一种激振探针

技术领域

本申请属于测量设备技术领域，特别是涉及一种激振探针。

背景技术

弹状流、泡状流、环状流、分层流是管道两相流的主要流型，其中弹状流的波动特性最为显著。每个弹状流单元包括1个液弹和1个气弹，液弹与气弹交替出现是弹状流的基本特性，由此引起流动的波动。弹状流的波动特性不仅影响两相流管道系统中泵的安全运行以及流量计的测量准确度，还会在弯头、阀门、分离器等处引起流致振动，是多相流管道系统中的激振源。测量管道两相流波动形态及流型，从中识别弹状流流型及其波动频率，对于多相泵、多相流量计以及多相流管道系统的合理设计及安全运行有重要意义。

利用电导探针、光学探针、差压传感器等测量仪表的输出信号可以测量弹状流的频率，这些方法的共同特征是这些测量仪表需要安装于管道上并通过电线给其供电，依据这些测量仪表的电信号测量弹状流频率。在一些条件下，例如海洋油田的油气混输管路、陆地油田的野外油气混输管路、电厂中的高温高压汽液两相流管路、核反应堆蒸汽发生器处的换热管路等情形，通过电源供电以实现电信号的传输是不易实现的，若通过拍摄视频即可监测其中的气液两相流流型，则是十分有利于工程技术人员监测流动工况、优化运行参数、实施安全管理的新技术方案。由于电导探针、光学探针、差压传感器等两相流流动形态测量方法都是将流动信号转变成电信号，则需要给传感器供电，使用起来不太方便。

发明内容

1.要解决的技术问题

基于电导探针、光学探针、差压传感器等两相流流动形态测量方法都是将流动信号转变成电信号，则需要给传感器供电，使用起来不太方便的问题，本申请提供了一种激振探针。

2技术方案

为了达到上述的目的，本申请提供了一种激振探针，包括探针基座，所述探针基座与管道底座连接，所述探针基座上设置有探针组件，所述探针组件包括探针和密封部件，所述探针与所述密封部件连接，所述密封部件通过紧固部件固定于所述探针基座内，所述探针穿过所述探针基座，所述探针一端与流体接触，所述流体盛装于管道内，所述探针另一端与振动视觉标记连接，通过所述振动视觉标记记录弹状流时的振动信号，通过所述振动信号能够测量所述管道两相流的波动形态及流型。

本申请提供的另一种实施方案为：所述探针基座一端内表面设置有第一内螺纹，所述管道底座外表面设置有第一外螺纹，所述第一内螺纹与所述第一外螺纹相互配合连接。

本申请提供的另一种实施方案为：所述密封部件包括回转密封柱和O型密封圈，所述探针设置于所述回转密封柱上，所述回转密封柱与所述探针基座之间设置有所述O型密封圈。

本申请提供的另一种实施方案为：所述回转密封柱横截面为圆形(侧视图)，所述回转密封柱的正视图为“+”型或者长方形。

本申请提供的另一种实施方案为：所述O型密封圈外圆直径大于所述回转密封柱最大回转直径。

本申请提供的另一种实施方案为：所述紧固部件包括凸起和密封紧固件，所述凸起设置于所述探针基座内部，通过所述凸起与所述密封紧固件将所述O型密封圈压紧进而对所述回转密封柱进行固定。

本申请提供的另一种实施方案为：所述密封紧固件外表面设置有第二外螺纹，所述探针基座另一端内表面设置有第二内螺纹，所述第二内螺纹与所述第二外螺纹相互配合连接。

本申请提供的另一种实施方案为：所述探针为柱状探针或者弦状探针。

本申请提供的另一种实施方案为：所述柱状探针为实心柱状或者空心柱状，所述柱状探针的横截面为圆形、椭圆形、三角形、矩形、正方形或者梯形。

本申请提供的另一种实施方案为：所述振动视觉标记包括线形标记、字母标记、波纹标记、图形标记或者符号标记。

3.有益效果

与现有技术相比，本申请提供的激振探针的有益效果在于：

本申请提供的激振探针，涉及管道气液两相流参数的测量，具体涉及测量管道气液两相弹状流波动频率及流型的激振探针。

本申请提供的激振探针，解决弹状流在多相泵、多相流量计、弯头、阀门等处引起的流致振动而提出，以激振探针的振动特征依赖于激振源的特征为科学原理，提出了测量气液两相弹状流波动频率及流型的激振探针，能够为两相流管道系统提供可靠的振动频域数据，识别管道两相流的波动特征及流型，也可为避免波动共振等安全运行事故提供依据。

本申请提供的激振探针，采用以探针的振动特征依赖于激振源的特征为科学原理，提出了测量测量管道气液两相弹状流波动频率及流型的激振探针，不需要给激振探针供电，而是通过对探针拍摄视频即可监测管道中的气液两相弹状流的波动频率及流型，十分有利于工程技术人员在复杂条件下监测管道流动工况、优化运行参数以及实施安全管理。

附图说明

图1是本申请的激振探针结构示意图；

图2是本申请的激振探针第二结构示意图；

图3是本申请的激振探针使用示意图；

图4是本申请的振动信号示意图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。

参见图1～4，本申请提供一种激振探针，包括探针基座2，所述探针基座2与管道底座13连接，所述探针基座2上设置有探针组件，所述探针组件包括探针1和密封部件，所述探针1与所述密封部件连接，所述密封部件通过紧固部件固定于所述探针基座2内，所述探针1穿过所述探针基座2，所述探针1一端与流体接触，所述流体盛装于管道内，所述探针1另一端与振动视觉标记9连接，通过所述振动视觉标记9显示弹状流时的振动信号，通过所述振动信号能够测量所述管道两相流的波动形态及流型。

每个弹状流单元包括1个液弹17和1个气弹16，液弹17与气弹16交替出现，这是气液两相弹状流的基本特征，该特征使弹状流具有明显的波动特性。本申请以探针1的振动特征依赖于激振源的特征为科学原理，在弹状流这一流型下，间歇流过的液弹碰到激振探针时犹如人的手指划过琴弦，会激励探针1发生振动，振动频率是探针的固有频率，而振幅的升降则是液弹和气弹间歇性地流过探针的直接反映。因此，依据探针1振幅的升降变化可以确定两相流的流型是否为弹状流，同时可以测量弹状流的波动频率。

所述探针1可与所述流体流动方向垂直。探针1在管道15壁面上插入式安装并与管内流体接触。气液两相流弹状流绕流探针1时，交替流过的液弹17和气弹16作为激振源，其波动特性引起探针1的振动，探针1的振幅及振动频率等振动特性能够反映激振源的特征，利用探针1的振动信号可以测量气液两相弹状流的波动频率及流型。

探针1的固有频率是探针1的一种固有属性，只受探针1材料的刚度和质量的影响。不论流体是否对激振探针进行了激励，探针1的固有频率都是确定的，当流体波动对探针1形成激励时，探针1就会以固有频率形成振动响应。虽然探针1的固有频率与流体波动没有关系，但是探针1振幅的升降变化却与两相流的波动特征相对应。

探针1的振动信号可采用激光测振法以及视频测振法等非接触振动测量方法获取，也可采用应变法以及加速度法等接触式振动测量方法获取。具体的，高速相机10通过拍摄所述振动视觉标记9记录弹状流时的振动信号，通过所述振动信号能够测量所述管道两相流的波动形态及流型。

本申请中的探针基座2为中空管状，探针1穿过探针基座2。

进一步地，所述探针基座2一端内表面设置有第一内螺纹3，所述管道底座13外表面设置有第一外螺纹14，所述第一内螺纹3与所述第一外螺纹14相互配合连接。也可以将探针基座2焊接在管道15外壁面上。

进一步地，所述密封部件包括回转密封柱5和O型密封圈4，所述探针1设置于所述回转密封柱5上，所述回转密封柱5与所述探针基座2之间设置有所述O型密封圈4。

探针1采用O型密封圈4密封，O型密封圈4的材质为橡胶等软性材料，其外圆直径略大于回转密封柱5的最大回转直径，使得回转密封柱5不与探针基座2接触。探针1的振动主要来自于管内流体波动的激励，例如，气液两相流中的弹状流，其中液弹和气弹的间歇性波动，是探针1振动的激振源，会引起探针1的振动。管道15的振动或者探针基座2的振动被O型密封圈4减缓，是探针1振动的次要影响因素。

进一步地，所述回转密封柱5横截面为圆形(侧视图)，所述回转密封柱5的正视图为“+”型或者长方形(图2中在低压条件下)。

若管内压力比较低，回转密封柱5可以简化为密封圆柱(见附图中的图2)，此时可以采用单个O型密封圈4实施密封，如附图中的图2所示。当回转密封柱5横截面为“+”型时，则需要两个O型密封圈4实施密封。

进一步地，所述紧固部件包括凸起和密封紧固件8，所述凸起设置于所述探针基2座内部，通过所述凸起与所述密封紧固件8将所述O型密封圈4压紧进而对所述回转密封柱5进行固定。

进一步地，所述密封紧固件8外表面设置有第二外螺纹7，所述探针基座2另一端内表面设置有第二内螺纹6，所述第二内螺纹6与所述第二外螺纹7相互配合连接。

进一步地，所述探针1为柱状探针或者弦状探针。所述柱状探针为实心柱状或者空心柱状，所述柱状探针的横截面为圆形、椭圆形、三角形、矩形、正方形或者梯形。

探针1的质量增大，则其固有频率减小；探针1的刚度增大，则其固有频率增大。弦状探针、空心柱状探针和实心柱状探针等因其质量和刚度的差异而具有不同的固有频率和振动响应能力，适用于不同工况的两相流。弦状探针可用于气液密度差较小、管径较小的两相流，实心柱状激振探针可用于气液密度差较大、管径较大、流速较高的两相流，空心柱状探针可用于气液密度差较大、管径较大而流速较低的两相流。依据气液两相密度差的大小、流速的大小以及管径的大小等，可分别选择弦状探针、空心柱状探针和实心柱状探针。

进一步地，所述振动视觉标记9包括线形标记、字母标记(例如K字母标记)、波纹标记(例如十字线标记)、图形标记或者符号标记，能够为视频测振等方法提供视觉信号源。

实施例

参见图3为一种测量气液两相弹状流波动频率及流型的激振探针，垂直于管道安装，不仅包括激振探针，还包括高速相机10，计算机振动视频分析11，振动波形图12，管道底座13，管道底座上与探针基座相连接的外螺纹即第一外螺纹14，管道15，气弹16，液弹17。

所述激振探针包括探针1、探针基座2、探针基座与管道基座连接内螺纹即第一内螺纹3、O型密封圈4、回转密封柱5、探针基座与密封紧固件相连接的内螺纹即第二内螺纹6、密封紧固件与探针基座相连接的外螺纹即第二外螺纹7、密封紧固件8以及振动视觉标记9。探针1的中间是回转密封柱5，探针1的一侧与流体接触，另一侧与振动视觉标记9连接，振动视觉标记能够为视频测振等振动测量方法提供探针的可视化振动信号。

所述探针1垂直于流动方向安装于管道15上，探针基座2通过第一内螺纹3与管道底座13上的第一外螺纹14相连接，将激振探针安装于管道15上。气液两相弹状流绕流探针1时，交替流过探针的液弹17和气弹16具有波动特性，其作为激振源会引起探针1的振动，探针1的振幅变化能够反映激振源的波动特征，利用探针1的振动信号可以识别弹状流的流型并计算得到其波动频率。

具体的：

1)先将O型密封圈4安装于探针1中间的回转密封柱5上；

2)再将探针1安装于探针基座2上，并用密封紧固件8压紧O型密封圈4。

3)然后，在管道底座13的第一外螺纹14上缠绕适量密封带，将探针基座2通过第一内螺纹3连接安装于管道底座13上；

4)调整探针1上的振动视觉标记9，使振动视觉标记9的十字线形面向高速相机10；

5)在管道15内形成气液两相弹状流，此时激振探针由于弹状流中液弹17的激振效应而发生振动，相应地振动视觉标记9随探针一起振动；

6)使用高速相机10拍摄记录振动视觉标记9上十字线形的振动视频信号；

7)使用振动分析软件分析所拍摄记录的十字线形振动视频信号，得到振幅随时间的变化图形，如附图中的图4所示；依据图4中的振幅升降变化特征可识别弹状流这一流型，其中每一个振幅的升降变化代表一个弹状流单元，即1个液弹17和1个气弹16；得到弹状流单元的个数和相应的时间跨度，进一步可计算出弹状流的频率。

图4是本申请的一个实施例，是弹状流时激振探针的振动信号，每一个振幅的升降变化代表了1个液弹17和1个气弹16交替流过探针1，即1个弹状流单元流过探针1，由此可识别弹状流这一流型。图4中在2.63秒的时间跨度内有4个振幅升降变化，代表了4个弹状流单元，每个弹状流单元包括1个液弹17和1个气弹16，由此可计算得到弹状流的波动频率为：4/2.63≈1.5(Hz)。

尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。