CN112526171A - 一种一维脉动流速测量装置的率定系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种一维脉动流速测量装置的率定系统及方法，该系统包括玻璃水槽、固定支架和高频粒子图像测速系统；固定支架包括横向支撑件、上定位夹、下定位夹和螺栓，固定支架通过横向支撑件布置于玻璃水槽上方，上定位夹与下定位夹垂向布置于横向支撑件的中心线上，固定孔口位于玻璃水槽的中轴线上，待校验的流速仪安装在固定支架上，利用上定位夹和下定位夹确保待校验流速仪竖直向下；高频粒子图像测速系统包括信号同步器、与信号同步器连接的高重复频率脉冲激光器、高速CMOS摄相机。本发明校验过程可靠，获得信息更加丰富，更能反映待检验流速仪的性能，具有操作简单，精度较高，工作效率高等优点。

Description

一种一维脉动流速测量装置的率定系统及方法
技术领域
本发明涉及仪器设备校核领域，具体是一种一维脉动流速测量装置的率定系统及方法。
背景技术
水流流速的测量一直是流体力学中较为基础的一项任务，大部分关于流体力学的研究都以流速信息为载体，所以准确的测量流速至关重要。面对不同的流速测量要求，产生了不同的流速测量方式。从简单的毕托管、旋桨流速仪到热线热膜流速仪，再到激光多普勒流速仪(LDV)，例子图像测速仪(PIV)以及超声多普勒流速仪(ADV)和超声多普勒流速剖面仪(ADCP)等。测量精度不断提高，测量得到的流速信息不断丰富。不同的测量方法所依据的测量原理也有所区别，以应用较为广泛的ADV和测量精度较高的PIV为例，ADV通过向水体中待测水体发射超声波并接收固体粒子的散射信号，计算发射信号及回波信号之间的频率差进行流速测量；而PIV则通过连续拍摄激光照亮区域的粒子运动图片，计算两帧图片间粒子的运动速度进而转化为流速。二者本质上都是以水体中存在的微小固体颗粒为载体，进行流速信息获取，区别在于获取的方式不同。不同的测量方法的测量结果往往存在差异，差异不仅来源于测量原理的不同，还可能来远远测量方法本身的局限性。以超声测量法(ADV和ADCP)为例，超声控制电路的本底噪声、水体中散射体的数量及水体中的空气泡都会对测量结果和质量造成影响。PIV也同样收到相机、激光及后处理软件算法等影响，但PIV总体上测量精度较高。
目前流速仪的校验方法主要分为两大类：静水法和动水法。动水法多利用水泵和水槽产生一定流速的水流，同时利用已有的测量技术进行对比测量。静水法多通过检测车的运行速度作为参照进行校验，检测时将需要检测的流速设备固定于假设在水槽上方轨道上的检测车上，启动检测车至速度稳定状态并记录检测车的速度，以此作为基准速度进行流速测量校核；为了达到稳定的车速，试验水槽的长度需要包括启动段，稳定运行段及制动段，单次测量的时长与稳定运行段的长度及车速相关，通常静水法的试验水槽较长，占地较大；同时，采用静水法进行校核时，以稳定的车速作为参照，而车速更多的是一种时均速度，无法对瞬时流速进行校核；随着试验工况的增加，往往需要进行重复操作，工作量较大。
发明内容
针对以上缺陷，本发明提供一种一维脉动流速测量装置的率定系统及方法。
本发明采用如下技术方案实现：
一种一维脉动流速测量装置的率定系统，包括玻璃水槽、固定支架和高频粒子图像测速系统；所述固定支架包括横向支撑件、上定位夹、下定位夹和螺栓，所述固定支架通过横向支撑件布置于玻璃水槽上方，所述上定位夹与下定位夹垂向布置于横向支撑件的中心线上，固定孔口位于玻璃水槽的中轴线上，待校验的流速仪安装在固定支架上，利用上定位夹和下定位夹确保待校验流速仪竖直向下，并使用螺栓紧固；所述高频粒子图像测速系统包括高重复频率脉冲激光器、高速CMOS摄相机、信号同步器，高重复频率脉冲激光器、高速CMOS摄相机分别与信号同步器连接。
进一步的，所述玻璃水槽的水槽侧壁及底板由超白玻璃拼接而成，玻璃接头由玻璃胶粘接以平滑过渡和止水，玻璃水槽的整体误差小于±0.2mm，并可实现0～1.5％高精度无级平滑调坡。
进一步的，所述玻璃水槽宽度不小于30cm，深度不小于25cm、长度方向从前至后分为进口过渡段、试验段和尾门影响过渡段。
进一步的，所述尾门影响过渡段长度满足尾门对试验段流态不产生影响，试验段不受进口过渡段及尾门影响过渡段的影响。
进一步的，所述进口过渡段设置蜂窝状消能格栅和压波设施。
进一步的，所述高重复频率脉冲激光器用于发出光束，经过导光臂引导至测量断面下方，经过专用的片光产生系统形成厚度为1-3mm、扩散角为15°-30°的片光，照亮待测水体中的待测平面；
所述高速CMOS摄相机用于记录激光片光照亮的示踪粒子图像；
所述信号同步器用于控制测速系统的工作步调，使所述高速CMOS摄相机与所述高重复频率脉冲激光器以相同的频率同步工作。
一种一维脉动流速测量装置的率定方法，其采用上述系统进行，所述方法包括如下步骤：
步骤一：打开水泵，通过水流循环系统向玻璃水槽注入水流，选择合适的流量运行至水流稳定；将待检测的流速仪安装在玻璃水槽上方的固定支架上，并将待检测的流速仪前端没入水中一定深度；
步骤二：打开高重复频率脉冲激光器，调整激光片光的位置，使片光中心刚好与待检验流速仪前端轴线重合；打开信号同步器和高速CMOS摄相机，进行粒子图片采集，同时进行待检验流速仪的流速测量；
步骤三：处理所记录的粒子图像得到整个激光片光照亮区域的流速信息，在TR-PIV处理结果中定位至待校验流速仪测量点的位置，进行精确的流速校验。
进一步的，所述步骤三具体为：高频粒子图像测速系统通过计算连续两帧粒子图像中粒子的移动距离与两帧图像之间的时间间隔到流速信息；在计算时，先将粒子图像划分为若干小区域，对两帧图像中相对应的区域进行相关性计算得到粒子位移，最终每个小网格中都有相对应的流速信息；导出所述PIV系统后处理软件得到的全部流速序列，结合高速CMOS摄相机所拍摄的图像，首先定位至待校验流速仪的前端，获得待检验流速仪前端的坐标位置；然后根据待校验流速仪的测量水体距离待校验流速仪前端的距离以及待校验流速仪的测量水体的尺寸大小，将待校验流速仪的测量点精确定位于TR-PIV计算所得结果中的对应区域。
本发明从动水法校核出发，避免了静水法需要较长水槽的不足，占地较小；采用TR-PIV作为对比参照，与静水法中拖车的速度相比，不仅能够满足时均流速和瞬时流速的校核，还能对高阶的流速统计量进行校核，如紊动强度σ，峰度系数Ku和偏度系数Sk等；最后，通过调节不同的流量和玻璃水槽坡度，可以实现不同流速工况下的对照，并且流速采集时长也与水槽长度无关，大大的减少了工作量。无论从测量精度、信息量，还是工作量上，都比静水法有很大的改善。
附图说明
图1是本发明一维脉动流速测量装置的率定系统其中一个实施例的结构示意图；
图2是本发明中固定支架的结构示意图；
图3是本发明待校验流速仪测量点对照示意图。
图中附图标记分述如下：
1—玻璃水槽；2—固定支架；3—待校验流速仪；4—高重复频率脉冲激光器；5—高速CMOS摄相机；6—信号同步器；7—上固定夹；8—下固定夹；9—螺栓；10—横向支撑件；11—高频粒子图像测速系统(TR-PIV)。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供一种一维脉动流速测量装置的率定系统，包括玻璃水槽1、固定支架2和高频粒子图像测速系统11。
所述玻璃水槽1的水槽侧壁及底板均由厚3.6mm的超白玻璃拼接而成，玻璃接头由玻璃胶粘接以平滑过渡和止水，玻璃水槽1的整体误差小于±0.2mm，并可实现0～1.5％高精度无级平滑调坡。所述玻璃水槽1宽度不应小于30cm，深度应不小于25cm，长度方向从前至后分为进口过渡段、试验段和尾门影响过渡段，其中进口过渡段设置蜂窝状消能格栅和压波设施，尾门影响过渡段长度应满足尾门对试验段流态不产生影响，试验段不受进口过渡段及尾门影响过渡段的影响。
如图2所示，所述固定支架2包括横向支撑件10、上定位夹7、下定位夹8和螺栓9；所述固定支架2通过横向支撑件10布置于玻璃水槽1上方，所述上定位夹7与下定位夹8垂向布置于横向支撑件10的中心线上，固定孔口恰好位于玻璃水槽1的中轴线上；将待校验的流速仪3安装在固定支架2上，利用上定位夹7和下定位夹8确保待校验流速仪3竖直向下，并拧紧螺栓9。
所述高频粒子图像测速系统(TR-PIV)11包括高重复频率脉冲激光器4、高速CMOS摄相机5、信号同步器6，高重复频率脉冲激光器4、高速CMOS摄相机5分别与信号同步器6连接。
所述高重复频率脉冲激光器4用于发出光束，经过导光臂引导至测量断面下方，经过专用的片光产生系统形成厚度为1-3mm、扩散角为15°-30°的片光，照亮待测水体中的待测平面；
所述高速CMOS摄相机5自带一定容量的内存，配备一定的焦距与光圈值的镜头，用于记录激光片光照亮的示踪粒子图像；
所述信号同步器6用于控制测速系统的工作步调，使所述高速CMOS摄相机5与所述高重复频率脉冲激光器4以相同的频率同步工作。
本发明实施例还提供一种一维脉动流速测量装置的率定方法，采用上述系统进行，所述方法包括如下步骤：
步骤一：打开水泵，通过水流循环系统向玻璃水槽1注入水流，选择合适的流量运行至水流稳定；将待检测的流速仪3安装在玻璃水槽1上方的固定支架2上，并将待检测的流速仪3前端没入水中一定深度；
步骤二：打开高重复频率脉冲激光器4，调整激光片光的位置，使片光中心刚好与待检验流速仪3前端轴线重合；打开信号同步器6和高速CMOS摄相机5，进行粒子图片采集，同时进行待检验流速仪3的流速测量；
步骤三：处理所记录的粒子图像得到整个激光片光照亮区域的流速信息，在TR-PIV处理结果中定位至待校验流速仪测量点的位置，进行精确的流速校验。
所述步骤三具体为：
高频粒子图像测速系统11通过计算连续两帧粒子图像中粒子的移动距离与两帧图像之间的时间间隔到流速信息；在计算时，先将粒子图像划分为若干小区域，对两帧图像中相对应的区域进行相关性计算得到粒子位移，最终每个小网格中都有相对应的流速信息；导出所述PIV系统后处理软件得到的全部流速序列，结合高速CMOS摄相机5所拍摄的图像，首先定位至待校验流速仪的前端，获得待检验流速仪前端的坐标位置；然后根据待校验流速仪6的测量水体距离待校验流速仪前端的距离以及待校验流速仪的测量水体的尺寸大小，将待校验流速仪6的测量点精确定位于TR-PIV计算所得结果中的对应区域。
如图3所示，待校验流速仪3的待测水团位于流速仪正前方，待检验流速仪前端为直径为D的圆柱形，待测水团为直径为D长度为l的圆柱体；所述待测水体距离待校验流速仪3前端的距离为s；其中，s和l为待校验流速仪内部设置参数，通常，考虑流速仪前端对待测水体的影响以及流速仪流速测量的分辨率等因素，s的取值一般大于2D。所述PIV系统的后处理软件中计算网格尺寸分为横向尺度(如图3中x方向)和竖向尺度(图3中y方向)，考虑到计算量及计算精度，一般可取计算网格大小为0.5cm×0.5cm。如图3建立相应坐标系，待检验流速仪3最前端的坐标为(x0,y0)，则待测水体中心所处位置处的坐标为
Figure BDA0002776994330000061
当待测水体的中心点落于上下两个网格的边界线上时，以此处两个网格内的流速值的平均值作为参考流速值。
如图3所示，每个网格中都包含流速信息，在进行流速校验时，可以得到整个粒子图像区域的流场图，从而可清晰的看出待校验流速仪对水流的影响区域，进一步地，可用于待检验流速仪内部参数l的确定；在影响区域外，因水流流速值在同一深度处变化很小，当进行时均流速校验时，无论待测水体中心点处于何种位置，仅需确定该点的y坐标即可。
流速仪最基本的参数为时均流速，本发明由于引入了PIV系统作为对比率定手段，能够得到更为丰富的流速统计量：紊动强度σ，偏度系数Sk及峰度系数Ku。以PIV系统的计算值作为参考值，则不同的流速统计量及对应统计量的相对误差计算公式如下:
Figure BDA0002776994330000071
Figure BDA0002776994330000072
Figure BDA0002776994330000073
Figure BDA0002776994330000074
Figure BDA0002776994330000075
Figure BDA0002776994330000076
Figure BDA0002776994330000077
Figure BDA0002776994330000078
其中：
Figure BDA0002776994330000079
为时均流速，σ为紊动强度，Sk为偏度系数，Ku为峰度系数；δu为时均流速
Figure BDA00027769943300000710
的相对误差，δσ为紊动强度的相对误差，δKu为峰度系数的相对误差，δSk为偏度系数的相对误差，
Figure BDA00027769943300000711
分别为流速仪和TR-PIV所测得的时均流速，σpb、σpiv分别为流速仪和TR-PIV所测得的紊动强度，Kupb、Kupiv分别为流速仪和TR-PIV所测得的峰度系数，Skpb、Skpiv分别为流速仪和TR-PIV所测得的偏度系数。
将校核结果中的两组A、B的结果列于表1中，如下：
表1流速校核结果
Figure BDA0002776994330000081
本发明采用高精度的玻璃水槽提供了校验流速仪所需要的稳定的流动状态，同时，采用测量精度较高的高分辨率粒子图像测速系统作为流速的参考值，校验过程可靠；待校验流速仪测量水团位置与高分辨率粒子图像测速系统计算结果的准确对应，使得校验不仅从时均流速得角度，更能从高阶得流速统计参数进行多方位的校验，获得信息更加丰富，更能反映待检验流速仪的性能。本发明具有操作简单，精度较高，工作效率高等优点。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种一维脉动流速测量装置的率定系统，其特征在于：包括玻璃水槽、固定支架和高频粒子图像测速系统；所述固定支架包括横向支撑件、上定位夹、下定位夹和螺栓，所述固定支架通过横向支撑件布置于玻璃水槽上方，所述上定位夹与下定位夹垂向布置于横向支撑件的中心线上，固定孔口位于玻璃水槽的中轴线上，待校验的流速仪安装在固定支架上，利用上定位夹和下定位夹确保待校验流速仪竖直向下，并使用螺栓紧固；所述高频粒子图像测速系统包括高重复频率脉冲激光器、高速CMOS摄相机、信号同步器，高重复频率脉冲激光器、高速CMOS摄相机分别与信号同步器连接。
2.如权利要求1所述的一维脉动流速测量装置的率定系统，其特征在于：所述玻璃水槽的水槽侧壁及底板由超白玻璃拼接而成，玻璃接头由玻璃胶粘接以平滑过渡和止水，玻璃水槽的整体误差小于±0.2mm，并可实现0～1.5％高精度无级平滑调坡。
3.如权利要求1所述的一维脉动流速测量装置的率定系统，其特征在于：所述玻璃水槽宽度不小于30cm，深度不小于25cm、长度方向从前至后分为进口过渡段、试验段和尾门影响过渡段。
4.如权利要求3所述的一维脉动流速测量装置的率定系统，其特征在于：所述尾门影响过渡段长度满足尾门对试验段流态不产生影响，试验段不受进口过渡段及尾门影响过渡段的影响。
5.如权利要求3所述的一维脉动流速测量装置的率定系统，其特征在于：所述进口过渡段设置蜂窝状消能格栅和压波设施。
6.如权利要求1所述的一维脉动流速测量装置的率定系统，其特征在于：
所述高重复频率脉冲激光器用于发出光束，经过导光臂引导至测量断面下方，经过专用的片光产生系统形成厚度为1-3mm、扩散角为15°-30°的片光，照亮待测水体中的待测平面；
所述高速CMOS摄相机用于记录激光片光照亮的示踪粒子图像；
所述信号同步器用于控制测速系统的工作步调，使所述高速CMOS摄相机与所述高重复频率脉冲激光器以相同的频率同步工作。
7.一种一维脉动流速测量装置的率定方法，其特征在于采用权利要求1-6中任一项所述系统进行，所述方法包括如下步骤：
步骤一：打开水泵，通过水流循环系统向玻璃水槽注入水流，选择合适的流量运行至水流稳定；将待检测的流速仪安装在玻璃水槽上方的固定支架上，并将待检测的流速仪前端没入水中一定深度；
步骤二：打开高重复频率脉冲激光器，调整激光片光的位置，使片光中心刚好与待检验流速仪前端轴线重合；打开信号同步器和高速CMOS摄相机，进行粒子图片采集，同时进行待检验流速仪的流速测量；
步骤三：处理所记录的粒子图像得到整个激光片光照亮区域的流速信息，在TR-PIV处理结果中定位至待校验流速仪测量点的位置，进行精确的流速校验。
8.如权利要求7所述的一维脉动流速测量装置的率定方法，其特征在于：所述步骤三具体为：高频粒子图像测速系统通过计算连续两帧粒子图像中粒子的移动距离与两帧图像之间的时间间隔到流速信息；在计算时，先将粒子图像划分为若干小区域，对两帧图像中相对应的区域进行相关性计算得到粒子位移，最终每个小网格中都有相对应的流速信息；导出所述PIV系统后处理软件得到的全部流速序列，结合高速CMOS摄相机所拍摄的图像，首先定位至待校验流速仪的前端，获得待检验流速仪前端的坐标位置；然后根据待校验流速仪的测量水体距离待校验流速仪前端的距离以及待校验流速仪的测量水体的尺寸大小，将待校验流速仪的测量点精确定位于TR-PIV计算所得结果中的对应区域。
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