CN115586218B - 一种测量两相流局部相特性参数的耐蚀性四头电导探针 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电导探针技术领域，具体公开了一种测量两相流局部相特性参数的耐蚀性四头电导探针，包括壳体和探针组件，壳体内设置有四个安装孔，四个探针组件分别安装在所述安装孔内；探针组件包括探针、玻璃纤维绝缘套管、第一层金属中空管、第二层金属中空管、铜芯和连接套，玻璃纤维绝缘套管套设在所述探针外部，第一层金属中空管套设置在玻璃纤维绝缘套管外部，第二层金属中空管套设在第一层金属中空管外部；铜芯的一端设置有连接孔，探针的尾端插入连接孔内，连接套设置有通孔，铜芯置于所述通孔内，连接套置于所述安装孔内。本发明的优点是可以降低探针对气泡界面形变的影响，使得探针测量截面积有限减小，有限地减小气泡变形和遗漏气泡现象。

Description

一种测量两相流局部相特性参数的耐蚀性四头电导探针

技术领域

本发明涉及电导探针技术领域，特别是一种测量两相流局部相特性参数的耐蚀性四头电导探针。

背景技术

现今，气液两相流在工业生产中广泛存在，如石油、动力、核能、化工等行业，都涉及到气液两相流动工况，与人类生活息息相关。在气液两相流动体系中，体系内的气泡尺寸及分布，气泡上升速度以及含气率，空泡份额及界面面积浓度是十分重要的相特性参数，可以确定两相流动界面传热和传输。两相流重点是对参数的获取，目前两相流参数测量的方法包括高速摄像法、多普勒测速法、多传感器探针法、电容法、电导探针法等，其中电导探针法应用最为广泛。

在气液两相流动参数测量中，电导探针法是根据空气和水的电导率不同来测量的。电导探针法为接触式测量，可以检测到体系内局部相特性两相流参数，可以通过与计算机连接输出电信号，响应速度快，可以提高测量速度、精度，且不受人为操作熟练度影响。电导探针体积小，结构简单，成本低，受到人们广泛关注。其中电导探针包括单头电导探针、双头电导探针、四头电导探针等。其中四头电导探针测量的局限性包括：由于探针尺寸，出现的气泡变形以及遗漏气泡现象；探针针头磨损、针尖沾污腐蚀；探针和导线连接易脱落，安装拆卸不便等现象。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种测量两相流局部相特性参数的耐蚀性四头电导探针。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种测量两相流局部相特性参数的耐蚀性四头电导探针，包括壳体和探针组件，所述壳体内设置有四个安装孔，四个所述探针组件分别安装在所述安装孔内；

所述的探针组件包括探针、玻璃纤维绝缘套管、第一层金属中空管、第二层金属中空管、铜芯和连接套，所述的玻璃纤维绝缘套管套设在所述探针外部，所述第一层金属中空管套设置在所述玻璃纤维绝缘套管外部，所述第二层金属中空管套设在所述第一层金属中空管外部；

所述铜芯的一端设置有连接孔，所述探针的尾端插入所述连接孔内，所述探针的头端为针尖，其为楔尖状，所述探针的针尖未套设玻璃纤维绝缘套管，所述连接套设置有通孔，所述的铜芯置于所述通孔内，所述探针的针尖位于连接套的外部，所述连接套置于所述安装孔内，且探针的针尖位于壳体外部。

具体的，所述的连接套设置有两个，两个所述连接套对称同轴连接在一起，所述的通孔为阶梯孔，所述阶梯孔的大径端为内防滑孔，所述的内防滑孔靠近连接套端头的一端设置有内螺纹，所述内防滑孔内均设置有内防滑垫圈，所述连接套通过所述内螺纹螺纹连接有一体式螺母，所述的内防滑垫圈的两端分别抵紧在一体式螺母和铜芯端面上，所述一体式螺母和内防滑垫圈均设置有贯穿孔，其中一所述一体式螺母和内防滑垫圈的贯穿孔与所述第二层金属中空管配合，另一所述的一体式螺母和内防滑垫圈的贯穿孔穿设有导线，所述导线与铜芯抵接。

具体的，所述的内防滑垫圈为锥形金属垫圈，其两端均设置有防滑纹。

具体的，所述的玻璃纤维绝缘套管和所述第一层金属中空管之间以及所述第一层金属中空管和所述第二层金属中空管之间均填充绝缘材料。

具体的，所述的一体式螺母包括螺母头和螺纹筒状颈部，所述螺纹筒状颈部螺纹连接在内防滑孔内，所述螺母头的端面与所述连接套的端面抵接。

具体的，所述的螺母头端面和连接套的端面均设置有环形密封槽，所述环形密封槽内设置有橡胶密封圈。

具体的，所述探针的外部覆盖镍-金复合镀层，所述的探针中部的镍-金复合镀层外部涂抹聚四氟乙烯绝缘漆涂层。

具体的，四个所述安装孔分为中心孔和三个沿中心孔120°布置的分散孔。

本发明具有以下优点：

本发明的四个探针针尖研磨至楔尖状，使得探针具有尖锐且高导电性的尖端，可以降低探针对气泡界面形变的影响，使得探针测量截面积有限减小，有限地减小气泡变形和遗漏气泡现象；通过将每个探针外侧覆盖镍-金镀层，使得探针具有耐蚀性、导电性、耐磨损等优点，防止针尖沾污腐蚀，减少针头磨损，增长探针使用寿命；通过在管内填充密封胶作为密封层，保证连接密封性，避免探针受潮腐蚀；在连接套与内防滑垫圈和一体式螺母相配合的条件下，通过铜芯使探针和导线连接，铜芯一端钻孔供探针插入，另一端铜芯与通过一体式螺母对内防滑垫圈拧紧的导线紧密相抵，避免导线松滑导致的探针和导线连接接触不良，保证探针和导线连接导电性良好，连接方式简单，用于拆卸和安装单头电导探针。

附图说明

图1为本发明的电导探针整体结构示意图；

图2为本发明的探针组件结构示意图；

图3为本发明的探针组件剖视结构示意图；

图4为图3中A处放大结构示意图；

图5为图3中B处放大结构示意图；

图6为图3中C处放大结构示意图；

图7为本发明的壳体结构示意图；

图8为本发明的电导探针的测量两相流局部相特性参数的方案示意图；

图中：1-一体式螺母，101-螺母头，102-螺纹筒状颈部，2-连接套，3-导线，4-内防滑垫圈，5-第二层金属中空管，6-第一层金属中空管，7-玻璃纤维绝缘套管，8-探针，9-橡胶密封圈，10-壳体，11-内防滑孔，12-铜芯，13-安装孔。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”，“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程，方法，物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程，方法，物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程，方法，物品或者设备中还存在另外的相同要素。

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。如图1-图8所示，一种测量两相流局部相特性参数的耐蚀性四头电导探针，包括壳体10和探针组件，所述壳体10内设置有四个安装孔13，四个所述探针组件分别安装在所述安装孔13内；

所述的探针组件包括探针8、玻璃纤维绝缘套管7、第一层金属中空管6、第二层金属中空管5、铜芯12和连接套2，所述的玻璃纤维绝缘套管7套设在所述探针8外部，所述第一层金属中空管6套设置在所述玻璃纤维绝缘套管7外部，所述第二层金属中空管5套设在所述第一层金属中空管6外部；

所述铜芯12的一端设置有连接孔，所述探针8的尾端插入所述连接孔内，所述探针12的头端为针尖，其为楔尖状，所述探针8的针尖未套设玻璃纤维绝缘套管7，所述连接套2设置有通孔，所述的铜芯12置于所述通孔内，所述探针8的针尖位于连接套2的外部，所述连接套2置于所述安装孔13内，且探针8的针尖位于壳体10外部。本实施例中在壳体10上设置四个安装孔13，四个探针组件分别设置在四个安装孔13，这样形成四头电导探针，探针8选用0.12mm的医用针灸针制作，通过水砂纸研磨针灸针至楔尖状，使得探针8针尖角度呈30°；楔尖状的探针8有尖锐尖端且高导电性，能够有限地减小气泡变形和遗漏气泡现象，加工后的探针8通过先镀镍后镀金形成镍-金镀层，镀镍底层厚度为2.5μm，再覆盖厚度为1μm的金镀层，使得镍-金镀层表面平坦，可使硬度增加，摩擦系数减小，增加了镀层寿命，镍-金镀层不仅提高了探针的抗腐蚀能力，同时也提高了探针8的耐磨性，防止针尖沾污腐蚀，减少针头磨损，使得探针8具有良好的耐蚀性、耐磨性、导电性等优点；将探针8在覆盖了镍-金镀层的针体外围涂抹聚四氟乙烯绝缘漆涂层，聚四氟乙烯绝缘漆涂层不覆盖针尖端和针尾端，使得针体涂抹部位绝对绝缘，解决针体由于长时间测量出现的绝缘性变差的问题；探针8外侧套外径为0.3mm的玻璃纤维绝缘套管7，以及在探针8与玻璃纤维绝缘套管7内填充密封胶作为密封层，防止探针8腐蚀，使得探针8绝缘处理，增加探针组件的绝缘性；探针8的尾端插入铜芯12内，铜芯12的另一端与导线3连接；保证探针8和导线3连接导电性良好；

进一步的，所述的连接套2设置有两个，两个所述连接套2对称同轴连接在一起，所述的通孔为阶梯孔，所述阶梯孔的大径端为内防滑孔11，所述的内防滑孔11靠近连接套2端头的一端设置有内螺纹，所述内防滑孔11内均设置有内防滑垫圈4，所述连接套2通过所述内螺纹螺纹连接有一体式螺母1，所述的内防滑垫圈4的两端分别抵紧在一体式螺母1和铜芯12端面上，所述一体式螺母1和内防滑垫圈4均设置有贯穿孔，其中一所述一体式螺母1和内防滑垫圈4的贯穿孔与所述第二层金属中空管5配合，另一所述的一体式螺母1和内防滑垫圈4的贯穿孔穿设有导线3，所述导线3与铜芯12抵接。本实施例中内防滑垫圈4通过一体式螺母1与内防滑孔11螺纹连接安装在一体式螺母1与铜芯12之间，导线3通过一体式螺母1对内防滑垫圈4拧紧，避免导线3松滑，使得与一体式螺母1和内防滑垫圈4相配合的导线3与铜芯12紧密相抵；导线3一端通过与铜芯12相抵与探针8连接，另一端与电路连接，传输电信号，所述的内防滑垫圈4为锥形金属垫圈，其两端均设置有防滑纹，以及内防滑垫圈4的贯穿孔内壁开设有内防滑纹；通过拧紧一体式螺母1，能使得一体式螺母1的螺纹筒状颈部102内端面对内防滑垫圈4压紧，内防滑垫圈4由于锥形结构，被压紧时在内防滑垫圈4的贯穿孔内会产生过盈配合，使得内防滑垫圈4与铜芯12紧密相抵有自锁性，同时使得与一体式螺母1和内防滑垫圈4相配合的导线3与铜芯12相抵，防止导线3脱落，内防滑垫圈4上端面与铜芯12相抵触，内防滑垫圈4下端面与一体式螺母1相抵触；内防滑垫圈4设置在第二层金属中空管5和导线3外侧且与之相紧密接触；连接套2与内防滑垫圈4和一体式螺母1相配合，连接方式简单，用于拆卸和安装探针组件。

进一步的，所述的玻璃纤维绝缘套管7和所述第一层金属中空管6之间以及所述第一层金属中空管6和所述第二层金属中空管5之间均填充绝缘材料，本实施例中第二层金属中空管5外部涂抹聚四氟乙烯绝缘漆涂层，保证绝缘；第二层金属中空管5的一端外侧插入连接套2相配合的一体式螺母1和内防滑垫圈4。

进一步的，所述的一体式螺母1包括螺母头101和螺纹筒状颈部102，所述螺纹筒状颈部102螺纹连接在内防滑孔11内，所述螺母头101的端面与所述连接套2的端面抵接，且螺母头101外侧设有不规则防滑纹，起到防松防滑的作用。

进一步的，所述的螺母头101端面和连接套2的端面均设置有环形密封槽，所述环形密封槽内设置有橡胶密封圈9。

进一步的，所述探针8的外部覆盖镍-金复合镀层，所述的探针8中部的镍-金复合镀层外部涂抹聚四氟乙烯绝缘漆涂层。

进一步的，四个所述安装孔13分为中心孔和三个沿中心孔120°布置的分散孔。本实施例中四个中心孔与分散孔中心间的距离为0.5mm，且四个探针组件的探针8延伸出安装孔13的长度不同，其中，位于中心孔内的探针8最长，其余三个探针8的长度相同，位于中心孔内的探针8与其余三个探针8延伸出安装孔13的长度相差0.5mm，在安装孔13与探针8的间隙内填充绝缘胶作密封层。

如图8所示，在耐蚀性四头电导探针测量两相流局部相特性参数时，采用直流电源作为激励电源，使得耐蚀性四头电导探针、水、电路板、直流电源形成闭合回路，将所获得的的电信号通过数据采集卡传输到计算机上，并通过对数据处理，来获得气液两相流局部相特性参数。

本发明通过中心的探针组件作为主探头电导探针和三个在周围沿120°布置的单头电导探针作为尾随探头电导探针形成三对独立的双头电导探针，在激励电源的作用下，由主探头电导探针和尾随探头电导探针形成的双头电导探针作为激发极和接收极，使得双头电导探针两极、水和电路板构成一个闭合回路。当双头电导探针尖端接触水时，溶液导电，输出低电位；当双头电导探针尖端接触气泡时，气泡不导电，使得电压突变，造成原本接通的电路瞬间断路，输出高电位。根据电位输出高低，便能得知探针测量的气、液电导率，根据连接在计算机上的数据采集卡将电信号的波动记录下来，并储存在计算机中，通过对计算机中储存的电信号波动记录进行处理，得出气液两相流的空泡份额、气泡速度、气泡尺寸、界面面积浓度等气液两相流局部相特性参数信息。

其中局部平均空泡份额可由式(1)计算获得：

式中：

T为测量时间；

N_b为气泡数量；

Δt_g,j为第j个气泡在探针尖端的停留时间。

假设气泡在移离所有探针之前，其运动方向和形状不改变，根据几何学原理，气泡运动速度v_g可通过式(2)计算获得：

式中：

t_i(i＝2、3、4)为气泡从碰撞到中心的探针8至第i号尾随探针的延迟时间；

其中d_pi由式(3)表示：

式中：

d_p为中心探针8与三个尾随探针8之间的轴向距离；

r_p为中心探针8与三个尾随探针8之间的径向距离；

θ为气泡运动方向与探针轴线之间的夹角，其中垂直上升管θ为0°，垂直下降管θ为180°，变化范围为0°-180°；

气泡上升的方向角，变化范围为0°-360°；

中心探针8与三个尾随探针构成三对探针，根据三对探针的位置分布关系，即可计算出气泡运动速度v_g以及气泡上升轨迹中的两个参数θ、得出气泡运动参数，便可根据探针信号和探针的几何结构来计算处气泡(X,Y,Z)坐标，其中坐标代表了探针刺穿气泡表面各点的位置。

假设实际气泡形状是一个回转椭球形，则气泡表面可由式(4)表示：

a₁X+a₂Y+a₃(X²+Y²)+a₄Z+1＝0 (4)

由于每根探针刺穿气泡表面两点，联立方程组可解得回转椭球的两个半长短铀的尺寸，气泡尺寸由式(5)、(6)表示：

其中单个气泡的面积和体积由式(7)、(8)表示：

根据求出来的气泡尺寸进行比较，式中：

a为每个气泡的最小直径；

b为每个气泡的最大直径；

通过对给定区域内气泡的面积和体积进行统计处理，即可得到该区域内的平均界面浓度。因此求出气液两相流的空泡份额、气泡速度、气泡尺寸、界面面积浓度等气液两相流局部相特性参数信息。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述所述技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术对以上实施例所做的任何改动修改、等同变化及修饰，均属于本技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种测量两相流局部相特性参数的耐蚀性四头电导探针，其特征在于：包括壳体（10）和探针组件，所述壳体（10）内设置有四个安装孔（13），四个所述探针组件分别安装在所述安装孔（13）内；

所述的探针组件包括探针（8）、玻璃纤维绝缘套管（7）、第一层金属中空管（6）、第二层金属中空管（5）、铜芯（12）和连接套（2），所述的玻璃纤维绝缘套管（7）套设在所述探针（8）外部，所述第一层金属中空管（6）套设置在所述玻璃纤维绝缘套管（7）外部，所述第二层金属中空管（5）套设在所述第一层金属中空管（6）外部；

所述铜芯（12）的一端设置有连接孔，所述探针（8）的尾端插入所述连接孔内，所述探针（8）的头端为针尖，其为楔尖状，所述探针（8）的针尖未套设玻璃纤维绝缘套管（7），所述连接套（2）设置有通孔，所述的铜芯（12）置于所述通孔内，所述探针（8）的针尖位于连接套（2）的外部，所述连接套（2）置于所述安装孔（13）内，且探针（8）的针尖位于壳体（10）外部。

2.根据权利要求1所述的一种测量两相流局部相特性参数的耐蚀性四头电导探针，其特征在于：所述的连接套（2）设置有两个，两个所述连接套（2）对称同轴连接在一起，所述的通孔为阶梯孔，所述阶梯孔的大径端为内防滑孔（11），所述的内防滑孔（11）靠近连接套（2）端头的一端设置有内螺纹，所述内防滑孔（11）内均设置有内防滑垫圈（4），所述连接套（2）通过所述内螺纹螺纹连接有一体式螺母（1），所述的内防滑垫圈（4）的两端分别抵紧在一体式螺母（1）和铜芯（12）端面上，所述一体式螺母（1）和内防滑垫圈（4）均设置有贯穿孔，其中位于探针（8）一端的所述一体式螺母（1）和内防滑垫圈（4）的贯穿孔与所述第二层金属中空管（5）配合，位于远离探针（8）一端的所述的一体式螺母（1）和内防滑垫圈（4）的贯穿孔穿设有导线（3），所述导线（3）与铜芯（12）抵接。

3.根据权利要求2所述的一种测量两相流局部相特性参数的耐蚀性四头电导探针，其特征在于：所述的内防滑垫圈（4）为锥形金属垫圈，其两端和内壁均设置有防滑纹。

4.根据权利要求1所述的一种测量两相流局部相特性参数的耐蚀性四头电导探针，其特征在于：所述的玻璃纤维绝缘套管（7）和所述第一层金属中空管（6）之间以及所述第一层金属中空管（6）和所述第二层金属中空管（5）之间均填充绝缘材料。

5.根据权利要求2所述的一种测量两相流局部相特性参数的耐蚀性四头电导探针，其特征在于：所述的一体式螺母（1）包括螺母头（101）和螺纹筒状颈部（102），所述螺纹筒状颈部（102）螺纹连接在内防滑孔（11）内，所述螺母头（101）的端面与所述连接套（2）的端面抵接。

6.根据权利要求5所述的一种测量两相流局部相特性参数的耐蚀性四头电导探针，其特征在于：所述的螺母头（101）端面和连接套（2）的端面均设置有环形密封槽，所述环形密封槽内设置有橡胶密封圈（9）。

7.根据权利要求1所述的一种测量两相流局部相特性参数的耐蚀性四头电导探针，其特征在于：所述探针（8）的外部覆盖镍-金复合镀层，所述的探针（8）中部的镍-金复合镀层外部涂抹聚四氟乙烯绝缘漆涂层。

8.根据权利要求1所述的一种测量两相流局部相特性参数的耐蚀性四头电导探针，其特征在于：四个所述安装孔（13）分为中心孔和三个沿中心孔120°布置的分散孔。