CN111366744A - 一种干式真空泵内部流场测量系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及真空泵测试领域,具体地说是一种干式真空泵内部流场测量系统及测量方法,包括示踪粒子发生组件、透明干式真空泵、脉冲激光器、片光源、CCD相机和同步控制器,其中脉冲激光器发出的脉冲激光经片光源后射入透明干式真空泵的泵腔内,CCD相机设于透明干式真空泵一侧且镜头方向与所述片光源的照射方向垂直,所述脉冲激光器和CCD相机通过所述同步控制器控制。本发明利用示踪粒子、脉冲激光器和CCD相机获得透明干式真空泵在正常抽气过程中泵腔流场内的气体流动特性,并且还可以模拟多级泵抽气过程中某一级泵腔的抽气情况,从而完成多级泵抽气过程中单级泵腔的流场测量。
Description
技术领域
本发明涉及真空泵测试领域,具体地说是一种干式真空泵内部流场测量系统及测量方法。
背景技术
PIV技术(粒子图像测速法)作为研究各种复杂流场的一种基本手段已经广泛应用于各种流体测量与显示,该技术从定常到非定常、低速到高速、单相到多相,在同一时刻记录整个测量平面的有关信息,从而获得流动瞬时速度场、脉动速度场、涡量场和雷诺应力分布等,很适合研究涡流、湍流等复杂流动结构的流场测量,可以实现对流体域进行全场、瞬态、无干扰测量。
随着近年来半导体行业、化学工业、医药工业、食品工业等行业的快速发展,其工艺过程中对清洁真空环境的依赖逐步提高,干式真空泵由于能够快速高效获取清洁无油的中高真空环境,因而得到广泛应用。由于干式真空泵的转子与泵腔之间形成的流场区域形状特殊,泵在抽气过程中流场内流体的流动瞬时速度场规律很难把握和测量,现有技术的模拟结果往往又和实际情况有偏差,因此在实际生产过程中,泵的抽气性能很难通过对内部流场定量分析的方法寻找改进办法,这也使得干式真空泵的发展受到限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种干式真空泵内部流场测量系统及测量方法,利用示踪粒子、脉冲激光器和CCD相机获得透明干式真空泵在正常抽气过程中泵腔流场内的气体流动特性,并且还可以模拟多级泵抽气过程中某一级泵腔的抽气情况,从而完成多级泵抽气过程中单级泵腔的流场测量。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
一种干式真空泵内部流场测量系统,包括示踪粒子发生组件、透明干式真空泵、脉冲激光器、片光源、CCD相机和同步控制器,其中脉冲激光器发出的脉冲激光经片光源后射入透明干式真空泵的泵腔内,CCD相机设于透明干式真空泵一侧且镜头方向与所述片光源的照射方向垂直,所述脉冲激光器和CCD相机通过所述同步控制器控制。
所述透明干式真空泵的泵腔右侧设有右轴承座、右轴承压盖和右端盖,且所述右轴承座、右轴承压盖、右端盖以及泵腔均采用全透明有机玻璃材料制造,片光源发出的光由右端盖一侧射入,CCD相机镜头方向垂直于泵腔的轴向。
所述示踪粒子发生组件与透明干式真空泵之间设有第一真空室,且所述第一真空室通过入气管路与所述透明干式真空泵的入气端相连,在所述入气管路上设有入气电磁阀,所述透明干式真空泵的出气端通过出气管路与一个第二真空室相连,且所述出气管路上设有出气电磁阀,所述第一真空室通过第一管路与一个第一真空泵组相连,且在所述第一管路上设有第一电磁阀,所述第二真空室通过第二管路与一个第二真空泵组相连,且在所述第二管路上设有第二电磁阀。
所述第一真空室上设有第一真空计和第一放气阀,所述入气管路上沿着气体传输方向依次设有第一真空流量计、入气电磁阀和入气压力表,所述出气管路上沿着气体传输方向依次设有出气压力表、出气电磁阀和第二真空流量计,在所述第二真空室上设有第二真空计和第二放气阀。
所述脉冲激光器发出的脉冲激光经过一个反射片垂直反射后射入所述片光源中。
所述脉冲激光器通过线路与所述同步控制器相连,所述同步控制器和CCD相机分别通过线路与一个计算机相连。
一种所述干式真空泵内部流场测量系统的测量方法,其特征在于:
进行透明干式真空泵抽气稳态测试时,第一真空泵组和第二真空泵组停机,且第一电磁阀和第二电磁阀关闭,入气电磁阀和出气电磁阀开启,透明干式真空泵启动抽气吸入示踪粒子,抽气过程稳定后,脉冲激光器发出脉冲激光,且脉冲激光经过片光源发散后射入所述透明干式真空泵中,然后CCD相机对准透明干式真空泵内的待测区域拍照记录下脉冲激光曝光时粒子的图像用于分析;
进行多级真空泵的单级泵腔抽气测试时,先打开第一电磁阀和第二电磁阀,并且启动第一真空泵组和第二真空泵组,使第一真空室和第二真空室内抽到所需压力,然后打开入气电磁阀和出气电磁阀,并启动透明干式真空泵开始抽气,抽气过程稳定后,脉冲激光器发出脉冲激光,且脉冲激光经过片光源发散后射入所述透明干式真空泵中,然后CCD相机对准透明干式真空泵内的待测区域拍照记录下脉冲激光曝光时粒子的图像用于分析。
进行透明干式真空泵抽气稳态测试以及进行多级真空泵的单级泵腔抽气测试时,CCD相机均拍照记录下两次脉冲激光曝光时粒子的图像用于分析。
本发明的优点与积极效果为:
1、本发明利用示踪粒子、脉冲激光器和CCD相机获得透明干式真空泵在正常抽气过程中泵腔流场内的气体流动特性,能够准确获得流场气流涡结构特征及其演化形式和剪应力的变化及分布形式。
2、本发明设有第一真空室和第二真空室模拟单级泵腔抽气时的前级压力和排气压力,从而完成多级泵抽气过程中单级泵腔的流场测量。
附图说明
图1为本发明的示意图,
图2为图1中的透明干式真空泵示意图,
图3为图1中透明干式真空泵内部流场形状的截面示意图。
其中,1-示踪粒子发生器,2-示踪粒子混合舱,3-第一真空室,4-第一真空泵组,5-透明干式真空泵,6-第二真空室,7-第二真空泵组,8-脉冲激光器,9-片光源,10-同步控制器,11-计算机,12-CCD相机,13-第一电磁阀,14-第一真空计,15-第一放气阀,16-第一真空流量计,17-入气电磁阀,18-入气压力表,19-出气压力表,20-出气电磁阀,21-第二真空流量计,22-第二真空计,23-第二放气阀,24-第二电磁阀,25-左轴承压盖,26-左轴承座,27-泵腔,28-右轴承座,29-右轴承压盖,30-右端盖,31-主动轴,32-从动轴,33-转子,34为反射片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
如图1所示,本发明包括示踪粒子发生组件、透明干式真空泵5、脉冲激光器8、片光源9、CCD相机12和同步控制器10,其中脉冲激光器8发出的脉冲激光经片光源9发散后射入透明干式真空泵5的泵腔27内,CCD相机12设于透明干式真空泵5一侧且镜头方向与所述片光源9的照射方向垂直并对准所述泵腔27内的待测区域,所述脉冲激光器8和CCD相机12通过所述同步控制器10控制。所述脉冲激光器8、CCD相机12和同步控制器10均为本领域公知技术。
如图2所示,所述透明干式真空泵5包括泵腔27、转子33、主动轴31和从动轴32,所述泵腔27左侧设有左轴承座26和左轴承压盖25,右侧设有右轴承座28、右轴承压盖29和右端盖30,两个转子33分别安装在主动轴31和从动轴32上,且所述主动轴31和从动轴32穿过所述左轴承座26和左轴承压盖25与动力机构相连,上述真空泵结构为本领域公知技术。本发明中,所述透明干式真空泵5的主动轴31和从动轴32采用不锈钢材料制成,所述右轴承座28、右轴承压盖29和右端盖30以及泵腔27均采用全透明有机玻璃材料制造,使透明干式真空泵5的泵腔27内部流场清晰可见,片光源9发出的光由右端盖30一侧射入,CCD相机12设于透明干式真空泵5一侧且镜头方向垂直于泵腔27的轴向,端盖、轴承盖及其他密封件不会影响拍摄。如图3所示,两个转子33是一对非透明金属材料铸造加工成的八字形回转体,两个转子以180度的相位角相互啮合,与透明泵腔27形成位置发生周期变化的内部流场,作为吸气腔和排气腔进行抽气过程,这些吸气腔和排气腔即所测试的内部流场区域。
本发明进行透明干式真空泵5抽气稳态测试时,透明干式真空泵5抽气吸入示踪粒子,待抽气过程稳定后,同步控制器10控制打开脉冲激光器8,脉冲激光器8发出的激光经过片光源9发散后照射入所述透明干式真空泵5中,然后利用同步控制器10控制CCD相机12对准透明干式真空泵5内的待测区域拍照,利用示踪粒子对光的散射作用,记录下两次脉冲激光曝光时粒子的图像,从而形成整个待测区域的两幅PIV底片(即对同一待测区域、不同时刻的图片),CCD相机能够记录到的透明干式真空泵5内部流场形状的截面图如图3所示。
如图1所示,在所述示踪粒子发生组件与透明干式真空泵5之间设有第一真空室3,且所述第一真空室3通过入气管路与所述透明干式真空泵5的入气端相连,在所述入气管路上设有入气电磁阀17,所述透明干式真空泵5的出气端通过出气管路与一个第二真空室6相连,且所述出气管路上设有出气电磁阀20,所述第一真空室3通过第一管路与一个第一真空泵组4相连,且在所述第一管路上设有第一电磁阀13,所述第二真空室6通过第二管路与一个第二真空泵组7相连,且在所述第二管路上设有第二电磁阀24。
本发明可进行多级真空泵的单级泵腔抽气测试,测试时先打开第一电磁阀13和第二电磁阀24且第一真空泵组4和第二真空泵组7启动,使第一真空室3和第二真空室6内抽到所需压力,以模拟单级泵腔抽气时的前级压力和排气压力,然后打开入气电磁阀17和出气电磁阀20,使透明干式真空泵5开始抽气,示踪粒子由所述示踪粒子发生组件发射后经过所述第一真空室3进入透明干式真空泵5的泵腔27内充满整个内流场,并由CCD相机12拍照。
如图1所示,在所述第一真空室3上设有第一真空计14和第一放气阀15,所述第一真空室3通过入气管路与所述透明干式真空泵5的入气端相连,且在所述入气管路上沿着气体传输方向依次设有第一真空流量计16、入气电磁阀17和入气压力表18,所述透明干式真空泵5的出气端通过出气管路与一个第二真空室6相连,且在所述出气管路上沿着气体传输方向依次设有出气压力表19、出气电磁阀20和第二真空流量计21,在所述第二真空室6上设有第二真空计22和第二放气阀23。第一真空室3和第二真空室6分别通过第一真空计14和第二真空计22实时监测室内真空度,第一真空流量计16和入气压力表18实时监测透明干式真空泵5的入气流量和入气压力,第二真空流量计21和出气压力表19实时监测透明干式真空泵5的出气流量和出气压力。所述各个电磁阀、真空计、放气阀、压力表和真空流量计均为本领域公知技术。
如图1所示,所述示踪粒子发生组件包括示踪粒子发生器1和示踪粒子混合舱2,所述示踪粒子发生器1的粒子输出端设于示踪粒子混合舱2内,所述示踪粒子混合舱2设于所述第一真空室3远离所述入气管路一侧。所述示踪粒子发生组件为本领域公知技术。
如图1所示,所述脉冲激光器8发出的脉冲激光经过一个反射片34垂直反射后射入所述片光源9中,本实施例中,所述片光源9为一个凸透镜。
如图1所示,所述脉冲激光器8通过线路与所述同步控制器10相连,所述同步控制器10和CCD相机12分别通过线路与一个计算机11相连,CCD相机12所拍摄的图像即传入所述计算机11中进行分析计算。
本发明的工作原理为:
本发明进行透明干式真空泵5抽气稳态测试时,打开示踪粒子发生器1使示踪粒子进入示踪粒子混合舱2中混合,此时第一真空泵组4和第二真空泵组7处于停机状态,且第一电磁阀13和第二电磁阀24关闭,示踪粒子直接经过第一真空室3后进入透明干式真空泵5入气端的入气管路中,入气电磁阀17和出气电磁阀20通电打开并且透明干式真空泵5启动,使内部流场透明可视的透明干式真空泵5开始抽气吸入示踪粒子,并使示踪粒子充满整个流场,待抽气过程稳定后,同步控制器10控制打开脉冲激光器8,脉冲激光器8发出的脉冲激光经过片光源9发散后射入所述透明干式真空泵5中,然后利用同步控制器10控制CCD相机12对准透明干式真空泵5内的待测区域拍照,利用示踪粒子对光的散射作用,记录下两次脉冲激光曝光时粒子的图像,从而形成整个待测区域的两幅PIV底片(即对同一待测区域、不同时刻的图片),并将所拍摄的图像传入计算机11中进行分析。本发明采用图像处理技术将所得的图像分成许多很小的区域(称为查问区),使用自相关或互相关统计技术求取查问区内粒子位移的大小和方向,脉冲激光间隔时间已设定,粒子的速度矢量即可求出,对查问区所有粒子的数据进行统计平均可得该查问区的速度矢量,对所有查问区进行上述判定和统计可得出整个速度矢量场,本发明利用Insight软件进行上述分析并可同时获得流场气流涡结构特征及其演化形式和剪应力的变化及分布形式。
本发明还可以进行多级真空泵的单级泵腔抽气测试,测试时先打开第一电磁阀13和第二电磁阀24,并且启动第一真空泵组4和第二真空泵组7,使第一真空室3和第二真空室6内抽到所需压力,以模拟单级泵腔抽气时的前级压力和排气压力,然后打开入气电磁阀17和出气电磁阀20,并使透明干式真空泵5启动开始抽气,示踪粒子由所述示踪粒子发生组件发射后经过所述第一真空室3进入透明干式真空泵5的泵腔27内充满整个内流场,然后脉冲激光器8发出脉冲激光并经过片光源9发散后射入所述透明干式真空泵5中,然后CCD相机12记录拍照,利用示踪粒子对光的散射作用,记录下两次脉冲激光曝光时粒子的图像,从而形成整个待测区域的两幅PIV底片(即对同一待测区域、不同时刻的图片),并将所拍摄的图像传入计算机11中进行分析。
Claims (8)
1.一种干式真空泵内部流场测量系统,其特征在于:包括示踪粒子发生组件、透明干式真空泵(5)、脉冲激光器(8)、片光源(9)、CCD相机(12)和同步控制器(10),其中脉冲激光器(8)发出的脉冲激光经片光源(9)后射入透明干式真空泵(5)的泵腔(27)内,CCD相机(12)设于透明干式真空泵(5)一侧且镜头方向与所述片光源(9)的照射方向垂直,所述脉冲激光器(8)和CCD相机(12)通过所述同步控制器(10)控制。
2.根据权利要求1所述的干式真空泵内部流场测量系统,其特征在于:所述透明干式真空泵(5)的泵腔(27)右侧设有右轴承座(28)、右轴承压盖(29)和右端盖(30),且所述右轴承座(28)、右轴承压盖(29)、右端盖(30)以及泵腔(27)均采用全透明有机玻璃材料制造,片光源(9)发出的光由右端盖(30)一侧射入,CCD相机(12)镜头方向垂直于泵腔(27)的轴向。
3.根据权利要求1所述的干式真空泵内部流场测量系统,其特征在于:所述示踪粒子发生组件与透明干式真空泵(5)之间设有第一真空室(3),且所述第一真空室(3)通过入气管路与所述透明干式真空泵(5)的入气端相连,在所述入气管路上设有入气电磁阀(17),所述透明干式真空泵(5)的出气端通过出气管路与一个第二真空室(6)相连,且所述出气管路上设有出气电磁阀(20),所述第一真空室(3)通过第一管路与一个第一真空泵组(4)相连,且在所述第一管路上设有第一电磁阀(13),所述第二真空室(6)通过第二管路与一个第二真空泵组(7)相连,且在所述第二管路上设有第二电磁阀(24)。
4.根据权利要求3所述的干式真空泵内部流场测量系统,其特征在于:所述第一真空室(3)上设有第一真空计(14)和第一放气阀(15),所述入气管路上沿着气体传输方向依次设有第一真空流量计(16)、入气电磁阀(17)和入气压力表(18),所述出气管路上沿着气体传输方向依次设有出气压力表(19)、出气电磁阀(20)和第二真空流量计(21),在所述第二真空室(6)上设有第二真空计(22)和第二放气阀(23)。
5.根据权利要求1所述的干式真空泵内部流场测量系统,其特征在于:所述脉冲激光器(8)发出的脉冲激光经过一个反射片(34)垂直反射后射入所述片光源(9)中。
6.根据权利要求1所述的干式真空泵内部流场测量系统,其特征在于:所述脉冲激光器(8)通过线路与所述同步控制器(10)相连,所述同步控制器(10)和CCD相机(12)分别通过线路与一个计算机(11)相连。
7.一种根据权利要求3所述的干式真空泵内部流场测量系统的测量方法,其特征在于:
进行透明干式真空泵(5)抽气稳态测试时,第一真空泵组(4)和第二真空泵组(7)停机,且第一电磁阀(13)和第二电磁阀(24)关闭,入气电磁阀(17)和出气电磁阀(20)开启,透明干式真空泵(5)启动抽气吸入示踪粒子,抽气过程稳定后,脉冲激光器(8)发出脉冲激光,且脉冲激光经过片光源(9)发散后射入所述透明干式真空泵(5)中,然后CCD相机(12)对准透明干式真空泵(5)内的待测区域拍照记录下脉冲激光曝光时粒子的图像用于分析;
进行多级真空泵的单级泵腔抽气测试时,先打开第一电磁阀(13)和第二电磁阀(24),并且启动第一真空泵组(4)和第二真空泵组(7),使第一真空室(3)和第二真空室(6)内抽到所需压力,然后打开入气电磁阀(17)和出气电磁阀(20),并启动透明干式真空泵(5)开始抽气,抽气过程稳定后,脉冲激光器(8)发出脉冲激光,且脉冲激光经过片光源(9)发散后射入所述透明干式真空泵(5)中,然后CCD相机(12)对准透明干式真空泵(5)内的待测区域拍照记录下脉冲激光曝光时粒子的图像用于分析。
8.根据权利要求7所述的干式真空泵内部流场测量系统的测量方法,其特征在于:进行透明干式真空泵(5)抽气稳态测试以及进行多级真空泵的单级泵腔抽气测试时,CCD相机(12)均拍照记录下两次脉冲激光曝光时粒子的图像用于分析。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200703 |