CN103062075A - 一种用于离心泵piv误差测量及标定的装置和方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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。 

标定盘指表面均匀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0.2mm到0.3mm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1mm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。 

附图说明

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CCD相机，12. 外触发同步装置，13. 计算机. 

具体实施方式

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CCD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0.2mm到0.3mm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1mm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 

。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

： 

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

:

PIV系统误差就是各点的速度绝对误差

。

然后装上蜗壳1，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

，与标定盘2在测量标定盘表面各点的速度

进行对比，得到各点在空气中与工作介质中速度绝对误差

： 

离心泵实验模型误差就是各点的速度绝对误差。

最后将标定盘2卸下，装上叶轮3和蜗壳1，如图3所示。待蜗壳1内充满工作介质后，调整电机6转速为n，用PIV系统测量流场，得到各点速度，将

减去PIV系统误差

和离心泵实验模型误差

，得到PIV速度标定值

： 

完成对PIV实验的标定。

Claims (5)

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(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CCD相机(11)、外触发同步装置(12)和计算机(13)；所述在泵轴(4)上固定标定盘(2)或叶轮(3)，标定盘(2)或叶轮(3)放置在蜗壳(1)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(1)、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(2)或叶轮(3)放置，跨帧CCD相机(11)拍摄平面与泵轴(4)的轴线垂直；激光器(10)放置在蜗壳(1)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(2)直径与叶轮(3)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0.2mm到0.3mm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1mm到2mm。

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。

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