CN211347962U - 用于高温高压两相流局部参数测量的光纤探针及密封结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于高温高压两相流局部参数测量的光纤探针及密封结构，属于两相流测量技术领域，该装置应用于高温高压测试条件下的密封结构。所述光纤探针本体包括探针尖端、传输光纤与各连接部件；采用两层不锈钢套筒结构注入高温粘合胶对探针本体进行密封，该方法使探针测试尖端可以承受较高的温度与压力；采用变径两通卡套接头与不锈钢导管对测试管路的连接部分进行密封。本实用新型对光纤探针法进行了优化，拓展了光纤探针法的测试条件，其结构简单、适用性强、调节方便，解决了高温高压汽液两相流局部参数测量的难题。

Description

用于高温高压两相流局部参数测量的光纤探针及密封结构

技术领域

本实用新型涉及两相流测量技术领域，尤其一种用于高温高压两相流局部参数测量的光纤探针及密封结构。

背景技术

在锅炉水冷壁、蒸汽发生器、核反应堆堆心等众多工业设备中，常常伴随着流动沸腾的现象。在这些实际应用中，沸腾通常是在管内流动状态下进行的，由于产生的蒸汽混入液流，出现多种不同形式的两相流结构，为研究流动与传热带来困难。在汽液两相流的研究中，空泡份额、相界面频率、界面面积浓度等局部参数占有重要的地位，是构建两相流模型的基础。

这些两相流的局部参数难以通过理论计算获得，实验测量是唯一可靠的途径，这也是两相流测量技术领域的难点。现行测量两相流局部参数的方法主要包括高速摄影法、电导探针法、光纤探针法、热线(热膜)法、电容法等。

高速摄影法是测量两相流最基本的方法，测量精度高、测试手段灵活多变，适用于实验研究。但是对实验段结构、实验管路要求很高，而且后期处理起来工作量很大。此方法难以直接实时在线测量，更难以在高温高压条件下实施。

热线(热膜)法是将通电加热的细金属丝(称热线)置于流体中，热线在气流中的散热量与流速有关，而散热量导致热线温度变化而引起电阻变化，两相流信号即转变成电信号。电容法一般采用非介入式测量，常见的电容传感器主要由两个电极组成，电极一般呈半圆形或螺旋形结构，布置在管道外壁面处而不与介质直接接触。当管内局部含气率发生变化时，由于两相介质介电常数不同，两电极间测得的电容值会发生变化，电容测量值经过数据采集系统进行处理后，即可用来反映两相流参数的变化。电导探针法的测量原理与电容传感器相似，是利用两相介质电阻率的不同来识别两相流局部参数，但它是一种接触式的测量方法，在测量位置的选择上更加灵活。

以上方法在实际应用时都有局限性。三种方法都要对测试部位进行通电或者加热，对流体的电导率和清洁程度的要求较高，在实际使用中也容易受到其他设备的干扰。在高温高压测试条件下也难以做到足够的精确与稳定。

光纤探针法也是一种以探针的形式对两相流体进行介入式测量。光纤探针的测量原理是利用光学的全反射现象对气液两相进行识别的，通过检测经光纤探头反射回接收端的光强的强弱变化而产生的高低不同的电信号即可分辨光纤探头是处于气相还是液相中。光纤探针法在测量两相流局部参数时有突出的优势，光信号比电信号的抗干扰能力强，在信号传输上具有很高的稳定性；光纤探针的响应速度与采集频率很高，可以达到数 MHz；光纤探针的灵敏度更高，且耐腐蚀，对流体物性要求比较低，也具有很高的测量精度，因此使用范围很广。

在工业设备的汽液两相流动中，高温高压是不可避免的一个条件，这除了对测试元件材料本身的耐受性要求很高之外，对于测量方式的选取、测试元件的安装与密封都提出了很大挑战。另外很多设备的测试管路也较为复杂，诸如棒束通道、环形通道、窄缝通道，这也需要两相流局部参数的测试手段更加灵活，具有更强的适应性。

发明内容

为了满足以上测试条件的需要，本实用新型的目的是提供一种用于高温高压两相流局部参数测量的光纤探针及密封结构，本实用新型克服了传统测量两相流局部参数的不足，对于高温高压条件下的汽液两相流研究提供了新的技术支持。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于高温高压两相流局部参数测量的光纤探针及密封结构，包括光纤探针本体，实现光纤探针本体在管路上的测试连接和高温高压下密封的光纤探针与测试管道连接结构和光纤探针尾部密封结构；

所述光纤探针本体包括传输光纤2，位于传输光纤2端部的探针尖端 1，包覆在传输光纤2前部的支撑和保护光纤的第一层不锈钢套管3，包覆在第一层不锈钢套管3后部及传输光纤2后部的第二层不锈钢套管5，传输光纤2与第一层不锈钢套管3之间的间隙中填充高温粘合胶，作为第一层密封结构4，第一层不锈钢套管3与第二层不锈钢套管5之间的间隙中填充高温粘合胶，作为第二层密封结构6；还包括光纤探针尾部连接结构，光纤探针尾部连接结构包括依次连接的连接器主体7、后罩壳9和光纤保护套10，位于连接器主体7、后罩壳9和光纤保护套10中心的挤压套管8；传输光纤2的后端穿入挤压套管8中，且第二层不锈钢套管5插入连接器主体7的凹槽中并固定；

所述光纤探针与测试管道连接结构包括测试管路11，固定在测试管路 11开孔上的焊接连接件12，光纤探针本体测试端伸入其中的不锈钢导管 14，套接在不锈钢导管14上与焊接连接件12连接形成不锈钢导管密封点一18的第一密封卡套13；

所述光纤探针尾部密封结构包括光纤探针本体测试端和不锈钢导管 14端部伸入其中的变径两通接头15，套接在变径两通接头15一端与变径两通接头15连接形成不锈钢导管密封点二19的第二密封卡套16，套接在变径两通接头15另一端与变径两通接头15连接形成光纤探针本体密封点 20的第三密封卡套17。

所述不锈钢导管14能够自由变化其长度，实现测量位置的灵活调节。

所述探针尖端1和传输光纤2的材料均为石英光纤，两者为一整体，直径为100μm-200μm，采用研磨法或熔拉法将光纤一端制成圆锥形，锥角为30°-90°；或者探针尖端1为蓝宝石材料加工成上述锥角与直径大小的圆锥形，传输光纤为石英光纤，通过高温粘合胶将蓝宝石探针尖端与石英传输光纤连接到一起。

所述第一层不锈钢套管3的外径为0.5-1mm，第二层不锈钢套管5的外径为1-3mm。

所述不锈钢导管14的外径为3-6mm，具体尺寸视第二层不锈钢套管5 的外径而定。

所述的用于高温高压两相流局部参数测量的光纤探针及其密封结构的连接方法，包括以下步骤：

(1)根据测试位置的情况选择第一层不锈钢套管3，将加工好的带有探针尖端1的传输光纤2插入第一层不锈钢套管3中；

(2)使用微型注射器将防水的高温粘合胶注射到传输光纤2与第一层不锈钢套管3的间隙里，使其固化以形成第一层密封结构4；

(3)确定第二层不锈钢套管5的规格，将第一层不锈钢套管3插入第二层不锈钢套管5，使用微型注射器将防水的高温粘合胶注射到第一层不锈钢套管3与第二层不锈钢套管5的间隙里，使其固化以完成第二层密封结构6；

(4)依次将连接器主体7、挤压套管8、后罩壳9、光纤保护套10连接起来，连接器主体7上开有与第二层不锈钢套管5相匹配的凹槽，将第二层不锈钢套管5插入其中，此部位无需承受高温与高压，使用普通粘合胶即可；

(5)选取不锈钢导管14、焊接连接件12和变径两通接头15，根据测试位置以及光纤探针本体长度确定不锈钢导管的长度，将光纤探针本体测试端插入不锈钢导管14；

(6)在测试管路11上开孔，将焊接连接件12焊接上去，并连接第一密封卡套13，完成不锈钢导管密封点一18；

(7)将光纤探针本体插入变径两通接头15，根据测量位置和不锈钢导管14的长度确定光纤探针本体密封点20，旋紧完成其密封；

(8)将变径两通接头15的另一侧与不锈钢导管14连接起来，完成不锈钢导管密封点二19，至此完成所有结构的密封。

和现有技术相比，本实用新型具有如下创新点：

(1)提供了一种可以测量汽液两相流局部参数的光纤探针，该光纤探针尖端最大直径100μm-200μm，承压不锈钢导管外径0.5-1mm，尽量减小了测试过程中对流体的干扰；

(2)提供了一种双层不锈钢管的嵌套结构，该结构有效保证了探针测试部位的承压与密封，不锈钢导管长度可自由调节，在测试位置的选取上更加灵活；

(3)提供了一种变径两通卡套接头的密封结构，该结构可以实现光纤探针本体与测试管段在高温高压条件下的密封。

本实用新型实施例针对高温高压汽液两相流局部参数测量的难题，优化了光纤探针。采用该光纤探针，可以灵活地实现测试管道内局部参数的测量，并保证了在高温高压条件下的密封。本实用新型对于研究高温高压汽液两相流具有重要的意义。

附图说明

图1为本实用新型实例提供的光纤探针本体结构示意图；

图2为本实用新型实例提供的光纤探针应用于高温高压测试管路上的连接结构示意图；

图3为本实用新型实例提供的卡套密封结构示意图。

具体实施方式

下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。

本实用新型实施例提供一种用于高温高压两相流局部参数测量的光纤探针及密封结构，图1为光纤探针本体结构示意图，用于描述光纤探针本体的连接以及密封。主要包括探针尖端1、传输光纤2、第一层不锈钢套管3、第一层不锈钢套管3与传输光纤2之间的第一层密封结构4、第二层不锈钢套管5、第二层不锈钢套管5与第一层不锈钢套管3之间的第二层密封结构6、连接器主体7、挤压套管8、后罩壳9和光纤保护套10。

可选地，所述探针尖端1与传输光纤2均为石英光纤，两者为一整体，直径为100μm-200μm，采用研磨法或熔拉法将光纤一端制成圆锥形，锥角为30°-90°；

可选地，所述探针尖端1为蓝宝石材料，加工成上述锥角与直径大小的圆锥形；所述传输光纤2为石英光纤，通过高温粘合胶将蓝宝石探针尖端与石英传输光纤连接到一起；

以上两种探针尖端形式任选其一。

传输光纤2穿过第一层不锈钢套管3，此套管起到支撑和保护光纤的作用，在第一层不锈钢套管3与传输光纤2之间的缝隙里填充高温粘合胶，作为光纤探针的第一层密封结构4；由于填充缝隙狭窄，且导管长度较长，此结构可以有效地承受测试管路高温高压的环境。

第一层不锈钢套管3穿过第二层不锈钢套管5，在两层不锈钢套管之间填充高温粘合胶，作为光纤探针的第二层密封结构6；此结构也是光纤探针本体与测试管路之间的密封边界，两层密封结构是光纤探针承压的双保险。

传输光纤2依次经过连接器主体7、挤压套管8、后罩壳9、光纤保护套10，到达信号处理部分，第二层不锈钢套管5插入连接器主体7的凹槽中并使用粘合胶固定。

以上为光纤探针本体的连接以及密封结构。

图2为本实用新型实例提供的光纤探针应用于高温高压测试管路上的连接结构示意图，用于描述光纤探针本体与测试管道之间的连接结构及其密封方式。光纤探针与测试管道连接结构包括测试管路11、焊接连接件 12、第一密封卡套13和不锈钢导管14，光纤探针尾部密封结构包括变径两通接头15、第二密封卡套16和第三密封卡套17。

光纤探针法为介入式测量，需要在测试管路上开孔，所述焊接连接件12与测试管路11焊接在一起，此焊接连接件12的另一端为卡套密封结构。

使用不锈钢导管14将焊接连接件12和变径两通接头15连接起来，不锈钢导管一方面可以保护光纤探针本体，另一方面可以自由变化其长度，实现测量位置的灵活调节。

所述光纤探针本体依次插入上述变径两通接头15和不锈钢导管14 中，变径两通接头15各与不锈钢导管14和光纤探针本体密封。

图3为图2所述卡套密封结构示意图，主要包括焊接连接件12、第一密封卡套13、不锈钢导管14、变径两通接头15、不锈钢导管密封点一18、不锈钢导管密封点二19、光纤探针本体密封点20。

不锈钢导管密封点一18和不锈钢导管密封点二19位于不锈钢导管14 两侧，不锈钢导管14的两端抵住焊接连接件12内的台阶，根据探针本体长度和测量位置的选择，可以确定不锈钢导管的长度。

光纤探针本体密封点20位于第二层不锈钢套管5上，以第二层不锈钢套管5为外围保护层的光纤探针本体整体穿过变径两通接头15和不锈钢导管14，直达光纤探针尖端测试位置。

以上为本实用新型所述一种用于高温高压两相流局部参数测量的光纤探针及其密封结构，以测量某高温高压圆管通道中心的局部参数为例，其具体的操作与安装步骤为：

(1)根据测试位置的情况选择第一层不锈钢套管3，本实施例选取外径为1mm、内径0.5mm的不锈钢套管；将加工好的带有探针尖端2的石英传输光纤1插入第一层不锈钢套管3，探针尖端1穿出约2mm；

(2)使用微型注射器将防水的高温粘合胶注射到石英传输光纤2与第一层不锈钢套管3的间隙里，使其慢慢固化以完成第一层密封结构4；

(3)确定第二层不锈钢套管5的规格，本实施例选取外径为2mm、内径 1.5mm的不锈钢套管，将第一层不锈钢套管3插入第二层不锈钢套管5，探针尖端1穿出约20mm；使用微型注射器将防水的高温粘合胶注射到第一层不锈钢套管3与第二层不锈钢套管5的间隙里，使其慢慢固化以完成第二层密封结构6；

(4)依次将连接器主体7、挤压套管8、后罩壳9、光纤保护套10连接起来，连接器主体7上开有与第二层不锈钢套管5相匹配的凹槽，正好将第二层不锈钢套管5插入其中，此部位无需承受高温与高压，使用普通粘合胶即可；

(5)选取6mm的不锈钢导管14，6mm的焊接连接件12，6mm转3mm的变径两通接头15，根据测试位置以及光纤探针本体长度确定不锈钢导管的长度，将光纤探针本体测试端插入不锈钢导管14；

(6)在测试管路11上开6mm的孔，将焊接连接件12焊接上去，并连接第一密封卡套13，完成不锈钢导管密封点一18；

(7)将光纤探针本体插入变径两通接头15，根据测量位置和不锈钢导管14的长度确定光纤探针本体密封点20，旋紧完成其密封；

(8)将变径两通接头15的6mm侧与不锈钢导管14连接起来，完成不锈钢导管密封点二19，至此完成所有结构的密封。

以上为本实用新型实施例提供的一种用于高温高压两相流局部参数测量的光纤探针及其密封结构的主要组成结构与连接过程。

本实用新型实施例针对光纤探针法进行了优化，拓展了光纤探针法的测试条件，解决了高温高压汽液两相流局部参数测量的难题。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.用于高温高压两相流局部参数测量的光纤探针及密封结构，其特征在于，包括光纤探针本体，实现光纤探针本体在管路上的测试连接和高温高压下密封的光纤探针与测试管道连接结构和光纤探针尾部密封结构；

所述光纤探针本体包括传输光纤(2)，位于传输光纤(2)端部的探针尖端(1)，包覆在传输光纤(2)前部的支撑和保护光纤的第一层不锈钢套管(3)，包覆在第一层不锈钢套管(3)后部及传输光纤(2)后部的第二层不锈钢套管(5)，传输光纤(2)与第一层不锈钢套管(3)之间的间隙中填充高温粘合胶，作为第一层密封结构(4)，第一层不锈钢套管(3)与第二层不锈钢套管(5)之间的间隙中填充高温粘合胶，作为第二层密封结构(6)；还包括光纤探针尾部连接结构，光纤探针尾部连接结构包括依次连接的连接器主体(7)、后罩壳(9)和光纤保护套(10)，位于连接器主体(7)、后罩壳(9)和光纤保护套(10)中心的挤压套管(8)；传输光纤(2)的后端穿入挤压套管(8)中，且第二层不锈钢套管(5)插入连接器主体(7)的凹槽中并固定；

所述光纤探针与测试管道连接结构包括测试管路(11)，固定在测试管路(11)开孔上的焊接连接件(12)，光纤探针本体测试端伸入其中的不锈钢导管(14)，套接在不锈钢导管(14)上与焊接连接件(12)连接形成不锈钢导管密封点一(18)的第一密封卡套(13)；

所述光纤探针尾部密封结构包括光纤探针本体测试端和不锈钢导管(14)端部伸入其中的变径两通接头(15)，套接在变径两通接头(15)一端与变径两通接头(15)连接形成不锈钢导管密封点二(19)的第二密封卡套(16)，套接在变径两通接头(15)另一端与变径两通接头(15)连接形成光纤探针本体密封点(20)的第三密封卡套(17)。

2.根据权利要求1所述的用于高温高压两相流局部参数测量的光纤探针及密封结构，其特征在于，所述不锈钢导管(14)能够自由变化其长度，实现测量位置的灵活调节。

3.根据权利要求1所述的用于高温高压两相流局部参数测量的光纤探针及密封结构，其特征在于，所述探针尖端(1)和传输光纤(2)的材料均为石英光纤，两者为一整体，直径为100μm-200μm，采用研磨法或熔拉法将光纤一端制成圆锥形，锥角为30°-90°；或者探针尖端(1)为蓝宝石材料加工成上述锥角与直径大小的圆锥形，传输光纤为石英光纤，通过高温粘合胶将蓝宝石探针尖端与石英传输光纤连接到一起。

4.根据权利要求1所述的用于高温高压两相流局部参数测量的光纤探针及密封结构，其特征在于，所述第一层不锈钢套管(3)的外径为0.5-1mm，第二层不锈钢套管(5)的外径为1-3mm。

5.根据权利要求1所述的用于高温高压两相流局部参数测量的光纤探针及密封结构，其特征在于，所述不锈钢导管(14)的外径为3-6mm，具体尺寸视第二层不锈钢套管(5)的外径而定。

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