氟氣流量測量裝置的設計制造及應用①

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(中核四0四有限公司,甘肅　蘭州　732850)

氟氣流量是核燃料循環中相關產品生產的一個重要參數，在生產工藝流程中氟氣流量的準確測量，不僅影響產品質量而且可避免氟氣的浪費。本文根據實際生產需要自主設計了氟氣流量測量裝置，并委托美國TI公司生產樣機,在技術性能指標滿足要求后應用于實際生產。

1　流量測控裝置的結構

氟氣流量測控裝置由氟氣流量計、氣動薄膜調節閥、氟氣罐、電磁閥和DCS系統等組成；DCS系統硬件由ABB公司AC800F控制器[3]、現場I/O卡件、工程師站，軟件由Control Build F軟件和DigVis軟件組成，裝置結構如圖1所示。

2　氟氣流量測量裝置核心部件的設計

該測量裝置核心部件包括氟氣流量計和氣動薄膜調節閥。

圖1　流量測量裝置結構圖Fig.1　The structure of the flow measurement device

2.1　氟氣流量計

目前,廣泛應用的流量計，大多數測量的是體積流量。由于溫度、壓力等環境條件都會在一定程度上影響流體的體積，當外在的溫度、壓力等環境條件改變時，需要對體積流量進行換算，但當溫度、壓力頻繁變化時，進行及時換算很難實現。因此最佳選擇質量流量計，本文利用質量流量計的原理自主研制氟氣流量計。

2.1.1氟氣流量計技術指標

根據工藝需求，制定技術指標，研制氟氣流量計，技術指標如下：

1)質量流量的實時測量;

2)溫度補償功能，快速進行溫度補償;

3)數據的采集、處理、存儲等功能;

4)該流量計采用量熱式質量流量計工作原理，薄壁測量管采用蒙乃爾400合金或者哈氏合金，防止氟氣將薄壁測量管腐蝕，造成氟氣泄露，損壞傳感器，影響測量精度;

5)該流量計測量范圍[0,300]NL/h，精度1.0級，現場顯示瞬時流量和累積流量，傳輸信號[4,20]mA,連接方式焊接;

6)該流量計采用氟氣和氮氣進行標定，提供氟氣和氮氣的標定數據曲線，并具有氟氣和氮氣流量測量的切換功能。主要目的，采用氟氣標定后的流量計可以準確測量氟氣流量的真實值，采用氮氣標定，該流量計可以用于國內計量院校準，解決國內計量院沒有氟氣流量校準裝置等問題;

7)將該流量計送至國內省級以上的檢定部門進行校準，校準介質氮氣，校準結果合格;

流量計研制：將以上技術要求提供給美國TI公司技術人員對參數進行確認，該公司承諾3個月以后樣機可以生產完畢。

2.1.2氟氣流量計測試

美國TI公司生產出樣機型號 600/9-9500P氟氣流量計，該流量計硬件電路采用單片機為核心，外部擴展存儲模塊，通信模塊和I/O模塊組成運算及控制電路，滿足質量流量的實時測量以及實現數據的采集、處理、存儲等功能；由技術手冊[5]可知，該流量計傳感器中薄壁測量管采用蒙乃爾400合金；測量范圍[0,300]NL/h，精度1.0級，現場顯示瞬時流量和累積流量值，傳輸信號[4,20]mA,連接方式焊接。

(1)用氟氣和氮氣進行標定及標定曲線

根據技術要求，分別采用氟氣和氮氣進行標定，并可以通過參數設定修改模式，此外提供標定曲線，標定曲線如圖3。

圖2　氟氣標定曲線Fig.2　Calibration curve of fluorine gas

圖3　氮氣標定曲線Fig.3　Calibration curve of nitrogen

曲線分析：氟氣比熱容Cp=827.67 J/(kg·K),氮氣比熱容Cp=1038 J/(kg·K),根據流量計算公式[4]可知，相同流量下，比熱容與平均溫度成正比，比熱容越大對應電壓值就越大，由氟氣和氮氣標定曲線可知理論分析和廠家提供數據曲線吻合。

(2)熱氟氣流量計校準

根據技術要求，將型號 600/9-9500P氟氣流量計送至省級以上計量院進行校準，量程[0,300]NL/h精度等級1.0級。校準結果如表1。

表1　校準結果記錄表Table 1　Calibration results

根據型號600/9—9500P流量計合格證提供信息得知，該流量計的最大引用誤差±1.0%，最大相對誤差是±2.0%,由校準數據可知相對誤差和引用誤差都在要求范圍之內，因此該流量計是合格的。

(3)溫度補償測試

在上章節中提到，新定制樣機具有溫度補償功能。根據型號600/9-9500P說明書可知，該流量計采用的是數字化溫度補償法，該方法采用恒流法測量電路，將溫度信號轉換成電流信號，通過高精度的AD轉換電路，將電流信號轉換成數字信號送入單片機，通過補償算法進行補償。該方法通過算法進行溫度補償，避免了模擬電路的固有問題，提高了補償精度。

將新定制的流量計安裝在溫度波動引起誤差測試平臺中，按照測試方法進行測試，取100 NL/h作為觀測點，每個觀測點進行6次重復性測量，不確定度評定符合A類評定[6]，結果如表2。

表2　重復性實驗數據表Table 2　Repetitive experimental data

則溫度波動引入標準不確定度U(Ts)= 0.41 NL/h，其自由度24。

當置信水平為95%時，自由度為23，查t分布表得包含因子k=1.714其擴展標準不確定U(T)=U(Ts)×k=0.7 NL/h。

2.2　氣動薄膜調節閥

在生產線中，調節閥流量系數選擇不合適，造成調節閥震蕩大降低了控制精度，降低氟氣的利用率。

(1)調節閥流量系數的定義及計算公式

我國當前的商務英語教學模式中的教學觀念還沒有徹底的改變，依然沿用著傳統的教學觀念。傳統的教學觀念下的主要授課形式為“老師講、學生聽和寫”的授課模式，這樣的授課形式雖然可以在較短的時間內傳授更多的理論知識，對于學生通過考試有很大的幫助，但也造成了現在的學生中普遍存在的聽不懂別人的口語、也說不出來的現象[2]。根據一些實際調查的結果，大多數的學生認為現在的商務英語教學還是傳統的教學模式，雖然有的老師改變了原有的教學觀念，實行“以學生為主“的教學觀念，但是取得的效果并不理想。

調節閥的流量系數，是調節閥的重要參數，它反映調節閥通過流體的能力，也就是調節閥的容量[7]。流量系數分為，英制單位CV和國際單位KV，CV為英制單位的流量系數，其換算關系：CV≈1.16KV。

通過查閱資料[8]，氣體(壓力小于10MPa)流量系數的計算公式如下：

當P2>0.5P1時:

(1)

當P2≤0.5P1時:

(2)

式中：KV——流量系數;

P1——閥入口絕對壓力kPa;

P2——閥出口絕對壓力kPa;

Qg——氣體最大流量Nm3/h;

G——氣體比重(氟氣=1.31);

t——氣體溫度℃。

在生產過程中，氟氣罐中氟氣壓力范圍[60，350]kPa，閥后壓力范圍20 kPa左右，選擇公式2。

(2)流量系數計算

根據要求，氟氣最大流量Qg=300 NL/h，G=1.31;t=23 ℃;氟氣滿罐時：P表1=350 kPa，P大氣=84 kPa，因此P11=P表1+P大氣=434 kPa；將數據帶入公式2得：

KV1=0.0136

氟氣空罐時：P表1=60 kPa，P大氣=84 kPa，因此P11=P表1+P大氣=144 kPa；將數據帶入公式得：

KV2=0.0409

則流量系數KV的取值范圍[0.0136, 0.0409]，利用黃金分割法，通過C語言編寫程序求解KV最優值，流程如圖4所示。

圖4　流程圖 Fig.4　Flow chart

由C語言程序得出KV最優值為0.016 82，將該數據帶入上述公式中，當閥前壓力434 kPa時最大流量Qmax1為372 NL/h，當閥前壓力144 kPa時最大流量Qmax2為124 NL/h，滿足工藝要求。

3　結束語

通過自主設計研發的氟氣流量測量裝置，解決了氟氣流量測量誤差大、氟氣利用率低等問題，間接提高產品質量，減少核材料的浪費。該氟氣流量測量裝置為今后流量計的研制、氣動薄膜調節閥的流量系數最優選擇提供理論依據和實驗數據。