一种小型机载云滴采样系统及其工作方法

摘要

本发明涉及一种小型机载云滴采样系统，包括按照采样气流的方向依次连接的气体压缩泵（15）、干燥器（16）、过滤器（17）、质量流量控制仪（18）、小型机载云滴采样装置（19）、分流装置（20）、采样膜（21）、干燥器（22）、过滤器（23）、质量流量控制仪（24）和抽气泵（25）；所述的小型机载云滴采样装置包括进气腔和收集腔，所述的收集腔设置在进气腔内部；所述进气腔的前端与收集腔的采样端的外边缘相连，所述进气腔的尾部设置有进气管；所述收集腔包括依次相连的管形采样端、预热腔体和管形捕获端，所述管形采样端的管壁上贯通设置有微孔。本发明所述的采样系统能够用来专门采集大粒径的气溶胶颗粒或云滴。

说明书

技术领域

本发明涉及一种小型机载云滴采样系统及其工作方法，属于大气云物理化学采样设备 及分析的技术领域。

背景技术

随着大气质量的日益下降以及航空技术的发展，国内外研究者从八十年代中期就开始 研究在飞机上进行大气采样的方法——航空采样技术。航空采样技术的运用有利于了解高空 的大气质量状况进而研究大气污染的成因。目前，大量研究表明大量工业和城市污染源排放 的气溶胶颗粒可以影响云的形成及寿命，由于目前采样技术的限制，这些问题大部是通过卫 星观测资料推测。然而，卫星主要是通过光学的方法感应显示大尺度范围资料，其准确度误 差较大并且很难解释气溶胶-云-降雨过程。随着我国大气云物理不断发展，利用航空技术获 得水汽含量、气象数据和云物理参数等已无法满足云物理模式模拟要求。如果进一步在云物 理和天气预报等方面改进，还需要针对气溶胶-云-降雨转化机理进行深入研究，因此，需要 进一步获得大气中什么样的气溶胶颗粒转化云结核并能够有效成为云滴。国际大气科学家通 常使用飞机机载装置收集高空大气气溶胶颗粒和云滴，然后对其进行在线或实验室分析，获 得它们化学组分、粒径等信息。

当前，所使用的大气污染物航空大气观测采样器具有体积偏大、购买费用昂贵，并且全 部是从国外进口，这在运行过程中、售后安装、技术培训和维修方面存在很大问题，这在一 定程度上阻碍了相关研究在国内的开展。而且国内多采用人工降雨小型飞机进行采集实验， 因此设计一套结构简单、安装方便、采集粒度较大云滴的、符合人工降雨小型飞机的小型机 载云滴采样系统成为一项亟待解决的问题。

发明内容

为解决上述的技术不足，本发明提供了一种结构简单、经济实用的小型机载云滴采样系 统。本发明还提供了一种上述小型机载云滴采样系统的工作方法。

本发明的技术方案如下：

一种小型机载云滴采样系统，包括按照采样气流的方向依次连接的气体压缩泵15、干 燥器16、过滤器17、质量流量控制仪18、小型机载云滴采样装置19、分流装置20、采样 膜21、干燥器22、过滤器23、质量流量控制仪24和抽气泵25；

所述的小型机载云滴采样装置包括进气腔和收集腔，所述的收集腔设置在进气腔内部； 所述进气腔的前端与收集腔的采样端的外边缘相连，所述进气腔的尾部设置有进气管；所述 收集腔包括依次相连的管形采样端、预热腔体和管形捕获端，所述管形采样端的管壁上贯通 设置有微孔，在预热腔体的外壁上环绕设置有加热装置，在预热腔体的的尾部设置有抽气管， 所述的小型机载云滴采样装置通过法兰与飞机机体固定连接，所述的进气管与飞机内的质量 流量控制仪18相连，所述的抽气管通过分流装置分支为两路：其中一路与飞机内的采样膜 相连，用于采集云结核颗粒，另一路与飞机内的干燥器22相连。

根据本发明优选的，所述的抽气管与分流装置之间设置有中空箱体，所述中空箱体能起 到二次减速稳压作用：因为飞机通常在高空作业，气压会变低，所以中空箱体会适当缓解压 力，使得外部低气压接近机舱内部气压。

根据本发明优选的，所述中空箱体包括2个相互串联连通的圆柱腔体，其中一个圆柱腔 体的直径为10mm，另一个圆柱腔体的直径为50mm。

根据本发明优选的，所述抽气管与中空的箱体通过软管相连通，优选的，所述软管为特 氟龙材质的软管。特氟龙软管内壁具有对颗粒物吸附力小的特点，并且可以任意弯曲，根据 机舱内大小，可方便灵活放置中空箱体。

根据本发明优选的，管形采样端的长度范围：8-10mm，管形采样端的直径范围：1-2mm； 环绕管形采样端设置有多圈微孔，每圈微孔的数量为6-8个，相邻圈之间间隔1-1.5mm；所 述微孔的直径范围：10-20μm；所述预热腔体的直径范围：3-5mm；所述进气腔的直径范围： 10-20mm。

根据本发明优选的，所述进气腔的前端为锥形。

根据本发明优选的，所述的预热腔体为铜管。

根据本发明优选的，所述的管形捕获端与水平呈逆时针15-30°角。所述的管形捕获端 只起阻挡气流的作用，使气流被逆向阻挡回至抽气管，进而大几率的对所述的云滴进行采集。

根据本发明优选的，所述的加热装置为加热棒热电偶。由于本发明所述的装置主要用来 收集云滴，因此所安装的加热棒热电偶使装置内采样气温度维持在50℃左右，将云滴中水 变为水蒸汽，蒸发后的云结核颗粒被采样气送入机舱内部，并被收集在采样膜表面。

一种利用上述系统采集云滴的方法，包括步骤如下：

（1）飞机起飞后，首先开启加热装置，将预热腔体预热至48-52℃；

（2）飞行至目标采集空域后，同时开启气体压缩泵和抽气泵；

（3）所述的采样气沿进气管进入进气腔；

（4）进气腔中的采样气沿管形采样端上的微孔进入收集腔，进气管的流量F1大于抽气 管的流量F2，所述由进气管进入的采样气通过带微孔的管形采样端时被分为两路采样气： 其中一路采样气A与抽气管采样气的流量F2和方向均相同，另一路采样气B与抽气管采样 气的方向相反，流量为F3；其流量关系为F1=F2+F3；

（5）所述的采样气B与外界气流相抵消，在进气口处形成第一个气流零速度层，采样 气A和采样气B在分流的地方形成第二个气流零速度层：当外界气流中的气溶胶颗粒或云 滴足够大，并且穿过第一个和第二个零速度层后，所述气溶胶颗粒或云滴被捕获至飞机内 的采样膜表面；反之所述的气溶胶颗粒或云滴则被采样气B推出进气口。利用本发明所述 的方法，能够有效筛选采集颗粒度大于5μm的气溶胶颗粒或云滴。

本发明的有益效果在于：

1、本发明所述的采样系统能够用来专门采集大粒径的气溶胶颗粒或云滴。

2、本发明经济实用、原材料易得、加工方便。

3、本发明用途广泛，投资少，运用便捷，具有实践意义，提高航空采样技术的可行性 与实用性，可用于云雾期间对高空云滴的收集。

4、本发明在进行航空采样时无需对飞机进行任何改动，仅通过利用飞机底部现有的小 洞及飞机地板上的地脚螺栓进行安装固定即可,不会造成飞行的安全隐患。

附图说明

图1是本发明所述采样系统的结构示意图；

图2是本发明所述小型机载云滴采样装置的结构示意图；

图3是本发明的采集原理图；

在图1-3中，1、进气腔；2、收集腔；3、进气管；4、管形采样端；5、预热腔体；6、 管形捕获端；7、微孔；8、加热装置；9、抽气管；10、法兰；11、控温显示器；12、进气 口；α为管形捕获端与水平的夹角；A为采样气沿微孔进入收集腔后的一路流向；B为采 样气沿微孔进入收集腔后的另一路流向；C为外界气流；13、采样气B与外界气流C相抵消 形成第一个气流零速度层；14、采样气A和采样气B在分流的地方形成第二个气流零速度层； F1为进气管内采样气的流量；F2为抽气管内气体的流量；F3为另一路采样气B的流量。

15、气体压缩泵；16、干燥器；17、过滤器；18、质量流量控制仪；19、小型机载云滴 采样装置；20、分流装置；21、采样膜；22、干燥器；23、过滤器；24、质量流量控制仪； 25、抽气泵。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。

实施例1、

如图1-3所示。

一种小型机载云滴采样系统，包括按照采样气流的方向依次连接的气体压缩泵15、干 燥器16、过滤器17、质量流量控制仪18、小型机载云滴采样装置19、分流装置20、采样 膜21、干燥器22、过滤器23、质量流量控制仪24和抽气泵25；

所述的小型机载云滴采样装置包括进气腔1和收集腔2，所述的收集腔2设置在进气腔1 内部；所述进气腔1的前端与收集腔的采样端的外边缘相连，所述进气腔1的前端为锥形， 所述进气腔1的尾部设置有进气管3；所述收集腔2包括依次相连的管形采样端4、预热腔 体5和管形捕获端6，所述管形采样端4的管壁上贯通设置有微孔7，在预热腔体5的外壁 上环绕设置有加热装置8，所述的加热装置为加热棒热电偶；在预热腔体5的的尾部设置有 抽气管9，所述的预热腔体5为铜管。管形采样端4的长度：10mm，管形采样端的直径：2mm； 环绕管形采样端4设置有多圈微孔7，每圈微孔的数量为8个，相邻圈之间间隔1mm；所述 微孔7的直径：15μm；所述预热腔体的直径：5mm；所述进气腔的直径：20mm。所述的管形 捕获6端与水平呈逆时针α角：15°。

所述的小型机载云滴采样装置19通过法兰10与飞机机体固定连接，所述的进气管3与 飞机内的质量流量控制仪18相连，所述的抽气管9通过分流装置20分支为两路：其中一路 与飞机内的采样膜21相连，用于采集云结核颗粒，另一路与飞机内的干燥器22相连。

所述的抽气管与分流装置之间设置有中空箱体，所述中空箱体能起到二次减速稳压作 用；所述中空箱体包括2个相互串联连通的圆柱腔体，其中一个圆柱腔体的直径为10mm， 另一个圆柱腔体的直径为50mm。所述抽气管与中空的箱体通过软管相连通，所述软管为特 氟龙材质的软管。

实施例2、

一种利用如实施例1所述系统的采集云滴的方法，包括步骤如下：

（1）飞机起飞后，首先开启加热装置，将预热腔体预热至48-52℃；

（2）飞行至目标采集空域后，同时开启气体压缩泵和抽气泵；

（3）所述的采样气沿进气管进入进气腔；

（4）进气腔中的采样气沿管形采样端上的微孔进入收集腔，进气管的流量F1大于抽气 管的流量F2，所述由进气管进入的采样气通过带微孔的管形采样端时被分为两路采样气： 其中一路采样气A与抽气管采样气的流量F2和方向均相同，另一路采样气B与抽气管采样 气的方向相反，流量为F3；其流量关系为F1=F2+F3；

（5）所述的采样气B与外界气流相抵消，在进气口处形成第一个气流零速度层，采样 气A和采样气B在分流的地方形成第二个气流零速度层：当外界气流中的气溶胶颗粒或云 滴足够大，并且穿过第一个和第二个零速度层后，所述气溶胶颗粒或云滴被捕获至飞机内 的采样膜表面；反之所述的气溶胶颗粒或云滴则被采样气B推出进气口12。

利用实施例1所述的云滴采样系统和实施例2所述的采集方法所采集到云滴实验数据参 见表1：

表1为利用实施例1所述的云滴采样装置采集云滴的实验数据表：

利用本发明所述系统和方法，能够有效筛选采集颗粒度大于5μm的气溶胶颗粒或云滴。

实施例3、

如实施例1所述的云滴采样系统，其区别在于，

所述管形采样端4的长度：8mm，管形采样端的直径：1.5mm；环绕管形采样端设置有多 圈微孔，每圈微孔的数量为6个，相邻圈之间间隔1.5mm；所述微孔的直径：10μm；所述 预热腔体的直径：4mm；所述进气腔的直径范围：18mm。所述的管形捕获端与水平呈逆时针 25°角。

利用本实施例所述的云滴采样装置所筛选采集到的气溶胶颗粒或云滴颗粒度范围在5-10 μm之间，满足了选择性采集大颗粒气溶胶颗粒或云滴的实验需要。

实施例4、

如实施例1所述的云滴采样系统，其区别在于，

管形采样端的直径：1mm；环绕管形采样端设置有多圈微孔，每圈微孔的数量为6个，相 邻圈之间间隔1mm；所述微孔的直径范围：10μm；所述预热腔体的直径范围：3mm；所述进 气腔的直径范围：15mm。所述的管形捕获端与水平呈逆时针20°角。

利用本实施例所述的云滴采样装置所筛选采集到的气溶胶颗粒或云滴颗粒度范围在5-8 μm之间，满足了选择性采集大颗粒气溶胶颗粒或云滴的实验需要。