PDA和PIV在旋转叶轮测量中的周向定位

　　1　前言

　　用PDA和PIV系统测量旋转叶轮的内部流场时,测量数据相对旋转叶轮的周向定位是一个非常关键的问题,只有确定了测量值的周向位置,才能获得叶轮内部真实的流动情况。一般用于旋转流场测量的周向定位方法为光学反射法和电极滑片等单次脉冲方式,旋转叶轮每转一圈只提供一个脉冲信号,而且存在定位精度低和测量效率低等问题。现在广泛采用的是轴编码器方式,在旋转轴上安装一个轴编码器,每转一圈能提供计数脉冲,经过相位锁定,产生所需要的编码数[1]由于PDA和PIV测量系统基于不同的原理,在具体的周向定位上存在一定的差异,本文通过分别描述两者的具体周向定位方法,指导PDA和PIV系统在旋转叶轮内部流场测量中的应用。

　　2　轴编码器

　　在实验中采用了德国生产的CE Ru1040轴编码器,该轴编码器输出两种脉冲信号:计数脉冲信号(ENC Encoder counter)和零位复位信号(RE-SET)。图1显示了该轴编码器的输入输出接口,其中1,2表示输出计数脉冲电平信号;3,4输出零位复位信号;6,7为接地端;5表示输入电源。8,9空接,为扩充端口。其中计数脉冲信号为每转一圈产生3600个脉冲。每圈3600个脉冲信号,使得测量的周向空间分辨率为0·1度,基本能满足一般旋转叶轮的测量要求。

　　3　PDA测量系统的周向定位

　　PDA系统是利用激光的光散射多普勒信号进行单点测量的系统[2]。PDA系统包括一个激光源、光传输装置,发射装置、光接受装置和信号处理器(如图2所示)。信号处理器中采用自相关技术获得频率差,并用其来测量示踪粒子速度值;采用互相关技术获得激光相位差,可用其来测量示踪粒子粒径。光学探头装置被固定在DENTEC公司的三维坐标架上,可以沿径向和轴向移动,由于相对坐标系和绝对坐标系下的径向和轴向位置一致,那么测量值的轴向位置和径向位置由三维坐标架确定。如何确定测量值在相对旋转叶轮的周向位置,是旋转流场测量的一个问题。过去大体采用过如瞬时速度法、脉冲激光同步采用法,条件采用法和角码对应连续测量法[3],以上的方法由于存在各种局限性,如对激光器要求过高,数据采集效率低和要求数据密度均匀等,阻碍了PDA在旋转叶轮内部流场测量上的应用。

　　现在对旋转叶轮的测量时,一般使用轴编码器技术,PDA系统的信号处理器内有一个16位的轴编码器计数器,每接受一个轴编码器输出的ENC脉冲信号,就加一而接受一个RESET信号后清零。在使用轴编码器技术时,设定PDA系统多普勒信号脉冲探测模式以主流速度的有效信号为标准,当在主流速度上测量得到一个有效的多普勒信号,只有其他方向上的速度多普勒信号在此限定的时间窗口内也产生了有效的多普勒信号,数据采集才有效。只要有一个方向上没有有效多普勒,则数据的采集就无效。为了保持高效率采样,测量到的有效速度和轴编码器输出的相对应计数信号一起被采集,存入数据文件中。在数据处理的时候,根据轴编码的计数值对所采集的数据进行分类,由于轴编码的计数值和旋转叶轮的周向位置相对应,当数据处理完成后,就能给出流场的速度量与旋转机械角度的分布状态。