CN210269530U - 一种冰核浓度测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种冰核浓度测量系统，包括氮气供应装置、用于测量被测溶液中冰核浓度的实验箱以及对实验数据进行分析处理的PC机，所述实验箱为黑色哑光柜，哑光柜内自下至上依次设置有制冷循环装置、冻滴识别冷台以及CCD相机，所述冻滴识别冷台上卡装有放置被测溶液的PCR板，PCR板两侧的哑光柜内壁上分别固定设置一朝向PCR板的LED光源，所述PCR板上方的哑光柜内设置有与氮气供应装置相连通用于向PCR板吹送氮气以防止PCR板发生冷凝的送风装置。本实用新型用于测量大气、云水、雨水中冰核浓度的系统，可以最大程度地减小测量误差，进一步提高了检测的稳定性和精确性。

Description

一种冰核浓度测量系统

技术领域

本实用新型涉及云物理和人工影响天气测量技术领域，特别是一种测量大气、云水、雨水中冰核浓度的系统。

背景技术

大气冰核是指悬浮在大气中，能使过饱和水汽凝华或者过冷水滴冻结形成初始冰晶的微粒。大气冰核是云和降水物理学的核心基础研究内容之一，冰核对过冷云和冰云的特征以及降水的形成有重要影响，它能促进过冷云滴冰晶化，影响降水的形成和云的生命周期，因此在水循环中有着重要作用，反过来还会影响大气辐射传输和气候变化。

人工影响天气技术理论即是基于大气中缺少冰核的假设，通过播撒人工冰核达到增雨雪的目的。混合云降水是影响我国北方地区降水的主要类别，混合相态云是过冷水和冰晶共存的云，占大气中云的大部分。目前我们对这些云的微物理特征仍缺乏足够的了解，尤其对这些云中冰核是如何形成的以及冰核在降雨降雪发展中的角色认识较少，究其原因，主要是因为缺乏对冰核的大量观测。因此，测定大气、云中、雨水中冰核的浓度既可以帮助我们理解我国冰核的背景值特征，也可以增加对自然云中的冰核物理和化学特征的认识，为预报和云模式的本地化改进和人工影响天气作业提供科学基础和参考依据。

冰晶的核化分两大类，一类是无冰核参与的均相冻结核化过程，云中的过冷水滴需要降温到-38℃才会通过均相冻结核化生成；另一类是有冰核参与的异质核化过程，异质核化有四类，分别为凝华核化、浸润冻结、凝结冻结和接触冻结。其中，浸润冻结核化是指气溶胶先在0℃以上的暖云中生成云滴，其中不可溶的部分浸入在云滴中，当温度降到0℃以下时，通过冰核浸入在云滴内部的冻结方式而成冰。科学家们研究表明，浸润核化机制是大气中最主要的机制，是混合相态云中产生冰晶的主要方式。

针对不同的核化机制冰核的的测量主要有比格云室法、滤膜-静力扩散云室、液滴冻结计数法、连续流量的扩散云室法等等。比格云室法测量结果受人为影响大，在早些年常用；静力扩散云室法主要测量凝华核化机制；连续流量扩散云室能够测量浸润冻结机制，但造价昂贵；液滴冻结技术法由于原理简单、操作方便、成本低，在近些年来应用较广。

液滴冻结技术主要分为平面冷台测量和PCR板测量两种。尽管冻滴法近些年有了一定的发展，但目前基于此技术的两种方法仍然存在一定的不足。

第一种，基于平面冷台的冻滴测量法，由于多个液滴在平面冷台上共存，冻结过程相互之间存在影响，测量结果也受到学者们质疑。

第二种，PCR板测量法存在如下缺陷：1)PCR板测量浸泡法采用透射光源时，由于光源浸在酒精制冷液中，存在较大安全隐患；2)PCR板测量法使用开放式试验平台受外界光线的干扰大，外界光线的变化导致CCD识别冻滴出现较大偏差，测量结果出现较大不确定性；3)PCR板测量法，开口的离心管会导致无水乙醇制冷液和大气中其他颗粒物进入到离心管，使得液滴冻结性质发生变化，使得结果出现较大不确定性；4)PCR板测量法，覆膜PCR板时避免外界干扰，但由于离心管中温度和上方空气温差大，导致在离心管表面形成冷凝水，造成光亮度的变化，干扰CCD对冻结图像的识别，使得结果出现较大不确定性；5)大部分设备采用单一温度测量，以制冷液的温度作为离心管中液体温度，并假定与离心管内液滴温度相等，忽略了PCR板的温度不均匀和管内外温差导致温度误差，对冰核核化曲线的测量结果出现较大偏差；6)手工记录读取冻结个数，或者拍照后期计数，效率低；7)缺乏实时记录数据和显示的软件，无法查看过程数据，后期无法修正。

我国在先专利申请CN 107764824A公开了一种浸润核模式下冰核浓度及成冰活性的离线检测装置和方法，对冻滴法进行了改进，采用了PCR板浸泡法，并采用CCD实时采集图像，在操作性上得到了提升。但同时存在较大的缺陷，具体如下：1)设备测量系统处于开放的环境，暴露在室内，该装置无光源，仅靠外界光线的影响进行CCD识别；平台受外界光线的干扰大，CCD顶部有灯光时，由于反射造成CCD识别过爆，难以区分冻结状态；实验员在附近走动时也会造成CCD光线变化，对试验过程造成干扰，测量结果出现较大不确定性；2)设备位于室内环境，温度较高，在测量时制冷液温度低(0～-40℃)，内外温差造成大量冷凝水存在液面，冷凝到PCR板上，干扰CCD识别图像，使得测量出现很大不确定性；3)仅采用制冷机内部的1个温度传感器测量制冷液的温度，并假设作为液滴的温度，并没有测量实验液滴的温度，特别是降温时，有一定的延迟和内外温差，难以代表实际液滴的温度。

实用新型内容

本实用新型需要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种冰核浓度测量系统，可以最大程度地减小测量误差，进一步提高检测的稳定性和精确性。

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案如下。

一种冰核浓度测量系统，包括氮气供应装置、用于测量被测溶液中冰核浓度的实验箱以及对实验数据进行分析处理的PC机，所述实验箱为黑色哑光柜，哑光柜内自下至上依次设置有制冷循环装置、冻滴识别冷台以及CCD相机，所述冻滴识别冷台上卡装有放置被测溶液的PCR板，PCR板两侧的哑光柜内壁上分别固定设置一朝向PCR板的LED光源，所述PCR板上方的哑光柜内设置有与氮气供应装置相连通用于向PCR板吹送氮气以防止PCR板发生冷凝的送风装置。

上述一种冰核浓度测量系统，所述制冷循环装置包括位于哑光柜内填充有制冷液的制冷箱以及制冷机，制冷箱内设置有制冷用螺旋式冷却管；所述冻滴识别冷台安装在冷却管的上方。

上述一种冰核浓度测量系统，所述冻滴识别冷台包括固定在冷却管上、用于插装PCR板的孔槽冷台，孔槽冷台的两端通过两个平行且垂直于孔槽冷台的支架，所述送风装置设置在两支架上。

上述一种冰核浓度测量系统，所述送风装置包括固定在两支架中部的冷却氮气吹送机构和固定设置在两支架顶端的常温氮气吹送机构，所述冷却氮气吹送机构包括水平设置的隔板和向PCR板吹送冷却氮气的下微孔平流管，对应PCR板上方的隔板开设有安装下微孔平流管的通孔；所述常温氮气吹送机构包括水平设置的支架盖板和设置在盖板上用于透过隔板上的通孔向下方PCR板吹送常温氮气的上微孔平流管，其中支架盖板上开设有供CCD相机拍摄PCR板内被测溶液的窗口；所述上微孔平流管与氮气供应装置连通，下微孔平流管与制冷循环装置中的冷却管末端连通，冷却管的输入端与氮气供应装置连通。

上述一种冰核浓度测量系统，所述PCR板四个边角处分别缺位设置，对应PCR板四个边角处的孔槽冷台的孔槽中分别安装一温度传感器，温度传感器的输出端与固定设置在哑光柜内壁上的多通道测温装置输入端连接，多通道测温装置的输出端连接PC机的输入端。

由于采用了以上技术方案，本实用新型所取得技术进步如下。

1)本实用新型在试验过程中使用洁净氮气通往冷台，通过上下两层高低温高纯氮气的保护，隔离了冷凝水，避免了由于冷凝造成的识别误差。

2)通过把实验设备集成到黑色哑光柜中，并搭配两台高亮LED光源提供侧光，避免了外界光线的不稳定和其他人为因素对冻滴识别的误差，既保证了光的稳定，同时也避免了顶部光源造成的CCD亮度过曝导致冻结时液滴的反射光变化小导致无法识别。

3)本实用新型通过在PCR板四个边角处的离心管中设置温度传感器，从而使得测温元件的环境与真实液滴的环境一致，测量温度值更加真实可靠；并且采用四通道温度测量技术，通过实时测量PCR板四个角落的温度值，来评估设备的稳定性，利用计算后的温度值代表了实际的温度。

4)本实用新型采用铝镁合金冷台作为制冷传导部件，将PCR板插装在孔槽冷台中，避免了直接把PCR板浸泡到制冷剂中，当制冷液在循环时造成温度不稳定的现象的发生。

本实用新型通过上述几项改进，可最大程度地减小测量误差，为提高测量稳定性和测量精度提供了可靠保证。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型所述试验箱内检测机构的结构示意图；

图3为本实用新型所述冻滴识别冷台的结构示意图。

其中：1.氮气罐，11.氮气转子流量计，2.制冷循环装置，3.冻滴识别冷台，4.CCD相机，5.PC机，6.多通道测温装置，7.LED光源，8.哑光柜；31.上微孔平流管，32.支架盖板，33.下微孔平流管，34.孔槽冷台，35.支架升降旋钮，36.封板膜，37.PCR板，38.冷却管，39.温度传感器。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本实用新型进行进一步详细说明。

一种冰核浓度测量系统，其整体结构如图1所示，包括氮气供应装置、实验箱以及PC机，氮气供应装置为实验箱提供防止冷凝用氮气，实验箱用于测量被测溶液中的冰核浓度，PC机用于对实验箱传输的实验数据进行分析处理，并显示实验结果。

实验箱为黑色哑光柜8，用于将实验设备集成在柜体内，避免了外界光线的不稳定和其他人为因素对冻滴识别造成影响。

实验箱内的实验设备包括自下至上依次固定设置在哑光柜8内的制冷循环装置2、冻滴识别冷台3、送风装置以及CCD相机4，冻滴识别冷台3上卡装有放置被测溶液的PCR板37。冻滴识别冷台3固定在制冷循环装置2上，送风装置设置在PCR板上方的哑光柜内，CCD相机4通过可调焦支架设置在送风装置上方。

PCR板37两侧的哑光柜内壁上分别固定设置一朝向PCR板的LED光源7，LED光源5000K高亮度LED光源提供稳定侧光，既保证了光的稳定，提高了CCD的识别效率，避免了外界光线的不稳定而对冻滴识别造成误差，同时也避免了顶部光源造成的CCD相机亮度过曝而导致冻结时液滴的反射光变化小而无法识别的情况发生。

制冷循环装置2包括位于哑光柜内填充有制冷液的制冷箱以及制冷机，制冷箱内设置有制冷用螺旋式冷却管38；冻滴识别冷台3安装在冷却管38的上方。本实用新型中制冷液采用无水乙醇，制冷液最低温度可降至-50℃。

冻滴识别冷台3包括固定在冷却管38上的孔槽冷台34，孔槽冷台34用于插装PCR板37。本实用新型中，孔槽冷台34上开设有插装PCR板的孔槽，孔槽冷台采用铝镁合金制作；孔槽冷台至于制冷箱的制冷液中。

PCR板为一次性试验用品，由多个0.2ml离心管连接而成，避免了交叉污染；PCR板上封一层高透光透明封板膜36，避免了外界杂质进入离心管内待测液体。

本实用新型中，PCR板四个边角处分别缺位设置，对应PCR板四个边角处的孔槽冷台34的孔槽中分别安装一温度传感器39，如图3所示。温度传感器的输出端与固定设置在哑光柜内壁上的多通道测温装置6输入端连接，多通道测温装置的输出端连接PC机的输入端。本实用新型中，多通道测温装置采用的是四通道温度测量孔槽冷台以及其孔槽中PCR板四个角落的温度，能够真实测量离心管中的实际温度，避免了单一温度点以及位置温差造成的结果误差。

孔槽冷台34的两端设置有两个平行且垂直于孔槽冷台的支架，送风装置设置在两支架上。

送风装置与氮气供应装置相连通，用于向PCR板分层吹送冷却氮气和常温氮气，有效避免了由于温差在封板膜表面产生冷凝水而导致CCD相机识别产生误差的现象发生。送风装置包括固定在两支架中部的冷却氮气吹送机构和固定设置在两支架顶端的常温氮气吹送机构，其中，冷却氮气吹送机构包括水平设置的隔板和向PCR板吹送冷却氮气的下微孔平流管33，对应PCR板37上方的隔板开设有安装下微孔平流管33的通孔；常温氮气吹送机构包括水平设置的支架盖板32和设置在盖板上用于透过隔板上的通孔向下方PCR板37吹送常温氮气的上微孔平流管31；支架盖板上开设有供CCD相机拍摄PCR板内被测溶液的窗口。

送风装置的上微孔平流管31与氮气供应装置连通，用于向PCR板37吹送常温氮气；下微孔平流管与制冷循环装置中的冷却管末端连通，冷却管的输入端与氮气供应装置连通，用于向PCR板37吹送冷却氮气。

氮气供应装置包括氮气罐1、氮气转子流量计和分接头，氮气罐1与送风装置之间通过管路连通，氮气转子流量计安装在管路上，用于测量氮气输出流量；管路的末端通过分接头分为两路分别与送风装置中的冷却氮气吹送机构和常温氮气吹送机构连通。其中一路连通至常温氮气吹送机构中的上微孔平流管，直接为PCR板吹送常温氮气，另一路连通至制冷循环装置中的冷却管，由于冷却管位于制冷剂中，冷却管内的氮气经冷却管冷却后输送至下微孔平流管中，向PCR板吹送冷却氮气。由于送风装置可同时分层向PCR板吹送冷暖氮气，因此可以有效防止封板膜上产生冷凝水，避免了冷凝水的存在而造成的测量误差出现。

本实用新型用于测量大气中的冰核浓度时，将大气样品采集到滤膜上，然后放入离心管中在旋转混合器上混合均匀，配制成大气待测溶液；用于测量云水中的冰核浓度时，则使用云水采集器把云水样品放入离心管中在旋转混合器上混合均匀，配制成云水待测溶液；用于测定雨水中的冰核浓度时，则采集到的雨水样品放入离心管中在旋转混合器上混合均匀，配制成雨水待测溶液。

待测溶液配制好后，进行冰核浓度的测量，具体过程如下。

打开系统电源，LED光源开关、CCD相机、PC机以及制冷机液体循环开关，对制冷箱内的制冷机进行预冷至0℃。将制备好的待测溶液样品用移液器转移到PCR板的离心管中，每个离心管测量50μl溶液；盖上封板膜。PCR板放入孔槽冷台的孔槽中，并将孔槽冷台固定到制冷液中的冷却管上，使得冷台顶部刚好浸入制冷液中。

将孔槽冷台上的四个温度传感器分别与多通道测温装置电连接，再将多通道侧装置与PC机通过数据线连接，通过电脑的数据显示系统查看温度均一性。

调节CCD相机的位置，调节镜头高度和焦距，调节LED光源的方向，使得PC机显示器中显示的实时图像清晰。

关闭实验箱的柜门，使得箱内部光亮稳定。在PC机中设置背景图片，生成离心管中心环形位置中心亮度像素值矩阵，并实时监测。

设置制冷机的降温速率；打开氮气供应装置的阀门，调节流量；开启试验。

PC机显示器实时显示PCR板离心管中的样品中心区域的亮度像素值、4个通道温度、判断已冻滴液滴的个数，PC机通过设置阈值判断亮度值像素突变的方法成功捕捉识别液滴冻结状态，并记录数据。

然后通过以下算法计算当前温度条件下被测溶液中的冰核浓度。

其中，N_INP(T)是冰核浓度的关系式，

N_冻结(T)是该温度下冻结的液滴个数，

V_样品是每个液滴中的采样大气的体积或者云水、雨水的体积。

PC机计算完成后，通过显示器显示冻结状态曲线，并将高分辨率的数据保存到csv格式数据文件中，以备追溯。

Claims (5)

1.一种冰核浓度测量系统，其特征在于：包括氮气供应装置、用于测量被测溶液中冰核浓度的实验箱以及对实验数据进行分析处理的PC机，所述实验箱为黑色哑光柜(8)，哑光柜(8)内自下至上依次设置有制冷循环装置(2)、冻滴识别冷台(3)以及CCD相机(4)，所述冻滴识别冷台(3)上卡装有放置被测溶液的PCR板(37)，PCR板(37)两侧的哑光柜内壁上分别固定设置一朝向PCR板的LED光源(7)，所述PCR板(37)上方的哑光柜内设置有与氮气供应装置相连通用于向PCR板吹送氮气以防止PCR板(37)发生冷凝的送风装置。

2.根据权利要求1所述的一种冰核浓度测量系统，其特征在于：所述制冷循环装置(2)包括位于哑光柜内填充有制冷液的制冷箱以及制冷机，制冷箱内设置有制冷用螺旋式冷却管(38)；所述冻滴识别冷台(3)安装在冷却管(38)的上方。

3.根据权利要求2所述的一种冰核浓度测量系统，其特征在于：所述冻滴识别冷台(3)包括固定在冷却管(38)上、用于插装PCR板(37)的孔槽冷台(34)，孔槽冷台(34)的两端通过两个平行且垂直于孔槽冷台的支架，所述送风装置设置在两支架上。

4.根据权利要求3所述的一种冰核浓度测量系统，其特征在于：所述送风装置包括固定在两支架中部的冷却氮气吹送机构和固定设置在两支架顶端的常温氮气吹送机构，所述冷却氮气吹送机构包括水平设置的隔板和向PCR板吹送冷却氮气的下微孔平流管(33)，对应PCR板(37)上方的隔板开设有安装下微孔平流管(33)的通孔；所述常温氮气吹送机构包括水平设置的支架盖板(32)和设置在盖板上用于透过隔板上的通孔向下方PCR板(37)吹送常温氮气的上微孔平流管(31)，其中支架盖板上开设有供CCD相机拍摄PCR板内被测溶液的窗口；所述上微孔平流管(31)与氮气供应装置连通，下微孔平流管与制冷循环装置中的冷却管末端连通，冷却管的输入端与氮气供应装置连通。

5.根据权利要求1所述的一种冰核浓度测量系统，其特征在于：所述PCR板四个边角处分别缺位设置，对应PCR板四个边角处的孔槽冷台(34)的孔槽中分别安装一温度传感器(39)，温度传感器的输出端与固定设置在哑光柜内壁上的多通道测温装置(6)输入端连接，多通道测温装置的输出端连接PC机的输入端。

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