CN111608927A - 一种离心泵流场-压力场-声场同步测量的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离心泵流场‑压力场‑声场同步测量的装置和方法，涉及离心泵物理参量同步测量技术领域，同步测量装置包括试验测量装置与同步测试系统，试验测量装置包括透明离心泵、变频电机、各个管路、消声水筒组件和节流阀；同步测试系统包括透明离心泵、双腔高频脉冲激光器、片光源镜头、高速相机、同步控制器、流场速度图像采集计算机、编码器、分频器、脉动压力传感器、水听器、信号处理电路、数据采集卡和流场信号采集计算机；通过试验测量装置与同步测试系统的配合，解决了脉动压力信号、水声信号与流场速度图像在时间序列上采样点的同步选取问题，为离心泵多物理场参数关联性分析及流致声源模型建立提供有效的数据信息。

Description

一种离心泵流场-压力场-声场同步测量的装置和方法

技术领域

本发明涉及离心泵物理参量同步测量技术领域，尤其是一种离心泵流场-压力场-声场同步测量的装置和方法。

背景技术

离心泵是舰船系统中应用数量最多的辅机设备之一，用于轴系冷却、疏水等多个管路系统，是管路系统中主要的流噪声源。离心泵内流体的漩涡、二次流及动静干涉引发的压力脉动会产生流致噪声和泵体振动，为提高离心泵运行的高效性、稳定性、可靠性及低振动性，应将离心泵内部流场结构与压力脉动、声源特性进行关联性分析，并建立离心泵的流致声源模型，这对于离心泵低噪声结构的设计优化、运行效率的提高具有重要的意义。

目前可查的文献资料中，任芸的《离心泵内部不稳定流动的PIV测试》和唐晓晨的《离心泵叶轮导叶动静干涉的PIV测试》论文中采用的PIV测试离心泵不稳定流动结构，是采用同步器、同步脉冲激光器与CCD相机，文中编码器的作用是对叶轮进行锁相处理，以便找准叶轮旋转时的相位，为同相位下流场速度的平均提供测试方法，但这种方法不可用于离心泵内流场PIV测试、压力脉动及水声测试的同步采集，而且无法实现离心泵流场速度图像采集与压力脉动信号采集及水声信号在时间序列上选取同步采样点的问题。因此，需研制出一种能同时满足离心泵在不同水力状态下运行时内部流场特性、压力脉动及进出端口声特性测试的试验装置、同步测试系统和测试方法，来实现离心泵叶轮整转信号截取及流场速度图像与压力脉动、水声信号在时间序列上采样点的同步选取，是后续离心泵多物理场参数关联性分析及流致声源模型建立的关键技术。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种离心泵流场-压力场-声场同步测量的装置和方法，通过试验测量装置与同步测试系统的配合，解决了流场速度图像与脉动压力信号、水声信号在时间序列上采样点的同步选取问题，从而为离心泵多物理场参数关联性分析及流致声源模型建立提供更准确有效的数据信息。

本发明的技术方案如下：

一种离心泵流场-压力场-声场同步测量的装置，同步测量装置包括试验测量装置与同步测试系统；试验测量装置包括透明离心泵、变频电机、进水管路、出水管路、中间管路、消声水筒组件和节流阀，透明离心泵包括蜗壳、泵轴、置于蜗壳内的叶轮、置于蜗壳上的出水口和螺旋式进水室，螺旋式进水室为三通形式，分别连接进水管路的一端、蜗壳背面和变频电机，泵轴穿过螺旋式进水室后，泵轴的一端连接叶轮、另一端连接变频电机，进水管路的另一端连接消声水筒组件的一端，出水口连接出水管路的一端、另一端通过第一中间管路连接消声水筒组件的另一端，通过透明离心泵与各个管路及消声水筒组件的连接形成试验回路，消声水筒组件包括开式消声水筒和闭式消声水筒，开式消声水筒和闭式消声水筒通过第二中间管路相连，消声水筒组件用于稳定试验回路的水流、消除流致噪声，开式消声水筒用于向试验回路投放示踪粒子，节流阀设置在第二中间管路上，用于调节试验回路的流量；

同步测试系统包括透明离心泵、双腔高频脉冲激光器、片光源镜头、高速相机、同步控制器、流场速度图像采集计算机、编码器、分频器、脉动压力传感器、水听器、信号处理电路、数据采集卡和流场信号采集计算机；双腔高频脉冲激光器设置在透明离心泵的侧面，片光源镜头安装在双腔高频脉冲激光器的发射端，用于将激光脉冲光束转化为扇形片光；高速相机设置在垂直于激光脉冲光束且正对透明离心泵的蜗壳正面，用于拍摄叶轮旋转面流场区域，高速相机包括三个信号传输端口，第一信号传输端口连接流场速度图像采集计算机，流场速度图像采集计算机用于设置高速相机的参数并存储分析流场速度图像，第二信号传输端口连接同步控制器，第三信号传输端口连接数据采集卡，用于向数据采集卡传输相机电压信号；同步控制器还连接双腔高频脉冲激光器，同步控制器用于设置双腔高频脉冲激光器的参数以及同步控制双腔高频脉冲激光器和高速相机的时序；编码器套设在泵轴上，编码器通过分频器连接数据采集卡，分频器用于调整编码器的脉冲数，以满足同步测试系统的所需脉冲数；脉动压力传感器均匀分布在蜗壳的内表面，用于测量透明离心泵的脉动压力信号，水听器分别安装在靠近螺旋式进水室的进水口的进水管路、靠近出水口的出水管路，用于测量透明离心泵的水声信号，脉动压力传感器和水听器均通过信号处理电路连接数据采集卡，数据采集卡与流场信号采集计算机相连；

同步测量装置用于透明离心泵的PIV测试、蜗壳壁面的压力脉动测试及进出水口的水声的同步测试。

其进一步的技术方案为，试验测量装置还包括基础和抑振结构，抑振结构包括抑振质量、管路刚性支撑和隔振沟；基础上设置有若干个T型槽，同步测量装置安装在基础上，透明离心泵通过第一隔振器安装在基础上，隔振沟围绕基础设置，用于阻隔外界对整个同步测量装置的振动影响，抑振质量分别安装在靠近水听器的进水管路和出水管路上，用于抑制管路管壁的振动并减小对管路的水声信号测试的影响，管路刚性支撑设置在各个管路下方并与T型槽固定连接，起到支撑试验回路的作用。

其进一步的技术方案为，开式消声水筒和闭式消声水筒的内表面设有消声结构，消声结构为消声瓦或者消声气囊，消声结构用于抑制节流阀的流致噪声。

一种离心泵流场-压力场-声场同步测量的方法，适用于上述的同步测量装置，该方法包括：

调试同步测量装置，使试验回路中无气泡；

设置同步测试系统的频率参数；

调节节流阀使透明离心泵运行在待测水力工况状态；

开启流场信号采集计算机使数据采集卡收集编码器输出的脉冲信号、脉动压力传感器采集的脉动压力信号和水听器采集的水声信号，若高速相机处于采集状态，则数据采集卡还收集第一相机电压信号，第一相机电压信号、脉冲信号、脉动压力信号和水声信号均为时间序列的数据点；

提取第一相机电压信号；

确定编码器每个脉冲的起点或终点对应的时间坐标位置；

截取透明离心泵的整转数据信息；

根据整转数据信息在时间坐标的位置，找到对应时间点的高速相机拍摄的流场速度图像；

提取脉动压力信号、水声信号与流场速度图像在时间序列上的同步采样点，达到时间序列上的完全同步。

其进一步的技术方案为，调试同步测量装置，使试验回路中无气泡，包括：

组装同步测量装置，在开式消声水筒中投放示踪粒子，调整双腔高频脉冲激光器达到预定光强，调整高速相机至预定拍摄流场区域，将节流阀调整至全开状态；

通过调节变频电机使透明离心泵运转直至蜗壳、叶轮及各个管路的流道内无气泡。

其进一步的技术方案为，设置同步测试系统的频率参数，包括：

在同步控制器上设置双腔高频脉冲激光器的激光发射频率和双脉冲激光的时间间隔，在流场速度图像采集计算机上设置高速相机的第一采样频率，在流场信号采集计算机上设置数据采集卡的第二采样频率，激光发射频率与第一采样频率相同。

其进一步的技术方案为，提取第一相机电压信号，包括：

提取第一相机电压信号，确定第一相机电压信号起始点的时间坐标并向后延续预定数量个采样点，以预定数量个采样点对应的时间坐标作为PIV测试、压力脉动测试及水声测试的起始时间。

其进一步的技术方案为，确定编码器每个脉冲的起点对应的时间坐标位置，包括：

首先，提取大于预定电压的编码器数据点，其中预定电压根据编码器脉冲的高低电压区的值进行设定，提取出的编码器数据点按照数据采集卡的采样时间顺序排列形成编码器数据点列，编码器数据点列包含了每个编码器脉冲的高电压区数据点，令集合N代表提取出的编码器数据点列；

其次，除了提取出的编码器数据点列的第一个编码器数据点外，根据N(i)>N(i-1)+2从其余提取出的编码器数据点列中筛选出编码器每个脉冲的起点，其中，N(i)代表提取出的编码器数据点列的第i个数据点的采样点序号，N(i-1)代表提取出的编码器数据点列中第i-1个数据点的采样点序号，若满足N(i)>N(i-1)+2，则确定N(i)为编码器脉冲的起点，起点的横坐标为编码器脉冲起点对应的时间坐标位置。

其进一步的技术方案为，截取透明离心泵的整转数据信息，包括：

确定编码器的分辨率为L线，透明离心泵的转速为R(r/s)，根据对应数据点的时间坐标，提取1秒内透明离心泵的整转数据信息，则有M＝R*L，其中M为1秒内透明离心泵的整转数据点列。

其进一步的技术方案为，根据整转数据信息在时间坐标的位置，找到对应时间点的高速相机拍摄的流场速度图像，包括：

首先设定流场频率为第一采样频率的一半，其次调整分频器使整转数据点列与流场频率相等，然后根据整转数据信息在时间坐标的位置，找到对应时间点的高速相机拍摄的流场速度图像。

本发明的有益技术效果是：

本申请的同步测量装置能够实现透明离心泵的水力工况调节、泵内蜗壳及叶轮流场的PIV测试、蜗壳壁面的压力脉动测试及进出水口的水声测试的试验条件，通过设置抑振结构满足了水声信号测试所要求的低背景噪声的测试环境，通过确定编码器各个脉冲信号的起点或终点实现了截取离心泵叶轮的整转数据信息，使原本独立的流场速度图像、脉动压力信号和水声信号能够在时间序列上选取同步采样点，实现了离心泵流场的PIV数据与压力场、声场数据在时间序列上的同步性，数据分析程序可固化，有效提升了离心泵多物理量的数据准确度及数据处理时效性，从而为离心泵多物理场参数关联性分析及流致声源模型建立提供更准确有效的数据信息。

附图说明

图1是本申请提供的试验测量装置的结构示意图。

图2是本申请提供的透明离心泵的俯视图。

图3是本申请提供的基础的俯视图。

图4是本申请提供的基础的剖视图。

图5是本申请提供的同步测试系统的原理图。

图6是本申请提供的透明离心泵叶轮及蜗壳流道内流场拍摄侧视图。

图7是本申请提供的同步测量装置的方法流程图。

图8是本申请提供的同步测量装置的数据处理流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种离心泵流场-压力场-声场同步测量的装置，同步测量装置包括试验测量装置与同步测试系统，结合图1-图6所示，试验测量装置包括透明离心泵、变频电机1、进水管路2、出水管路3、中间管路、消声水筒组件和节流阀5，可选的，还包括基础4、抑振结构、电磁流量计6和压差变送器16。透明离心泵包括蜗壳7、泵轴8、置于蜗壳7内的叶轮9、置于蜗壳7上的出水口10和螺旋式进水室11，可选的，叶轮9、蜗壳7、出水口10和螺旋式进水室11全部采用有机透明玻璃铸造，方便PIV测试时的拍摄和打光。螺旋式进水室11为三通形式，如图2所示，分别连接进水管路2的一端(也即进水口)、蜗壳7背面和变频电机1的联轴器法兰，具体的，与蜗壳7背面和变频电机1相连的两通角度为180°，与进水管路2相连的一通分别与另两通的角度呈90°。泵轴8穿过螺旋式进水室11后，泵轴8的一端连接叶轮9将其固定、另一端连接变频电机1。进水管路2的另一端连接消声水筒组件的一端，出水口10连接出水管路3的一端、另一端通过第一中间管路12连接消声水筒组件的另一端，通过透明离心泵与各个管路及消声水筒组件的连接形成试验回路，可选的，试验回路的各个管路和消声水筒组件均采用不锈钢材料，防止因管路管壁及组件生锈导致管内工质变浑浊，影响透明离心泵流场拍摄及水声信号的测量。消声水筒组件包括开式消声水筒13和闭式消声水筒14，开式消声水筒13和闭式消声水筒14通过第二中间管路15相连，节流阀5设置在第二中间管路15上，用于调节试验回路的流量。其中，开式消声水筒13和闭式消声水筒14的内表面设有消声结构，消声结构为消声瓦或者消声气囊，而且开式消声水筒13用于向试验回路投放示踪粒子，通过将第二中间管路15安装于闭式消声水筒14与开式消声水筒13之间，消声水筒组件稳定了试验回路的水流、消除了阀门流致噪声对透明离心泵水声信号测试的影响，提高了信噪比。在本申请中，并不限制开式消声水筒13和闭式消声水筒14与管路间的连接关系，比如，进水管路2的另一端连接开式消声水筒13，出水口10的另一端通过第一中间管路12连接闭式消声水筒14。或者，进水管路2的另一端连接闭式消声水筒14，出水口10的另一端通过第一中间管路12连接开式消声水筒13。

抑振结构包括抑振质量17、管路刚性支撑18和隔振沟19，如图3和图4所示，基础4形成过程为：在试验地面上挖一个大坑，坑底安装大型的第二隔振器35，第二隔振器35上面浇灌混凝土块形成基础4，基础4通过第二隔振器35与坑底隔离，基础4与周边的土地36隔离，形成隔振沟19，基础4上设置有若干个T型槽20。同步测量装置设置在基础4上，透明离心泵通过第一隔振器21安装在基础4上，隔振沟19围绕基础4设置，第一隔振器21用于隔离基础4对透明离心泵的影响，隔振沟19和第二隔振器35用于阻隔外界对整个同步测量装置的振动影响。抑振质量17分别安装在靠近水听器的进水管路2和出水管路3上，用于抑制管路管壁的振动并减小对管路的水声信号测试的影响，管路刚性支撑18设置在各个管路下方并与T型槽20固定连接，起到支撑试验回路的作用。

电磁流量计6设置在第一中间管路12或出水管路3上，用于测量靠近透明离心泵出水口端的流量，压差变送器16的一端连接透明离心泵的进水口、另一端连接透明离心泵的出水口10，用于测量并显示透明离心泵进出水口的静压压差。

如图5和图6所示，同步测试系统包括透明离心泵、双腔高频脉冲激光器22、片光源镜头23、高速相机24、同步控制器25、流场速度图像采集计算机26、编码器27、分频器28、脉动压力传感器29、水听器30、信号处理电路、数据采集卡31和流场信号采集计算机32。其中，双腔高频脉冲激光器22基于Vlite-Hi-35k型号实现，高速相机24基于LAB310型号实现，同步控制器25基于TSI 610036型号实现，编码器27基于SZGLK9032G2-1000BM-5-26K型号实现，脉动压力传感器29基于505AT型号实现，水听器30基于PCB 10CT型号实现，数据采集卡31基于NI PXI 4472型号实现。双腔高频脉冲激光器22设置在透明离心泵的侧面，双腔高频脉冲激光器22可完成双脉冲激光A、B的发射，在数据处理时，通过激光A、B打光的高速相机24拍摄的两张流场图片合成一张流场速度图像，片光源镜头23安装在双腔高频脉冲激光器22的发射端，用于将激光脉冲光束转化为扇形片光。高速相机24设置在垂直于激光脉冲光束且正对透明离心泵的蜗壳7正面，用于拍摄叶轮旋转面流场区域，高速相机24包括三个信号传输端口，第一信号传输端口1连接流场速度图像采集计算机26，流场速度图像采集计算机26用于设置高速相机24的参数并存储分析流场速度图像，其中设置参数包括：设置高速相机24的第一采样频率f_L、采样时间和采样起止指令。第二信号传输端口2连接同步控制器25，第三信号传输端口3连接数据采集卡31，用于向数据采集卡31传输相机电压信号。同步控制器25还连接双腔高频脉冲激光器22，同步控制器25用于设置双腔高频脉冲激光器22的参数以及同步控制双腔高频脉冲激光器22和高速相机24的时序。编码器27套设在泵轴8上，也即编码器27与变频电机1同轴设置，编码器27通过分频器28连接数据采集卡31，分频器28用于调整编码器的脉冲数，以满足同步测试系统的所需脉冲数。脉动压力传感器29均匀分布在蜗壳7的内表面并且齐平内表面安装，用于测量透明离心泵的脉动压力信号，水听器30分别安装在靠近螺旋式进水室11的进水口的进水管路2、靠近出水口10的出水管路3，且安装在管路底部并与管路齐平，用于测量透明离心泵的水声信号，如此安装可以减少水流对水听器30测量的干扰，使水听器30测得的水声信号更加稳定，脉动压力传感器29和水听器30均通过信号处理电路连接数据采集卡31，可选的，信号处理电路包括电压放大器33和电荷放大器34，其中，电压放大器33基于DH3840型号实现，电荷放大器34基于B&K 2692型号实现。脉动压力传感器29通过电压放大器33连接数据采集卡31，水听器30通过电荷放大器34连接数据采集卡31。数据采集卡31与流场信号采集计算机32相连，流场信号采集计算机32用于设置数据采集卡31的第二采样频率f_C。

本申请的同步测量装置能够实现透明离心泵的水力工况调节以及透明离心泵的PIV测试、蜗壳壁面的压力脉动测试及进出水口的水声的同步测试，通过抑振结构的“抑振作用”和消声水筒组件的“消音作用”满足了水声信号测试所要求的低背景噪声的测试环境，通过试验测量装置与同步测试系统的配合，解决了脉动压力信号、水声信号与流场速度图像在时间序列上采样点的同步选取问题。

本申请还公开了一种离心泵流场-压力场-声场同步测量的方法，适用于上述的同步测量装置，方法流程图如图7所示，该方法包括如下步骤：

步骤1：调试同步测量装置，使试验回路中无气泡。

(1)试验准备工作：组装同步测量装置，在试验回路中安装好透明离心泵，在进水管路2和出水管路3的水听器基座中安装水听器30，在透明离心泵的进水口和出水口10的测压孔中安装压差变送器16，在开式消声水筒13中投放示踪粒子，调整双腔高频脉冲激光器22达到预定光强，调整高速相机24至预定拍摄流场区域，将节流阀5调整至全开状态。

(2)调节试验回路直至无气泡：启动电源，调节变频电机1使透明离心泵运转，带动试验回路运作。打开管路及透明离心泵上的排气口，直至透明离心泵的蜗壳7、叶轮9及各个管路的流道内无气泡。

步骤2：设置同步测试系统的频率参数。

在同步控制器25上设置双腔高频脉冲激光器22的激光发射频率f_J和双脉冲激光A、B的时间间隔，在流场速度图像采集计算机26上设置高速相机24的第一采样频率f_L，在流场信号采集计算机32上设置数据采集卡31的第二采样频率f_C，激光发射频率f_J与第一采样频率f_L相同，第二采样频率f_C不低于5万(Hz/s)且为第一采样频率f_L的整10倍数。

步骤3：调节节流阀5使透明离心泵运行在待测水力工况状态。可选的，通过电磁流量计6记录管内流量，通过压差变送器16记录透明离心泵进出水口的静压压差数据。

步骤4：开启流场信号采集计算机32使数据采集卡31收集编码器27输出的脉冲信号、脉动压力传感器29采集的脉动压力信号和水听器30采集的水声信号，若高速相机24处于采集状态，则数据采集卡31还收集第一相机电压信号，第一相机电压信号、脉冲信号、脉动压力信号和水声信号均为时间序列的数据点。

具体的，高速相机24的第三信号传输端口3输出的相机电压信号会随着流场速度图像采集的开启与结束形成矩形波，如图8-1所示，通过矩形波的下降沿与上升沿判定PIV测试、压力脉动测试及水声测试的起止时间T1、T2。在本申请中，设定高速相机24处于采集状态时产生的第一相机电压信号为低压信号，高速相机24处于运行非采集状态时产生的第二相机电压信号为高压信号。

步骤5：提取第一相机电压信号。

提取第一相机电压信号，确定第一相机电压信号起始点的时间坐标并向后延续预定数量个采样点，以预定数量个采样点对应的时间坐标作为PIV测试、压力脉动测试及水声测试的起始时间。如图8-1所示，第一相机电压信号起始点也即相机电压信号矩形波的下降沿对应的时间点，预定数量个采样点设为50个采样点，50个采样点对应的时间坐标为T1。

步骤6：确定编码器27每个脉冲的起点或终点对应的时间坐标位置。

如图8-2所示，本申请确定编码器27每个脉冲的起点对应的时间坐标位置的方法包括：

首先，提取大于预定电压的编码器数据点，其中预定电压根据编码器脉冲的高低电压区的值进行设定，编码器的脉冲A按电压的高低分为上升沿、高电压区(一般电压为5v)、下降沿和低电压区(一般电压为0)，因此本申请设定预定电压为2.5v。提取出的编码器数据点按照数据采集卡31的采样时间顺序排列形成编码器数据点列，提取出的编码器数据点列中包含了每个编码器脉冲的高电压区数据点，令集合N代表提取出的编码器数据点列。

其次，除了提取出的编码器数据点列的第一个编码器数据点外(因为根据时间顺序采样提取出的第一个编码器数据点肯定为编码器第一个脉冲的起点，并设其时间坐标位置为t1)，根据N(i)>N(i-1)+2从其余提取出的编码器数据点列中筛选出编码器每个脉冲的起点，其中，N(i)代表提取出的编码器数据点列的第i个数据点的采样点序号，N(i-1)代表提取的编码器数据点列中第i-1个数据点的采样点序号，若满足N(i)>N(i-1)+2，则确定N(i)为编码器脉冲的起点(如箭头所指位置，也即脉冲的上升沿)，该起点的横坐标为编码器脉冲起点对应的时间坐标位置。

比如，提取出的编码器数据点列按照采样时间顺序排列的采样点序号为{6,7,8,9,10,11,12,21,22,23,24,25,26,27……}，确定第一个编码器数据点的采样点序号6为第一个脉冲的起点，然后依次判断其余的编码器数据点，当出现21>12+2时，则确定该编码器数据点的采样点序号21为第二个脉冲的起点，以此类推。需要说明的是，确定编码器27每个脉冲的终点(也即低电压区的终点)对应的时间坐标位置的方法与上升沿信号的方法相似，也即提取小于预定电压的编码器数据点，在此不进行赘述。

步骤7：截取透明离心泵的整转数据信息。

确定编码器27的分辨率为L线，透明离心泵的转速为R(r/s)，根据对应数据点的时间坐标，提取1秒内透明离心泵的整转数据信息，则有M＝R*L，其中M为1秒内透明离心泵的整转数据点列，如图8-3所示，1秒内透明离心泵的整转数据点列M对应的时间间隔为t1-t2。由于编码器27与变频电机1同轴设置，因此编码器27旋转一周，则透明离心泵转一周同样有L个脉冲数，因此能确定透明离心泵1秒内的整转数据信息。图中的圆点(包括实心和空心圆点)都是脉动压力信号或水声信号的采样数据点，而B(实心圆点)代表与编码器27挑出的起始采样点在时间坐标上对应的脉动压力信号或水声信号的采样数据点。

步骤8：根据整转数据信息在时间坐标的位置，找到对应时间点的高速相机24拍摄的流场速度图像。

如图8-4所示，首先根据第一采样频率f_L和经流场分析软件Insight 4G数据处理，设定流场频率为第一采样频率f_L的一半，也即流场频率为f_L/2，其次调整分频器28使整转数据点列M与流场频率相等，然后根据整转数据信息在时间坐标的位置，找到对应时间点的高速相机24拍摄的流场速度图像C。

步骤9：提取脉动压力信号、水声信号与流场速度图像在时间序列上的同步采样点，达到时间序列上的完全同步。

假设，第一采样频率f_L＝5000(Hz/s)，第二采样频率f_C＝50000(Hz/s)，透明离心泵的转速为R＝25(r/s)，通过分频器28调节编码器27每秒发出的脉冲线数为L＝100线，则整转数据点列M＝2500，也即在高速相机24的低压信号区挑选出编码器27的2500个脉冲，此时流场频率为2500(Hz/s)，也即1s拍摄的5000张照片合成2500张流场速度图像，那么整转数据点列M＝2500，与流场频率相同，保证了提取的脉动压力信号、水声信号与流场速度图像在时间序列上的同步采样点，达到时间序列上的完全同步。

本申请公开的方法与传统的离心泵的流场测试中采用的轴编码器相比，传统编码器只用来确定离心泵流场测量时叶轮的初始轴相位，而本申请通过编码器和分频器的配合提取出离心泵叶轮整转数据信息的起止点。与传统的数据采集板卡必须带有外触发功能相比(比如，通过同步控制器给出外部触发信号)，本申请的数据采集卡31由流场信号采集计算机32控制采集，因此数据采集卡31具有通用性，使用本申请的同步测量装置和方法能够实现离心泵流场的PIV数据与压力场、声场数据在时间序列上的同步性，有效提升离心泵多物理量的数据准确度及数据处理时效性，从而为离心泵多物理场参数关联性分析及流致声源模型建立提供更准确有效的数据信息。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种离心泵流场-压力场-声场同步测量的装置，其特征在于，同步测量装置包括试验测量装置与同步测试系统；所述试验测量装置包括透明离心泵、变频电机、进水管路、出水管路、中间管路、消声水筒组件和节流阀，所述透明离心泵包括蜗壳、泵轴、置于所述蜗壳内的叶轮、置于所述蜗壳上的出水口和螺旋式进水室，所述螺旋式进水室为三通形式，分别连接所述进水管路的一端、所述蜗壳背面和所述变频电机，所述泵轴穿过所述螺旋式进水室后，所述泵轴的一端连接所述叶轮、另一端连接所述变频电机，所述进水管路的另一端连接所述消声水筒组件的一端，所述出水口连接所述出水管路的一端、另一端通过第一中间管路连接所述消声水筒组件的另一端，通过所述透明离心泵与各个管路及所述消声水筒组件的连接形成试验回路，所述消声水筒组件包括开式消声水筒和闭式消声水筒，所述开式消声水筒和闭式消声水筒通过第二中间管路相连，所述消声水筒组件用于稳定所述试验回路的水流、消除流致噪声，所述开式消声水筒用于向所述试验回路投放示踪粒子，所述节流阀设置在所述第二中间管路上，用于调节所述试验回路的流量；

所述同步测试系统包括所述透明离心泵、双腔高频脉冲激光器、片光源镜头、高速相机、同步控制器、流场速度图像采集计算机、编码器、分频器、脉动压力传感器、水听器、信号处理电路、数据采集卡和流场信号采集计算机；所述双腔高频脉冲激光器设置在所述透明离心泵的侧面，所述片光源镜头安装在所述双腔高频脉冲激光器的发射端，用于将激光脉冲光束转化为扇形片光；所述高速相机设置在垂直于所述激光脉冲光束且正对所述透明离心泵的蜗壳正面，用于拍摄叶轮旋转面流场区域，所述高速相机包括三个信号传输端口，第一信号传输端口连接所述流场速度图像采集计算机，所述流场速度图像采集计算机用于设置所述高速相机的参数并存储分析流场速度图像，第二信号传输端口连接所述同步控制器，第三信号传输端口连接所述数据采集卡，用于向所述数据采集卡传输相机电压信号；所述同步控制器还连接所述双腔高频脉冲激光器，所述同步控制器用于设置所述双腔高频脉冲激光器的参数以及同步控制所述双腔高频脉冲激光器和所述高速相机的时序；所述编码器套设在所述泵轴上，所述编码器通过所述分频器连接所述数据采集卡，所述分频器用于调整所述编码器的脉冲数，以满足所述同步测试系统的所需脉冲数；所述脉动压力传感器均匀分布在所述蜗壳的内表面，用于测量所述透明离心泵的脉动压力信号，所述水听器分别安装在靠近所述螺旋式进水室的进水口的所述进水管路、靠近所述出水口的所述出水管路，用于测量所述透明离心泵的水声信号，所述脉动压力传感器和所述水听器均通过所述信号处理电路连接所述数据采集卡，所述数据采集卡与所述流场信号采集计算机相连；

所述同步测量装置用于所述透明离心泵的PIV测试、蜗壳壁面的压力脉动测试及进出水口的水声的同步测试。

2.根据权利要求1所述的离心泵流场-压力场-声场同步测量的装置，其特征在于，所述试验测量装置还包括基础和抑振结构，所述抑振结构包括抑振质量、管路刚性支撑和隔振沟；所述基础上设置有若干个T型槽，所述同步测量装置安装在所述基础上，所述透明离心泵通过第一隔振器安装在所述基础上，所述隔振沟围绕所述基础设置，用于阻隔外界对整个所述同步测量装置的振动影响，所述抑振质量分别安装在靠近所述水听器的所述进水管路和所述出水管路上，用于抑制管路管壁的振动并减小对管路的水声信号测试的影响，所述管路刚性支撑设置在各个管路下方并与所述T型槽固定连接，起到支撑所述试验回路的作用。

3.根据权利要求1所述的离心泵流场-压力场-声场同步测量的装置，其特征在于，所述开式消声水筒和闭式消声水筒的内表面设有消声结构，所述消声结构为消声瓦或者消声气囊，所述消声结构用于抑制所述节流阀的流致噪声。

4.一种离心泵流场-压力场-声场同步测量的方法，适用于如权利要求1-3所述的同步测量装置，其特征在于，所述方法包括：

调试所述同步测量装置，使所述试验回路中无气泡；

设置所述同步测试系统的频率参数；

调节所述节流阀使所述透明离心泵运行在待测水力工况状态；

开启所述流场信号采集计算机使所述数据采集卡收集所述编码器输出的脉冲信号、所述脉动压力传感器采集的所述脉动压力信号和所述水听器采集的所述水声信号，若所述高速相机处于采集状态，则所述数据采集卡还收集第一相机电压信号，所述第一相机电压信号、所述脉冲信号、所述脉动压力信号和所述水声信号均为时间序列的数据点；

提取所述第一相机电压信号；

确定所述编码器每个脉冲的起点或终点对应的时间坐标位置；

截取所述透明离心泵的整转数据信息；

根据所述整转数据信息在时间坐标的位置，找到对应时间点的所述高速相机拍摄的流场速度图像；

提取所述脉动压力信号、所述水声信号与所述流场速度图像在时间序列上的同步采样点，达到时间序列上的完全同步。

5.根据权利要求4所述的离心泵流场-压力场-声场同步测量的方法，其特征在于，所述调试所述同步测量装置，使所述试验回路中无气泡，包括：

组装所述同步测量装置，在所述开式消声水筒中投放所述示踪粒子，调整所述双腔高频脉冲激光器达到预定光强，调整所述高速相机至预定拍摄流场区域，将所述节流阀调整至全开状态；

通过调节所述变频电机使所述透明离心泵运转直至所述蜗壳、叶轮及各个管路的流道内无气泡。

6.根据权利要求4所述的离心泵流场-压力场-声场同步测量的方法，其特征在于，所述设置所述同步测试系统的频率参数，包括：

在所述同步控制器上设置所述双腔高频脉冲激光器的激光发射频率和双脉冲激光的时间间隔，在所述流场速度图像采集计算机上设置所述高速相机的第一采样频率，在所述流场信号采集计算机上设置所述数据采集卡的第二采样频率，所述激光发射频率与所述第一采样频率相同。

7.根据权利要求4所述的离心泵流场-压力场-声场同步测量的方法，其特征在于，所述提取所述第一相机电压信号，包括：

提取所述第一相机电压信号，确定所述第一相机电压信号起始点的时间坐标并向后延续预定数量个采样点，以所述预定数量个采样点对应的时间坐标作为PIV测试、压力脉动测试及水声测试的起始时间。

8.根据权利要求4所述的离心泵流场-压力场-声场同步测量的方法，其特征在于，确定所述编码器每个脉冲的起点对应的时间坐标位置，包括：

首先，提取大于预定电压的编码器数据点，其中所述预定电压根据编码器脉冲的高低电压区的值进行设定，提取出的所述编码器数据点按照所述数据采集卡的采样时间顺序排列形成编码器数据点列，所述编码器数据点列包含了每个所述编码器脉冲的高电压区数据点，令集合N代表提取出的所述编码器数据点列；

其次，除了所述提取出的编码器数据点列的第一个编码器数据点外，根据N(i)>N(i-1)+2从其余所述提取出的编码器数据点列中筛选出所述编码器每个脉冲的起点，其中，N(i)代表所述提取出的编码器数据点列的第i个数据点的采样点序号，N(i-1)代表所述提取出的编码器数据点列中第i-1个数据点的采样点序号，若满足N(i)>N(i-1)+2，则确定N(i)为编码器脉冲的起点，所述起点的横坐标为编码器脉冲起点对应的时间坐标位置。

9.根据权利要求6所述的离心泵流场-压力场-声场同步测量的方法，其特征在于，所述截取所述透明离心泵的整转数据信息，包括：

确定所述编码器的分辨率为L线，所述透明离心泵的转速为R(r/s)，根据所述对应数据点的时间坐标，提取1秒内所述透明离心泵的整转数据信息，则有M＝R*L，其中M为1秒内透明离心泵的整转数据点列。

10.根据权利要求9所述的离心泵流场-压力场-声场同步测量的方法，其特征在于，根据所述整转数据信息在时间坐标的位置，所述找到对应时间点的所述高速相机拍摄的流场速度图像，包括：

首先设定流场频率为所述第一采样频率的一半，其次调整所述分频器使所述整转数据点列与所述流场频率相等，然后根据所述整转数据信息在时间坐标的位置，找到对应时间点的所述高速相机拍摄的流场速度图像。

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