Le DMA, fonction de transfert et comparaison à un SMPS

Les DMA ayant été construit en Suède par le laboratoire de physique nucléaire de Lund, une première série de test y a été effectuée. Seulement, ne possédant pas de DMA de référence, il n’a pas été possible de déterminer avec précision les caractéristiques des DMA. Toutefois, le critère

* certaines températures varient avec la taille des particules

principal pour une mesure en tandem est qu’ils doivent échantillonner de la même manière afin que l’on n’ait pas de variation artificielle du diamètre des particules entre les DMA. Ce critère a été vérifié en Suède, et encore une fois après leur arrivé au LaMP. Ces dernières mesures sont présentées sur la figure 4.3.6. On peut voir que le maximum de concentrations échantillonnées par le DMA2 est atteint pour le diamètre échantillonné par le DMA1. Ainsi, les deux DMA échantillonnent bien la même taille de particules.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0 10 20 30 40 50 60 70 8

Diamètre de mobilité électrique équivalent

C PC 2 /C PC 1 0

Figure 4.3.6 : Fonction de transfert des DMA en tandem pour un échantillonnage à 30 et 50 nm du DMA1.

Il faut bien noter que ces mesures représentent la fonction de transfert du DMA1 convolutée avec celle du DMA2. Elles représentent en fait la fonction de transfert du système de DMA en tandem. On peut voir que cette fonction de transfert n’est pas tout à fait symétrique et est décalée vers les gros diamètres. Mais ceci est tout à fait en accord avec la théorie qui prévoit une gamme de taille de 25 à 38 nm et de 41 à 63 nm pour un échantillonnage à 30 et 50 nm sur le DMA1. De plus, le programme « TDMAfit » donne des facteurs d’enrichissements proche de 1 donc les particules sont bien conservées entre les DMA. Toutefois, on notera un écart type de 1.7 ce qui est plutôt élevé. Seulement, il faut considérer le fait que le β du DMA 1 est de 0.2 qui est la limite supérieure de fonctionnement. De plus, cet écart type est en fait l’écart type résultant du passage de l’aérosol au travers de deux DMA. En conclusion, on peut dire que les DMA fonctionnent convenablement avec un rendement correct.

Dans un deuxième temps, afin d’affiner notre technique de mesure du spectre dimensionnel, le fonctionnement du VTDMA en mode DMPS (Differential Mobility Particle Sizer) a été comparé à un SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer). Cette fonction utilise seulement la première partie du VTDMA : le chargeur, le premier DMA et le premier CPC. Cette comparaison a été faite en laboratoire et sur un site pollué périurbain près de la ville de Strasbourg avec un SMPS (Modèle 8010 avec un CPC 3025) prêté par Laurent Gomes de Météo France. Les mesures SMPS sont obtenues avec un « Total scan time » de 300 secondes, un débit du CPC 3025 en mode « Low Flow » et une résolution de 64 diamètres/décade entre 15 et 750 nm. L’inversion des données est directement effectuée par le logiciel que TSI fourni avec l’appareil. Le spectre dimensionnel du VTDMA est obtenu en sélectionnant 16 diamètres, choisis entre 20 et 600 nm avec une croissance logarithmique, et un temps de comptage de 12 secondes pour chaque diamètre. Les résultats sont présentés sur la figure suivante.

Figure 4.3.7 : Spectre dimensionnel en laboratoire le 8/05/2003 obtenu avec le SMPS courbes 1, 2 et 4, et le VTDMA

en mode DMPS courbe 3 (12 secondes de temps de comptage).

En raison de la faible concentration de particules sur le site du puy de Dôme lors de la mesure, le nombre de particules mesuré pour chacun des diamètres SMPS est très variable (cf. fig. 4.3.7, courbe “raw data”). Les données ont donc été intégrées en faisant une moyenne glissante sur 9 gammes de diamètre (cf. fig. 4.3.7, courbe « running 9dp ») entre 15 e 600 nm.

La mesure faite par le VTDMA sous-estime les concentrations mesurées par le SMPS d’environ 20% surtout pour les diamètres inférieurs à 80 nm. Par contre, étant donné la faible concentration de particules atmosphériques, on peut dire que la mesure du VTDMA est assez fiable.

L’inversion des données du VTDMA se fonde sur une courbe d’efficacité théorique d’un autre CPC 3010. Après la campagne au sommet du Puy de Dôme, une série de contrôle sur le CPC a permis de montrer qu’un défaut de fabrication limite le débit à 0.7 l min^-1 au lieu du 1 l min^-1 donné par le constructeur. Ce défaut affecte l’efficacité de comptage du CPC comme le montre la figure 4.3.8.

Figure 4.3.8 : Efficacité de

mesure du CPC 3010 à 0,7 l/min.

Ainsi, la concentration mesurée par ce compteur est affectée d’une erreur du 10 à 15% pour les tailles entre 30 et 100 nm. De plus, le CPC n’atteint 50 % d’efficacité de mesure que pour un diamètre de 25 nm.

Les données présentées devront donc être recalculées sur la base d’une nouvelle courbe d’efficacité. Ceci a déjà été effectué mais les données de la campagne de mesures au Puy de Dôme correspondant aux mois d’avril et de mars n’ont pas encore été retraitées.

Par la suite, le compteur a été substitué par un autre modèle TSI 3010 dont le débit est de 1 l/min et dont la courbe d’efficacité est celle présentée dans le paragraphe sur le calibrage des CPC 3010.

Une autre campagne de mesure (Interreg III à Strasbourg) a été faite ensuite avec le SMPS et le VTDMA avec dans ce cas 6 secondes de temps de comptage. La comparaison des deux spectres dimensionnels mesurés par ces analyseurs est présentée sur la figure 4.3.9.

Figure 4.3.9 : Spectre dimensionnel à Strasbourg le 21/5/03. Les courbes 1, 2 et 4 proviennent du SMPS, et la courbe

3 du VTDMA en mode DMPS (6 secondes de temps de comptage).

Cette figure montre des conditions de concentrations de particules plus élevées (de l’ordre de 2000 particules.cm^-3 au total), et un très bon accord entre le SMPS et le VTDMA. Les légères différences peuvent être expliquées par des différences dans la façon dont fonctionnent ces deux systèmes.

La caractéristique qui distingue les deux compteurs n’est pas seulement le Dp_50%, mais aussi le débit en aspiration. Le CPC 3025 utilise un débit d’échantillonnage de 0.3 l/min avec une possibilité d’échantillonner à 3 l/min, alors que le 3010 à un débit de 1 l/min. Par suite, les deux DMA des deux appareils travaillent avec un débit d’air porteur différent (3 l/min pour le SMPS et 10 l/min pour le VTDMA), mais surtout avec un β différent (0,1 pour le SMPS et 0,2 pour le premier DMA du VTDMA). Ainsi, l’efficacité d’échantillonnage du DMA est meilleure pour le SMPS que pour le VTDMA. Toutefois, les DMA du SMPS et du VTDMA sont de géométrie et de conception différente. Celui du SMPS est de type« long » plus approprié pour des particules plus grosses que celles analysées ici, tandis que celui du VTDMA de type « moyen » est tout à fait dans sa gamme de mesure. Mais la fenêtre très large d’échantillonnage (b = 0.2) pour le VTDMA ayant tendance à lisser la mesure, cela explique mieux les différences entre les deux spectres dimensionnels.

Naturellement, on a effectué de nombreuses mesures (qui ne sont pas présentés ici) en laboratoire en faisant varier les paramètres du VTDMA, mais on n’a pas trouvé de variations importantes dans les résultats. Par exemple, on a fait varier le nombre de diamètres sélectionnés et le temps de comptage pour chaque diamètre, soit 16-32-64 diamètres (entre 15 et 600 nm) avec des temps de comptage de 2-5-15 seconds. La différence la plus importante qu’on ait remarqué est un profil plus irrégulier de la courbe du spectre dimensionnel quand on augmente le nombre de diamètres. La mesure faite avec 64 diamètres est celle qui ressemble le plus à celle du SMPS.

Le fonctionnement du VTDMA en mode DMPS est donc satisfaisant. Ceci est d’autant plus intéressant qu’on arrive à avoir à peu près la même mesure qu’un SMPS (sans aucun traitement des données) avec un temps d’échantillonnage plus faible. En effet, 16 diamètres à 12 secondes de temps de comptage donnent 200 secondes environ d’analyse du spectre dimensionnelle de l’aérosol avec le VTDMA alors qu’il en faut 300 pour le SMPS. Mais il est aussi possible de descendre le temps de comptage tant que le comptage reste statistiquement fiable (vers 100 particules comptées) ce qui donne une mesure très rapide et efficace.

Pour des applications spéciales, c’est à dire lorsque la mesure VTDMA est axée essentiellement sur le spectre dimensionnel, il est possible de travailler de manière à simuler totalement le spectre SMPS. Dans ce cas, la mesure durera beaucoup plus longtemps. Par exemple, avec 64 diamètres et un temps de comptage de 12 secondes, une mesure prend 10 à 15 minutes.