發行單位 : 行政院環境保護署環境保護人員訓練所    
協辦單位 : 財團法人工業技術研究院    
出刊日期 : 民國111年2月10日

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環保技術新知
低成本MOS VOCs感測器的長期評估與實場校正應用
台灣PM2.5監測與控制產業發展協會

揮發性有機物 (Volatile Organic Compounds, VOC) 為在常溫常壓下具有高蒸氣壓、揮發性高的有機化合物,常以氣體的形式存在,是主要的空氣污染物之一。多數VOC的物種具有毒性,會對人體健康造成不利的影響 (Schütze et al., 2017; Xu et al., 2021),甚至有學者將部分VOC的物種列為有害空氣污染物 (Hazardous Air Pollutants, HAPs) (Woodruff et al., 1998),因此突顯了VOC濃度的監測以及管制的重要性。傳統的監測儀器雖然能在採樣時去除環境因素的干擾,提供很精準的測值,然而其有體積大、成本高、監測空間需求大、操作複雜的問題,難以大量的佈建,監測地點不足。由於感測器體積小、成本低又方便攜帶,因此可於各地大量佈建。隨著數位電子與無線傳播技術的進步,感測器可透過結合物聯網 (Iot) 和演算法,即時監控大氣中的污染物,大量補充現有的監測數據。低成本的VOC感測器可支持既有的VOC監測站,及時提供測量數據 (可達到分鐘尺度),進而提高VOC濃度測值的時間與空間解析度 (Collier-Oxandale et al., 2019)。

然而,現今的VOC微型感測器在大氣環境中測量時有低選擇性的問題 (Lewis et al., 2015; Spinelle et al., 2017; Szulczyński et al., 2017),且容易受到許多環境因子如溫度、濕度及大氣中的混雜氣體的影響 (Collire-Oxandale et al., 2019; Spinelle et al., 2017),進而降低其測值的準確性和真實性。其他共同存在於空氣的污染物也會干擾微型感測器的測量 (Lewis et al., 2015)。例如,過去有研究指出,大氣中的無機氣體,如一氧化碳 (CO)、二氧化碳(CO2)…等,會對感測器的VOCs測值的準確性造成影響 (Leidinger et al., 2017; Spinelle et al., 2017),降低其數據品質。為提升VOCs感測器測值的準確性,並在戶外環境監測使用,Casey et al. (2019) 與 Zimmerman et al. (2018) 指出,利用機器學習的技術來建立感測器測值校正的模式,可有效提升VOC感測器測值的準確性。然而機器學習有技巧複雜、應用相對困難、數據難以解釋等問題。Collier-Oxandale et al. (2019) 和Sadighi et al. (2018) 則提出線性迴歸的方法,以環境因子如濕度、溫度等為參數,來校準VOC感測器的測值。相較於機器學習的方法,迴歸分析相對簡單好理解,在應用和數據解釋上也比較容易。本研究依前述主要4個影響因子發展多變數線性迴歸 (Multiple Linear Regression,MLR)校正方法,有效提升VOCs感測器測值準確度,也容易在實場使用及驗證。

本研究利用空品測站的NMHC比對Sensirion SGP30 VOC感測器的原始數據(未經布建廠商校正之數據),發現LR判定係數R2為0.52 (忠明)、0.52 (新竹) 與0.37 (臺南),經過MLR校正後,R2可大幅提昇至0.78 (忠明) 、0.70 (新竹) 與0.67 (臺南)。忠明測站MNB由406.32±280.12% 降至10.70±44.94%,MNE由406.32±280.12% 降至10.70±44.94%,新竹測站MNB由245.44±155.19% 降至 -32.51±65.50%,MNE由247.28±152.24% 降至 52.68±50.71%,臺南測站MNB由185.04±169.59% 降至 -25.36±58.71%,MNE由187.37±167.01% 降至 42.14±48.10% (如圖一)。

另以忠明及台南等測站上長期佈掛的VOC感測器測值求得VOC感測器的LOD為138.19 ppb。MLR校正後在不同的濃度區間(>100ppbv)結果顯示,忠明測站MNB由261.33±150.55% 降至 -1.80±29.68%,MNE由261.33±150.55% 降至 22.92±18.95%、新竹測站MNB由150.39±97.68% 降至 -19.95±27.02%,MNE由151.03±96.68% 降至 27.72±18.98%、臺南測站MNB由127.34±119.03% 降至 -15.63±29.57%,MNE由128.80±117.45% 降至 27.69±18.77%,如表一所示。

圖一 SGP30 VOCs感測器與參考儀器在不同空品測站的不同校正方法比較,小時平均


表一 SGP30 VOCs感測器與參考儀器在不同空品測站的不同濃度區間與不同校正方法比較,小時平均

 

 

Method

VOC 濃度 (NMHC 測值為參考標準 )

100 ppbv

>100 ppbv

 

MNB(%)

 

MNE(%)

RMSE (ppbv)

 

MNB(%)

 

MNE(%)

RMSE (ppbv)

ZM*

Manuf.

Cal.

607.99±293.55

607.99±293.55

378.83

261.33±150.55

261.33±150.55

519.86

LR

79.67±74.53

82.59±71.28

56.94

-8.26±38.24

29.56±25.62

80.97

MLR

28.10±55.52

46.30±41.58

34.46

-1.80±29.68

22.92±18.95

57.10

HC**

Manuf.

Cal.

245.44±155.19

247.28±152.24

174.00

150.39±97.68

151.03±96.68

268.60

LR

-12.46±39.41

34.50±22.78

25.97

-36.47±24.81

40.01±18.58

78.98

MLR

-32.51±65.50

52.68±50.71

35.13

-19.95±27.02

27.72±18.98

54.04

TN**

Manuf.

Cal.

253.61±193.50

256.99±189.01

180.55

127.34±119.03

128.80±117.45

269.45

LR

-10.43±49.09

42.34±26.96

32.53

-42.32±30.24

48.80±18.00

93.76

MLR

-36.91±79.10

59.32±64.04

31.79

-15.63±29.57

27.69±18.77

57.94

*校正測站、**驗證測站

由前述研究可知,環境濃度、相對濕度、溫度都是影響VOCs感測器測值準確性的因素,未經校正的感測器測值有高估的趨勢。研究結果發現SGP30 VOCs感測器的原廠測值,經過本研究提出的MLR公式校正後,可明顯改善感測器測值高估的問題,忠明測站MNB由406.32±280.12% 降至10.70±44.94%,MNE由406.32±280.12% 降至10.70±44.94%,新竹測站MNB由245.44±155.19% 降至 -32.51±65.50%,MNE由247.28±152.24% 降至 52.68±50.71%,臺南測站MNB由185.04±169.59% 降至 -25.36±58.71%,MNE由187.37±167.01% 降至 42.14±48.10%。結果顯示,環境濃度、相對濕度、環境溫度及無機氣體對VOCs感測器測值的準確性影響顯著,其中無機氣體影響最明顯。

不同的濃度區間研究發現,當NMHC濃度大於100 ppbv時,忠明測站MNB由261.33±150.55% 降至 -1.80±29.68%,MNE由261.33±150.55% 降至 22.92±18.95%,新竹測站MNB由150.39±97.68% 降至 -19.95±27.02%,MNE由151.03±96.68% 降至 27.72±18.98%,臺南測站MNB由127.34±119.03% 降至 -15.63±29.57%,MNE由128.80±117.45% 降至 27.69±18.77%,校正後結果良好(MNE<30%),已達美國環保署規範建議的熱區追蹤應用等級。設置完善的空品測站不易,透過價格低廉、量測時間短的VOCs微型感測器能夠補足空品監測時間及空間上的不足,雖然未經校正的SGP30 VOCs感測器測值高估且容易受環境因素影響,但經有效的MLR校正後能夠大幅提升準確性。

參考文獻

  1. Akaike, H. (1974). A new look at the statistical model identification. IEEE Transactions on Automatic Control, 19(6), 716–723.
    https://doi.org/10.1109/TAC.1974.1100705
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  6. Lewis, Alastair C.; Lee, James D.; Edwards, Peter M.; Shaw, Marvin D.; Evans, Mat J.; Moller, Sarah J.; Smith, Katie R.; Buckley, Jack W.; Ellis, Matthew; Gillot, Stefan R.; White, Andrew. Evaluating the Performance of Low Cost Chemical Sensors for Air Pollution Research. Faraday Discuss., 189, 85, 2016.
  7. Spinelle, Laurent; Gerboles, Michel; Kok, Gertjan; Persijn, Stefan; Sauerwald, Tilman. Performance Evaluation of Low-Cost BTEX Sensors and Devices within the EURAMET Key-VOCs Project. Proceedings, 1, 425, 2017.
  8. Schütze, A.; Baur, T.; Leidinger M.; Reimringer, W.; Jung, R.; Conrad, T.; Sauerwald, T. Highly Sensitive and Selective VOC Sensor Systems Based on Semiconductor Gas Sensors: How to? Environments, 4, 20, 2017.
  9. Woodruff, T. J.; Axelrad, D. A.; Caldwell, J.; Morello-Frosch, R.; Rosenbaum, A. Public Health Implications of 1990 Air Toxics Concentration Across the United States. Environ. Health Persp., 106, 245-251, 1998.
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  11. Zimmerman, N.; Presto, A. A.; Kumar, S. P. N.; Gu, J.; Hauryliuk, A.; Robinson, E. S.; Robinson, A. L.; Subramanian, R.; A Machine Learning Calibration Model Using Random Forest to Improve Sensor Performance for Lower-cost Air Quality Monitoring. Atmos. Meas. Tech., 11, 291-313, 2018.
  12. 行政院環保署,108年度「108年度空污感測器比對校正及巡檢計畫」,期末報告,民國108年。
  13. 行政院環保署,109及110年度「空污感測器巡檢及數據比對校正分析計畫」,期末報告,民國109及110年。
開班資訊
環保證照訓練2月-3月開班期程表

※ 環保專責及技術人員訓練將視嚴重特殊傳染性肺炎(COVID-19,簡稱新冠肺炎)疫情異動, 實際開班日期請至本所開班資訊網頁查詢或逕洽各班期聯絡人。



健康風險評估專責人員訓練(密集)班


期 別

開 班 日 期 開 班 地 點

11104

02/08-02/11 中國醫藥大學

11102

03/28-03/31 中央大學


健康風險評估專責人員訓練(週末)班


期 別

開 班 日 期 開 班 地 點

11105

03/19-03/27 成大研究發展基金會


甲級空氣污染防制專責人員訓練(週末)班


期 別

開 班 日 期 開 班 地 點

11103

03/12-04/23 工研院(新竹)

11114

03/20-05/14 中興大學

11117

03/26-05/29 成功大學


乙級空氣污染防制專責人員訓練(週末)班


期 別

開 班 日 期 開 班 地 點

11101

03/05-04/09 台大慶齡中心

11105

03/19-05/07 逢甲大學

11102

03/26-04/30 工研院(新竹)


乙級升甲級空氣污染防制專責人員訓練(週末)班


期 別

開 班 日 期 開 班 地 點

11111

03/12-04/23 工研院(新竹)

11118

03/20-05/14 中興大學


甲級廢(污)水處理專責人員訓練(週末班)


期 別

開 班 日 期 開 班 地 點

11106

02/12-03/27 中央大學

11115

02/19-04/09 陽明交通大學

11101

02/19-04/10 台大慶齡中心

11102

02/27-04/03 成功大學

11112

03/05-04/30 淡江大學台北校區

11109

03/19-05/15 產基會(萬能科技大學)

11104

03/19-05/22 東海大學

11110

03/26-05/15 嘉南大學


乙級廢(污)水處理專責人員訓練(週末班)


期 別

開 班 日 期 開 班 地 點

11104

02/19-03/27 中央大學

11101

02/20-04/09 嘉南大學

11112

03/05-03/30 陽明交通大學

11102

03/05-04/09 台大慶齡中心

11103

03/05-04/17 東海大學

11110

03/05-04/17 淡江大學台北校區


乙升甲級廢(污)水處理專責人員訓練班


期 別

開 班 日 期 開 班 地 點

11107

02/12-03/27 中央大學

11116

02/19-04/09 陽明交通大學

11122

02/19-04/10 台大慶齡中心

11103

02/27-04/03 成功大學

11113

03/05-04/30 淡江大學台北校區

11105

03/19-05/22 東海大學


甲級廢棄物處理專業技術人員訓練(週末班)104


期 別

開 班 日 期 開 班 地 點

11104

02/19-04/16 成功大學

11115

03/05-04/17 中興大學(原2/12班別順延至3/5)

11109

03/19-05/15 中央大學

11110

03/19-05/15 嘉南大學

11121

03/26-05/21 工研院(桃園)

11112

03/26-05/28 中山大學


乙級升甲級廢棄物處理專業技術人員訓練(週末班)104


期 別

開 班 日 期 開 班 地 點

11105

02/19-04/16 成功大學

11116

03/05-04/17 中興大學(原2/12班別順延至3/5)

11111

03/19-04/09 中央大學

11114

03/26-05/28 中山大學


乙級廢棄物處理專業技術人員訓練班(週末班)104


期 別

開 班 日 期 開 班 地 點

11101

02/12-03/20 雲林科技大學

11125

02/19-03/20 工研院

11113

02/19-03/26 屏東科技大學環科系訓練班

11116

02/19-03/27 中興大學

11112

02/19-04/09 嘉南大學

11121

02/19-04/09 嘉南大學

11120

02/19-04/10 產基會(明志科技大學)

11117

03/05-04/09 成功大學

11115

03/05-04/09 東海大學

11108

03/05-04/10 中山大學

11126

03/06-04/09 工研院(桃園)

11104

03/12-04/10 陽明交通大學

11119

03/19-05/07 淡江大學台北校區


乙清轉乙處廢棄物處理專業技術人員訓練班(週末班)104


期 別

開 班 日 期 開 班 地 點

11123

03/19-05/07 淡江大學台北校區


乙級廢棄物處理專業技術人員補正訓練班(週末班)104


期 別

開 班 日 期 開 班 地 點

11128

03/05-04/10 中山大學


乙級升甲級廢棄物清除專業技術人員訓練班(週末班)104


期 別

開 班 日 期 開 班 地 點

11101

02/19-04/16 成功大學

11103

03/05-04/17 中興大學 (原2/12班別順延至3/5)

11104

03/26-05/28 中山大學


乙級廢棄物清除專業技術人員訓練班(週末班)104


期 別

開 班 日 期 開 班 地 點

11101

02/12-03/20 雲林科技大學

11110

02/19-04/09 嘉南大學

11103

03/12-04/10 陽明交通大學

11107

03/19-05/07 淡江大學台北校區


丙級廢棄物清除專業技術人員訓練班(週末班)104


期 別

開 班 日 期 開 班 地 點

11103

02/12-03/20 雲林科技大學

11101

02/19-03/26 屏東科技大學環科系訓練班

11107

02/19-04/09 嘉南大學

11109

03/05-04/09 成功大學

11102

03/26-04/10 東海大學


乙清轉甲處廢棄物處理專業技術人員訓練班(週末班)105


期 別

開 班 日 期 開 班 地 點

11124

02/19-04/16 成功大學


丙級升乙級廢棄物清除專業技術人員訓練班(週末班)104


期 別

開 班 日 期 開 班 地 點

11108

03/19-05/07 淡江大學台北校區


丙清轉乙處廢棄物處理專業技術人員訓練班(週末班)104


期 別

開 班 日 期 開 班 地 點

11124

02/12-03/20 雲林科技大學

11122

03/19-05/07 淡江大學台北校區


甲級毒性及關注化學物質專業技術管理人員訓練(週末)班


期 別

開 班 日 期 開 班 地 點

11109

02/19-03/19 成功大學

11104

03/05-03/27 元培醫事科技大學

11108

03/05-03/27 高雄科技大學

11102

03/13-04/10 東海大學


乙級升甲級毒性及關注化學物質專業技術管理人員訓練(週末)班


期 別

開 班 日 期 開 班 地 點

11110

02/19-03/19 成功大學

11105

03/05-03/27 元培醫事科技大學

11103

03/13-04/10 東海大學


乙級毒性及關注化學物質專業技術管理人員訓練(週末)班


期 別

開 班 日 期 開 班 地 點

11104

03/05-03/19 成功大學

11102

03/19-04/10 東海大學


丙級毒性及關注化學物質專業技術管理人員訓練(週末)班


期 別

開 班 日 期 開 班 地 點

11102

03/26-03/27 元培醫事科技大學

11104

03/26-03/27 成功大學


甲級毒性及關注化學物質專業技術管理人員補正訓練(週末)班


期 別

開 班 日 期 開 班 地 點

11111

03/05-03/27 元培醫事科技大學


環境用藥製造業專業技術人員訓練班(週末班)


期 別

開 班 日 期 開 班 地 點

11102

03/05-03/13 淡江大學台北校區


環境用藥販賣業專業技術人員訓練班(週末班)


期 別

開 班 日 期 開 班 地 點

11102

03/05-03/13 淡江大學台北校區


病媒防治業專業技術人員訓練班(週末班)


期 別

開 班 日 期 開 班 地 點

11103

03/05-03/27 東海大學

11101

03/12-04/17 淡江大學台北校區

11105

03/19-04/17 成功大學


病媒防治業專業技術人員訓練班(密集班)


期 別

開 班 日 期 開 班 地 點

11102

03/14-03/20 淡江大學台北校區


室內空氣品質維護管理專責人員訓練(週末)班-106


期 別

開 班 日 期 開 班 地 點

11107

02/19-02/26 嘉南大學

11105

03/05-03/12 工研院

11110

03/12-03/19 臺灣環保協會

11104

03/19-03/26 崑山科技大學

11108

03/19-03/27 中央大學


室內空氣品質維護管理專責人員訓練(密集)班-106


期 別

開 班 日 期 開 班 地 點

11113

02/18-02/20 高雄科技大學

11111

03/01-03/03 嘉南大學(南投班)

11112

03/14-03/16 中國勞安學會

11102

03/22-03/24 工研院

11103

03/22-03/24 崑山科技大學

11109

03/22-03/24 臺灣環保協會


目測檢查人員複訓班


期 別

開 班 日 期 開 班 地 點

11103

02/24-02/24 中央大學

11105

03/02-03/02 中央大學

11107

03/03-03/03 中央大學

11104

03/03-03/03 成功大學


柴油車排放煙度儀器檢查人員訓練(新制)


期 別

開 班 日 期 開 班 地 點

11101

02/17-02/18 車輛研究測試中心


機車排放控制系統及惰轉狀態檢查人員訓練105


期 別

開 班 日 期 開 班 地 點

11102

02/22-02/25 台北科技大學


加油站油氣回收設施專業檢驗測定人員訓練班106


期 別

開 班 日 期 開 班 地 點

11102

02/22-02/25 中油訓練所


空氣污染防制專責人員到職訓練


期 別

開 班 日 期 開 班 地 點

11102

03/05-04/09 台大慶齡中心

11104

03/12-04/23 工研院(新竹)

11109

03/19-05/07 逢甲大學

11119

03/20-05/14 中興大學

11106

03/26-04/30 工研院(新竹)

11120

03/26-05/29 成功大學


廢(污)水處理專責人員到職訓練


期 別

開 班 日 期 開 班 地 點

11102

02/12-03/12 中央大學

11103

02/19-03/05 中央大學

11106

02/19-04/09 陽明交通大學

11109

02/27-04/03 成功大學

11107

03/05-03/30 陽明交通大學

11105

03/05-04/17 淡江大學台北校區

11101

03/05-04/17 東海大學

11108

03/12-03/13 嘉南大學(專班)


廢棄物清除、處理專業技術人員到職訓練(甲、乙級)


期 別

開 班 日 期 開 班 地 點

11101

02/12-03/20 雲林科技大學

11113

02/19-03/12 成功大學

11108

02/19-03/27 中興大學

11112

02/19-04/09 嘉南大學

11114

03/05-04/10 中山大學

11103

03/12-04/10 陽明交通大學

11109

03/19-05/07 淡江大學台北校區

11106

03/19-05/15 中央大學


毒性及關注化學物質專業技術管理人員到職訓練(甲、乙級)


期 別

開 班 日 期 開 班 地 點

11103

02/19-03/19 成功大學

11104

03/05-03/19 成功大學

11105

03/05-03/27 元培醫事科技大學

11102

03/05-03/27 高雄科技大學

11101

03/13-04/10 東海大學


毒性及關注化學物質專業技術管理人員到職訓練(丙級)


期 別

開 班 日 期 開 班 地 點

11101

03/26-03/27 成功大學


*以上期程表為預訂辦理班期,實際開班日期及班期聯絡人請逕至以下開班資訊網頁查詢https://record.epa.gov.tw/eptiweb/Voucher/wFrmRecent.aspx?Type=B

*報名資格請參考:環境保護專責及技術人員訓練管理辦法
https://law.moj.gov.tw/LawClass/LawAll.aspx?pcode=O0100006



環境教育研習課2月-3月開班期程表


班 期 類 別

學歷核心科目研習

上 課 地 點

國立高雄師範大學

課 程 類 別

平日班

預 定 上 課 日 期

2022/03/01至2022/03/15

聯 絡 方 式


招生簡章:
網路報名:
聯絡人:張惠婷
聯絡電話:
(07)7172930#7031
電子信箱:
s2830@mail.nknu.edu.tw



班 期 類 別

學歷核心科目研習

上 課 地 點

財團法人台灣產業服務基金會

課 程 類 別

周末班

預 定 上 課 日 期

2022/03/19至2022/03/27

聯 絡 方 式


招生簡章:
網路報名:http://train.ftis.org.tw/Ftis/
聯絡人:邱心淳
聯絡電話:
02-77045118
電子信箱:
hcc306124@ftis.org.tw



班 期 類 別

訓練及評量(學校及社會環境教育)

上 課 地 點

國立高雄師範大學

課 程 類 別

平日班

預 定 上 課 日 期

2022/03/01至2022/05/13

聯 絡 方 式


招生簡章:
網路報名:https://reurl.cc/l5WmbA
聯絡人:張惠婷
聯絡電話:
(07)7172930#7031
電子信箱:
s2830@mail.nknu.edu.tw



※ 以上為預定開班期程,實際開班狀況是否受疫情影響延期,請逕洽環教機構承辦人,或至環境教育認證系統-開辦課程查詢:https://eecs.epa.gov.tw/front/apclass/agency_class_qry.aspx