CN111412867A - 一种板式热交换器板片结构测量装置及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种板式热交换器板片测量装置及测量方法，该装置包括测试平台、移动滑轨、机械定位机构、光栅摄像装置、激光定位装置和计算机，移动滑轨安装在测试平台一侧，机械定位机构一端竖向活动安装在移动滑轨内，光栅摄像装置和激光定位装置安装在机械定位机构另一端。激光定位装置获取初始位置，生成定位信息；机械定位机构同步带动光栅摄像装置和激光定位装置移动，生成移动轨迹信息；光栅摄像装置向板片投影余弦条纹图像，根据获取待测板片表面实际条纹图像，计算获取换热器板片结构参数。本发明的测量方法及装置能够实现板式热交换器板片的结构参数的快速准确的测量，极大提高了板式热交换器板片结构参数的测量精度。

Description

一种板式热交换器板片结构测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及板片检测技术领域，具体涉及一种板式热交换器板片结构测量装置及测量方法。
背景技术
热交换是在具有不同温度的两种或两种以上流体之间传递热量的设备，是开发利用工业二次能源、实现余热回收和节能减排的主要设备。但是，热交换器本身也是耗能大户，耗能量占工业用能13％～15％。
目前针对板式热交换器板片的结构参数测量环节完全依赖人工测量，由此带来一系列难以解决的问题：
1)由于人员素质水平的差别，不同人员或者不同状态下，板式热交换器板片的结构参数测量数据具有一定的波动性，由于人员疏忽往往要重新测量，返工带来了人力与资源成本的浪费；
2)由于板式热交换器板片的结构特点，主传热区为强化传热作用被加工成人字型波纹结构，而导流区为分流作用被加工成不规则的巧克力结构；再由于不同使用条件的要求，角孔孔径以及中心距会发生相应变化，特别是主传热区由于换热介质流量分配等原因被加工成不等圆角的波纹结构。板片的主传热区结构示意图见图2，板片的导流区结构示意图见图3，可以看出，板片的主传热区的有效传热面积不容易准确测量，特别是导流区的有效传热面积无法测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于莫尔条纹投影轮廓技术以及计算机图形处理技术的基于莫尔技术的板式热交换器板片测量装置及测量方法，能够实现板式热交换器板片的结构参数的快速准确的测量。
本发明为达到上述目的，具体通过以下技术方案得以实现的：
一种板式热交换器板片结构测量装置，包括测试平台、移动滑轨、机械定位机构、光栅摄像装置、激光定位装置和计算机，移动滑轨安装在测试平台一侧，机械定位机构一端竖向活动安装在移动滑轨内，光栅摄像装置和激光定位装置安装在机械定位机构另一端，机械定位机构、光栅摄像装置和激光定位装置分别与计算机数据连接。
进一步地，光栅摄像装置包括投影仪和CCD摄像机，投影仪与CCD摄像机位于同一平面内并与测试平台平行，CCD摄像机的光轴垂直于测试平台，且与投影仪光轴相交于测试平台上的一点。
本发明还提供一种利用上述任一板式热交换器板片结构测量装置的板式热交换器板片结构测量方法，包括以下步骤：
步骤1、激光定位装置获取板待测片的初始定位位置为A1，设定平面坐标为(x0，y0)，生成定位信息；
步骤2、机械定位机构同步带动光栅摄像装置和激光定位装置移动至A2，生成移动轨迹信息；
步骤3、光栅摄像装置向板片投影余弦条纹图像，并获取待测板片表面每一投射点的实际条纹图像，根据实际条纹图像产生数字相移莫尔条纹，提取相位信息，形成板片的三维面形的实际高度信息；
步骤4、通过对三维面形的高度信息计算面积分，获得待测板片的主传热区和导流区的有效传热面积；根据定位信息和移动轨迹信息，计算获取换热器板片结构参数。
进一步地，所述换热器板片结构参数包括外廓长度与宽度，角孔孔径，纵向中心距，横向中心距，以及主传热区法向节距与波纹夹角。
进一步地，步骤2中，激光定位装置沿机械定位机构移至A2，通过机械定位机构确定移动后位置的平面坐标(x，y)，则移动距离为x＝x-x0，y＝y-y0，即得移动轨迹信息。
进一步地，当激光定位装置发生角度偏转，通过机械定位机构记录偏转角度∠B2A1B1，则移动距离为x(y)＝A1B1·tan∠B2A1B1，修正移动轨迹信息。
进一步地，光栅摄像装置包括投影仪和CCD摄像机，投影仪与CCD摄像机位于同一平面P1内沿水平方向放置，参考平面P2为待测板片放置平面且与平面P1始终保持平行，CCD摄像机的光轴垂直于参考平面P2，并且与投影仪光轴相交于参考平面P2上的一点。
进一步地，步骤3中，投影仪发出余弦投影条纹并投影到待测板片表面，投影条纹受到待测板片表面面形调制，形成物体表面的(x，y)点的实际高度信息，实际高度信息的计算公式为：
Figure BDA0002478941860000031
上式中，l为投影仪光栅出瞳与CCD摄像机入瞳的水平距离，L为投影光栅与CCD摄像机所在平面P1与参考平面P2的垂直距离，
Figure BDA0002478941860000032
为CCD摄像机记录的经待测板片表面面形调制的相位差，f0为余弦投影条纹频率，x与y分别为光线在待测板片表面投射点的平面x坐标与平面y坐标。
进一步地，所述条纹图像信息的计算公式为：
Figure BDA0002478941860000041
这里，a(x，y)为背景光强，b(x，y)为条纹的调制振幅，noise为噪声；
所述相位信息通过计算机处理，用广义Morse小波作为母小波对条纹图像I(x，y)进行连续小波变换得到，变换公式为：
Figure BDA0002478941860000042
这里，ψ*是ψ的复共轭，对于确定的光线在待测板片表面的某一投射点y为常数，s为缩放尺度因子，t为平移变换因子，ψt(s，t)反应条纹图像与小波序列ψs，t(x)的相似程度，系数越大越相似；
所述相位计算公式为
Figure BDA0002478941860000043
其中，Real(Wt(s，t))是小波变换的实部，Imag(Wt(s，t))是小波变换的虚部，由此结合
Figure BDA0002478941860000044
可以得出每一投射点的高度信息。
本发明的测量方法及装置能够实现板式热交换器板片的结构参数的快速准确的测量，并从根本上解决板片导流区有效传热面积无法测量的问题，极大提高了板式热交换器板片结构参数的测量精度，从而也极大提高了板式热交换器性能测试与能效评价的科学性。
附图说明
图1为本发明测量装置的结构示意图。
图2为光栅摄像机拍照过程物象转换关系原理示意图；
图3为空间几何测量原理示意图。
图中，1、测试平台；2、移动滑轨；3、机械定位机构；4、光栅摄像装置；41、投影仪；42、CCD摄像机；5、激光定位装置；6、待测板片；61、主传热区；62、导流区；63、角孔。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1至图3所示，本发明的一种板式热交换器板片结构测量装置，包括测试平台1、移动滑轨2、机械定位机构3、光栅摄像装置4、激光定位装置5和计算机，测试平台1可水平放置，移动滑轨2安装在测试平台1一侧，机械定位机构3一端竖向活动安装在移动滑轨2内，光栅摄像装置4和激光定位装置5安装在机械定位机构3另一端，机械定位机构3、光栅摄像装置4和激光定位装置5分别与计算机数据连接，将数据传输给计算机后进行数据计算。
在一具体实施例中，光栅摄像装置4包括投影仪41和CCD摄像机42，投影仪41与CCD摄像机42位于同一平面内并与测试平台1平行，CCD摄像机42的光轴垂直于测试平台1，且与投影仪41光轴相交于测试平台1上的一点。板式热交换器的待测板片6放置在测试平台1上，激光定位装置5发出定位激光，获得定位信息，并将定位信息传输给计算机。光栅摄像装置4可以对待测板片发出条纹图像并拍照获得实际条纹图像信息，并将信息传输给计算机。光栅摄像装置4与激光定位装置5通过机械定位机构2同步移动，并且移动轨迹信息可以通过机械定位机构3确定，移动轨迹信息传输给计算机。计算机通过计算程序，对输入的板式热交换器板片的定位信息与实际条纹图像，并结合光栅摄像装置4与激光定位装置5的移动轨迹信息，处理得到换热器板片结构参数。其中，三维面形信息通过计算机图形处理得出，即为函数图像h(x，y)，此时对函数图像h(x，y)上的相应坐标点，通过线段测量可以获得板式热交换器板片的外形长度、宽度，角孔63的孔径，纵向中心距，横向中心距，主传热区61的法向节距；通过角度测量可以获得主传热区61波纹夹角和法向节距；通过对函数图像h(x，y)计算面积分，可以获得主传热区61与导流区62的有效传热面积。
本发明还提供一种利用上述任一板式热交换器板片结构测量装置的板式热交换器板片结构测量方法，包括以下步骤：
步骤1、激光定位装置5获取初始位置为A1，设定平面坐标为(x0，y0)，生成定位信息，将定位信息传输给计算机。
步骤2、机械定位机构3同步带动光栅摄像装置4和激光定位装置5移动至A2，生成移动轨迹信息，将移动轨迹信息传输给计算机。定位信息与移动轨迹信息，通过激光定位装置5发射的定位激光以及机械定位机构3记录的空间位移，并且结合空间几何测量方法获得。
步骤3、光栅摄像装置4向板片投影余弦条纹图像，并获取待测板片6表面每一投射点的实际条纹图像，根据实际条纹图像产生数字相移莫尔条纹，提取相位信息，形成板片的三维面形的实际高度信息；投影余弦条纹图像为单幅变形条纹，通过计算机产生数字相移莫尔条纹，并且采用相移算法分析提取相位信息；
步骤4、通过对三维面形的高度信息计算面积分，获得待测板片的6主传热区61和导流区62的有效传热面积；根据定位信息和移动轨迹信息，计算获取换热器板片结构参数。具体的，换热器板片结构参数包括外廓长度与宽度，角孔63孔径，纵向中心距，横向中心距，以及主传热区61法向节距与波纹夹角。
在一具体实施例中，步骤2中，激光定位装置5沿机械定位机构3移至A2，通过机械定位机构3确定移动后位置的平面坐标(x，y)，则移动距离为x＝x-x0，y＝y-y0，即得移动轨迹信息。进一步地，当激光定位装置5发生角度偏转，通过机械定位机构3记录偏转角度∠B2A1B1，则移动距离为x(y)＝A1B1·tan∠B2A1B1，修正移动轨迹信息。
在一具体实施例中，光栅摄像装置4包括投影仪41和CCD摄像机42，投影仪与CCD摄像机位于同一平面P1内沿水平方向放置，参考平面P2为待测板片6放置平面且与平面P1始终保持平行，CCD摄像机32的光轴垂直于参考平面P2，并且与投影仪41光轴相交于参考平面P2上的一点。参考平面P2即为测量平台1。
在一具体实施例中，步骤3中，投影仪41发出余弦投影条纹并投影到待测板片6表面，投影条纹受到待测板片6表面面形调制，形成物体表面的(x，y)点的实际高度信息，实际高度信息的计算公式为：
Figure BDA0002478941860000071
上式中，l为投影仪光栅出瞳与CCD摄像机入瞳的水平距离，L为投影光栅与CCD摄像机42所在平面P1与参考平面P2的垂直距离，
Figure BDA0002478941860000072
为CCD摄像机42记录的经待测板片表面面形调制的相位差，f0为余弦投影条纹频率，x与y分别为光线在待测板片6表面投射点的平面x坐标与平面y坐标。通过提取余弦投影条纹和变形条纹每一个投射点的相位，计算相位差，就可以求出被测物体表面的高度轮廓。
在一具体实施例中，条纹图像信息的计算公式为：
Figure BDA0002478941860000081
这里，a(x，y)为背景光强，b(x，y)为条纹的调制振幅，noise为噪声；
所述相位信息通过计算机处理，用广义Morse小波作为母小波对条纹图像I(x，y)进行连续小波变换得到，变换公式为：
Figure BDA0002478941860000082
其中，ψ*是ψ的复共轭，对于确定的光线在待测板片表面的某一投射点y为常数，s为缩放尺度因子，t为平移变换因子，ψt(s，t)反应条纹图像与小波序列ψs，t(x)的相似程度，系数越大越相似；
相位计算公式为
Figure BDA0002478941860000083
其中，Real(Wt(s，t))是小波变换的实部，Imag(Wt(s，t))是小波变换的虚部，由此结合
Figure BDA0002478941860000084
可以得出每一投射点的高度信息。再通过对函数图像h(x，y)计算面积分，可以获得主传热区61与导流区62的有效传热面积。
本发明中的具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (9)

1.一种板式热交换器板片结构测量装置，其特征在于，包括测试平台(1)、移动滑轨(2)、机械定位机构(3)、光栅摄像装置(4)、激光定位装置(5)和计算机，移动滑轨安装在测试平台一侧，机械定位机构一端竖向活动安装在移动滑轨内，光栅摄像装置和激光定位装置安装在机械定位机构另一端，机械定位机构、光栅摄像装置和激光定位装置分别与计算机数据连接。
2.根据权利要求1所述的板式热交换器板片结构测量装置，其特征在于，光栅摄像装置包括投影仪(41)和CCD摄像机(42)，投影仪与CCD摄像机位于同一平面内并与测试平台平行，CCD摄像机的光轴垂直于测试平台，且与投影仪光轴相交于测试平台上的一点。
3.一种利用权利要求1或2所述板式热交换器板片结构测量装置的板式热交换器板片结构测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、激光定位装置获取板待测片的初始定位位置为A1，设定其平面坐标为(x0，y0)，生成定位信息；
步骤2、机械定位机构同步带动光栅摄像装置和激光定位装置移动至A2，生成移动轨迹信息；
步骤3、光栅摄像装置向板片投影余弦条纹图像，并获取待测板片表面每一投射点的实际条纹图像，根据实际条纹图像产生数字相移莫尔条纹，提取相位信息，形成板片的三维面形的实际高度信息；
步骤4、通过对三维面形的高度信息计算面积分，获得待测板片的主传热区和导流区的有效传热面积；根据定位信息和移动轨迹信息，计算获取换热器板片结构参数。
4.根据权利要求3所述板式热交换器板片结构测量方法，其特征在于，所述换热器板片结构参数包括外廓长度与宽度，角孔孔径，纵向中心距，横向中心距，以及主传热区法向节距与波纹夹角。
5.根据权利要求3所述板式热交换器板片结构测量方法，其特征在于，步骤2中，激光定位装置沿机械定位机构移至A2，通过机械定位机构确定移动后位置的平面坐标(x，y)，则移动距离为x＝x-x0，y＝y-y0，即得移动轨迹信息。
6.根据权利要求5所述板式热交换器板片结构测量方法，其特征在于，当激光定位装置发生角度偏转，通过机械定位机构记录偏转角度∠B2A1B1，则移动距离为x(y)＝A1B1·tan∠B2A1B1，修正移动轨迹信息。
7.根据权利要求3所述板式热交换器板片结构测量方法，其特征在于，光栅摄像装置包括投影仪和CCD摄像机，投影仪与CCD摄像机位于同一平面P1内沿水平方向放置，参考平面P2为待测板片放置平面且与平面P1始终保持平行，CCD摄像机的光轴垂直于参考平面P2，并且与投影仪光轴相交于参考平面P2上的一点。
8.根据权利要求3所述板式热交换器板片结构测量方法，其特征在于，步骤3中，投影仪发出余弦投影条纹并投影到待测板片表面，投影条纹受到待测板片表面面形调制，形成物体表面的(x，y)点的实际高度信息，实际高度信息的计算公式为：
Figure FDA0002478941850000021
上式中，l为投影仪光栅出瞳与CCD摄像机入瞳的水平距离，L为投影光栅与CCD摄像机所在平面P1与参考平面P2的垂直距离，
Figure FDA0002478941850000022
为CCD摄像机记录的经待测板片表面面形调制的相位差，f0为余弦投影条纹频率，x与y分别为光线在待测板片表面投射点的平面x坐标与平面y坐标。
9.根据权利要求3所述板式热交换器板片结构测量方法，其特征在于，所述条纹图像信息的计算公式为：
Figure FDA0002478941850000031
这里，a(x，y)为背景光强，b(x，y)为条纹的调制振幅，noise为噪声；
所述相位信息通过计算机处理，用广义Morse小波作为母小波对条纹图像I(x，y)进行连续小波变换得到，变换公式为：
Figure FDA0002478941850000032
这里，ψ*是ψ的复共轭，对于确定的光线在待测板片表面的某一投射点y为常数，s为缩放尺度因子，t为平移变换因子，ψt(s，t)反应条纹图像与小波序列ψs，t(x)的相似程度，系数越大越相似；
所述相位计算公式为
Figure FDA0002478941850000033
其中，Real(Wt(s，t))是小波变换的实部，Imag(Wt(s，t))是小波变换的虚部，由此结合
Figure FDA0002478941850000034
可以得出每一投射点的高度信息。
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CN114812400A (zh) * 2022-04-26 2022-07-29 杭州电子科技大学 一种板翅式换热器翅片成型工艺参数在线检测方法
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