PCFH Peltier Cooled Frost Point Hygrometer (PCFH Peltier Cooled Frost Point Hygrometer: vom Prototyp zum Seriengerät)

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 705.25.22

Schlüsselwörter (Deutsch)

Atmosphärischer Wasserdampfgehalt, Ozonschicht, Klimaerwärmung, Taupunktspiegel-Hygrometrie, R23 (Trifluormethan), Frostpunkthygrometer (PCFH).

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Der atmosphärische Wasserdampfgehalt hat einen grossen Einfluss auf klimatische und meteorologische Vorgänge. Zwar schätzt der IPCC (AR6, 2021) den Anteil der Veränderung des stratosphärischen Wasserdampfs an der gesamten anthropogenen Klimaerwärmung seit 1750 auf nur ca. 2 %. Jedoch haben bereits kleine Veränderungen im stratosphärischen Wasserdampf (100 parts per billion by volume (ppbv) pro Dekade) nachweislich einen signifikanten Einfluss auf die globale Erwärmung und die Regeneration der stratosphärischen Ozonschicht.

Das Verständnis der Mechanismen der Eiskeimbildung und anderer mikrophysikalischer Prozesse in Wolken erfordert eine Genauigkeit von deutlich besser als 10%. Numerische Wettervorhersagemodelle erfordern ebenfalls Daten mit dieser Genauigkeit, um Wolken- und diabatische Prozesse zuverlässig zu erfassen. Internationale Organisationen wie das Global Climate Observing System (GCOS) und die Commission for Instruments and Methods of Observation (CIMO) haben daher Zielvorgaben von höchstens 4-5 % Unsicherheit bei der Messung des Wassergehaltes in der Troposphäre und Stratosphäre festgelegt.

Die ballongetragene Taupunktspiegel-Hygrometrie ist eine Messtechnik mit dem Potenzial, diese Zielvorgabe von 4-5 % Unsicherheit vom Boden bis zur mittleren Stratosphäre mit hoher vertikaler Auflösung, grosser Langzeitstabilität und erschwinglichen Kosten zu erreichen. Messungen mit ballongetragenen Taupunktspiegel-Hygrometern haben jedoch auch eine Reihe von Mängeln offenbart, wie z. B. Instabilitäten der elektronischen Steuerung. Darüber hinaus setzten ballongetragene Taupunktspiegel-Hygrometer der Referenzklasse, also das Cryogenic Frost Point Hygrometer (CFH) des US National Center for Atmospheric Research (NCAR) und das Frost Point Hygrometer (FPH) der US National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), auf R23 (Trifluormethan) als Kryogen. Die Nutzung von R23, wurde jedoch im Rahmen des Kigali-Zusatzes des Montrealer Protokolls eingeschränkt, da es ein extremes Treibhausgaspotenzial aufweist. Dies könnte zukünftige Messungen mit CFH- oder FPH-Instrumenten verunmöglichen. Einzelne meteorologische Institutionen, wie das Meteorologische Observatorium in Lindenberg (D), planen bereits den Einsatz dieser Messgeräte bis Ende 2022 einzustellen. Mögliche alternative Messverfahren basieren entweder auf elektrischer Kühlung oder auf dem Einsatz von weniger umweltschädlichen Kühlmitteln.

An der ETH Zürich wurde der Prototyp eines Peltier-gekühlten ballongetragenen Frostpunkthygrometers (PCFH) entwickelt, welcher aufgrund der elektrischen Kühlung ohne R23 auskommt. Dieser Prototyp soll im vorliegenden Projekt zu einem Seriengerät weiterentwickelt werden, um der wissenschaftlichen Gemeinschaft ein zukunftssicheres Instrument zur Messung des atmosphärischen Wasserdampfes zur Verfügung stellen zu können.

Das Projekt wurde aufgrund des Beitragsgesuchs vom 31.03.2022 an der Sitzung der Koko UT vom 08.06.2022 genehmigt.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Deutsch)

1. Know-how Transfer Aufbau:
   Die mylab elektronik GmbH ist durch ETH-Mitarbeiter im Aufbau der Instrumente mit bestehendem Material geschult worden. mylab ist in der Lage PCFH-Instrumente unabhängig von der ETHZ zu fertigen. Meilenstein 1
   
   
2. Optimierung des bestehenden Designs:
   Durch Überarbeitung der Mechanik kann der bei den vorhandenen PCFH-Prototypen auftretende wet bias (zu hoch gemessene Feuchtewerte) reduziert werden. Das Steuerschema ist vom vorhandenen Relais Modus auf einen Tracking Modus mit PID-Regelung umgestellt, womit schnelle Frostpunktänderungen besser erfasst werden können. Die Software ist entsprechend den vorgenommenen Optimierungen angepasst. Die angestrebten Verbesserungen sind durch Erprobungs- sowie Vergleichsflüge mit modifizierten vorhandenen PCFH-Prototypen validiert. Meilenstein 2
   
   
3. Finalisierung Mechanik & Elektronik:

   Ein neues Peltier-Kühlelement als Ersatz für das bestehende Modell aus russischer Fertigung ist evaluiert. Die Konstruktion des PCFH ist für das neue Peltier-Kühlelement sowie die Optimierungen aus Meilenstein 2 angepasst und für die Serienfertigung vereinfacht und optimiert. Die mechanische Konstruktion ist von Autodesk Inventor und SolidWorks in Alibre Design übertragen. Die Elektronik ist entsprechend der Optimierungen aus Meilenstein 2 angepasst, Schaltpläne und Platinenlayout sind von Eagle auf Altium Designer übertragen. Materiallisten und Fertigungsunterlagen für die Serienproduktion des PCFH sind erstellt. Meilenstein 3

4. Prototypen aufgebaut und getestet:

   Drei Prototypen mit dem optimierten Design aus Meilenstein 3 sind gefertigt. Die drei Prototypen sind mit der angepassten Software aus Meilenstein 2 in Labor und Klimakammer getestet worden. Anhand der Ergebnisse aus den Tests sind die Software, Mechanik und Elektronik für die folgende Kleinserie revidiert worden und die Regelparameter sind ermittelt. Die Fertigungsunterlagen aus Meilenstein 3 sind entsprechend der Revision angepasst. Meilenstein 4

5. Kleinserie aufgebaut und getestet:

   Eine Kleinserie von acht Instrumenten ist entsprechend den revidierten Fertigungsunterlagen aus Meilenstein 4 von mylab aufgebaut. Die Geräte sind im Labor getestet und mit den Prototypen aus Meilenstein 4 abgeglichen. Meilenstein 5

6. Erprobung abgeschlossen:
   Die Prototypen aus Meilenstein 4 sowie die Geräte der Kleinserie aus Meilenstein 5 sind durch Vergleichsflüge mit CFH als Referenzgerät und einer Vaisala Radiosonde RS41 validiert worden. Die Geräte der Kleinserie erfüllen die Zielvorgaben und Anforderungen von GCOS und CIMO für die Messung von Wasser in der Troposphäre und der unteren Stratosphäre, d.h. höchstens 5% Unsicherheit in der Messung des Wassergehaltes vom Boden bis maximal 15 km Höhe. Meilenstein 6
   
   
7. Ein Schlussbericht mit Darstellung der Ergebnisse aus 3.1 bis 3.6 und dem weiteren Vorgehen ist redigiert und dem BAFU abgegeben.
   
   
8. Textbausteine, Illustrationen und mindestens 3 Fotografien (genauere Angaben s. 11 Beilage 4) für die Verwendung in öffentlichen Publikationen sind bereitgestellt und dem BAFU abgegeben.
   
   
9. Eine Präsentation der Ergebnisse mit entsprechender Power-Point Darstellung wird am Schluss des Projektes für interessierte Personen aus dem BAFU durchgeführt.

Projektziele (Deutsch)

Der an der ETH Zürich erfolgreich entwickelte Prototyp eines ballongetragenen Peltier-gekühlten Frostpunkthygrometers (Peltier Cooled Frost Point Hygrometer, PCFH) ist zum marktreifen Messgerät weiterentwickelt und kann von der mylab elektronik GmbH kostendeckend in Kleinserien produziert werden. Das Seriengerät weist eine mit den bisher zur Messung der stratosphärischen Feuchte eingesetzten CFH- und FPH-Instrumenten vergleichbare Messgenauigkeit auf und erfüllt die Zielvorgaben von GCOS und CIMO (höchstens 5% Unsicherheit in der Messung des Wassergehaltes vom Boden bis zu 3 km oberhalb der Tropopause in den mittleren Breiten, das bedeutet typisch bis in 12-15 km Höhe).