2. Dispositifs expérimentaux
2.3. Calibrages des systèmes HTDMA et VHTDMA
2.3.3. Calibrages réalisés au Laboratoire ou sur les sites de mesure
2.3.3.1. Calibrage avec du NaCl
Le VHTDMA a été calibré a plusieurs reprises depuis son développement. Ces mesures de calibrage sont primordiales pour s'assurer que l'appareil fonctionne correctement. Elles se sont déroulées principalement avant que l'appareil ne parte en campagne de mesure mais aussi après que ce dernier ait subit des modifications matérielles (nettoyages des DMAs ou modification de la boucle d'humidification par exemple) et/ou logicielles (calibrage des alimentations haute tension). Lors de campagnes de mesures, si le calibrage a eu lieu avant, on se contente de réaliser quelques points à 90% d'humidité pour vérifier que le déplacement de l'appareil ainsi que les nouvelles
résultats in situ sont corrects et valides, cela nous permet de ne pas réaliser à nouveau l'humidogramme en entier car cela demeure une opération qui nécessite beaucoup de temps. En effet, les variations d'humidité que l'on impose à l'appareil nous imposent d'attendre une certaine stabilisation avant d'obtenir des mesures fiables. A raison de plusieurs dizaines de minutes par palier, la réalisation d'un humidogramme demande plusieurs heures.
Figure 12 : Humidogramme réalisé à l'aide du VHTDMA avec du chlorure de sodium.
La Figure 12 représente un humidogramme réalisé avec du Chlorure de Sodium (NaCl) pur à 99.99% à D0=100nm. L'humidité à l'intérieur de la boucle humide (DMA2) a été augmentée par palliers successifs. A l'approche du point de déliquescence (RH=75% pour NaCl), nous avons diminué les paliers pour obtenir une meilleure précision. Il y a plus de points représentés autour de RH=90% car c'est le mode de fonctionnement standard du VHTDMA.
Les résultats présentés sur cette figure nous montrent que l'appareil mesure de manière correcte les variations de taille des aérosols soumis à des variations d'humidité relative.
2.3.3.2. Calibrage du HTDMA avec du (NH4)2SO4
De la même manière que le VHTDMA, le HTDMA a subit à plusieurs reprises des mesures de calibrages. Afin de suivre les recommandations EUSAAR, les calibrages sont réalisés avec du Sulfate d'Ammonium (AS ou (NH4)2SO4). Cependant, le principe est rigoureusement identique. Le sulfate d'ammonium est un sel inorganique dont le comportement hygroscopique a été à de nombreuses reprises mesuré et est largement documenté. Les différences notables avec les courbes théoriques du sulfate d'ammonium et celle du chlorure de sodium sont d'une part la position du point de déliquescence, plus élevée pour le sulfate d'ammonium (DRH ≈ 80% au lieu de 75% pour le NaCl, et d'autre part une hygroscopicité plus faible (GF90% théorique ≈ 1.7 contre 2.35 pour le NaCl).
Cependant, comme nous l'avons déjà précisé dans le paragraphe 3.2.4 (Avantages et inconvénients des 2 systèmes : HTDMA / VHTDMA), le fonctionnement même du HTDMA ne nous permet pas, ou très difficilement de réaliser un humidogramme de la même manière que le VHTDMA du fait du temps nécessaire à la stabilisation de l'humidité lors des changements d'humidité.
La Figure 13 présente un humidogramme réalisé avec du sulfate d'ammonium pur à 99.99% (pureté fournie par le fournisseur, SIGMA ALDRICH) à D0=100nm sur le site du puy de Dôme sur 2 journées successives (croix bleues) ainsi que des mesures effectuées plus régulièrement soit à l'humidité de fonctionnement standard (≈90%), soit lors de mesure à humidité faibles (points noirs).
On observe assez clairement que l'humidogramme réalisé ne s'ajuste pas correctement avec la théorie (courbe rouge). Le point de déliquescence semble se situer aux alentours de RH≈77% au lieu de 80% pour la théorie. Les points situés en dessous du point de déliquescence présentent encore une certaine hygroscopicité (1.1<GF<1.8) au lieu d'un GF proche de 1. Entre 80% et 90% d'humidité relative, les points suivent la courbe théorique avec un écart de -0.05 point par rapport au GF théorique. A partir de 90% d'humidité, on observe une grande variabilité du GF mesuré par rapport à la théorie. Cela vient, comme expliqué précédemment, du système d'humidification. Pour atteindre 90% dans la seconde boucle DMA, le système d'humidification envoie une grande quantité d'eau via le flux d'aérosol. Celui-ci arrive donc dans le 2nd DMA avec une humidité
Figure 13 : Humidogramme réalisé à l'aide du HTDMA avec du sulfate d'ammonium.
Pour obtenir des mesures correctes, nous nous abstenons de faire varier l'humidité dans le système. En condition normale de fonctionnement, la seconde boucle du HTDMA se trouve à 90% d'humidité et demeure relativement stable. Une fois la stabilité acquise, nous connectons simplement l'inlet du HTDMA à un nébuliseur qui génère une population d'aérosol composée de sulfate d'ammonium. Ce sont les points noirs que l'on peut observer sur la courbe rouge aux alentours de 90% d'humidité.
Pour calibrer le HTDMA, nous avons également dû réaliser des mesures à faible humidité pour vérifier que le 1er DMA (sélection) et le 2nd DMA (mesure) étaient correctement calibrés. Grâce à ces mesures à faible humidité ("dry scans"), nous avons aussi pu obtenir des résultats. Ce sont les points noirs situés sur la courbe rouge entre 30 et 70% d'humidité.
A partir du cadre noir centré sur 90% d'humidité, nous avons réalisé un zoom afin de mieux apprécier les résultats de ces mesures de calibrage. Sur la Figure 14, on observe clairement que les mesures réalisées en conditions d'humidité stables sont relativement précises. Cela indique que le HTDMA, en condition de stabilité, fournit d'excellents résultats de mesure d'hygroscopicité, avec une erreur relative moyenne de 0.3% lors des calibrations au sulfate d'ammonium.
Figure 14 : Humidogramme réalisé à l'aide du VHTDMA avec du chlorure de sodium (zoom réalisé sur la zone proche de 90% d'humidité).
2.3.3.3. Estimation du biais de la mesure des aérosols
Afin de prendre en compte le biais qu'il pourrait exister entre la mesure de la taille de l'aérosol dans le premier DMA (sélection) et la mesure de l'aérosol dans le second DMA après le/les conditionnements (humidification et/ou volatilisation), il est important de réaliser régulièrement des mesures dites "shift test". Pour ce faire, nous mesurons l'écart entre les résultats obtenus sans conditionnement (T° ambiante et humidité relative <20%) avec la valeur demandée ("setpoint"). Par exemple nous demandons au premier DMA de sélectionner des particules de 100nm et nous vérifions sur le second DMA que le mode mesuré est bien centré autour de 100nm.
La présence d'un biais important (Δtaille > dizaine de nanomètre) est rare et vient généralement d'un mauvais équilibre des différents flux d'air à l'intérieur du système et se corrige assez facilement. Il peut également être dû à un mauvais calibrage des alimentations à hautes tensions ou encore d'une mauvaise estimation du temps de transfert entre la sélection d’une taille de particule par le DMA et sa détection par le CPC.
La présence d'un biais plus faible (Δtaille de l'ordre de 2nm pour D0=100nm) est plus commune et ne nécessite pas d'intervention sur l'appareil. On modifie simplement le calcul de la croissance hygroscopique en remplaçant D0 par le diamètre mesuré lors de
%) 10 ( 0 %) 90 ( %) 90 ( ≤ ≈ = D D HGF p
2.4. Conclusions
Dans ce chapitre, nous avons décrit le mode de fonctionnement des appareils qui nous ont permis de générer des aérosols synthétiques (sels, suies) ainsi que des appareils de mesure de l'hygroscopicité, développés et construits au sein du LaMP et calibrés lors de plusieurs campagnes.
Le VH-TDMA a participé à plusieurs campagnes de mesures en laboratoire (LaMP, janvier 2007 au PSI (Paul Scherrer Institut) pour le calibrage initié par EUSAAR, avril 2007 au LCP (Laboratoire Chimie Provence), juin 2007 au LISA (Laboratoire Inter-universitaire des Systèmes Atmosphériques), novembre 2007 au IMK-AA (Institut für Meteorologie und Klimaforschung- Atmosphärische Aerosolforschung) lors de la campagne AIDA et lors de la campagne PIREP en août 2008 au LaMP) ou en atmosphère réelle comme en avril 2008 à San Pietro Capofiume lors de la campagne EUCAARI, en juillet 2008 lors la campagne FORMES à Marseille, en janvier 2009 lors de la campagne FORMES Grenoble. Le H-TDMA a participé à la campagne de calibrage au PSI en février 2008 et se trouve désormais dans la station de mesure du LaMP située au sommet du puy-de-Dôme.
Ces deux instruments ont montré de bons résultats lors des différentes campagnes de calibrage. Les principales difficultés demeurent le contrôle de la stabilité de la température à l'intérieur du système, encore trop souvent difficile à obtenir à cause des variations de température ambiante. Le contrôle de l'humidité demeure également un problème dont la majeure partie des causes est liée aux problèmes de température. Le fonctionnement des DMA reste quant à lui très satisfaisant au regard des résultats obtenus lors de calibrages réalisés en laboratoire.