CN2674444Y - 用于检测水滴冻结温度的冷台 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及人工影响天气实验用的用于检测水滴冻结温度的冷台，包括由上下两个散热槽组成冷台箱体，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构成上下制冷板，制冷板的冷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冻滴感应板；冻滴感应板冷面相对，用导热硅脂分别粘贴厚1mm的镀烙紫铜板；在下方铜板的冷面上，放置一温度感应元件用来感应线性降温，作为测温仪的输入；制冷上板与冻滴感应上板之间设置另一温度感应元件作为控温仪的输入；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；制冷上下板串联后在并联到温度控制回路中。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种在大气物理和人工影响天气研究中使用的设备，特别涉及一种人工影响天气实验用的用于检测水滴冻结温度的冷台。
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核心(云核或冰核)的作用。
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，以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，它们以不同方式参与了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。
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，所述的冷台为一具有一定热容量的铜块，随着冷台温度的降低，水滴陆续发生冻结，如图3所示。实验过程中，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实验数据，推算水样中冻结核含量。这种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
本实用新型的目的在于：克服已有的检测装置上方是暴露的，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，造成水滴冻结温度的测量与确定带来误差的缺点；以及手工操作也比较麻烦，当一批的水滴陆续或几乎同时冻结时，人工难以记录的缺点；从而提供一种具有不同速率的线性降温性能的冷台，和一种检测水滴冻结温度用的冷台实验系统。
本实用新型的目的是这样实现的：
本实用新型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由上下两个铝质散热槽8、8′，散热槽内设计有散热片3；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，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′；在相对的两块冻滴感应板11、11′的冷面上，用导热硅脂分别贴粘(厚1mm的镀烙紫)铜板，两铜板之间形成冷腔12；下方一块铜板的暴露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3；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由上下两个铝质散热槽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下制冷板10、10′；制冷板10、10′的冷面相对，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′；在相对的两块冻滴感应板11、11′的冷面上，用导热硅脂分别粘贴(厚1mm的镀烙紫铜板)铜板，两铜板之间形成容纳水滴的冷腔12；在下方一块铜板的暴露面上，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3，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；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，作为控温仪818P4的输入。另一个温度感应元件13′贴在下面铜板的暴露面上，用于感应线性降低的温度，作为测温仪E5AX的输入；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的输入端电联接形成回路；交流电源给函数记录仪、控温仪和测温仪供电，其中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；该装置的温度测控系统如图2所示。
该温度控制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。
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。
本实用新型是以帕尔帖效应(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。
本实用新型的优点
(1)本实用新型利用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)本实用新型的巧妙之处在于：利用了帕尔帖效应及其逆过程，即由电产生温差和由温差产生电。与水滴冻结释放潜热的现象和现代测控技术相结合，实现了在封闭状态下对一群水滴冻结事件的自动记录。
(3)本实用新型的冷台设计将水滴封闭在仅3mm高的狭缝内，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 函数记录仪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，制作一检测水滴冻结实验用的冷台，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由上下两个铝质散热槽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。
本实用新型以帕尔帖效应(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。
Claims (8)
1.一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，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，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。
2.一种检测水滴冻结温度用的实验冷台系统，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，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，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)；滴放水滴的下铜板(11′)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(3)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；在滴放水滴的下铜板冷面上放置的感温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。
3.按权利要求1或2所述的检测水滴冻结温度用的冷台，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。
4.按权利要求1或2所述的检测水滴冻结温度用的冷台，其特征在于：还包括散热槽内的设置散热片(2)，该散热片(2)与用于贴放制冷板的平面为一体。
5.按权利要求1或2所述的检测水滴冻结温度用的冷台，其特征在于：还包括另一个温度感应元件(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。
6.按权利要求1、2或4所述的检测水滴冻结温度用的冷台，其特征在于：所述的温度感应元件(13)为微型铂膜Pt100。
7.按权利要求1、2或4所述的检测水滴冻结温度用的冷台，其特征在于：所述的半导体制冷组件型号为TECI-12703或TECI-12704型。
8.按权利要求1或2所述的检测水滴冻结温度用的冷台，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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| CN 200420003594 CN2674444Y (zh) | 2004-02-17 | 2004-02-17 | 用于检测水滴冻结温度的冷台 |
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| CN (1) | CN2674444Y (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106680213A (zh) * | 2017-02-26 | 2017-05-17 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 小型化激光诱导水凝结模拟装置 |
| CN115078357A (zh) * | 2022-06-14 | 2022-09-20 | 同济大学 | 一种过冷表面上水滴结冰的诱导及检测系统 |
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2004
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| CN106680213A (zh) * | 2017-02-26 | 2017-05-17 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 小型化激光诱导水凝结模拟装置 |
| CN106680213B (zh) * | 2017-02-26 | 2019-04-19 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 小型化激光诱导水凝结模拟装置 |
| CN115078357A (zh) * | 2022-06-14 | 2022-09-20 | 同济大学 | 一种过冷表面上水滴结冰的诱导及检测系统 |
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