一种测量云中含水量的方法技术

本发明专利技术属于云中含水量的探测的技术领域，具体涉及一种测量云中含水量的方法，为了测量得到包含水滴和冰晶在内的云中含水量的精确结果。测量云中含水量的方法，将进入测量设备的含有液态云滴、冰晶的云雾气体进行加热，成为未饱和的混合湿气，然后再进行水汽浓度测量。本发明专利技术的有益效果是：具有很高的检测精度，即使是完全由冰晶构成的含水量很低的卷云也能进行精密测量，测得的是液态水和固态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.

【技术实现步骤摘要】
一种测量云中含水量的方法
本专利技术属于云中含水量的探测的
，具体涉及一种测量云中含水量的方法。
技术介绍
在气象探测领域中，由于人工降雨或其他人工影响天气的需要，往往要对云雾中的含水量进行测量，在含水量充沛的云团里进行人工增雨作业可以提高作业成功率增加降水量。这里的“水”是指饱和凝结的水滴和冰晶，而不是未凝结的空气中的水汽含量，含水量的单位一般是g/m3。为完成较高精度的测量，目前都是将设备装载到飞机上进行近场接触测量。已有的机载测量方法大致是两种，一种是通过光学方法测量云滴的尺度谱，然后通过云滴谱来对云中含水量进行累积估计。当云滴的数密度或云滴的尺度较大时，必然可累积估算出一个较高的云中含水量。但这一方法的缺陷在于结果是通过间接计算得到，现有的各类云滴谱测量设备精度都不高，并且设备的一致性也较差，所估算得到的结果有时会有数量级的差异。另一个常用的设备是热线含水量仪，其原理是让气流通过一根电热金属丝。气流中的水滴会有一定的概率被捕获在金属丝上，然后被蒸发。由于蒸发会吸收潜热，因而就会导致金属丝的温度下降，通过加热功率和温度的关系就可得到云中液态水的含量。但该方法对冰晶是无效的，冰晶会被金属丝弹开而无法测得。如果测量对象是固态冰晶云或固液共存的混合态云层，那就很难测得准确的结果了。可调谐二极管吸收光谱技术的简称是TDLAS技术，该技术的主要内容是采用一个窄线宽的可调谐的激光二极管来发射激光，将该激光的波长选择在待测气体的某个吸收谱线附近并进行波长调制，激光在待测气体中通过一定的距离后到达光电接收器。由于波长围绕吸收波长的变化会导致透过率的调制，因而吸收气体的浓度就会反应在光强的交流变化上。在接收端将光电检测信号进行交流放大并进行信号检测，由Beer-Lambert定理可知，接收端会得到与待测气体浓度有单调且确定关系的的交流信号，从而就可以测量得到气体的浓度。TDLAS技术的优点是检测精度高、反应时间短、选择性强，已在环境检测、工业控制等需要对气体浓度进行精密检测的领域获得了广泛的应用。为了在较小的体积内活获得较长的光学路径，往往会在气体吸收池内进行光谱吸收测量，吸收池设置有两个光学窗口，光束由其中窗口一个进入然后在吸收池内部经多次反射后由另一个窗口射出，这样就可以大大提高测量的灵敏度。
技术实现思路
本专利技术为了测量得到包含水滴和冰晶在内的云中含水量的精确结果，提供了一种测量云中含水量的方法。本专利技术采用如下的技术方案实现：一种测量云中含水量的方法，将进入测量设备的含有液态云滴、冰晶的云雾气体进行加热，成为未饱和的混合湿气，然后再进行水汽浓度测量。其采用可调谐二极管吸收光谱技术TDLAS进行水汽浓度测量。同时测量吸收池的压力和温度、外部环境的压力和温度，并依据这些数据对由吸收池测量得到的数据进行体积变化订正。具体来说，含有水滴或冰晶的云雾气体通过飞机速度形成的气动压力差进入设备，在进气气路上通过加热管对气体进行加热，使得气体温度达到30℃以上，以至于所有的水滴和冰晶都蒸发成为水汽，成为未饱和的混合湿气，将经过加热的气体引入到气体吸收池中，并通过TDLAS技术对吸收池中的水汽浓度进行测量，从吸收池的一个光学窗口引入一束由激光二极管产生的经过准直的波长可调谐激光，并通过控温和电流扫描来达到在吸收谱线附近的波长调制，在吸收池的出光窗口放置的光学准直系统将通过吸收池的光束汇集到光电接收管上，然后由后续电路来检测经过谱线吸收调制的信号大小并计算出水汽分压；由吸收池流出的空气再通过节流控制阀回到环境中，同时测量吸收池的压力和温度、外部环境的压力和温度，对吸收池测量得到的数据进行体积变化订正，根据气体状态方程，外部的温度和压力为P0和T0，吸收池的温度和压力为P1和T1，测得的水汽分压为e1，则外部的实际水汽分压为：，这样得到的结果就是由云中凝结水量和云中水汽之和组成的空气绝对含水量，如果要进一步计算云中含水量只需从云中的温度计算出未凝结的水汽，将其扣除即可。完成该方法的机载设备包括设置有加热管的进气管路、吸收池、激光二极管、光电接收管、节流控制阀、用于测量吸收池内和外部环境温度和压力的传感器和相应的电路，激光二极管、吸收池和光电接收管构成了一个TDLAS水汽测量系统。所述的吸收池上有入光窗口和出光窗口，入光窗口外为激光二极管和光学准直系统，出光窗口外为光电吸收管和光学准直系统。吸收池上有进气口连接进气管路，还有出气口连接出气管路，进气管路上设置加热管，出气管路上设置节流控制阀。所述的检测电路包括CPU，CPU的信号输出端连接D/A转换电路的输入端，D/A转换电路的输出端连接激光二极管的信号输入端，光电接收管的信号输出端连接同步滤波电路的输入端，同步滤波电路的输出端连接A/D转换电路的输入端，A/D转换电路的输出端连接CPU的输入端。所述的检测电路还包括一个用于将激光器控制在恒定温度的温度控制电路。本专利技术的有益效果是：1、具有很高的检测精度，即使是完全由冰晶构成的含水量很低的卷云也能进行精密测量。2、测得的是液态水和固态水都包含的云中含水量。附图说明图1是本专利技术的结构示意图。图中：1-进气管，2-加热管，3-激光二极管，4-吸收池，5-检测电路，6-光电接收管，7-节流控制阀，8-出气管。图2是TDLAS的基本检测电路框图。具体实施方式图1是本专利技术实施的原理图，基于TDLAS技术的测量云中含水量的机载设备：由进气管1、加热管2、吸收池4、激光二极管3、光电接收管6、节流控制阀7、以及辅助的温度、压力传感器和相应的检测电路5组成。所述的激光二极管为可调谐激光二极管。激光二极管、吸收池和光电接收管构成了一个基本的TDLAS水汽测量系统，其工作波长可以选择在940nm或1392nm等水汽吸收谱带上。所述的吸收池上有入光窗口和出光窗口，入光窗口外为激光二极管和光学准直系统，出光窗口外为光电吸收管和光学准直系统。吸收池上有进气口连接进气管路，还有出气口连接出气管路，进气管路上设置加热管，出气管路上设置节流控制阀。所述的检测电路如图2所示，包括CPU，CPU的信号输出端连接D/A转换电路的输入端，D/A转换电路的输出端连接激光二极管的信号输入端，光电接收管的信号输出端连接同步滤波电路的输入端，同步滤波电路的输出端连接A/D转换电路的输入端，A/D转换电路的输出端连接CPU的输入端。所述的检测电路还包括一个用于将激光器控制在恒定温度的温度控制电路。CPU通过D/A产生锯齿波，然后该锯齿波信号去调制激光二极管的工作电流，形成波长和幅度的调制信号。在接收端，光电信号则先通过一个同步滤波电路以去除噪声，然后进入A/D转换电路被处理器采集处理。而同时激光器还被控制在一个恒定的温度上。含有水滴或冰晶的云雾气体通过飞机速度形成的气动压力差进入设备，在进气气路上通过加热管对气体进行加热，并使得气体达到足够的温度，以至于所有的水滴和冰晶都蒸发成为水汽，成为未饱和的混合湿气。根据已知的云中含水量资料，最大极限值可以达到10g/m3以上，因此为保证充分蒸发，加热温度至少要30℃以上。将经过加热的气体引入到气体吸收池中，并通过TDLAS技术对吸收池中的水汽浓度进行测量。从吸收池的一个光学窗口引入一束经过准直的波长可调谐激光，该激光由激光二极管本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量云中含水量的方法，其特征在于：将进入测量设备的含有液态云滴、冰晶的云雾气体进行加热，成为未饱和的混合湿气，然后再进行水汽浓度测量。

【技术特征摘要】
1.一种测量云中含水量的方法，其特征在于：将进入测量设备的含有液态云滴、冰晶的云雾气体进行加热，成为未饱和的混合湿气，然后再进行水汽浓度测量。2.根据权利要求1所述的测量云中含水量的方法，其特征在于：采用可调谐二极管吸收光谱技术TDLAS进行水汽浓度测量。3.根据权利要求1和2所述的测量云中含水量的方法，其特征在于：同时测量吸收池的压力和温度、外部环境的压力和温度，并依据这些数据对由吸收池测量得到的数据进行体积变化订正。4.根据权利要求3所述的测量云中含水量的方法，其特征在于：含有水滴或冰晶的云雾气体通过飞机速度形成的气动压力差进入设备，在进气气路上通过加热管对气体进行加热，使得气体温度达到30℃以上，以至于所有的水滴和冰晶都蒸发成为水汽，成为未饱和的混合湿气，将经过加热的气体引入到气体吸收池中，并通过TDLAS技术对吸收池中的水汽浓度进行测量，从吸收池的一个光学窗口引入一束由激光二极管产生的经过准直的波长可调谐激光，并通过控温和电流扫描来达到在吸收谱线附近的波长调制，在吸收池的出光窗口放置的光学准直系统将通过吸收池的光束汇集到光电接收管上，然后由后续电路来检测经过谱线吸收调制的信号大小并计算出水汽分压；由吸收池流出的空气再通过节流控制阀回到环境中，同时测量吸收池的压力和温度、外部环境的压力和温度，对吸收池测量得到的数据进行体积变化订正，根据气体状态方程，外部的温度和压力为P0和T0，吸收池的温度和压力为P1和T1，测得的水汽分压为e1，则外部的实际水汽分压为：，这样...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟东力，
申请(专利权)人：太原航空仪表有限公司，
类型：发明
国别省市：山西,14