CN107727538A - Piv荷电灰尘迁移运动特性测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种PIV荷电灰尘迁移运动特性测量装置及方法，涉及荷电灰尘测量装置及方法技术领域。所述测量装置包括灰尘荷电系统和PIV测量系统，所述灰尘荷电系统包括灰尘喷枪、金属支撑环、第一高压直流电源以及电晕线，所述PIV测量系统包括相互平行的上平板电极和下平板电极、第二高压直流电源、计算机模块、相机以及聚光透镜，通过对两次时间间隔t前后拍摄到的荷电灰尘图像进行互相关运算，得到荷电灰尘Y轴方向的平均迁移速度，再根据荷电灰尘Y轴方向的平均迁移速度计算得出荷电灰尘迁移率。所述测量装置抗电磁干扰能力强、可准确测量荷电灰尘颗粒迁移率。
Description
技术领域
本发明涉及荷电灰尘测量装置及方法技术领域，尤其涉及一种PIV荷电灰尘迁移运动特性测量装置及方法。
背景技术
荷电灰尘颗粒迁移率作为关键参数之一，对于荷电灰尘颗粒迁移运动模型的建立及沙尘天气下电晕损失计算具有重要意义，因此对其进行准确测量很有必要。传统测量迁移率方法有迁移管法和平行平板法，迁移管法适用于测量不同温湿度气压等条件下的离子迁移率，但迁移管尺寸小，难以在迁移管内产生灰尘浓度均匀的环境，且抗电磁干扰能力弱。平行平板法的测量原理是通过测量平行平板场间饱和离子流来反推得到离子迁移率，受理想假设条件及微观参数影响过多，无法准确测量迁移率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种抗电磁干扰能力强、可准确测量荷电灰尘颗粒迁移率的PIV荷电灰尘迁移运动特性测量装置。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种PIV荷电灰尘迁移运动特性测量装置，其特征在于：包括灰尘荷电系统和PIV测量系统，所述灰尘荷电系统包括灰尘喷枪、金属支撑环、第一高压直流电源以及电晕线，所述灰尘喷枪的一端与所述金属支撑环正对设置，所述第一高压直流电源的正极与所述金属支撑环连接，电晕线平行且等间距的缠绕在金属支撑环上，所述第一高压直流电源的负极接地，所述第一高压直流电源用于为电晕线提供电源，通过沙尘喷枪产生浓度均匀的灰尘环境，灰尘在气流的作用下通过电晕线产生的空间离子层获得电量，实现灰尘的荷电过程；
所述PIV测量系统包括相互平行的上平板电极和下平板电极、第二高压直流电源、计算机模块、相机以及聚光透镜，所述上平板电极与下平板电极的左端开口与所述金属支撑环相对设置，所述第二高压直流电源的正极与所述上平板电极连接，所述第二高压直流电源的负极与所述下平板电极连接，所述第二高压直流电源用于在所述上、下平板电极间形成垂直方向上的均匀空间场强E，所述计算机模块与所述相机双向连接，所述聚光透镜位于所述相机的视角内，所述聚光透镜用于放大进入电场的带电灰尘的运动图像，所述相机受控于所述计算机模块，在计算机模块的控制下对聚光透镜放大的图像进行采集，并将相机采集的图像信息传送至所述计算机模块进行处理，通过对两次时间间隔t前后拍摄到的荷电灰尘图像进行互相关运算，得到荷电灰尘Y轴方向的平均迁移速度，再根据荷电灰尘Y轴方向的平均迁移速度计算得出荷电灰尘迁移率。
优选的，所述计算机模块包括计算机、外部触发器、图像采集卡以及激光控制器，所述激光控制器与所述外部触发器的信号输入端连接，用于感应外部的触发信号，所述计算机的输出端与所述外部触发器的输入端连接，所述外部触发器的输出端与所述相机的控制端连接，所述相机的信号输出端与所述图像采集卡的信号输入端连接，所述图像采集卡的信号输出端与所述计算机的信号输入端连接。
优选的，所述相机为高速图像采集相机。
本发明实施例还公开了一种对荷电灰尘进行测量的方法，其特征在于包括如下步骤：
通过沙尘喷枪产生浓度均匀的灰尘环境，灰尘在气流的作用下通过电晕线产生的空间离子层获得电量，实现灰尘的荷电过程；
在上、下平板电极间施加与灰尘荷电系统中极性相同的电压，电压由高压直流电源产生，在上、下平板电极间形成垂直方向上的均匀空间场强E；固定聚光透镜的位置及相机拍摄图像的放大倍数M，通过计算机控制激光控制器进而调整相机拍摄图像的时间间隔t；浓度均匀的荷电灰尘在气流的作用下旋入平行的上、下平板电极，相机拍摄到两帧时间间隔t前后时刻由聚光透镜放大后的带电灰尘运动图像；计算两帧图像之间的相关系数，进而求取同一诊断区域内灰尘的Y轴方向速度矢量分布图；
对上平板电极施加电压为U以及电压为0的电压，获得有、无电场力作用下的荷电灰尘的迁移速度，求两者的平方差再开放即可得到仅在电场作用下的荷电灰尘迁移速度v：
其中：v′mig_E_field为平行平板施加电压U时，即存在电场力时，灰尘在极板间运动的平均迁移速度的Y轴分量；
v′mig_no_E_field为平行平板施加电压0时，即不存在电场力时，灰尘在极板间运动的平均迁移速度的Y轴分量；
荷电灰尘迁移率K计算公式为：
K＝v/E (2)
其中:E为平行平板电极施加电压U时板间电场强度，将式(1)的v代入式(2)即可得到荷电灰尘的粒子迁移率。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述方法基于运动学原理，采用光学测量的方法，克服了现有迁移管法、平行平板法等电学测量方法固有的电磁干扰强的缺陷，可根据其精确测量的迁移速度，进一步准确求得荷电灰尘的迁移率，为荷电灰尘颗粒迁移运动模型建立及沙尘天气下电晕损失计算提供数据参考。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例所述测量装置的原理框图；
其中：1、灰尘喷枪2、金属支撑环3、电晕线4、上平板电极5、第一高压直流电源6、聚光透镜7、激光控制器8、相机9、外部触发器10、图像采集卡11、计算机12、下平板电极13、第二高压直流电源。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1所示，本发明实施例公开了一种PIV荷电灰尘迁移运动特性测量装置，包括灰尘荷电系统和PIV测量系统。如图1所示，所述灰尘荷电系统包括灰尘喷枪1、金属支撑环2、第一高压直流电源5以及电晕线3。所述灰尘喷枪1的一端与所述金属支撑环2正对设置，所述第一高压直流电源5的正极与所述金属支撑环2连接，电晕线3平行且等间距的缠绕在金属支撑环2上；所述第一高压直流电源5的负极接地，所述第一高压直流电源5用于为电晕线3提供电源，通过沙尘喷枪1产生浓度均匀的灰尘环境，灰尘在气流的作用下通过电晕线3产生的空间离子层获得电量，实现灰尘的荷电过程。
如图1所示，所述PIV测量系统包括相互平行的上平板电极4和下平板电极12、第二高压直流电源13、计算机模块、相机8以及聚光透镜6。所述上平板电极4与下平板电极12的左端开口与所述金属支撑环2相对设置，所述第二高压直流电源13的正极与所述上平板电极4连接。所述第二高压直流电源13的负极与所述下平板电极12连接，所述第二高压直流电源13用于在所述上、下平板电极间形成垂直方向上的均匀空间场强E。所述计算机模块与所述相机8双向连接，所述聚光透镜6位于所述相机的视角内，所述聚光透镜6用于放大进入电场的带电灰尘的运动图像，所述相机8受控于所述计算机模块，在计算机模块的控制下对聚光透镜放大的图像进行采集，并将相机8采集的图像信息传送至所述计算机模块进行处理，通过对两次时间间隔t前后拍摄到的荷电灰尘图像进行互相关运算，得到荷电灰尘Y轴方向的平均迁移速度，再根据荷电灰尘Y轴方向的平均迁移速度计算得出荷电灰尘迁移率。
如图1所示，进一步的，所述计算机模块包括计算机11、外部触发器9、图像采集卡10以及激光控制器7。所述激光控制器7与所述外部触发器9的信号输入端连接，用于感应外部的触发信号；所述计算机11的输出端与所述外部触发器9的输入端连接，所述外部触发器9的输出端与所述相机8的控制端连接，所述相机8的信号输出端与所述图像采集卡10的信号输入端连接，所述图像采集卡10的信号输出端与所述计算机11的信号输入端连接。
优选的，为了能够在较短的时间间隔内拍摄到相关的图像，所述相机8为高速图像采集相机。
本发明实施例还公开了一种通过所述的装置对荷电灰尘进行测量的方法，包括如下步骤：
通过沙尘喷枪1产生浓度均匀的灰尘环境，灰尘在气流的作用下通过电晕线3产生的空间离子层获得电量，实现灰尘的荷电过程；
在上、下平板电极4，12间施加与灰尘荷电系统中极性相同的电压，电压由高压直流电源产生，在上、下平板电极4，12间形成垂直方向上的均匀空间场强E；固定聚光透镜6的位置及相机拍摄图像的放大倍数M，通过计算机11控制激光控制器进而调整相机拍摄图像的时间间隔t；浓度均匀的荷电灰尘在气流的作用下旋入平行的上、下平板电极4，12，相机拍摄到两帧时间间隔t前后时刻由聚光透镜放大后的带电灰尘运动图像；计算两帧图像之间的相关系数，进而求取同一诊断区域内灰尘的Y轴方向速度矢量分布图；
对上平板电极4施加电压为U以及电压为0的电压，获得有、无电场力作用下的荷电灰尘的迁移速度，求两者的平方差再开放即可得到仅在电场作用下的荷电灰尘迁移速度v：
其中：v′mig_E_field为平行平板施加电压U时，即存在电场力时，灰尘在极板间运动的平均迁移速度的Y轴分量；
v′mig_no_E_field为平行平板施加电压0时，即不存在电场力时，灰尘在极板间运动的平均迁移速度的Y轴分量；
荷电灰尘迁移率K计算公式为：
K＝v/E (2)
其中:E为平行平板电极施加电压U时板间电场强度，将式(1)的v代入式(2)即可得到荷电灰尘的粒子迁移率。
所述方法基于运动学原理，采用光学测量的方法，克服了现有迁移管法、平行平板法等电学测量方法固有的电磁干扰强的缺陷，可根据其精确测量的迁移速度，进一步准确求得荷电灰尘的迁移率，为荷电灰尘颗粒迁移运动模型建立及沙尘天气下电晕损失计算提供数据参考。
Claims (4)
1.一种PIV荷电灰尘迁移运动特性测量装置，其特征在于：包括灰尘荷电系统和PIV测量系统，所述灰尘荷电系统包括灰尘喷枪(1)、金属支撑环(2)、第一高压直流电源(5)以及电晕线(3)，所述灰尘喷枪(1)的一端与所述金属支撑环(2)正对设置，所述第一高压直流电源(5)的正极与所述金属支撑环(2)连接，电晕线(3)平行且等间距的缠绕在金属支撑环(2)上，所述第一高压直流电源(5)的负极接地，所述第一高压直流电源(5)用于为电晕线(3)提供电源，通过沙尘喷枪(1)产生浓度均匀的灰尘环境，灰尘在气流的作用下通过电晕线(3)产生的空间离子层获得电量，实现灰尘的荷电过程；
所述PIV测量系统包括相互平行的上平板电极(4)和下平板电极(12)、第二高压直流电源(13)、计算机模块、相机(8)以及聚光透镜(6)，所述上平板电极(4)与下平板电极(12)的左端开口与所述金属支撑环(2)相对设置，所述第二高压直流电源(13)的正极与所述上平板电极(4)连接，所述第二高压直流电源(13)的负极与所述下平板电极(12)连接，所述第二高压直流电源(13)用于在所述上、下平板电极间形成垂直方向上的均匀空间场强E，所述计算机模块与所述相机(8)双向连接，所述聚光透镜(6)位于所述相机的视角内，所述聚光透镜(6)用于放大进入电场的带电灰尘的运动图像，所述相机(8)受控于所述计算机模块，在计算机模块的控制下对聚光透镜放大的图像进行采集，并将相机(8)采集的图像信息传送至所述计算机模块进行处理，通过对两次时间间隔t前后拍摄到的荷电灰尘图像进行互相关运算，得到荷电灰尘Y轴方向的平均迁移速度，再根据荷电灰尘Y轴方向的平均迁移速度计算得出荷电灰尘迁移率。
2.如权利要求1所述的PIV荷电灰尘迁移运动特性测量装置，其特征在于：所述计算机模块包括计算机(11)、外部触发器(9)、图像采集卡(10)以及激光控制器(7)，所述激光控制器(7)与所述外部触发器(9)的信号输入端连接，用于感应外部的触发信号，所述计算机(11)的输出端与所述外部触发器(9)的输入端连接，所述外部触发器(9)的输出端与所述相机(8)的控制端连接，所述相机(8)的信号输出端与所述图像采集卡(10)的信号输入端连接，所述图像采集卡(10)的信号输出端与所述计算机(11)的信号输入端连接。
3.如权利要求1所述的PIV荷电灰尘迁移运动特性测量装置，其特征在于：所述相机(8)为高速图像采集相机。
4.一种通过权利要求1-3中任意一项所述的装置对荷电灰尘进行测量的方法，其特征在于包括如下步骤：
通过沙尘喷枪(1)产生浓度均匀的灰尘环境，灰尘在气流的作用下通过电晕线(3)产生的空间离子层获得电量，实现灰尘的荷电过程；
在上、下平板电极(4，12)间施加与灰尘荷电系统中极性相同的电压，电压由高压直流电源产生，在上、下平板电极(4，12)间形成垂直方向上的均匀空间场强E；固定聚光透镜(6)的位置及相机拍摄图像的放大倍数M，通过计算机(11)控制激光控制器进而调整相机拍摄图像的时间间隔t；浓度均匀的荷电灰尘在气流的作用下旋入平行的上、下平板电极(4，12)，相机拍摄到两帧时间间隔t前后时刻由聚光透镜放大后的带电灰尘运动图像；计算两帧图像之间的相关系数，进而求取同一诊断区域内灰尘的Y轴方向速度矢量分布图；
对上平板电极(4)施加电压为U以及电压为0的电压，获得有、无电场力作用下的荷电灰尘的迁移速度，求两者的平方差再开放即可得到仅在电场作用下的荷电灰尘迁移速度v：
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v′mig_no_E_field为平行平板施加电压0时，即不存在电场力时，灰尘在极板间运动的平均迁移速度的Y轴分量；
荷电灰尘迁移率K计算公式为：
K＝v/E (2)
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