一種測量云中含水量的方法技術

本發明專利技術屬于云中含水量的探測的技術領域，具體涉及一種測量云中含水量的方法，為了測量得到包含水滴和冰晶在內的云中含水量的精確結果。測量云中含水量的方法，將進入測量設備的含有液態云滴、冰晶的云霧氣體進行加熱，成為未飽和的混合濕氣，然后再進行水汽濃度測量。本發明專利技術的有益效果是：具有很高的檢測精度，即使是完全由冰晶構成的含水量很低的卷云也能進行精密測量，測得的是液態水和固態水都包含的云中含水量。

Method for measuring moisture content in cloud

The invention belongs to the technical field of detecting moisture content in clouds, in particular to a method for measuring moisture content in a cloud, in order to obtain accurate results of moisture content in clouds containing water drops and ice crystals. Method for measuring water content of clouds, cloud droplets and ice crystals containing heated liquid cloud of gas will enter the measurement equipment, a mixed unsaturated moisture, and then the water vapor concentration measurement. The invention has the advantages that the detection accuracy is very high, even the cirrus composed entirely of ice water content is very low also can make accurate measurements, the measured liquid water and solid water contains the cloud water content.

【技術實現步驟摘要】
一種測量云中含水量的方法
本專利技術屬于云中含水量的探測的
，具體涉及一種測量云中含水量的方法。
技術介紹
在氣象探測領域中，由于人工降雨或其他人工影響天氣的需要，往往要對云霧中的含水量進行測量，在含水量充沛的云團里進行人工增雨作業可以提高作業成功率增加降水量。這里的“水”是指飽和凝結的水滴和冰晶，而不是未凝結的空氣中的水汽含量，含水量的單位一般是g/m3。為完成較高精度的測量，目前都是將設備裝載到飛機上進行近場接觸測量。已有的機載測量方法大致是兩種，一種是通過光學方法測量云滴的尺度譜，然后通過云滴譜來對云中含水量進行累積估計。當云滴的數密度或云滴的尺度較大時，必然可累積估算出一個較高的云中含水量。但這一方法的缺陷在于結果是通過間接計算得到，現有的各類云滴譜測量設備精度都不高，并且設備的一致性也較差，所估算得到的結果有時會有數量級的差異。另一個常用的設備是熱線含水量儀，其原理是讓氣流通過一根電熱金屬絲。氣流中的水滴會有一定的概率被捕獲在金屬絲上，然后被蒸發。由于蒸發會吸收潛熱，因而就會導致金屬絲的溫度下降，通過加熱功率和溫度的關系就可得到云中液態水的含量。但該方法對冰晶是無效的，冰晶會被金屬絲彈開而無法測得。如果測量對象是固態冰晶云或固液共存的混合態云層，那就很難測得準確的結果了。可調諧二極管吸收光譜技術的簡稱是TDLAS技術，該技術的主要內容是采用一個窄線寬的可調諧的激光二極管來發射激光，將該激光的波長選擇在待測氣體的某個吸收譜線附近并進行波長調制，激光在待測氣體中通過一定的距離后到達光電接收器。由于波長圍繞吸收波長的變化會導致透過率的調制，因而吸收氣體的濃度就會反應在光強的交流變化上。在接收端將光電檢測信號進行交流放大并進行信號檢測，由Beer-Lambert定理可知，接收端會得到與待測氣體濃度有單調且確定關系的的交流信號，從而就可以測量得到氣體的濃度。TDLAS技術的優點是檢測精度高、反應時間短、選擇性強，已在環境檢測、工業控制等需要對氣體濃度進行精密檢測的領域獲得了廣泛的應用。為了在較小的體積內活獲得較長的光學路徑，往往會在氣體吸收池內進行光譜吸收測量，吸收池設置有兩個光學窗口，光束由其中窗口一個進入然后在吸收池內部經多次反射后由另一個窗口射出，這樣就可以大大提高測量的靈敏度。
技術實現思路
本專利技術為了測量得到包含水滴和冰晶在內的云中含水量的精確結果，提供了一種測量云中含水量的方法。本專利技術采用如下的技術方案實現：一種測量云中含水量的方法，將進入測量設備的含有液態云滴、冰晶的云霧氣體進行加熱，成為未飽和的混合濕氣，然后再進行水汽濃度測量。其采用可調諧二極管吸收光譜技術TDLAS進行水汽濃度測量。同時測量吸收池的壓力和溫度、外部環境的壓力和溫度，并依據這些數據對由吸收池測量得到的數據進行體積變化訂正。具體來說，含有水滴或冰晶的云霧氣體通過飛機速度形成的氣動壓力差進入設備，在進氣氣路上通過加熱管對氣體進行加熱，使得氣體溫度達到30℃以上，以至于所有的水滴和冰晶都蒸發成為水汽，成為未飽和的混合濕氣，將經過加熱的氣體引入到氣體吸收池中，并通過TDLAS技術對吸收池中的水汽濃度進行測量，從吸收池的一個光學窗口引入一束由激光二極管產生的經過準直的波長可調諧激光，并通過控溫和電流掃描來達到在吸收譜線附近的波長調制，在吸收池的出光窗口放置的光學準直系統將通過吸收池的光束匯集到光電接收管上，然后由后續電路來檢測經過譜線吸收調制的信號大小并計算出水汽分壓；由吸收池流出的空氣再通過節流控制閥回到環境中，同時測量吸收池的壓力和溫度、外部環境的壓力和溫度，對吸收池測量得到的數據進行體積變化訂正，根據氣體狀態方程，外部的溫度和壓力為P0和T0，吸收池的溫度和壓力為P1和T1，測得的水汽分壓為e1，則外部的實際水汽分壓為：，這樣得到的結果就是由云中凝結水量和云中水汽之和組成的空氣絕對含水量，如果要進一步計算云中含水量只需從云中的溫度計算出未凝結的水汽，將其扣除即可。完成該方法的機載設備包括設置有加熱管的進氣管路、吸收池、激光二極管、光電接收管、節流控制閥、用于測量吸收池內和外部環境溫度和壓力的傳感器和相應的電路，激光二極管、吸收池和光電接收管構成了一個TDLAS水汽測量系統。所述的吸收池上有入光窗口和出光窗口，入光窗口外為激光二極管和光學準直系統，出光窗口外為光電吸收管和光學準直系統。吸收池上有進氣口連接進氣管路，還有出氣口連接出氣管路，進氣管路上設置加熱管，出氣管路上設置節流控制閥。所述的檢測電路包括CPU，CPU的信號輸出端連接D/A轉換電路的輸入端，D/A轉換電路的輸出端連接激光二極管的信號輸入端，光電接收管的信號輸出端連接同步濾波電路的輸入端，同步濾波電路的輸出端連接A/D轉換電路的輸入端，A/D轉換電路的輸出端連接CPU的輸入端。所述的檢測電路還包括一個用于將激光器控制在恒定溫度的溫度控制電路。本專利技術的有益效果是：1、具有很高的檢測精度，即使是完全由冰晶構成的含水量很低的卷云也能進行精密測量。2、測得的是液態水和固態水都包含的云中含水量。附圖說明圖1是本專利技術的結構示意圖。圖中：1-進氣管，2-加熱管，3-激光二極管，4-吸收池，5-檢測電路，6-光電接收管，7-節流控制閥，8-出氣管。圖2是TDLAS的基本檢測電路框圖。具體實施方式圖1是本專利技術實施的原理圖，基于TDLAS技術的測量云中含水量的機載設備：由進氣管1、加熱管2、吸收池4、激光二極管3、光電接收管6、節流控制閥7、以及輔助的溫度、壓力傳感器和相應的檢測電路5組成。所述的激光二極管為可調諧激光二極管。激光二極管、吸收池和光電接收管構成了一個基本的TDLAS水汽測量系統，其工作波長可以選擇在940nm或1392nm等水汽吸收譜帶上。所述的吸收池上有入光窗口和出光窗口，入光窗口外為激光二極管和光學準直系統，出光窗口外為光電吸收管和光學準直系統。吸收池上有進氣口連接進氣管路，還有出氣口連接出氣管路，進氣管路上設置加熱管，出氣管路上設置節流控制閥。所述的檢測電路如圖2所示，包括CPU，CPU的信號輸出端連接D/A轉換電路的輸入端，D/A轉換電路的輸出端連接激光二極管的信號輸入端，光電接收管的信號輸出端連接同步濾波電路的輸入端，同步濾波電路的輸出端連接A/D轉換電路的輸入端，A/D轉換電路的輸出端連接CPU的輸入端。所述的檢測電路還包括一個用于將激光器控制在恒定溫度的溫度控制電路。CPU通過D/A產生鋸齒波，然后該鋸齒波信號去調制激光二極管的工作電流，形成波長和幅度的調制信號。在接收端，光電信號則先通過一個同步濾波電路以去除噪聲，然后進入A/D轉換電路被處理器采集處理。而同時激光器還被控制在一個恒定的溫度上。含有水滴或冰晶的云霧氣體通過飛機速度形成的氣動壓力差進入設備，在進氣氣路上通過加熱管對氣體進行加熱，并使得氣體達到足夠的溫度，以至于所有的水滴和冰晶都蒸發成為水汽，成為未飽和的混合濕氣。根據已知的云中含水量資料，最大極限值可以達到10g/m3以上，因此為保證充分蒸發，加熱溫度至少要30℃以上。將經過加熱的氣體引入到氣體吸收池中，并通過TDLAS技術對吸收池中的水汽濃度進行測量。從吸收池的一個光學窗口引入一束經過準直的波長可調諧激光，該激光由激光二極管本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種測量云中含水量的方法，其特征在于：將進入測量設備的含有液態云滴、冰晶的云霧氣體進行加熱，成為未飽和的混合濕氣，然后再進行水汽濃度測量。

【技術特征摘要】
1.一種測量云中含水量的方法，其特征在于：將進入測量設備的含有液態云滴、冰晶的云霧氣體進行加熱，成為未飽和的混合濕氣，然后再進行水汽濃度測量。2.根據權利要求1所述的測量云中含水量的方法，其特征在于：采用可調諧二極管吸收光譜技術TDLAS進行水汽濃度測量。3.根據權利要求1和2所述的測量云中含水量的方法，其特征在于：同時測量吸收池的壓力和溫度、外部環境的壓力和溫度，并依據這些數據對由吸收池測量得到的數據進行體積變化訂正。4.根據權利要求3所述的測量云中含水量的方法，其特征在于：含有水滴或冰晶的云霧氣體通過飛機速度形成的氣動壓力差進入設備，在進氣氣路上通過加熱管對氣體進行加熱，使得氣體溫度達到30℃以上，以至于所有的水滴和冰晶都蒸發成為水汽，成為未飽和的混合濕氣，將經過加熱的氣體引入到氣體吸收池中，并通過TDLAS技術對吸收池中的水汽濃度進行測量，從吸收池的一個光學窗口引入一束由激光二極管產生的經過準直的波長可調諧激光，并通過控溫和電流掃描來達到在吸收譜線附近的波長調制，在吸收池的出光窗口放置的光學準直系統將通過吸收池的光束匯集到光電接收管上，然后由后續電路來檢測經過譜線吸收調制的信號大小并計算出水汽分壓；由吸收池流出的空氣再通過節流控制閥回到環境中，同時測量吸收池的壓力和溫度、外部環境的壓力和溫度，對吸收池測量得到的數據進行體積變化訂正，根據氣體狀態方程，外部的溫度和壓力為P0和T0，吸收池的溫度和壓力為P1和T1，測得的水汽分壓為e1，則外部的實際水汽分壓為：，這樣...

【專利技術屬性】
技術研發人員：翟東力，
申請(專利權)人：太原航空儀表有限公司，
類型：發明
國別省市：山西,14