CN109448508A - 一种模拟大气环流现象的科普装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及科普装置领域，公开了一种模拟大气环流现象的科普装置，包括实验水盆，实验水盆水平放置，实验水盆的内部设有加热圈和冷凝管，冷凝管与加热圈同心设置，且冷凝管与实验水盆下表面的中心处连接，实验水盆的下侧设有变速电机，变速电机的动力输出端通过传动装置带动导水导电滑环转动，导水导电滑环与实验水盆的下表面的承托板固定连接，且导水导电滑环的上端与冷凝管连通，本发明的科普装置是利用用流体力学原理，将地球大气运动过程及其现象在室内进行实物模拟，使观众通过观看模拟过程，直观的了解到地球大气环流形成的原理和机制，从而达到科普目的。
Description
技术领域
本发明涉及科普装置领域，更具体地说，特别涉及一种模拟大气环流现象的科普装置。
背景技术
在气象科普领域，一直以来缺乏一种装置可以将地球大气环流现象用实物模拟的方式现场展现给观众。在科普馆和科技馆及一些展览中，大气环流模拟一般都采用影片播放讲解，或将固定的视频内容投影在一些球体上来实现大气环流现象科普。而目前现有的大气环流模拟装置只能在大学实验室或一些科研所内供研究人员观看。本科普装置是利用用流体力学原理，将地球大气运动过程及其现象在室内进行实物模拟。使观众通过观看模拟过程，直观的了解到地球大气环流形成的原理和机制，从而达到科普目的。
本装置一是圆盘状容器，转轴位于盘心、垂直于盘面；转盘中放入流体(通常都用水)。当实验装置作逆时针旋转时，旋转流体的受力效果近似地球大气。使用圆筒时所获得的相当于某一f数值的科里奥利效应。通过对转盘外侧加热(与地球赤道热源相对应)、中心(或内侧)冷却(与地球热的消散区相对应)，就可模拟地球大气低纬加热、中高纬失热效应。与试验容器相接触的筒壁附近形成的摩擦边界层效应和流体的内部粘性，虽然与实际大气有相当距离，但可模拟出“受热所激起、为摩擦所控制的旋转流体运动”的基本特征；一些细节差异对试验目的并无大碍。此外，还可以通过在容器底部放置障碍物模拟大尺度(如西藏高原、落基山脉)地形对大气环流的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种模拟大气环流现象的科普装置，本装置根据大气循环理论原理，发明了通过工业冷水机的产生的冷却水及电阻加热丝，经精密导电导水滑环来达到实验所需要的制冷制热效果的方法；本方法有效的解决了在转盘旋转的同时可以进行精确温度调节的制冷和制热，从而达到可控的实验效果。使观众可以直观的了解到大气环流的现象；使用冷水机可以使本装置随时进行可控实验，加上本公司研发的控制系统，对转速、水温进行一键设定，使本装置运行简单可靠，不需要专业技术人员操作，达到了科普装置要求。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种模拟大气环流现象的科普装置，包括实验水盆，所述实验水盆水平放置，所述实验水盆的内部设有加热圈和冷凝管，所述冷凝管与加热圈同心设置，且冷凝管与实验水盆下表面的中心处连接，所述实验水盆的下侧设有变速电机，所述变速电机的动力输出端通过传动装置带动导水导电滑环转动，所述导水导电滑环与实验水盆的下表面的承托板固定连接，且导水导电滑环的上端与冷凝管连通，所述冷凝管的进水口与出水口分别连接有第一连通管和第二连通管，所述第一连通管和第二连通管均贯穿导水导电滑环并与冷水机连接，所述实验水盆上设有染色剂添加装置，所述实验水盆内设有温度传感器，所述温度传感器、加热圈、冷水机和变速电机均与控制器电性连接，所述实验水盆上还设有过滤循环系统，本科普装置是利用用流体力学原理，将地球大气运动过程及其现象在室内进行实物模拟，使观众通过观看模拟过程，直观的了解到地球大气环流形成的原理和机制，从而达到科普目的。
进一步地，所述染色剂添加装置包括蠕动泵、染色剂储存罐和喷洒装置，所述蠕动泵的进口管与染色剂储存罐连接，所述蠕动泵的出口管与喷洒装置连接，所述蠕动泵还与控制器电性连接。
进一步地，所述变速电机放置在固定支撑架和电机固定支架之间，所述固定支撑架和电机固定支架卡接。
进一步地，所述过滤循环系统包括过滤芯、过滤管和滤液桶，所述过滤芯安装在实验水盆底端通孔的内壁上，所述通孔与过滤管的一端连通，所述过滤管的另一端与过滤桶连接，所述过滤桶上设有用于将滤液压入实验水盆的加压泵。
进一步地，所述固定支撑架的下端固定连接有脚轮，所述脚轮上设有刹车片。
进一步地，所述导水导电滑环外套设有平面支撑传动轴承，所述平面支撑传动轴承与电机固定支架连接。
进一步地，所述实验水盆的下侧设有固定合金铝板和承托板，所述固定合金铝板和承托板均套设在导水导电滑环的外侧，所述承托板将实验水盆限位。
进一步地，所述传动装置包括第一齿轮和第二齿轮，所述第一齿轮与第二齿轮传动连接，所述变速电机的动力输出端与第一传动齿轮固定连接，所述第二传动齿轮套设在导水导电滑环的外壁上。
进一步地，所述导水导电滑环设有传感线，所述温度传感器通过传感线与控制器电性连接。
进一步地，所述加热圈通过导水导电滑环与外界电源连接，所述蠕动泵、变速电机和冷水机同样与外界电源电性连接。
工作原理：
本装置用将冷冻剂在冷水机内先进行预制冷，然后将设定好温度的制冷剂，通过定制的专用导水滑环输送到转盘冷凝管内，冷水机温度可调整在装置所需温度范围，来达到转盘中心区域可控制冷的效果；本装置用设计定制的电阻加热环，在转盘外部整圈均匀加热，加热环通过转盘中心设计的导电滑环可以在转盘旋转时不间断供电；同时通过导电环内部安装的传感线，连接转盘流体区域的温度传感器，实时传输流体温度数值，装置内的控制器接收温度数值后可达到实时对冷源温度，热源温度进行控制的目的；本装置采用蠕动泵输送染色剂，通过设计定制的喷洒装置，将染色剂均匀施放在流体内；该喷洒装置采用铝合金加工，分上下两块组合而成，呈圆环状分布于转盘上。整圈为喷洒出口，当蠕动泵输送液体染色剂至喷洒装置内产生压力时，染色剂会从出口均匀喷出；本装置转盘是整体加工成型，安装时用专用仪表检测同心图。另外转盘底部设计调整螺丝。可对同心度、平行度进行调整。使流体流动方向符合大气环流特征；本装置配套了循环过滤系统，可对流体进行过滤，是流体可以循环使用。达到长期科普展示的目的。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明有效的解决了在转盘旋转的同时可以进行精确温度调节的制冷和制热，从而达到可控的实验效果。使观众可以直观的了解到大气环流的现象，使用冷水机可以使本装置随时进行可控实验，加上控制系统，可以对转速、水温进行一键设定，使本装置运行简单可靠，不需要专业技术人员操作，达到了科普装置要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的爆炸图；
图2是本发明第一个实施例的图；
图3是本发明第二个实施例的图。
附图标记说明：1脚轮、2固定支撑架、3变速电机、4电机固定支架、5平面支撑传动轴承、6导水导电滑环、7固定合金铝板、8承托板、9实验水盆、10加热圈、11冷凝管、12蠕动泵、13染色剂储存罐、14喷洒装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参阅图1-3所示，本发明提供一种模拟大气环流现象的科普装置，包括实验水盆9，实验水盆9水平放置，实验水盆9的内部设有加热圈10和冷凝管11，冷凝管11与加热圈10同心设置，且冷凝管11与实验水盆9下表面的中心处连接，实验水盆9的下侧设有变速电机3，变速电机3的动力输出端通过传动装置带动导水导电滑环6转动，导水导电滑环6与实验水盆9的下表面的承托板8固定连接，且导水导电滑环6的上端与冷凝管11连通，冷凝管11的进水口与出水口分别连接有第一连通管和第二连通管，第一连通管和第二连通管均贯穿导水导电滑环6并与冷水机连接，实验水盆9上设有染色剂添加装置，实验水盆9内设有温度传感器，温度传感器、加热圈10、冷水机和变速电机3均与控制器电性连接，实验水盆9上还设有过滤循环系统，本发明的科普装置是利用用流体力学原理，将地球大气运动过程及其现象在室内进行实物模拟，使观众通过观看模拟过程，直观的了解到地球大气环流形成的原理和机制，从而达到科普目的。
染色剂添加装置包括蠕动泵12、染色剂储存罐13和喷洒装置14，蠕动泵12的进口管与染色剂储存罐13连接，蠕动泵12的出口管与喷洒装置14连接，蠕动泵12还与控制器电性连接，变速电机3放置在固定支撑架2和电机固定支架4之间，固定支撑架2和电机固定支架4卡接，过滤循环系统包括过滤芯、过滤管和滤液桶，过滤芯安装在实验水盆9底端通孔的内壁上，通孔与过滤管的一端连通，过滤管的另一端与过滤桶连接，过滤桶上设有用于将滤液压入实验水盆9的加压泵，固定支撑架2的下端固定连接有脚轮1，脚轮1上设有刹车片，导水导电滑环6外套设有平面支撑传动轴承5，平面支撑传动轴承5与电机固定支架4连接，实验水盆9的下侧设有固定合金铝板7和承托板8，固定合金铝板7和承托板8均套设在导水导电滑环6的外侧，承托板8将实验水盆9限位，传动装置包括第一齿轮和第二齿轮，第一齿轮与第二齿轮传动连接，变速电机3的动力输出端与第一传动齿轮固定连接，第二传动齿轮套设在导水导电滑环6的外壁上，导水导电滑环6设有传感线，温度传感器通过传感线与控制器电性连接，加热圈10通过导水导电滑环6与外界电源连接，蠕动泵12、变速电机3和冷水机同样与外界电源电性连接
用工业冷水机产生冷水通过冷凝管制冷；用精密的导电导水滑环使转盘旋转的同时可以传输电力和冷却水。并且能通过导电导水滑环内设置的传感线进行实时温度控制；定制同转盘直径一样大小的加热圈模拟赤道；用蠕动泵代替原实验装置手工施放染色剂，可使染色剂施放均匀，分量可控。
本装置用将冷冻剂在冷水机内先进行预制冷，然后将设定好温度的制冷剂，通过定制的专用导水滑环输送到转盘冷凝管内，冷水机温度可调整在装置所需温度范围，来达到转盘中心区域可控制冷的效果；本装置用设计定制的电阻加热环，在转盘外部整圈均匀加热，加热环通过转盘中心设计的导电滑环可以在转盘旋转时不间断供电；同时通过导电环内部安装的传感线，连接转盘流体区域的温度传感器，实时传输流体温度数值，装置内的控制器接收温度数值后可达到实时对冷源温度，热源温度进行控制的目的；本装置采用蠕动泵输送染色剂，通过设计定制的喷洒装置，将染色剂均匀施放在流体内；该喷洒装置采用铝合金加工，分上下两块组合而成，呈圆环状分布于转盘上。整圈为喷洒出口，当蠕动泵输送液体染色剂至喷洒装置内产生压力时，染色剂会从出口均匀喷出；本装置转盘是整体加工成型，安装时用专用仪表检测同心图。另外转盘底部设计调整螺丝。可对同心度、平行度进行调整。使流体流动方向符合大气环流特征；本装置配套了循环过滤系统，可对流体进行过滤，是流体可以循环使用。达到长期科普展示的目的。
在转盘内放模拟用流体水6升，转盘直径1.2米，水深约5厘米。
水深5厘米可使转盘模拟效果可以实施，可以节约用水，水深太浅达不到模拟所需制冷制热效果；用冷水机通过导电导水滑环，将预制冷水传送到产品冷凝管内，模拟地球两极冷源。冷水温度调整在8℃；冷水温度经过管道输送及转盘内冷凝管把流体降温后在回到冷水机内，循环使用，达到不间断制冷效果；冷水温度设定为8℃，与热水可以形成一定温差，温度设置太低，冷水机需长时间工作。影响效率。温度设置太高，达不到模拟所需要温差。没有科普展示效果；用电阻加热环加热水，热水设定温度为34℃；热水温度设定为34℃，与冷水可以形成一定温差，温度设置太高，加热环需长时间工作。影响效率。温度设置太低，达不到模拟所需要温差。没有科普展示效果；用变速电机带动平面轴承传动，使转盘开始转动。经过调速器，使转盘转速可按实验参数调整。转盘转速设定为每分钟2转；转盘转速过高，环流现象不会形成。转盘转速设置过低，环流会变成2个旋涡状态，不符合大气环流特征，达不到科普展示效果；用蠕动泵使染色剂自动滴入实验水盆内，达到实验观看效果。通过调速装置，可使染色剂分量按最佳观看效果滴入；通过以上参数设置，可使转盘产生5个旋涡状态流动的大气环流现象请参阅图2所示；改变热水温度设置值，将热水温度设定在45℃，其它条件不变，可使转盘产生3个旋涡状态流动的大气环流现象。可以模拟地球大气环流现象夏天和冬天因为温差不同而产生的环流也不同的现象，请参阅图3所示。
上述为该模拟大气环流现象的科普装置的工作原理，同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域专业技术人员公知的现有技术，本方案中提到的冷水机、控制器、导水导电滑环6、冷凝管11、过滤芯和过滤管均为现有装置，本领域技术人员从外部采购。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种模拟大气环流现象的科普装置，包括实验水盆(9)，所述实验水盆(9)水平放置，其特征在于：所述实验水盆(9)的内部设有加热圈(10)和冷凝管(11)，所述冷凝管(11)与加热圈(10)同心设置，且冷凝管(11)与实验水盆(9)下表面的中心处连接，所述实验水盆(9)的下侧设有变速电机(3)，所述变速电机(3)的动力输出端通过传动装置带动导水导电滑环(6)转动，所述导水导电滑环(6)与实验水盆(9)的下表面的承托板(8)固定连接，且导水导电滑环(6)的上端与冷凝管(11)连通，所述冷凝管(11)的进水口与出水口分别连接有第一连通管和第二连通管，所述第一连通管和第二连通管均贯穿导水导电滑环(6)并与冷水机连接，所述实验水盆(9)上设有染色剂添加装置，所述实验水盆(9)内设有温度传感器，所述温度传感器、加热圈(10)、冷水机和变速电机(3)均与控制器电性连接，所述实验水盆(9)上还设有过滤循环系统。
2.根据权利要求1所述的模拟大气环流现象的科普装置，其特征在于：所述染色剂添加装置包括蠕动泵(12)、染色剂储存罐(13)和喷洒装置(14)，所述蠕动泵(12)的进口管与染色剂储存罐(13)连接，所述蠕动泵(12)的出口管与喷洒装置(14)连接，所述蠕动泵(12)还与控制器电性连接。
3.根据权利要求1所述的模拟大气环流现象的科普装置，其特征在于：所述变速电机(3)放置在固定支撑架(2)和电机固定支架(4)之间，所述固定支撑架(2)和电机固定支架(4)卡接。
4.根据权利要求1所述的模拟大气环流现象的科普装置，其特征在于：所述过滤循环系统包括过滤芯、过滤管和滤液桶，所述过滤芯安装在实验水盆(9)底端通孔的内壁上，所述通孔与过滤管的一端连通，所述过滤管的另一端与过滤桶连接，所述过滤桶上设有用于将滤液压入实验水盆(9)的加压泵。
5.根据权利要求3所述的模拟大气环流现象的科普装置，其特征在于：所述固定支撑架(2)的下端固定连接有脚轮(1)，所述脚轮(1)上设有刹车片。
6.根据权利要求1所述的模拟大气环流现象的科普装置，其特征在于：所述导水导电滑环(6)外套设有平面支撑传动轴承(5)，所述平面支撑传动轴承(5)与电机固定支架(4)连接。
7.根据权利要求1所述的模拟大气环流现象的科普装置，其特征在于：所述实验水盆(9)的下侧设有固定合金铝板(7)和承托板(8)，所述固定合金铝板(7)和承托板(8)均套设在导水导电滑环(6)的外侧，所述承托板(8)将实验水盆(9)限位。
8.根据权利要求1所述的模拟大气环流现象的科普装置，其特征在于：所述传动装置包括第一齿轮和第二齿轮，所述第一齿轮与第二齿轮传动连接，所述变速电机(3)的动力输出端与第一传动齿轮固定连接，所述第二传动齿轮套设在导水导电滑环(6)的外壁上。
9.根据权利要求1所述的模拟大气环流现象的科普装置，其特征在于：所述导水导电滑环(6)设有传感线，所述温度传感器通过传感线与控制器电性连接。
10.根据权利要求9所述的模拟大气环流现象的科普装置，其特征在于：所述加热圈(10)通过导水导电滑环(6)与外界电源连接，所述蠕动泵(12)、变速电机(3)和冷水机同样与外界电源电性连接。
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