專利名稱：一種用于離心泵piv誤差測量及標定的裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及流體力學實驗領域，特指一種用于離心泵Piv誤差測量及標定的方法和裝置。
背景技術：
粒子圖像測速技術(PIV)是一種非接觸式全場流速測量技術。一般情況下PIV是在流體中加入示蹤粒子，用激光器的片光照亮流場，在與片光垂直方向用相機拍攝流體運動的粒子圖像，再對圖像進行處理和分析，最終得到流場片光截面上的二維/三維各點速度的一種測量方法。作為一種全場、非接觸、無干擾、高精度的流動測量方法，PIV適用于湍流、非定常流動等復雜流場的測量，在離心泵等復雜旋轉流體機械流場測量中得到了廣泛的應用。劉應征在《LDV/PIV全場速度測量的誤差分析》(2002年)中提出將均勻布置有黑色格點“示蹤粒子”的白紙朝一個方向移動距離s，同時啟動PIV系統(tǒng)采集圖像，利用相關分析的結果得到PIV在理想情況下的系統(tǒng)誤差。董明哲在《PIV系統(tǒng)測量誤差的實驗評價及在柴油機噴霧測量上的應用》(2005年)中提出將砂紙貼在勻速馬達轉動圓盤上，在已知馬達轉速時圓盤各點速度可通過計算得出，利用PIV拍攝圓盤上的粒子得到各點速度，從而得到了 PIV的系統(tǒng)誤差。邵春雷在《PIV測量用模型泵的設計及測量中的誤差分析》(2007年)中分析了 PIV測量離心泵內流場的誤差，但并沒有給出誤差測量的方法。現(xiàn)有的PIV誤差測量方法只能測量PIV系統(tǒng)誤差，而無法測量其它誤差。PIV系統(tǒng)經過了幾十年的發(fā)展，測量誤差較早期已經減小了很多。而離心泵復雜的幾何外形，給實驗帶來了較大的離心泵實驗模型誤差。本發(fā)明提供一種不僅可以測量PIV系統(tǒng)誤差，而且可以測量離心泵實驗模型誤差的方法和裝置，利用測得的誤差還能對PIV實驗進行標定。此外，使用本發(fā)明的標定盤還能替代標尺對流場圖像進行空間尺度標定。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種用于離心泵PIV誤差測量及標定的裝置和方法，它不僅可以測量PIV系統(tǒng)誤差，而且可以測量離心泵實驗模型誤差，利用測得的誤差還能對PIV實驗進行標定。本發(fā)明用標定盤替代葉輪安裝在泵軸上，測量PIV系統(tǒng)誤差；標定盤置于蝸殼中，測量離心泵實驗模型誤差；標定盤可沿泵軸方向移動，測量不同截面的誤差。標定盤指表面均勻散布半球形淺坑的有機玻璃圓盤。離心泵實驗模型誤差指蝸殼與工作介質和空氣之間的折射誤差。本發(fā)明的原理是調整標定盤至測量截面位置，并旋緊兩端螺母將其固定在泵軸上，在空氣中用PIV系統(tǒng)測量標定盤表面各點速度，用已知電機轉速標定盤表面各點速度可通過計算得出，由此得到Piv系統(tǒng)誤差；裝上蝸殼，待蝸殼內充滿工作介質后，用PIV系統(tǒng)測量標定盤在工作介質內表面各點速度，與前面測量標定盤表面各點的速度進行對比，得到離心泵實驗模型誤差；最后卸下標定盤，裝上葉輪和蝸殼，用PIV系統(tǒng)測量流場，將所測 得的各點速度減去PIV系統(tǒng)誤差和離心泵實驗模型誤差的統(tǒng)計量，可以實現(xiàn)對PIV實驗的 標定。
本發(fā)明的裝置包括蝸殼、標定盤、葉輪、泵軸、聯(lián)軸器、電機、轉速傳感器、轉速顯示 與同步器、減震底座、激光器、跨幀CCD相機、外觸發(fā)同步裝置和計算機；在泵軸上固定標定 盤或葉輪，標定盤或葉輪放置在蝸殼內；泵軸通過聯(lián)軸器和電機相連；轉速傳感器固定在 電機軸端，通過轉速顯示與同步器與外觸發(fā)同步裝置相連；計算機通過外觸發(fā)同步裝置與 激光器和跨幀CCD相機相連?？鐜珻CD相機正對標定盤或葉輪放置，跨幀CCD相機拍攝平 面與泵軸的軸線垂直。激光器放置在蝸殼側面，激光器的激光口朝向與標定盤表面平行。
上述裝置中，標定盤直徑與葉輪相同；標定盤中間有螺紋孔，其規(guī)格和葉輪中間的 螺紋孔相同，標定盤利用兩個六角螺母固定安裝在泵軸上；標定盤表面均勻散布直徑約為O.2mm到O. 3mm的半球形淺坑。半球形淺坑之間垂直間距和水平間距相同，約為為Imm到 2mm，采用激光加工或沖壓加工。
本發(fā)明的實施過程如下1.調整標定盤至測量截面位置，并旋緊兩端螺母將其固定在泵軸上，將激光器的片光 照射整個標定盤表面上，調整電機轉速為n，在空氣中測量標定盤表面各點速度；用已知電 機轉速標定盤表面各點的真實速度，對比真實速度和測量標定盤表面各點的速度得到PIV 系統(tǒng)誤差。
2.裝上蝸殼，待蝸殼內充滿工作介質后，將激光器的片光照射整個標定盤表面 上，調整電機轉速為n，測量標定盤在工作介質內表面各點速度，與測量標定盤表面各點的 速度進行對比，得到離心泵實驗模型誤差。
3.最后卸下標定盤，裝上葉輪和蝸殼，調整電機轉速為n，將激光器的片光照射在 葉輪上，將所測得的各點速度減去PIV系統(tǒng)誤差和離心泵實驗模型誤差的統(tǒng)計量，完成對 PIV實驗的標定。
使用本發(fā)明的方法可以同時測量得到PIV系統(tǒng)誤差和離心泵實驗模型誤差，而一 般的誤差測量方法只能得到PIV系統(tǒng)誤差。利用PIV系統(tǒng)測得相同電機轉速下標定盤在空 氣中和實驗模型中表面的各點速度，可以得到離心泵實驗模型誤差；在已知電機轉速時標定盤 表面各點的真實速度，與標定盤在空氣中的各點速度對比可以得到PIV系統(tǒng)誤差。對于標 定盤表面各點速度測量，一般的誤差測量方法需要使用圓柱棱鏡將激光器的片光擴展為光 柱。使用本發(fā)明的方法，通過在標定盤上加工半球形淺坑，不需將激光器的片光擴展為光 柱。標定盤上均勻散布直徑很小的半球形淺坑，使用激光器的片光就能完成測量；半球形淺 坑可以保證“粒子”圖像在同一片光截面內，減小了由于測量方法和裝置帶來的誤差。
使用本發(fā)明方法還可以對不同截面的離心泵實驗模型誤差進行測量。標定盤可以 沿泵軸方向移動，標定盤利用兩個六角螺母固定在泵軸上。通過移動標定盤表面至不同的 測量截面，可以測量不同截面的離心泵實驗模型誤差。
使用本發(fā)明方法還可以利用測量得到的誤差對實驗進行標定，降低離心泵PIV實 驗的不確定度。
另外，由于半球形淺坑之間的半徑和間距是已知的，可以方便地使用本發(fā)明的標定盤替代標尺對流場圖像進行尺寸標定。


圖1標定盤直接安裝在泵軸上裝置示意圖。圖2標定盤裝安放在蝸殼內裝置示意圖。圖3 PIV系統(tǒng)實驗裝置圖。圖4標定盤局部剖面圖。圖5標定盤表面半球形淺坑分布示意圖。圖6可調節(jié)標定盤裝置示意圖。圖中1.蝸殼，2.標定盤，3.葉輪，4.泵軸，5.聯(lián)軸器，6.電機，7.轉速傳感器，8.轉速顯示與同步器，9.減震底座，10.激光器，11.跨幀CXD相機，12.外觸發(fā)同步裝置，13.計算機.
具體實施例方式下面將結合附圖詳細說明本發(fā)明提出的具體裝置的細節(jié)和工作情況。本裝置包括蝸殼1、標定盤2、葉輪3、泵軸4、聯(lián)軸器5、電機6、轉速傳感器7、轉速顯示與同步器8、減震底座9、激光器10、跨幀CXD相機11、外觸發(fā)同步裝置12和計算機13。如圖4所示，標定盤2表面均勻散布直徑約為O. 2mm到O. 3mm的半球形淺坑。半球形淺坑之間垂直間距和水平間距相同，約為為Imm到2mm，如圖5所示。由于半球形淺坑之間
的半徑和間距已知，因此可以方便地使用本發(fā)明的標定盤2替代標尺對流場圖像進行尺寸標定。尺寸標定就是利用圖像中已知實際尺寸的物體或標尺，計算圖像中像素與實際尺寸的比例。如圖5所示，標定盤2可以沿泵軸4方向移動，標定盤2利用兩個六角螺母固定在泵軸4上。通過移動標定盤2表面至不同的測量截面，可以測量不同截面的離心泵實驗模
型誤差。首先用標定盤2替代葉輪3固定在泵軸4上，將激光器10的片光照射在標定盤2的整個表面上，如圖1所示。這里片光是利用光學元件柱面透鏡對光的擴展性質，將激光照射在柱面透鏡上，透鏡對激光在某一個方向上擴展，形成線狀細長光條的激光。調整電機6
轉速為n，在空氣中測量標定盤2表面各點速度巧。在已知電機6轉速時可通過下式計算得出標定盤2表面各點速度K
V7=n*R
其中V是標定盤2上點的速度，R是點到標定盤2圓心的距離。通過下式可以計算各點在空氣中速度絕對誤差A
Piv系統(tǒng)誤差就是各點的速度絕對誤差。然后裝上蝸殼I，待蝸殼內充滿工作介質后，將激光器10的片光照射整個標定盤2表面上，如圖2所示。調整電機6轉速為n，測量標定盤2在工作介質內表面各點速度K， 與標定盤2在測量標定盤表面各點的速度K進行對比，得到各點在空氣中與工作介質中速度絕對誤差A
權利要求
1.一種用于離心泵PIV誤差測量及標定的裝置，其特征在于，包括蝸殼(I)、標定盤(2)、葉輪(3)、泵軸(4)、聯(lián)軸器(5)、電機(6)、轉速傳感器(7)、轉速顯示與同步器(8)、減震底座(9)、激光器(10)、跨幀CCD相機(11)、外觸發(fā)同步裝置(12)和計算機(13);所述在泵軸⑷上固定標定盤⑵或葉輪⑶，標定盤⑵或葉輪(3)放置在蝸殼⑴內；泵軸 (4)通過聯(lián)軸器(5)和電機(6)相連,轉速傳感器(7)固定在電機(6)軸端；蝸殼(I)、泵軸 (4)、聯(lián)軸器(5)、電機(6)安放在水平放置的減震底座(9)上；轉速傳感器(7)通過轉速顯示與同步器(8)與外觸發(fā)同步裝置(12)相連；計算機(13)通過外觸發(fā)同步裝置(12)與激光器(10)和跨幀CCD相機(11)相連；跨幀CCD相機(11)正對標定盤⑵或葉輪(3)放置， 跨幀C⑶相機(11)拍攝平面與泵軸⑷的軸線垂直；激光器(10)放置在蝸殼⑴側面，激光器的激光口朝向與標定盤(2)表面平行。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述標定盤⑵直徑與葉輪⑶相同；標定盤(2)中間有螺紋孔，其規(guī)格和葉輪(3)中間的螺紋孔相同；標定盤(2)利用兩個六角螺母固定安裝在泵軸(4)上，標定盤(2)沿泵軸軸向移動。
3.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述標定盤(2)表面標定盤表面均勻散布直徑為O. 2mm到O. 3mm的半球形淺坑，半球形淺坑之間垂直間距和水平間距相同，為Imm到 2mm ο
4.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述標定盤(2)的材質為有機玻璃。
5.實施權利要求1所述的用于離心泵PIV誤差測量及標定的裝置的方法，其特征在于，具體步驟為為A)調整標定盤至測量截面位置，并旋緊兩端螺母將其固定在泵軸上，將激光器的片光照射整個標定盤表面上，調整電機轉速為n，在空氣中測量標定盤表面各點速度；用已知電機轉速計算標定盤表面各點的真實速度，對比各點的真實速度和測量標定盤表面各點的速度得到PIV系統(tǒng)誤差；B)裝上蝸殼，待蝸殼內充滿工作介質后，將激光器的片光照射整個標定盤表面上，調整電機轉速為n，測量標定盤在工作介質內表面各點速度，與步驟A)得到的測量標定盤表面各點的速度進行對比，得到離心泵實驗模型誤差；C)最后卸下標定盤，裝上葉輪和蝸殼，調整電機轉速為n，將激光器的片光照射在葉輪上，將所測得的各點速度減去PIV系統(tǒng)誤差和離心泵實驗模型誤差的統(tǒng)計量，完成對PIV實驗的標定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于離心泵PIV誤差測量及標定的裝置和方法，用于離心泵PIV內流實驗誤差測量及標定，涉及流體實驗領域。本發(fā)明的裝置由蝸殼、標定盤、葉輪、泵軸、聯(lián)軸器、電機、轉速傳感器、轉速顯示與同步器、減震底座、激光器、跨幀CCD相機、外觸發(fā)同步裝置和計算機組成。先卸下蝸殼和葉輪，調整標定盤至測量截面位置，并旋緊兩端螺母將其固定在泵軸上，在空氣中測量PIV系統(tǒng)的誤差；然后裝上蝸殼，待蝸殼內充滿工作介質后，測量實驗模型的誤差；最后卸下標定盤，將葉輪固定在泵軸上，用PIV系統(tǒng)測量流場，利用測得的兩種誤差完成標定。本發(fā)明方法簡單、易于操作、通用性強，為離心泵PIV測量誤差分析提供了有效的研究手段。
文檔編號F04D15/00GK103062075SQ20121044620
公開日2013年4月24日 申請日期2012年11月9日 優(yōu)先權日2012年11月9日
發(fā)明者劉厚林, 楊洪鑌, 王勇, 任蕓, 王凱, 談明高 申請人:江蘇大學