一种冰核浓度测量系统及方法与流程

本发明涉及天气测量技术领域，具体为一种冰核浓度测量系统及方法。

背景技术：

冰核是指大气中可以引起水蒸汽发生凝华或过冷水滴发生冻结而形成冰晶的固体粒子，冰核浓度对于大部分冷云中初生冰晶的数量起着重要作用，影响着整个冰水转化过程，而冰晶对于冷云降水、云的辐射效应、水分循环甚至平流层的水汽含量的作用都很大，是一个重要的影响因子。

对冰核浓度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，比格云室法受人为影响较大，测量结果不够准确，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，但在测量过程中受到影响会使测量结果出现较大的不确定性。

本发明阐述的一种冰核浓度测量系统及方法，能够解决上述问题，本发明基于滤膜-静力扩散云室法，抽取一定体积的空气，并通过两层筛孔孔径不同的筛板对空气进行筛选，同时筛板处于振动状态可避免冰核嵌入滤孔内导致测量结果偏低，当冰核分别接触到两块不同的筛板后，冰核上会沾上不同的便于检测的试剂，如荧光粉等，通过探头检测空气内的荧光粉的含量可反映冰核的浓度，并且荧光粉颜色不同表示冰核的大小不同，测量时间越长，测量的结果越准确。

技术实现要素：

技术问题：

常用的冰核浓度测量方法测量结果准确性较低，而且容易受到装置意外的影响，使测量结果出现较大的不确定性。

为解决上述问题，本例设计了一种冰核浓度测量系统及方法，本例的一种冰核浓度测量系统及方法，其测量装置包括测量箱，所述测量箱内设有开口向上的开口腔，所述开口腔下侧内壁内相连通的设有缩颈腔，所述缩颈腔下侧内壁内相连通的设有测量腔，所述开口腔内设有密封装置，所述密封装置可将所述测量腔与所述测量箱外侧连通，进而可将空气抽入所述测量腔内后，所述密封装置也可将所述测量腔与所述测量箱外侧隔离，在测量时可避免所述测量箱外的空气以及环境影响测量结果，通过所述缩颈腔的缩颈状态可使所述开口腔内的空气快速进入所述测量腔内，所述测量腔内设有测量装置，所述测量装置可对所述测量腔内的空气进行冰核浓度的测量，所述测量腔下侧内壁内设有传动装置，所述密封装置转动连接于所述传动装置，所述测量装置通过两条皮带连接于所述传动装置，启动所述传动装置可驱动所述测量装置与所述密封装置，所述测量腔内可滑动的设有活塞，所述活塞与所述传动装置之间通过螺纹连接，所述传动装置可驱动所述活塞滑动，所述活塞向下滑动时可将空气吸入到所述测量腔内，所述缩颈腔左右两侧内壁内对称且固设有气泵，启动所述气泵可将所述开口腔、所述缩颈腔以及所述测量腔内的空气排到所述测量箱外。

有益地，所述传动装置包括设于所述测量腔下侧内壁内的传动腔，所述传动腔内可转动的设有棘轮，所述棘轮内固连有电机轴，所述传动腔下侧内壁内固设有电动机，所述电机轴下端动力连接于所述电动机，所述棘轮后端可啮合的设有从动轮，当所述棘轮正转时可带动所述从动轮转动，当所述棘轮反转时，所述从动轮不转动，所述从动轮内固连有悬臂轴，所述悬臂轴上端固连有主动锥齿轮，所述主动锥齿轮左右两端对称且相啮合的设有从动锥齿轮，所述从动锥齿轮远离对称中心一端固连有连接轴，所述传动腔左右两侧内壁内对称的设有皮带槽，所述连接轴远离对称中心一端分别延伸到两侧的所述皮带槽内且固连有大带轮，两条所述皮带下端分别连接于两侧的所述大带轮上，所述皮带上端连接于所述测量装置。

有益地，所述棘轮上侧可转动的设有小主动齿轮与大主动齿轮，所述大主动齿轮位于所述小主动齿轮上侧，所述小主动齿轮与所述大主动齿轮固连于所述电机轴，所述大主动齿轮左端相啮合的设有小从动齿轮，所述小从动齿轮上端固连有螺杆，所述螺杆上端延伸到所述测量腔内并与所述活塞螺纹连接，所述小主动齿轮左端相啮合的设有大从动齿轮，所述大从动齿轮内固连有长轴，所述螺杆内上下贯通的设有通孔，所述长轴上端穿过所述通孔并连接于所述密封装置，所述小从动齿轮、所述螺杆与所述长轴之间转动连接，所述大主动齿轮与所述小从动齿轮之间为加速传动，所述小主动齿轮与所述大从动齿轮之间为减速传动。

可优选的，所述从动轮下端与所述传动腔下侧内壁之间固连有扭簧。

有益地，所述测量装置包括可转动的设于所述大带轮上侧的小带轮，所述皮带上端连接于所述小带轮上，所述大带轮与所述小带轮之间为加速传动，所述小带轮内固连有凸轮轴，所述皮带槽靠近对称中心一侧内壁内设有凹槽，所述凹槽靠近对称中心一侧相连通于所述测量腔，所述凸轮轴靠近对称中心一端延伸到所述凹槽内且固连有凸轮，所述凹槽内上下对称且可滑动的设有连接板，所述连接板靠近对称中心一端相抵于所述凸轮，所述连接板远离对称中心一端分别与所述凹槽上下内壁之间固连有压缩弹簧，在所述压缩弹簧的弹力作用下使所述连接板与所述凸轮始终保持接触，左右两侧的所述连接板靠近对称中心一端面之间固连有弧形板，两侧的所述弧形板之间相抵接触，并且所述弧形板远离对称中心一端贴于所述测量腔内壁上，两侧的所述弧形板之间固连有大孔径筛板与小孔径筛板，所述大孔径筛板与所述小孔径筛板上表面以及筛孔内涂有不同颜色的荧光粉，所述大孔径筛板位于所述小孔径筛板上侧，所述大孔径筛板与所述小孔径筛板之间固连有滑块，所述滑块滑动连接于所述长轴。

可优选的，所述弧形板靠近对称中心一端固连有第一探头与第二探头，所述第一探头位于所述大孔径筛板上侧，所述第二探头位于所述大孔径筛板以及所述小孔径筛板之间。

有益地，所述密封装置包括固设于所述开口腔内的固定板，所述固定板内左右对称且上下贯通的设有导气孔，所述固定板内设有齿轮腔，所述长轴上端延伸到所述齿轮腔内且固连有外齿轮，所述外齿轮内设有开口向上的齿形槽，所述齿形槽内可转动的设有传递齿轮，所述传递齿轮可与所述外齿轮啮合，所述传递齿轮右端相啮合的设有内齿轮，所述外齿轮与所述内齿轮之间的转动周期之比为二，所述内齿轮内固连有短轴，所述短轴上端延伸到所述固定板外，所述短轴周面上左右对称且固连有上密封板，所述上密封板下端相抵于所述固定板，所述长轴周面上左右对称且固连有下密封板，所述下密封板上端相抵于所述固定板。

本发明的有益效果是：本发明基于滤膜-静力扩散云室法，抽取一定体积的空气，并通过两层筛孔孔径不同的筛板对空气进行筛选，同时筛板处于振动状态可避免冰核嵌入滤孔内导致测量结果偏低，当冰核分别接触到两块不同的筛板后，冰核上会沾上不同的便于检测的试剂，如荧光粉等，通过探头检测空气内的荧光粉的含量可反映冰核的浓度，并且荧光粉颜色不同表示冰核的大小不同，测量时间越长，测量的结果越准确。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的具体实施例及附图作以详细描述。

图1为本发明的一种测量冰核浓度的测量系统的整体结构示意图；

图2为图1的“a”的放大示意图；

图3为图1的“b”的放大示意图；

图4为图1的“c”的放大示意图；

图5为图1的“d”方向的示意图；

图6为图2的“e-e”方向的结构示意图；

图7为图4的“f-f”方向的结构示意图。

具体实施方式

下面结合图1-图7对本发明进行详细说明，为叙述方便，现对下文所说的方位规定如下：下文所说的上下左右前后方向与图1本身投影关系的上下左右前后方向一致。

本发明涉及一种冰核浓度测量系统及方法，主要应用于测量空气中冰核的浓度，下面将结合本发明附图对本发明做进一步说明：

本发明所述的一种冰核浓度测量系统及方法，其测量装置包括测量箱11，所述测量箱11内设有开口向上的开口腔17，所述开口腔17下侧内壁内相连通的设有缩颈腔18，所述缩颈腔18下侧内壁内相连通的设有测量腔40，所述开口腔17内设有密封装置102，所述密封装置102可将所述测量腔40与所述测量箱11外侧连通，进而可将空气抽入所述测量腔40内后，所述密封装置102也可将所述测量腔40与所述测量箱11外侧隔离，在测量时可避免所述测量箱11外的空气以及环境影响测量结果，通过所述缩颈腔18的缩颈状态可使所述开口腔17内的空气快速进入所述测量腔40内，所述测量腔40内设有测量装置101，所述测量装置101可对所述测量腔40内的空气进行冰核浓度的测量，所述测量腔40下侧内壁内设有传动装置100，所述密封装置102转动连接于所述传动装置100，所述测量装置101通过两条皮带13连接于所述传动装置100，启动所述传动装置100可驱动所述测量装置101与所述密封装置102，所述测量腔40内可滑动的设有活塞15，所述活塞15与所述传动装置100之间通过螺纹连接，所述传动装置100可驱动所述活塞15滑动，所述活塞15向下滑动时可将空气吸入到所述测量腔40内，所述缩颈腔18左右两侧内壁内对称且固设有气泵16，启动所述气泵16可将所述开口腔17、所述缩颈腔18以及所述测量腔40内的空气排到所述测量箱11外；

该使用方法为：所述气泵16先将所述开口腔17、所述缩颈腔18以及所述测量腔40内的空气排到所述测量箱11外，此时启动所述传动装置100，进而驱动所述密封装置102并打开所述开口腔17，同时所述传动装置100驱动所述活塞15快速下降并将空气吸入所述测量腔40内，当所述活塞15下滑到下极限位置时停止所述传动装置100，此时所述密封装置102刚好将所述开口腔17关闭，在此过程中所述传动装置100同时驱动所述测量装置101，进而对所述测量腔40内的空气进行冰核浓度的测量。

根据实施例，以下对所述传动装置100进行详细说明，所述传动装置100包括设于所述测量腔40下侧内壁内的传动腔53，所述传动腔53内可转动的设有棘轮46，所述棘轮46内固连有电机轴49，所述传动腔53下侧内壁内固设有电动机45，所述电机轴49下端动力连接于所述电动机45，所述棘轮46后端可啮合的设有从动轮57，当所述棘轮46正转时可带动所述从动轮57转动，当所述棘轮46反转时，所述从动轮57不转动，所述从动轮57内固连有悬臂轴58，所述悬臂轴58上端固连有主动锥齿轮55，所述主动锥齿轮55左右两端对称且相啮合的设有从动锥齿轮54，所述从动锥齿轮54远离对称中心一端固连有连接轴52，所述传动腔53左右两侧内壁内对称的设有皮带槽32，所述连接轴52远离对称中心一端分别延伸到两侧的所述皮带槽32内且固连有大带轮12，两条所述皮带13下端分别连接于两侧的所述大带轮12上，所述皮带13上端连接于所述测量装置101；

使用时，启动所述电动机45，进而通过所述电机轴49带动所述棘轮46正转，进而带动所述从动轮57转动，进而通过所述悬臂轴58带动所述主动锥齿轮55转动，进而带动所述从动锥齿轮54转动，进而通过所述连接轴52带动所述大带轮12转动，进而通过所述皮带13驱动所述测量装置101。

有益地，所述棘轮46上侧可转动的设有小主动齿轮47与大主动齿轮48，所述大主动齿轮48位于所述小主动齿轮47上侧，所述小主动齿轮47与所述大主动齿轮48固连于所述电机轴49，所述大主动齿轮48左端相啮合的设有小从动齿轮50，所述小从动齿轮50上端固连有螺杆14，所述螺杆14上端延伸到所述测量腔40内并与所述活塞15螺纹连接，所述小主动齿轮47左端相啮合的设有大从动齿轮51，所述大从动齿轮51内固连有长轴29，所述螺杆14内上下贯通的设有通孔20，所述长轴29上端穿过所述通孔20并连接于所述密封装置102，所述小从动齿轮50、所述螺杆14与所述长轴29之间转动连接，所述大主动齿轮48与所述小从动齿轮50之间为加速传动，所述小主动齿轮47与所述大从动齿轮51之间为减速传动；

使用时，启动所述电动机45后通过所述电机轴49带动所述小主动齿轮47以及所述大主动齿轮48转动，所述小主动齿轮47带动所述大从动齿轮51转动，进而通过所述长轴29驱动所述密封装置102，同时所述大主动齿轮48带动所述小从动齿轮50转动，进而通过所述螺杆14带动所述活塞15快速下降。

有益地，所述从动轮57下端与所述传动腔53下侧内壁之间固连有扭簧56；

使用时，当所述棘轮46带动所述从动轮57转动时，扭转所述扭簧56，当所述棘轮46不转动时，在所述扭簧56的弹力作用下带动所述从动轮57反向转动，进而可反向驱动所述测量装置101，此时所述从动轮57不会带动所述棘轮46转动。

根据实施例，以下对所述测量装置101进行详细说明，所述测量装置101包括可转动的设于所述大带轮12上侧的小带轮33，所述皮带13上端连接于所述小带轮33上，所述大带轮12与所述小带轮33之间为加速传动，所述小带轮33内固连有凸轮轴34，所述皮带槽32靠近对称中心一侧内壁内设有凹槽36，所述凹槽36靠近对称中心一侧相连通于所述测量腔40，所述凸轮轴34靠近对称中心一端延伸到所述凹槽36内且固连有凸轮35，所述凹槽36内上下对称且可滑动的设有连接板43，所述连接板43靠近对称中心一端相抵于所述凸轮35，所述连接板43远离对称中心一端分别与所述凹槽36上下内壁之间固连有压缩弹簧44，在所述压缩弹簧44的弹力作用下使所述连接板43与所述凸轮35始终保持接触，左右两侧的所述连接板43靠近对称中心一端面之间固连有弧形板37，两侧的所述弧形板37之间相抵接触，并且所述弧形板37远离对称中心一端贴于所述测量腔40内壁上，两侧的所述弧形板37之间固连有大孔径筛板39与小孔径筛板42，所述大孔径筛板39与所述小孔径筛板42上表面以及筛孔内涂有不同颜色的荧光粉，所述大孔径筛板39位于所述小孔径筛板42上侧，所述大孔径筛板39与所述小孔径筛板42之间固连有滑块19，所述滑块19滑动连接于所述长轴29；

使用时，所述大带轮12转动并通过所述皮带13带动所述小带轮33转动，进而通过所述凸轮轴34带动所述凸轮35转动，进而推动所述连接板43上下滑动，进而带动所述弧形板37上下滑动，进而带动所述大孔径筛板39与所述小孔径筛板42上下滑动，所述滑块19沿所述长轴29上下滑动可避免所述大孔径筛板39与所述小孔径筛板42倾斜，由于所述大带轮12与所述小带轮33之间为加速传动，并且所述连接板43的滑动幅度很小，进而所述大孔径筛板39与所述小孔径筛板42在所述测量腔40内处于振动状态，进而使空气中的冰核能够充分接触所述大孔径筛板39以及所述小孔径筛板42，进而使冰核上沾有荧光粉，直径大于所述大孔径筛板39筛孔孔径的冰核留于所述大孔径筛板39上侧，直径小于所述大孔径筛板39筛孔孔径但大于所述小孔径筛板42筛孔孔径的冰核留于所述大孔径筛板39与所述小孔径筛板42之间，直径小于所述小孔径筛板42筛孔孔径的冰核留于所述小孔径筛板42下侧，沾有所述大孔径筛板39上荧光粉的冰核接触到所述小孔径筛板42时，颜色会被所述小孔径筛板42上的荧光粉覆盖。

有益地，所述弧形板37靠近对称中心一端固连有第一探头38与第二探头41，所述第一探头38位于所述大孔径筛板39上侧，所述第二探头41位于所述大孔径筛板39以及所述小孔径筛板42之间；

使用时，所述第一探头38可测量所述大孔径筛板39上侧的沾有所述大孔径筛板39上荧光粉的冰核浓度，所述第二探头41可测量所述大孔径筛板39以及所述小孔径筛板42之间的沾有所述小孔径筛板42上荧光粉的冰核浓度，由于所述小孔径筛板42下侧的冰核直径较小，可忽略不计不参与浓度测量，所述第一探头38以及所述第二探头41测量的冰核浓度之和为抽取的空气内的冰核浓度，而且可测量出不同直径的冰核浓度，测量时间越长，不同直径的冰核分离的越完全，沾有荧光粉的冰核越多，进而可使测量结果越准确。

根据实施例，以下对所述密封装置102进行详细说明，所述密封装置102包括固设于所述开口腔17内的固定板27，所述固定板27内左右对称且上下贯通的设有导气孔26，所述固定板27内设有齿轮腔30，所述长轴29上端延伸到所述齿轮腔30内且固连有外齿轮22，所述外齿轮22内设有开口向上的齿形槽28，所述齿形槽28内可转动的设有传递齿轮23，所述传递齿轮23可与所述外齿轮22啮合，所述传递齿轮23右端相啮合的设有内齿轮25，所述外齿轮22与所述内齿轮25之间的转动周期之比为二，所述内齿轮25内固连有短轴24，所述短轴24上端延伸到所述固定板27外，所述短轴24周面上左右对称且固连有上密封板21，所述上密封板21下端相抵于所述固定板27，所述长轴29周面上左右对称且固连有下密封板31，所述下密封板31上端相抵于所述固定板27；

使用时，所述长轴29转动带动所述外齿轮22转动，进而带动所述传递齿轮23转动，进而带动所述内齿轮25转动，进而通过所述短轴24带动所述上密封板21转动，同时所述长轴29带动所述下密封板31转动，进而打开所述导气孔26，当所述上密封板21转动九十度时，所述传递齿轮23与所述外齿轮22脱离啮合，此时所述长轴29带动所述下密封板31以及所述外齿轮22继续转动，当所述外齿轮22重新与所述传递齿轮23啮合并可带动所述上密封板21转动，当所述下密封板31转动一圈时所述上密封板21转动半圈，此时重新将所述导气孔26关闭。

以下结合图1至图7对本文中的一种测量冰核浓度的测量系统的使用步骤进行详细说明：

初始时，导气孔26处于关闭状态，此时活塞15处于上极限位置。

使用时，通过气泵16先将开口腔17、缩颈腔18以及测量腔40内的空气排到测量箱11外，此时启动电动机45，进而通过电机轴49带动小主动齿轮47，小主动齿轮47带动大从动齿轮51转动，进而通过长轴29带动外齿轮22转动，进而带动传递齿轮23转动，进而带动内齿轮25转动，进而通过短轴24带动上密封板21转动，同时长轴29带动下密封板31转动，进而打开导气孔26，当上密封板21转动九十度时，传递齿轮23与外齿轮22脱离啮合，此时长轴29带动下密封板31以及外齿轮22继续转动，当外齿轮22重新与传递齿轮23啮合并可带动上密封板21转动，当下密封板31转动一圈时上密封板21转动半圈，此时重新将导气孔26关闭，此时电动机45停止。

在电动机45启动过程中，通过电机轴49带动大主动齿轮48转动，进而带动小从动齿轮50转动，进而通过螺杆14带动活塞15下降，此时密封装置102处于打开状态，进而向测量腔40内吸入空气。

在电动机45启动过程中，通过电机轴49带动棘轮46正转，进而带动从动轮57转动，进而通过悬臂轴58带动主动锥齿轮55转动，进而带动从动锥齿轮54转动，进而通过连接轴52带动大带轮12转动，进而通过皮带13带动小带轮33转动，进而通过凸轮轴34带动凸轮35转动，进而推动连接板43上下滑动，进而带动弧形板37上下滑动，进而带动大孔径筛板39与小孔径筛板42上下滑动，滑块19沿长轴29上下滑动可避免大孔径筛板39与小孔径筛板42倾斜，由于大带轮12与小带轮33之间为加速传动，并且连接板43的滑动幅度很小，进而大孔径筛板39与小孔径筛板42在测量腔40内处于振动状态，进而使空气中的冰核能够充分接触大孔径筛板39以及小孔径筛板42，进而使冰核上沾有荧光粉，直径大于大孔径筛板39筛孔孔径的冰核留于大孔径筛板39上侧，直径小于大孔径筛板39筛孔孔径但大于小孔径筛板42筛孔孔径的冰核留于大孔径筛板39与小孔径筛板42之间，直径小于小孔径筛板42筛孔孔径的冰核留于小孔径筛板42下侧，沾有大孔径筛板39上荧光粉的冰核接触到小孔径筛板42时，颜色会被小孔径筛板42上的荧光粉覆盖。

当电动机45停止时，棘轮46停止转动，此时在扭簧56的弹力作用带动从动轮57反转，进而可驱动凸轮35反转，进而可带动弧形板37、大孔径筛板39以及小孔径筛板42继续振动，增加与大孔径筛板39以及小孔径筛板42接触的冰核数量，直到扭簧56的弹力释放完毕，可提高测量精度。

启动第一探头38与第二探头41，第一探头38可测量大孔径筛板39上侧的沾有大孔径筛板39上荧光粉的冰核浓度，第二探头41可测量大孔径筛板39以及小孔径筛板42之间的沾有小孔径筛板42上荧光粉的冰核浓度，由于小孔径筛板42下侧的冰核直径较小，可忽略不计不参与浓度测量，第一探头38以及第二探头41测量的冰核浓度之和为抽取的空气内的冰核浓度，而且可测量出不同直径的冰核浓度，测量时间越长，不同直径的冰核分离的越完全，沾有荧光粉的冰核越多，进而可使测量结果越准确。

本发明的有益效果是：本发明基于滤膜-静力扩散云室法，抽取一定体积的空气，并通过两层筛孔孔径不同的筛板对空气进行筛选，同时筛板处于振动状态可避免冰核嵌入滤孔内导致测量结果偏低，当冰核分别接触到两块不同的筛板后，冰核上会沾上不同的便于检测的试剂，如荧光粉等，通过探头检测空气内的荧光粉的含量可反映冰核的浓度，并且荧光粉颜色不同表示冰核的大小不同，测量时间越长，测量的结果越准确。

通过以上方式，本领域的技术人员可以在本发明的范围内根据工作模式做出各种改变。