CN1268889C - 一种用于推算水中冻结核含量的实验冷台及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于推算水中冻结核含量的实验冷台及系统，包括冷台箱体由上下两个金属散热槽，和在两个散热槽之间设置一绝热材料支撑形成腔，该腔内的两个散热槽相对面上用导热硅脂分别贴粘各由4块以上串联的半导体制冷组件组成的上下制冷板，制冷板的冷面相对，用导热硅脂分别贴粘4块以上串联的半导体制冷组件组成的冻滴感应板；两块冻滴感应板的冷面相对，用导热硅脂分别粘贴镀铬紫铜板，两者之间形成容纳水滴的冷腔；铜下板的冷面上贴放微型铂膜P_t100温度感应元件；制冷上板与冻滴感应上板之间设置一温度感应元件；两个散热槽内盛有水和乙二醇的混合物组成的冷媒，槽壁上开有液体进出口；上下制冷板并联到温度控制回路中。

Description

一种用于推算水中冻结核含量的实验冷台及系统

技术领域

本发明涉及一种在大气物理和人工影响天气研究中使用的设备，具体讲是一种人工影响天气实验用的推算水中冻结核含量的实验冷台及系统。

背景技术

大量实验表明，纯水水滴的冻结温度随尺度而变化。水滴越小，发生冻结就越困难，其冻结温度随尺度减小趋于-40℃。然而，实际上，自然云滴或雨滴并未达到如此低的温度就已冻结成冰了，其原因之一是自然水不可能纯净得毫无杂质。大气中含有大量各式各样的称之为气溶胶的微小质粒，其中某些质粒在水的相变过程中可通过不同方式起到凝结或冻结核心(云核和冰核)的作用。可以说，没有这些微小质粒，自然界中将难以出现千变万化的云和降水过程。

在人工影响天气中，通常是用某种运载工具向云中播撒适量的人工冰核(碘化银等，即：异质核化过程)或直接播入低温物质(液氮，干冰等，即：同质核化过程)，使云滴的相态或谱分布发生改变，影响云雨形成的微物理过程，达到人工增水或放雹的目的。因此，无论是自然冰核还是人工冰核，均以不同方式参与成云致雨的整个过程，其中必然包含着核化—冰晶—繁生—融化—碰并等不同阶段的云物理信息。因此，不同类型的地面降水也应包含着反映人工影响或自然演变的某些微物理特征。

多年的实验研究也证实，气溶胶质粒的冰核化不但与它们所处的环境因子(温度，湿度和气压等)有密切关系，而且与它们本身的化学构成和物理特性相关，它们在不同的核化环境中具有不同的核化机制和核化能力。对于冰核化机制，通常把它们分为凝华、凝结-冻结、接触冻结和浸入冻结四种。这四种机制的实验模拟除了其中凝华机制可以用静力扩散云室模拟之外，其它机制都难以做到单独模拟。为了模拟浸入冻结机制，Vali在总结前人关于水滴冻结实验研究的基础上，首创了通过均匀水滴冻结实验检测水中冻结核的方法，认为水中所含的每一个冰核都有一个特征温度，在这个温度下它一定会引起水滴的冻结。

据此可以推测，由于播撒的人工冰核成冰阈温和浓度比自然冰核的要高得多，如果对不同类型的自然降水和人工催化降水进行采样，用Vali的方法，在一个模拟浸入冻结机制的水滴冻结装置中分别做冻结实验，通过推算水样中的冻结核含量，有可能找出人工影响降水和自然降水间的区别，那么，该方法将有希望成为一种用于人工影响天气效果检验的物理方法。

如参考文献1：Vali G.Freezing nucleus content of hail and rainin Alberta.J of Appl Meteor，1971，10(1)：73～78所介绍的：Vali等人在做冻滴实验时，把被测定水样均匀地滴在以定速降温的冷台上，该冷台为一具有一定热容的铜块，随着冷台温度的降低，水滴陆续发生冻结，如图3所示。实验中，目测冻结事件的发生并记录相应的温度值，而后集中统一处理获得的数据，推算水样中冻结核含量。该实验装置和操作方法虽然简单，但缺点是由于上方是暴露的，水滴表面有一部分与冷台直接接触，总会有一部分表面处于环境之中，使得水滴存在大的温度梯度，给冻结温度的测量与确定带来误差；当几个水滴陆续或几乎同时冻结时，人工记录难以应付；冷台的温度只能按由环境决定的某一速率降低，难以实现不同速率的线性降温；实验过程中，冷台温度比环境温度低，在其表面会有下沉气流通过，冷台上的水滴有可能与环境空气中的气溶胶粒子接触发生冻结，出现的冻结事件并不是由浸入冻结机制发生的。

发明内容

本发明的目的在于：克服已有的检测方法和装置的不足，提供一种在自动控温程序的控制下，以不同速率线性降温的封闭式冷台和实验系统，从而提供一种用于高精度检测水滴冻结温度，推算水样中冻结核含量一的实验冷台及系统。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的一种检测水滴冻结温度用的冷台，包括冷台箱体1和温度测量仪5；其特征在于：所述的冷台箱体1由上下两个散热槽8、8′，和在两个散热槽之间设置一绝热材料支撑9形成腔，在该腔内的两个散热槽8、8′相对面上用导热硅脂分别贴粘各由4块以上串联的半导体制冷组件组成的上下制冷板10、10′，制冷板10、10′的冷面用导热硅脂分别贴粘4块以上串联的半导体制冷组件组成的冻滴感应板11、11′；在两块冻滴感应板11、11′冷面用导热硅脂分别粘贴(至少厚1mm的镀烙紫铜板)铜板(与冻滴感应板同长宽)，两铜板之间形成容纳水滴的冷腔12，该铜板的冷面上贴放一温度感应元件13′，制冷上板10与冻滴感应上板11之间设置一温度感应元件13；两个散热槽8、8′内盛有水和乙二醇的混合物组成的冷媒14，槽壁上开有液体进出口；串联后的上下制冷板并联到温度控制回路中。

一种检测水滴冻结温度用的冷台和冷台实验系统，包括冷台箱体1和温度测量仪5；其特征在于：所述的冷台箱体1由上下两个散热槽8、8′，散热槽内设置有散热片2；和在两个散热槽之间设置一绝热材料支撑9形成腔，该腔内的两个散热槽8、8′相对面上用导热硅脂分别粘贴各由4块以上半导体制冷组件组成的上下制冷板10、10′，在制冷上下板10、10′的冷面用导热硅脂分别贴粘各由4块串联的半导体制冷组件组成的冻滴感应板11、11′；上下两块冻滴感应板11、11′冷面用导热硅脂分别粘贴铜板(至少厚1mm的镀烙紫铜板，与冻滴感应板同长宽)，两铜板之间形成容纳水滴的冷腔12，铜板的下板的冷面上贴放一温度感应元件13′。制冷上板10与冻滴感应上板11之间设置一温度感应元件13；两个散热槽8、8′内盛有水和乙二醇的混合物组成的冷媒14，槽壁上开有液体进出口，通过管道和循环泵连通，构成一个循环散热系统；一个温度感应元件13(微型铂膜Pt100)被内嵌在制冷上板的冷端，作为818P4控温仪的输入；另一个温度感应元件13′贴在镀烙紫铜下板的暴露面上，作为E5AX测温仪的输入；制冷上板与制冷下板并联到温度控制回路中；交流电源给函数记录仪、控温仪和测温仪供电，控温仪的控制方式为开关方式，通过一个直流继电器控制制冷上下板所用直流电源的接通和关闭；冻滴感应上板11和冻滴感应下板11′的相同极性相联接，另外两个相同极性端再分别与函数记录仪的输入端电联接。该装置的温度测控系统如图2所示。

温度控制系统中，由温度感应元件13感应制冷板冷面的温度，并据此自动按事先设置在818P4控温仪中的运行程序加大或减小电源的输出功率，以实现对上下制冷板温度的控制。818P4控温仪可以按用户需要输入4条执行曲线的自动运行程序，而每条曲线还可以设置8个保持段，也就是说，对于冷台冻滴实验，不同速率的线性降温要求可以通过编制程序自动完成。经多次测试，由于各种环境因素的影响，将几段不同降温率的程序段相连可以获得良好的线性降温效果。实验中实际使用的降温率主要用2℃/min，有时也使用1℃/min。

为了实时准确地跟踪测量水滴冻结温度，用微型铂膜Pt100温度感应元件13′贴接在盛放水滴的铜板上作为温度测量仪E5AX的输入。由于使用的冻滴信号记录仪LZ3-100是一种单笔式函数记录仪，实验时将E5AX测温仪的显示值人工地在记录仪上实时做标记。

本发明的水滴冻结实验冷台如图1和2所示。其设计基本思路为：上下制冷板的工作利用帕尔帖效应：由电产生温差。而冻滴感应上下板的工作利用帕尔帖效应的逆过程：通过水滴冻结释放的潜热形成的温差产生可供记录的电信号。利用单笔纸式函数记录仪对水滴冻结事件实现自动地连续跟踪记录。利用智能型温度控制仪，实现对冷台温度的线性降温控制，利用高精度测温仪测量线形降温值。

在水滴冻结实验装置中，要求上下两部分的温度相同并在程序的控制下同步线性降低。另外，被测水滴应置于一个尽量狭窄的封闭空间内，以使水滴温度与其环境温度基本一致。

本发明的优点

(1)本发明利用TECI-12703型半导体制冷组件和液体(乙二醇+水)循环散热技术可以获得-25℃的低温，完全能满足水滴冻结实验的要求。

(2)由于利用半导体制冷(帕尔帖效应)的逆过程和水滴冻结释放潜热现象，实现了对一群水滴冻结事件的自动记录。

(3)本发明的冷台设计将水滴是在封闭的狭缝内，该设计明显减小了水滴的温度梯度，比国外体积为10μL的水滴测得的平均冻结温度约低0.5℃。

(4)在智能型控温仪表的控制下，可以实现从0～2℃/min不同速率的线性降温，从而满足了水滴冻结实验线性降温的要求。

(5)经多次实验表明，该装置性能稳定，重复性好。特别是用此装置对多种自然降水中冻结核含量的实际测定也表明，它可以作为云物理实验的基本装置之一加以进一步开发使用。

附图说明

图1是本发明的冷台结构示意图

图2是本发明的检测水滴冻结温度的系统框图

图3是已有的冷台温度测量与控制部分组成示意图

图4是利用本发明的冷台做实验所记录的冻滴信号示意图

图面说明如下：

冷台箱体1           散热片2               液体进出口3

温度控制仪4         温度测量仪5           数记录仪6

直流电源7           上下两个散热槽8、8′，支撑9

上下制冷板10、10′，冻滴感应板11、11′；  冷腔12，

温度感应元件13      冷媒14，              水滴15

交流电源16          交流继电器17          直流继电器18

具体实施方式

参见图1，制作一种用于推算水中冻结核含量的实验冷台，该冷台由上下两个由合金铝材料制作的散热槽8、8′，该散热槽内设置有散热片2，散热片2与用于贴放制冷板的平面为一体；和在两个散热槽之间设置一绝热材料支撑9形成腔，其支撑9高17mm；该腔内的两个散热槽8、8′相对面上，分别用导热硅脂贴粘各由4块厚3mm的TECI-12703型半导体制冷组件组成的上下制冷板10、10′，制冷板10、10′的冷面用导热硅脂分别贴粘各由4块串联的TECI-12703型半导体制冷组件组成的冻滴感应板11、11′；两块冻滴感应板11、11′冷面用导热硅脂分别粘贴厚1mm的镀铬紫铜板(与冻滴感应板同长宽)，两者之间形成容纳水滴的冷腔12；镀铬紫铜下板的冷面上贴放微型铂膜Pt100温度感应元件13′；两个散热槽8、8′内盛有水和乙二醇的混合物组成的冷媒14，槽壁上开有液体进出口3，用硅胶软管与热交换箱和高压泵连接，构成一个循环散热系统，以便及时带走制冷组件热面的热量；上下两组冻滴感应板的冷面相对，串联后将它们的正极相接，两个负极接于记录仪的输入端。上下两块铜板与定位边框一起构成一个面积为64cm2高度仅为3mm的用于滴放水滴的冷腔12。当制冷系统工作时，由于上下两块冻滴感应板的极性是反接的，回路中随温度降低而产生的电动势相互抵消，故在记录仪上应表现为一条不随时间变化的直线。只有当滴在冷台上的水滴冻结释放热量时，记录仪上才出现相应的“脉冲”信号。

参考图1和2，制作一种用于推算水中冻结核含量的实验冷台系统，包括冷台箱体1和温度测量仪5；所述的冷台箱体1由上下两个铝貭散热槽8、8′，和在两个散热槽之间设置一绝热材料支撑9形成腔，在该腔内的两个散热槽8、8′相对面上，用导热硅脂分别贴粘各由4块串联的半导体制冷组件组成的上下制冷板10、10′；制冷板10、10′的冷面上用导热硅脂分别贴粘各由4块串联的半导体制冷组件组成的冻滴感应板11、11′；两块冻滴感应板11、11′的冷面相对，再分别粘贴厚1mm的镀铬紫铜板，两者之间形成容纳水滴的冷腔12；下面铜板的暴露面上放置一温度感应元件13′；两个散热槽8、8′内盛有水和乙二醇的混合物组成的冷媒14，槽壁上开有液体进出口3，通过管道和循环泵连通，构成一个循环散热系统；制冷上下板串联后再并联到温度控制回路中，如图2所示。一个温度感应元件13(微型铂膜Pt100)被内嵌在制冷上板的冷端，作为818P4温度控制仪4的输入。贴在下铜板暴露面上的另一个温度感应元件13′用于感应线性降低的温度，作为E5AX测温仪5的输入；交流电源16给函数记录仪6、温度控制仪4和温度测量仪5供电。温度控制仪4的控制方式为开关方式，通过直流继电器18控制制冷上下板所用直流电源7的接通和关闭；冻滴感应上板11和冻滴感应下板11′的冷面相对，相同极性联接，另外两个极性端再分别与函数记录仪6的输入端电联接。上述的循环散热系统安装在一个经改造的冰柜中，以减少环境温度对冷台的影响。

该温度测控系统由温度感应元件13感应制冷板温度并据此自动按事先设置在818P4中的运行程序加大或减小电源的输出功率。818P4可以按用户需要输入4条执行曲线的自动运行程序，而每条曲线还可以设置8个保持段，也就是说，对于冷台冻滴实验，不同速率的线性降温要求可以通过编制程序自动完成。经多次测试，由于各种环境因素的影响，将几段不同降温率的程序段相连可以获得良好的线性降温效果。实验中实际使用的降温率主要用2℃/min，有时也使用1℃/min。

本系统以帕尔帖效应(Peltier)为基本原理，用来测量水滴冻结温度的实验装置。实验时，用注射器将数十滴被测水样均匀地滴到冻结实验冷台上，在自动控温程序的控制下，水滴在一个封闭的空间里随冷台温度的线性降低而陆续发生冻结。释放的冻结潜热通过帕尔帖效应的逆过程在记录仪上产生相应的脉冲信号。若对多次的冻结实验数据加以统计整理，可以推算水样中的冻结核含量，以浸入冻结核浓度的温度谱形式参与云微物理过程的研究。

应用本发明的检测水滴冻结温度的系统进行检测的方法，包括如下步骤：

1.首先将整个冷台及其循环散热装置安装在冰柜中，调整冰柜中温度，将其控制在+6℃左右为宜；

2.把上散热槽8移开，暴露出冷腔12，用酒精清洗后再用专用扁刷涂布硅油，再用6号针头的注射器将事先准备好的待测水样均匀地滴在涂布好的硅油中(水滴直径为2.62mm，体积为9.42μL)；一个实验过程滴40个滴，滴完后盖好上散热槽8；

3.启动降温系统和记录仪，此时，处于狭缝中的水滴将随着预先制定的降温程序降温，当水滴冷却到冻结温度时陆续发生冻结，记录仪将自动记录水滴的冻结信号(见图3)；

4.实验中，一般当温度降到0℃时就开始在线性移动的记录纸上人工做标记并注明当时的温度值。直到已出现40个“脉冲”信号，表明该次冻结过程已完成。重复以上步骤，再进行下一个过程。由于该实验装置的重复性能相当稳定，一般一种水样只做200个滴即可。

5.处理资料时，从200个冻滴中首先出现的第一个冻滴“脉冲”前的整数温度开始，以0.25℃间隔统计冻滴个数，记录在表中水滴冻结个数栏中，而后再对前后相邻温度间隔的冻滴数按1/4、1/2、1/4作加权平均，以表中的T_0～100和Z_0～200分别为横坐标和纵坐标进行点图，最终得到水滴冻结的温度谱。

Claims (11)

1.一种用于推算水中冻结核含量的实验冷台，包括冷台箱体(1)和温度测量仪(5)；其特征在于：所述的冷台箱体(1)由上下两个金属散热槽(8、8′)，和在两个散热槽之间设置一绝热材料支撑(9)形成腔，该腔内的两个散热槽(8、8′)相对面上用导热硅脂分别贴粘各由4块以上串联的半导体制冷组件组成的上下制冷板(10、10′)，制冷板(10、10′)的冷面相对，制冷板的冷面用导热硅脂分别贴粘4块以上串联的半导体制冷组件组成的冻滴感应板(11、11′)；两块冻滴感应板(11、11′)的冷面相对，在两块冻滴感应板冷面用导热硅脂分别粘贴铜板，两者之间形成容纳水滴的冷腔(12)；铜板的下板的冷面上贴放温度感应元件(13′)；制冷上板(10)与冻滴感应上板(11)之间设置一温度感应元件(13)；两个散热槽(8、8′)内盛有水和乙二醇的混合物组成的冷媒(14)，槽壁上开有液体进出口(3)；上下制冷板并联到温度控制回路中。

2.按权利要求1所述的用于推算水中冻结核含量的实验冷台，其特征在于：所述的铜板为厚1mm的镀铬紫铜板，并与冻滴感应板大小相同。

3.按权利要求1所述的用于推算水中冻结核含量的实验冷台，其特征在于：还包括散热槽内的散热片(2)，该散热片(2)与用于贴放制冷板的平面为一体。

4.按权利要求1所述的用于推算水中冻结核含量的实验冷台，其特征在于：所述的温度感应元件(13)为微型铂膜Pt100。

5.按权利要求1所述的用于推算水中冻结核含量的实验冷台，其特征在于：其特征在于：所述的半导体制冷组件型号为TECI-12703或TECI-12704型。

6.一种用于推算水中冻结核含量的实验冷台系统，包括冷台箱体(1)和温度测量仪(5)；其特征在于：所述的冷台箱体(1)由上下两个金属散热槽(8、8′)，和在两个散热槽之间设置一绝热材料支撑(9)形成腔，该腔内的两个散热槽(8、8′)相对面上用导热硅脂分别贴粘各由4块以上串联的半导体制冷组件组成的上下制冷板(10、10′)，制冷板(10、10′)的冷面相对，制冷板的冷面用导热硅脂分别贴粘各由4块以上串联的半导体制冷组件组成的冻滴感应板(11、11′)；两块冻滴感应板(11、11′)冷面相对，在两块冻滴感应板冷面用导热硅脂分别贴放铜板，两者之间形成容纳水滴的冷腔(12)；滴放水滴的铜板的下板上放置一温度感应元件(13′)；制冷上板(10)与冻滴感应上板(11)之间设置一温度感应元件(13)；两个散热槽(8、8′)内盛有水和乙二醇的混合物组成的冷媒(14)，槽壁上开有液体进出口，通过管道和循环泵连通，构成一个循环散热系统；上下制冷板并联到温度控制回路中；在滴放水滴的铜板的下板冷面上放置的温度感应元件作为温度测量仪(5)的输入；交流电源(16)给函数记录仪(6)、温度控制仪(4)和温度测量仪(5)供电；通过一个直流继电器(18)控制制冷上下板所用直流电源(7)的接通和关闭；冻滴感应上板(11)和冻滴感应下板(11′)的相同极性联接，另外两个极性端再分别与函数记录仪(6)的输入端电联接。

7.按权利要求6所述的用于推算水中冻结核含量的实验冷台系统，其特征在于：所述的铜板为厚1mm的镀铬紫铜板，并与冻滴感应板大小相同。

8.按权利要求6所述的用于推算水中冻结核含量的实验冷台系统，其特征在于：所述的温度感应元件(13′)贴接在盛放水滴的铜板冷面上作为温度测量仪(5)的输入；所述的温度测量仪(5)为E5AX温度测量仪。

9.按权利要求6所述的用于推算水中冻结核含量的实验冷台系统，其特征在于：所述的温度感应元件(13)为微型铂膜Pt100。

10.按权利要求6所述的用于推算水中冻结核含量的实验冷台系统，其特征在于：所述的半导体制冷组件型号为TECI-12703或TECI-12704型。

11.按权利要求6所述的用于推算水中冻结核含量的实验冷台系统，其特征在于：所述的温度控制仪(4)为818P4温度控制仪。

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