Buchholz, Bernhard (2014)
Entwicklung, Primärvalidierung und Feldeinsatz neuartiger, kalibrierungsfreier Laser-Hygrometer für Forschungsflugzeuge.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (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, kom-plett 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 Speziallösun-gen 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.

Frage zum Eintrag

Redaktionelle Details anzeigen