专利名称：可连续提供过冷雾的移动式混合云室的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种云物理和人工影响天气研究的基本设备，特别涉及一种人工影响天气实验用的研究冰核化过程和云催化剂的可连续提供过冷雾的移动式混合云室。
背景技术：
云室是人工影响天气领域用于研究冰核化过程和云催化剂的重要设备。随着人工影响天气作业的广泛开展，应催化工具和云催化剂研制的需要，我国相继建造了数种具有不同功能的云室，其中容积为96m3和2m3等温云室为大中型固定式云室，可用于多项云物理实验，那些几升到几十升的移动式混合云室则主要是为了带至外场用于自然冰核观测和云催化剂成冰性能的检测，而静力扩散云室则是为了专门研究冰核凝华活化的云室。我国自1958年开展人工影响天气以来，这些云室对该领域的逐步发展起到了重要作用。如用2m3等温云室曾进行过爆炸对云滴谱影响的研究、超声气流作用产生冰晶规律的探索和产生复合冰核的高效碘化银焰剂配方的研制等等。用其中便携式混合云室先后对全国各地的近地层大气冰核浓度曾进行过大规模的摸底观测，得出了大气冰核主要源地、冰核浓度的水平分布以及随时间的变化等一大批有重要价值的资料，为云物理研究提供了宝贵数据。
由于冰核化是一个涉及面广、内容复杂的微物理过程，至今仍有许多问题处于探索之中，如各种云室检测结果的可比性就是其中之一。早在1975年，在第三次国际冰核和气溶胶会议上，将数种冰核检测仪器集中在一起，在相同的检测条件下进行了对比，结果显示出每种云室都存在着许多不确定因素，致使相互间有量级的差异。在此后的30年中，各国对云室的研究工作从未停止过。随着相关领域高科技迅速发展，对云室的结构和相应参数的监控等方面也在不断地改进，使得冰核化研究得以进一步深入。
冰核的活化对温湿条件极为敏感，而目前使用的便携式混合云室的活化温度难以控制和确定，过冷雾的维持时间短，用传统的人工呼汽或用超声雾化器直接通雾，除了对云室温度和气样体积造成很大的扰动外，还会造成瞬时的高度过饱和，使得检测结果有虚假计数的影响。所有这些都是需要改进之处。
当冰箱冰柜成为日常家用电器时，云室的制冷方法才有了较大的改进，将酒精加干冰的制冷方法改为氟制冷，大大减少了外场工作量。同时，云室过冷雾的形成也不再使用人工呼汽，而用超声雾化器直接向云室通雾，玻璃温度计也为电子数字温度计所替代。研制出如图1所示的便携式混合云室，如文献1李娟，黄庚，黄河上游地区大气冰核浓度的观测研究。气象，2001，27(11)所介绍的。该装置的氟制冷系统是由压缩机、蒸发管、冷凝器和制冷剂等构成。在相同的工况下，F22比F12的制冷量更大，更容易获得低温。因此，它选用了F22制冷剂和相应的压缩机。气态的F22经压缩机压缩到冷凝器变为液态，而后经毛细管通入绕在云室外壁上的蒸发管，蒸发吸热使云室壁降温，进而使云室降低到实验负温。从蒸发管输出的气态F22再回至压缩机，构成一个循环制冷系统。用这样的制冷方法可以得到-30℃低温。
虽然高的制冷效率给实验带来很大方便，但也给实验增加了不确定因素。特别是在一直开机制冷下的实验，云室温度变化大，活化温度无法确定，只好采用第一代云室的检测程序，即先将云室拉冷到最低温度，利用停机后云室的自然升温过程做不同温度下的实验检测。后来增加了温度控制装置并做了控制实验，但控制效果不十分理想，实测云室温度表明在自动控制状态下，由于热惯性等原因，压缩机的一个启停循环能使云室温度的波动达±3℃。另外还要考虑采样和通雾操作，造成的活化温度的不确定性显然就更大了。另外，冰核活化温度是用温度控制装置的温度感应元件接触云室外壁测量的，与云室中当时的实际活化温度可能有较大的差异。
另外，还由于使用了超声雾化器直接从云室顶部向云室中通雾，对云室温度和容积扰动的程度得到了较好改善，雾滴浓度比采用人工呼汽大得多，雾的维持时间也比第一代的长，但通雾时间的长短难以掌握。当用感水胶膜碰撞取样法对超声形成的过冷雾滴测试结果表明雾滴的峰值直径在10μm左右。在对自然冰核观测和人工冰核成核率检测时，曾对人工呼汽和超声通雾两种方法做过比较，结果表明前者检测结果比后者平均约低2～3倍。超声雾化器用水应经过严格的蒸馏和去离子处理才能使用，否则，事先存在于雾滴中的冰核可能会通过浸入冻结机制形成冰胚，造成虚假的冰晶计数。另外，超声雾化器通入雾的温度为环境温度，比活化温度高得多，云室中必然产生高度过饱和。由瞬时高度过饱和造成的虚假冰晶计数、对云室温度的扰动以及如何定量供应过冷雾一直是难以解决的问题。
该装置冰晶的计数仍然使用糖液显现目测读数的方法。在糖盘中冰晶面密度较小时，可目测全盘。面密度大得难以读数时，只能人为地选择有代表性的局部面积上的冰晶进行计数。
发明内容
本发明的目的在于为了提高云室的温度稳定性，和为了消除已有的云室采用直接向云室通入常温雾，而造成的瞬时高度过饱和雾的维持时间过短问题；从而提供一种人工影响天气实验用的研究冰核化过程和云催化剂的可连续提供过冷雾的移动式混合云室。
本发明的目的是这样实现的本发明提供的可连续提供过冷雾的移动式混合云室包括一带有绝热层2的云室腔1、在云室腔1内设置感温元件20，和在云室腔1内设置一冰晶接取装置29，以及一安装在云室腔1底部的制冷系统；其特征在于在云室腔1内套装金属筒作的云室内筒6，云室内筒6底部通过垫脚14安装在绝热层2的底上，云室内筒6与绝热层2之间设置一冷媒夹层3，并且两层面紧密相接触，冷媒夹层3内充满乙二醇和水混合物的冷媒介质，在夹套层3中有制冷系统的蒸发管4，还设有电加热器5和测温元件20′；其中蒸发管4直接浸没在冷媒中，以保证云室的温度稳定；在云室内筒6与夹套层3之间留有空隙作为过冷狭缝17；并且沿过冷狭缝17底部至云室腔1外壁穿出一根通雾气管7，和在冷媒夹层3底部开一排液口15，(还可以在排液口15上固定一阀门)，在云室内筒6底连通一根排污管道10，并穿入绝热层2内通过一个三通将该排污管道分别穿出云室腔1外；在云室内筒6内底面通过支架13安装冰晶接取装置；在云室腔1顶口上有一透明盖板8，在透明盖板8上开有一注样口19和插口，并在其中心处设置一根可转动的提手9，该可转动的提手9的轴末端固定在冰晶接取装置的热容板11下面，在提手9与透明盖板8固定处固定一定位指针26。
在上述的技术方案中，所述的测温元件由一根绝热管插入透明盖板8上的插口中，在绝热管上自上而下分别固定至少1个以上感温元件20组成；另一个感温元件20′被置入冷媒中部，监测冷媒温度，还有一个感温元件20放置在云室周围，用于测量环境气温；五个感应元件分别与五套温度测量仪联接。
所述的感温元件20为响应时间小于0.1秒的、超小型铂膜Pt100。
在上述的技术方案中，所述的冰晶接取装置由一块热容板11，其上用导热硅脂贴放一块按90°均分的可盛放4个玻片的紫铜圆盘(厚度大于玻片)做的玻片框架12，在该玻片框架12的上方为留有玻片暴露口30的糖盘16，所述的提手9由一根末端固定在冰晶接取装置的热容板11下面的轴32，并在轴32外套一外管31，该外管31的底部与糖盘16固定在一起，当转动外管时糖盘16跟着一起转动，糖盘16中盛放糖液27。
实验时，可根据需要选择用糖盘接取还是用玻片接取冰晶。选择玻片接取时，通过转动提柄上部的指针确定玻片暴露或关闭的状态。做自然冰核观测时，可使用糖盘计数。在检测人工冰核时，由于活化数量大，特别是在低温段，则可使用玻片接取显微镜读数的方法。关于二者间的相关，其相关系数为0.8808。通过多次实验，在做人工冰核检测时，可对取样稀释后的浓度量级进行估算，在4个玻片以内完成一次活化过程。
本发明提供的移动式混合云室可在封闭状态下操作，而且具有连续供应过冷雾的功能，因此，对自然或人工冰核的观测都可以做到以接触冻结机制为主的模拟。观测自然冰核时，先将糖盘(或玻片)提升到内筒上沿但不遮堵过冷狭缝的出口，再将云室上部完全封闭，而后慢慢放下糖盘，自然空气从下部通雾口进入，沿过冷狭缝上升预冷后从上部进入云室，吸入自然空气后预冷约3分钟就可供应过冷雾，此时，冰核将与过冷雾滴接触发生冻结而形成冰胚。在对人工冰核检测时，冰核是在云室中已存在过冷雾时注入的，故活化机制仍以接触冻结为主。
本发明的优点在于1.为了消除直接向云室通入常温雾造成的瞬时高度过饱和和雾的维持时间过短问题，本发明在该云室中增加了一个内筒，该内筒与原来云室内径之间留有间隙，来自超声雾化器(使用的是纯净饮用水)的常温雾从底部通雾口输入。由于云室边壁处温度最低，在超声雾化器微风作用下，常温雾在沿该间隙上升的途中逐渐降温并达到过冷程度，而后进入内筒且沿内壁下沉，到中下部又开始随混合对流上升，进而弥散到整个内筒。适当控制超声雾化器的送雾量或开关，即可实现过冷雾的连续或断续供应，以保证注入到云室内冰核的活化和冰晶的增长一直有充分的过冷水汽供应。这一方法既避免了云室高度过饱和现象，也可为冰核活化和冰晶增长提供充分的水汽条件，同时也解决了对云室温度和气样体积的扰动问题，2.本发明采用在云室和保温层之间设计了一个冷媒夹层，将蒸发管平均分布并直接浸泡在冷媒中，利用冷媒的热容使云室温度稳定。
3.用多点温度测量仪实时测量云室不同位置的温度，为较准确地确定活化温度和今后的改进提供了测值。
4.冰晶计数采用糖液显现人工读数和玻片接取显微镜读数两种方法，相互弥补了各自不足之处。
5.在冷媒中增加了电加热器，实验中可根据需要接通或关闭电加热器，这样加快了实验进度。
图1已有的第二代混合云室结构示意2是本发明的15升移动式混合云室示意3是本发明的移动式混合云室中冰晶接取装置主视4是本发明冰晶接取装置俯视5是本发明的内筒容积为15升的移动式混合云室的滴谱分布6是本发明的内筒容积为15L云室垂直温度分布7是本发明的内筒容积为15L云室的水平温度分布8是本发明的内筒容积为15升的云室制冷时温度随时间的变化9是本发明的内筒容积为15升的云室电加热时温度随时间的变化10是本发明的云室与已有的云室成核率检测结果的比较图其中A为本发明的云室断续通入过冷雾对0#催化剂配方的检测B为已有的云室通入常温雾对0#催化剂配方的检测图面说明如下云室腔1，绝热层2， 冷媒夹层3，通雾气管7盖板8 提手9排污管道10 热容板11 玻片框架12支架13 垫脚14排液口15，玻片16(糖盘) 过冷狭缝17测温元件18；注液口19、 插口20， 冷媒21过冷雾22 压缩机23 冷凝器24脚轮25 定位指针26糖液27温控器28 冰晶接取装置29感温元件20玻片暴露缺口30 绝热材料管31 提手轴32玻片3具体实施方式
参考图2，制作一15升移动式混合云室装置，本实施例的云室负温的获得仍然采用第二代云室的制冷系统，该氟制冷系统安装在一箱体内，由常规压缩机23、蒸发管4、冷凝器24、温控器28和制冷剂构成，安装在云室腔1的底部，箱体底脚安装有4个脚轮25。
云室腔1由一容积约为175升的箱体作外壳，箱体内壁设置一绝热层2；在内表面呈筒状的绝热层2内套装一冷媒夹层3(即夹套层)，其内充满乙二醇和水混合物作为冷媒，如果随着温度的降低冷媒出现结晶，此时蒸发管与冷媒之间的热传导性能将会大大降低，致使云室不能继续降温。因此，配制的冷媒必须在冰核活化温度范围内不冻结，以保证蒸发管与冷媒之间保持良好的热传导。该云室配制的冷媒可在-30℃不出现结晶现象，对一般的云物理实验已经足够。
在冷媒夹层3中间有一根制冷系统中的蒸发管4，以及电加热器5和感温元件20′；其中蒸发管4直接浸没在冷媒中，以保证云室的温度稳定。
在冷媒夹层3的内腔套装一金属筒作为云室内筒6，云室内筒6底部通过垫脚14安装在绝热层2的底上，云室6与夹套层3之间留有5cm空隙作为过冷狭缝17；并且从过冷狭缝17底部至外壳1外壁连通一根通雾气管7。由于增加的内筒与原来云室内径之间留有5cm的间隙，来自超声雾化器(使用的是纯净饮用水)的常温雾从底部输入。由于云室边壁处温度最低，在超声雾化器微风作用下，常温雾在沿该间隙上升的途中逐渐降温并达到过冷程度，而后进入内筒且沿内壁下沉，到中下部又开始随混合对流上升，进而弥散到整个内筒。适当控制超声雾化器的送雾量或开关，即可实现过冷雾的连续或断续供应，以保证注入到云室内冰核的活化和冰晶的增长一直有充分的水汽供应。
由于常温雾是在过冷之后再暴露到云室内筒的，而不是象已有的云室那样直接送入。因此，本发明的云室既避免了高度过饱和的发生，又解决了水汽供应不足的问题。实测表明经间隙预冷后再暴露到云室内筒的过冷雾流，不但没有造成云室内筒中的空气温度升高，反而降低了0.2～0.3℃，效果比较理想。图5给出的是温度为-20℃时高浓度过冷雾(雾化器开到最大，内筒充满浓雾后关闭)的滴谱和连续供应并维持时(雾化器开到适当位置，使雾既不溢出也不消散)的过冷雾滴谱。
另外从冷媒夹层3底部至云室腔1外壁开一排液口15，并在排液口15上固定一阀门，在云室内筒6底连通一根排污管道10穿入绝热层2内，并通过一个三通将该排污管道分别穿出云室腔1外。
所述的测温元件由一根绝热管插入透明盖板8上的插口中，在绝热管上自上而下分别固定3个以上感温元件20组成；另一个感温元件20′被置入冷媒中部，监测冷媒温度，还有一个感温元件20放置在云室周围，用于测量环境气温；五个感应元件分别与五套温度测温仪联接。所述的感温元件均为响应时间小于0.1秒的、超小型铂膜Pt100。
在云室腔1顶口有一上玻璃盖板8，在盖板8上开有一注样口19、安装感温元件20中的绝热管的插口，和在其中心处设置一根连接热容板11的提手9，在提手9与盖板8固定处固定一定位指针26。
所述的冰晶接取装置由一块热容板11，该热容板11为10mm厚的黄铜板，其上用导热硅脂贴放一块按90°均分的可盛放4个玻片33的紫铜圆盘(厚度大于玻片)做的玻片框架12，在该玻片框架12的上方为留有玻片暴露口30的糖盘16，所述的提手9是一根末端固定在冰晶接取装置的热容板11下面的轴32，并在轴32外套一绝热材料管31，该绝热材料管31的底部与糖盘16固定在一起，当转动绝热材料管时糖盘16跟着一起转动，糖盘16上放置糖液27。
实验时，可根据需要选择用糖盘接取还是用玻片接取冰晶。选择玻片接取时，通过转动提柄上部的指针确定玻片暴露或关闭的状态。做自然冰核观测时，可使用糖盘计数。在检测人工冰核时，由于活化数量大，特别是在低温段，则可使用玻片接取显微镜读数的方法。关于二者间的相关，其相关系数为0.8808。通过多次实验，在做人工冰核检测时，可对取样稀释后的浓度量级进行估算，在4个玻片以内完成一次活化过程。
该云室以糖液法能检测到的单位容积内最低冰晶数为其检测下限，以玻片法能检测到的单位容积内最高冰晶数为其检测上限。用糖液法检测时，云室有效容积为13.5L，按全盘出现1个冰晶计算，其检测下限为0.074个/L。用玻片法检测时，显微镜视野面积为0.0095cm2(与放大倍数有关)，云室有效容积为3.14×92×58.5≈15L，按每视野出现50个冰晶计算(经验适中值)，其检测上限约为9×104个/L。二者交换使用应注意它们的连接点，如糖液面上的冰晶若为10个/cm2，此时相当于玻片法约10个显微镜视野遇到1个冰晶。虽然该云室具有两种接取冰晶的方法，二者相比，糖液法不确定因素很多，而玻片法具有更多优点。因此，在对云催化剂成冰性能进行检测时，建议尽量使用玻片法。
为了较准确地确定冰核活化温度和监测冷媒温度以及环境气温，专门研制了五套测温仪，与它们相匹配的感应元件均为用激光技术制作的超小型铂膜Pt100，响应时间小于0.1秒。五个感应元件分别对应五套测温仪，在相同条件下作了校准，在-25~25℃范围内，五套测温仪间的测量误差为±0.1℃。该主电路已经过长达近两年时间的不断电运行的考验，其稳定性和精度完全能满足实验要求。其中三个感应元件分布在云室垂直方向，一个被置入冷媒中部，监测冷媒温度。另一个用于测量环境气温。
用其中一个感温元件对云室温度分布做了测量，方法是在云室封闭且不通雾的状态下，拉冷到冷媒温度为-26℃左右停机，距云室壁3cm处，从云室底部开始，每垂直上升5cm为一个测点，每一个测点停留1分钟后读数，结果见图6。将三个感温元件放在云室中不同高度上，从云室内筒边壁开始，每水平移动2cm为一个测点，每点停留1分钟读数，得到的水平温度分布如图7所示。由图可见，两个方向确实存在温差。另外，冷媒平均温度为-28.06℃时(3次实测)，云室中平均温度为-22.70℃(上中下三点实测)，二者相差5.36℃，而且，二者差值也随压缩机不同时段的制冷效率和人员操作过程有关。不难想象，第一代云室以冷媒温度和第二代云室以云室壁温度直接作为活化温度是值得怀疑的。因此，该云室以云室内垂直方向三个测点实测平均值代表冰核活化温度可能较为合理一些。
由于增加了云室容积和冷媒，负载与第二代云室相比大了许多，制冷效率明显降低。图8给出了从云室中部温度为26℃时开始制冷，每10分钟记录一个测值的温度随时间的变化。由于制冷过程长，故操作时可先将云室拉冷到-25℃左右(冷媒温度最低可达-30℃)，从低温向高温方向做检测实验。但也由于云室有相当好的保温效果，使得自然升温也很慢。为了缩短实验过程，该云室设计了一个电加热器，其功率为1千瓦，平均分布在冷媒中的中下部，实验时可根据需要接通或关闭。图9给出了云室冷媒温度为-28.3℃时，接通电加热器后每5分钟作一记录的温度变化。应用本实施例制作的云室与已有的云室成核率检测结果的比较如图10所示其中A为本发明的云室断续通入过冷雾对0#催化剂配方的检测；B为已有的云室通入常温雾对0#催化剂配方的检测。
权利要求
1.一种可连续提供过冷雾的移动式混合云室，包括一带有绝热层(2)的云室腔(1)、在云室腔(1)内设置感温元件(20)，和在云室腔(1)内设置一冰晶接取装置(29)，以及一安装在云室腔(1)底部的制冷系统；其特征在于在云室腔(1)内套装金属筒作的云室内筒(6)，云室内筒(6)底部通过垫脚(14)安装在绝热层(2)的底上，云室内筒(6)与绝热层(2)之间设置一冷媒夹层(3)，并且两层面紧密相接触，冷媒夹层(3)内充满乙二醇和水混合物的冷媒介质，在夹套层(3)中有制冷系统的蒸发管(4)，还设有电加热器(5)和测温元件(20′)；在云室内筒(6)与夹套层(3)之间留有空隙作为过冷狭缝(17)；并且沿过冷狭缝(17)底部至云室腔(1)外壁穿出一根通雾气管(7)，和在冷媒夹层(3)底部开一排液口(15)，在云室内筒(6)底连通一根排污管道(10)，并穿入绝热层(2)内通过一个三通将该排污管道分别穿出云室腔(1)外；在云室内筒(6)内底面通过支架(13)安装冰晶接取装置；在云室腔(1)顶口上有一透明盖板(8)，在透明盖板(8)上开有一注样口(19)和插口，并在其中心处设置一根可转动的提手(9)，该可转动的提手(9)的轴末端固定在冰晶接取装置的热容板(11)下面，在提手(9)与透明盖板(8)固定处固定一定位指针(26)。
2.按权利要求1所述的可连续提供过冷雾的移动式混合云室，其特征在于所述的测温元件由一根绝热管插入透明盖板(8)上的插口中，在绝热管上自上而下分别固定至少1个以上感温元件(20)组成；另一个监测冷媒温度的感温元件(20′)被置入冷媒中部，还有一个用于测量环境气温的感温元件(20)放置在云室周围；五个感应元件分别与五套温度测量仪联接。
3.按权利要求1或2所述的可连续提供过冷雾的移动式混合云室，其特征在于所述的感温元件(20)为响应时间小于0.1秒的、超小型铂膜Pt100。
4.按权利要求1所述的可连续提供过冷雾的移动式混合云室，其特征在于所述的冰晶接取装置由一块热容板(11)，其上用导热硅脂贴放一块按90°均分的可盛放4个玻片的紫铜圆盘做的玻片框架(12)，在该玻片框架(12)的上方为留有玻片暴露口(30)的糖盘(16)，所述的提手(9)为一根末端固定在冰晶接取装置的热容板(11)下面的轴(32)，并在轴(32)外套一外管(31)，该外管(31)的底部与糖盘(16)固定在一起，当转动外管时糖盘(16)跟着一起转动，糖盘(16)上放置糖液(27)。
5.按权利要求1所述的可连续提供过冷雾的移动式混合云室，其特征在于所述的热容板(11)为圆形铜板。
全文摘要
本发明涉及可连续提供过冷雾的移动式混合云室，包括带有绝热层的云室腔、内设感温元件和制冷系统；在云室腔内套装云室内筒，它与绝热层之间有冷媒夹层，在其中有制冷系统的蒸发管、电加热器5和感温元件；在云室内筒与夹套层之间有过冷狭缝，在过冷狭缝底部至云室腔外壁贯穿一通雾气管，和冷媒夹层底部开一排液口，在云室内筒底连通一排污管穿入绝热层内，经三通将该排污管道分别穿出云室腔外；在云室内筒中安装冰晶接取装置；在云室腔顶口盖一透明盖板，在盖板上开一注样口和插口，和设置一可转动的提手，该提手的轴末端固定在热容板下面。该装置可实现过冷雾的连续或断续供应，以保证注入到云室内冰核的活化和冰晶的增长一直有充分的水汽供应。
文档编号G01W1/00GK1557132SQ20041003945
公开日2004年12月29日 申请日期2004年2月13日 优先权日2004年2月13日
发明者杨绍忠, 郑国光, 楼小凤, 酆大雄, 黄庚 申请人:中国气象科学研究院