本發(fā)明涉及一種不同溫壓條件下層理冰樣品制作方法及裝置。

背景技術(shù)：

我國極地科學(xué)發(fā)展迅速，目前中國在南極已經(jīng)建立了中山站，昆侖站，長城站等科學(xué)考察站，我國科學(xué)家依托科考站對南極冰蓋做了大量細致的研究工作，但南極畢竟是人類難以到達的地方，因此科學(xué)家們迫切希望能夠在實驗室內(nèi)凍制冰樣，以此來模擬極地冰蓋冰雪特性，從而分析極地冰蓋硬度強度等特性，為極地科學(xué)的研究奠定基礎(chǔ)。由于極地冰蓋為冰雪常年累月堆積形成，其形成機理為積雪壓實成冰，且具有典型的層理特性。極地冰蓋不同深度冰層賦存壓力不同，因此為了較為真實的模擬極地冰層特點，實驗室制作的冰樣應(yīng)在不同溫壓條件下凍制，并應(yīng)具有層理特性。目前查閱國內(nèi)外資料，多見采用不同溫度的層理冰來模擬極地冰層，但均未考慮壓力因素。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的提供一種不同溫壓條件下層理冰樣品制作方法。

本發(fā)明的另一目的提供一種不同溫壓條件下層理冰樣品制作裝置。

本發(fā)明凍制的樣品可根據(jù)實驗需要調(diào)節(jié)凍制樣品的溫度和壓力條件，并且可凍制層理冰，能更為真實的模擬極地冰層。

本發(fā)明之一種不同溫壓條件下層理冰樣品制作方法是：

欲在不同溫壓條件下凍制層理冰樣，需滿足三個參數(shù)可調(diào)節(jié)，分別為溫度、壓力、層理厚度。

其中，溫度采用低溫冷柜控制，將凍制冰樣的容器置于低溫冷柜中，低溫冷柜的溫度可無級調(diào)節(jié)，用于滿足不同溫度凍制冰樣的要求。

冰樣壓力的加載考慮采用氣體加壓，并設(shè)置兩個腔室，一個為加壓腔，為氣體進行加壓，另一個為冰樣腔，當氣體在加壓腔升壓后，通過閥門控制高壓氣體通入冰樣腔內(nèi)，為冰樣凍制提供壓力，其中冰樣腔中安裝有泄壓閥，當冰樣腔壓力超過設(shè)定值時，可自動通過泄壓閥泄壓。根據(jù)實驗?zāi)康牡牟煌€可以選擇高壓氣體類型，如采用氮氣，空氣，氦氣等，從而凍制包含不同溶解度氣體的冰樣，以滿足多種科學(xué)目的的研究工作。

凍制層理冰時，水樣應(yīng)分幾次注入，下一次注水應(yīng)在上一次水樣完全凍結(jié)以后進行，通過控制每次注水量即可獲得不同層理厚度冰樣，注水時每次注入水量相同，保證凍制樣品層理均勻。

本發(fā)明之一種不同溫壓條件下層理冰樣品制作裝置是由低溫冷柜、冰樣凍制容器、冰樣加壓系統(tǒng)、冰樣注水系統(tǒng)組成。其中，冰樣凍制容器放置在低溫冷柜中，用于承載和凍制冰樣，其頂部分別于冰樣加壓系統(tǒng)和冰樣注水系統(tǒng)用管路連接。冰樣加壓系統(tǒng)和冰樣注水系統(tǒng)放置在低溫冷柜外部，冰樣加壓系統(tǒng)通過氣管與冰樣凍制容器連接，用來為冰樣凍制容器提供凍制冰樣所需的不同壓力。冰樣注水系統(tǒng)通過水管與冰樣凍制容器連接，用于控制每次注水量，以實現(xiàn)不同厚度層理冰樣的凍制。

低溫冷柜為市場上購買的低溫設(shè)備，目的是為凍制冰樣提供低溫環(huán)境，冷柜內(nèi)溫度最低可達-60℃，且溫度可在此范圍內(nèi)無級調(diào)節(jié)。

冰樣凍制容器由冰樣腔、泄壓閥、壓力表組成，其中冰樣腔B由冰樣腔上蓋、冰樣腔罐體、冰樣腔底蓋和聚四氟乙烯內(nèi)襯組成，冰樣腔上蓋和冰樣腔底蓋通過螺釘與冰樣腔罐體連接，并形成密閉腔體，聚四氟乙烯內(nèi)襯與冰樣腔罐體內(nèi)壁貼合，并可在每次冰樣凍制完成后可隨冰樣一同取出，冰樣腔B上蓋設(shè)計有進氣孔，通過冰樣腔接頭和冰樣腔進氣閥門與氣管相連；泄壓閥和壓力表通過螺紋安裝在冰樣腔上蓋上，泄壓閥可設(shè)定壓力值，當冰樣腔內(nèi)壓力超過泄壓閥設(shè)定值時，泄壓閥開啟，冰樣腔壓力降低至泄壓閥設(shè)定值后，泄壓閥關(guān)閉，壓力表則用于實時監(jiān)測冰樣腔壓力。

冰樣加壓系統(tǒng)包括有加壓腔、高壓氣罐、高壓油泵，其原理為采用液體為氣體加壓，并將加壓后的氣體通入冰樣腔，為冰樣凍制提供不同壓力條件。加壓腔由加壓腔上蓋、加壓腔罐體、加壓腔底蓋組成，加壓腔上蓋和加壓腔底蓋通過螺釘與加壓腔罐體連接，并形成密閉腔體；加壓腔內(nèi)部由活塞劃分為高壓空氣腔和液壓腔兩個腔室，其中液壓腔通過油管接頭、油管、油管閥門與高壓油泵連接。加壓腔上蓋加工有兩個氣孔，一個氣孔通過進氣管接頭、進氣管、進氣閥門與高壓氣罐連接，使高壓氣罐與高壓空氣腔連通，另一個氣孔通過出氣管接頭、出氣閥門、出氣管與冰樣腔連接；活塞兩端安裝有高壓密封圈，保證高壓空氣腔和液壓腔相互隔離。

冰樣注水系統(tǒng)由水罐和水罐閥門組成，水罐用水管連接在氣管靠近冰樣腔一端，閥門在需要注水時打開，當冰樣腔內(nèi)需要加壓時，閥門則必須關(guān)閉，保證水罐不受高壓空氣影響。

本發(fā)明的工作過程：

凍制冰樣時，首先將冰樣腔放入低溫冷柜內(nèi)，氣管通過低溫冷柜側(cè)面小孔引至低溫冷柜外部，并與加壓腔和水罐連接。開通低溫冷柜電源，并將溫度設(shè)定至需要的溫度，在此過程中，冰樣腔始終放置在冷柜內(nèi)。

當?shù)蜏乩涔駵囟群愣ㄔ谛枰臏囟群?，開始對冰樣腔進行壓力調(diào)節(jié)，首先將油管閥門打開，并對高壓油泵泄壓，使加壓腔中活塞回到加壓腔底部最低位，關(guān)閉油管閥門，并開啟進氣閥門，使高壓氣罐中的高壓氣體進入高壓空氣腔，一定時間后關(guān)閉進氣閥門，打開油管閥門，使用高壓油泵對液壓腔加壓，活塞在液體作用下上行，并壓縮高壓空氣腔，對空氣進行加壓，由于此時空氣的壓力與液體壓力相等，因此空氣的壓強可通過高壓油泵上壓力表讀取。當空氣壓力達到一定值后，關(guān)閉油管閥門，并同時開啟出氣閥門和冰樣腔進氣閥門，使高壓空氣進入冰樣腔，加壓腔的高壓空氣腔和冰樣腔壓力平衡后，關(guān)閉出氣閥門和冰樣腔進氣閥門，完成一次充氣。由于空氣壓縮比較大，一次充氣難以達到凍制冰樣所需的壓力值，因此上述過程需重復(fù)進行，直至冰樣腔壓力表顯示達到設(shè)定壓力值。充氣過程中將泄壓閥設(shè)定至所需壓力值，當冰樣腔內(nèi)壓力過高時，泄壓閥自動開啟泄壓，保證壓力恒定在設(shè)定值。

壓力調(diào)節(jié)完成后，開始向冰樣腔中注水凍制冰樣，由于冰樣腔內(nèi)部尺寸恒定，因此可根據(jù)預(yù)凍制樣品的層理厚度計算每次注水量。注水時，首先將℃水注入在水罐中，然后將冰樣腔進氣閥門和出氣閥門關(guān)閉，打開水罐閥門，水將從水罐流入氣管，通過觀察水罐上刻度控制水量達到計算值時關(guān)閉水罐閥門，儀器放置時氣管靠近加壓腔端比靠近冰樣腔端要高，這樣當水流進入氣管后，在自重作用下將流向冰樣腔，此時打開冰樣腔進氣閥門，水流將進入冰樣腔。由于每次加水均采用0℃水，當水進入冰樣腔后，不會造成已凍結(jié)冰的融化，能更好的形成冰樣層理。

在冰樣凍制過程中，由于每次注水均需要開啟冰樣腔進氣閥門，多次操作后冰樣腔空氣壓力將下降，因此需要重復(fù)上述氣體過程，直至壓力達到設(shè)定值。

冰樣凍制完成后，首先將冰樣腔中高壓氣體通過泄壓閥釋放至常壓氣體，然后將冰樣腔上蓋和冰樣腔底蓋拆除，將凍制好的冰樣從冰樣腔中取出。由于冰樣腔中有聚四氟乙烯內(nèi)襯，冰樣不會因直接接觸罐體而與罐體凍結(jié)為一體，因此大大降低了移出冰樣的難度，且聚四氟乙烯內(nèi)襯可重復(fù)利用，降低了成本。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明很好地解決了不同溫壓條件下層理冰樣品制作問題，可實現(xiàn)在溫度、壓力、層理厚度三個參數(shù)的自由組合條件下凍制冰樣，能更為真實的模擬極地冰層賦存條件，為極地冰蓋的實驗室研究提供了技術(shù)支撐，對加快極地研究的發(fā)展具有重要作用。

本發(fā)明僅將冰樣腔置于低溫冷柜內(nèi)，冰樣加壓系統(tǒng)和注水系統(tǒng)均在冷柜外，大大降低了對實驗器材的低溫要求。

本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，操作方便，并且可根據(jù)實驗?zāi)康倪x擇高壓氣罐中氣體類型，如氮氣，空氣，氦氣等，從而凍制包含不同溶解度氣體的冰樣，以滿足多種科學(xué)目的的研究工作。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的不同溫壓條件下層理冰樣品制作裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明之一種不同溫壓條件下層理冰樣品制作方法是：

欲在不同溫壓條件下凍制層理冰樣，需滿足三個參數(shù)可調(diào)節(jié)，分別為溫度、壓力、層理厚度。

其中，溫度采用低溫冷柜控制，將凍制冰樣的容器置于低溫冷柜中，低溫冷柜的溫度可無級調(diào)節(jié)，用于滿足不同溫度凍制冰樣的要求。

冰樣壓力的加載考慮采用氣體加壓，并設(shè)置兩個腔室，一個為加壓腔，為氣體進行加壓，另一個為冰樣腔，當氣體在加壓腔升壓后，通過閥門控制高壓氣體通入冰樣腔內(nèi)，為冰樣凍制提供壓力，其中冰樣腔中安裝有泄壓閥，當冰樣腔壓力超過設(shè)定值時，可自動通過泄壓閥泄壓。根據(jù)實驗?zāi)康牡牟煌€可以選擇高壓氣體類型，如采用氮氣，空氣，氦氣等，從而凍制包含不同溶解度氣體的冰樣，以滿足多種科學(xué)目的的研究工作。

凍制層理冰時，水樣應(yīng)分幾次注入，下一次注水應(yīng)在上一次水樣完全凍結(jié)以后進行，通過控制每次注水量即可獲得不同層理厚度冰樣，注水時每次注入水量相同，保證凍制樣品層理均勻。

請參閱圖1所示，本發(fā)明之一種不同溫壓條件下層理冰樣品制作裝置由低溫冷柜、冰樣凍制容器、冰樣加壓系統(tǒng)、冰樣注水系統(tǒng)組成。

低溫冷柜為市場上購買的低溫設(shè)備，目的是為凍制冰樣提供低溫環(huán)境，冷柜內(nèi)溫度最低可達-60℃，且溫度可在此范圍內(nèi)無級調(diào)節(jié)。

冰樣凍制容器由冰樣腔B、泄壓閥13、壓力表14組成，其中冰樣腔B由冰樣腔上蓋15、冰樣腔罐體16、冰樣腔底蓋18和聚四氟乙烯內(nèi)襯17組成，冰樣腔上蓋15和冰樣腔底蓋18通過螺釘與冰樣腔罐體16連接，并形成密閉腔體，聚四氟乙烯內(nèi)襯17與冰樣腔罐體16內(nèi)壁貼合，并可在每次冰樣凍制完成后可隨冰樣一同取出，冰樣腔B上蓋設(shè)計有進氣孔，通過冰樣腔接頭12和冰樣腔進氣閥門11與氣管8相連；泄壓閥13和壓力表14通過螺紋安裝在冰樣腔上蓋15上，泄壓閥可設(shè)定壓力值，當冰樣腔內(nèi)壓力超過泄壓閥設(shè)定值時，泄壓閥開啟，冰樣腔壓力降低至泄壓閥設(shè)定值后，泄壓閥關(guān)閉，壓力表則用于實時監(jiān)測冰樣腔壓力。

冰樣加壓系統(tǒng)包括有加壓腔A、高壓氣罐1、高壓油泵26，其原理為采用液體為氣體加壓，并將加壓后的氣體通入冰樣腔，為冰樣凍制提供不同壓力條件。加壓腔A由加壓腔上蓋2、加壓腔罐體19、加壓腔底蓋22組成，加壓腔上蓋2和加壓腔底蓋22通過螺釘與加壓腔罐體18連接，并形成密閉腔體；加壓腔A內(nèi)部由活塞21劃分為高壓空氣腔A1和液壓腔A2兩個腔室，其中液壓腔A2通過油管接頭23、油管24、油管閥門25與高壓油泵26連接。加壓腔上蓋2加工有兩個氣孔，一個氣孔通過進氣管接頭4、進氣管3、進氣閥門5與高壓氣罐連接，使高壓氣罐與高壓空氣腔連通，另一個氣孔通過出氣管接頭6、出氣閥門7、出氣管8與冰樣腔B連接；活塞21兩端安裝有高壓密封圈20，保證高壓空氣腔和液壓腔相互隔離。

冰樣注水系統(tǒng)由水罐10和水罐閥門9組成，水罐10用水管連接在氣管8靠近冰樣腔一端，閥門9在需要注水時打開，當冰樣腔B內(nèi)需要加壓時，閥門9則必須關(guān)閉，保證水罐10不受高壓空氣影響。

本發(fā)明的工作過程：

凍制冰樣時，首先將冰樣腔B放入低溫冷柜內(nèi)，氣管8通過低溫冷柜側(cè)面小孔引至低溫冷柜外部，并與加壓腔A和水罐10連接。開通低溫冷柜電源，并將溫度設(shè)定至需要的溫度，在此過程中，冰樣腔B始終放置在冷柜內(nèi)。

當?shù)蜏乩涔駵囟群愣ㄔ谛枰臏囟群螅_始對冰樣腔進行壓力調(diào)節(jié)，首先將油管閥門25打開，并對高壓油泵泄壓，使加壓腔A中活塞21回到加壓腔底部最低位，關(guān)閉油管閥門25，并開啟進氣閥門5，使高壓氣罐1中的高壓氣體進入高壓空氣腔A1，一定時間后關(guān)閉進氣閥門5，打開油管閥門25，使用高壓油泵對液壓腔加壓，活塞21在液體作用下上行，并壓縮高壓空氣腔A1，對空氣進行加壓，由于此時空氣的壓力與液體壓力相等，因此空氣的壓強可通過高壓油泵上壓力表讀取。當空氣壓力達到一定值后，關(guān)閉油管閥門25，并同時開啟出氣閥門7和冰樣腔進氣閥門11，使高壓空氣進入冰樣腔B，加壓腔A的高壓空氣腔A1和冰樣腔B壓力平衡后，關(guān)閉出氣閥門7和冰樣腔進氣閥門11，完成一次充氣。由于空氣壓縮比較大，一次充氣難以達到凍制冰樣所需的壓力值，因此上述過程需重復(fù)進行，直至冰樣腔壓力表14顯示達到設(shè)定壓力值。充氣過程中將泄壓閥13設(shè)定至所需壓力值，當冰樣腔內(nèi)壓力過高時，泄壓閥自動開啟泄壓，保證壓力恒定在設(shè)定值。

壓力調(diào)節(jié)完成后，開始向冰樣腔B中注水凍制冰樣，由于冰樣腔內(nèi)部尺寸恒定，因此可根據(jù)預(yù)凍制樣品的層理厚度計算每次注水量。注水時，首先將0℃水注入在水罐10中，然后將冰樣腔進氣閥門11和出氣閥門7關(guān)閉，打開水罐閥門9，水將從水罐流入氣管8，通過觀察水罐10上刻度控制水量達到計算值時關(guān)閉水罐閥門9，儀器放置時氣管8靠近加壓腔A端比靠近冰樣腔B端要高，這樣當水流進入氣管8后，在自重作用下將流向冰樣腔B，此時打開冰樣腔進氣閥門11，水流將進入冰樣腔。由于每次加水均采用0℃水，當水進入冰樣腔后，不會造成已凍結(jié)冰的融化，能更好的形成冰樣層理。

在冰樣凍制過程中，由于每次注水均需要開啟冰樣腔進氣閥門11，多次操作后冰樣腔空氣壓力將下降，因此需要重復(fù)上述氣體過程，直至壓力達到設(shè)定值。

冰樣凍制完成后，首先將冰樣腔中高壓氣體通過泄壓閥釋放至常壓氣體，然后將冰樣腔上蓋15和冰樣腔底蓋18拆除，將凍制好的冰樣從冰樣腔中取出。由于冰樣腔中有聚四氟乙烯內(nèi)襯17，冰樣不會因直接接觸罐體而與罐體凍結(jié)為一體，因此大大降低了移出冰樣的難度，且聚四氟乙烯內(nèi)襯17可重復(fù)利用，降低了成本。