耐惡劣環境熱式流量傳感器設計與研究

中圖分類號：TP212 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945(2025)23-0011-04

Abstract:Inresponse tothedemandforcoolantflow measurementinnuclearpowerplantreactorsunderiradiation，high temperature，andhighpresureenvironments，thispaperdesignsanddevelopsaharshenvironmentresistantthermalflowsensor basedonheat exchange principlesandMEMStechnology.Thesensorconsistsofthreeparts:probe，lead，andtransmiter.The probestructureismainlycomposedofceramicsensitiveelements，reinforcedbrackets，andshellsealedsinteredparts.The ceramicsensitiveelementsareprocessedandfabricatedonaceramicsubstrateusingMEMStechnologytoformplatinumthin filmsensitiveelectrodes，andtheprobestructureisencapsulatedusingglasssinteringtechnologytowithstandhightemperature andhighvoltage.Finall，themechanicalfasteningmethodwasusedtoassmbleteprototyeoftheharshenvironmentresistant thermalflowsensor，andtheprototypewastested.Thetestresultsshowedthatthisharshenvironment-resistantthermalflow sensorcanmeettherequirementsofcoolantflowmeasurementinirdiation，high-temperature，andhigh-pressureenviromnts.

Keywords: heat exchange principle; MEMS; harsh environment resistance; thermal flow sensor; prototype

由于核電站的核反應堆事故頻發，如著名的切爾諾貝利核電站事故、福島核電站事故等，國內外對核電站反應堆安全性能的需求不斷增加，反應堆自然循環的流量檢測越來越受到重視[-3]。因此，需要針對核電站反應堆冷卻劑流量測量開發一種適于大管徑、高溫、低流速液體的流量測量方法。

目前，國內外針對核反應堆冷卻劑流量的測量手段主要有壓差流量傳感器、渦輪流量傳感器、主泵功率法、放射性檢測法等[4-7]。本文根據實際應用場景方面的考量，采取熱式流量傳感器來完成對反應堆冷卻劑流量測量的目標。

1 工作原理

熱式流量傳感器的工作原理如圖1所示。

當傳感器探頭處于流體管道內，維持測溫傳感器和測速傳感器溫度差值恒定，通過測量提供給加熱絲的電壓值，即可推導出流量大小的方法為恒溫差式；維持電阻絲加熱電壓恒定不變，通過測量測溫傳感器和測速傳感器的溫度差值，即可推導出流量大小即為恒功率式8。

圖1熱式流量傳感器工作原理圖

恒溫差式方法無需額外的補償電阻，并且可以通過控制流經溫度敏感探頭的電流使其工作在2個不同的設定溫度，由電路輸出的電壓計算出流體流量，從而消除管道內環境溫度對流體流量測量結果的影響，此外恒溫差原理可將溫差控制在較小范圍內，避免液體氣化影響測試結果。因此本文設計的耐輻照耐高溫熱式流量傳感器采用恒溫差式方法進行管道內的流量測定。

2耐惡劣環境熱式流量傳感器設計

針對核反應堆冷卻管回路在惡劣環境下進行低流速小量程液體流量測量的需求，本文采用多集成熱式流量傳感器的設計方案，以適用于在惡劣環境條件下對低流速管路的流速測量。

本文設計的耐惡劣環境熱式流量傳感器的結構如圖2所示，該流量傳感器由探頭、引線、變送器3部分組成。其中流量傳感器探頭部分處于高溫、高壓、高輻照的測量介質環境中，變送器則處于常溫、常壓的測試環境、引線起到連接這2部分的作用。

圖2耐輻照耐高溫流量傳感器結構設計

耐惡劣環境熱式流量傳感器探頭為插入被測管路與介質直接接觸的部分。由于需要其能夠耐受高溫、高壓、高輻照的惡劣環境，因此，探頭結構主要由陶瓷敏感元件、加固支架和外殼密封燒結等零件組成。本文設計的耐惡劣環境熱式流量傳感器探頭結構如圖3所示。

圖3傳感器探頭結構示意圖

陶瓷敏感元件上集成有速度與溫度敏感電極，這2種單元采用金屬鉑薄膜和MEMS工藝制作在陶瓷基片上，利用金屬鉑在高溫、輻照環境下具穩定的溫度和電特性的特點以達到耐輻照的目的[10-12]。此外，鉑膜結構設計需要采用U型直線陣列圖形，為減小電阻條溫度分布梯度，提高傳感器的穩定性。

根據測量需要，需將溫度敏感電極與速度敏感電極均插入被測介質中，為減小電極與結構件間的熱傳遞，同時增加電極與被測介質之間的傳熱效率。本文采用在陶瓷基片上集成2種鉑膜敏感電極直接與被測介質接觸的方式，以一組敏感電極為例，陶瓷敏感元件的核心結構形式如圖4所示，陶瓷敏感元件下端為速度敏感電極，由對稱的2個電阻條組成，上端為溫度敏感電極，采用與速度敏感電極相同的結構，為減小加熱電極與探針其余部分的熱傳遞，將電阻分布在探頭邊緣的一個窄條上，可增加換熱效率，減小熱傳遞，提高測試靈敏度。

圖4陶瓷敏感元件的主要結構示意圖

為保證敏感電極的絕緣性，需增加保護層，材料為無機復合材料，陶瓷敏感元件組成如圖5所示，外層為復合陶瓷材料，封裝材料內側為鉑膜電阻，中間為陶瓷基板。各層間進行一體化封裝，具有耐高溫、耐高壓的特點。

圖5陶瓷敏感元件組成示意圖

本文設計的陶瓷敏感元件采用濺射方法沉積金屬鉑膜作為敏感層，采用光刻、刻蝕等工藝加工電阻條，采用等離子噴涂工藝在敏感鉑膜層表面進行絕緣保護處理。以上工藝技術均屬MEMS工藝范疇，集成了薄膜工藝的所有優點，加工精度高、加工尺寸小、一致性高等優點。

針對流量探頭需耐高溫、高壓以及高溫絕緣等實際需求，結合熱電偶、熱敏電阻、高溫壓力傳感器等現有產品的封裝工藝，采用玻璃燒結工藝實現流量探頭的耐高溫、高壓封裝。針對耐高輻射、高溫、高壓的環境，主要從封裝材料及工藝2方面入手開展研究，主要封裝過程需要研究的控制參數如圖6所示。

傳感器導線的輻照特性直接影響著耐惡劣環境熱式流量傳感器信號的傳輸，因此亦需考慮耐輻照性能，本文采用核級 300/500V 補償電纜，可保證其信號傳輸的耐輻照特性。以實現惡劣工況、復雜流場條件下的高精度測量問題。核級電纜作為核電站的重要電氣配套產品之一，其使用環境苛刻，安全性要求嚴格，由于核級電纜的敷設及使用環境條件特殊，因此其結構設計及材料選用除要考慮電纜的低煙/無鹵/阻燃性能，同時還要考慮高溫、高壓、高濕、 ?γ 射線輻照和機械牽拉等各種環境因素對電纜的影響。

圖6探頭封裝參數控制

本文選擇標準核級電纜如圖7所示。導體材料包括：環氧銅( 500^°C ）、鍍鎳銅（ 800^°C ）、純鎳（ (1000^°C^′ ），選擇環氧銅作為導體；絕緣體及填充材料選擇云母帶、玻璃纖維材料。

耐惡劣環境熱式流量傳感器的電路部分為鎧裝結構，主要實現多測量單元的驅動、模擬信號放大、信號采集及數據融合運算功能，解決高溫環境溫度補償、非穩定發展流場的智能補償等問題，如圖8所示。

電路部分為鎧裝結構，主要實現多測量單元的驅動、模擬信號放大、信號采集及數據融合運算功能，解決高溫環境溫度補償、非穩定發展流場的智能補償等問題，以實現惡劣工況、復雜流場條件下的高精度測量問題。

圖7測量電纜

本文設計的熱式流量傳感器的變換器部分處于常溫、常壓工作環境，采用了傳統的正方型外殼設計，結構如下。

因此，本項目擬基于數字信號處理系統構建高分辨閉環控制恒溫差電路，即將測速單元的溫差信號Δ T-經AD轉換為數字信號后進人到信號處理器，處理器一方面通過DA轉換和功率驅動電路，形成反饋電流閉環控制，實時動態平衡各測速單元的溫度差，將其控制在 5°C 恒定溫差；另一方面通過濾波、流場/溫度補償、非線性補償等信號處理數據處理，實現流量的實時在線監測。結合該項目的實際需求及模擬仿真結果，擬選用高性能ARM系列微處理芯片。傳感器信號處理系統原理框圖如圖9所示。

圖8變換器結構圖

圖9傳感器信號采集與處理電路系統框圖

3傳感器樣品性能測試

為驗證基于本論文設計方案制備的耐惡劣環境熱式流量傳感器樣品的性能，將傳感器樣品置于輻照、常溫、常壓的水介質管道環境中進行性能測試，標定管徑 150mm ，測試流量范圍為 70～90t/h 。如圖10所示。

圖10現場測試環境

測試結果見表1及曲線分布，證明在 150mm 管道下，該設計在量程范圍內具有較好的靈敏度。

表1惡劣環境下熱式流量傳感器的電壓輸出

根據表1的測試數據，擬合輸出曲線如圖11所示。

圖11 模擬電壓輸出曲線

通過數字電路和模擬電路聯調，實現了上位機對速度、溫度多參數的同步采集驗證及補償算法，如圖12所示。

圖12數字板信號驗證

4結論

測試結果證明了基于本論文設計方案制造的耐惡劣環境熱式流量傳感器的可行性，該熱式流量傳感器的設計和研發可以用于解決我國核反應堆冷卻系統中缺乏高精度高可靠流量傳感器的問題，為我國核能源的技術發展做出重要的技術積累。

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