專利名稱：一種汽輪機(jī)濕蒸汽測量圖像探針的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種融合圖像法和激光技術(shù)的汽輪機(jī)內(nèi)濕蒸汽測量裝置，特別涉及一種汽輪機(jī)濕蒸汽測量圖像探針，用于測量汽輪機(jī)內(nèi)濕蒸汽2次水滴和葉片表面水膜及破裂等參數(shù)。
背景技術(shù)：
汽輪機(jī)是最主要的原動機(jī)，主要用來驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電和驅(qū)動多種大型機(jī)械。汽輪機(jī)的工作原理是高溫高壓的過熱蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)，在汽輪機(jī)中逐漸膨脹做功，推動汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)并驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電。蒸汽在膨脹做功的同時，溫度和壓力逐漸下降，發(fā)生凝結(jié)產(chǎn)生大量直徑在1微米左右的極微小水滴(稱為1次水滴)，成為飽和濕蒸汽。1次水滴在汽流作用下部分沉積在汽輪機(jī)葉片表面，形成水膜。水膜在流到葉片邊緣會發(fā)生破裂，形成直徑較大的水滴，稱為2次水滴。2次水滴的直徑在10微米左右到數(shù)百微米，流速較高，撞擊在高速旋轉(zhuǎn)的汽輪機(jī)葉片表面會將葉片打壞，造成水蝕，影響汽輪機(jī)的安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)性。為研究汽輪機(jī)內(nèi)濕蒸汽兩相流機(jī)理和解決2次水滴對葉片的水蝕等問題，需要測量和研究2次水滴的各種參數(shù)，包括水滴的大小，單位體積內(nèi)的數(shù)量，流速和流動方向，葉片表面的水膜厚度，水膜破裂的過程等。但目前還沒有很好的測量裝置可以測量上述這些參數(shù)。近年來隨CCD和CMOS數(shù)字相機(jī)的發(fā)展，以及光學(xué)技術(shù)、激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等的發(fā)展，圖像測量裝置已在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用，成為一類新的測量方法。圖像測量方法由CXD 或CMOS數(shù)字相機(jī)，照明光源，計(jì)算機(jī)等主要部件構(gòu)成?？紤]到被測物體的不同，如被測物體的運(yùn)動速度，尺寸大小等因素，需要對圖像法測量系統(tǒng)進(jìn)行綜合考慮。但在普通透鏡拍攝的圖像中，離鏡頭近的物體成像較大，離鏡頭遠(yuǎn)的鏡頭成像較小，這樣在圖像識別時很難確定圖像中物體的大小。因此，目前尚無圖像測量裝置在在汽輪機(jī)內(nèi)濕蒸汽兩相流2次水滴和水膜等各種參數(shù)測量中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是將圖像測量法用于汽輪機(jī)內(nèi)的濕蒸汽兩相流測量，為濕蒸汽研究提供一種新的測量方法，提供一種汽輪機(jī)濕蒸汽測量圖像探針。本發(fā)明的基本原理用具有快門速度可控且具連續(xù)測量功能的面陣數(shù)字相機(jī)或攝像機(jī)，如CCD或CMOS數(shù)字相機(jī)或數(shù)字?jǐn)z像機(jī)作為檢測傳感器件，數(shù)字相機(jī)的鏡頭采用遠(yuǎn)心透鏡。原來的一些光學(xué)圖像探針設(shè)計(jì)采用普通固定焦距或變焦距透鏡。但在普通透鏡拍攝的圖像中，離鏡頭近的物體成像較大，離鏡頭遠(yuǎn)的鏡頭成像較小，這樣在圖像識別時很難確定圖像中物體的實(shí)際大小。遠(yuǎn)心透鏡的特點(diǎn)是有較長的工作距離和較大的景深，在景深范圍內(nèi)被測物體的影像大小不隨位置遠(yuǎn)近的變化而發(fā)生變化。這個特點(diǎn)在汽輪機(jī)內(nèi)濕蒸汽測量研究中尤其重要，因?yàn)?次水滴出現(xiàn)在探針測量區(qū)中的位置是隨機(jī)的，如果同樣大小的水滴因處在探針測量區(qū)不同位置而得到的影像大小不同，就無法從圖像中確定水滴的大小。而采用遠(yuǎn)心透鏡就不會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象。
為防止2次水滴沖刷到遠(yuǎn)心透鏡，在透鏡前裝有隔離用玻璃窗。由于在汽輪機(jī)中蒸汽的流動速度很高，水滴的速度也很高，要能得到清晰的水滴圖像，相機(jī)的曝光時間必須很短，照明光源就應(yīng)該很強(qiáng)。在本測量裝置中拍照時的照明光源采用激光，同時安裝有白光光源作為觀察用光源。在光源的照射下，2次水滴流過探針測量區(qū)被光源照亮后，水滴的影像通過遠(yuǎn)心透鏡被相機(jī)接收拍攝并保存在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理。為能在汽輪機(jī)中拍攝濕蒸汽的2次水滴圖像以及葉片表面的水膜和破裂情況，相機(jī)、照明光、遠(yuǎn)心透鏡和玻璃窗都安裝在1根探針中，構(gòu)成濕蒸汽測量圖像探針。相機(jī)拍攝2次到的水滴圖像通過信號電纜傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行處理和保存。
為能得到2次水滴的運(yùn)動方向和速度，可以控制相機(jī)的快門曝光時間，合適的曝光時間可以使得2次水滴的運(yùn)動在拍得的圖片中形成1條軌跡，由該軌跡長度和遠(yuǎn)心透鏡的放大倍率可得到水滴在曝光時間內(nèi)的實(shí)際運(yùn)動距離L，再由式(1)根據(jù)該距離和相機(jī)快門曝光時間r得到水滴的速度C，并得到水滴的運(yùn)動方向。由軌跡的寬度可以得到2次水滴的直徑。C =(1)
基于上述原理，本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種汽輪機(jī)濕蒸汽測量圖像探針，特點(diǎn)是，該探針包括探針桿、CCD或CMOS相機(jī)、遠(yuǎn)心透鏡、照明光源、玻璃窗和計(jì)算機(jī)，所述的CCD或 CMOS相機(jī)前端與遠(yuǎn)心透鏡連接在一起裝在探針桿內(nèi)，遠(yuǎn)心透鏡前設(shè)有防止2次水滴沖刷到遠(yuǎn)心透鏡的玻璃窗，CXD或CMOS相機(jī)的輸出端經(jīng)信號電纜和計(jì)算機(jī)連接，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和保存，拍攝2次水滴圖像時，照明光源發(fā)出的強(qiáng)光照射到被測2次水滴，被測水滴的影像經(jīng)過玻璃窗被遠(yuǎn)心透鏡接收后由CXD或CMOS相機(jī)拍攝。所述照明光源并行的增設(shè)有脈沖激光光源，由脈沖激光光源發(fā)出持續(xù)時間極短， 功率很大的激光通過激光光纖10照射到2次水滴，由CCD或CMOS相機(jī)拍攝得到2次水滴的影像，所述的照明光源則用作觀察光源。所述的遠(yuǎn)心透鏡前增設(shè)轉(zhuǎn)角棱鏡，以使探針能測量側(cè)向的2次水滴和葉片表面的水膜。所述的CXD或CMOS相機(jī)置于探針桿外，CXD或CMOS相機(jī)通過傳像光纖束與遠(yuǎn)心透鏡相連接，以使探針能在高溫下工作。本發(fā)明的有益效果是利用遠(yuǎn)心透鏡的特點(diǎn)和CXD或CMOS數(shù)字相機(jī)實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)內(nèi)濕蒸汽兩相流2次水滴和葉片水膜各參數(shù)的測量，滿足汽輪機(jī)內(nèi)濕蒸汽研究以及防止水蝕的需要。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1示意圖2為不同大小2次水滴運(yùn)動軌跡示意圖； 圖3為本發(fā)明實(shí)施例2示意圖； 圖4為本發(fā)明實(shí)施例3示意圖； 圖5為本發(fā)明實(shí)施例4示意圖。
具體實(shí)施例方式結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。實(shí)施例1
一種采用遠(yuǎn)心透鏡和CCD或COMS數(shù)字相機(jī)的汽輪機(jī)濕蒸汽測量圖像法探針，如圖1所示。遠(yuǎn)心透鏡3與C⑶或CMOS相機(jī)2連接在一起裝在探針桿1內(nèi)，遠(yuǎn)心透鏡前設(shè)有防止2 次水滴6沖刷到遠(yuǎn)心透鏡的玻璃窗5，遠(yuǎn)心透鏡的工作距離是f，即遠(yuǎn)心透鏡到測量區(qū)一端的距離，遠(yuǎn)心透鏡的景深范圍是fd，即探針的測量區(qū)長度，CCD或CMOS相機(jī)2的輸出經(jīng)信號電纜8連接到計(jì)算機(jī)7進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和保存，拍攝水滴圖像時，照明光源4發(fā)出的強(qiáng)光照射到被測2次水滴6，水滴6的影像經(jīng)過玻璃窗5被遠(yuǎn)心透鏡3接收后由CXD或CMOS相機(jī)2 拍攝。為得到2次水滴的運(yùn)動狀態(tài)參數(shù)，如速度和流動方向，通過適當(dāng)控制相機(jī)的快門曝光時間r，使得水滴的影像在圖像中呈一條軌跡線，見圖2。圖2中不同粗細(xì)和長度的線條表示不同大小和速度的2次水滴。大水滴d的運(yùn)動速度比較慢，形成的軌跡線較短，小水滴a的運(yùn)動速度比較快，形成的軌跡線比較長。這樣根據(jù)遠(yuǎn)心透鏡的放大倍率Z和水滴軌跡線的長度/可以得到相機(jī)曝光期間各個水滴運(yùn)動的距離Z，
L=XI(2)
得到Z后水滴的速度就可以由式(1)得到。2次水滴的運(yùn)動方向就是水滴軌跡線的方向。而2次水滴的大小可以由水滴軌跡線的寬度得到。如果水滴軌跡線的寬度是d，則水滴的直徑
D=XcI(3)
探針測量區(qū)的體積Z是遠(yuǎn)心透鏡的景深力和遠(yuǎn)心透鏡視野^的乘積。記錄連續(xù)測量的時間t和在這段時間內(nèi)測得的水滴的數(shù)目N,就可以得到水滴的顆粒數(shù)濃度M和體積濃度 Cv,
權(quán)利要求
1.一種汽輪機(jī)濕蒸汽測量圖像探針，其特征在于，該探針包括探針桿、CCD或CMOS相機(jī)、遠(yuǎn)心透鏡、照明光源、玻璃窗和計(jì)算機(jī)，所述的CCD或CMOS相機(jī)前端與遠(yuǎn)心透鏡連接在一起裝在探針桿內(nèi)，遠(yuǎn)心透鏡前設(shè)有防止2次水滴沖刷到遠(yuǎn)心透鏡的玻璃窗，CXD或CMOS 相機(jī)的輸出端經(jīng)信號電纜和計(jì)算機(jī)連接，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和保存，拍攝水滴圖像時， 照明光源發(fā)出的強(qiáng)光照射到被測2次水滴，被測2次水滴的影像經(jīng)過玻璃窗被遠(yuǎn)心透鏡接收后由CXD或CMOS相機(jī)拍攝。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽輪機(jī)濕蒸汽測量圖像探針，其特征在于，與所述照明光源并行的增設(shè)脈沖激光光源，由脈沖激光光源發(fā)出的持續(xù)時間極短，功率很大的激光通過激光光纖10照射到2次水滴，由CCD或CMOS相機(jī)拍攝得到2次水滴的影像，所述的照明光源則用作觀察光源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽輪機(jī)濕蒸汽測量圖像探針，其特征在于，在所述的遠(yuǎn)心透鏡前增設(shè)轉(zhuǎn)角棱鏡，以使探針能測量側(cè)向的2次水滴和葉片表面的水膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽輪機(jī)濕蒸汽測量圖像探針，其特征在于，所述的CCD或 CMOS相機(jī)置于探針桿外，CXD或CMOS相機(jī)通過傳像光纖束與遠(yuǎn)心透鏡相連接，以使探針能在高溫下工作。
全文摘要
一種汽輪機(jī)濕蒸汽測量圖像探針，特點(diǎn)是，該探針包括探針桿、CCD或CMOS相機(jī)、遠(yuǎn)心透鏡、照明光源、玻璃窗和計(jì)算機(jī)，所述的CCD或CMOS相機(jī)前端與遠(yuǎn)心透鏡連接在一起裝在探針桿內(nèi)，遠(yuǎn)心透鏡前設(shè)有防止水滴沖刷到遠(yuǎn)心透鏡的玻璃窗，CCD或CMOS相機(jī)的輸出端經(jīng)信號電纜和計(jì)算機(jī)連接，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和保存，拍攝水滴圖像時，照明光源發(fā)出的強(qiáng)光照射到被測水滴，被測水滴的影像經(jīng)過玻璃窗被遠(yuǎn)心透鏡接收后由CCD或CMOS相機(jī)拍攝。本發(fā)明的有益效果是利用遠(yuǎn)心透鏡的特點(diǎn)和CCD或CMOS數(shù)字相機(jī)實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)內(nèi)濕蒸汽兩相流2次水滴和葉片水膜各參數(shù)的測量，滿足汽輪機(jī)內(nèi)濕蒸汽研究以及防止水蝕的需要。
文檔編號G01P13/02GK102288783SQ20111011813
公開日2011年12月21日 申請日期2011年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月9日
發(fā)明者劉海龍, 蘇明旭, 蔡小舒 申請人:上海理工大學(xué)