CN111477086A - 一种云室微粒声悬浮系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种云室微粒声悬浮系统及方法，云室微粒声悬浮系统包括云室舱体、抽空机组、空气处理机组、温度处理机组和声悬浮装置；所述云室舱体的上封头连接所述抽空机组，所述云室舱体的下封头连接所述空气处理机组；所述温度处理机组控制云室舱体内的温度；所述云室舱体内设有温湿度传感器，所述云室舱体的壁面上设置有干蒸汽入口、气溶胶注入开孔及、观察窗，所述观察窗处设置有摄像装置。云室微粒声悬浮系统结构设计科学合理，操作性强，受干扰较小，环境模拟的真实性更高；可保证特定空间内微粒悬浮的稳定性，尤其是微粒在生长变化过程的稳定性，方便对微粒生长特定空间观察研究。
Description
技术领域
本发明属于云雾研究技术领域，具体涉及一种云室微粒声悬浮系统及方法。
背景技术
多年来，人工影响天气技术逐步发展，对于云雾物理机制研究至关重要。为了深入了解冰晶雪微粒的生长过程，使其稳定悬浮并提供正常生长条件是研究的前提与关键。在以往的云室微粒生长过程试验研究中，冰雪晶在物体表面如纤维丝或金属平面上生长，这导致其生长受到一定限制，跟自然大气情况不完全一样。而在自由降落条件下定量测定冰晶增长困难极大。研究者曾利用空气动力学原理设置过冷云风洞使得冰晶雪自由悬浮生长，大大延长了生长期，但是冰晶效果都不尽人意。大气中冰晶生长及下落问题由于其形状的复杂多变使得冰晶生长的理论研究遇到很大的困难。
发明内容
为了解决上述研究冰晶生长困难的问题，本发明利用声波驻波原理，提供了一种云室微粒声悬浮系统及方法，温度、湿度、气压可控，为冰晶雪微粒生长研究提供条件。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种云室微粒声悬浮系统，包括云室舱体、抽空机组、空气处理机组、温度处理机组和声悬浮装置；
所述云室舱体的上封头连接所述抽空机组，所述云室舱体的下封头连接所述空气处理机组；所述云室舱体的舱壁为双层夹套结构，所述双层夹套结构为载冷剂循环空间，所述温度处理机组连接载冷剂循环空间，通过控制所述云室舱体的舱壁温度进而控制舱内的温度；所述云室舱体内设有温湿度传感器，所述云室舱体的壁面上设置有干蒸汽入口、气溶胶注入开孔及观察窗，所述观察窗处设置有摄像装置。
所述声悬浮装置包括超声波发生器，及设置在所述云室舱体内的换能器、变幅杆、发射器、反射器和支撑架；所述超声波发生器与换能器相连，所述变幅杆连接在换能器的下方，所述发射器连接在变幅杆的下方，所述反射器设置于所述发射器的下方；所述变幅杆、发射器、反射器同轴设置。
优选的，所述反射器固定在支撑架上，所述支撑架带有用于上下调整的伸缩装置。
优选的，所述云室舱体顶部设置提供光源的开孔，所述开孔内安装灯或玻璃窗。
优选的，所述摄像装置安装在滑轨上，所述滑轨竖向安装在所述云室舱体的内壁面上。
优选的，所述云室舱体内还设置有轴流风机，所述轴流风机设置于所述声悬浮装置下方。
优选的，还包括控制系统，所述控制系统分别与抽空机组、超声波发生器、温湿度传感器、摄像装置、温度处理机组和空气处理机组相连。
优选的，所述云室舱体为不锈钢材质的圆柱型舱体或立柱型舱体；舱体内壁采用316材质，舱体外壁采用304材质。
优选的，还包括蒸汽发生器，所述蒸汽发生器与所述空气处理机组共同连接所述云室舱体的下封头。
优选的，所述温度处理机组使舱体内的温度范围为-40～40℃，所述空气处理机组使舱内湿度范围为10～100％RH，所述抽空机组使舱体内压力达到500～1100hPa。
本发明的另一个技术方案是：
一种云室微粒声悬浮的方法，包括以下步骤：
1)打开空气处理机组注入洁净空气来清洁舱室；
2)打开温度处理机组、抽空机组调节温度至目标参数并抽空至目标参数；
3)通过干蒸汽入口注入干蒸汽，打开轴流风机均匀湿度；
4)待舱室内温湿度、压力稳定后，关闭空气处理机组，通过气溶胶注入孔注入气溶胶；
5)观察冰晶微粒降落，待微粒降落稀疏时打开超声波发生器；
6)调节反射器的高度及发射器的频率至合适参数，使微粒稳定悬浮；
7)根据湿度传感器的示数适时打开蒸汽发生器，向舱室内补充湿气；
8)调整摄像装置的位置，拍摄微粒生长过程；
9)实验结束，依次关闭抽空机组、温度处理机组、声波悬浮装置，分析数据。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
本发明云室微粒声悬浮系统，包括云室舱体、抽空机组、空气处理机组、温度处理机组和声悬浮装置；所述云室舱体的上封头连接所述抽空机组，所述云室舱体的下封头连接所述空气处理机组；所述温度处理机组控制云室舱体内的温度；所述云室舱体内设有温湿度传感器，所述云室舱体的壁面上设置有干蒸汽入口、气溶胶注入开孔及、观察窗，所述观察窗处设置有摄像装置。满足了不同微粒的稳定生长环境，模拟雨雪雾微粒在自然界的成长，进行微粒整个生命周期的增长、碰并、消融等研究，从而进行成云致雨机理、微物理结构和生消演变规律、人工催化作业机制等研究工作。而且结构设计科学合理，操作性强，受干扰较小，环境模拟的真实性更高。
本发明云室微粒声悬浮系统，利用声波驻波原理，可保证特定空间内微粒悬浮的稳定性，尤其是微粒在生长变化过程的稳定性，方便对微粒生长特定空间观察，对过程进行全面清晰的记录。
本发明云室微粒声悬浮系统，所述反射器固定在支撑架上，所述支撑架带有用于上下调整的伸缩装置，在实验过程中可根据实际情况来调整反射器的高度，使得实验结果更加准确。
本发明云室微粒声悬浮系统，所述摄像装置安装在滑轨上，所述滑轨竖向安装在所述云室舱体的外壁面上，能够更加全面的拍摄微粒的生长过程。
本发明云室微粒声悬浮方法，利用所述的云室微粒声悬浮系统，方法简单、实用，提供微粒生长空气参数范围广，通过控制所述云室舱体的舱壁温度进而控制舱内的温度，所述温度处理机组使舱体内的温度范围为-40～40℃，所述空气处理机组使舱内湿度范围为10～100％RH，所述抽空机组使舱体内压力达到500～1100hPa，空气湿温度控制精度高，实验结果准确度高；同时可模拟不同高空的云雾环境，可扩展实验功能。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例云室微粒声悬浮系统的结构示意图；
图中：1-云室舱体，2-抽空机组，3-超声波发生器，4-控制系统，5-空气处理机组，6-温度处理机组，8-换能器，9-变幅杆，10-发射器，11-反射器，12-支撑架，13-轴流风机，14-干蒸汽入口，15-气溶胶注入孔，16-温湿度传感器，17-观察窗，18-法兰式穿舱电机接口，19-蒸汽发生器。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
如图1所示，一种云室微粒声悬浮系统，包括云室舱体1、抽空机组2、空气处理机组5、温度处理机组6和声悬浮装置；所述云室舱体1为不锈钢材质的圆柱型舱体或立柱型舱体；舱体内壁采用316材质，舱体外壁采用304材质，内部直径3m，高度6m。
所述云室舱体1的上封头通过法兰连接所述抽空机组2，所述云室舱体1的下封头连接所述空气处理机组5，所述空气处理机组5与蒸汽发生器19共同连接入所述云室舱体1，所述空气处理机组5通过控制蒸汽发生器19来控制所述云室舱体1内的湿度；所述温度处理机组6控制云室舱体1内的温度。所述云室舱体1的舱壁为双层夹套结构，所述双层夹套结构为载冷剂循环空间，所述温度处理机组6连接载冷剂循环空间，通过控制所述云室舱体1的舱壁温度进而控制舱内的温度。
所述抽空机组2可使舱体内压力达到500～1100hPa，模拟不同高空环境；用双级真空泵抽空方式进行抽空并控压，实验过程中抽空机组2维持压力，控压稳定性好。
采用空气综合处理机组5处理外界空气，实现舱内10～100％RH的湿度范围，空气综合处理机组5采用三效过滤器净化空气后，两级转轮除湿机组获得低湿工况，三级冷却器获得低温工况，采用电加热和外接加湿器获得高温和高湿工况。由于微粒生长过程会消耗舱内水分，因此为保证微粒充分生长，需打开蒸汽发生器19向舱内补充湿气。
温度处理机组6实现舱内-40～40℃的温度范围，主要包括制冷系统、升温系统及保证其运行的控制系统。不同温度载冷剂在云室舱体1的夹套内循环流动，冷却或加热舱体壁面，通过控制壁面温度控制舱体内空气温度。制冷系统采用复叠式制冷机组对载冷剂进行降温，冷冻泵把低温载冷剂输送到舱体夹套，低温载冷剂与舱体壁面接触，可实现舱体内部空气进行降温、控温。采用电加热升温方式，然后通过加热介质和载冷剂在板换中换热方式，将载冷剂温度提升，加热后的载冷剂在通过泵送入舱体夹套，可实现舱体内部空气升温。
所述云室舱体1内设有多个温湿度传感器16，所述云室舱体1的壁面上设置有一个干蒸汽入口14、一个气溶胶注入开孔15及至少一个观察窗17，所述观察窗17处设置有摄像装置；所述摄像装置安装在滑轨上，所述滑轨竖向安装在所述云室舱体1的内壁面上，用于上下移动调节摄像装置位置。
所述声悬浮装置通过法兰式穿舱电机接口18连接于云室舱体内部，所述声悬浮装置包括超声波发生器3，及设置在所述云室舱体1内的换能器8、变幅杆9、发射器10、反射器11和支撑架12；所述超声波发生器3与换能器8相连，所述变幅杆9连接在换能器8的下方，所述发射器10连接在变幅杆9的下方，所述反射器11设置于所述发射器10的下方；所述变幅杆9、发射器10、反射器11同轴设置。所述反射器11固定在支撑架12上；所述支撑架12带有用于上下调整的伸缩装置，带动反射器11调节高度，进而改变发射器10与反射器11之间距离。
所述云室舱体1顶部设置提供光源的开孔，所述开孔内安装灯或玻璃窗。
所述云室舱体1内还设置有轴流风机13用于均匀室内湿度，所述轴流风机13设置于所述声悬浮装置下方。
还包括控制系统4，控制系统4需保证实验要求的温度、湿度、压力、云雾等环境条件，是整个云室的核心部分，控制系统4分别与抽空机组2、超声波发生器3、温湿度传感器16、观察窗17处的摄像装置、温度处理机组6和空气处理机组5等设备相连。
本发明的另一个技术方案是：
一种云室微粒声悬浮的方法，包括以下步骤：
1)打开空气处理机组5注入洁净空气来清洁舱室；
2)打开温度处理机组6、抽空机组2调节温度至目标参数并抽空至目标参数；
3)通过干蒸汽入口14注入干蒸汽，打开轴流风机13均匀湿度；
4)待舱室内温湿度、压力稳定后，关闭空气处理机组5，通过气溶胶注入孔15注入气溶胶；
5)观察冰晶微粒降落，待微粒降落稀疏时打开超声波发生器3；
6)调节反射器11的高度及发射器10的频率至合适参数，使微粒稳定悬浮；
7)根据湿度传感器16的示数适时打开蒸汽发生器19，向舱室内补充湿气；
8)调整摄像装置的位置，拍摄微粒生长过程；
9)实验结束，依次关闭抽空机组2、温度处理机组6、声波悬浮装置，分析数据。
本申请实施例云室舱体1及气动悬浮装置结构设计科学合理，操作性强，受干扰较小，环境模拟的真实性更高；利用声波驻波原理，可保证特定空间内微粒悬浮的稳定性，尤其是微粒在生长变化过程的稳定性，方便对微粒生长特定空间观察，对过程进行全面清晰的记录；提供微粒生长空气参数范围广，尤其是空气湿温度控制精度高，同时可模拟不同高空的云雾环境，扩展实验功能。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
Claims (10)
1.一种云室微粒声悬浮系统，其特征在于，包括云室舱体(1)、抽空机组(2)、空气处理机组(5)、温度处理机组(6)和声悬浮装置；
所述云室舱体(1)的上封头连接所述抽空机组(2)，所述云室舱体(1)的下封头连接所述空气处理机组(5)；所述云室舱体(1)的舱壁为双层夹套结构，所述双层夹套结构为载冷剂循环空间，所述温度处理机组(6)连接载冷剂循环空间，通过控制所述云室舱体(1)的舱壁温度进而控制舱内的温度；所述云室舱体(1)内设有温湿度传感器(16)，所述云室舱体(1)的壁面上设置有干蒸汽入口(14)、气溶胶注入开孔(15)及观察窗(17)，所述观察窗(17)处设置有摄像装置；
所述声悬浮装置包括超声波发生器(3)，及设置在所述云室舱体(1)内的换能器(8)、变幅杆(9)、发射器(10)、反射器(11)和支撑架(12)；所述超声波发生器(3)与换能器(8)相连，所述变幅杆(9)连接在换能器(8)的下方，所述发射器(10)连接在变幅杆(9)的下方，所述反射器(11)设置于所述发射器(10)的下方；所述变幅杆(9)、发射器(10)、反射器(11)同轴设置。
2.根据权利要求1所述的云室微粒声悬浮系统，其特征在于，所述反射器(11)固定在支撑架(12)上，所述支撑架(12)带有用于上下调整的伸缩装置。
3.根据权利要求1所述的云室微粒声悬浮系统，其特征在于，所述云室舱体(1)顶部设置提供光源的开孔，所述开孔内安装灯或玻璃窗。
4.根据权利要求1所述的云室微粒声悬浮系统，其特征在于，所述摄像装置安装在滑轨上，所述滑轨竖向安装在所述云室舱体(1)的内壁面上。
5.根据权利要求1所述的云室微粒声悬浮系统，其特征在于，所述云室舱体(1)内还设置有轴流风机(13)，所述轴流风机(13)设置于所述声悬浮装置下方。
6.根据权利要求1所述的云室微粒声悬浮系统，其特征在于，还包括控制系统(4)，所述控制系统(4)分别与抽空机组(2)、超声波发生器(3)、温湿度传感器(16)、摄像装置、温度处理机组(6)和空气处理机组(5)相连。
7.根据权利要求1所述的云室微粒声悬浮系统，其特征在于，所述云室舱体(1)为不锈钢材质的圆柱型舱体或立柱型舱体；舱体内壁采用316材质，舱体外壁采用304材质。
8.根据权利要求1所述的云室微粒声悬浮系统，其特征在于，还包括蒸汽发生器(19)，所述蒸汽发生器(19)与所述空气处理机组(5)共同连接所述云室舱体(1)的下封头。
9.根据权利要求1所述的云室微粒声悬浮系统，其特征在于，所述温度处理机组(6)使舱体内的温度范围为-40～40℃，所述空气处理机组(5)使舱内湿度范围为10～100％RH，所述抽空机组(2)使舱体内压力达到500～1100hPa。
10.一种云室微粒声悬浮的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)打开空气处理机组(5)注入洁净空气来清洁舱室；
2)打开温度处理机组(6)、抽空机组(2)调节温度至目标参数并抽空至目标参数；
3)通过干蒸汽入口(14)注入干蒸汽，打开轴流风机(13)均匀湿度；
4)待舱室内温湿度、压力稳定后，关闭空气处理机组(5)，通过气溶胶注入孔(15)注入气溶胶；
5)观察冰晶微粒降落，待微粒降落稀疏时打开超声波发生器(3)；
6)调节反射器(11)的高度及发射器(10)的频率至合适参数，使微粒稳定悬浮；
7)根据湿度传感器(16)的示数适时打开蒸汽发生器(19)，向舱室内补充湿气；
8)调整摄像装置的位置，拍摄微粒生长过程；
9)实验结束，依次关闭抽空机组(2)、温度处理机组(6)、声波悬浮装置，分析数据。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20200731 |