CN108490021A - 一种水滴冻结核测量装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于在大气物理和人工影响天气研究中使用的设备和方法领域，具体涉及一种水滴冻结核测量装置及实验方法，包括冷凝板、纳米超疏水性涂层、支撑体、CCD相机以及微型计算机；支撑体设于冷凝板上，支撑体与冷凝板共同形成实验腔室；支撑体在实验腔室一侧的设有保护气进口，另一侧的设有保护气出口；纳米超疏水性涂层设于冷凝板上并位于冷凝板与支撑板的接触面上；CCD相机设于支撑体的上端并位于实验腔室的上端；CCD相机连接于微型计算机，微型计算机能获取CCD相机中存储的信息；冷凝板连接于微型计算机，微型计算机能控制冷凝板降温，并精确获得冷凝板的温度变化。其有效提高水滴冻结核测量准确性和精准度。

Description

一种水滴冻结核测量装置及实验方法

技术领域

本发明属于在大气物理和人工影响天气研究中使用的设备和方法领域，具体涉及一种水滴冻结核测量装置及实验方法。

背景技术

大气中水的三态可以相互转化，在成云致雨过程中起着重要作用,其中汽态和液态水向固态(冰)的转化称为冰核化。冰核化一直是云和降水物理的重要研究课题,一方面因为冰相在降水过程中扮演十分重要的角色,另一方面使用催化剂促使云中产生冰晶以启动贝吉龙过程或提高降水效率,是当前人工增雨的主要途径。实验研究表明，水滴的异质冻结既与所含冰核有关，又包含一定的随机过程。研究冻结核化对云、降水和气候效应有着重要的意义；只有准确获得冻结核的基础数据是才能更准确的、更好的开展云物理和人工影响天气研究。因此，国内外都开展了冻结核研究，特别是我国的杨绍忠和酆大雄制作了“一个检测水中冻结核含量的新装置”，为冻结核研究提供了很好的研究平台。

随着研究的深入，发现杨绍忠和酆大雄制作的装置，虽然能测定水滴冻结核数据，但是，测量情况与实际大气中水滴冻结存在一定差距，造成了测量值与真实大气水滴冻结核值的误差。误差产生的主要原因是水滴与冷凝板接触后，由于冷凝板的亲水性和水的粘性，导致球形水滴，形变成半扁椭圆形；而真实大气中水滴是在空中冻结，水滴冻结基本在球形状况下冻结。这样真实大气冻结核的数据与现有测量仪器获得的数据产生了误差。这样对研究核化过程、云的形成和降水等，造成了一系列误差。为了避免这种误差或者降低这种实验值与真实值的误差，大气研究者和工作者们迫切希望获得一种新的测量水滴冻结核装置，使得水滴冻结接触角增大，水滴冻结与真实大气中水滴冻结类似，从而获得测量值与真实值一致的结果。

发明内容

本发明提供一种水滴冻结核测量装置及实验方法，其有效提高水滴冻结核测量精准度。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为，一种水滴冻结核测量装置，包括冷凝板、纳米超疏水性涂层、支撑体、CCD相机以及微型计算机；支撑体设于冷凝板上，支撑体与冷凝板共同形成实验腔室；支撑体在实验腔室一侧的设有保护气进口，另一侧的设有保护气出口；纳米超疏水性涂层设于冷凝板上并位于冷凝板与支撑板的接触面上；CCD相机设于支撑体的上端并位于实验腔室的上端；CCD相机连接于微型计算机，微型计算机能获取CCD相机中存储的信息；冷凝板连接于微型计算机，微型计算机能控制冷凝板降温并获得温度数据。

作为本发明改进的技术方案，纳米超疏水性涂层包括如下重量份的各物质：

聚甲基丙烯酸甲酯 1份

疏水性SiO₂纳米粒子 1份

四氢呋喃 98份。

作为本发明改进的技术方案，纳米超疏水性涂层是采用如下步骤制备而成：对疏水性SiO₂纳米粒子预处理：将配比量的聚甲基丙烯酸甲酯与疏水性SiO₂纳米粒子混合均匀，得到预处理混合物；溶解混合：将配比量的四氢呋喃与预处理混合物搅拌均匀，并采用超声波分散处理10min。

作为本发明改进的技术方案，纳米超疏水性涂层是通过如下方式设于冷凝板上，包括如下步骤：预喷涂，将纳米超疏水性涂层喷涂于基板的表面；固化，将喷涂有纳米超疏水性涂层的基板置于干燥箱中，于100℃下干燥4h；组装，自然冷却基板后，将基板安装于冷凝板与支撑体接触的一面。

作为本发明改进的技术方案，纳米超疏水性涂层设于冷凝板上时，能保证水滴与纳米超疏水性涂层的静态接触角不小于150度。

作为本发明改进的技术方案，还包括第一密封圈，第一密封圈设于支撑体与冷凝板之间。

作为本发明改进的技术方案，还包括第二密封圈，第二密封圈设于实验腔室中，并位于CCD相机与支撑体之间。

作为本发明改进的技术方案，还包括温度传感器，温度传感器设于冷凝板的涂层板下方。

本发明的另一目的是提供一种基于水滴冻结核测量装置的实验方法，包括如下步骤：

提供水滴，向冷凝板的纳米超疏水性涂层上滴一滴水滴，保证水滴能在纳米超疏水性涂层上呈球形；

形成实验腔室，在冷凝板上安装支撑体与CCD相机，保证实验腔室处于密闭状态；

形成保护氛围，打开保护气进口与保护气出口，向保护气进口通入保护气体，使得实验腔室充满保护气体，使得实验腔室中的空气通过保护气出口排出；开启CCD相机操作微型计算机控制冷凝板降温，通过温度传感器，获得温度数据；CCD相机捕捉水滴冻结核过程，录像记录，输送微型计算机，微型计算机使用程序分析获得的数据和图片资料，获得冰核形成过程。

有益效果

（1）本发明采用纳米超疏水性涂层为水滴冻结核实验的接触平面，使得水滴与纳米超疏水性涂层的静态接触角大于150度以上，与大气中水滴冻结状态类似。在这种状况下，测量水滴冻结的数据与实际大气水滴冻结核数据有着高度一致性，从而提高水滴冻结核测量数据的准确性，为后续研究大气云降水提供了高质量的基础数据。

（2）本发明纳米超疏水性涂层，还具有易清洁和防冰作用，这样减轻了实验准备工作，能较快的连续进行后续实验。同时，为了防止其他物质的干扰，本实验有保护气通入实验腔，这样减少，水滴实验时，可能会发生的物理化学反应，提供测量精度。

综上，使得水滴与冷凝面夹角增大，与自然冻结情况类似，用于水滴冻结核研究。从而为云物理和人工影响天气研究大气浸润式冻结提供研究平台，进一步获得准确的测量数据。

附图说明

图1 本申请涉及的装置的结构示意图；

图中，1、冷凝板；2、纳米超疏水性涂层；3、第一密封圈；4、支撑体；5、保护气进口；6、实验腔室；7、CCD相机；8、控制信号线；9、微型计算机。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步阐述，其目的仅在于更好理解本发明的内容。

实施例1

如图1所示装置示意图，包括冷凝板1，纳米超疏水性涂层2，支撑体4，保护气进口5(内径4mm)，实验腔室6，CCD相机7(德国Allied Vision Technologies公司，GT4907)，控制信号线8，微型计算机9(联想ThinkCentre E74)。

支撑体4以能拆卸的方式设于冷凝板1上，支撑体4与冷凝板1共同形成实验腔室6；为了使得实验腔室6具有密闭性，支撑体4与冷凝板1间设有第一密封圈3；

支撑体4在实验腔室6一侧的设有保护气进口5，另一侧的设有保护气出口；实际应用时，实验腔室6内空气完全排除，充满氮气，避免空气和其它大气痕量物质对水滴冻结核的影响。

为了使得水滴（约5微升）在冷凝板1上更接近水滴在自然界的状态，即保证水滴成圆形，纳米超疏水性涂层2设于冷凝板1上并位于冷凝板1与支撑板的接触面上；本申请中的纳米超疏水性涂层2选择，保证水滴与纳米超疏水性涂层2的静态接触角不小于150度；因此，本申请中涉及的纳米超疏水性涂层2包括如下重量份的各物质：

聚甲基丙烯酸甲酯 1份

疏水性SiO₂纳米粒子 1份

四氢呋喃 98份；

纳米超疏水性涂层2是采用如下步骤制备而成：对疏水性SiO₂纳米粒子预处理：将配比量的聚甲基丙烯酸甲酯与疏水性SiO₂纳米粒子混合均匀，得到预处理混合物；溶解混合：将配比量的四氢呋喃与预处理混合物搅拌均匀，并采用超声波分散处理10min，得到悬浊液。

实际应用时发现，这种纳米超疏水涂层2具有仿荷叶特性，不仅能够使得水滴在这种表面的接触角在150度以上，使得水滴冻结核实验与实际情况一致；而且该纳米超疏水性涂层2具有一定的易清洁和防冰作用。一般测量冻结实验后，水滴位置可能会残留部分水性物质，因为纳米超疏水性涂层2的对于水滴的滚动角在10度以下，通过简单清洗和擦拭即可完成清洁工作；另外，水滴与纳米超疏水性涂层2的接触角大，疏水性好，使得水滴在纳米超疏水性涂层2上很难发生牢固结冰情况，既保护了纳米超疏水性涂层2也方便了清洁。

其中，为了使得纳米超疏水性涂层2在冷凝板1上具有更好的附着效果，纳米超疏水性涂层2是通过如下方式设于冷凝板1上，包括如下步骤：预喷涂，将纳米超疏水性涂层2喷涂于基板的表面；固化，将喷涂有纳米超疏水性涂层2的基板置于干燥箱中，于100℃下干燥4h；组装，自然冷却基板后，将基板安装于冷凝板1与支撑体4接触的一面。

具体的，纳米超疏水性涂层2，配比如下表1。

表1纳米超疏水性涂层2配方

原料	比例	投料量
			聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)	1%（wt%）	0.1g
疏水性SiO2纳米粒子	1%（wt%）	0.1g
			四氢呋喃(THF)	98%（wt%）	9.8g

制备方法：将处方量的PMMA和SiO₂纳米粒子混合于烧杯中，量取处方量THF，采用磁力搅拌的方法，搅拌2h，然后使用超声波分散机处理10分钟。获得悬浊液，喷涂于基板（基板为铜板或者铝板）表面。将喷涂后的基体放入干燥箱中在100摄氏度，干燥4h后取出自然冷却。所得的基体涂层表面水滴接触角为151°。类似大气中水滴圆形。将基板与冷凝其他部件组装成冷凝板1；还包括温度传感器，温度传感器集成于冷凝板1上，温度传感器是获得冻结温度数据，冷凝板1是根据实验要求，降低冷冻温度，使得在纳米超疏水性涂层2上的水滴冻结。

CCD相机7设于支撑体4的上端并位于实验腔室6的上端，CCD相机7与支撑体4间填充有第二密封圈，实现实验腔室6的密封性。

CCD相机7连接于微型计算机9，微型计算机9能获取CCD相机7中存储的信息；冷凝板1连接于微型计算机9，微型计算机9能控制冷凝板1降温。具体的是，微型计算机9与CCD相机7与冷凝板1间的连接均通过控制信号线8连接。

实施例2、一种基于水滴冻结核测量装置的实验方法，包括如下步骤：

提供水滴，向冷凝板1的纳米超疏水性涂层2上滴一滴水滴（约2微升），保证水滴能在纳米超疏水性涂层2上呈圆形；不同实验要求，滴加不同浓度的水滴（如pH值为3.0的雨水，1%wt 亚氯酸盐，0.01%wt 新配置的AgI等溶液，根据研究需要选择）；形成实验腔室6，在冷凝板1上安装支撑体4与CCD相机7，保证实验腔室6处于密闭状态；

形成保护氛围，打开保护气进口5与保护气出口，向保护气进口5通入保护气体（氮气，约0.2L/min），使得实验腔室6充满保护气体，打开保护气出口，使得实验腔室6中的空气通过保护气出口排出，减小在实验过程中水滴发生物理化学反应；

形成冰核，通入保护气体1min后，开启CCD相机7，操作微型计算机控制冷凝板1降温，进行程序降温，，捕获水滴冻结核过程并记录数据和图片资料，同时，微型计算机通过CCD相机获得水滴冻结光变化情况，预判断冻结时刻，同时，根据预设定程序，分析获得的数据和图片资料，软件绘制相关图表给出水滴冻结核的数据。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种水滴冻结核测量装置，其特征在于，包括冷凝板、纳米超疏水性涂层、支撑体、CCD相机以及微型计算机；支撑体设于冷凝板上，支撑体与冷凝板共同形成实验腔室；支撑体在实验腔室一侧的设有保护气进口，另一侧的设有保护气出口；纳米超疏水性涂层设于冷凝板上并位于冷凝板与支撑板的接触面上；CCD相机设于支撑体的上端并位于实验腔室的上端；CCD相机连接于微型计算机，微型计算机能获取CCD相机中存储的信息；冷凝板连接于微型计算机，微型计算机能控制冷凝板降温并获得温度数据。

2.根据权利要求1所述的一种水滴冻结核测量装置，其特征在于，纳米超疏水性涂层包括如下重量份的各物质：

聚甲基丙烯酸甲酯 1份

疏水性SiO₂纳米粒子 1份

四氢呋喃 98份。

3.根据权利要求2所述的一种水滴冻结核测量装置，其特征在于，纳米超疏水性涂层是采用如下步骤制备而成：对疏水性SiO₂纳米粒子预处理：将配比量的聚甲基丙烯酸甲酯与疏水性SiO₂纳米粒子混合均匀，得到预处理混合物；溶解混合：将配比量的四氢呋喃与预处理混合物搅拌均匀，并采用超声波分散处理10min。

4.根据权利要求1所述的一种水滴冻结核测量装置，其特征在于，纳米超疏水性涂层是通过如下方式设于冷凝板上，包括如下步骤：预喷涂，将纳米超疏水性涂层喷涂于基板的表面；固化，将喷涂有纳米超疏水性涂层的基板置于干燥箱中，于100℃下干燥4h；组装，自然冷却基板后，将基板安装于冷凝板与支撑体接触的一面。

5.根据权利要求1或4所述的一种水滴冻结核测量装置，其特征在于，纳米超疏水性涂层设于冷凝板上时，能保证水滴与纳米超疏水性涂层的静态接触角不小于150度。

6.根据权利要求1所述的一种水滴冻结核测量装置，其特征在于，还包括第一密封圈，第一密封圈设于支撑体与冷凝板之间。

7.根据权利要求1所述的一种水滴冻结核测量装置，其特征在于，还包括第二密封圈，第二密封圈设于实验腔室中，并位于CCD相机与支撑体之间。

8.根据权利要求1所述的一种水滴冻结核测量装置，其特征在于，还包括温度传感器，温度传感器设于冷凝板的涂层板下方。

9.一种基于权利要求1-8任一所述的水滴冻结核测量装置的实验方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供水滴，向冷凝板的纳米超疏水性涂层上滴一滴水滴，保证水滴能在纳米超疏水性涂层上呈球形；

形成实验腔室，在冷凝板上安装支撑体与CCD相机，保证实验腔室处于密闭状态；

形成保护氛围，打开保护气进口与保护气出口，向保护气进口通入保护气体，使得实验腔室充满保护气体，使得实验腔室中的空气通过保护气出口排出；开启CCD相机操作微型计算机控制冷凝板降温，通过温度传感器，获得温度数据；CCD相机捕捉水滴冻结核过程，录像记录，输送微型计算机，微型计算机使用程序分析获得的数据和图片资料，获得冰核形成过程。