專利名稱：一種汽輪機濕蒸汽測量圖像探針的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種融合圖像法和激光技術的汽輪機內濕蒸汽測量裝置，特別涉及一種汽輪機濕蒸汽測量圖像探針，用于測量汽輪機內濕蒸汽2次水滴和葉片表面水膜及破裂等參數(shù)。
背景技術：
汽輪機是最主要的原動機，主要用來驅動發(fā)電機發(fā)電和驅動多種大型機械。汽輪機的工作原理是高溫高壓的過熱蒸汽進入汽輪機，在汽輪機中逐漸膨脹做功，推動汽輪機旋轉并驅動發(fā)電機發(fā)電。蒸汽在膨脹做功的同時，溫度和壓力逐漸下降，發(fā)生凝結產生大量直徑在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，撞擊在高速旋轉的汽輪機葉片表面會將葉片打壞，造成水蝕，影響汽輪機的安全運行和經濟性。為研究汽輪機內濕蒸汽兩相流機理和解決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)字相機的發(fā)展，以及光學技術、激光技術、計算機技術等的發(fā)展，圖像測量裝置已在工業(yè)上得到廣泛應用，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，照明光源，計算機等主要部件構成?？紤]到被測物體的不同，如被測物體的運動速度，尺寸大小等因素，需要對圖像法測量系統(tǒng)進行綜合考慮。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內濕蒸汽兩相流2次水滴和水膜等各種參數(shù)測量中的應用。
發(fā)明內容本實用新型的目的是將圖像測量法用于汽輪機內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，提供一種汽輪機濕蒸汽測量圖像探針。本實用新型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)字相機或攝像機，如CCD或CMOS數(shù)字相機或數(shù)字攝像機作為檢測傳感器件，數(shù)字相機的鏡頭采用遠心透鏡。原來的一些光學圖像探針設計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際大小。遠心透鏡的特點是有較長的工作距離和較大的景深，在景深范圍內被測物體的影像大小不隨位置遠近的變化而發(fā)生變化。這個特點在汽輪機內濕蒸汽測量研究中尤其重要，因為2次水滴出現(xiàn)在探針測量區(qū)中的位置是隨機的，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2次水滴的大小。而采用遠心透鏡就不會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象。[0006]為防止水滴沖刷到遠心透鏡，在透鏡前裝有隔離用玻璃窗。由于在汽輪機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，相機的曝光時間必須很短，照明光源就應該很強。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，水滴的影像通過遠心透鏡被相機接收拍攝并保存在計算機中進行處理。為能在汽輪機中拍攝濕蒸汽的 2次水滴圖像以及葉片表面的水膜和破裂情況，相機、照明光、遠心透鏡和玻璃窗都安裝在 1根探針中，構成濕蒸汽測量圖像探針。相機拍攝到的2次水滴圖像通過信號電纜傳輸?shù)接嬎銠C進行處理和保存。為能得到2次水滴的運動方向和速度，可以控制相機的快門曝光時間，合適的曝光時間可以使得2次水滴的運動在拍得的圖片中形成1條軌跡，由該軌跡長度和遠心透鏡的放大倍率可得到水滴在曝光時間內的實際運動距離L，再由式(1)根據(jù)該距離和相機快門曝光時間r得到水滴的速度C，并得到2次水滴的運動方向。由軌跡的寬度可以得到水滴的直徑。C =(1)基于上述原理，本實用新型的技術方案是，一種汽輪機濕蒸汽測量圖像探針，特點是，該探針包括探針桿、CCD或CMOS相機、遠心透鏡、照明光源、玻璃窗和計算機，所述的 CXD或CMOS相機前端與遠心透鏡連接在一起裝在探針桿內，遠心透鏡前設有防止2次水滴沖刷到遠心透鏡的玻璃窗，CXD或CMOS相機的輸出端經信號電纜和計算機連接，由計算機進行數(shù)據(jù)處理和保存，拍攝2次水滴圖像時，照明光源發(fā)出的強光照射到被測水滴，被測2 次水滴的影像經過玻璃窗被遠心透鏡接收后由CXD或CMOS相機拍攝。所述照明光源并行的增設有脈沖激光光源，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。所述的遠心透鏡前增設轉角棱鏡，以使探針能測量側向的2次水滴和葉片表面的水膜。所述的CXD或CMOS相機置于探針桿外，CXD或CMOS相機通過傳像光纖束與遠心透鏡相連接，以使探針能在高溫下工作。本實用新型的有益效果是利用遠心透鏡的特點和CCD或CMOS數(shù)字相機實現(xiàn)汽輪機內濕蒸汽兩相流2次水滴和葉片水膜各參數(shù)的測量，滿足汽輪機內濕蒸汽研究以及防止水蝕的需要。

圖1為本實用新型實施例1示意圖；圖2為不同大小2次水滴運動軌跡示意圖；圖3為本實用新型實施例2示意圖；圖4為本實用新型實施例3示意圖；圖5為本實用新型實施例4示意圖。
具體實施方式
結合附圖對本實用新型作進一步說明。實施例1 一種采用遠心透鏡和CXD或COMS數(shù)字相機的汽輪機濕蒸汽測量圖像法探針，如圖 1所示。遠心透鏡3與C⑶或CMOS相機2連接在一起裝在探針桿1內，遠心透鏡前設有防止2次水滴6沖刷到遠心透鏡的玻璃窗5，遠心透鏡的工作距離是f，即遠心透鏡到測量區(qū)一端的距離，遠心透鏡的景深范圍是fd，即探針的測量區(qū)長度，CXD或CMOS相機2的輸出經信號電纜8連接到計算機7進行數(shù)據(jù)處理和保存，拍攝2次水滴圖像時，照明光源4發(fā)出的強光照射到被測水滴6，水滴6的影像經過玻璃窗5被遠心透鏡3接收后由CXD或CMOS相機2拍攝。為得到2次水滴的運動狀態(tài)參數(shù)，如速度和流動方向，通過適當控制相機的快門曝光時間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的運動速度比較慢，形成的軌跡線較短，小水滴a的運動速度比較快，形成的軌跡線比較長。這樣根據(jù)遠心透鏡的放大倍率Z和水滴軌跡線的長度/可以得到相機曝光期間各個水滴運動的距離Z，L=XI(2)得到Z后2次水滴的速度就可以由式(1)得到。2次水滴的運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是遠心透鏡的景深力和遠心透鏡視野S的乘積。記錄連續(xù)測量的時間t和在這段時間內測得的2次水滴的數(shù)目N,就可以得到2次水滴的顆粒數(shù)濃度M 和體積濃度Cv，
權利要求1.一種汽輪機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、遠心透鏡、照明光源、玻璃窗和計算機，所述的CCD或CMOS相機前端與遠心透鏡連接在一起裝在探針桿內，遠心透鏡前設有防止2次水滴沖刷到遠心透鏡的玻璃窗，CXD或CMOS 相機的輸出端經信號電纜和計算機連接，由計算機進行數(shù)據(jù)處理和保存，拍攝2次水滴圖像時，照明光源發(fā)出的強光照射到被測2次水滴，被測水滴的影像經過玻璃窗被遠心透鏡接收后由CXD或CMOS相機拍攝。
2.根據(jù)權利要求1所述的汽輪機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)權利要求1所述的汽輪機濕蒸汽測量圖像探針，其特征在于，在所述的遠心透鏡前增設轉角棱鏡，以使探針能測量側向的2次水滴和葉片表面的水膜。
4.根據(jù)權利要求1所述的汽輪機濕蒸汽測量圖像探針，其特征在于，所述的CCD或 CMOS相機置于探針桿外，CXD或CMOS相機通過傳像光纖束與遠心透鏡相連接，以使探針能在高溫下工作。
專利摘要一種汽輪機濕蒸汽測量圖像探針，特點是，該探針包括探針桿、CCD或CMOS相機、遠心透鏡、照明光源、玻璃窗和計算機，所述的CCD或CMOS相機前端與遠心透鏡連接在一起裝在探針桿內，遠心透鏡前設有防止2次水滴沖刷到遠心透鏡的玻璃窗，CCD或CMOS相機的輸出端經信號電纜和計算機連接，由計算機進行數(shù)據(jù)處理和保存，拍攝2次水滴圖像時，照明光源發(fā)出的強光照射到被測水滴，被測水滴的影像經過玻璃窗被遠心透鏡接收后由CCD或CMOS相機拍攝。本實用新型的有益效果是利用遠心透鏡的特點和CCD或CMOS數(shù)字相機實現(xiàn)汽輪機內濕蒸汽兩相流2次水滴和葉片水膜各參數(shù)的測量，滿足汽輪機內濕蒸汽研究以及防止水蝕的需要。
文檔編號G01C11/02GK202066510SQ201120143960
公開日2011年12月7日 申請日期2011年5月9日 優(yōu)先權日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