核環(huán)境下小型化無線溫度傳感器設(shè)計和傳熱分析

0 引言

無線傳感器及網(wǎng)絡(luò)作為近年來興起的一種數(shù)據(jù)采集和高效傳輸方法[1-3]，可以消除信號傳輸電纜，部分甚至能夠替代供電電纜。將無線傳感器及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于核環(huán)境能夠大大增強(qiáng)傳感器布置的靈活性，大幅減少核環(huán)境建設(shè)過程中的電纜敷設(shè)和端接工作量，減少核環(huán)境使用和維護(hù)中電纜老化和端接故障帶來的影響，減少二次儀表數(shù)量并減小其體積，降低線纜穿艙帶來的堆艙泄漏率，有助于核環(huán)境信息化、自動化水平的提高和設(shè)備集成化、小型化的實(shí)現(xiàn)，有助于減少建造和運(yùn)行成本。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在交通、石化、電力、水處理等行業(yè)已經(jīng)有較多成熟應(yīng)用，但在核環(huán)境領(lǐng)域還是空白。核環(huán)境的一些特殊性對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)，如布置空間有限、復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)對無線信號的衰減、高密度傳感器布置下的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時性等，這些方面的難題亟待解決。

本文通過對無線溫度傳感器的小型化、一體化設(shè)計及其隔熱降溫的研究和仿真分析，助力實(shí)現(xiàn)無線溫度傳感器在核環(huán)境高溫設(shè)備和管道上的直接測量，進(jìn)一步推動核環(huán)境中無線傳感器的應(yīng)用。

1無線溫度傳感器小型化設(shè)計

結(jié)合無線傳感器及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在緊湊布置核環(huán)境的具體應(yīng)用場景，需確保無線網(wǎng)關(guān)和無線傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)小巧輕便，以適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境，從而提高其部署的靈活性。本文無線溫度傳感器通過PT100溫度傳感器采集溫度變化數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，通過LORA無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送到網(wǎng)關(guān)，采用一體化電路和一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，實(shí)現(xiàn)溫度采集及數(shù)據(jù)傳輸。同時，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)傳感器小型化，其電路部分采用圓形結(jié)構(gòu)設(shè)計，傳感器設(shè)計為圓柱體形式，最終實(shí)現(xiàn)無線溫度傳感器長度小于 240mm ，圓柱體最大直徑小于 50mm 。無線溫度傳感器三維模型如圖1所示，實(shí)物圖如圖2所示，電路板如圖3所示。

2 無線溫度傳感器隔熱設(shè)計和仿真分析

為實(shí)現(xiàn)無線溫度傳感器在核環(huán)境高溫設(shè)備和管道上的直接測量，需對無線溫度傳感器測量前端（圖4）與殼體內(nèi)的數(shù)據(jù)采集電路部分（圖5）之間進(jìn)行隔熱設(shè)計。

本文通過隔熱墊將溫度傳感器和數(shù)據(jù)采集傳輸部分隔離，采用螺釘固定方式安裝。隔熱墊采用云母板耐高溫材料制成（圖6，耐溫等級：持續(xù)使用條件熱傳導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的核心計算基于熱傳導(dǎo)方程：

式中： q 表示熱流密度 ，即單位面積上的熱量傳遞速率； k 為材料的導(dǎo)熱系數(shù) （W?m^-1?K^-1） ，反映了材料傳遞熱量的能力; 表示位置 x 的溫度梯度（^°C/m） 。

下耐溫 850^°C 。同時，由于云母片的可塑性較差，在云母片的一側(cè)添加耐高溫合成石（圖7，合成石錯位沉孔用以提供固定支撐孔位，便于溫度傳感器部分和數(shù)據(jù)采集傳輸部分的連接固定。固定螺釘采用內(nèi)六角螺釘，以提供更大的接觸面，讓固定連接更可靠。

根據(jù)隔熱設(shè)計，開展無線傳感器散熱計算分析，以保證傳感器設(shè)備長期穩(wěn)定運(yùn)行的散熱需求。散熱計算及仿真分析具體如下：

對于多層材料，在界面處熱流必須連續(xù)，即通過界面的一側(cè)進(jìn)入的熱流等于從另一側(cè)傳出的熱流。這可以表示為：

式中： k₁ 和 k₂ 分別是兩種材料的導(dǎo)熱系數(shù)； T₁ 和 T₂ 分別是界面兩側(cè)的溫度分布。

核環(huán)境中高溫設(shè)備或管道的溫度設(shè)定為 400° （即無線溫度傳感器的前端溫度固定極限情況），且層間熱流密度 q 恒定，整體的溫差關(guān)系可以寫成：

式中： L_i 表示第i層材料的厚度； K_i 表示第i層材料的導(dǎo)熱系數(shù)； 和 表示高、低溫端的溫度。

在仿真分析中，通過ANSYS數(shù)值仿真方法，對一端暴露在 高溫液體中，另一端裸露在空氣中的溫度傳感器設(shè)備進(jìn)行了熱傳遞分析。熱傳遞仿真分析的主要目的是評估設(shè)備在這種工況下的溫度分布特征，尤其是設(shè)備后端的溫度變化，以此驗(yàn)證多層材料在隔熱方面的有效性，有助于驗(yàn)證和優(yōu)化設(shè)備的熱管理設(shè)計。

無線溫度傳感器隔熱層由云母片、合成石構(gòu)成，其中云母片厚度為 15mm ，合成石厚度為 3mm 。云母材料具有良好的耐高溫特性，導(dǎo)熱系數(shù)較低，能夠有效減緩熱量從高溫端傳遞至設(shè)備后端的速率。合成石則作為次級隔熱層，與云母片配合使用，以進(jìn)一步抑制溫度的傳遞。在仿真中，利用已知的材料熱物性參數(shù)來定義每層材料的熱傳遞行為，以便準(zhǔn)確模擬實(shí)際工作條件下的熱量流動。

為了模擬實(shí)際工況，在熱傳遞仿真中對設(shè)備的邊界條件進(jìn)行了精確設(shè)置。設(shè)備前端設(shè)置為固定溫度 400° ，模擬設(shè)備浸沒在高溫液體中的極限溫度環(huán)境；而設(shè)備后端由于暴露在空氣中，設(shè)置為自然對流條件；設(shè)備初始溫度為 20^°C ，環(huán)境空氣溫度為 25^°C ，熱量對流溢散為15W/ （K?m²） ，以模擬熱量通過后端散失到空氣中的過程；為避免偶然性因素影響并使得熱量傳遞時間達(dá)到熱平衡條件，分別進(jìn)行了時長為10h和100h的熱傳遞仿真實(shí)驗(yàn)，以充分驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。

通過代入實(shí)際環(huán)境數(shù)值仿真，得到了設(shè)備后端溫度隨時間變化的曲線，結(jié)果如圖8所示。

仿真結(jié)果表明，后端溫度從初始的室溫開始逐漸升高，并在一段時間后趨于穩(wěn)定。在達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，后端溫度保持在 左右，遠(yuǎn)低于前端的400° 高溫。數(shù)據(jù)表明，云母片和合成石的多層隔熱結(jié)構(gòu)在阻止高溫傳導(dǎo)方面發(fā)揮了顯著效果，保證了后端溫度穩(wěn)定在較低的范圍內(nèi)。

此外，仿真還顯示出溫度分布的梯度特征，即越靠近高溫端溫度越高，云母片和合成石層之間形成了明顯的溫度過渡區(qū)域，這進(jìn)一步驗(yàn)證了各材料層的隔熱性能。仿真熱傳導(dǎo)溫度分布狀態(tài)如圖9所示。

3 結(jié)論

為進(jìn)一步推動核環(huán)境中無線傳感器的應(yīng)用，本文以無線溫度傳感器為研究對象，開展了傳感器的小型化、一體化設(shè)計；同時，為使無線溫度傳感器可對核環(huán)境高溫設(shè)備或管段進(jìn)行直接溫度測量，開展了測量前端與后端電路部分間的隔熱設(shè)計及仿真分析，通過仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了多層材料結(jié)構(gòu)在高溫環(huán)境下的隔熱性能。仿真結(jié)果表明，在一端 400° 高溫條。

[參考文獻(xiàn)]

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件下，通過云母片和合成石的逐層隔熱，無線溫度傳感器后端溫度可以穩(wěn)定在合理范圍內(nèi)，低于 55^°C ，且不會超過材料的使用溫度限制。

收稿日期：2025-02-17

作者簡介：吳茜（1987一），女，陜西咸陽人，高級工程師，研究方向：核電廠過程儀表系統(tǒng)設(shè)計和過程儀表研發(fā)。