云凝結核計數器運行維護與標定流程

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、環境和人體健康產生重要影響[1-2]。氣溶膠可以充當云凝結核（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]。提升云凝結核的觀測準確性是研究其氣候和環境效應的關鍵因素。

云凝結核計數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） 公司設計制造的云凝結核計數器（Cloud Condensation Nuclei Counter，CCNC），它是在Roberts 等[4]有關恒流熱梯度云室的研究工作基礎上，根據水汽擴散大于熱擴散速率的原理產生過飽和度，并測量活化為CCN 的粒子濃度。與其他設備相比，DMT 的云凝結核計數器可靠性較高[5]，國內外利用其進行了大量地面和飛機觀測[6-10]。但其性能受儀器參數和外界環境影響[5,11]，為保障數據質量，需定期對設備進行現場標定。

本文將基于設備操作手冊（www.dropletmeasurement.com）、國內外資料以及長期云凝結核計數器運維標定經驗，詳細總結維護和標定方法及注意事項，為云凝結核計數器的運維保障提供參考。

2 設備介紹與維護方法

2.1 設備介紹

云凝結核計數器的核心部件是柱狀連續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部溫度線性增加，形成溫度梯度，同時云室內壁通過去離子水流維持濕潤，根據熱擴散與水汽擴散的速率差異實現過飽和。環境大氣進入設備后被分為樣流和鞘流，其中鞘流經過濾加濕去除氣溶膠，包裹樣流進入云室。粒子在設定的過飽和度下活化，進入云室下方的光學計數器（Optical Particle Counter，OPC）進行計數（圖1）。

圖1 云凝結核計數器結構簡圖

2.2 維護方法

云凝結核計數器的日常運行中應時常巡視，檢查是否有漏液現象；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；檢查過濾器和光學計數器干燥劑指示劑顏色并及時更換；檢查系統中樣流、鞘流值，如不在正常范圍需進行校準；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，并對設備進行標定（圖2）。

圖2 云凝結核計數器維護項目概覽

3 標定流程

對云凝結核計數器的標定包含流量、壓力、過飽和度和光學計數器標定。標定過程中，需要用到容積式位移流量計、氣壓校準計、氣溶膠發生器、差分電遷移率分析儀、超細凝聚核粒子計數器等設備和電源、管線等常用工具。

3.1 流量標定

連接云凝結核計數器與容積式位移流量計，對樣氣和鞘氣進行校準標定。

3.1.1 樣流標定

將容積式位移流量計連接到設備進氣口，并關閉鞘氣流量計量閥（圖3）。在標定軟件中單擊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，調節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。由于已將回歸系數設置為1 和0，故Sample Flow 實際顯示樣本流量差壓傳感器的電壓值。75Vccm測量結束后，調節流量，并記錄流量計60、45、30 和20Vccm 的Sample Flow 和Volts 值。對5 組Sample Flow和Volts 值進行線性回歸（Sample Flow 為Y，Volts 為X），確認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。調節樣流至45Vccm，確認讀數與流量計基本一致。

圖3 鞘氣流量計量閥示意圖

3.1.2 鞘流標定

將容積式位移流量計連接到設備進氣口，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，調節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 測量結束后，調節流量，記錄流量計600、450、300 和200Vccm 的Sheath Flow 和Volts 值。對Sheath Flow 和Volts 值進行線性回歸，確認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。關閉Manual Override 選項，設置流量為500Vccm，流量比為10:1。用流量計測量實際樣氣和鞘氣，并與設備上顯示的值進行比較。誤差應在5%以內，否則重復標定程序。

3.2 壓力標定

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

3.3 過飽和度標定

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可推斷云室內的等效過飽和度。建議使用馬楠等[12]改進后的過飽和度標定方法。標定過程中需要用到霧化硫酸銨顆粒的氣溶膠發生器、差分電遷移率分析儀（DMA）、超細凝聚核粒子計數器（CPC）等。氣溶膠發生器輸出氣路干燥后連接DMA，通過DMA 后分別連接云凝結核計數器和CPC。

調整氣溶膠發生器的輸出流量和稀釋比例，使CPC測到的氣溶膠數濃度在1000 cm-3左右。操作中可將DMA 篩選粒徑值從0 nm 突然增大，CPC 和云凝結核計數器測量的粒子數濃度會出現驟升，通過比較驟升時間即可得由于管線長度和流量差異導致粒子到達兩個設備的時間差。

設置云凝結核計數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，對應的等效過飽和度為0.07%～1.2%。待云室穩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。通過調整篩選粒徑，當云凝結核計數器測得濃度為CPC 的50%時，即認為此時粒徑為D50[12]。根據粒子到達時間差匹配不同粒徑下兩種設備的觀測結果，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 和等效過飽和度進行線性擬合得到的斜率和截距，將擬合結果輸入標定軟件。

3.4 光學計數器標定

啟動云凝結核計數器主機并關閉液體供應泵，設定運行條件為低過飽和度0.1%，并開始通氣干燥。將2.0μm PSL 標準顆粒加入氣溶膠發生器內并和樣氣進氣口連接。注意軟件顯示的CCN 粒徑分布，若2.0μm 附近粒子濃度較高，表明標定效果較好；否則表明OPC 可能污染，需要進行清理并再次標定。

若1st Stage Mon 為5.0V 或接近5.0V，表明OPC 可能存在霧化現象，此時可用罐裝空氣干燥OPC。關閉電源，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 有霧化現象，噴進氣體時會從其內部出現水霧。持續短時間多次吹氣，直至不再有水霧出現。重新安裝束流收集器，打開電源，確認1st Stage Mon 已恢復到正常工作值（＜0.4），必要時可重清潔步驟。

4 結論

本文總結了美國DMT 公司云凝結核計數器的維護和標定方法，可為使用提供參考。在維護過程中，需注意供水、漏液和氣路檢查，關注流量和OPC 霧化狀況，根據需要及時標定或清潔。建議至少每年進行1 次流量、壓力、過飽和度和光學計數器的標定。