CN108956002B - 一种压力敏感涂料的浓度标定法及标定装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种获取压力敏感涂料(PSP)标定曲线的浓度标定法及相应的装置。该方法创新采用空气和其他单组分气体混合的方法来模拟获得不同比例的氧分压,简称浓度标定法。具体过程为:通过给定不同流量的空气和另一种单组分气体(不包括氧气,一般为氮气或二氧化碳),将其充分混合,便可以得到预设的氧分压。然后进行PSP标定实验步骤。此时氧气的浓度的变化范围为0%至21%。本发明无需真空泵,压力泵,极为封闭的容积等等复杂器件。仅仅在满足两种气体较为充分的混合条件下便可进行压力敏感涂料的标定实验。此外,本发明在针对气膜冷却效率的测量实验中有更大的优势,更为贴近气膜冷却效率测量的实验条件。
Description
技术领域
本发明是一种获取压力敏感涂料(PSP)标定曲线的浓度标定法及相应的装置。涉及到航空发动机涡轮叶片的全表面气膜冷却效率测量以及其他部件表面压力测量的压力敏感涂料(PSP)标定技术。
技术背景
压力敏感涂料,简称PSP,是一种基于氧-光致发光原理,可用于压力测量的涂料。从上世纪八十年代研究至今,PSP技术已研究成熟,相对于传统测压孔和传感器测量方法,其具有操作便利,成本相对较低,对流场基本无干扰且检测范围广等等优势,已被国内外各机构广泛应用与航空航天等领域。
PSP技术无论是应用于测量气膜冷却效率还是测量压力,涂料的标定曲线的获取是实验不可或缺的第一步。现有专利和文献中,欧洲公开专利EP472243-A[1]提供了真空标定的方法,即在密闭容积内抽取真空或增大压强的方法来进行PSP标定实验,本发明简称其为真空标定法。而真空标定实验都是使用压力泵和真空泵而实现的。至此,在国外,美国德克萨斯大学[2]、亚利桑那州大学[3]等教育研究机构在进行PSP测量实验中,采用的都是真空标定的方法。在国内,中国科学院[4],清华大学[5]等等教育研究单位同样采用此方法,都无一例外需要采用压力泵和真空泵,密闭容积等装置。
此外,西北工业大学公开专利CN106872100A[6]提供一种新型的校准方法,根据驻波理论,构造周期动态变化压力场来进行动态压力校准,或与压力变化相关的周期型动态校准。
综合这两种方法来看,真空标定法原理简单但实施复杂,尤其是在密闭环境的营造上有一定的难度;而CN106872100A[6]提供的动态校准方法原理复杂实施不便。
以下是检索的相关文献:
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[5]李佳,卢义,袁新,蒋洪德.基于压力敏感漆的气膜冷却孔型实验研究.清华大学学报.2010.08-1267-04
[6]专利号CN106872100A:驻波管型光学压力敏感涂料动态压力校准舱
发明内容
本发明的目的是:为了克服现有技术中,PSP标定采用真空标定法和动态校准方法存在的实施复杂不便的不足,同时为了贴合压力敏感涂料用于测量气膜冷却效率的原理。本发明从新角度出发,通过掺混两种不同的气体来改变氧气在组分中所占的比例,提出一种进行PSP标定的浓度标定法。
本发明的技术方案是:一种压力敏感涂料的浓度标定法,包括如下步骤:
步骤一:给定N种不同流量的空气和另一单组分气体,分别形成N种充分混合气体,得到N个预设的氧分压;所述N种混合气体中,氧气浓度的变化范围为0%至21%,其中氧气浓度0%的混合气体对应的情形是:无空气、只有另一单组分气体;氧气浓度21%的混合气体对应的情形是:只有空气、无另一单组分气体;所述另一单组分气体不包括氧气,优选方式为氮气或二氧化碳;
步骤二:进行PSP标定实验,首先在参考条件下(即只有空气,氧分压为C0),打开LED激发光源,连续拍摄一组M张参考图像P0,此时通过K型热电偶测得当前标定温度T0;作为优选方案,所述拍摄过程通过科学级CCD相机得到;
步骤三:通入另一单组分气体,得到预设氧分压C1,通过加热器保持标定温度为T0,进行PSP标定实验,拍摄一组实验图像P1;
步骤四:增加另一单组分气体的比例,得到预设氧分压C2,通过加热器保持标定温度为T0,进行PSP标定实验,拍摄一组实验图像P2;
步骤五:重复步骤四,直至只有另一单组分气体通过装置,直至得到N组氧分压CN和对应的实验图像PN;
步骤六:将空气通入装置一段时间以使空气充满装置内空间,关闭LED光源,进行黑暗图像PB的获取;
步骤七:得到标定温度T0条件下,氧分压比C/C0和光强I0/I的标定曲线。具体过程如下:(1)图像平均:将参考图像P0,实验图像P1、P2、……PN,黑暗图像PB中的分别进行M张图像的算数平均处理,分别得到平均后的参考图像平均后的实验图像和平均后的黑暗图像值得注意的是,应将各图像的光强值进行归一化再进行叠加,以此来避免光强值溢出;(2)图像减处理:将平均后得到的参考图像实验图像减去平均后的黑暗图像(3)光强值平均:对处理后的参考和实验图像选取成像中心作为光强值较为均匀的区域,统计该区域像素点数,将光强值叠加后平均,得到参考和实验状态下所对应的光强值I0、I1、I2……IN;(4)曲线拟合:将氧分压比C/C0和光强I0/I进行曲线拟合,得到标定曲线和拟合公式:
标定曲线因PSP涂料不同而不同,一般呈线性分布,可拟合为线性关联式。而若选取不同的PSP涂料,则多项式的次数因根据实际情况而定。
通过加热器得到标定温度T1,重复步骤一至步骤七可以得到不同温度下PSP的标定曲线。
针对上述浓度标定法提出的一种压力敏感涂料的浓度标定装置,高压空气和另一单组份气体(高纯度氮气或二氧化碳)流经各自的流程管路流入气流掺混装置,所述流程管路上均依次装有减压阀、流量计和阀门,流程管路优选采用耐高压钢管;所述气流掺混装置主要包括气流预混腔9、加热器10、气流扩散器14、高密度过滤网15、蜂窝整流板16、收缩段17。所述气流预混腔9内布置多块折流板,气流预混腔9通过法兰盘和管路连接至加热器10,加热器10另一端出口通过管路连接至安全阀11,同时加热器10另一端出口通过管路连接至电磁阀12后,通过法兰盘和气流扩散器14连接。气流扩散器14插入在稳压腔13中,稳压腔13中布置高密度过滤网15以及蜂窝整流板16。稳压腔13连接收缩段17,两者加工制作为一体,收缩段17和稳压腔13连接处平滑过渡,避免产生凸起。同样地,收缩段17加工连接测量腔18,,所述测量腔18上有测温孔22和拍摄窗口;所述测温孔22内有热电偶;拍摄窗口保持透明、整洁、反光率低,通常采用有机玻璃加工;与所述拍摄窗口相对的测量腔18内壁上装有表面喷有均匀PSP涂料的实验件19;LED光源21和相机20则分别提供对实验件19的照明和图像拍摄。
气流掺混装置实现两股气流的混合:在预混腔中,两种气流实现对冲,折流板增大流动阻力,使其在腔内碰撞掺混。混合气流流入气流扩散器被打散,而通过蜂窝整流板实现气流整合,从而达到充分混合的效果。最后混合气流通过收缩段进一步稳定流动,到达实验段,形成一股充分混合的、稳定的、氧气分压力均匀的气流,流经实验件便可进行标定实验。
本发明的有益效果是:实施本发明不使用真空泵,不使用密闭容积,简化了装置和操作实施。而且在进行气膜冷却效率的测量实验中,使用本方法直接标定氧气分压,其所模拟的状况更加接近于实验条件,更加贴合PSP用于测量气膜冷却效率的原理-传热传质类比原理。
从结果来看,浓度标定方法得到的标定曲线近似线性,采用一次线性函数拟合,拟合得到的两个常量参数相加约为1,直线斜率大于0.8,符合PSP的测量原理要求。与抽取真空得到的标定曲线作对比,差距很小。此外,在不同标定温度下得到标定曲线基本重合,可重复性高。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1本发明装置的实验简图
图2气流预混腔简图
图3气流扩散器实验简图
图4PSP涂料标定曲线
图中:
1、高压空气储气罐;2、空气减压阀;3、空气浮子流量计;4、空气截止阀;5、高纯度氮气罐;6、氮气减压阀;7、氮气浮子流量计;8、氮气截止阀;9、气流预混腔;10、加热器;11、安全阀;12、电磁阀;13、稳压腔;14、气流扩散器;15、高密度过滤网;16、蜂窝整流板;17、收缩段;18、测量腔;19、实验件;20、科学级CCD相机;21、LED光源;22、测温孔。
具体实施方式
参阅附图1和图2,对本发明的具体实施案例作详细介绍。
实施例一:本实例是测量平板气膜冷却效率的PSP标定实验装置。如附图1为本发明具体实施的整体装置的简图。
本实例采用的气体为空气和氮气。空气由螺杆式鼓风机工作获得存贮于高压空气储气罐1中。空气流经空气减压阀2后,通过空气浮子流量计3显示空气的流量,通过空气截止阀4的开度可实现空气流量的控制;而氮气存储于高纯度氮气罐5,流经氮气减压阀6减压,通过氮气浮子流量计7和氮气截止阀8来控制氮气的流量。
两种气体流经空气截止阀4和氮气截止阀8后,首先在气流预混腔9中混合,如图2为气流预混腔的简图。从图中可以看到,两种气流在气流预混腔中直接对冲,形成初步地混合。气流预混腔9中设有多块折流板,其作用是阻碍气流流动,在流程中进一步充分混合。
混合气流沿管道流动到加热器10,安全阀11在一般情况下关闭,电磁阀12开启。调节加热器10的加热功率将混合气流加热到所需温度状态点。加热器10具有一定延迟性,需要空气浮子流量计3和氮气浮子流量计7显示稳定的情况下加热一定的时间,温度才能稳定。加热的混合气流,通过气流扩散器13进入稳压腔12。气流扩散器的简图如图3,其作用是扰乱混合气流,使一股气流变为多股小气流进一步充分混合。稳压腔12内布置了高密度过滤网14和蜂窝整流板15,整合气流使其稳定流动。然后通过收缩段16,混合气流加速流入实验段17。
实验段内放置实验件18,表面喷有均匀的PSP底漆和涂料。实验段外布置科学级CCD相机19和LED光源20,用于激发捕捉荧光图像。测温孔22布置多根K-型热电偶进行温度状态点的测量。
本实施例中基于上述装置的压力敏感涂料的浓度标定法,包括如下步骤:
步骤一:给定7组不同流量的空气和高纯度氮气,分别形成7种充分混合气体,得到7个预设的氧分压;所述7种混合气体中,氧气浓度的变化为0%,3.5%,7%,10.5%,14%,17.5%和21%,其中氧气浓度0%的混合气体对应的情形是:无空气,只有氮气;氧气浓度21%的混合气体对应的情形是:只有空气,无氮气。
步骤二:进行PSP标定实验,首先在参考条件下(即只有空气,氧分压21%)打开LED激发光源,使用科学级CCD相机连续拍摄一组20张参考图像P0,此时通过K型热电偶测得当前标定温度为27摄氏度;
步骤三:通入氮气,调节流量计使氮气流量为空气流量的1/5,得到预设氧分压17.5%,通过加热器保持标定温度为27摄氏度,进行PSP标定实验,拍摄一组20张实验图像P1;
步骤四:增加氮气的流量为空气流量的1/2,得到预设氧分压14%,通过加热器保持标定温度为27摄氏度,进行PSP标定实验,拍摄一组20张实验图像P2;
步骤五:重复步骤四,直至只有氮气(或二氧化碳,无空气)通过装置,此时应得到7组氧分压CN和对应的实验图像PN;
步骤六:将空气通入装置5分钟以使空气充满装置内空间,关闭LED光源,进行黑暗图像PB的获取;
步骤七:利用自主编写的MATLAB程序将图像数据化,得到标定温度27摄氏度下,氧分压比C/C0和光强I0/I的标定曲线。具体过程为:(1)图像平均:将20张图像参考图像P0,实验图像P1、P2、……P6,黑暗图像PB中的分别进行算数平均处理,分别得到平均后的参考图像平均后的实验图像和平均后的黑暗图像值得注意的是,应将各图像的光强值进行归一化后再进行叠加,以此来避免光强值溢出;(2)图像减处理:将平均后得到的参考图像实验图像减去平均后的黑暗图像(3)光强值平均:对处理后的参考、实验图像选取成像中心作为光强值较为均匀的区域,统计该区域像素点数,将光强值叠加后平均,得到参考和实验状态下所对应的光强值IN={0.156,0.187,0.208,0.264,0.341,0.503,0.850}(N=0,1,……6);(4)曲线拟合:由CN={21%,17.5%,14%,10.5%,7%,3.5%,0}(N=0,1,……6)和IN={0.156,0.187,0.208,0.264,0.341,0.503,0.850}(N=0,1,……6)处理得到氧分压比CN/C0={1,0.833,0.667,0.500,0.333,0.1667,0}(N=0,1,……6)和I0/IN={1,0.876,0.749,0.591,0.457,0.310,0.1835}(N=0,1,……6)。将氧分压比C/C0和光强比I0/I进行曲线拟合,如附图4,得到标定曲线拟合公式:
从结果来看,该PSP涂料的标定曲线呈线性关系,并且一次项系数0.8301大于0.8,并且一次项系数0.8301和常数项系数0.1802相加为1.0103,接近于1,这十分满足符合PSP涂料的标定要求。
本实例的参考温度为环境温度27摄氏度,可以通过加热器改变不同的标定温度T,重复步骤一至步骤七可得到不同标定温度下PSP的标定曲线。
Claims (3)
1.一种压力敏感涂料的浓度标定法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤一:给定N种不同流量的空气和另一单组分气体,分别形成N种充分混合气体,得到N个预设的氧分压;所述N种混合气体中,氧气浓度的变化范围为0%至21%,其中氧气浓度0%的混合气体对应的情形是:无空气、只有另一单组分气体;氧气浓度21%的混合气体对应的情形是:只有空气、无另一单组分气体;所述另一单组分气体不包括氧气,优选方式为氮气或二氧化碳;
步骤二:进行PSP标定实验,首先在只有空气,氧分压为C0的参考条件下,打开LED激发光源,连续拍摄一组M张参考图像P0,此时通过K型热电偶测得当前标定温度T0;
步骤三:通入另一单组分气体,得到预设氧分压C1,通过加热器保持标定温度为T0,进行PSP标定实验,拍摄一组实验图像P1;
步骤四:增加另一单组分气体的比例,得到预设氧分压C2,通过加热器保持标定温度为T0,进行PSP标定实验,拍摄一组实验图像P2;
步骤五:重复步骤四,直至只有另一单组分气体通过装置,直至得到N组氧分压CN和对应的实验图像PN;
步骤六:将空气通入装置一段时间以使空气充满装置内空间,关闭LED光源,进行黑暗图像PB的获取;
步骤七:得到标定温度T0条件下,氧分压比C/C0和光强I0/I的标定曲线,具体过程如下:(1)图像平均:将参考图像P0,实验图像P1、P2、……PN,黑暗图像PB中的分别进行M张图像的算数平均处理,分别得到平均后的参考图像平均后的实验图像 和平均后的黑暗图像(2)图像减处理:将平均后得到的参考图像实验图像减去平均后的黑暗图像(3)光强值平均:对处理后的参考和实验图像选取成像中心作为光强值较为均匀的区域,统计该区域像素点数,将光强值叠加后平均,得到参考和实验状态下所对应的光强值I0、I1、I2……IN;(4)曲线拟合:将氧分压比C/C0和光强I0/I进行曲线拟合,得到标定曲线和拟合公式:
通过加热器得到标定温度T1,重复步骤一至步骤七得到不同温度下PSP的标定曲线。
2.一种如权利要求1所述的压力敏感涂料的浓度标定法,其特征在于,所述步骤二中的拍摄过程通过科学级CCD相机得到。
3.基于如权利要求1所述的浓度标定法提出的一种压力敏感涂料的浓度标定装置,其特征在于,高压空气和另一单组份气体流经各自的流程管路流入气流掺混装置,所述流程管路上均依次装有减压阀、流量计和阀门,流程管路优选采用耐高压钢管;所述气流掺混装置主要包括气流预混腔9、加热器10、气流扩散器14、高密度过滤网15、蜂窝整流板16、收缩段17;所述气流预混腔9内布置多块折流板,气流预混腔9通过法兰盘和管路连接至加热器10,加热器10另一端出口通过管路连接至安全阀11,同时加热器10另一端出口通过管路连接至电磁阀12后,通过法兰盘和气流扩散器14连接;气流扩散器14插入在稳压腔13中,稳压腔13中布置高密度过滤网15以及蜂窝整流板16;稳压腔13连接收缩段17,两者加工制作为一体,收缩段17和稳压腔13连接处平滑过渡;所述收缩段17加工连接测量腔18,所述测量腔18上有测温孔22和透明拍摄窗口;所述测温孔22内有热电偶;与所述拍摄窗口相对的测量腔18内壁上装有表面喷有均匀PSP涂料的实验件19;LED光源21和相机20则分别提供对实验件19的照明和图像拍摄。
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