一種小型機載反推流雲滴採樣裝置及其工作方法
2023-09-23 11:38:50 3
專利名稱：一種小型機載反推流雲滴採樣裝置及其工作方法
技術領域：
本發明涉及一種小型機載反推流雲滴採樣裝置及其工作方法，屬於大氣雲物理化學採樣設備及分析的技術領域。
背景技術：
隨著大氣質量的日益下降以及航空技術的發展，國內外研究者從八十年代中期就開始研究在飛機上進行大氣採樣的方法——航空採樣技術。航空採樣技術的運用有利於了解高空的大氣質量狀況進而研究大氣汙染的成因。目前，大量研究表明大量工業和城市汙染源排放的氣溶膠顆粒可以影響雲的形成及壽命，由於目前採樣技術的限制，這些問題大
部是通過衛星觀測資料推測。然而，衛星主要是通過光學的方法感應顯示大尺度範圍資料，其準確度誤差較大並且很難解釋氣溶膠-雲-降雨過程。隨著我國大氣雲物理不斷發展，利用航空技術獲得水汽含量、氣象數據和雲物理參數等已無法滿足雲物理模式模擬要求。如果進一步在雲物理和天氣預報等方面改進，還需要針對氣溶膠-雲-降雨轉化機理進行深入研究，因此，需要進一步獲得大氣中什麼樣的氣溶膠顆粒轉化雲結核並能夠有效成為雲滴。國際大氣科學家通常使用飛機機載裝置收集高空大氣氣溶膠顆粒和雲滴，然後對其進行在線或實驗室分析，獲得它們化學組分、粒徑等信息。當前，所使用的大氣汙染物航空大氣觀測採樣器具有體積偏大、購買費用昂貴，並且全部是從國外進口，這在運行過程中、售後安裝、技術培訓和維修方面存在很大問題，這在一定程度上阻礙了相關研究在國內的開展。而且國內多採用人工降雨小型飛機進行採集實驗，因此設計一套結構簡單、安裝方便、採集粒度較大雲滴的、符合人工降雨小型飛機的小型機載反推流雲滴採樣裝置成為一項亟待解決的問題。
發明內容
為解決上述技術不足，本發明提供了一種結構簡單、經濟實用的小型機載反推流雲滴採樣裝置。本發明還提供了一種上述小型機載反推流雲滴採樣裝置的工作方法。本發明的技術方案如下一種小型機載反推流雲滴採樣裝置，包括進氣腔和收集腔，所述的收集腔設置在進氣腔內部；所述進氣腔的前端與收集腔的採樣端的外邊緣相連，所述進氣腔的尾部設置有進氣管；所述收集腔包括依次相連的管形採樣端、預熱腔體和管形捕獲端，所述管形採樣端的管壁上貫通設置有微孔，在預熱腔體的外壁上環繞設置有加熱裝置，在預熱腔體的的尾部設置有抽氣管，本發明所述的小型機載反推流雲滴採樣裝置通過法蘭與飛機機體固定連接，所述的進氣管與飛機內的氣體壓縮泵相連，所述的抽氣管分支為兩路其中一路與飛機內的採樣膜相連，用於採集雲結核顆粒，另一路與飛機內的抽氣泵相連。根據本發明優選的，管形採樣端的長度範圍8-10mm，管形採樣端的直徑範圍l-2mm;環繞管形採樣端設置有多圈微孔，每圈微孔的數量為6-8個，相鄰圈之間間隔1-1. 5mm ;所述微孔的直徑範圍10-20 μ m ;所述預熱腔體的直徑範圍3_5mm ;所述進氣腔的直徑範圍10-20mm。根據本發明優選的，所述進氣腔的前端為錐形。根據本發明優選的，所述的預熱腔體為銅管。根據本發明優選的，所述的管形捕獲端與水平呈逆時針15-30°角。所述的管形捕獲端只起阻擋氣流的作用，使氣流被逆向阻擋回至抽氣管，進而大機率的對所述的雲滴進行米集。根據本發明優選的，所述的加熱裝置為加熱棒熱電偶。由於本發明所述的裝置主要用來收集雲滴，因此所安裝的加熱棒熱電偶使裝置內採樣氣溫度維持在50°C左右，將雲滴中水變為水蒸汽，蒸發後的雲結核顆粒被採樣氣送入機艙內部，並被收集在採樣膜表面。一種利用上述小型機載反推流雲滴採樣裝置的採集雲滴的方法，包括步驟如下(I)所述的採樣氣沿進氣管進入進氣腔，將所述的預熱腔體加熱至48_52°C ；·( 2 )進氣腔中的採樣氣沿管形採樣端上的微孔進入收集腔，進氣管內採樣氣的流量Fl大於抽氣管的流量F2，所述由進氣管進入的採樣氣通過帶微孔的管形採樣端時被分為兩路採樣氣其中一路採樣氣A與抽氣管採樣氣的流量F2和方向均相同，另一路採樣氣B與抽氣管採樣氣的方向相反，流量為F3 ;其流量關係為F1=F2+F3 ；(3)所述的採樣氣B與外界氣流相抵消，在進氣口處形成第一個氣流零速度層，採樣氣A和採樣氣B在分流的地方形成第二個氣流零速度層當外界氣流中的氣溶膠顆粒或雲滴足夠大，並且穿過第一個和第二個零速度層後，所述氣溶膠顆粒或雲滴被捕獲至飛機內的採樣膜表面；反之所述的氣溶膠顆粒或雲滴則被採樣氣B推出管形採樣端。利用本發明所述的方法，能夠有效篩選採集顆粒度大於5 μ m的氣溶膠顆粒或雲滴。本發明的有益效果在於I、本發明所述的採樣裝置能夠用來專門採集大粒徑的氣溶膠顆粒或雲滴。2、本發明經濟實用、原材料易得、加工方便。3、本發明用途廣泛，投資少，運用便捷，具有實踐意義，提高航空採樣技術的可行性與實用性，可用於雲霧期間對高空雲滴的收集。4、本發明在進行航空採樣時無需對飛機進行任何改動，僅通過利用飛機底部現有的小洞及飛機地板上的地腳螺栓進行安裝固定即可，不會造成飛行的安全隱患。
圖I是本發明的結構示意圖；圖2是本發明的採集原理圖；在圖1-2中，I、進氣腔；2、收集腔；3、進氣管；4、管形採樣端；5、預熱腔體；6、管形捕獲端；7、微孔；8、加熱裝置；9、抽氣管；10、法蘭；11、控溫顯示器；12、進氣口 ； α為管形捕獲端與水平的夾角；Α為採樣氣沿微孔進入收集腔後的一路流向；Β為採樣氣沿微孔進入收集腔後的另一路流向；C為外界氣流；13、採樣氣B與外界氣流C相抵消形成第一個氣流零速度層；14、採樣氣A和採樣氣B在分流的地方形成第二個氣流零速度層；F1為進氣管內採樣氣的流量；F2為抽氣管內氣體的流量；F3為另一路採樣氣B的流量。
具體實施方式
下面結合實施例和說明書附圖對本發明做詳細的說明，但不限於此。實施例I、一種小型機載反推流雲滴採樣裝置，包括進氣腔I和收集腔2，所述的收集腔2設置在進氣腔I內部；所述進氣腔I的前端與收集腔的採樣端的外邊緣相連，所述進氣腔I的前端為錐形，所述進氣腔I的尾部設置有進氣管3 ;所述收集腔2包括依次相連的管形採樣端4、預熱腔體5和管形捕獲端6，所述管形採樣端4的管壁上貫通設置有微孔7，在預熱腔體5的外壁上環繞設置有加熱裝置8，所述的加熱裝置為加熱棒熱電偶；在預熱腔體5的的尾部設置有抽氣管9，所述的預熱腔體5為銅管。所述的小型機載反推流雲滴採樣裝置通過法蘭10與飛機機體固定連接，所述的進氣管3與飛機內的氣體壓縮泵相連，所述的抽氣管9分支為兩路其中一路與飛機內的採樣膜相連，用於採集雲結核顆粒，另一路與飛機內的抽氣泵相連。管形採樣端4的長度10_，管形採樣端的直徑2_ ;環繞管形採樣端4設置有多·圈微孔7,每圈微孔的數量為8個,相鄰圈之間間隔Imm ;所述微孔7的直徑15 μ m ;所述預熱腔體的直徑5mm;所述進氣腔的直徑20mm。所述的管形捕獲6端與水平呈逆時針α角15。。實施例2、一種利用實施例I所述小型機載反推流雲滴採樣裝置的採集雲滴的方法，包括步驟如下 (I)所述的採樣氣沿進氣管3進入進氣腔I，將所述的預熱腔體5加熱至48_52°C ；(2)進氣腔I中的採樣氣沿管形採樣端4上的微孔7進入收集腔2，進氣管3內採樣氣的流量Fl大於抽氣管的流量F2，所述由進氣管進入的採樣氣通過帶微孔7的管形採樣端4時被分為兩路米樣氣其中一路米樣氣A與抽氣管米樣氣的流量F2和方向均相同，另一路採樣氣B與抽氣管採樣氣的方向相反，流量為F3 ;其流量關係為F1=F2+F3 ；(3)所述的採樣氣B與外界氣流相抵消，在進氣口 12處形成第一個氣流零速度層13，採樣氣A和採樣氣B在分流的地方形成第二個氣流零速度層14 :當外界氣流中的氣溶膠顆粒或雲滴足夠大，並且穿過第一個和第二個零速度層後，所述氣溶膠顆粒或雲滴被捕獲至飛機內的採樣膜表面；反之所述的氣溶膠顆粒或雲滴則被採樣氣B推出管形採樣端4。利用實施例I所述的雲滴採樣裝置和實施例2所述的採集方法所採集到雲滴實驗數據參見表I :表I為利用實施例I所述的雲滴採樣裝置採集雲滴的實驗數據表
權利要求
1.一種小型機載反推流雲滴採樣裝置，其特徵在於，其包括進氣腔和收集腔，所述的收集腔設置在進氣腔內部；所述進氣腔的前端與收集腔的採樣端的外邊緣相連，所述進氣腔的尾部設置有進氣管；所述收集腔包括依次相連的管形採樣端、預熱腔體和管形捕獲端，所述管形採樣端的管壁上貫通設置有微孔，在預熱腔體的外壁上環繞設置有加熱裝置，在預熱腔體的的尾部設置有抽氣管。
2.根據權利要求I所述的一種小型機載反推流雲滴採樣裝置，其特徵在於，所述的小型機載反推流雲滴採樣裝置通過法蘭與飛機機體固定連接，所述的進氣管與飛機內的氣體壓縮泵相連，所述的抽氣管分支為兩路其中一路與飛機內的採樣膜相連，用於採集雲結核顆粒，另一路與飛機內的抽氣泵相連。
3.根據權利要求I所述的一種小型機載反推流雲滴採樣裝置，其特徵在於，所述管形採樣端的長度範圍8-10mm，管形採樣端的直徑範圍l-2mm ;環繞管形採樣端設置有多圈微孔，每圈微孔的數量為6-8個，相鄰圈之間間隔1-1. 5mm;所述微孔的直徑範圍10-20 μ m;所述預熱腔體的直徑範圍3-5mm ;所述進氣腔的直徑範圍10-20mm。
4.根據權利要求I所述的一種小型機載反推流雲滴採樣裝置，其特徵在於，所述進氣腔的前端為錐形。
5.根據權利要求I所述的一種小型機載反推流雲滴採樣裝置，其特徵在於，所述的預熱腔體為銅管。
6.根據權利要求I所述的一種小型機載反推流雲滴採樣裝置，其特徵在於，所述的管形捕獲端與水平呈逆時針15-30°角。
7.根據權利要求I所述的一種小型機載反推流雲滴採樣裝置，其特徵在於，所述的加熱裝置為加熱棒熱電偶。
8.一種利用如權利要求I所述小型機載反推流雲滴採樣裝置的採集雲滴的方法，其特徵在於，該方法包括步驟如下 (1)所述的採樣氣沿進氣管進入進氣腔，將所述的預熱腔體加熱至48-52°C； (2)進氣腔中的採樣氣沿管形採樣端上的微孔進入收集腔，進氣管內採樣氣的流量Fl大於抽氣管的流量F2，所述由進氣管進入的採樣氣通過帶微孔的管形採樣端時被分為兩路採樣氣其中一路採樣氣A與抽氣管採樣氣的流量F2和方向均相同，另一路採樣氣B與抽氣管採樣氣的方向相反，流量為F3 ;其流量關係為F1=F2+F3 ； (3 )所述的採樣氣B與外界氣流相抵消，在進氣口處形成第一個氣流零速度層，採樣氣A和採樣氣B在分流的地方形成第二個氣流零速度層當外界氣流中的氣溶膠顆粒或雲滴足夠大，並且穿過第一個和第二個零速度層後，所述氣溶膠顆粒或雲滴被捕獲至飛機內的採樣膜表面；反之所述的氣溶膠顆粒或雲滴則被採樣氣B推出管形採樣端。
全文摘要
本發明涉及一種小型機載反推流雲滴採樣裝置，包括進氣腔和收集腔，所述的收集腔設置在進氣腔內部；所述進氣腔的前端與收集腔的採樣端的外邊緣相連，所述進氣腔的尾部設置有進氣管；所述收集腔包括依次相連的管形採樣端、預熱腔體和管形捕獲端，所述管形採樣端的管壁上貫通設置有微孔，在預熱腔體的外壁上環繞設置有加熱裝置，在預熱腔體的尾部設置有抽氣管。本發明所述的採樣裝置能夠用來專門採集大粒徑的氣溶膠顆粒或雲滴。本發明用途廣泛，投資少，運用便捷，具有實踐意義，提高了航空採樣技術的可行性與實用性。
文檔編號G01N1/22GK102879233SQ201210387209
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月12日 優先權日2012年10月12日
發明者李衛軍, 陳建民, 劉磊, 朱超, 趙立寧, 劉澎 申請人:山東大學