Contexte
Les particules en suspension (PM) ne constituent pas un polluant unique, mais un mélange de particules de tailles, de compositions et d’origines différentes. La taille de ces particules détermine à la fois leur durée de suspension dans l’air et leur capacité à pénétrer dans le système respiratoire humain.
À des fins de surveillance réglementaire et environnementale, deux fractions sont particulièrement importantes :
- PM2.5 : particules d’un diamètre inférieur à 2,5 µm, généralement associées aux processus de combustion.
- PM10 : particules d’un diamètre inférieur à 10 µm, qui incluent à la fois les particules fines (PM2.5) et les particules grossières (PM2.5–10).
Une distinction rigoureuse entre les particules fines (PM2.5) et les particules grossières (PM2.5-10) est essentielle, car ces fractions proviennent de sources différentes, suivent des mécanismes de transport distincts et présentent des effets nettement différenciés sur la santé et sur l’environnement.
En particulier, la présence de particules grossières est fortement liée à des processus mécaniques, tels que le remaniement des sols, la manutention de matériaux, le trafic sur des surfaces non revêtues, les activités minières, portuaires, agricoles, ainsi que les travaux de construction et de démolition. Ces environnements peuvent générer de fortes concentrations de particules dans la gamme 2,5–10 µm, ce qui rend la quantification précise du PM10 particulièrement exigeante.
Types de capteurs PM à bas coût
Ces dernières années, les capteurs PM à bas coût se sont largement diffusés. Toutefois, tous les capteurs ne mesurent pas le PM10 de la même manière.
De manière générale, il existe deux approches techniques principales :
Capteurs qui estiment le PM10 à partir du PM2.5
Certains capteurs optiques sont principalement optimisés pour la détection des particules fines. Ces capteurs appliquent des rapports fixes entre tailles de particules afin d’extrapoler le PM10 à partir des valeurs mesurées de PM2.5. Dans ce type de capteurs, le PM10 n’est pas mesuré directement, mais déduit à partir de distributions granulométriques supposées.
Cette approche peut donner des résultats acceptables dans les environnements urbains dominés par les particules fines, mais elle peut introduire des biais importants dans les environnements où les particules grossières sont prépondérantes.
Capteurs basés sur la technologie OPC (Optical Particle Counter)
La technologie Optical Particle Counter (OPC), comme celle intégrée au Kunak AIR Pro, utilise la diffusion de la lumière laser pour détecter individuellement les particules et déterminer leur taille sur plusieurs gammes de diamètre.
Les principales caractéristiques d’un capteur OPC sont les suivantes :
- Mesure sur une gamme de tailles étendue, au-delà de 10 µm.
- Nombre suffisant de canaux granulométriques pour résoudre les distributions de particules.
Cela permet une véritable discrimination granulométrique, la détection de la fraction grossière et un calcul direct du PM10 sans recourir à des rapports supposés.
Dans les environnements à forte présence de particules grossières, cette distinction est déterminante.
Objectif de cette étude
Cet article présente les résultats de validation sur le terrain du capteur PM du Kunak AIR Pro dans des conditions caractérisées par des concentrations élevées de particules grossières.
Les résultats montrent que le capteur conserve une précision élevée et une bonne concordance avec une instrumentation équivalente pour la mesure du PM10, y compris dans des environnements où les particules grossières sont dominantes.
Ces résultats confirment l’adéquation du capteur PM de Kunak pour des applications réglementaires, industrielles, urbaines et professionnelles dans lesquelles des données fiables de PM10 sont indispensables pour la conformité environnementale, le contrôle opérationnel et la protection de la santé publique.
Capteur PM du Kunak AIR Pro
Le capteur PM de Kunak est basé sur la technologie de diffusion de la lumière laser et est certifié dans le cadre du programme MCERTS Certified Products: Indicative Ambient Particulate Monitors pour les PM10 et PM2.5. Il bénéficie également de la certification KOTITI Grade 1 pour les PM2.5, confirmant davantage ses performances et la fiabilité de ses mesures.
Les stations Kunak AIR Pro intègrent un OPC (Optical Particle Counter) capable de mesurer des particules de 0,3 μm jusqu’à 40 μm grâce à 24 canaux granulométriques.
Les PM1, PM2.5, PM4, PM10, les particules totales en suspension (TSP) et le comptage total de particules (TPC) sont calculés sur la base d’un profil de densité des particules.
Des études de colocalisation sur le terrain ont démontré des performances comparables à celles d’instruments équivalents basés sur la même technologie, y compris pour la mesure des particules grossières.
L’effet de l’humidité est corrigé de manière optimale grâce à un algorithme embarqué, garantissant une haute précision dans la plupart des conditions environnementales, à l’exception des situations de brouillard ou de condensation, où les données sont automatiquement invalidées par le logiciel Kunak AIR Cloud afin d’éviter tout bruit de mesure.
Par ailleurs, l’outil de calibration à distance de Kunak permet d’ajuster le facteur de correction en fonction des conditions spécifiques du site d’installation.
Kunak AIR Pro – Capteur professionnel de particules pour la mesure des PM1, PM2.5, PM4, PM10, des particules totales en suspension (TSP) et du comptage total de particules (TPC)
Image de rendu de l’OPC (Optical Particle Counter) du Kunak AIR Pro
Spécifications techniques du capteur PM type A (uniquement pour Kunak AIR Pro)
| Type | Compteur optique de particules | Répétabilité (9) | 2 µg/m3 (PM1) 3 µg/m3 (PM2.5) 3 µg/m3 (PM4) 5 µg/m3 (PM10) 6 µg/m3 (TSP) |
| Unité de mesure | µg/m3 | Limite de détection (LOD) (8) | 0,5 µg/m3 (PM1) 0,5 µg/m3 (PM2.5) 0,5 µg/m3 (PM4) 1 µg/m3 (PM10) 1 µg/m3 (TSP) |
| Plage de mesure (1) | 0 – 1 000 µg/m3 (PM1) 0 – 2 000 µg/m3 (PM2.5) 0 – 2 000 µg/m3 (PM4) 0 – 10 000 µg/m3 (PM10) 0 – 15 000 µg/m3 (TSP) 0 – 8 000 counts/cm3 (TPC) | Exactitude typique (12) | ± 2 µg/m3 (PM1) ± 3 µg/m3 (PM2.5) ± 3 µg/m3 (PM4) ± 4 µg/m3 (PM10) ± 6 µg/m3 (TSP) |
| Résolution (2) | 1 µg/m3 1 count/cm3 (TPC) | Précision typique – R2 (11) | > 0,9 (PM1) > 0,8 (PM2.5) > 0,8 (PM4) > 0,7 (PM10) > 0,7 (TSP) > 0,8 (TPC) |
| Plage de température de fonctionnement (3) | -20 à 50 °C -40 à 50 °C avec chauffage ** | Pente typique (11) | 0,85 – 1,18 |
| Plage d’humidité relative (HR) de fonctionnement (4) | 0 à 99 %HR | Ordonnée à l’origine typique (a) (11) | -1,8 µg/m3 ≤ a ≤ +1,8 µg/m3 (PM1) -2 µg/m3 ≤ a ≤ +2 µg/m3 (PM2.5) -2 µg/m3 ≤ a ≤ +2 µg/m3 (PM4) -3 µg/m3 ≤ a ≤ +3 µg/m3 (PM10) -4 µg/m3 ≤ a ≤ +4 µg/m3 (TSP) |
| Plage HR recommandée (5) | 0 à 95 %HR | DQO – U(exp) typique (13) | < 50 % (PM1 – PM4 – PM10 – TSP) < 35 % (PM2.5) |
| Durée de vie (6) | > 24 mois | Variabilité intra-modèle typique (14) | < 2 µg/m3 |
| Temps de réponse (10) | < 10 sec | ||
| 1. Plage de mesure : plage de concentration mesurée par le capteur. 2. Résolution : plus petite unité de mesure que le capteur peut indiquer. 3. Plage de température de fonctionnement : intervalle de température dans lequel le capteur est conçu pour fonctionner en toute sécurité et fournir des mesures. (**) Dans le capteur PM de type A : -40 à 50ºC avec chauffage (plus d’informations sur cette version sur demande). 4. Plage d’humidité relative de fonctionnement : intervalle d’humidité dans lequel le capteur est conçu pour fonctionner en toute sécurité et fournir des mesures. 5. Plage d’humidité relative recommandée : plage d’humidité relative recommandée pour un fonctionnement optimal du capteur. Une exposition continue en dehors de cette plage peut endommager la cartouche. 6. Durée de vie de fonctionnement : période pendant laquelle le capteur peut fonctionner efficacement et avec précision dans des conditions normales. 7. Plage de garantie : plage de concentration couverte par la garantie de Kunak. 8. LOD (limite de détection) : mesurée en conditions de laboratoire à 20ºC et 50 % HR. La limite de détection est la concentration minimale pouvant être détectée comme significativement différente d’une concentration nulle de gaz, calculée selon la spécification technique CEN/TS 17660. 9. Répétabilité : mesurée en conditions de laboratoire à 20ºC et 50 % HR. Degré de concordance entre les résultats de mesures successives d’une même grandeur effectuées dans les mêmes conditions de mesure, calculé selon la spécification technique CEN/TS 17660. 10. Temps de réponse : temps nécessaire au capteur pour atteindre 90 % de la valeur finale stable. 11. Précision typique – R2 : statistiques obtenues entre les mesures horaires du dispositif et les instruments de référence lors d’essais terrain entre -10 et +30ºC sur différents sites. (*) Pour le capteur PM de type B, l’erreur attendue pour le PM10 est plus élevée en présence de particules grossières. 12. Exactitude typique : pour les polluants réglementaires, il s’agit de l’erreur absolue moyenne (MAE) obtenue entre les mesures horaires du dispositif et les instruments de référence sur des essais terrain de 1 à 8 mois entre -10 et +30ºC dans différents pays. Pour les autres polluants, il s’agit de l’erreur attendue de la mesure à la lecture. 13. DQO – U(exp) typique : objectif de qualité des données exprimé comme l’incertitude élargie à la valeur limite, obtenue entre les mesures horaires du dispositif et les instruments de référence sur des essais terrain de 1 à 8 mois entre -10 et +30ºC dans différents pays, calculée conformément à la directive européenne sur la qualité de l’air 2024/2881 et à la spécification technique CEN/TS 17660. (*) Pour le capteur PM de type B, l’erreur attendue pour le PM10 est plus élevée en présence de particules grossières. 14. Variabilité intra-modèle typique : calculée comme l’écart type des moyennes de trois capteurs sur des essais terrain de 1 à 8 mois entre -10 et +30ºC dans différents pays. | |||
Des graphiques de distribution granulométrique des particules sont également disponibles dans Kunak AIR Cloud.
Figure 1.
Outil d’analyse de la distribution et de la taille des particules
Démonstration de la précision des mesures de PM10
Procédure d’analyse et de caractérisation
Les métriques et graphiques suivants sont évalués afin d’analyser les performances du capteur PM lors des essais sur le terrain.
- Exactitude : obtenue comme l’erreur absolue moyenne (MAE) entre les mesures KUNAKAIR et les instruments de référence.
- Intervalle de confiance à 90 % : 90 % des mesures se situent en dessous de cette erreur. L’erreur relative maximale dans cet intervalle est également indiquée.
- Les résultats incluent également la concentration moyenne (AVG. GC) sur l’ensemble des essais.
- Graphiques temporels, nuages de points et évolution temporelle de la moyenne sont utilisés pour analyser les résultats.
1. Essai sur le terrain : Helsinki (Finlande)
- EMPLACEMENT : Teollisuuskatu, Helsinki (Finlande)
- PÉRIODE D’ESSAI : 20 février – 28 avril 2025
Tableau 1. Conditions environnementales de l’essai sur le terrain
Tableau 2. Statistiques des PM2.5 et PM10 mesurées par la station de surveillance de la qualité de l’air (référence)
La figure 2 montre que la concentration de PM10 est supérieure à celle de PM2.5, ce qui met en évidence la forte concentration de particules grossières (PM10 – PM2.5) observée lors de l’essai sur le terrain.
Figure 2.
Graphique temporel de référence des PM2.5 et PM10.
La figure suivante (figure 3) présente le graphique temporel des mesures enregistrées par la station de référence et les deux dispositifs Kunak. Comme observé, plusieurs pics dépassent la limite de 190 µg/m3. Par ailleurs, on constate que les mesures de PM10 de Kunak sont alignées avec celles obtenues par l’analyseur de particules. La bonne corrélation entre les dispositifs Kunak et les données de référence est illustrée dans la figure 3, qui présente le nuage de points, le coefficient de corrélation (R2) et l’équation linéaire. Les deux dispositifs présentent une excellente corrélation, supérieure à 0,80, avec une pente proche de 1 et un faible décalage (inférieur à 2 µg/m3).
Figure 3.
Graphique temporel des données de référence PM10 (vert) et des mesures PM10 Kunak : dispositifs K-A3 RENT 1 (violet) et K-A3 RENT 4 (bleu). La ligne rouge indique la limite de concentration de PM10 de 190 µg/m3.
La figure 4 présente le graphique de variation temporelle, dans lequel on observe que les capteurs PM Kunak des deux dispositifs suivent parfaitement les tendances des mesures de PM10 obtenues par l’instrument de référence.
Figure 4.
Nuage de points des dispositifs Kunak (axe x) par rapport aux données de référence (axe y), avec plage d’humidité (axe z). Le graphique montre la corrélation et l’équation linéaire.
La figure 5 montre également que la concentration de PM10 est supérieure à celle de PM2.5, confirmant la forte présence de particules grossières (PM10 – PM2.5) observée lors de l’essai.
Figure 5.
Variation temporelle des PM10 de référence (rouge) et des mesures PM10 Kunak (vert et bleu).
Le tableau ci-dessous (tableau 3) présente les métriques d’analyse décrites dans la section Procédure d’analyse et de caractérisation. On y observe non seulement la bonne corrélation obtenue lors de l’essai sur le terrain, mais également une faible MAE et un intervalle de confiance à 90 % satisfaisant. De plus, la concentration moyenne mesurée par la référence et par les dispositifs Kunak AIR Pro (DUT : Device Under Test) est très similaire.
Tableau 3. Métriques d’analyse
Tous ces graphiques et statistiques démontrent les bonnes performances du capteur PM pour la mesure de fortes concentrations de PM10 en présence de particules grossières.
2. Essai sur le terrain : Accra (Ghana)
- EMPLACEMENT : Accra (Ghana)
- PÉRIODE D’ESSAI : 8 janvier – 18 février 2024
Tableau 4. Conditions environnementales de l’essai sur le terrain
Tableau 5. Statistiques des PM2.5 et PM10 mesurées par la station de référence
La figure suivante (figure 6) présente le graphique temporel des mesures enregistrées par la station de référence et les trois dispositifs Kunak AIR Pro. Comme observé, sur environ deux semaines, les concentrations dépassent la limite de 190 µg/m3 la plupart du temps. Le graphique montre que les mesures de PM10 de Kunak sont alignées avec celles de l’analyseur de particules.
Figure 6.
Graphique temporel de référence des PM2.5 et PM10.
La bonne corrélation entre les dispositifs Kunak AIR Pro et les données de référence est présentée dans la figure 7, qui inclut le nuage de points, le coefficient de corrélation (R2) et l’équation linéaire. Les trois systèmes de capteurs Kunak AIR Pro présentent une excellente corrélation, supérieure à 0,87, avec une pente proche de 1. Dans ce cas, en raison des concentrations très élevées, le décalage est légèrement supérieur (environ 26 à 40 µg/m3). Toutefois, pour des concentrations supérieures à 250 µg/m3, cet écart peut être considéré comme négligeable.
Figure 7.
Graphique temporel des données de référence PM10 (bleu) et des mesures PM10 Kunak : dispositifs K-A3 GHANA 1 (jaune), K-A3 GHANA 2 (vert) et K-A3 GHANA 3 (orange). La ligne rouge indique la limite de concentration de PM10 de 190 µg/m3.
La figure 8 présente le graphique de variation temporelle, dans lequel on observe que les capteurs PM Kunak des trois dispositifs suivent parfaitement les tendances des mesures de PM10 enregistrées par l’analyseur de référence.
Figure 8.
Nuage de points des dispositifs Kunak (axe X) par rapport aux données de référence (axe y), et plage d’humidité (axe z). Le graphique montre la corrélation et l’équation linéaire.
Figure 9.
Variation temporelle de la référence (violet) et des trois mesures PM10 de Kunak (rouge, vert et bleu)
Enfin, le tableau 6 présente les métriques d’analyse décrites dans la section Procédure d’analyse et de caractérisation, où l’excellente corrélation obtenue lors de l’essai sur le terrain est mise en évidence.
Comme indiqué précédemment, en raison des concentrations très élevées, la MAE et l’intervalle de confiance à 90 % sont plus élevés que lors de l’essai de Helsinki. Cela est attendu, puisque la plage de concentration s’étend de 32.35 à 1493.94 µg/m3.
Enfin, le tableau montre la concentration moyenne mesurée par la référence et par le DUT (Device Under Test), avec des valeurs moyennes très proches entre les différentes technologies.
Tableau 6. Métriques d’analyse.
Tous ces graphiques et statistiques montrent les bonnes performances du capteur PM pour surveiller de fortes concentrations de PM10 en présence de particules grossières.
Conclusions
Les essais sur le terrain réalisés à Helsinki (Finlande) et à Accra (Ghana) démontrent que le capteur PM intégré au Kunak AIR Pro offre des performances solides et constantes, même dans des conditions caractérisées par de fortes concentrations de particules grossières.
Dans les deux sites, les dispositifs Kunak AIR Pro ont montré de très bonnes performances par rapport aux analyseurs de référence, avec des valeurs de corrélation (R2) supérieures à 0.80 à Helsinki et supérieures à 0.87 à Accra, confirmant leur capacité à reproduire avec précision les tendances du PM10 ainsi que les niveaux absolus de concentration.
Les résultats indiquent que le capteur conserve un comportement stable sur une large plage de températures, de niveaux d’humidité et de charges particulaires, tout en maintenant une haute précision aussi bien dans des conditions modérées que lors d’épisodes de pollution sévères. Bien que la MAE et les intervalles de confiance à 90 % augmentent sous des concentrations extrêmement élevées, ce qui est attendu compte tenu de la plage de fonctionnement plus large observée à Accra, le bon alignement entre les dispositifs Kunak AIR Pro et les instruments PM équivalents confirme la robustesse du système.
Sa capacité à suivre avec précision les variations temporelles, à détecter les pics de concentration et à maintenir une forte concordance avec des équipements de référence le rend particulièrement adapté à la surveillance industrielle, urbaine et opérationnelle dans les environnements de construction et de démolition, où des données fiables sur la qualité de l’air sont essentielles pour la prise de décision et la gestion environnementale.
