一种计算机控制的模型水轮机流态观测的同步数字式成像方法

摘要

本发明涉及水力机械模型试验领域。本发明利用数字成像设备拍摄帧率可程序控制的特性，根据水力机械转频信息利用计算机程序发出频率和相位可调的同步触发信号控制成像设备及频闪设备同步曝光成像，利用数字传输技术将获取的流态图像信息回传给计算机进行视频合成、实时显示和记录。本发明实现了模型水轮机流态观测成像方法、数据传输与记录方式上做到了由模拟到数字式的升级，在成像质量大幅提高的前提下从本质上彻底解决了以往成像方法上无法实现转频、成像设备与频闪设备三方不同步的致命缺陷，实现了转频、成像与曝光严格意义上的同步，令模型水力机械流态观测方法上有了质的飞跃。

主权项

一种计算机控制的模型水轮机流态观测的同步数字式成像方法，其特征是：1)启动计算机系统；2)调节模型水轮机使其达到欲观测的固定转速下的稳定工作状态；3)利用计算机数据采集设备采集模型水轮机的转速信号，并计算当前模型水轮机的转频，具体方法如下：假设当前模型水轮机的测速齿盘为N个齿，齿盘的每个齿转过转速传感器时，传感器产生一个脉冲信号，数据采集设备中的计数器对脉冲进行频率测量，通过数据采集设备中的内部时钟频率计算出齿盘的转动频率f_n，并换算出当模型水轮机的转速为n时，模型水轮机的转频f为：$f=\frac{f_n}{N}=\frac{n}{60}$其中转速n的单位为rpm，即转/分钟，f、f_n的单位为Hz，旋转机械的同步对象是指同转速同步，即数字成像设备的图像采集频率同旋转机械的转动频率相同，因此，在进行同步成像前必须获得转速信息；4)根据计算出的模型水轮机的转频，利用计算机程序生成触发信号，具体方法如下：当调节模型水轮机至欲观测的转速下运行时，利用模型水轮机的流量及尾水压力的改变，可使模型水轮机转轮叶片出水边背面产生空化、尾水管锥管处产生涡带现象，通过清晰地观测、采集并记录上述现象产生过程，辅以当前工况下的模型试验参数进行分析空化及涡带现象产生的部位，可以指导水轮机模型转轮叶片叶型的优化设计；由于空化及涡带现象并非静止不动，而是随着转轮的转动不断旋转，为了清晰地采集到空化及涡带现象发生过程的图像信息，图像采集的频率必须与转频相同或相近，从而可以获得所要观测位置的相对静止或缓慢变化的图像，即前述的“同步”；令Q1为转频信号，即为所述的同步数字式成像方法所要同步的信号，Q2为计算机输出的占空比为50％的方波形式的同步触发信号，周期为T，T1、T2为时间量，且T＝2×(T1+T2)，T1为Q1与Q2两信号上升沿的时间差，即Q2与Q1的相差，则T2＝T/2‑T1，理论上，在Q1与Q2完全相同时，成像设备所采集到的图像是完全静止的，观测时为了得到缓慢变化的图像或模型水轮机转轮不同叶片位置的图像，可通过调节Q2信号的频率和起始相位，即T1和T2的值来实现，初始时令T1＝0，T2等于某个非零的值，此时Q2的频率f₂＝1/T＝1/(2×(T1+T2))，由于初始时令T1＝0，则仅通过改变T2的值即可改变Q2的频率f₂，即此时f₂＝1/T＝1/(2×(T1+T2))＝1/(2×T2),当调节Q2频率至同Q1相近时即可获得缓慢变化的图像，当Q2频率调节至同Q1相同时，通过改变T1的值来改变Q2与Q1信号的相差即可获得模型水轮机转轮不同叶片位置的图像，为了不改变已经调节好的Q2的频率，在调节T1的同时T2的值也应发生相应的改变，即T1和T2变化的同时要保证Q2的周期T＝2×(T1+T2)不改变；5)计算机通过触发信号控制成像设备以及频闪补光设备进行图像采集，具体方法如下：计算机产生上述频率与相位的触发信号，通过触发信号控制成像设备进行图像采集，成像设备包括具有GigE Vision接口协议、USB接口或IEEE1394接口协议的具有数据输出和同步触发输出功能的数字式相机或数字摄像机，频闪补光设备包括连续曝光频率可调的具有外部触发功能的闪光灯或闪频仪；成像设备接收到来自计算机的同步触发信号，并按照触发信号的频率进行图像拍摄，同时将触发信号发送给频闪补光设备并控制频闪补光设备同成像设备进行同步曝光；6)成像设备通过数据输出接口采用数字传输的方式将采集到的数据以图片的形式按照拍摄时间先后顺序实时传送给计算机，计算机以成像设备拍摄到的每一幅图片为一帧，按照时间先后顺序合成为通用格式的视频流媒体文件实时显示在计算机图像输出设备上，当观测到空化或涡带现象出现时，则计算机将合成的视频流媒体文件记录在磁盘存储器中；在转速不变的情况下，通过改变模型水轮机的流量及尾水压力来模拟水轮机转轮叶片出水边、尾水管锥管处的流态，利用成像设备采集到的图片信息以及计算机将图片按帧合成的视频流媒体文件可以获得模型水轮机转轮叶片出水边背面空化、尾水管锥管涡带现象形成的过程，出现的位置及形态，从而达到指导模型水轮机转轮设计叶片叶型的设计，优化水轮机模型转轮的目的。