阅读说明：本技术 一种大气接触冻结核的测量装置 (Measuring device for atmospheric contact frozen nodule ) 是由 陈魁 楚志刚 薛丰昌 詹少伟 苗春生 周可 张越 蒋惠 何川 于 2019-11-08 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种大气接触冻结核的测量装置,包括呈U字型的测量管路,测量管路包括垂直进气管、水平控制管和垂直测量管,垂直进气管和垂直测量管分别连接于水平控制管的两端上方；垂直进气管顶部设有第一空气进口,垂直进气管内自上而写依次设有除湿器和干燥器；水平控制管靠近垂直进气管一端端部设有第二空气进口,水平控制管内自靠近垂直进气管一端向另一端依次设有过滤器和冷凝器；超声波雾汽发生器连接于水平控制管在冷凝器与垂直测量管之间的位置,所述垂直测量管内自下而上依次设有气流再分布装置、分子筛和喷嘴,垂直测量管在喷嘴处的管径自下而上逐渐减小,垂直测量管顶部与气泵连接。该系统能准确测量大气接触冻结核。(The invention relates to a measuring device for atmospheric contact frozen nodule, which comprises a U-shaped measuring pipeline, wherein the measuring pipeline comprises a vertical air inlet pipe, a horizontal control pipe and a vertical measuring pipe, and the vertical air inlet pipe and the vertical measuring pipe are respectively connected above two ends of the horizontal control pipe; the top of the vertical air inlet pipe is provided with a first air inlet, and a dehumidifier and a dryer are sequentially arranged in the vertical air inlet pipe from top to bottom; a second air inlet is formed in the end part, close to the vertical air inlet pipe, of the horizontal control pipe, and a filter and a condenser are sequentially arranged in the horizontal control pipe from one end, close to the vertical air inlet pipe, to the other end; the ultrasonic mist generator is connected to the position of the horizontal control pipe between the condenser and the vertical measuring pipe, the vertical measuring pipe is internally provided with an air flow redistribution device, a molecular sieve and a nozzle from bottom to top in sequence, the pipe diameter of the vertical measuring pipe at the nozzle is gradually reduced from bottom to top, and the top of the vertical measuring pipe is connected with an air pump. The system can accurately measure the atmosphere contact frozen nodule.)

一种大气接触冻结核的测量装置

技术领域

本发明涉及一种大气接触冻结核的测量装置，属于大气科学与环境科学领域。

背景技术

大气气溶胶能够通过活化成为大气冰核，间接影响云、降水和全球气候，对地球辐射平衡及其水循环起着重要作用。大气中冰晶的形成有两个重要途径：同质核化和异质核化。其中同质核化，需要在零下38摄氏度才能发生，因此异质核化是低层大气成核的一个非常重要的途径。而异质核化机制可分为四类：凝华核化、凝结冻结核化、浸润冻结核化和接触冻结核化。在云中，接触冻结核化是一个重要的过程，改变着云的微物理特性，从而影响着降水能力和辐射特性。当前，接触冻结核化的研究，还主要以理论和理想模拟为主，单独测量研究较少。因此，限制了对大气气溶胶的接触冻结核化的认识，为了对大气接触冻结核化有更全面的研究，设计了一套测量大气接触冻结核的设备和方法，这样将有助于研究大气接触冻结核化，从而深入了解大气气溶胶对辐射平衡和云降水的影响，并为人工降雨等提供可靠的理论依据。

当前，国内外有多种不同原理的试验装置用于测量大气冰核的特性，如专利号为CN2000410039465.4的专利《一种用于推算水中冻结核含量的实验冷台及系统》，专利号为CN201210150601.1的专利《用于大气冰核活化计数的云室及云室系统》。但现有技术中并没有一种专门针对接触冻结核化机制的研究设备及其方法，这样不利于深入了解大气冰核接触冻结成核机理。

发明内容

本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供一种大气接触冻结核测量系统，该系统测量准确，能针对研究大气冰核的接触冻结核化机制进行深入研究。

为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：一种大气接触冻结核的测量装置，包括呈U字型的测量管路、超声波雾汽发生器和气泵，所述测量管路包括垂直进气管、水平控制管和垂直测量管，所述垂直进气管和垂直测量管分别连接于水平控制管的两端上方；所述垂直进气管顶部设有第一空气进口，垂直进气管内自上而写依次设有除湿器和干燥器；所述水平控制管靠近垂直进气管一端端部设有第二空气进口，水平控制管内自靠近垂直进气管一端向另一端依次设有过滤器和冷凝器；所述超声波雾汽发生器连接于水平控制管在冷凝器与垂直测量管之间的位置，所述垂直测量管内自下而上依次设有气流再分布装置、分子筛和喷嘴，垂直测量管在喷嘴处的管径自下而上逐渐减小，垂直测量管顶部与气泵连接。

对上述技术方案的进一步设计为：所述水平控制管内在与垂直进气管对应处设有气体混合器。

所述垂直进气管在与水平控制管连接处设有密封圈。

所述冷凝器包括主冷凝器和二次冷凝器，所述主冷凝器和二次冷凝器在水平控制管内沿空气流动方向依次设置。

所述水平控制管在与垂直测量管连接处设有混合室。

所述垂直测量管在喷嘴上部设有观测管，所述观测管直径与喷嘴出口直径匹配，所述观测管上自下而上依次设有CCD安装孔和视孔，所述CCD安装孔用于安装CCD相机，所述视孔上设有透明PVC塑料或透明有机玻璃。

所述垂直测量管顶部设有质量流量计。

所述超声波雾汽发生器与水平控制管之间设有水汽进口阀门；所述气泵与垂直测量管之间设有流量调节阀。

所述混合室处设有温度、压力及湿度探头。

所述水平控制管底部设有支架，所述垂直测量管远离垂直进气管一侧设有固定架。

本发明的有益效果为：

本发明提供的大气接触冻结核测量系统，能够简单、准确和专一针对研究大气冰核的接触冻结核化机制进行深入研究。而大气冰核的接触核化在冷云内属于一种重要现象，影响着云微物理、降水能力和辐射特性等。有助于研究大气冰核的接触核化机理、深入了解气溶胶对辐射平衡和云降水的影响，并为人工降雨等提供可靠的理论依据。可广泛应用于气象和环境行业对大气冰核接触核化测量和研究领域和场合。

附图说明

图1 为本发明实施例的结构示意图；

图2为图1中A处放大图；

图3为图1中除湿器的原理示意图；

图4为图1中干燥管的原理示意图；

图5为图1中气流再分布装置俯视图；

图6为图5的左视图。

图中：1-第一空气进口、2-除湿器、3-干燥器、4-密封圈、5-第二空气进口、6-气体混合器、7-支架、8-过滤器、9-主冷凝器、10-二次冷凝器、11-水汽进口阀门、12-超声波雾汽发生器、13-混合室、14-气流再分布装置、15-分子筛、16-喷嘴、17 -CCD安装孔、18-视孔、19-质量流量计、20-固定架、21-流量调节阀、22-气泵、23-温度、压力及湿度探头构成、101-除湿器进口、102-进气管、103-冷凝液进口、104-冷凝液出口、105-气液分离器、106-出口管、107-密封橡胶圈、108-液体收集瓶、201-气流进口、202-扩散干燥管，203-干燥剂、204-气流出口。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，本实施例的一种大气接触冻结核的测量装置，包括呈U字型的测量管路、测量管路包括垂直进气管、水平控制管和垂直测量管，垂直进气管和垂直测量管分别连接于水平控制管的两端上方，从而形成U字型。

本实施例中，所述垂直进气管顶部设有第一空气进口1，第一空气进口1为喇叭口设计，可使得流体进入顺畅，避免流体入管时，产生涡流扰动，并减少大气环境空气中气溶胶粒子的进入管路的损失，使得进入管路的样品具有代表性。垂直进气管内自上而写依次设有除湿器2和干燥器3，垂直进气管在与水平控制管连接处设有密封圈4，密封圈4采用四氟橡胶5mm厚度的O型橡胶圈，对交接口进行密封，保证隔绝外部空气。

所述水平控制管靠近垂直进气管一端端部设有第二空气进口5，第二空气进口5与第一空气进口1相同也为喇叭口设计，水平控制管内在与垂直进气管对应处设有气体混合器6；本实施例中为气体混合器6为搅动叶片，材质为316L不锈钢，外包裹一次聚四氟乙烯涂层；气体混合器6用于对第一空气进口1进来的干燥后的空气和第二空气进口5进来的空气进行搅动混合，以便达到两个气流尽快完全混合的目的。水平控制管内自靠近垂直进气管一端向另一端依次设有过滤器8、主冷凝器9和二次冷凝器10；其中过滤器8，采用HEPA高效过滤网，为过滤混合的空气中的大气颗粒物，颗粒物的清除率在95%以上；主冷凝器9，为冷却混合的空气，使得混合空气温度降低至实验需要设定温度附近，即在设定值的±1℃范围内变化；二次冷凝器10，为精确冷却混合的空气，再次对混合空气进行降温，使得其温度达到设定温度，偏差范围±0.2温度范围内，控温范围在-30℃至+30℃，湿度可以调节到饱和湿度；水平控制管在冷凝器与垂直测量管之间的位置连接有超声波雾汽发生器12，超声波雾汽发生器12出口处设有水汽进口阀门11，超声波雾汽发生器12采用工业级超声波雾化模块，工作温度5-30℃，雾化量6500-7500ML/H，产生雾滴或者小水滴；水汽进口阀门11采用304不锈钢丝扣螺纹精密针型阀，用于控制水汽流量；所述水平控制管在与垂直测量管连接处设有混合室13，混合室13处设有温度、压力及湿度探头23；混合室13用于雾滴或者小水滴与降温空气进行混合，同时通过温度，压力及湿度探头23测量该状态下的温度、压力和湿度参数数据，优选型号KM37B10，温度测量范围-30℃到80℃，湿度测量范围0到95%，压力表，优选压力量程：-0.1~60MPa，分辨率：0.01Pa，准确度：0.05%。

本实施例中垂直测量管中部管径缩小形成观测管，垂直测量管内自下而上依次设有气流再分布装置14、分子筛15和喷嘴16，分子筛15用于去除多余的水滴或者杂质；垂直测量管在喷嘴处的管径自下而上逐渐减小，喷嘴16出口与观测管连接，且与观测管直径匹配，空气垂直通过喷嘴16时，形成一个均匀的垂直上升流场，使得气体流速达到40m/s；所述观测管上自下而上依次设有CCD安装孔17和视孔18，结合图2所示，所述CCD安装孔17用于安装CCD相机，CCD相机为索尼（XCG-5005E，500万）工业CCD相机，用于拍摄记录大气冰核的接触冻结核化；所述视孔18为170×170×450mm的断面，由壁厚为1mm的透明有机玻璃构成，冰晶在高风速的情况下可以自由漂浮于该区域，后续冰核能够撞击冰晶，形成接触冻结核；悬浮冰晶大小可以根据下列公式计算：

A_α=3.6×10^-3D₀ ²+2.13×10^-2D₀

式中，A_α为流速，D₀为等效落差直径（mm）。

垂直测量管顶部设有质量流量计19，且与气泵22连接，气泵22与垂直测量管之间设有流量调节阀21。质量流量计19，采用***式气体流量计，工作温度范围为-40℃至100℃，准确度±1%的读数，±0.5%满量程，用于测量混合气流的流量大小。流量调节阀21，采用涡轮流量计，用于调节流体流动大小；气泵22，采用大流量无油真空泵，同时配有1立方空气罐，先将空气罐抽成负压，通过空气罐的负压，用于给流体提供流动动力。

所述水平控制管底部设有支架7，支架7采用钢制材质，用于支撑管路和设备；所述垂直测量管远离垂直进气管一侧设有固定架20，固定架20采用钢制角钢，一端固定于墙或者其他垂直固定面，另一端用于固定测量管道，使得测量管道垂直于地面。

本实施例的测量系统的测量步骤和工作原理如下：

空气从第一空气进口1进入测量管路内，经过除湿器2的除湿、干燥器3的干燥和过滤器8的过滤后再经过主冷凝器9和二次冷凝器10；此时通过水汽进口阀门11和超声波雾汽发生器12，调节管路中的空气的温度和湿度（其中温度可在-30℃至30℃范围内，湿度可以调节到水面饱和）。

然后气流进入混合室13进行混合，再通过气流再分布装置14和分子筛15，进入测量部分（即，喷嘴16，CCD安装孔17和视孔18），由于喷嘴16处截面减小，使得气流速度加快，流速可达到40m/s，同时在温度零下和水面过饱和度的情况下，气流中水形成冻滴并且增长，形成一定粒径大小的冻结粒子，在重力和曳力的共同作用下，悬浮于视孔18位置。

本实施例中第二空气进口5通入含有一定气溶胶粒子的气流，气流中的气溶胶粒子，由于气溶胶粒子小，受到的重力小，曳力大，可以以上升的方式通过视孔位置，同时，会与视孔出形成的冻滴进行碰撞。从而观测到接触冻结的形成、发生过程。为研究接触冻结提供观测数据。

本实施例中的除湿器2结构如图3所示，包括进气管102、气液分离器105和液体收集瓶108, 进气管102外包裹冷凝管，冷凝管两端分别设有,冷凝液进口103和冷凝液出口104，进气管102一端为除湿器进口101，另一端与气液分离器105连通，气液分离器105底部与液体收集瓶108连接；气流通过102进入气液分离器105，冷凝的液固粒子受到重力作用进入了液体收集瓶108；气体经过出口管106流出，进入下一个部件。气液分离器105与液体收集瓶108连接处设有密封橡胶圈107。

结合图4所示，本实施例中干燥器3包括扩散干燥管202，扩散干燥管202两端分别为气流进口201和气流出口204，扩散干燥管202外包裹有干燥剂203，本实施例中干燥剂为CaO。

结合图5和图6所示，本实施例中气流再分布装置14，采用蜂窝型平行板，结构为蜂窝状管子，使得混合空气，形成均匀的垂直流体，减少气流产生避效应。

本实施例的测量系统还包括控制单元，采用芯片控制采集信息，并输出控制信号，实现大气接触冻结核的测量。

本发明的技术方案不局限于上述各实施例，凡采用等同替换方式得到的技术方案均落在本发明要求保护的范围内。