[發明專利]PIV荷電灰塵遷移運動特性測量裝置及方法

有效

• 申請號: 201710967002.1
• 申請日: 2017-10-17
• 公開（公告）號: CN107727538B
• 公開（公告）日: 2020-06-30
• 發明（設計）人: 劉云鵬;黃世龍;黃志成;劉達然;陳少帥;陳思佳
• 申請（專利權）人: 國家電網公司;華北電力大學（保定）;國網新疆電力公司電力科學研究院
• 主分類號: G01N13/00
• 分類號: G01N13/00
• 代理公司: 北京科億知識產權代理事務所(普通合伙) 11350
• 代理人: 湯東鳳

1.一種PIV荷電灰塵遷移運動特性測量裝置，其特征在于：包括灰塵荷電系統和PIV測量系統，所述灰塵荷電系統包括灰塵噴槍(1)、金屬支撐環(2)、第一高壓直流電源(5)以及電暈線(3)，所述灰塵噴槍(1)的一端與所述金屬支撐環(2)正對設置，所述第一高壓直流電源(5)的正極與所述金屬支撐環(2)連接，電暈線(3)平行且等間距的纏繞在金屬支撐環(2)上，所述第一高壓直流電源(5)的負極接地，所述第一高壓直流電源(5)用于為電暈線(3)提供電源，通過灰塵噴槍(1)產生濃度均勻的灰塵環境，灰塵在氣流的作用下通過電暈線(3)產生的空間離子層獲得電量，實現灰塵的荷電過程；

所述PIV測量系統包括相互平行的上平板電極(4)和下平板電極(12)、第二高壓直流電源(13)、計算機模塊、相機(8)以及聚光透鏡(6)，所述上平板電極(4)與下平板電極(12)的左端開口與所述金屬支撐環(2)相對設置，所述第二高壓直流電源(13)的正極與所述上平板電極(4)連接，所述第二高壓直流電源(13)的負極與所述下平板電極(12)連接，所述第二高壓直流電源(13)用于在所述上、下平板電極間形成垂直方向上的均勻空間場強E，所述計算機模塊與所述相機(8)雙向連接，所述聚光透鏡(6)位于所述相機的視角內，所述聚光透鏡(6)用于放大進入電場的帶電灰塵的運動圖像，所述相機(8)受控于所述計算機模塊，在計算機模塊的控制下對聚光透鏡放大的圖像進行采集，并將相機(8)采集的圖像信息傳送至所述計算機模塊進行處理，通過對兩次時間間隔t前后拍攝到的荷電灰塵圖像進行互相關運算，得到荷電灰塵Y軸方向的平均遷移速度，再根據荷電灰塵Y軸方向的平均遷移速度計算得出荷電灰塵遷移率。

2.如權利要求1所述的PIV荷電灰塵遷移運動特性測量裝置，其特征在于：所述計算機模塊包括計算機(11)、外部觸發器(9)、圖像采集卡(10)以及激光控制器(7)，所述激光控制器(7)與所述外部觸發器(9)的信號輸入端連接，用于感應外部的觸發信號，所述計算機(11)的輸出端與所述外部觸發器(9)的輸入端連接，所述外部觸發器(9)的輸出端與所述相機(8)的控制端連接，所述相機(8)的信號輸出端與所述圖像采集卡(10)的信號輸入端連接，所述圖像采集卡(10)的信號輸出端與所述計算機(11)的信號輸入端連接。

3.如權利要求1所述的PIV荷電灰塵遷移運動特性測量裝置，其特征在于：所述相機(8)為高速圖像采集相機。

4.一種通過權利要求1-3中任意一項所述的裝置對荷電灰塵進行測量的方法，其特征在于包括如下步驟：

通過灰塵噴槍(1)產生濃度均勻的灰塵環境，灰塵在氣流的作用下通過電暈線(3)產生的空間離子層獲得電量，實現灰塵的荷電過程；

在上、下平板電極(4，12)間施加與灰塵荷電系統中極性相同的電壓，電壓由高壓直流電源產生，在上、下平板電極(4，12)間形成垂直方向上的均勻空間場強E；固定聚光透鏡(6)的位置及相機拍攝圖像的放大倍數M，通過計算機(11)控制激光控制器進而調整相機拍攝圖像的時間間隔t；濃度均勻的荷電灰塵在氣流的作用下旋入平行的上、下平板電極(4，12)，相機拍攝到兩幀時間間隔t前后時刻由聚光透鏡放大后的帶電灰塵運動圖像；計算兩幀圖像之間的相關系數，進而求取同一診斷區域內灰塵的Y軸方向速度矢量分布圖；

對上平板電極(4)施加電壓為U以及電壓為0的電壓，獲得有、無電場力作用下的荷電灰塵的遷移速度，求荷電灰塵Y軸方向的平均遷移速度的平方差再開方即可得到僅在電場作用下的荷電灰塵遷移速度v：

其中：v′_{mig_E_field}為平行平板施加電壓U時，即存在電場力時，灰塵在極板間運動的平均遷移速度的Y軸分量；

v′_{mig_no_E_field}為平行平板施加電壓0時，即不存在電場力時，灰塵在極板間運動的平均遷移速度的Y軸分量；

荷電灰塵遷移率K計算公式為：

K＝v/E (2)

其中:E為平行平板電極施加電壓U時板間電場強度，將式(1)的v代入式(2)即可得到荷電灰塵的粒子遷移率。