压力补偿灌水器膜片变形量可视化测量装置及方法

摘要

一种压力补偿灌水器膜片变形量可视化的测量装置及方法，包括蓄水容器和压力补偿灌水器的实验件，所述蓄水容器的出水口到实验件入水口之间的管道上依次设置有单向自吸泵、直流旋阀以及压力表；所述单向自吸泵与直流旋阀之间引出一条管路经回流旋阀至蓄水容器；实验件的前方设置有高速摄像机。本发明根据压力补偿灌水器的实际形状及尺寸，按照比例制作带有膜片部分的实验件；采用高速摄像机，将不同压力值下膜片的变形量拍摄下来，存储到计算机中，并利用计算机对其进行分析处理，从而可以发现膜片在实际工作中的变形规律，为压力补偿灌水器的结构和水力性能的优化设计提供了依据。

说明书

技术领域

本发明属于节水灌溉工程技术领域，涉及一种压力补偿灌水器膜片变形量 可视化的测量装置及方法。

背景技术

随着节水灌溉技术的发展，灌水器设计与研究也有了长足的发展，目前常 见的压力补偿灌水器中，多采用补偿腔的方式，即在灌水器的补偿腔中放置一 个弹性膜片，利用补偿腔中膜片的变形来控制灌水器出水口的水流量，因此， 膜片的变形量直接影响压力补偿灌水器的水力性能，由于膜片位于补偿腔内， 不易测量其变形量，因此很难发现膜片实际变形的规律，这成为压力补偿灌水 器结构和水力性能优化设计的瓶颈问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种压力补偿灌水器膜 片变形量的可视化测量装置及方法。

为了达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

本发明根据压力补偿灌水器的实际形状及尺寸，按照比例制作带有膜片部 分的实验件，通过调整直流旋阀改变管路中压力的大小，以模拟压力补偿灌水 器在实际工作中的压力情况；在光源系统的配合下，采用高速摄像机，将不同 压力值下膜片的变形量拍摄下来，存储到计算机中，并利用计算机对其进行分 析处理，根据实验件在不同压力值下的变形量反映出实际工作中压力补偿灌水 器中的膜片在不同压力值下的变形量，从而可以发现膜片在实际工作中的变形 规律，为压力补偿灌水器的结构和水利性能的优化设计提供了依据。

进一步，本发明蓄水容器内设置有搅拌风叶，使本发明还可以同时用于进 行流体分析实验，在实验时，向实验水中加入示踪离子，并使用搅拌风叶使其 均匀分布在实验水中。

附图说明

图1是本发明弹性膜片变形量测量装置整体结构示意图；

其中：1为蓄水容器；2为搅拌风叶；3为单向自吸泵；4为回流旋阀；5为 温度计；6为直流旋阀；7为压力表；8为LED强光灯；9为氙灯；10为LED 弱光灯；11为实验件；12为玻璃杯；13为电子秤；14为图像打印机；15为高 速摄像机；16为计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明包括蓄水容器1和根据压力补偿灌水器实际尺寸，按照1∶ 18的比例进行加工制造的有机玻璃透明实验件11，实验件11包括下端面固定 有圆形底盖的方头形腔，以及位于方头形腔内的弹性膜片。所述蓄水容器1的 出水口到实验件11入水口之间的管道上依次设置有单向自吸泵3、直流旋阀6 以及压力表7，实验件(11)的出口经管路与设置在电子秤13上的玻璃杯12相 连，蓄水容器1内设置有用于使蓄水容器1内加入的示踪离子均匀分布在实验 水中的搅拌风叶2。所述蓄水容器1与直流旋阀6设置有带有回流旋阀4和温度 计5的回流管路；所述实验件11的正后方设置有氙灯9以及沿实验件11入口 方向在氙灯9两侧45°角对称布置的LED强光灯(8)和LED弱光灯(10)。前 方设置有高速摄像机15；所述高速摄像机15还连接有用于分析处理图像的计算 机16，计算机16还连接有用于输出不同压力值下膜片变形量图像的图像打印机 14。最终水流将会流入一侧电子秤(13)上的玻璃杯(12)内用于测量压力和 流量之间的关系。

本发明的测量方法，包括以下步骤：

1)首先在CAD软件中，按照压力补偿灌水器的实际尺寸进行三维建模造 型，按照1∶18的比例加工制造出有机玻璃的透明实验件11；

2)向蓄水容器中加入100L的实验用水；若要进行流场分析实验，则需要 在实验用水中加入示踪离子，并打开搅拌风叶2，使示踪离子均匀分布在实验水 中；

3)在回流旋阀4和直流旋阀6打开的条件下，开启单向自吸泵3；

4)通过温度计5记录实验用水的温度，调节直流旋阀6和回流旋阀4的流 水量，使实验水在流过实验件11时产生的压力逐渐递增并保持在0～220kPa；

5)打开氙灯9、LED强光灯8和LED弱光灯10，其中LED强光灯8和 LED弱光灯10分别从实验件的两侧后方45°打光，氙灯9从实验件的正后方打 光；采用高速摄像机15拍摄不同压力值下的膜片的变形图像，并将图像信息保 存到计算机16中；

6)利用计算机软件对不同压力值下的图像进行分析处理，采用计算机软件 提供的标定方法，根据公式α/β＝δ/h，计算出不同压力下，所拍摄的照片中弹性 膜片的变形量，即得到压力补偿灌水器在不同压力值的膜片变形量。；其中，h 为实验件的腔内补偿高度，对应的是δpixels，弹性膜片的变形标定高度pixels 为α，弹性膜片的实际变形量为β。

7)最后通过图形打印机14将不用压力值下摆设的照片输出。

本发明的蓄水容器为100L，侧面标注有刻度，方便定量存储实验用水，本 发明中实验用水量为50L。

实验中用到的压力补偿灌水器是按照1∶18的比例进行加工制造的。首先 在CAD软件中进行三维建模造型。生成数控代码在数控机床上进行有机玻璃实 验件的加工成型。实验件是由5部分组成：方头形腔、圆形底盖、弹性膜片、 补偿腔的回流弯管及流入流出直管组成，弹性膜片位于距离方头形腔上端h mm 处，其下端靠圆形底盖来支撑，圆形底盖与方头形腔下端面采用粘结方式装配， 整个实验过程中，压力补偿灌水器可以承受300kPa的压力。

高速摄像机采用美国FASTEC IMAGING公司生产的Troubleshooter高速摄 像机，其主要的性能参数：TroubleShooter1000手提式高速摄像仪，使用标准的 D-Cell电池或110/220VAC直流电源，内存最多可扩至3GB高速内存，每秒能 拍下最多1000帧画面并将运动定格，通过USB2.0接口便可与电脑方便地连接 直接在计算机上进图像的软件处理工作，也可以把图像数据暂存储在 CompactFlash卡上，感应器采用640×480CMOS阵列，单色8Bit像素或彩色24Bit 像素，快门速度分别有1x，2x，3x，4x，5x，10x和20x摄像速度，手动时按下摄像按 钮，便开始摄像和存储在内存中，直至按下停止按钮；触发记录时按下摄像按 钮，便开始摄像和存储在内存中，直至接收到外在触发信号，可调节触发位置 来决定在接收到触发信号之前和之后存储多少帧画面，回放速率有单元格方式和 自动播放方式，每秒1、2、3、4、5、10、15、25、30、50、60、125、250、500 或1000帧画面，向前或向后，内置5″LCD彩色显示屏，图像以avi文件格式存 储和下载，镜头采用标准C接头装置。

LED强光灯、氙灯及LED弱光灯组成的光源系统，从不同的角度以不同的 光线强度给压力补偿灌水器进行打光，可以避免单一光源打光产生的光线死区。 本光源系统是经过多次实验产生的，能够满足同类型、同材质的实验件来验证 可视化的实验，LED强光灯从压力补偿灌水器的左侧45°打光，氙灯从压力补 偿灌水器的正后方打光，LED弱光灯从压力补偿灌水器的右侧45°打光。

膜片变形量的实验分析

根据软件提供的标定方法，由于压力补偿灌水器的腔内补偿高度设计是 hmm，对应的是δpixels，那么假定弹性膜片的变形标定高度pixels为α，弹性膜 片的实际变形量为β，则可以得到一般的计算公式：α/β＝δ/h，即可计算出不同 压力下，所拍摄的照片中弹性膜片的变形量β。