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Entwicklung, Primärvalidierung und Feldeinsatz neuartiger, kalibrierungsfreier Laser-Hygrometer für Forschungsflugzeuge

Buchholz, Bernhard :
Entwicklung, Primärvalidierung und Feldeinsatz neuartiger, kalibrierungsfreier Laser-Hygrometer für Forschungsflugzeuge.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Entwicklung, Primärvalidierung und Feldeinsatz neuartiger, kalibrierungsfreier Laser-Hygrometer für Forschungsflugzeuge
Language: German
Abstract:

Wasserdampf zählt, als das zentrale atmosphärische Kopplungselement fast aller mikroskopischen (bspw. Tropfen/ Eiskristallbildung), makroskopischen (bspw. Wolken/Niederschlag) wie auch globalen Prozesse (Wasserkreislauf), zu den wichtigsten umweltphysikalischen und meteorologischen Messgrößen. Dennoch bestehen heutzutage vor allem bei flugfähigen Hygrometern immer noch erhebliche sowohl systematische (±10%) als auch dynamische (±30%) Diskrepanzen, selbst zwischen etablierten und intensiv eingesetzten Hygrometern. Ein möglicher Grund hierfür ist deren fehlende Ankopplung an die internationale metrologische Feuchteskala, die je nach Bereich mit einer metrologischen Unsicherheit von ca. 0.3% (k = 2) sehr gut definiert ist und sich als Referenz gut zur Herstellung der Vergleichbarkeit zwischen verschiedenen Instrumenten eignen würde. Ziel dieser Arbeit war es daher, eine neue Klasse feldtauglicher, metrologisch validierter und auf die metrologische Feuchteskala rückgeführter Laser-Hygrometer zu entwickeln, die auf die sonst übliche, aber bei H2O fehleranfällige Kalibrierung verzichten und gleichzeitig über die wichtigsten für den Flugzeugeinsatz erforderlichen Eigenschaften verfügen. Dazu gehört u.a. ein sehr hoher Dynamikbereich (3–40000 ppmv H2O), hohe Messgeschwindigkeit (>>1 Hz) und hohe Präzision (<< 0.2 ppmv), kombiniert mit hoher Zuverlässigkeit und Robustheit. In der vorgelegten Arbeit entwickelt, aufgebaut, validiert und eingesetzt sind in Summe fünf verschiedene, komplett neue TDLAS-Hygrometer (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy): Eine Labor-Machbarkeitsstudie und vier für den Flugzeugeinsatz zugelassene, kleinserienähnliche, kompakte und autonome Laser-Hygrometer, nämlich zwei rein extraktive Geräte bei λ = 1.4 µm (SEALDH-I und SEALDH-II), ein komplexes Mehrphasen-Hygrometer (HAI-Ia) bei λ = 1.4 & 2.6 µm und dessen Weiterentwicklung (HAI-Ib). Zur Miniaturisierung und, um den Robustheitsanforderungen zu genügen, mussten zahlreiche Detailprobleme erforscht und dafür Speziallösungen entwickelt werden, z.B. eine hochpräzise und dennoch robuste spektrale Laserstabilisierung sowie Methoden zur ganzheitlichen Behandlung parasitärer Absorptionen in Freistrahl- wie auch fasergekoppelten Spektrometern. Zwei der dabei entstandenen innovativen Baugruppen sind bereits als Patent angemeldet. Im Zuge ausgiebiger Validierung der Hygrometer an metrologisch rückgeführten H2O-Standards unter Labor- und (hinsichtlich Temperatur, Vibrationen, Umgebungsfeuchte) flugähnlichen Bedingungen wurde der erste Vergleich eines kalibrierungsfreien TDLAS-Hygrometers mit einem nationalen H2O-Primärnormal realisiert. Dieser ergab über den gesamten „p, T, c“-Einsatzbereich eine metrologische Gesamtunsicherheit von 4.3% ±3 ppmv. In mehreren aufwändigen Messreihen wurde die Langzeitstabilität (µ = 0.2% σ = 0.3%) über 18 Monate bestimmt. Dank komplexer Stabilisierungs- und Überwachungseinrichtungen wurde der für den Feldeinsatz sehr wichtige Temperaturdurchgriff auf das Ausgangssignal des Messgerätes auf relative Änderungen von nur 0.02%/K begrenzt. Während 6 Flugkampagnen mit in Summe ca. 250 Netto-Flugstunden, ohne jeglichen Ausfall, wurde zum ersten Mal die kalibrierungsfreie Messung mittels TDLAS auf verschiedenen Forschungsflugzeugen über den kompletten troposphärischen Bereich hinweg bis in die Stratosphäre erfolgreich demonstriert. Neben Inflight-Vergleichen der extraktiven (closed-path) Hygrometer mit zahlreichen etablierten Hygrometern (z.B. CR2, WVSS-II, FISH) wurde in Kooperation mit dem FZ Jülich die erste kalibrier- und probennahmefreie Gasphasenmessung mit einer open-path White-Zelle direkt auf der Außenhaut eines Forschungsflugzeugs (HALO) realisiert. Die erstmals mit dem gleichen Messprinzip realisierte Kombination von open-path und closed-path Messung im Multiphasen-Hygrometer HAI ermöglichte die ersten direkten, synchronen Mehrphasen-H2O-Messungen in Eis-, Flüssigphasen- und Mischphasenwolken. Außerhalb von Wolken wurde erstmals die Kreuzvalidierung der open-path Messung an den metrologisch validierten closed-path Messungen mit einem Mehrkanal-Hygrometer erfolgreich (je nach Bereich < 5%) demonstriert. Mittels der open-path Zelle (HAI) wurde auch die erste kalibrierungsfreie optische Druckmessung auf einem Forschungsflugzeug realisiert und mit einem mikromechanischen Drucksensor verglichen (je nach Bereich <1%), was den ersten Nachweis bis zu 30% starker, lage-induzierter, lokaler Druckoffsets gestattete. Die hohe Präzision (HAI closed-path: ~19 ppbv im Labor bei 100 ppmv & 10 Hz, HAI closed-path: ~67 ppbv im Flug bei 10 ppmv & 10 Hz, bzw. HAI open-path: ~13000 ppbv im Flug bei 900 km/h, 6000 ppmv & 10 Hz) in Kombination mit einer effektiven Messzykluszeit von nur 1.35 ms bei 120 Hz Messdatenrate und einem bewiesenen Auflösungsvermögen hoher Gradienten von bis zu 26 000 ppmv/s der closed-path Zellen erlaubt die Untersuchung der räumlichen H2O-Feinstruktur (Δl = 35 cm bei v = 900 km/h) – insbesondere in Wolken. SEALDH-II und HAI (closed-path) zeigten während der internationalen Hygrometer-Vergleichskampagne AquaVIT-II, deren Gesamtresultate noch unter Verschluss sind, eindrucksvolle Abweichungen im niedrigen Prozentbereich (z.B. H2O-Bereich 100–1000 ppmv ~2% bzw. 20–350 ppmv ~1.3%). Durch die mittels dieser Hygrometer erstmals realisierte enge Verbindung von Meteorologie und Metrologie stehen der Atmosphärencommunity in Zukunft neue, leistungsfähige Werkzeuge für die kalibrierungsfreie, genaue, schnelle, präzise und zuverlässige Quantifizierung atmosphärischer Wassergehalte über den kompletten troposphärischen Bereich hinweg bis in die Stratosphäre zur Verfügung. Durch den Bezug zur metrologischen Feuchteskala können die Instrumente in Zukunft zur deutlichen Verbesserung der Genauigkeit und Vergleichbarkeit von Wassermessungen beitragen und als feldtauglicher Goldstandard für Messnetze dienen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Water vapor is known as the key atmospheric coupling element of almost all microscopic (e.g. formation of drop-lets/ice crystals), macroscopic (e.g. clouds/precipitation) and global processes (hydrological cycle). However, particularly for airborne hygrometers, significant systematic (±10%) and dynamic (±30%) discrepancies still remain even between established and intensively used instruments. One possible reason for this is their lack of a connection to the international metrological humidity scale. This humidity scale serves as an accurate reference for the establishment of comparability between different instruments. Typically, depending on the humidity range, the metrological uncertainty of this scale is about 0.3% (k = 2) or better. The aim of this thesis, therefore, was to develop a new class of field-qualified, metrologically validated laser hygrometers which have a direct linkage to the international humidity scale, but also avoid the usual, error-prone instrument calibration. In addition, the hygrometers should provide the most important features needed for airborne monitoring, too. This includes, inter alia, a very high dynamic range (3–40000 ppmv H2O), high measurement speed (>1 Hz), and high precision (< 0.2 ppmv) in combination with high reliability and robustness. This thesis describes the development, construction and validation of in total five different, completely new Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) hygrometers: one TDLAS hygrometer developed for laboratory feasibility studies and four compact, autonomous, and aircraft-approved laser hygrometers. The airborne spectrometers include two spectrometers at λ = 1.4 µm (SEALDH-I and SEALDH-II) with solely extractive sampling, a complex multi-phase, multi-channel hygrometer (HAI-Ia) simultaneously working at λ = 1.4 & 2.6 µm, and its further upgrade (HAI-Ib) for the most recent HALO mission. The need for a miniaturized, robust spectrometer has led to broad range of special developments e.g., highly accurate and robust spectral laser stabilization along with the holistic treatment of parasitic absorptions in free-space- as well as fiber-coupled spectrometers. Two of these innovative assemblies were filed for patent. In addition to extensive validation procedures under well-controlled laboratory and simulated (in terms of temperature, vibration, ambient humidity) flight conditions at traceable metrological H2O standards, the first side-by-side comparison and validation of a calibration-free TDLAS hygrometer with a national primary H2O standard was realized. This validation confirmed the metrologically calculated total uncertainty of 4.3% ±3 ppmv over the entire "p, T, c" range of the hygrometer. In more extensive measurement series, the long-term stability was determined over 18 months to be μ = 0.2% and σ = 0.3%. Owing to the complex stabilization and the holistic monitoring of the instrument, the unwanted temperature influence on the instrument response function – one of the most important perturbations in field situations – could be minimized to a relative H2O concentration error of only 0.02%/K. Thus, for the first time calibration-free, airborne TDLAS H2O measurements could be successfully demonstrated on various research aircrafts over the entire water vapor concentration range in the troposphere and lower stratosphere. During six flight campaigns (in total 250 net flight hours) 100% data capture and maximum reliability were achieved. This also allowed the first in-flight comparisons of the extractive (closed-path) hygrometer with many established H2O instruments (e.g. CR2, WVSS-II, FISH) and (in collaboration with Forschungszentrum Jülich) the first sampling-free gas phase measurement with an open-path White cell mounted directly on the outer fuselage of the HALO research aircraft. In addition, via the multi-phase hygrometer HAI, direct synchronous multi-phase H2O measurements in ice-, liquid-, and mixed-phase clouds could be realized for the first time with a single instrument for simultaneous open- and closed-path H2O measurements. The HAI multi-channel hygrometer also allowed the first successful cross-validation of the open-path detection with the metrologically validated closed-path spectrometer under clear-sky conditions. HAI’s open-path cell could also be employed for the first calibration-free high-speed optical pressure sensing on a research aircraft. This optical pressure sensor was compared to a micromechanical pressure sensor (deviations < 1%, depending on range). The pressure measurements showed the first evidence of strong (up to 30%) aircraft-orientation-induced local pressure offsets on the fuselage. The high precision of HAI (closed-path: lab ~19 ppbv at 100 ppmv - 10 Hz, in-flight ~67 ppbv at 10 ppmv - 10 Hz, open-path: in flight ~13000 ppbv at 900 km/h - 6000 ppmv - 10 Hz), the high time resolution (Δt = 1.35 ms at 120 Hz data rate) and the proven resolution capabilities for strong and rapid H2O gradients (up to 26 000 ppmv/s) of the closed-path cells allowed the investigation of very fine spatial H2O structures (Δl = 35 cm at v = 900 km/h) – especially in clouds. SEALDH-II and HAI (closed-path) participated in the international hygrometer comparison campaign (AquaVIT-II) and showed deviations in the low percentage range (e.g. 100–1000 ppmv H2O: average deviation ~2% 20–350 ppmv, av. ~1.3%). The overall campaign data of all hygrometers are still being investigated at KIT. In summary, these new hygrometers enable for the first time a close connection between meteorology and metrology. In the future, they will provide the atmospheric community with powerful tools for the calibration-free, accurate, fast and reliable quantification of atmospheric water contents over the entire troposphere up to the lower stratosphere. Through their linkage to the metrological humidity scale, the instruments may contribute to a significant improvement in the accuracy and comparability of water measurements and serve as field-proven gold standards for atmospheric monitoring networks. English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
Date Deposited: 26 Aug 2014 12:41
Last Modified: 06 Nov 2014 14:36
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-40209
Referees: Ebert, Prof. Dr. Volker and Jähne, Prof. Dr. Bernd and Dreizler, Prof. Dr. Andreas
Refereed: 22 July 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4020
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