CN112525275A - 一种基于piv方法的管道三维流场测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于PIV方法的管道三维流场测量系统，其包括：测量腔体，所述测量腔体包括腔体框架，所述腔体框架具有第一端口和第二端口，所述腔体框架在第一端口和第二端口之间具有第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面；在所述第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面上设置有透明视窗；在所述第一端口和第二端口之间设置有透明管段；在所述腔体框架的第一侧面和/或第三侧面外侧设置有至少一个图像采集装置；在所述第四侧面的外侧设置有激光器。本发明的测量系统对于流场测量、研究能力的完善，可为流量计生产企业进行机理分析和产品性能优化提供实验条件。

Description

一种基于PIV方法的管道三维流场测量系统
技术领域
本发明属于流量测量领域，特别是涉及一种基于PIV方法的管道三维流场测量系统。
背景技术
目前，对于流量现场计量的需要越来越多，用户更加关注流量计实际工作状态下的数据有效性。然而，由于受到工艺条件及场地限制，很多情况下流量计现场安装都不能满足规定的直管段长度要求，其实际工作流场复杂，即使是经过实验室校准后的流量计，也存在较大的量值误差风险。
因此，亟需建立快捷方便的流场测量系统，研究流速分布规律，进而可评估其对不同类型流量计的影响程度。
发明内容
本发明的目的是建立一种快捷方便的管道流场测量系统。
本发明提供了一种基于PIV方法的管道三维流场测量系统，其包括：测量腔体，所述测量腔体包括腔体框架，所述腔体框架具有第一端口和第二端口，所述腔体框架在第一端口和第二端口之间具有第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面；在所述第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面上设置有透明视窗；在所述第一端口和第二端口之间设置有透明管段；在所述腔体框架的第一侧面和/或第三侧面外侧设置有至少一个图像采集装置；在所述第四侧面的外侧设置有激光器。
其中，所述透明视窗通过压板与腔体框架固定。
其中，在所述透明视窗与腔体框架、透明视窗与压板之间分别放置有密封圈密封。
其中，在所述PIV测量腔体内部的透明管段与腔体框架内表面之间放置有密封圈密封。
其中，所述透明管的管壁厚度为3mm～12mm。
其中，所述透明管段和透明视窗采用玻璃或石英材料制成。
本发明的三维流场测量系统提高了管道流场测量、研究能力，可为流量计生产企业进行机理分析和产品性能优化提供实验条件，促进产品质量提升以及对复杂现场流场的适应性。
附图说明
图1为本发明的管道三维流场测量系统的结构示意图；
图2为本发明的测量腔体的图像校准状态结构示意图；
图3为本发明的测量腔体校准状态的剖面结构示意图；
图4为本发明的腔体框架的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图对本发明的实施例进行说明，本领域技术人员应当理解，下述的说明只是为了便于对发明进行解释，而不作为对其范围的具体限定。
图1所示为本发明的管道三维流场测量系统的结构示意图。为了实现对管道内三维流场的测量，本发明设计了采用粒子图像测速的测量系统，即基于PIV方法的测量系统，所述测量系统包括测量腔体1和与所述测量腔体1连接的具有三维流场的管道，所述测量腔体1包括腔体框架，所述腔体框架可接入所述三维流场管道中，用于对管道中三维流场的测量。
如图2所示为测量腔体1接入流量管道前，进行图像校准时的结构示意图。所述测量腔体1的腔体框架包括第一端口和第二端口，所述第一端口可与一侧的管道连接，所述第二端口可与另一侧的管道连接，所述第一端口位于所述测量腔体1的一侧，所述第二端口位于所述测量腔体1的另一侧，所述测量腔体1连接到管道中时，液体可通过第一端口或第二端口穿过所述测量腔体1。在所述第一端口和第二端口之间设置有位于所述测量腔体1内部的透明管段，位于所述PIV测量腔体1两侧的具有三维流场的管道通过透明管段进行连接。
在进行图像校准，即静水测试时，所述测量腔体1的腔体框架的第一端口连接第一端盖，在所述第一端盖上设置标尺2，所述第一端盖上设置有连接孔，在所述连接孔中设置有连接杆，所述连接杆的一端连接有校准靶盘3。图3为本发明的测量腔体的剖面结构示意图。如图3所示，所述校准靶盘3与腔体的透明管段4之间通过法兰固定及密封圈密封，所述校准靶盘3通过连接杆可沿轴向距离进行微调，所述连接杆上设置有定位标识，当所述定位标识与标尺对应后，即可确定所述校准靶盘3在测量腔体1内的精确位置，为了保持校准靶盘3的位置，优选在所述连接杆上有锁定结构，可通过所述锁定结构将所述连接杆锁定，保持所述定位标识与标尺的刻度的对应关系，从而可以获得准确的校准靶盘3的位置。通过所述连接杆的移动和调整可以实现校准靶盘3的距离调整和位置固定。在所述测量腔体1的腔体框架的第二端口连接有盲法兰5。所述盲法兰5通过螺栓与腔体框架的第二端口固定，且采用密封圈密封，方便静水时的图像校准使用。
图4所示为腔体框架的结构示意图。所述测量腔体1包括腔体框架10，所述腔体框架10包括第一侧面A1、第二侧面A2、第三侧面A3和第四侧面A4，所述第一侧面A1与第三侧面A3相对设置，所述第二侧面A2与第四侧面A4相对设置。在所述第一侧面A1、第二侧面A2、第三侧面A3和第四侧面A4上设置有透明视窗7。为了获得清晰的图像数据，优选所述透明管段4和透明视窗7采用玻璃或石英材料制成，如玻璃管和玻璃视窗，在所述第一侧面A1、第二侧面A2、第三侧面A3和第四侧面A4的每一个侧面上，所述透明视窗7通过压板11与腔体框架10固定，在所述透明视窗7与腔体框架10、透明视窗7与压板11之间分别放置有密封圈密封。在所述测量腔体1内部的透明管段4与腔体框架内表面之间放置有密封圈密封，为保证强度，所述透明管段4的管壁厚度优选为3mm～12mm，进一步优选为5mm～8mm。
在所述腔体框架10的第一侧面A1上设置第一水槽6，所述第一水槽6优选为三角水槽，所述三角水槽包括第一斜面和第二斜面，所述第一斜面相对于所述第一侧面倾斜，所述第二斜面相对于所述第一侧面以与第一斜面相反的方向倾斜。所述第一水槽6与第一侧面A1的透明视窗固定形成三角形，作为进一步的优选，所述第一水槽6与第一侧面A1固定形成三角形，在所述第一侧面A1上并不设置透明视窗或透明玻璃。为避免影响图像数据采集效果，靠近第一CCD相机12的一侧平面与第一CCD相机12拍摄面平行，避免产生折射，所述第一水槽6中将注满水，所述腔体框架10在第一侧面A1上设置有腔体进出水口15。
在所述腔体框架10的第三侧面A3上设置第二水槽，所述第二水槽优选为三角水槽，所述三角水槽包括第三斜面和第四斜面，所述第三斜面相对于所述第三侧面A3倾斜，所述第四斜面相对于所述第三侧面A3以与第三斜面相反的方向倾斜。所述第二水槽与第三侧面A3的透明视窗固定形成三角形，作为进一步的优选，所述第二水槽与第三侧面A3固定形成三角形，在所述第三侧面A3上并不设置透明视窗或透明玻璃。为避免影响图像数据采集效果，靠近第二CCD相机的一侧平面与第二CCD相机拍摄面平行，避免产生折射，所述水槽中将注满水。
在所述腔体框架10的第二侧面A2的下方具有底板8，所述底板8上具有支撑结构，所述支撑结构用于对所述腔体框架进行支撑，在所述底板上还设置有第一导轨9，在所述第一滑轨上安装有第一CCD相机12，通过第一水槽6的第一斜面或第二斜面进行图像采集。进一步的在底板8上可设置第二导轨，所述第一导轨与第二导轨之间呈预定夹角，在所述第二导轨上安装有第二CCD相机，通过第二水槽的第三斜面或第四斜面进行图像采集；当同时设置有第一导轨9和第二导轨时，第一CCD相机12对第一斜面或第二斜面进行图像采集，第二CCD相机对第三斜面或第四斜面进行图像采集，其中，保证CCD相机和斜面一一对应，可实现对图像的准确采集。为了减少装置的重量，优选所述底板8的导轨两侧为镂空状。优选在底板8与安装有相机的第一导轨9或第二导轨之间设置有不同尺寸高度的垫块，进一步优选在所述导轨上设置有高度调节组件，用于对相机的高度进行调节。
在第四侧面A4的边缘设置有激光固定架13，优选通过螺丝将所述激光固定架13固定在腔体框架10上，所述激光固定架13用于对激光器进行固定，所述激光固定架13包括沿第一方向设置的第一支架，与第一支架相连接的第二支架，所述第二支架沿第二方向设置，所述第一方向与第二方向为不同的方向，优选所述第一方向垂直与第二方向，在所述第二支架上设置有连接件14，优选在第一支架和第二支架上具有滑轨，激光器通过所述连接件14固定到所述第二支架上，所述连接件14能够通过滑轨在所述第二支上进行滑动，实现水平位置的调节，通过调节第二支架在第一支架上的位置，可以对所述激光器的高度进行调节。作为进一步的变形实施例，在激光固定架13中设置圆周调节组件，使得所述第一支架可在360度内旋转，实现激光器在平面内位置的调节。所述激光器发出的光束照射到所述第四侧面A4。其中，所述第二侧面A2与第四侧面A4相对设置。
由于静水标定时，管道进水、排液困难，在第二侧面A2的视窗玻璃上加工有外腔排气孔16和一端法兰上部加工有管道排气孔17，在法兰侧边加工设置管道进液孔18，在所述法兰下部加工设置管道排液孔19。
图1所示为测量系统连接有管道进行图像测量时的情形，图2为测量系统在静水条件下进行图像校准时的情形，对于测量系统连接入管道和静水校准这两种条件下的测量，为方便拍摄及观察，本发明的腔体框架10的左右及上部均采用玻璃材质的视窗，为避免腔体下部产生反射现象，将腔体下部亦为玻璃视窗。腔体框架10一侧设置有方便进液和出液一体的腔体进出水口15，腔体前后两端法兰与腔体一体加工，可以保证两端的同轴度及加工精度。腔体采用铝合金材料，整体氧化发黑处理，防止生锈且减轻了整体重量。
本发明的基于PIV方法的管道三维流场测量系统，采用两个相机在管道两侧拍摄，可以与被测截面成一定角度，在一定的时间间隔内连续拍摄；无需反射镜及柱面透镜单方向放大，可直接通过连接片光源，实现光束的成型，形成具有一定厚度的片光；校准系统设置有标尺2，可对校准距离进行精准定位；校准系统的校准靶盘3可在管道内实现10mm的位移，方便校准；为避免激光照射产生反射现象，腔体下部也为玻璃视窗结构。
本发明的管道三维流场测量系统进一步包括有同步器，图像采集模块，图像后处理模块。本发明通过在管道上安装测量腔体，实现不同流场的测量，可以用于扰流件对流量仪表的影响分析。
在静水状态下，将管道、腔体内和三角水槽内充满水，腔体一端为校准靶盘3，另外一端为盲法兰4，腔体左右架设2个相机位，实验管道内的校准端面为校准靶盘，通过调整相机距离、焦距、角度等实现对校准靶盘的清晰拍摄，进而实现校准功能。
本发明的测量系统提高了管道流场测量、研究能力，可为流量计生产企业进行机理分析和产品性能优化提供实验条件，将会支持我国流量计企业自主创新，促进产品质量提升以及对复杂现场流场的适应性。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种基于PIV方法的管道三维流场测量系统，其包括：测量腔体，所述测量腔体包括腔体框架，所述腔体框架具有第一端口和第二端口，所述腔体框架在第一端口和第二端口之间具有第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面；其特征在于：在所述第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面上设置有透明视窗；在所述第一端口和第二端口之间设置有透明管段；在所述腔体框架的第一侧面和/或第三侧面外侧设置有至少一个图像采集装置；在所述第四侧面的外侧设置有激光器。
2.如权利要求1所述基于PIV方法的管道三维流场测量系统，其特征在于：所述透明视窗通过压板与腔体框架固定。
3.如权利要求2所述基于PIV方法的管道三维流场测量系统，其特征在于：在所述透明视窗与腔体框架、透明视窗与压板之间分别放置有密封圈密封。
4.如权利要求1所述基于PIV方法的管道三维流场测量系统，其特征在于：在所述PIV测量腔体内部的透明管段与腔体框架内表面之间放置有密封圈密封。
5.如权利要求1所述基于PIV方法的管道三维流场测量系统，其特征在于：所述透明管的管壁厚度为3mm～12mm。
6.如权利要求1所述基于PIV方法的管道三维流场测量系统，其特征在于：所述透明管段和透明视窗采用玻璃或石英材料制成。
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