CN103149031B - 一种计算机控制的模型水轮机流态观测的同步数字式成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水力机械模型试验领域。本发明利用数字成像设备拍摄帧率可程序控制的特性，根据水力机械转频信息利用计算机程序发出频率和相位可调的同步触发信号控制成像设备及频闪设备同步曝光成像，利用数字传输技术将获取的流态图像信息回传给计算机进行视频合成、实时显示和记录。本发明实现了模型水轮机流态观测成像方法、数据传输与记录方式上做到了由模拟到数字式的升级，在成像质量大幅提高的前提下从本质上彻底解决了以往成像方法上无法实现转频、成像设备与频闪设备三方不同步的致命缺陷，实现了转频、成像与曝光严格意义上的同步，令模型水力机械流态观测方法上有了质的飞跃。

Description

一种计算机控制的模型水轮机流态观测的同步数字式成像方法

技术领域：本发明涉及一种用于混流式模型水轮机、轴流式模型水轮机、模型水泵水轮机等水力机械的流态观测的同步数字式成像方法。

背景技术：随着对水轮机特性研究的深入，人们将注意力逐渐由对水轮机的外特性的研究转移到对水轮机内特性的研究；由于人们认知程度的进步以及水电站对于水轮机安全稳定运行要求的提高，致使水轮机设计人员在关注水轮机效率的同时也增加了对水轮机空化等指标更为关注。机组在空化状态下运行会导致机组的振动增强，效率的降低，对机组重要部件造成侵蚀，导致机组检修周期缩短，运行成本的提高，同时也是机组运行的极大安全隐患。

目前，考核一个优质的水轮机不单单是效率的高低而是通过效率、空化等指标来综合评定，单一的通过水力设计和模型的外特性的试验，已经不能适应当今水电市场的发展。由于水力设计、结构设计以及机械加工精度等多方面因素的综合影响，往往水轮机的空化性能与理论设计的结果有所偏差，因此，通过对水轮机内部重要区域的空化、涡带、脱流等流态的实时成像观测、记录与分析可以及时地发现水轮机叶型设计、结构设计上以及机械加工上存在的问题，及时修改转轮叶型和结构，为优化水轮机转轮，设计出效率更高，空化性能更好的，运行更稳定的优质水轮机提供极大的帮助。

以往的模型水轮机流态观测采用的是以模拟摄像机为核心以磁带为数据记录载体模拟式成像方法，由于在成像原理上模拟摄像机的拍摄帧率是固定无法调节的，在严格意义上讲，无法实现同模型水轮机的转频同步，同时，模拟摄像机的数传输采用模拟信号存在较大干扰，成像质量较差，磁带记录方式难以长期保存的不能满足现代水轮机设计的要求，介于模拟式成像方法及装置的诸多弊端，迫切需要一种能够实现与转频严格同步的、成像质量清晰、数据传输可靠的流态观测方法，从而可以辅助设计人员设计出效率高，空化性能好，长期运行稳定的优质水轮机。

发明内容：本发明要解决的技术问题是在进行模型水轮机空化等试验过程中，提供一种由计算机程序控制的、高清晰度的、成像频率与模型水轮机转轮的转频同步、相位可调的数字式流态观测方法。本发明的技术方案是：一种计算机控制的模型水轮机流态观测的同步数字式成像方法；

1)计算机系统；

2)调节模型水轮机使其达到欲观测的转速下的稳定工作状态；

3)利用计算机数据采集设备采集模型水轮机的转速信号，并计算当前模型水轮机的转频，具体方法如下：

假设当前模型水轮机的测速齿盘为N个齿，齿盘的每个齿转过转速传感器是时，传感器产生一个脉冲信号，数据采集设备中的计数器对脉冲进行频率测量，通过数据采集设备中的内部时钟频率计算出齿盘的转动频率f_n，并换算出当模型水轮机的转速为n时，模型水轮机的转频f为：

$f=\frac{f_n}{N}=\frac{n}{60}$

其中转速n的单位为rpm，即转/分钟，

f、f_n的单位为Hz，

旋转机械的同步对象是指同转速同步，即数字成像设备的图像采集频率同旋转机械的转动频率相同，因此，在进行同步成像前必须获得转速信息；

4)根据计算出的模型水轮机的转频，利用计算机程序生成触发信号，具体方法如下：

当调节模型水轮机至欲观测的转速下运行时，利用模型水轮机的流量及尾水压力的改变，可使模型水轮机转轮叶片出水边背面产生空化、尾水管锥管处产生涡等现象，通过清晰地观测、采集并记录上述现象产生过程，辅以当前工况下的模型试验参数进行分析空化及涡带现象产生的部位，可以指导水轮机模型转轮叶片叶型的优化设计；由于空化及涡带现象并非静止不动，而是随着转轮的转动不断旋转，为了清晰地采集到空化等现象发生的过程的图像信息，图像采集的频率必须与转频相同或相近，从而可以获得所要观测位置的相对静止或缓慢变化的图像，即前述的“同步”；令Q1为转频信号，即为所述的同步数字式成像方法所要同步的信号，Q2为计算机输出的占空比为50％的方波形式的同步触发信号，周期为T，T1、T2为时间量，且T＝2×(T1+T2)，T1为Q1与Q2两信号上升沿的时间差，即Q2与Q1的相差，则T2＝T/2-T1，理论上，在Q1与Q2完全相同时，成像设备所采集到的图像是完全静止的，观测时为了得到缓慢变化的图像或模型水轮机转轮不同叶片位置的图像，可通过调节Q2信号的频率和起始相位，即T1和T2的值来实现，初始时令T1＝0，T2等于某个非零的值，此时Q2的频率f₂＝1/T＝1/(2×(T1+T2))，由于初始时令T1＝0，则仅通过改变T2的值即可改变Q2的频率f₂，即此时f₂＝1/T＝1/(2×(T1+T2))＝1/(2×T2),当调节Q2频率至同Q1相近时即可获即可得缓慢变化的图像，当Q2频率调节至同Q1相同时，通过改变T1的值来改变Q2与Q1信号的相差，即可获得模型水轮机转轮不同叶片位置的图像，为了不改变已经调节好的Q2的频率，在调节T1的同时T2的值也应发生相应的改变，即T1和T2变化的同时要保证Q2的周期T＝2×(T1+T2)不改变；

5)计算机通过触发信号控制成像设备以及频闪补光设备进行图像采集，具体方法如下：

计算机产生上述频率与相位的触发信号，通过触发信号控制成像设备进行图像采集，成像设备包括具有GigEVision接口协议、USB接口或IEEE1394接口协议的具有数据输出和同步触发输出功能的数字式相机或数字摄像机，频闪补光设备包括连续曝光频率可调的具有外部触发功能的闪光灯或闪频仪；成像设备接收到来自计算机的同步触发信号，并按照触发信号的频率进行图像拍摄，同时将触发信号发送给频闪补光设备并控制频闪补光设备同成像设备进行同步曝光；

6)成像设备通过数据输出接口采用数字传输的方式将采集到的数据以图片的形式按照拍摄时间先后顺序实时传送给计算机，计算机以成像设备拍摄到的每一幅图片为一帧，按照时间先后顺序合成为通用格式的视频流媒体文件实时显示在计算机图像输出设备上，当观测到空化或涡带现象出现时，则计算机将合成的视频流媒体文件记录在磁盘存储器中；在转速不变的情况下，通过改变模型水轮机的流量及尾水压力来模拟水轮机转轮叶片出水边、尾水管锥管处的流态，利用成像设备采集到的图片信息以及计算机将图片按帧合成的视频流媒体文件可以获得模型水轮机转轮叶片出水边背面空化、尾水管锥管涡带等现象形成的过程，出现的位置及形态，从而达到指导模型水轮机转轮设计叶片叶型的设计，优化水轮机模型转轮的目的。

本发明无论模型水轮机需要观测的重要区域中流态是否出现空化、涡带或脱流等现象，只要获知当前工况下模型水轮机的转频信息，均可通过计算机程序发出的同步触发信号控制成像设备及频闪设备与转频进行同步图像采集，同时通过数字传输的方式将采集到的信息传送回计算机进行视频合成，得到与模型水轮机实时的、严格同步的、高清晰度的动、静流态图像信息。

图1为同步触发信号的时序波形示意图，为实现频率和相位可调节的同步触发信号Q2，要根据转频信号Q1确定触发信号Q2的周期T和相位差，其中T＝2×(T1+T2)，当周期T和初始相位θ确定后，触发信号Q2也就确定了：初始时令T1＝0，T2等于某个非零的值，此时Q2的频率f₂＝1/(2×T2)，通过改变T2的值来改变Q2的频率f₂，当Q2频率调节至同Q1相同时，通过改变T1的值来改变Q2与Q1信号的相差，为了不改变已经调节好的Q2的频率，在调节T1的同时T2的值也应发生相应的改变，即T1和T2变化的同时要保证Q2的周期T＝2×(T1+T2)不改变；当T1＝0时，Q1和Q2是周期和相位完全一样的信号；当T2＝0时，相位差为180°，即Q1和Q2互为反相，从上述分析可知，Q1和Q2的最大相位差为180°，为实现触发控制信号Q2在周期内全相位可调，即相位的调节范围为[0°,360°]，而对Q2信号取一次反相就相当于Q2与Q1的相位差在原来的基础上加180°，因此，这一问题可以通过对Q2信号取一次反相的方法来解决，当相位差为180°时，可以令T1＝0，再对Q2取一次反相。

图2为典型的实现本发明的计算机控制的模型水轮机流态观测的同步数字式成像系统原理框图，它通过计算机(1)及转速测量设备(7)获取模型水轮机转频信息，通过计算机程序生成频率和相位可调的同步触发控制信号(5)，控制安装在模型水轮机待观测的重要区域(4)的数字式成像设备(2)以及闪频仪(3)进行同步成像，并将拍摄的帧图像信息以数字传输方式通过以太网、通用串行总线(USB)或IEEE1394等数字传输接口(6)实时传送回计算机进行视频流媒体文件的合成、显示、记录与分析。

本发明利用数字成像设备拍摄帧率可程控的特点，在首次提出了采用计算机发出与转频同步的触发信号控制成像设备与频闪补光设备与模型水轮机转频同步曝光成像来观测模型水轮机内部关键区域的流态的同步数字成像方法。本发明在水轮机模型试验及水轮机设计研究领域首次采用同步技术，通过计算机采集到模型水轮机运行时的转动频率信息，并根据转动频率的大小利用计算机程序发出频率与相位可调的同步触发信号，触发成像设备和频闪设备同时曝光成像，成像频率与相位根据想要模型水轮机内部关键区域的流态调整来实现成像速度与转频严格同步的成像方法。该方法的提出对于水轮机的水力设计，水轮机性能优化具有非凡的指导意义。

附图说明

图1为计算机发出的同步触发信号时序波形示意图

图2为典型的实现本发明的同步数字成像系统原理框图

具体实施方式：

一种计算机控制的模型水轮机流态观测的同步数字式成像方法，按图2所表示的原理：

1)启动计算机系统；

2)调节模型水轮机使其达到某一固定转速下的稳定工作状态；

3)利用计算机数据采集设备及转速测量设备7采集模型水轮机转轮的转速信号，并计算当前模型水轮机转轮的转频，具体方法如下：

假设当前模型水轮机的测速齿盘为N个齿，齿盘的每个齿转过转速传感器是时，传感器产生一个脉冲信号，数据采集设备中的计数器对脉冲进行频率测量，通过数据采集设备中的内部时钟频率计算出齿盘的转动频率f_n，并换算出当模型水轮机转速为n时，模型水轮机的转频f为：

$f=\frac{f_n}{N}=\frac{n}{60}$

其中转速n的单位为rpm，即转/分钟，

f、f_n的单位为Hz，

由于旋转机械的同步时指同转速同步，即数字成像设备的采集频率同旋转机械的转动频率相同，因此，在进行同步成像前必须获得转速信息；

4)根据计算出的模型转轮的转频，利用计算机生成同步触发控制信号5，具体方法如下：

当调节模型水轮机至欲观测的定转速下运行时，利用模型水轮机的流量及尾水压力的改变，可使模型水轮机转轮叶片出水边背面产生空化、尾水管锥管处产生涡带现象，通过清晰地观测、采集并记录上述现象产生过程，辅以当前工况下的模型试验参数进行分析空化及涡带现象产生的部位，可以指导水轮机模型转轮叶片叶型的优化设计；由于空化及涡带并非静止不动，而是随着转轮的转动不断旋转，为了清晰地采集到空化等现象发生的过程的图像信息，图像采集的频率必须与转频相同或相近，从而可以获得所要观测位置的相对静止或缓慢变化的图像，即前述的“同步”；令Q1为转频信号，即为所述的同步数字式成像方法所要同步的信号，Q2为计算机输出的占空比为50％的方波形式的同步触发信号，周期为T，T1、T2为时间量，且T＝2×(T1+T2)，T1为Q1与Q2两信号上升沿的时间差，即Q2与Q1的相差，则T2＝T/2-T1，理论上，在Q1与Q2完全相同时，成像设备所采集到的图像是完全静止的，观测时为了得到缓慢变化的图像或模型水轮机转轮不同叶片位置的图像，可通过调节Q2信号的频率和起始相位，即T1和T2的值来实现，初始时令T1＝0，T2等于某个非零的值，此时Q2的频率f₂＝1/T＝1/(2×(T1+T2))，由于初始时令T1＝0，则仅通过改变T2的值来改变Q2的频率f₂，即此时f₂＝1/T＝1/(2×(T1+T2))＝1/(2×T2),当调节Q2频率至同Q1相近时刻即可获得缓慢变化的图像，当Q2频率调节至同Q1相同时，通过改变T1的值来改变Q2与Q1信号的相差即可获得模型水轮机转轮不同叶片位置的图像，为了不改变已经调节好的Q2的频率，在调节T1的同时T2的值也应发生相应的改变，即T1和T2变化的同时要保证Q2的周期T＝2×(T1+T2)不改变；

5)按照图2所示，计算机1通过同步触发控制信号5控制数字式成像设备2及频闪补光设备2进行图像采集，具体方法如下：

计算机产生上述频率与相位的触发信号，通过触发信号控制成像设备进行图像采集，成像设备包括具有GigEVision接口协议、USB接口或IEEE1394接口协议的具有数据输出和同步触发输出功能的数字式相机或数字式摄像机，频闪补光设备包括连续曝光频率可调的具有外部触发功能的闪光灯或闪频仪；成像设备接收到来自计算机的同步触发信号，并按照触发信号的频率进行图像拍摄，同时将触发信号发送给频闪补光设备并控制频闪补光设备同成像设备进行同步曝光；

6)数字式成像设备2通过数据输出接口6将采集到的数据以图片的形式按照拍摄时间先后顺序实时传传送给计算机，计算机以成像设备拍摄到的每一幅图片为一帧，按照时间先后顺序合成为通用格式的视频流媒体文件实时显示在图像输出设备上，当观测到空化或涡带现象出现时，则计算机将合成的视频流媒体文件记录在磁盘存储器中，在转速不变的情况下，通过改变模型水轮机的流量及尾水压力来模型水轮机转轮叶片出水边、尾水管锥管处的流态，利用成像设备采集到的图片信息以及计算机将图片按帧合成的视频流媒体文件可以获得模型水轮机转轮叶片出水边背面空化、尾水管锥管涡带等现象形成的过程，出现的位置及形态，从而达到指导模型水轮机转轮设计叶片叶型的设计，优化水轮机模型转轮的目的。

Claims (1)

1.一种计算机控制的模型水轮机流态观测的同步数字式成像方法，其特征是：

1)启动计算机系统；

2)调节模型水轮机使其达到欲观测的固定转速下的稳定工作状态；

3)利用计算机数据采集设备采集模型水轮机的转速信号，并计算当前模型水轮机的转频，具体方法如下：

假设当前模型水轮机的测速齿盘为N个齿，齿盘的每个齿转过转速传感器时，传感器产生一个脉冲信号，数据采集设备中的计数器对脉冲进行频率测量，通过数据采集设备中的内部时钟频率计算出齿盘的转动频率f_n，并换算出当模型水轮机的转速为n时，模型水轮机的转频f为：

$f=\frac{f_n}{N}=\frac{n}{60}$

其中转速n的单位为rpm，即转/分钟，

f、f_n的单位为Hz，

旋转机械的同步对象是指同转速同步，即数字成像设备的图像采集频率同旋转机械的转动频率相同，因此，在进行同步成像前必须获得转速信息；

4)根据计算出的模型水轮机的转频，利用计算机程序生成触发信号，具体方法如下：

当调节模型水轮机至欲观测的转速下运行时，利用模型水轮机的流量及尾水压力的改变，可使模型水轮机转轮叶片出水边背面产生空化、尾水管锥管处产生涡带现象，通过清晰地观测、采集并记录上述现象产生过程，辅以当前工况下的模型试验参数进行分析空化及涡带现象产生的部位，可以指导水轮机模型转轮叶片叶型的优化设计；由于空化及涡带现象并非静止不动，而是随着转轮的转动不断旋转，为了清晰地采集到空化及涡带现象发生过程的图像信息，图像采集的频率必须与转频相同或相近，从而可以获得所要观测位置的相对静止或缓慢变化的图像，即前述的“同步”；令Q1为转频信号，即为所述的同步数字式成像方法所要同步的信号，Q2为计算机输出的占空比为50％的方波形式的同步触发信号，周期为T，T1、T2为时间量，且T＝2×(T1+T2)，T1为Q1与Q2两信号上升沿的时间差，即Q2与Q1的相差，则T2＝T/2-T1，理论上，在Q1与Q2完全相同时，成像设备所采集到的图像是完全静止的，观测时为了得到缓慢变化的图像或模型水轮机转轮不同叶片位置的图像，可通过调节Q2信号的频率和起始相位，即T1和T2的值来实现，初始时令T1＝0，T2等于某个非零的值，此时Q2的频率f₂＝1/T＝1/(2×(T1+T2))，由于初始时令T1＝0，则仅通过改变T2的值即可改变Q2的频率f₂，即此时f₂＝1/T＝1/(2×(T1+T2))＝1/(2×T2),当调节Q2频率至同Q1相近时即可获得缓慢变化的图像，当Q2频率调节至同Q1相同时，通过改变T1的值来改变Q2与Q1信号的相差即可获得模型水轮机转轮不同叶片位置的图像，为了不改变已经调节好的Q2的频率，在调节T1的同时T2的值也应发生相应的改变，即T1和T2变化的同时要保证Q2的周期T＝2×(T1+T2)不改变；

5)计算机通过触发信号控制成像设备以及频闪补光设备进行图像采集，具体方法如下：

计算机产生上述频率与相位的触发信号，通过触发信号控制成像设备进行图像采集，成像设备包括具有GigEVision接口协议、USB接口或IEEE1394接口协议的具有数据输出和同步触发输出功能的数字式相机或数字摄像机，频闪补光设备包括连续曝光频率可调的具有外部触发功能的闪光灯或闪频仪；成像设备接收到来自计算机的同步触发信号，并按照触发信号的频率进行图像拍摄，同时将触发信号发送给频闪补光设备并控制频闪补光设备同成像设备进行同步曝光；

6)成像设备通过数据输出接口采用数字传输的方式将采集到的数据以图片的形式按照拍摄时间先后顺序实时传送给计算机，计算机以成像设备拍摄到的每一幅图片为一帧，按照时间先后顺序合成为通用格式的视频流媒体文件实时显示在计算机图像输出设备上，当观测到空化或涡带现象出现时，则计算机将合成的视频流媒体文件记录在磁盘存储器中；在转速不变的情况下，通过改变模型水轮机的流量及尾水压力来模拟水轮机转轮叶片出水边、尾水管锥管处的流态，利用成像设备采集到的图片信息以及计算机将图片按帧合成的视频流媒体文件可以获得模型水轮机转轮叶片出水边背面空化、尾水管锥管涡带现象形成的过程，出现的位置及形态，从而达到指导模型水轮机转轮设计叶片叶型的设计，优化水轮机模型转轮的目的。