专利名称：一种用于离心泵piv误差测量及标定的装置和方法
技术领域：
本发明涉及流体力学实验领域，特指一种用于离心泵Piv误差测量及标定的方法和装置。
背景技术：
粒子图像测速技术(PIV)是一种非接触式全场流速测量技术。一般情况下PIV是在流体中加入示踪粒子，用激光器的片光照亮流场，在与片光垂直方向用相机拍摄流体运动的粒子图像，再对图像进行处理和分析，最终得到流场片光截面上的二维/三维各点速度的一种测量方法。作为一种全场、非接触、无干扰、高精度的流动测量方法，PIV适用于湍流、非定常流动等复杂流场的测量，在离心泵等复杂旋转流体机械流场测量中得到了广泛的应用。刘应征在《LDV/PIV全场速度测量的误差分析》(2002年)中提出将均匀布置有黑色格点“示踪粒子”的白纸朝一个方向移动距离s，同时启动PIV系统采集图像，利用相关分析的结果得到PIV在理想情况下的系统误差。董明哲在《PIV系统测量误差的实验评价及在柴油机喷雾测量上的应用》(2005年)中提出将砂纸贴在匀速马达转动圆盘上，在已知马达转速时圆盘各点速度可通过计算得出，利用PIV拍摄圆盘上的粒子得到各点速度，从而得到了 PIV的系统误差。邵春雷在《PIV测量用模型泵的设计及测量中的误差分析》(2007年)中分析了 PIV测量离心泵内流场的误差，但并没有给出误差测量的方法。现有的PIV误差测量方法只能测量PIV系统误差，而无法测量其它误差。PIV系统经过了几十年的发展，测量误差较早期已经减小了很多。而离心泵复杂的几何外形，给实验带来了较大的离心泵实验模型误差。本发明提供一种不仅可以测量PIV系统误差，而且可以测量离心泵实验模型误差的方法和装置，利用测得的误差还能对PIV实验进行标定。此外，使用本发明的标定盘还能替代标尺对流场图像进行空间尺度标定。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于离心泵PIV误差测量及标定的装置和方法，它不仅可以测量PIV系统误差，而且可以测量离心泵实验模型误差，利用测得的误差还能对PIV实验进行标定。本发明用标定盘替代叶轮安装在泵轴上，测量PIV系统误差；标定盘置于蜗壳中，测量离心泵实验模型误差；标定盘可沿泵轴方向移动，测量不同截面的误差。标定盘指表面均勻散布半球形浅坑的有机玻璃圆盘。离心泵实验模型误差指蜗壳与工作介质和空气之间的折射误差。本发明的原理是调整标定盘至测量截面位置，并旋紧两端螺母将其固定在泵轴上，在空气中用PIV系统测量标定盘表面各点速度，用已知电机转速标定盘表面各点速度可通过计算得出，由此得到Piv系统误差；装上蜗壳，待蜗壳内充满工作介质后，用PIV系统测量标定盘在工作介质内表面各点速度，与前面测量标定盘表面各点的速度进行对比，得到离心泵实验模型误差；最后卸下标定盘，装上叶轮和蜗壳，用PIV系统测量流场，将所测 得的各点速度减去PIV系统误差和离心泵实验模型误差的统计量，可以实现对PIV实验的 标定。
本发明的装置包括蜗壳、标定盘、叶轮、泵轴、联轴器、电机、转速传感器、转速显示 与同步器、减震底座、激光器、跨帧CCD相机、外触发同步装置和计算机；在泵轴上固定标定 盘或叶轮，标定盘或叶轮放置在蜗壳内；泵轴通过联轴器和电机相连；转速传感器固定在 电机轴端，通过转速显示与同步器与外触发同步装置相连；计算机通过外触发同步装置与 激光器和跨帧CCD相机相连。跨帧CCD相机正对标定盘或叶轮放置，跨帧CCD相机拍摄平 面与泵轴的轴线垂直。激光器放置在蜗壳侧面，激光器的激光口朝向与标定盘表面平行。
上述装置中，标定盘直径与叶轮相同；标定盘中间有螺纹孔，其规格和叶轮中间的 螺纹孔相同，标定盘利用两个六角螺母固定安装在泵轴上；标定盘表面均匀散布直径约为O.2mm到O. 3mm的半球形浅坑。半球形浅坑之间垂直间距和水平间距相同，约为为Imm到 2mm，采用激光加工或冲压加工。
本发明的实施过程如下1.调整标定盘至测量截面位置，并旋紧两端螺母将其固定在泵轴上，将激光器的片光 照射整个标定盘表面上，调整电机转速为n，在空气中测量标定盘表面各点速度；用已知电 机转速标定盘表面各点的真实速度，对比真实速度和测量标定盘表面各点的速度得到PIV 系统误差。
2.装上蜗壳，待蜗壳内充满工作介质后，将激光器的片光照射整个标定盘表面 上，调整电机转速为n，测量标定盘在工作介质内表面各点速度，与测量标定盘表面各点的 速度进行对比，得到离心泵实验模型误差。
3.最后卸下标定盘，装上叶轮和蜗壳，调整电机转速为n，将激光器的片光照射在 叶轮上，将所测得的各点速度减去PIV系统误差和离心泵实验模型误差的统计量，完成对 PIV实验的标定。
使用本发明的方法可以同时测量得到PIV系统误差和离心泵实验模型误差，而一 般的误差测量方法只能得到PIV系统误差。利用PIV系统测得相同电机转速下标定盘在空 气中和实验模型中表面的各点速度，可以得到离心泵实验模型误差；在已知电机转速时标定盘 表面各点的真实速度，与标定盘在空气中的各点速度对比可以得到PIV系统误差。对于标 定盘表面各点速度测量，一般的误差测量方法需要使用圆柱棱镜将激光器的片光扩展为光 柱。使用本发明的方法，通过在标定盘上加工半球形浅坑，不需将激光器的片光扩展为光 柱。标定盘上均匀散布直径很小的半球形浅坑，使用激光器的片光就能完成测量；半球形浅 坑可以保证“粒子”图像在同一片光截面内，减小了由于测量方法和装置带来的误差。
使用本发明方法还可以对不同截面的离心泵实验模型误差进行测量。标定盘可以 沿泵轴方向移动，标定盘利用两个六角螺母固定在泵轴上。通过移动标定盘表面至不同的 测量截面，可以测量不同截面的离心泵实验模型误差。
使用本发明方法还可以利用测量得到的误差对实验进行标定，降低离心泵PIV实 验的不确定度。
另外，由于半球形浅坑之间的半径和间距是已知的，可以方便地使用本发明的标定盘替代标尺对流场图像进行尺寸标定。
图1标定盘直接安装在泵轴上装置示意图。图2标定盘装安放在蜗壳内装置示意图。图3 PIV系统实验装置图。图4标定盘局部剖面图。图5标定盘表面半球形浅坑分布示意图。图6可调节标定盘装置示意图。图中1.蜗壳，2.标定盘，3.叶轮，4.泵轴，5.联轴器，6.电机，7.转速传感器，8.转速显示与同步器，9.减震底座，10.激光器，11.跨帧CXD相机，12.外触发同步装置，13.计算机.
具体实施例方式下面将结合附图详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。本装置包括蜗壳1、标定盘2、叶轮3、泵轴4、联轴器5、电机6、转速传感器7、转速显示与同步器8、减震底座9、激光器10、跨帧CXD相机11、外触发同步装置12和计算机13。如图4所示，标定盘2表面均匀散布直径约为O. 2mm到O. 3mm的半球形浅坑。半球形浅坑之间垂直间距和水平间距相同，约为为Imm到2mm，如图5所示。由于半球形浅坑之间
的半径和间距已知，因此可以方便地使用本发明的标定盘2替代标尺对流场图像进行尺寸标定。尺寸标定就是利用图像中已知实际尺寸的物体或标尺，计算图像中像素与实际尺寸的比例。如图5所示，标定盘2可以沿泵轴4方向移动，标定盘2利用两个六角螺母固定在泵轴4上。通过移动标定盘2表面至不同的测量截面，可以测量不同截面的离心泵实验模
型误差。首先用标定盘2替代叶轮3固定在泵轴4上，将激光器10的片光照射在标定盘2的整个表面上，如图1所示。这里片光是利用光学元件柱面透镜对光的扩展性质，将激光照射在柱面透镜上，透镜对激光在某一个方向上扩展，形成线状细长光条的激光。调整电机6
转速为n，在空气中测量标定盘2表面各点速度巧。在已知电机6转速时可通过下式计算得出标定盘2表面各点速度K
V7=n*R
其中V是标定盘2上点的速度，R是点到标定盘2圆心的距离。通过下式可以计算各点在空气中速度绝对误差A
Piv系统误差就是各点的速度绝对误差。然后装上蜗壳I，待蜗壳内充满工作介质后，将激光器10的片光照射整个标定盘2表面上，如图2所示。调整电机6转速为n，测量标定盘2在工作介质内表面各点速度K， 与标定盘2在测量标定盘表面各点的速度K进行对比，得到各点在空气中与工作介质中速度绝对误差A
权利要求
1.一种用于离心泵PIV误差测量及标定的装置，其特征在于，包括蜗壳(I)、标定盘(2)、叶轮(3)、泵轴(4)、联轴器(5)、电机(6)、转速传感器(7)、转速显示与同步器(8)、减震底座(9)、激光器(10)、跨帧CCD相机(11)、外触发同步装置(12)和计算机(13);所述在泵轴⑷上固定标定盘⑵或叶轮⑶，标定盘⑵或叶轮(3)放置在蜗壳⑴内；泵轴 (4)通过联轴器(5)和电机(6)相连,转速传感器(7)固定在电机(6)轴端；蜗壳(I)、泵轴 (4)、联轴器(5)、电机(6)安放在水平放置的减震底座(9)上；转速传感器(7)通过转速显示与同步器(8)与外触发同步装置(12)相连；计算机(13)通过外触发同步装置(12)与激光器(10)和跨帧CCD相机(11)相连；跨帧CCD相机(11)正对标定盘⑵或叶轮(3)放置， 跨帧C⑶相机(11)拍摄平面与泵轴⑷的轴线垂直；激光器(10)放置在蜗壳⑴侧面，激光器的激光口朝向与标定盘(2)表面平行。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述标定盘⑵直径与叶轮⑶相同；标定盘(2)中间有螺纹孔，其规格和叶轮(3)中间的螺纹孔相同；标定盘(2)利用两个六角螺母固定安装在泵轴(4)上，标定盘(2)沿泵轴轴向移动。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述标定盘(2)表面标定盘表面均匀散布直径为O. 2mm到O. 3mm的半球形浅坑，半球形浅坑之间垂直间距和水平间距相同，为Imm到 2mm ο
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述标定盘(2)的材质为有机玻璃。
5.实施权利要求1所述的用于离心泵PIV误差测量及标定的装置的方法，其特征在于，具体步骤为为A)调整标定盘至测量截面位置，并旋紧两端螺母将其固定在泵轴上，将激光器的片光照射整个标定盘表面上，调整电机转速为n，在空气中测量标定盘表面各点速度；用已知电机转速计算标定盘表面各点的真实速度，对比各点的真实速度和测量标定盘表面各点的速度得到PIV系统误差；B)装上蜗壳，待蜗壳内充满工作介质后，将激光器的片光照射整个标定盘表面上，调整电机转速为n，测量标定盘在工作介质内表面各点速度，与步骤A)得到的测量标定盘表面各点的速度进行对比，得到离心泵实验模型误差；C)最后卸下标定盘，装上叶轮和蜗壳，调整电机转速为n，将激光器的片光照射在叶轮上，将所测得的各点速度减去PIV系统误差和离心泵实验模型误差的统计量，完成对PIV实验的标定。
全文摘要
本发明公开了一种用于离心泵PIV误差测量及标定的装置和方法，用于离心泵PIV内流实验误差测量及标定，涉及流体实验领域。本发明的装置由蜗壳、标定盘、叶轮、泵轴、联轴器、电机、转速传感器、转速显示与同步器、减震底座、激光器、跨帧CCD相机、外触发同步装置和计算机组成。先卸下蜗壳和叶轮，调整标定盘至测量截面位置，并旋紧两端螺母将其固定在泵轴上，在空气中测量PIV系统的误差；然后装上蜗壳，待蜗壳内充满工作介质后，测量实验模型的误差；最后卸下标定盘，将叶轮固定在泵轴上，用PIV系统测量流场，利用测得的两种误差完成标定。本发明方法简单、易于操作、通用性强，为离心泵PIV测量误差分析提供了有效的研究手段。
文档编号F04D15/00GK103062075SQ20121044620
公开日2013年4月24日 申请日期2012年11月9日 优先权日2012年11月9日
发明者刘厚林, 杨洪镔, 王勇, 任芸, 王凯, 谈明高 申请人:江苏大学