Dual-channel photoacoustic hygrometer for airborne measurements: background, calibration, laboratory and in-flight intercomparison tests

Abstract

Abstract. This paper describes a tunable diode laser-based dual-channel photoacoustic (PA) humidity measuring system primarily designed for aircraft-based environment research. It is calibrated for total pressure and water vapor (WV) volume mixing ratios (VMRs) possible during airborne applications. WV VMR is calculated by using pressure-dependent calibration curves and a cubic spline interpolation method. Coverage of the entire atmospheric humidity concentration range that might be encountered during airborne measurements is facilitated by applying an automated sensitivity mode switching algorithm. The calibrated PA system was validated through laboratory and airborne intercomparisons, which proved that the repeatability, the estimated accuracy and the response time of the system are 0.5 ppmV or 0.5 % of the actual reading (whichever value is the greater), 5 % of the actual reading within the VMR range of 1-12 000 ppmV and 2 s, respectively. The upper detection limit of the system is theoretically about 85 000 ppmV, limited only by condensation of water vapor on the walls of the 318 K heated PA cells and inlet lines, and was experimentally verified up to 20 000 ppmV. The unique advantage of the presented system is its applicability for simultaneous water vapor and total water volume mixing ratio measurements.

Molecular relaxation effects on vibrational water vapor photoacoustic spectroscopy in air

“…The model may also be used to explain the sensitivity characteristics of the photoacoustic hygrometer of Tátrai et al [11] (their Fig. 4).…”

“…Water vapor mole fractions can fall below 10 ppm in the upper troposphere as well as lower stratosphere, and rise above 40,000 ppm for dew points around 30 °C at standard pressure [3]. A large number of applications for the PA measurement of water vapor already exists, mostly measuring at wavelengths in the near infrared [4][5][6][7][8][9][10][11][12][13][14]. In the overwhelming majority of literature, the measured PA signal is interpreted in terms of a linear response.…”

“…Tátrai et al [11] have calibrated a photoacoustic hygrometer for a large range of water vapor concentrations and determined a nonlinear relationship between the measured microphone response and the water vapor mixing ratio. A tenth-order polynomial fit had to be applied to calibrate the device.…”

Légkörkutatási célú fotoakusztikus spektroszkópián alapuló kétcsatornás vízgőzmérő rendszer fejlesztése

“…További előnye az új eljárásnak, hogy az adatok kiértékelése néhány milliszekundum időt vesz igénybe mérési pontonként, így valós idejű jelkiértékelésre is lehetőség van. [117] 8 Új mérőrendszer tervezése és építése független laboratóriumi és repülőgépes összehasonlító mérésekhez A megnövelt precizitású hullámhossz-beállítási és megnövelt pontosságú jelkiértékelési eljárások kifejlesztése után a szerzett tapasztalatokra alapozva elkészítettem a műszernek egy új változatát, amelyet független laboratóriumi és repülőgépes mérési kampányok során teszteltem, hogy igazoljam a rendszernek nem csak a megbízhatóságát, hanem a pontosságát is.…”

“…A mérőrendszer fejlesztése során hasonló pontosságot korábban nem sikerült elérni. [117] 9 Új adatgyűjtő és mérésvezérlő rendszer fejlesztése…”