Upper Atmosphere Humidity Measurement with Drycap Sensor

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu | Licentiate thesis
Date
2014
Major/Subject
Optiikka ja molekyylimateriaalit
Mcode
Tfy-1
Degree programme
Language
en
Pages
xii + 83 s.
Series
Abstract
Atmospheric water vapor is a significant greenhouse gas. To gain proper understanding of the impact of water vapor on the climate, atmospheric water vapor profiles should be measured with high precision and accuracy. Due to challenging environmental conditions including extremely low temperatures and humidity concentrations, few research grade instruments are capable of measuring humidity accurately in upper troposphere and stratosphere. Laborious utilization or inadequate resolution of the existing methods necessitates a more feasible instrument for frequent use. To provide a user-friendly precision instrument for atmospheric measurements, Vaisala has launched a reference radiosonde program. In the first phase of the program, the standard Vaisala RS92 radiosonde was equipped with a Drycap humidity sensor module. Drycap is a highly sensitive capacitive polymer sensor originally developed for measuring ultra-dry gases in challenging industrial conditions. In the reference radiosonde prototype RR01, the specified measurement range of the Drycap sensor is -30 ... -90 °C in frost point temperature. This thesis describes the main branches of reference radiosonde development during 2009-2013. Various mechanical structures to protect the sensor from turbulence were studied by modelling and field testing. Compensation algorithms were developed to eliminate systematic measurement error. Measurements were conducted at various sites around the globe to examine the performance in different environmental conditions. The results show that Drycap is a promising technology for measuring small concentrations of water vapor in upper troposphere and stratosphere. The project succeeded in improving the performance of the prototype. The residual measurement bias relative to the chilled mirror instrument could not be completely eliminated and should be addressed in future work.

Ilmakehän vesihöyry on merkittävä kasvihuonekaasu. Vesihöyryn ilmastovaikutusten selvittämiseksi ilmakehän kosteusprofiilit tulee mitata mahdollisimman tarkasti ja luotettavasti. Erittäin matalan lämpötilan ja alhaisen vesihöyrypitoisuuden vuoksi vain harvat mittalaiteet pystyvät mittaamaan kosteutta tarkasti ylätroposfäärin ja alastratosfäärin haastavissa olosuhteissa. Nykyisten mittausmenetelmien huonon käytettävyyden tai riittämättömän resoluution vuoksi tarvitaan käyttökelpoisempi mittalaite usein tehtäviä mittauksia varten. Tarjotakseen käyttäjäystävällisen tarkkuusinstrumentin ilmakehämittauksiin Vaisala Oyj on käynnistänyt referenssiradiosondiohjelman. Ohjelman ensimmäisessä vaiheessa Vaisalan RS92-radiosondiin lisättiin Drycap-kosteusanturimoduli. Drycap on erittäin kuivien kaasujen kosteuden mittaamiseen tarkoitettu kapasitiivinen polymeerianturi, joka on alun perin kehitetty vaativaan teollisuuskäyttöön. RR01- referenssiradiosondiprototyypissä Drycap:n määritetty huurrepistemittausalue on -30 ... -90 °C. Tämä työ kuvaa referenssiradiosondikehitystä vuosina 2009-2013. Työssä tutkittiin erilaisia mekaanisia rakenteita, jotka suojaavat anturia turbulenssilta ja vesipartikkeleilta. Kompensaatioalgoritmeja kehitettiin systemaattisen mittausvirheen eliminoimiseksi. Mittauksia suoritettiin useassa paikassa eri puolilla maapalloa ympäristöolosuhteiden vaikutusten tutkimista varten. Tulokset osoittavat, että Drycap on lupaava teknologia pienten kosteuspitoisuuksien mittaamiseen ylätroposfäärissä ja alastratosfäärissä. Projektin aikana onnistuttiin parantamaan RR01-prototyypin suorituskykyä. Referenssiradiosondin ja peilihygrometrin mittaustulosten jäljelle jäänyttä erotusta tulisi tutkia jatkossa lisää.
Description
Supervisor
Ikkala, Olli
Thesis advisor
Kivi, Rigel
Backman, Leif
Keywords
yläilmakehä, radiosondi, anturi, vesihöyry, kosteusmittaus, upper atmosphere, radiosonde, sesor, water vapor, humidity measurement
Other note
Citation