas adversas para ofrecer lecturas estables y precisas, lo que los hace ideales para obtener mediciones fiables a largo plazo en diversas aplicaciones de monitorización de la calidad del aire.

★ Necesidades de mantenimiento y calibración

Con el tiempo, los sensores se desvían de las calibraciones reales debido al entorno, el envejecimiento y la acumulación de contaminantes. Por ello, la calibración y el mantenimiento regulares son imprescindibles para garantizar que las lecturas se ajusten a las condiciones reales y a los estándares de referencia. Para asegurar que su sensor de monitoreo de la calidad del aire siga proporcionando resultados precisos, limpie siempre las entradas del sensor, verifique las lecturas comparándolas con las concentraciones reales de gas y realice una recalibración programada si observa que las lecturas se desvían de los valores reales, garantizando así resultados fiables para un monitoreo continuo de la calidad del aire.

Métodos para evaluar la precisión de los sensores

Existen varios métodos para evaluar la precisión de un sensor. A continuación, identificamos algunos de ellos para ayudarle a determinar la precisión del sensor y calibrarlo en consecuencia.

1. Pruebas de laboratorio

Uno de los métodos principales para probar y verificar la precisión de los sensores de monitoreo de la calidad del aire son las pruebas de laboratorio. En un entorno controlado, los sensores se exponen a cantidades conocidas de contaminantes como CO₂, NO₂, CO o PM2.5, y se registran sus lecturas. Estas lecturas se comparan con la concentración original de contaminantes para detectar desviaciones de los valores estándar. Posteriormente, se realizan los ajustes necesarios antes de la instalación para garantizar la precisión de los resultados. Las pruebas de laboratorio son ideales para las pruebas iniciales, ya que se llevan a cabo en entornos controlados, lo que las hace suficientes para calibrar los sensores de calidad del aire interior.

2. Comparaciones de campo y colocalización

A diferencia de las pruebas de laboratorio, que se realizan en entornos controlados, las comparaciones de campo y las técnicas de colocalización se llevan a cabo en condiciones ambientales reales. Las pruebas de campo son cruciales para los sensores de calidad del aire exterior, ya que permiten evaluar su consistencia, la correlación con los valores reales de las estaciones de monitoreo de referencia que utilizan instrumentos de alta precisión, y la posible deriva debida a las condiciones climáticas exteriores, como la variabilidad meteorológica y la contaminación. Mediante las pruebas de campo, los sensores de monitoreo de la calidad del aire pueden instalarse en exteriores, en entornos como intersecciones urbanas concurridas, zonas industriales o parques tranquilos, para evaluar su fiabilidad en diversas condiciones ambientales. Una vez probado el sensor de calidad del aire en condiciones reales, se puede lograr su despliegue operativo y una precisión a largo plazo.

3. Técnicas de análisis de datos

Los dos métodos anteriores estaban relacionados con las pruebas, pero las técnicas de análisis de datos utilizan los datos para identificar patrones y desviaciones a lo largo del tiempo con respecto a los valores reales en el rendimiento del sensor. Algunos de los métodos estadísticos y analíticos estándar para los sensores de calidad del aire incluyen el Error Absoluto Medio (MAE), el Error Cuadrático Medio (RMSE) y los coeficientes de correlación (R²). Estas técnicas se utilizan para calcular las desviaciones con respecto a la media real o los valores de referencia. Si se desea detectar la deriva causal del sensor o rastrear anomalías repentinas, el análisis de series temporales puede ser una excelente opción. Con las técnicas de análisis de datos, los científicos pueden crear patrones que ayuden a realizar predicciones futuras de la calidad del aire y a recalibrar oportunamente para obtener resultados precisos.

Métricas clave para evaluar la precisión

• Error Absoluto Medio (MAE): El MAE es un tipo de métrica de error absoluto que se calcula promediando la diferencia entre las lecturas del sensor y los valores de referencia, lo que proporciona una visión clara de la desviación general respecto al valor medio. El MAE es menos sensible a los valores atípicos. Cuanto menores sean los valores de MAE, mayor será la precisión y la consistencia en las mediciones de los sensores de monitoreo de la calidad del aire.

• Error cuadrático medio (RMSE): El RMSE es un tipo de métrica de error absoluto que enfatiza las desviaciones mayores al elevar al cuadrado los errores antes de calcular el promedio, lo que lo hace más sensible a los valores atípicos. Cuanto menores sean los valores de RMSE, mayor será la precisión y la consistencia en las mediciones de los sensores de calidad del aire.

• Error Cuadrático Medio Normalizado (nRMSE): El nRMSE es una forma estandarizada de comparar la precisión de un sensor con diversos niveles de contaminación y condiciones ambientales. El nRMSE expresa el RMSE como un porcentaje del valor de referencia medio, lo que explica la relación del error con la concentración total del contaminante. Generalmente, un nRMSE inferior al 10-20 % se considera aceptable para sensores de alta calidad, lo que garantiza que los resultados sean fiables y reproducibles en diversas condiciones ambientales.

Mejores prácticas para mantener y verificar la precisión

Para garantizar lecturas consistentes y precisas, la calibración y el mantenimiento son cruciales. Periódicamente, verifique las lecturas del sensor de calidad del aire y compárelas con las lecturas reales. Si las lecturas presentan desviaciones, limpie la entrada y los filtros del sensor para evitar la acumulación de polvo, que puede afectar la precisión de las lecturas. Asegúrese de colocar correctamente los sensores de monitoreo de calidad del aire durante la instalación. Elija un lugar libre de obstrucciones, fuentes de calor directo, humedad o flujo de aire obstruido. Siga las instrucciones del fabricante para los intervalos de calibración recomendados y los límites ambientales para optimizar el rendimiento. Un monitoreo constante y una calibración oportuna son clave para garantizar la exactitud y precisión de las lecturas.

Conclusión

Los sensores de calidad del aire de alta precisión son fundamentales para garantizar una monitorización exacta de la calidad del aire una vez calibrados e instalados correctamente. Estos sensores son esenciales para proteger a la población de enfermedades pulmonares y de salud causadas por la inhalación de aire contaminado, mediante la adopción de medidas preventivas. Tanto a nivel gubernamental como comercial, estos sensores desempeñan un papel crucial en la implementación de políticas, directrices y soluciones basadas en las lecturas que proporcionan.

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