smps/cpc comparisons beachon 2012

14
10/14/2012 1 Update on SMPS/CPC comparisons at BEACHONRoMBAS 2012 1. Deployed 5 different SMPSs and 3 standalone CPCs at RoMBAS SMPS: TSIKr, TSIXray, Custom, BMI, Grimm Often only 1 SMPS at a field site, used to “determine” CE Opportunity to see how well that may work out Basic check: compare total number concentrations 2. Reminder of where we stood at the end of campaign 3. Identification of some of the problems 4. Moral of the story Brett Palm, JoseLuis Jimenez University of ColoradoBoulder AMS Users Meeting 13Oct2012 1 As shown at 2011 AMS Users Mtg 2 Number Concentration Factor of x5 between instruments None of SMPS agree with CPC!

Upload: others

Post on 17-Mar-2022

3 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

10/14/2012

1

Update on SMPS/CPC comparisons at BEACHON‐RoMBAS 2012

1. Deployed 5 different SMPSs and 3 stand‐alone CPCs at RoMBAS• SMPS: TSI‐Kr, TSI‐Xray, Custom, BMI, Grimm• Often only 1 SMPS at a field site, used to “determine” CE• Opportunity to see how well that may work out• Basic check: compare total number concentrations

2. Reminder of where we stood at the end of campaign3. Identification of some of the problems4. Moral of the story

Brett Palm, Jose‐Luis JimenezUniversity of Colorado‐Boulder

AMS Users Meeting 13‐Oct‐2012

1

As shown at 2011 AMS Users Mtg

2

Number Concentration

Factor of x5 between instrumentsNone of SMPS agree with CPC!

10/14/2012

2

As shown at 2011 AMS Users Mtg

Three different CPC models match  taken to be “true” int. number density

Compared to CPCs:SMPS #4 and #5 are too highSMPS #1 matches except for afternoonsSMPS #2 and #3 are too low

3

SMPS#1: CPCs have a lower size cutoffNucleation during afternoons

Small particle losses in SMPS explain afternoon deviations

10/14/2012

3

SMPS#1: CPCs have a lower size cutoffNucleation during afternoons

Small particle losses in SMPS explain afternoon deviations

Investigating SMPS #2: dN/dlogDm

scans compared to SMPS #1• Three different (and stable in time) size distributions on 8/12/11• Residence time in SMPS #2 inlet was much longer than in SMPS #1 inlet large losses of 

small particles in inlet

6

12x103

8

4

0

dN/d

logD

m

2 3 4 5 6100

2 3 4 5 6

Dm

8/12/2011 15:16

15x103

10

5

0

dN/d

logD

m

2 3 4 5 6100

2 3 4 5 6

Dm

8/12/2011 21:56

2500

2000

1500

1000

500

0

dN/d

logD

m

2 3 4 5 6100

2 3 4 5 6

Dm

8/12/2011 00:00

SMPS #1 SMPS #2

10/14/2012

4

Empirical Correction Function for SMPS #2 dN/dlogDm

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

% T

rans

mitt

ance

3 4 5 6 7 8 9100

2 3 4 5 6 7

Dm7

SMPS #2: After size‐dependent correction

8

12x103

8

4

0

dN/d

logD

m

2 3 4 5 6100

2 3 4 5 6

Dm

8/12/2011 15:16

15x103

10

5

0

dN/d

logD

m

2 3 4 5 6100

2 3 4 5 6

Dm

8/12/2011 21:56

2500

2000

1500

1000

500

0

dN/d

logD

m

2 3 4 5 6100

2 3 4 5 6

Dm

8/12/2011 00:00

SMPS #1 SMPS #2

10/14/2012

5

Integrated Number after SMPS #2 size‐dependent correction

9

Integrated Volume after SMPS #2 size‐dependent correction

10

10/14/2012

6

As shown at 2011 AMS Users Mtg

Three different CPC models match  taken to be “true” int. number density

Compared to CPCs:SMPS #4 and #5 are too highSMPS #1 matches except for afternoonsSMPS #2 and #3 are too low

11

Direct Comparisons of SMPS #1, #3‐5 w/ CPC

12

DMA set to a one size

SMPS #1, #3, #4, #5

CPCAmmonium sulfate from atomizer

• Compare CPC counts to integrated SMPS counts• Compare DMA‐selected particle size to measured SMPS size

10/14/2012

7

1500

1000

500

0

cm-3

4:00 PM8/28/2011

4:15 PM 4:30 PM

Integrated SMPS Number Concentration (1nm - 1000nm only) CPCcounts

25nm

50nm

125nm

280nm

SMPS #1 vs. CPC

13

• Decent agreement in size and integrated number

SMPS #4 vs. CPC• Selected vs. measured size matches, but integrated number density does not

14

100nm                         200nm                            50nm                     20nm

10/14/2012

8

As shown at 2011 AMS Users Mtg

Three different CPC models match  taken to be “true” int. number density

Compared to CPCs:SMPS #4 and #5 are too highSMPS #1 matches except for afternoonsSMPS #2 and #3 are too low

15

SMPS #5 vs. CPC• Neither size nor integrated number density match• Known problem: a TSI X‐Ray neutralizer was used, which produces a more symmetrical 

equilibrium charge distribution (see next slide). This means the software inversion is wrong, resulting in ~15‐40% higher particle number density measured

• Unknown problem: why do selected and measured particle sizes not match?

16

16x103

14

12

10

8

6

4

2

0

Num

ber

Den

sity

(cm

-3)

6:00 PM8/23/2011

6:10 PM 6:20 PM

SMPS #5 CPC counts

20nm selected by CU DMA(<14.6nm meas. by LANL)

50nm selected(37.2nm meas.)

280nm selected(216.7nm meas.)

100nm selected(73.7nm meas.)

10/14/2012

9

Slides from a TSI Webinar: X‐Ray vs Krypton Source

17

18

Slides from a TSI Webinar: X‐Ray vs Krypton Source

10/14/2012

10

SMPS #3 vs. CPCStill working on this comparison, but there was definitely a software or user error in converting dN/dLogDp to integrated number.  More to come…

19

What’s going on?• Nobody gets funded to bring an SMPS to a field campaign, or gets 

excited about its data (e.g. good luck recruiting a good PhD student to do SMPS measurements!)

• In a field study, people tend to take SMPS out of the box, set it up, and not pay much attention to it as they work on the more scientifically interesting instrument they really care about‐ Unfortunately SMPSs can have many problems and still produce reasonably‐

looking concentrations and size distributions.  Most users won’t even notice!‐ I’d estimate the probability of a problem is ~90% for unattended SMPS

• AMS users need to be the exception because of the need of high‐quality SMPS measurements for comparison

Moral of the Story

20

SMPS #4: Inversion routine error

SMPS #5: known X‐Ray source 

problem + unknown size issue

SMPS #3: software / user error?

SMPS #2: Transmission loss + CPC problem

• Always use 2+ independent measurements to compare to AMS (especially if trying to determine CE). 

• Need to ALWAYS compare number and calibrate size on SMPS• Even “routine” instruments are wrong more often than not.

SMPS #1: Not seeing nucleation particles

10/14/2012

11

BACKUP SLIDES

21

Summary• 5 SMPSs from 5 experienced groups at same location– 1 working OK (not seeing nucleation particles, as expected)

– 1 losing particles < 200 nm due to both long inlet and CPC issues

– 1 likely has error in inversion software

– 1 has too many particles due to TSI X‐Ray charging efficiency, also unknown sizing problem

– 1 unclear, but maybe sofware / user error

• Moral of the story: you always want TWO independent measurements to compare to AMS

22

10/14/2012

12

Integrated Volume after SMPS #2 size‐dependent correction (zoom)

23

Number Comparison #1 vs #2

24

10/14/2012

13

Volume Comparison #1 vs #2

25

SMPS #2 now matches CPCs and SMPS #1

26

What about SMPS #3, #4, #5?

10/14/2012

14

27

Slides from a TSI Webinar: X‐Ray vs Krypton Source