CN102879233A - 一种小型机载反推流云滴采样装置及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种小型机载反推流云滴采样装置，包括进气腔和收集腔，所述的收集腔设置在进气腔内部；所述进气腔的前端与收集腔的采样端的外边缘相连，所述进气腔的尾部设置有进气管；所述收集腔包括依次相连的管形采样端、预热腔体和管形捕获端，所述管形采样端的管壁上贯通设置有微孔，在预热腔体的外壁上环绕设置有加热装置，在预热腔体的尾部设置有抽气管。本发明所述的采样装置能够用来专门采集大粒径的气溶胶颗粒或云滴。本发明用途广泛，投资少，运用便捷，具有实践意义，提高了航空采样技术的可行性与实用性。

Description

一种小型机载反推流云滴采样装置及其工作方法
技术领域
本发明涉及一种小型机载反推流云滴采样装置及其工作方法，属于大气云物理化学采样设备及分析的技术领域。 
背景技术
随着大气质量的日益下降以及航空技术的发展，国内外研究者从八十年代中期就开始研究在飞机上进行大气采样的方法——航空采样技术。航空采样技术的运用有利于了解高空的大气质量状况进而研究大气污染的成因。目前，大量研究表明大量工业和城市污染源排放的气溶胶颗粒可以影响云的形成及寿命，由于目前采样技术的限制，这些问题大部是通过卫星观测资料推测。然而，卫星主要是通过光学的方法感应显示大尺度范围资料，其准确度误差较大并且很难解释气溶胶-云-降雨过程。随着我国大气云物理不断发展，利用航空技术获得水汽含量、气象数据和云物理参数等已无法满足云物理模式模拟要求。如果进一步在云物理和天气预报等方面改进，还需要针对气溶胶-云-降雨转化机理进行深入研究，因此，需要进一步获得大气中什么样的气溶胶颗粒转化云结核并能够有效成为云滴。国际大气科学家通常使用飞机机载装置收集高空大气气溶胶颗粒和云滴，然后对其进行在线或实验室分析，获得它们化学组分、粒径等信息。 
当前，所使用的大气污染物航空大气观测采样器具有体积偏大、购买费用昂贵，并且全部是从国外进口，这在运行过程中、售后安装、技术培训和维修方面存在很大问题，这在一定程度上阻碍了相关研究在国内的开展。而且国内多采用人工降雨小型飞机进行采集实验，因此设计一套结构简单、安装方便、采集粒度较大云滴的、符合人工降雨小型飞机的小型机载反推流云滴采样装置成为一项亟待解决的问题。 
发明内容
为解决上述技术不足，本发明提供了一种结构简单、经济实用的小型机载反推流云滴采样装置。本发明还提供了一种上述小型机载反推流云滴采样装置的工作方法。 
本发明的技术方案如下： 
一种小型机载反推流云滴采样装置，包括进气腔和收集腔，所述的收集腔设置在进气腔 内部；所述进气腔的前端与收集腔的采样端的外边缘相连，所述进气腔的尾部设置有进气管；所述收集腔包括依次相连的管形采样端、预热腔体和管形捕获端，所述管形采样端的管壁上贯通设置有微孔，在预热腔体的外壁上环绕设置有加热装置，在预热腔体的的尾部设置有抽气管，本发明所述的小型机载反推流云滴采样装置通过法兰与飞机机体固定连接，所述的进气管与飞机内的气体压缩泵相连，所述的抽气管分支为两路：其中一路与飞机内的采样膜相连，用于采集云结核颗粒，另一路与飞机内的抽气泵相连。 
根据本发明优选的，管形采样端的长度范围：8-10mm，管形采样端的直径范围：1-2mm；环绕管形采样端设置有多圈微孔，每圈微孔的数量为6-8个，相邻圈之间间隔1-1.5mm；所述微孔的直径范围：10-20μm；所述预热腔体的直径范围：3-5mm；所述进气腔的直径范围：10-20mm。 
根据本发明优选的，所述进气腔的前端为锥形。 
根据本发明优选的，所述的预热腔体为铜管。 
根据本发明优选的，所述的管形捕获端与水平呈逆时针15-30°角。所述的管形捕获端只起阻挡气流的作用，使气流被逆向阻挡回至抽气管，进而大几率的对所述的云滴进行采集。 
根据本发明优选的，所述的加热装置为加热棒热电偶。由于本发明所述的装置主要用来收集云滴，因此所安装的加热棒热电偶使装置内采样气温度维持在50℃左右，将云滴中水变为水蒸汽，蒸发后的云结核颗粒被采样气送入机舱内部，并被收集在采样膜表面。 
一种利用上述小型机载反推流云滴采样装置的采集云滴的方法，包括步骤如下： 
（1）所述的采样气沿进气管进入进气腔，将所述的预热腔体加热至48-52℃； 
（2）进气腔中的采样气沿管形采样端上的微孔进入收集腔，进气管内采样气的流量F1大于抽气管的流量F2，所述由进气管进入的采样气通过带微孔的管形采样端时被分为两路采样气：其中一路采样气A与抽气管采样气的流量F2和方向均相同，另一路采样气B与抽气管采样气的方向相反，流量为F3；其流量关系为F1=F2+F3； 
（3）所述的采样气B与外界气流相抵消，在进气口处形成第一个气流零速度层，采样气A和采样气B在分流的地方形成第二个气流零速度层：当外界气流中的气溶胶颗粒或云滴足够大，并且穿过第一个和第二个零速度层后，所述气溶胶颗粒或云滴被捕获至飞机内的采样膜表面；反之所述的气溶胶颗粒或云滴则被采样气B推出管形采样端。利用本发明所述的方法，能够有效筛选采集颗粒度大于5μm的气溶胶颗粒或云滴。 
本发明的有益效果在于： 
1、本发明所述的采样装置能够用来专门采集大粒径的气溶胶颗粒或云滴。 
2、本发明经济实用、原材料易得、加工方便。 
3、本发明用途广泛，投资少，运用便捷，具有实践意义，提高航空采样技术的可行性与实用性，可用于云雾期间对高空云滴的收集。 
4、本发明在进行航空采样时无需对飞机进行任何改动，仅通过利用飞机底部现有的小洞及飞机地板上的地脚螺栓进行安装固定即可,不会造成飞行的安全隐患。 
附图说明
图1是本发明的结构示意图； 
图2是本发明的采集原理图； 
在图1-2中，1、进气腔；2、收集腔；3、进气管；4、管形采样端；5、预热腔体；6、管形捕获端；7、微孔；8、加热装置；9、抽气管；10、法兰；11、控温显示器；12、进气口；α为管形捕获端与水平的夹角；A为采样气沿微孔进入收集腔后的一路流向；B为采样气沿微孔进入收集腔后的另一路流向；C为外界气流；13、采样气B与外界气流C相抵消形成第一个气流零速度层；14、采样气A和采样气B在分流的地方形成第二个气流零速度层；F1为进气管内采样气的流量；F2为抽气管内气体的流量；F3为另一路采样气B的流量。 
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。 
实施例1、 
一种小型机载反推流云滴采样装置，包括进气腔1和收集腔2，所述的收集腔2设置在进气腔1内部；所述进气腔1的前端与收集腔的采样端的外边缘相连，所述进气腔1的前端为锥形，所述进气腔1的尾部设置有进气管3；所述收集腔2包括依次相连的管形采样端4、预热腔体5和管形捕获端6，所述管形采样端4的管壁上贯通设置有微孔7，在预热腔体5的外壁上环绕设置有加热装置8，所述的加热装置为加热棒热电偶；在预热腔体5的的尾部设置有抽气管9，所述的预热腔体5为铜管。 
所述的小型机载反推流云滴采样装置通过法兰10与飞机机体固定连接，所述的进气管3与飞机内的气体压缩泵相连，所述的抽气管9分支为两路：其中一路与飞机内的采样膜相连，用于采集云结核颗粒，另一路与飞机内的抽气泵相连。 
管形采样端4的长度：10mm，管形采样端的直径：2mm；环绕管形采样端4设置有多圈微 孔7，每圈微孔的数量为8个，相邻圈之间间隔1mm；所述微孔7的直径：15μm；所述预热腔体的直径：5mm；所述进气腔的直径：20mm。所述的管形捕获6端与水平呈逆时针α角：15°。 
实施例2、 
一种利用实施例1所述小型机载反推流云滴采样装置的采集云滴的方法，包括步骤如下： 
（1）所述的采样气沿进气管3进入进气腔1，将所述的预热腔体5加热至48-52℃； 
（2）进气腔1中的采样气沿管形采样端4上的微孔7进入收集腔2，进气管3内采样气的流量F1大于抽气管的流量F2，所述由进气管进入的采样气通过带微孔7的管形采样端4时被分为两路采样气：其中一路采样气A与抽气管采样气的流量F2和方向均相同，另一路采样气B与抽气管采样气的方向相反，流量为F3；其流量关系为F1=F2+F3； 
（3）所述的采样气B与外界气流相抵消，在进气口12处形成第一个气流零速度层13，采样气A和采样气B在分流的地方形成第二个气流零速度层14：当外界气流中的气溶胶颗粒或云滴足够大，并且穿过第一个和第二个零速度层后，所述气溶胶颗粒或云滴被捕获至飞机内的采样膜表面；反之所述的气溶胶颗粒或云滴则被采样气B推出管形采样端4。 
利用实施例1所述的云滴采样装置和实施例2所述的采集方法所采集到云滴实验数据参见表1： 
表1为利用实施例1所述的云滴采样装置采集云滴的实验数据表： 
Figure BDA00002250610200041
Figure 20121038720991000022
利用本发明所述的方法，能够有效筛选采集颗粒度大于5μm的气溶胶颗粒或云滴。 
实施例3、 
如实施例1所述的云滴采样装置，其区别在于， 
所述管形采样端4的长度：8mm，管形采样端的直径：1.5mm；环绕管形采样端设置有多圈微孔，每圈微孔的数量为6个，相邻圈之间间隔1.5mm；所述微孔的直径：10μm；所述预热腔体的直径：4mm；所述进气腔的直径范围：18mm。所述的管形捕获端与水平呈逆时针25°角。 
利用本实施例所述的云滴采样装置所筛选采集到的气溶胶颗粒或云滴颗粒度范围在5-10μm之间，满足了选择性采集大颗粒气溶胶颗粒或云滴的实验需要。 
实施例4、 
如实施例1所述的云滴采样系统，其区别在于， 
管形采样端的直径：1mm；环绕管形采样端设置有多圈微孔，每圈微孔的数量为6个，相邻圈之间间隔1mm；所述微孔的直径范围：10μm；所述预热腔体的直径范围：3mm；所述进气腔的直径范围：15mm。所述的管形捕获端与水平呈逆时针20°角。 
利用本实施例所述的云滴采样装置所筛选采集到的气溶胶颗粒或云滴颗粒度范围在5-8μm之间，满足了选择性采集大颗粒气溶胶颗粒或云滴的实验需要。 

Claims (8)

1.一种小型机载反推流云滴采样装置，其特征在于，其包括进气腔和收集腔，所述的收集腔设置在进气腔内部；所述进气腔的前端与收集腔的采样端的外边缘相连，所述进气腔的尾部设置有进气管；所述收集腔包括依次相连的管形采样端、预热腔体和管形捕获端，所述管形采样端的管壁上贯通设置有微孔，在预热腔体的外壁上环绕设置有加热装置，在预热腔体的的尾部设置有抽气管。
2.根据权利要求1所述的一种小型机载反推流云滴采样装置，其特征在于，所述的小型机载反推流云滴采样装置通过法兰与飞机机体固定连接，所述的进气管与飞机内的气体压缩泵相连，所述的抽气管分支为两路：其中一路与飞机内的采样膜相连，用于采集云结核颗粒，另一路与飞机内的抽气泵相连。
3.根据权利要求1所述的一种小型机载反推流云滴采样装置，其特征在于，所述管形采样端的长度范围：8-10mm，管形采样端的直径范围：1-2mm；环绕管形采样端设置有多圈微孔，每圈微孔的数量为6-8个，相邻圈之间间隔1-1.5mm；所述微孔的直径范围：10-20μm；所述预热腔体的直径范围：3-5mm；所述进气腔的直径范围：10-20mm。
4.根据权利要求1所述的一种小型机载反推流云滴采样装置，其特征在于，所述进气腔的前端为锥形。
5.根据权利要求1所述的一种小型机载反推流云滴采样装置，其特征在于，所述的预热腔体为铜管。
6.根据权利要求1所述的一种小型机载反推流云滴采样装置，其特征在于，所述的管形捕获端与水平呈逆时针15-30°角。
7.根据权利要求1所述的一种小型机载反推流云滴采样装置，其特征在于，所述的加热装置为加热棒热电偶。
8.一种利用如权利要求1所述小型机载反推流云滴采样装置的采集云滴的方法，其特征在于，该方法包括步骤如下：
（1）所述的采样气沿进气管进入进气腔，将所述的预热腔体加热至48-52℃；
（2）进气腔中的采样气沿管形采样端上的微孔进入收集腔，进气管内采样气的流量F1大于抽气管的流量F2，所述由进气管进入的采样气通过带微孔的管形采样端时被分为两路采样气：其中一路采样气A与抽气管采样气的流量F2和方向均相同，另一路采样气B与抽气管采样气的方向相反，流量为F3；其流量关系为F1=F2+F3；
（3）所述的采样气B与外界气流相抵消，在进气口处形成第一个气流零速度层，采样气A和采样气B在分流的地方形成第二个气流零速度层：当外界气流中的气溶胶颗粒或云滴足够大，并且穿过第一个和第二个零速度层后，所述气溶胶颗粒或云滴被捕获至飞机内的采样膜表面；反之所述的气溶胶颗粒或云滴则被采样气B推出管形采样端。
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