CN103344177A

CN103344177A - 定位离心泵piv叶轮旋转中心方法和装置

Info

Publication number: CN103344177A
Application number: CN2013102258831A
Authority: CN
Inventors: 刘厚林; 杨洪镔; 王勇; 任芸; 王凯; 谈明高
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2013-08-01
Filing date: 2013-08-01
Publication date: 2013-10-09

Abstract

本发明公开一种用于离心泵PIV叶轮旋转中心定位的方法和装置。主要用于离心泵PIV内流测试中叶轮或叶轮旋转中心的精确定位，涉及流体实验领域。本发明的装置包括蜗壳、叶轮、泵轴、跨帧CCD相机、激光器、外触发同步装置、计算机。泵轴端面有旋转定位图案。本发明用对跨帧CCD相机拍摄的旋转定位图案进行处理，可以精确确定叶轮旋转中心的位置；通过跨帧时间设置，可以实现对不同旋转角速度下叶轮旋转中心的定位；利用叶轮旋转中心的精确位置，还可以精确得到叶轮的旋转角速度，实现对PIV测试中叶轮内相对速度的精确重构。

Description

定位离心泵PIV叶轮旋转中心方法和装置

技术领域

本发明涉及流体力学领域，具体涉及定位离心泵PIV叶轮旋转中心的方法和装置领域。

背景技术

粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry，简称PIV)是一种间接测量流场速度的测量技术。PIV测试中，用激光器发出的激光照亮流场中的示踪粒子，用CCD相机拍摄示踪粒子图像，通过测量示踪粒子在图像中的位移来间接测量示踪粒子速度，从而统计得到示踪粒子附近流场速度。在离心泵PIV测试中，利用PIV技术只能测量得到叶轮内的绝对速度

叶轮内相对速度

需要利用下式计算得到：

{\overset{&RightArrow;}{V}}_{rel} = {\overset{&RightArrow;}{V}}_{abs} - {\overset{&RightArrow;}{V}}_{u}

其中

是叶轮牵连速度。

可由下式计算得到：

{\overset{&RightArrow;}{V}}_{u} = \overset{&RightArrow;}{Ω} \times \overset{&RightArrow;}{R}

其中

是叶轮旋转角速度，

是旋转半径，即叶轮旋转中心O到叶轮流场某一点的距离。当叶轮旋转中心O位置确定，旋转半径

也就确定了。为了获得准确的相对速度

需要准确得到绝对速度

旋转角速度

和叶轮旋转中心O。绝对速度

可以通过PIV技术精确测量得到，旋转角速度

也可以利用旋转角速度测量或角速度测量方法精确得到。对于叶轮旋转中心O，现有技术还没有一种有效的测量方法来精确定位，而是局限于肉眼观察等经验方法来粗略定位，这样得到的相对速度

测量有较大的误差。因此，为了提高相对速度

测量的精度和可信度，需要一种更为规范和准确的叶轮旋转中心定位方法。

发明内容

本发明的目的：解决精确定位定叶轮旋转中心位置，准确重构叶轮内相对速度问题。

技术方案：本发明用相机拍摄泵轴端面的旋转定位图案，通过标定两帧图像中的旋转定位图案，可以精确确定叶轮旋转中心位置。利用叶轮旋转中心可以间接测量叶轮旋转角速度，进而得到准确的叶轮流场相对速度。

本发明的原理是：将叶轮固定在泵轴上，装上蜗壳，让蜗壳和叶轮内充满工作介质；调节激光器和跨帧CCD相机，使泵轴端面的旋转定位图案成像清晰；调整相机跨帧时间，使得在跨帧时间内泵轴旋转的角度在60°到120°之间；利用跨帧CCD相机拍摄旋转定位图案的两帧图像；通过标定两帧图像中的旋转定位图案，可以精确确定叶轮旋转中心位置；利用叶轮旋转中心位置和两帧图像中对应点，可以计算得到叶轮旋旋转角速度度；由叶轮旋旋转角速度度和叶轮旋转中心可以从叶轮流场绝对速度准确重构得到叶轮流场相对速度。

本发明的装置包括蜗壳、叶轮、泵轴、跨帧CCD相机、激光器、外触发同步装置、计算机；泵轴端面有旋转定位图案，用以精确确定叶轮旋转中心位置；叶轮安装在蜗壳内，通过螺纹连接固定在泵轴上；蜗壳、叶轮内充满工作介质，激光器和跨帧CCD相机通过外触发同步装置和计算机相连，计算机通过软件控制激光器和跨帧CCD相机工作。

上述装置中，叶轮后盖板附近和泵轴前端有一段约1cm到2cm的无螺纹部分，这部分叶轮和泵轴通过光滑圆柱面啮合。旋转定位图案包括以泵轴几何中心为圆心的二到四个同心圆，以及相交于泵轴几何的3到5条放射状直线。同心圆直径约为泵轴直径d的1/3到3/4，各同心圆间直径差为常数。放射状直线间夹角相等，从泵轴几何中心延伸到泵轴外径处。同心圆和放射状直线的线宽约为0.1mm到0.2mm，采用激光加工。

定位离心泵PIV叶轮旋转中心方法如下：

1.将叶轮固定在泵轴上，装上蜗壳，让蜗壳和叶轮内充满工作介质。调节激光器发出的片光，使片光截面与泵轴端面平行。反复调节激光器和跨帧CCD相机，使泵轴端面的旋转定位图案成像清晰。

2.直接利用泵轴端面尺寸或者使用标尺的方法对图像进行标定，得到相机放大率Amm/pixel。调整相机跨帧时间，使得在跨帧时间内泵轴旋转的角度一定范围之内，其范围为60°到120°之间，并保证前后两帧图像中的放射状直线不重合。利用跨帧CCD相机拍摄旋转定位图案的两帧图像。通过标定两帧图像中的旋转定位图案，可以精确确定叶轮旋转中心位置。

3.叶轮旋转中心定位过程通过CAD导入图像方法或采用特征识别程序完成。使用CAD定位叶轮旋转中心时，在CAD绘图空间导入两帧图像，利用图像在CAD中的尺寸和图像尺寸像素，得到CAD图像放大率B mm/pixel。将两帧图像重叠布置，并对两帧图像中前置的图像进行裁切处理，使得两帧图像中放射线与同心圆的交点都清晰可见。

4.将重叠图像放大到像素级别，在两帧图像放射线与同心圆的交点中选取成像较清晰的8个(4对)点，在CAD空间中用线段连接两帧图像中对应的点，并作各连线的垂直平分线。反复定位对应点的位置，并使得各连线的垂直平分线交点的误差半径R满足以下条件：

R/B*A<0.05mm

其中误差半径R是包含各垂直平分线交点的最小圆的半径。当误差半径R满足上述条件时，完成叶轮旋转中心定位过程，此时最小圆的圆心O是叶轮旋转中心。

5.将两帧图像中对应点分别与叶轮旋转中心O连接，可以得到各对应点之间的角位移β_i，平均角位移β计算公式如下：

β = \frac{1}{m} Σ_{i = 1}^{m} β_{i}

6.在不同旋转角速度和工况下重复上述过程，可以精确得到不同旋转角速度

和工况下叶轮旋转中心的精确位置O，利用旋转角速度

和旋转中心O可以准确重构叶轮内相对速度。

使用本方法具有以下优点：

1、在CAD空间中将两帧图像重叠并对前置图像进行裁切处理，可以实现叶轮旋转中心定位。

2、使用旋转定位图案，并采用反复定位的方法，可以精确确定叶轮旋转中心位置。

3、使用跨帧CCD相机拍摄的方法可以实现对叶轮旋转中心的实时定位，通过跨帧时间设置，可以实现对不同旋转角速度

下叶轮旋转中心的定位。

4、由于跨帧CCD相机跨帧时间Δt可以设置很小(以TSI PowerView Plus相机为例，Δt_min=200ns)，因此可以实现对超高旋转角速度

(以TSI PowerView Plus相机为例，

)下叶轮旋转中心的定位。

5、使用本方法得到精确的叶轮旋转中心位置，可以实现对叶轮内相对速度的精确重构。

6、利用叶轮旋转中心可以得到两帧图像中对应点N₁和N₂之间的角位移β，从而可以使用下式精确得到叶轮的旋转角速度(rad/s)：

| \overset{&RightArrow;}{Ω} | = β / Δt

其中Δt是跨帧时间，单位是s；β是角位移，单位是rad。

附图说明

图1蜗壳、叶轮和泵轴轴测图

图2叶轮和泵轴侧视图

图3泵轴示意图

图4图像裁切过程示意图

图5图像定位过程示意图

图6旋转中心点示意图

图7旋转中心定位示意图

图8角位移示意图

图中：1.蜗壳，2.叶轮，3.泵轴，4.跨帧CCD相机，5.激光器，6.外触发同步装置，7.计算机，8.旋转定位图案。

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、叶轮2、泵轴3、跨帧CCD相机4、激光器5、外触发同步装置6、计算机7、旋转定位图案8。

图1和图2分别是蜗壳1、叶轮2和泵轴3轴测图和叶轮2和泵轴3侧视图。泵轴3端面有旋转定位图案8，用以精确确定叶轮2旋转中心位置；叶轮2安装在蜗壳1内，通过螺纹连接固定在泵轴3上；蜗壳、叶轮内充满工作介质，

叶轮2后盖板附近和泵轴3前端有一段约1cm到2cm的无螺纹部分，这部分叶轮2和泵轴3通过光滑圆柱面啮合。

图3是泵轴3示意图。旋转定位图案8包括以泵轴3几何中心为圆心的二到四个同心圆，以及相交于泵轴3几何的3到5条放射状直线。同心圆直径约为泵轴3直径d的1/3到3/4，各同心圆间直径差为常数。放射状直线从泵轴3几何中心延伸到泵轴3外径处，直线间夹角α相等，

α=360°/n

其中n为旋转定位图案8中放射状直线数目。同心圆和放射状直线的线宽约为0.1mm到0.2mm，采用激光加工。

离心泵PIV叶轮2旋转中心的定位方法如下：，旋转中心定位过程如图5所示，

a)将叶轮2固定在泵轴3上，装上蜗壳1，让蜗壳1和叶轮2内充满工作介质。调节激光器5发出的片光，使片光截面与泵轴3端面平行。反复调节激光器5和跨帧CCD相机4，使泵轴3端面的旋转定位图案8成像清晰。

b)直接利用泵轴3端面尺寸或者使用标尺的方法对图像进行标定，得到相机放大率Amm/pixel。调整相机跨帧时间，使得在跨帧时间内泵轴3旋转的角度在一定角度之间，并保证前后两帧图像中的放射状直线不重合。利用跨帧CCD相机4拍摄旋转定位图案8的两帧图像。通过标定两帧图像中的旋转定位图案8，可以精确确定叶轮2旋转中心位置。

c)叶轮2旋转中心定位过程通过CAD导入图像方法或采用特征识别程序完成。使用CAD定位叶轮2旋转中心时，在CAD绘图空间导入两帧图像，利用图像在CAD中的尺寸和图像尺寸像素，得到CAD图像放大率B mm/pixel。将两帧图像重叠布置，并对两帧图像中前置的图像进行裁切处理，使得两帧图像中放射线与同心圆的交点都清晰可见，图像裁切过程如图4所示。

d)图6是图像定位过程示意图，将重叠图像放大到像素级别，在两帧图像放射线与同心圆的交点中选取成像较清晰的8个(4对)点，A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2，在CAD空间中用线段分别连接两帧图像中对应的点，A1和A2，B1和B2，C1和C2，D1和D2，并作各连线的垂直平分线，LA，LB，LC和LD。反复定位对应点的位置，并使得各连线的垂直平分线LA、LB、LC和LD交点的误差半径R满足以下条件：

R/B*A<0.05mm

其中误差半径R是包含各垂直平分线交点AB、AC、AD、BC、BD、CD的最小圆的半径。当误差半径R满足上述条件时，完成叶轮2旋转中心定位过程，此时最小圆的圆心O是叶轮2旋转中心，旋转中心点如图7所示。

e)如图8所示，将两帧图像中对应点分别与叶轮2旋转中心O连接，可以得到各对应点A1和A2，B1和B2，C1和C2，D1和D2之间的角位移β_A，β_B，β_C和β_D，平均角位移β计算公式如下：

β = \frac{1}{m} Σ_{i = 1}^{m} β_{i}

f)在不同旋转角速度和工况下重复上述过程，可以精确得到不同旋转角速度

和工况下叶轮2旋转中心的精确位置O，利用旋转角速度

和旋转中心O可以准确重构叶轮2内相对速度。

旋转定位图案(8)是包括以泵轴(3)几何中心为圆心的二到四个同心圆，以及相交于泵轴(3)几何的3到5条放射状直线。

同心圆直径约为泵轴(3)直径d的1/3到3/4，各同心圆间直径差为常数。放射状直线间夹角相等，从泵轴(3)几何中心延伸到泵轴(3)外径处；同心圆和放射状直线的线宽约为0.1mm到0.2mm，采用激光加工。

步骤b中泵轴(3)旋转的角度在60°到120°之间。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书其等效物界定。

Claims

1.一种定位离心泵PIV叶轮旋转中心装置，包括蜗壳(1)、叶轮(2)、泵轴(3)、跨帧CCD相机(4)、激光器(5)、外触发同步装置(6)、计算机(7)；其特征在于，泵轴(3)端面有旋转定位图案(8)，用以精确确定叶轮(2)旋转中心位置；在蜗壳(1)内设有叶轮(2)，叶轮（2）固定连接于泵轴(3)上；蜗壳(1)、叶轮(2)内充满工作介质，激光器(5)和跨帧CCD相机(4)通过外触发同步装置(6)和计算机(7)相连；计算机(7)通过软件控制激光器(5)和跨帧CCD相机(4)工作。

2.根据权利要求1所述的定位离心泵PIV叶轮旋转中心装置，其特征在于，叶轮（2）固定连接于泵轴(3)上方式为螺纹连接。

3.根据权利要求1所述的定位离心泵PIV叶轮旋转中心装置，其特征在于，叶轮(2)后盖板附近和泵轴(3)前端有一段约1cm到2cm的无螺纹部分，这部分叶轮(2)和泵轴(3)通过光滑圆柱面啮合。

4.根据权利要求1所述的定位离心泵PIV叶轮旋转中心装置，其特征在于，所述的旋转定位图案(8)是包括以泵轴(3)几何中心为圆心的二到四个同心圆，以及相交于泵轴(3)几何的3到5条放射状直线。

5.根据权利要求4所述的定位离心泵PIV叶轮旋转中心装置，其特征在于，所述的同心圆直径约为泵轴(3)直径d的1/3到3/4，各同心圆间直径差为常数。放射状直线间夹角相等，从泵轴(3)几何中心延伸到泵轴(3)外径处；同心圆和放射状直线的线宽约为0.1mm到0.2mm，采用激光加工。

6.一种定位离心泵PIV叶轮旋转中心方法，其特征在于，具体步骤为:

A)将叶轮(2)固定在泵轴(3)上，装上蜗壳(1)，让蜗壳(1)和叶轮(2)内充满工作介质；调节激光器(5)发出的片光，使片光截面与泵轴(3)端面平行；反复调节激光器(5)和跨帧CCD相机(4)，使泵轴(3)端面的旋转定位图案(8)成像清晰。

B)直接利用泵轴(3)端面尺寸或者使用标尺的方法对图像进行标定，得到相机放大率A mm/pixel；调整相机跨帧时间，使得在跨帧时间内泵轴(3)旋转的角度在一定角度之间，并保证前后两帧图像中的放射状直线不重合；利用跨帧CCD相机(4)拍摄旋转定位图案(8)的两帧图像；通过标定两帧图像中的旋转定位图案(8)，可以精确确定叶轮(2)旋转中心位置。

C)叶轮(2)旋转中心定位过程通过CAD导入图像方法或采用特征识别程序完成；使用CAD定位叶轮(2)旋转中心时，在CAD绘图空间导入两帧图像，利用图像在CAD中的尺寸和图像尺寸像素，得到CAD图像放大率B mm/pixel；将两帧图像重叠布置，并对两帧图像中前置的图像进行裁切处理，使得两帧图像中放射线与同心圆的交点都清晰可见。

D)将重叠图像放大到像素级别，在两帧图像放射线与同心圆的交点中选取成像较清晰的4对点，在CAD空间中用线段连接两帧图像中对应的点，并作各连线的垂直平分线；反复定位对应点的位置，并使得各连线的垂直平分线交点的误差半径R满足以下条件：

R/B*A<0.05mm

其中误差半径R是包含各垂直平分线交点的最小圆的半径；当误差半径R满足上述条件时，完成叶轮(2)旋转中心定位过程，此时最小圆的圆心O是叶轮(2)旋转中心。

E)将两帧图像中对应点分别与叶轮(2)旋转中心O连接，可以得到各对应点之间的角位移β_i，平均角位移β计算公式如下：

和工况下叶轮(2)旋转中心的精确位置O，利用旋转角速度

和旋转中心O可以准确重构叶轮(2)内相对速度。

7.根据权利要求6所述的定位离心泵PIV叶轮旋转中心方法，其特征在于，所述的旋转定位图案(8)是包括以泵轴(3)几何中心为圆心的二到四个同心圆，以及相交于泵轴(3)几何的3到5条放射状直线。

8.根据权利要求6所述的定位离心泵PIV叶轮旋转中心方法，其特征在于，所述的同心圆直径约为泵轴(3)直径d的1/3到3/4，各同心圆间直径差为常数。放射状直线间夹角相等，从泵轴(3)几何中心延伸到泵轴(3)外径处；同心圆和放射状直线的线宽约为0.1mm到0.2mm，采用激光加工。

9.根据权利要求6所述的定位离心泵PIV叶轮旋转中心方法，其特征在于，步骤B中泵轴(3)旋转的角度在60°到120°之间。