云凝結(jié)核計數(shù)器運行維護(hù)與標(biāo)定流程

崔 毅 樊 嶸* 王曉青 侯劭禹

（河北省人工影響天氣中心，河北 石家莊 050021）

1 概述

氣溶膠是大氣中的重要組分，對氣候、環(huán)境和人體健康產(chǎn)生重要影響[1-2]。氣溶膠可以充當(dāng)云凝結(jié)核（Cloud Condensation Nuclei, CCN）活化成云滴，從而改變云的微物理特性，影響云的生命周期和降水過程[3]。提升云凝結(jié)核的觀測準(zhǔn)確性是研究其氣候和環(huán)境效應(yīng)的關(guān)鍵因素。

云凝結(jié)核計數(shù)器可直接觀測大氣中CCN 濃度。目前使用最廣泛的是美國 DMT （Droplet Measuring Technology） 公司設(shè)計制造的云凝結(jié)核計數(shù)器（Cloud Condensation Nuclei Counter，CCNC），它是在Roberts 等[4]有關(guān)恒流熱梯度云室的研究工作基礎(chǔ)上，根據(jù)水汽擴散大于熱擴散速率的原理產(chǎn)生過飽和度，并測量活化為CCN 的粒子濃度。與其他設(shè)備相比，DMT 的云凝結(jié)核計數(shù)器可靠性較高[5]，國內(nèi)外利用其進(jìn)行了大量地面和飛機觀測[6-10]。但其性能受儀器參數(shù)和外界環(huán)境影響[5,11]，為保障數(shù)據(jù)質(zhì)量，需定期對設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場標(biāo)定。

本文將基于設(shè)備操作手冊（www.dropletmeasurement.com）、國內(nèi)外資料以及長期云凝結(jié)核計數(shù)器運維標(biāo)定經(jīng)驗，詳細(xì)總結(jié)維護(hù)和標(biāo)定方法及注意事項，為云凝結(jié)核計數(shù)器的運維保障提供參考。

2 設(shè)備介紹與維護(hù)方法

2.1 設(shè)備介紹

云凝結(jié)核計數(shù)器的核心部件是柱狀連續(xù)氣流縱向熱梯度云室，通過云室上、中、下3 組熱電制冷器使云室內(nèi)部溫度線性增加，形成溫度梯度，同時云室內(nèi)壁通過去離子水流維持濕潤，根據(jù)熱擴散與水汽擴散的速率差異實現(xiàn)過飽和。環(huán)境大氣進(jìn)入設(shè)備后被分為樣流和鞘流，其中鞘流經(jīng)過濾加濕去除氣溶膠，包裹樣流進(jìn)入云室。粒子在設(shè)定的過飽和度下活化，進(jìn)入云室下方的光學(xué)計數(shù)器（Optical Particle Counter，OPC）進(jìn)行計數(shù)（圖1）。

圖1 云凝結(jié)核計數(shù)器結(jié)構(gòu)簡圖

2.2 維護(hù)方法

云凝結(jié)核計數(shù)器的日常運行中應(yīng)時常巡視，檢查是否有漏液現(xiàn)象；及時清空廢水瓶，補充供水瓶中的去離子水，注意擰緊瓶蓋；檢查并清空OPC 儲水瓶中的液體；檢查過濾器和光學(xué)計數(shù)器干燥劑指示劑顏色并及時更換；檢查系統(tǒng)中樣流、鞘流值，如不在正常范圍需進(jìn)行校準(zhǔn)；檢查1st Stage Mon，若為5.0V 或接近5.0V，說明OPC 霧化，需干燥或清潔。

此外，需視觀測環(huán)境污染情況更換鞘氣過濾器，一般建議每3 個月更換一次。建議每年更換Nafion 加濕器膜，檢查泵膜和電機情況，并對設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定（圖2）。

圖2 云凝結(jié)核計數(shù)器維護(hù)項目概覽

3 標(biāo)定流程

對云凝結(jié)核計數(shù)器的標(biāo)定包含流量、壓力、過飽和度和光學(xué)計數(shù)器標(biāo)定。標(biāo)定過程中，需要用到容積式位移流量計、氣壓校準(zhǔn)計、氣溶膠發(fā)生器、差分電遷移率分析儀、超細(xì)凝聚核粒子計數(shù)器等設(shè)備和電源、管線等常用工具。

3.1 流量標(biāo)定

連接云凝結(jié)核計數(shù)器與容積式位移流量計，對樣氣和鞘氣進(jìn)行校準(zhǔn)標(biāo)定。

3.1.1 樣流標(biāo)定

將容積式位移流量計連接到設(shè)備進(jìn)氣口，并關(guān)閉鞘氣流量計量閥（圖3）。在標(biāo)定軟件中單擊Service，選擇Flow Calib，將Sample Flow y-int 改為0，Sample Flow slope 改為1。在控制窗口的Flows 選項中，打開Manual Override，調(diào)節(jié)Valve Set M (V)，直到外部流量計測量值約為75Vccm。記錄流量計的流量Flow 和Sample Flow的值Volts。由于已將回歸系數(shù)設(shè)置為1 和0，故Sample Flow 實際顯示樣本流量差壓傳感器的電壓值。75Vccm測量結(jié)束后，調(diào)節(jié)流量，并記錄流量計60、45、30 和20Vccm 的Sample Flow 和Volts 值。對5 組Sample Flow和Volts 值進(jìn)行線性回歸（Sample Flow 為Y，Volts 為X），確認(rèn)r2大于0.99，記錄回歸曲線的斜率Slope 和截距y-int，在Flow Calib 選項的Service 中輸入，并保存。調(diào)節(jié)樣流至45Vccm，確認(rèn)讀數(shù)與流量計基本一致。

圖3 鞘氣流量計量閥示意圖

3.1.2 鞘流標(biāo)定

將容積式位移流量計連接到設(shè)備進(jìn)氣口，完全打開鞘氣流量計量閥。將Sheath Flow y-int 改為0，將Sheath Flow slope 改為1。在Flows 選項中，打開Manual Override，調(diào)節(jié)Valve Set M (V) 直到外部流量計約為750Vccm。記錄外接流量計的總流量Total Flow，樣流Sample Flow，并計算鞘流Sheath Flow（Sheath Flow =Total Flow - Sample Flow），記 錄Sheath Flow 的 值Volts。750Vccm 測量結(jié)束后，調(diào)節(jié)流量，記錄流量計600、450、300 和200Vccm 的Sheath Flow 和Volts 值。對Sheath Flow 和Volts 值進(jìn)行線性回歸，確認(rèn)r2大于0.99，記錄斜率Slope 和截距y-int，并在軟件Flow Calib 的Service 中輸入。關(guān)閉Manual Override 選項，設(shè)置流量為500Vccm，流量比為10:1。用流量計測量實際樣氣和鞘氣，并與設(shè)備上顯示的值進(jìn)行比較。誤差應(yīng)在5%以內(nèi)，否則重復(fù)標(biāo)定程序。

3.2 壓力標(biāo)定

連接云凝結(jié)核計數(shù)器與氣壓校準(zhǔn)計，將壓力傳感器管路與入口歧管斷開，并連接到真空源。啟動云凝結(jié)核計數(shù)器，在100-1000mb 范圍內(nèi)選擇5 個壓力梯度，并按照流量標(biāo)定中類似方法，記錄軟件中電壓值Volts 和外接校準(zhǔn)計氣壓值，并進(jìn)行進(jìn)行線性回歸，確認(rèn)r2大于0.99，記錄回歸曲線的斜率和截距，將回歸結(jié)果輸入軟件中。

3.3 過飽和度標(biāo)定

云室兩端溫度差△T 可決定等效過飽和度，在不同△T 下注入活化特性已知的粒子，通過粒子的活化表現(xiàn)可推斷云室內(nèi)的等效過飽和度。建議使用馬楠等[12]改進(jìn)后的過飽和度標(biāo)定方法。標(biāo)定過程中需要用到霧化硫酸銨顆粒的氣溶膠發(fā)生器、差分電遷移率分析儀（DMA）、超細(xì)凝聚核粒子計數(shù)器（CPC）等。氣溶膠發(fā)生器輸出氣路干燥后連接DMA，通過DMA 后分別連接云凝結(jié)核計數(shù)器和CPC。

調(diào)整氣溶膠發(fā)生器的輸出流量和稀釋比例，使CPC測到的氣溶膠數(shù)濃度在1000 cm-3左右。操作中可將DMA 篩選粒徑值從0 nm 突然增大，CPC 和云凝結(jié)核計數(shù)器測量的粒子數(shù)濃度會出現(xiàn)驟升，通過比較驟升時間即可得由于管線長度和流量差異導(dǎo)致粒子到達(dá)兩個設(shè)備的時間差。

設(shè)置云凝結(jié)核計數(shù)器中云室兩端的溫度差△T。建議至少選取6 個溫度差：2，3，5，8，11 和17K，對應(yīng)的等效過飽和度為0.07%～1.2%。待云室穩(wěn)定后檢測硫酸銨粒子活化率。建議利用活化率為50%的粒徑D50代替臨界干粒徑DCN。通過調(diào)整篩選粒徑，當(dāng)云凝結(jié)核計數(shù)器測得濃度為CPC 的50%時，即認(rèn)為此時粒徑為D50[12]。根據(jù)粒子到達(dá)時間差匹配不同粒徑下兩種設(shè)備的觀測結(jié)果，通過兩者相除計算活化率。得到不同云室兩端溫度差△T 下的臨界活化粒徑D50后，計算可得不同△T 下的等效過飽和度。對△T 和等效過飽和度進(jìn)行線性擬合得到的斜率和截距，將擬合結(jié)果輸入標(biāo)定軟件。

3.4 光學(xué)計數(shù)器標(biāo)定

啟動云凝結(jié)核計數(shù)器主機并關(guān)閉液體供應(yīng)泵，設(shè)定運行條件為低過飽和度0.1%，并開始通氣干燥。將2.0μm PSL 標(biāo)準(zhǔn)顆粒加入氣溶膠發(fā)生器內(nèi)并和樣氣進(jìn)氣口連接。注意軟件顯示的CCN 粒徑分布，若2.0μm 附近粒子濃度較高，表明標(biāo)定效果較好；否則表明OPC 可能污染，需要進(jìn)行清理并再次標(biāo)定。

若1st Stage Mon 為5.0V 或接近5.0V，表明OPC 可能存在霧化現(xiàn)象，此時可用罐裝空氣干燥OPC。關(guān)閉電源，拆下束流收集器螺絲，并用干潔空氣清潔OPC。用空氣罐輕吹幾次，如果OPC 有霧化現(xiàn)象，噴進(jìn)氣體時會從其內(nèi)部出現(xiàn)水霧。持續(xù)短時間多次吹氣，直至不再有水霧出現(xiàn)。重新安裝束流收集器，打開電源，確認(rèn)1st Stage Mon 已恢復(fù)到正常工作值（＜0.4），必要時可重清潔步驟。

4 結(jié)論

本文總結(jié)了美國DMT 公司云凝結(jié)核計數(shù)器的維護(hù)和標(biāo)定方法，可為使用提供參考。在維護(hù)過程中，需注意供水、漏液和氣路檢查，關(guān)注流量和OPC 霧化狀況，根據(jù)需要及時標(biāo)定或清潔。建議至少每年進(jìn)行1 次流量、壓力、過飽和度和光學(xué)計數(shù)器的標(biāo)定。