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Characterisation of condensation particle counters for airborne measurements
Dorian Spät
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physik
Betreuer*in
Bernadett Weinzierl
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Alle Rechte vorbehalten / All rights reserved
DOI
10.25365/thesis.65137
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-21637.08169.729572-8
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract
(Deutsch)
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
(Englisch)
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.

Schlagwörter

Schlagwörter
(Englisch)
condensation particle counter CPC TSI 3772 3772-CEN low pressure airborne aircraft characterisation characterization calibration experimental simulation saturation profiles cutoff condensation nucleation tube furnace flow tube
Schlagwörter
(Deutsch)
Kondensationspartikelzähler CPC TSI 3772 3772-CEN Unterdruck Flugzeug Charakterisierung Kalibrierung experimentell Simulation Übersättigungsprofile Cutoff Kondensation Nukleation
Autor*innen
Dorian Spät
Haupttitel (Englisch)
Characterisation of condensation particle counters for airborne measurements
Paralleltitel (Deutsch)
Charakterisierung von Kondensationspartikelzählern für flugzeuggestützte Messungen
Publikationsjahr
2020
Umfangsangabe
vi, 71 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Bernadett Weinzierl
Klassifikationen
33 Physik > 33.05 Experimentalphysik ,
43 Umweltforschung, Umweltschutz > 43.00 Umweltforschung, Umweltschutz: Allgemeines
AC Nummer
AC16236510
Utheses ID
57706
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |
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