CN107525697A - 一种高空水汽同位素采集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高空水汽同位素采集装置，其解决了高空水汽同位素采集不易且现有技术不存在这种采集装置的问题，有显著的进步，该装置包括流线椭球体状的水汽液化腔体，其壳体是双层结构，包括内壳和外壳，在外壳顶部设有吊环和液氮注入口，夹层中注有用于冷却液化样本水汽的液氮；腔体两端为进气口和出气口，出气口处设置有抽气装置，腔体底面为液化水汽采集面，中间有接口，其底部连接有集水瓶，其顶部设有浮球防蒸发控制阀，集水瓶与接口为可拆卸连接。本发明有效的解决了高空水汽液化问题，同时将液化与收集一体化进行，通过浮球装置避免了水汽蒸发、外界水汽干扰的影响；而且体积较小，造价便宜，适用于野外工作。
Description
技术领域
本发明涉及一种地理科学所用的新型采样装置，具体为一种高空水汽同位素采样装置，适用于水文气象监测部门使用的高空水汽收集采样。
背景技术
高空水汽是区域水循环研究中的重要环节，是定量研究水汽输送、大气降水特征的必要获取条件。也是当今水文气象监测部门难以获得的一项。高空水汽的化学组成、颗粒物、电导、pH值等指标，是科研人员研究区域环境的重要工具。随着上世纪50年代水文革命的进行，核物理与水文学的快速发展推动了同位素水文学的诞生，使得同位素技术成为当今定量水文学研究的重要途径。同位素技术不仅为流域水文学规律、地下水补给、植物水分划分、区域降水水汽来源等研究提供重要的科学依据，而且能够为水文模型的构建及模拟结果的验证提供直接可信的数据参考，已经成为当前水文学、水资源学、环境科学及生态学研究的新兴热门方向。作为同位素水文学重要基础组成之一的降水同位素资料，采集和监测工作越来越受到大家的重视，以往开展的降水同位素的采集基本集中于地面，而高空水汽作为地表降水的直接来源，其稳定同位素组成目前仍处于公式推导阶段，尚未有成熟的高空水汽同位素采集装置的发明推广。随着气候变化，区域极端降水事件的发生频率增加，如何有效的收集指示极端降水的水汽来源的高空水汽同位素成为各水文气象站网及科研机构的重要工作组成部分。
高空水汽同位素的采集是同位素水文学研究中重要的一个环节，直接关系到水汽同位素分析结果的精度，进而决定定量研究的结果可信度。不科学的采样方式不仅会浪费研究者的经费和时间，同时也会造成科研结果的失真。高空水汽采集时目前面临最棘手的两个问题是1）水汽收集过程中如何实现液化收集，2）高空水汽采集后下落过程中如何防止蒸发。因此高空水汽采集时必须首先将水汽液化收集、进而储存在密封的容器中。取样装置的材料要经过特别的设计及选择以防止高空水汽在收集后下落过程中水分蒸发、扩散。
当前针对高空水汽稳定同位素的采集装置并未出现。现有的气体采集器主要是采气袋及大型气体采集装置两种。采集袋是以铝箔复合膜或铝塑复合膜为主要材质制作的袋体，上部安装有活性炭硅胶采集管，其结构简单，造价低廉，是地理学研究中常用的气体收集装置，但是该气体采集袋由于个体小，采集到的气体中很难液化其中的水汽，因此存在根本的缺陷。大型气体采集装置是布设在室内，通过高大的进气口利用气泵收集气体，造价高，成本大，不能适用于野外工作，只能在实验室内进行相关的室内试验，难以在水文气象监测站点推广。
因此需要发明一种可在高空中采集高空水汽的装置，要不仅能实现采集目的还能降低成本。
发明内容
本发明为了解决高空水汽同位素采集不易且现有技术不存在此类采集装置的问题，提供了一种高空水汽同位素采集装置。
本发明是通过如下技术方案来实现的：一种高空水汽同位素采集装置，包括水汽液化腔体，所述水汽液化腔体包括内壳和外壳，所述内壳和外壳之间注有液氮，所述水汽液化腔体顶部设有吊环和液氮注入口；所述水汽液化腔体前端为进气口、末端为出气口，所述进气口处设有防尘网，所述出气口内设有抽气装置；所述水汽液化腔体底面为液化水汽采集面、其中心处设有接口，所述接口处设有浮球防蒸发控制阀，所述接口上安装有集水瓶。
本发明的主体为水汽液化腔体，为了给抽入的气体进行冷却液化，因此将腔体设计为双层，包括内壳和外壳，内壳起冷却作用，外壳起保温作用；在夹层中注有冷却采样水汽的液氮，通过液氮降温使内壳冷却，以达到腔体内水汽液化的效果；在外壳顶部设有液氮注入口，同时也设有用于将该采集装置与探空气球连接的吊环，使采集装置可以平衡的悬停于高空。在水汽液化腔体两端分别为进气口和出气口，出气口内设有抽气装置，进气口处设有防尘网，以防止水汽收集过程中外界的杂质对样品的污染，出气口的抽气装置达到抽气的作用。水汽液化腔体底面为液化水汽采集面、其中心处设有接口，接口处设有浮球防蒸发控制阀，接口处安装有集水瓶，二者为可拆卸连接；初始时，浮球防蒸发控制阀堵在接口处，当液化的水汽流到采集面底部并达到一定量时，将控制阀浮起，水汽经由接口处流入集水瓶中，完成水汽液化收集过程；浮球防蒸发控制阀的设置可以有效的阻止收集的水汽与外界发生转化，同时更进一步保证液化的水汽不会蒸发，以保证水汽同位素的精确性。具体操作为：在液氮注入口往腔体夹层中注入液氮，并将集水瓶安装在接口处；运用吊环将采集装置悬停于高空的探空气球上后，抽气装置开始运转，将高空水汽抽于水汽液化腔体内，液氮通过内壳将样本液化，样本沉降于腔体底面采集面，通过接口和浮球防蒸发控制阀，流入集水瓶中，集水完毕后，浮球防蒸发控制阀将接口堵住，防止水汽蒸发。
优选的，上述内壳一般采用不锈钢材质内冷却层；外壳一般采用PVC材质外保温层。
优选的，采集面的接口为螺纹接口，集水瓶为螺纹瓶口集水瓶。
优选的，为了在大气中漂浮，水汽液化腔体的形状设置为流线椭球体。
本发明解决了高空水汽同位素采集不易且现有技术不存在这种采集装置的问题，通过基于液氮的降温原理的液化腔体设计，在探空气球的作用下，可以实现高空水汽的液化，液化腔体的双层及流线型设计可以最大程度的获取无干扰的水汽，同时液化水汽收集中设计的浮球防蒸发控制阀可以有效的解决样品的蒸发问题，保证高空水汽样品中同位素的测试精度。基于以上，本发明的优势为：1.有效的解决了高空水汽液化问题，同时将液化与收集一体化进行，通过浮球装置避免了水汽蒸发、外界水汽干扰的影响；2.本装置体积较小，造价便宜，适用于野外工作。
附图说明
图1为本发明的结构立体图。
图2为本发明的结构正视图。
图3为本发明的结构侧视图。
图中：1-水汽液化腔体，2-进气口，3-出气口，4-液氮注入口，5-吊环，6-外壳，7-内壳，8-集水瓶，9-浮球防蒸发控制阀，10-防尘网，11-抽气装置，12-接口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行说明。
一种高空水汽同位素采集装置，如图1、图2、图3所示：包括水汽液化腔体1，所述水汽液化腔体1包括内壳7和外壳6，所述内壳7和外壳6之间注有液氮，所述水汽液化腔体1顶部设有吊环5和液氮注入口4；所述水汽液化腔体1前端为进气口2、末端为出气口3，所述进气口2处设有防尘网10，所述出气口3内设有抽气装置11；所述水汽液化腔体1底面为液化水汽采集面、其中心处设有接口12，所述接口12处设有浮球防蒸发控制阀9，所述接口12与集水瓶8为可拆卸连接。
本实施例采用了优选方案，内壳7为不锈钢材质内冷却层；外壳6为PVC材质外保温层；接口12为螺纹接口，所述集水瓶8为螺纹瓶口集水瓶；并采用了2个吊环5；抽气装置11为一个带电机的抽气扇，水汽液化腔体1的形状设置为流线椭球体。
由于该实施例中水汽液化腔体1的形状为流线椭球体，图2中其尺寸为长×高为90cm×45cm，重量为700g左右；该实施例利用了保温效果好的PVC材质作为外壳6，并用冷却效果好的不锈钢材质作为内壳7，外壳6和内壳7可以通过粘连或者镶嵌的方式成为一体；集水瓶8采用螺纹瓶口集水瓶，使密封液化储存效果更好；进气口2处的防尘网10防止杂质进入腔体，浮球防蒸发控制阀9为可被水浮起的任何球形或别的形状的可以堵住接口的装置，并用一根细线连接于接口12处。该实施例具体操作为：将液氮从液氮注入口4进入夹层中，运用吊环5将采集装置悬停于高空后，抽气装置11开始运转，将高空大气抽于水汽液化腔体1内，液氮通过不锈铁钢材质内冷却层将样本水汽液化，并沉降于腔体底面采集面，经由接口12和浮球防蒸发控制阀9，流入集水瓶8中，浮球防蒸发控制阀9可以将接口12堵住，防止样本气体再度蒸发。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种高空水汽同位素采集装置，其特征在于：包括水汽液化腔体（1），所述水汽液化腔体（1）包括内壳（7）和外壳（6），所述内壳（7）和外壳（6）之间注有液氮，所述水汽液化腔体（1）顶部设有吊环（5）和液氮注入口（4）；所述水汽液化腔体（1）前端为进气口（2）、末端为出气口（3），所述进气口（2）处设有防尘网（10），所述出气口（3）内设有抽气装置（11）；所述水汽液化腔体（1）底面为液化水汽采集面、其中心处设有接口（12），所述接口（12）处设有浮球防蒸发控制阀（9），所述接口（12）上安装有集水瓶（8）。
2.根据权利要求1所述的一种高空水汽同位素采集装置，其特征在于：所述内壳（7）为不锈钢材质内冷却层。
3.根据权利要求1所述的一种高空水汽同位素采集装置，其特征在于：所述外壳（6）为PVC材质外保温层。
4.根据权利要求1所述的一种高空水汽同位素采集装置，其特征在于：所述接口（12）为螺纹接口，所述集水瓶（8）为螺纹瓶口集水瓶。
5.根据权利要求1所述的一种高空水汽同位素采集装置，其特征在于：所述吊环（5）数量为2个。
6.根据权利要求1所述的一种高空水汽同位素采集装置，其特征在于：所述抽气装置（11）包括一个带电机的抽气扇。
7.根据权利要求1所述的一种高空水汽同位素采集装置，其特征在于： 所述水汽液化腔体（1）的形状为流线椭球体。
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