Title (eng)
Characterisation of condensation particle counters for airborne measurements
Parallel title (deu)
Charakterisierung von Kondensationspartikelzählern für flugzeuggestützte Messungen
Author
Dorian Spät
Advisor
Bernadett Weinzierl
Assessor
Bernadett Weinzierl
Abstract (deu)
Kondensationspartikelzähler (CPCs) sind die am häufigsten verwendeten Instrumente
zur Messung der Anzahlkonzentrationen von Aerosolpartikeln. Sie
sind besonders wichtig im Hinblick auf den Größenbereich unter 100 nm, der
auch bei luftgetragenen Messkampagnen von Interesse sein kann. Flugzeuggestützte
Experimente erfordern jedoch, dass die eingesetzten Geräte in der Lage
sind, ihre Leistung über einen weiten Bereich von Umgebungstemperatur und
-druck aufrechtzuerhalten (z.B. bis hinunter zu 100-200 hPa). Letzteres ist bei
CPCs eine besondere Herausforderung und obwohl sich viele Studien auf die
Charakterisierung dieser Instrumente konzentrierten, untersuchte nur eine begrenzte
Anzahl ihre Leistung unter Niederdruckbedingungen. Das Ziel dieser
Arbeit ist es daher, zwei TSI 3772-CEN CPCs unter Niederdruckbedingungen
zu charakterisieren, um ein besseres Verständnis des Verhaltens der CPCs in
flugzeuggestützten Anwendungen zu erreichen und die Interpretation der Daten
zu verbessern. Zu diesem Zweck wurden Messungen der Detektionseffizienz
und der volumetrischen Durchflussrate bei verschiedenen Druckeinstellungen
zwischen 1000 und 150 hPa mit den beiden TSI 3772-CEN CPCs unter kontrollierten
Laborbedingungen durchgeführt. Verschiedene Partikelarten (Ag, NaCl
und C15H24Ox) und Durchmesser (im Bereich von 7 bis 100 nm) wurden untersucht.
Bei niedrigen Drücken wurden die CPCs ohne die Versorgungsflaschen
für die Arbeitsflüssigkeit betrieben, um eine Überflutung der Instrumente mit
n-Butanol zu vermeiden. Es wurde eine starke Abnahme der Detektionseffizienz
unter etwa 350 hPa beobachtet, was mit der Literatur übereinstimmt. Unterhalb
von 250 hPa wurden kleine Unterschiede in den Detektionseffizienzen zwischen
den beiden TSI 3772-CEN Geräten festgestellt. Zusätzlich wurde eine theoretische
Bewertung durchgeführt, um die experimentellen Daten zu erklären. Bei
niedrigen Druckbedingungen wurde ein deutlicher Unterschied zwischen den
Messungen und den Simulationsergebnissen festgestellt. In den theoretischen
Daten ist ein, den experimentellen Ergebnissen ähnlicher Abfall, bei Drücken
unter 150 hPa nur bis zu einem gewissen Grad zu erkennen. Für eine vollständige
Beschreibung der Prozesse, die in den TSI 3772-CEN CPCs bei niedrigem
Druck ablaufen, sind weitere Überlegungen erforderlich. Die Ergebnisse dieser
Studie können den Entscheidungsfindungsprozess unterstützen, um zu beurteilen,
ob der Einsatz von TSI 3772-CEN CPCs bei einzelnen Flugzeugkampagnen,
in Abhängigkeit von den geplanten Flughöhen sinnvoll ist oder nicht.
Abstract (eng)
Condensation particle counters (CPCs) are the most common instruments used
to measure number concentrations of aerosol particles. They are especially important
regarding the size range below 100 nm, which may also be a field of
interest at airborne measurement campaigns. Aircraft based experiments however,
require the deployed devices to have the ability to maintain performance
over a wide span of ambient temperature and pressure (e.g. down to 100-200
hPa). The latter is particularly challenging concerning CPCs and although many
studies focused on characterizations of these instruments, only a limited
number investigated their performance under low pressure conditions. Therefore,
the aim of this thesis is to characterize two TSI 3772-CEN CPCs at low
pressure conditions, in order to achieve a better understanding of the CPCs behaviour
in airborne applications and improve the data interpretation. To do so,
detection efficiency and volumetric flow rate measurements at various pressure
settings between 1000 and 150 hPa were performed with both TSI 3772-CEN
CPCs, under controlled laboratory conditions. Different seed particle species
(Ag, NaCl and C15H24Ox) and diameters (ranging from 7 to 100 nm) were investigated.
At low pressures, the CPCs were operated without the working fluid
supply bottles, to avoid flooding of the instruments with n-butanol. A strong
decrease in detection efficiency below about 350 hPa was observed, which is
in agreement with literature. Below 250 hPa, small differences in detection efficiencies
were found between the two TSI 3772-CEN devices. In addition, a
theoretical assessment was conducted, in an attempt to explain experimental
data. At low pressure conditions a clear difference between the measurements
and the simulation results was found. In the theoretical data, a drop similar
to the experimental results can only be seen to some extent at pressures below
150 hPa. Further deliberations are necessary for a complete description of the
processes taking place inside the TSI 3772-CEN CPCs at low pressure. The
findings of this study can support the decision making process to assess whether
the application of TSI 3772-CEN CPCs at individual aircraft campaigns is
reasonable or not, depending on planned elevations.
Keywords (eng)
condensation particle counterCPCTSI37723772-CENlow pressureairborneaircraftcharacterisationcharacterizationcalibrationexperimentalsimulationsaturation profilescutoffcondensationnucleationtube furnaceflow tube
Keywords (deu)
KondensationspartikelzählerCPCTSI37723772-CENUnterdruckFlugzeugCharakterisierungKalibrierungexperimentellSimulationÜbersättigungsprofileCutoffKondensationNukleation
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1393468
rdau:P60550 (deu)
vi, 71 Seiten : Illustrationen
Number of pages
79
Association (deu)
Title (eng)
Characterisation of condensation particle counters for airborne measurements
Parallel title (deu)
Charakterisierung von Kondensationspartikelzählern für flugzeuggestützte Messungen
Author
Dorian Spät
Abstract (deu)
Kondensationspartikelzähler (CPCs) sind die am häufigsten verwendeten Instrumente
zur Messung der Anzahlkonzentrationen von Aerosolpartikeln. Sie
sind besonders wichtig im Hinblick auf den Größenbereich unter 100 nm, der
auch bei luftgetragenen Messkampagnen von Interesse sein kann. Flugzeuggestützte
Experimente erfordern jedoch, dass die eingesetzten Geräte in der Lage
sind, ihre Leistung über einen weiten Bereich von Umgebungstemperatur und
-druck aufrechtzuerhalten (z.B. bis hinunter zu 100-200 hPa). Letzteres ist bei
CPCs eine besondere Herausforderung und obwohl sich viele Studien auf die
Charakterisierung dieser Instrumente konzentrierten, untersuchte nur eine begrenzte
Anzahl ihre Leistung unter Niederdruckbedingungen. Das Ziel dieser
Arbeit ist es daher, zwei TSI 3772-CEN CPCs unter Niederdruckbedingungen
zu charakterisieren, um ein besseres Verständnis des Verhaltens der CPCs in
flugzeuggestützten Anwendungen zu erreichen und die Interpretation der Daten
zu verbessern. Zu diesem Zweck wurden Messungen der Detektionseffizienz
und der volumetrischen Durchflussrate bei verschiedenen Druckeinstellungen
zwischen 1000 und 150 hPa mit den beiden TSI 3772-CEN CPCs unter kontrollierten
Laborbedingungen durchgeführt. Verschiedene Partikelarten (Ag, NaCl
und C15H24Ox) und Durchmesser (im Bereich von 7 bis 100 nm) wurden untersucht.
Bei niedrigen Drücken wurden die CPCs ohne die Versorgungsflaschen
für die Arbeitsflüssigkeit betrieben, um eine Überflutung der Instrumente mit
n-Butanol zu vermeiden. Es wurde eine starke Abnahme der Detektionseffizienz
unter etwa 350 hPa beobachtet, was mit der Literatur übereinstimmt. Unterhalb
von 250 hPa wurden kleine Unterschiede in den Detektionseffizienzen zwischen
den beiden TSI 3772-CEN Geräten festgestellt. Zusätzlich wurde eine theoretische
Bewertung durchgeführt, um die experimentellen Daten zu erklären. Bei
niedrigen Druckbedingungen wurde ein deutlicher Unterschied zwischen den
Messungen und den Simulationsergebnissen festgestellt. In den theoretischen
Daten ist ein, den experimentellen Ergebnissen ähnlicher Abfall, bei Drücken
unter 150 hPa nur bis zu einem gewissen Grad zu erkennen. Für eine vollständige
Beschreibung der Prozesse, die in den TSI 3772-CEN CPCs bei niedrigem
Druck ablaufen, sind weitere Überlegungen erforderlich. Die Ergebnisse dieser
Studie können den Entscheidungsfindungsprozess unterstützen, um zu beurteilen,
ob der Einsatz von TSI 3772-CEN CPCs bei einzelnen Flugzeugkampagnen,
in Abhängigkeit von den geplanten Flughöhen sinnvoll ist oder nicht.
Abstract (eng)
Condensation particle counters (CPCs) are the most common instruments used
to measure number concentrations of aerosol particles. They are especially important
regarding the size range below 100 nm, which may also be a field of
interest at airborne measurement campaigns. Aircraft based experiments however,
require the deployed devices to have the ability to maintain performance
over a wide span of ambient temperature and pressure (e.g. down to 100-200
hPa). The latter is particularly challenging concerning CPCs and although many
studies focused on characterizations of these instruments, only a limited
number investigated their performance under low pressure conditions. Therefore,
the aim of this thesis is to characterize two TSI 3772-CEN CPCs at low
pressure conditions, in order to achieve a better understanding of the CPCs behaviour
in airborne applications and improve the data interpretation. To do so,
detection efficiency and volumetric flow rate measurements at various pressure
settings between 1000 and 150 hPa were performed with both TSI 3772-CEN
CPCs, under controlled laboratory conditions. Different seed particle species
(Ag, NaCl and C15H24Ox) and diameters (ranging from 7 to 100 nm) were investigated.
At low pressures, the CPCs were operated without the working fluid
supply bottles, to avoid flooding of the instruments with n-butanol. A strong
decrease in detection efficiency below about 350 hPa was observed, which is
in agreement with literature. Below 250 hPa, small differences in detection efficiencies
were found between the two TSI 3772-CEN devices. In addition, a
theoretical assessment was conducted, in an attempt to explain experimental
data. At low pressure conditions a clear difference between the measurements
and the simulation results was found. In the theoretical data, a drop similar
to the experimental results can only be seen to some extent at pressures below
150 hPa. Further deliberations are necessary for a complete description of the
processes taking place inside the TSI 3772-CEN CPCs at low pressure. The
findings of this study can support the decision making process to assess whether
the application of TSI 3772-CEN CPCs at individual aircraft campaigns is
reasonable or not, depending on planned elevations.
Keywords (eng)
condensation particle counterCPCTSI37723772-CENlow pressureairborneaircraftcharacterisationcharacterizationcalibrationexperimentalsimulationsaturation profilescutoffcondensationnucleationtube furnaceflow tube
Keywords (deu)
KondensationspartikelzählerCPCTSI37723772-CENUnterdruckFlugzeugCharakterisierungKalibrierungexperimentellSimulationÜbersättigungsprofileCutoffKondensationNukleation
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