一种基于步进电机的叶片泵出水管的流速自动测量方法与流程

本发明涉及到速度测量领域，尤其涉及到一种基于步进电机的叶片泵出水管的流速自动测量方法。

背景技术：

流体机械内部流动非常复杂，出水管的流动速度是表征流动特性的重要参数，但是用于管内水流速度多为三维流场，直接测量流动速度非常困难。所以需要借助皮托管，三孔动力探针，五孔动力探针等工具由压力测量间接实现流速大小和方向的测量。

五孔探针结构简单，工作可靠，制作成本低廉，能够较好地实现管内三维速度场的测量，因此被广泛应用于流体机械设计研发之中。五孔探针头部三视图，五个孔位的编号以及分布情况如图1所示，使用五孔探针测量气流速度和压力，其使用方法有三种。以步进电机连接五孔探针的固定器构建坐标系。第一种是全对向测量，测量时靠坐标器转动，使探针中间的孔完全对准气流方向，使探针1、3孔压力相等，且探针4、5孔压力相等；第二种是非对向测量，将探针固定在坐标架上，测量过程种探针不转动，根据五个孔测出的压力，从校准曲线求出气流各参数；第三种是半对向测量方法，探针固定在坐标器上，但探针可以绕坐标轴转动。测量时，转动探针，使探针4、5孔压力相等，这样气流速度矢量就位于1、2、3孔平面内，这样，可以根据探针转过的角度得到气流角α。

但五孔探针的校准与测量工作非常繁琐，需要同一探针在一组不同速度下分别进行方向和速度特性的校准，校准与测量的工作量很大，测试人员重复操作多，劳动强度大，工作效率低。大流量叶片泵的能耗高，耗电量大。因此测量过程持续时间太长会导致耗能过大，成本剧增。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于步进电机的叶片泵出水管的流速自动测量方法，摒弃人工调整测量的过程，实现了对水泵出水管内水流速度的自动测量。

为解决上述发明问题，本发明采取的技术方案为：一种基于步进电机与五孔探针的水泵出水管速度自动测量方法，步骤一：将步进电机与五孔探针连接，步进电机可带动五孔探针做平移与旋转运动；步骤二：连接步进电机驱动器和步进电机，驱动器可以精确控制电机的运动；步骤三：用labview编程，通过编写的程序控制步进电机和探针，使探针在管内自动完成以下动作：探头从初始位置开始每个一定的时间沿径向向前前进特定的距离，以完成测量点的更换，完成移动后控制探头旋转微调，以获得五孔探针正面迎向流体位置，此时记录α角，通过探针中的传感器收集当前位置各孔的压力数据与角度信息；步骤四：根据步骤三采集的压力数据与角度信息，利用利用五孔探针半对向测量方法得到当前位置水流速度的大小和方向。

本发明的有益效果：本发明利用五孔探针采集管内流场数据，并用异步电机结合labview程序实现五孔探针位置和旋转方向的自动调整，通过五孔探针半对向测量方法能够自动完成叶片泵出水管的流速测量。

附图说明

图1为五孔探针的孔位分布三视图与编号。

图2为探针角度定义示意图。

图3为实施例中探针的平移运动轨迹。

图4为测量方法流程图。

图5为实施例其中一个测量结果图。

图6为实施例另外一个测量结果图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

图4为本发明的实施思路，本发明实现自动测量的主要方法是：第一，通过程序控制电机的运动达到探针在流场内改变测量点和调整角度的目的；第二，五孔探针实时反馈的压力数据作为角度调整的依据，形成闭环控制，直至找到当前测量点半对向测量法要求的测量角度开始测量。实施步骤如下：步骤一：将已经过校准的五孔探针固定在步进电机上，使中间孔2与管径平行，探针至于初始位置；步骤二：正确接线连接步进电机驱动器与步进电机，驱动器通过控制脉冲的性质精确控制电机的运动。步骤三：电机在驱动器的控制下运动，沿管道径向的平移运动改变测量点，沿管道径向的旋转运动改变探针α角；步骤四：连接电脑与步进电机驱动器，接通电脑与探针的数据传输通道。步骤五：开始测量，执行labview程序，实现步进电机在直线方向自动完成间隔δr的平移运动，前进δr后步进电机停止平移运动，在周向自动调整角度，以获得五孔探针正面迎向流体位置，此时记录α角，同时将各孔的压力值传输到计算机，测量完毕时，自动返回原始角度。如此循环，全部测量点测量完毕后，电机自动返回原来位置，以便开始下次测量。步骤六：根据步骤五得到的数据得到速度的大小和方向。

本实施例中，测量过程中坐标系和各调整角度如图2所示，基于五孔探针半对向测量方法，气流角α可以通过探针转过的角度从步进电机的旋转角度中读出，所以在实际测量中仅需要确定气流方向角β和气流速度大小。根据理想流体绕流圆球的理论可知，在已知孔1、2、3、4孔的压力值为p1、p2、p3、p4以及静压ps时，可以对应得到其各自的系数——kβ、k2、(k3-k1)、(k2-k4)，计算方法如下式。并且通过探针校准，可以得到kβ,k2,(k3-k1)和(k2-k4)参数与气流方向角β角的关系曲线f(β)：

p1、p2、p3、p4为1、2、3、4孔的压力值，按上式计算kβ值，在kβ＝fβ(β)校准曲线上，通过kβ值可以得到气流方向角β。再由k2-k4＝f2-4(β)，k2＝f2(β)，k3-k1＝f3-1(β)曲线，可以找到相应的k2-k4、k2和kβ-k1值。此时，流速值可根据下式求得(方向由α和β确定)：

本实施例中探针的平移运动轨迹如图3。根据要测量的出水管直径和设定的测量点数量算出步进电机径向平移的步长5mm，然后根据实验用五孔探针的特性确定α角的上下界。根据以上数使用labview编写程序实现步进电机在直线方向自动完成间隔5mm的运动，前进5mm后步进电机停止平移运动，在周向自动调整角度，以获得五孔探针正面迎向流体位置，此时记录α角，同时将各孔的压力值传输到计算机。测量完毕时，自动返回原始角度。如此循环，全部测量点测量完毕后，电机自动返回原点。如此循环，直至完成所有预定点的测量回到原点。在此过程中所有的测量数据，包括1，2，3，4点的压力值，转动角α值，静压ps都将即使传入计算机，被labview采集作为反馈，直至找到当前点满足半对向测量位置时停下，最后一组数据作为测量点的最终数据，用于计算测量点的速度大小和β值，最终确定当前位置的速度，测量结果如图5和图6所示，全部测量点地结果可由设定好的面板输出，完成测量。