氟氣流量測量裝置的設(shè)計(jì)制造及應(yīng)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(huán)中相關(guān)產(chǎn)品生產(chǎn)的一個重要參數(shù)，在生產(chǎn)工藝流程中氟氣流量的準(zhǔn)確測量，不僅影響產(chǎn)品質(zhì)量而且可避免氟氣的浪費(fèi)。本文根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要自主設(shè)計(jì)了氟氣流量測量裝置，并委托美國TI公司生產(chǎn)樣機(jī),在技術(shù)性能指標(biāo)滿足要求后應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。

1　流量測控裝置的結(jié)構(gòu)

氟氣流量測控裝置由氟氣流量計(jì)、氣動薄膜調(diào)節(jié)閥、氟氣罐、電磁閥和DCS系統(tǒng)等組成；DCS系統(tǒng)硬件由ABB公司AC800F控制器[3]、現(xiàn)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(jié)構(gòu)如圖1所示。

2　氟氣流量測量裝置核心部件的設(shè)計(jì)

該測量裝置核心部件包括氟氣流量計(jì)和氣動薄膜調(diào)節(jié)閥。

圖1　流量測量裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1　The structure of the flow measurement device

2.1　氟氣流量計(jì)

目前,廣泛應(yīng)用的流量計(jì)，大多數(shù)測量的是體積流量。由于溫度、壓力等環(huán)境條件都會在一定程度上影響流體的體積，當(dāng)外在的溫度、壓力等環(huán)境條件改變時(shí)，需要對體積流量進(jìn)行換算，但當(dāng)溫度、壓力頻繁變化時(shí)，進(jìn)行及時(shí)換算很難實(shí)現(xiàn)。因此最佳選擇質(zhì)量流量計(jì)，本文利用質(zhì)量流量計(jì)的原理自主研制氟氣流量計(jì)。

2.1.1氟氣流量計(jì)技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)工藝需求，制定技術(shù)指標(biāo)，研制氟氣流量計(jì)，技術(shù)指標(biāo)如下：

1)質(zhì)量流量的實(shí)時(shí)測量;

2)溫度補(bǔ)償功能，快速進(jìn)行溫度補(bǔ)償;

3)數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲等功能;

4)該流量計(jì)采用量熱式質(zhì)量流量計(jì)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(jì)測量范圍[0,300]NL/h，精度1.0級，現(xiàn)場顯示瞬時(shí)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(jì)采用氟氣和氮?dú)膺M(jìn)行標(biāo)定，提供氟氣和氮?dú)獾臉?biāo)定數(shù)據(jù)曲線，并具有氟氣和氮?dú)饬髁繙y量的切換功能。主要目的，采用氟氣標(biāo)定后的流量計(jì)可以準(zhǔn)確測量氟氣流量的真實(shí)值，采用氮?dú)鈽?biāo)定，該流量計(jì)可以用于國內(nèi)計(jì)量院校準(zhǔn)，解決國內(nèi)計(jì)量院沒有氟氣流量校準(zhǔn)裝置等問題;

7)將該流量計(jì)送至國內(nèi)省級以上的檢定部門進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)介質(zhì)氮?dú)猓?zhǔn)結(jié)果合格;

流量計(jì)研制：將以上技術(shù)要求提供給美國TI公司技術(shù)人員對參數(shù)進(jìn)行確認(rèn)，該公司承諾3個月以后樣機(jī)可以生產(chǎn)完畢。

2.1.2氟氣流量計(jì)測試

美國TI公司生產(chǎn)出樣機(jī)型號 600/9-9500P氟氣流量計(jì)，該流量計(jì)硬件電路采用單片機(jī)為核心，外部擴(kuò)展存儲模塊，通信模塊和I/O模塊組成運(yùn)算及控制電路，滿足質(zhì)量流量的實(shí)時(shí)測量以及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲等功能；由技術(shù)手冊[5]可知，該流量計(jì)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(xiàn)場顯示瞬時(shí)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?dú)膺M(jìn)行標(biāo)定及標(biāo)定曲線

根據(jù)技術(shù)要求，分別采用氟氣和氮?dú)膺M(jìn)行標(biāo)定，并可以通過參數(shù)設(shè)定修改模式，此外提供標(biāo)定曲線，標(biāo)定曲線如圖3。

圖2　氟氣標(biāo)定曲線Fig.2　Calibration curve of fluorine gas

圖3　氮?dú)鈽?biāo)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?dú)獗葻崛軨p=1038 J/(kg·K),根據(jù)流量計(jì)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(yīng)電壓值就越大，由氟氣和氮?dú)鈽?biāo)定曲線可知理論分析和廠家提供數(shù)據(jù)曲線吻合。

(2)熱氟氣流量計(jì)校準(zhǔn)

根據(jù)技術(shù)要求，將型號 600/9-9500P氟氣流量計(jì)送至省級以上計(jì)量院進(jìn)行校準(zhǔn)，量程[0,300]NL/h精度等級1.0級。校準(zhǔn)結(jié)果如表1。

表1　校準(zhǔn)結(jié)果記錄表Table 1　Calibration results

根據(jù)型號600/9—9500P流量計(jì)合格證提供信息得知，該流量計(jì)的最大引用誤差±1.0%，最大相對誤差是±2.0%,由校準(zhǔn)數(shù)據(jù)可知相對誤差和引用誤差都在要求范圍之內(nèi)，因此該流量計(jì)是合格的。

(3)溫度補(bǔ)償測試

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

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

表2　重復(fù)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表Table 2　Repetitive experimental data

則溫度波動引入標(biāo)準(zhǔn)不確定度U(Ts)= 0.41 NL/h，其自由度24。

當(dāng)置信水平為95%時(shí)，自由度為23，查t分布表得包含因子k=1.714其擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)不確定U(T)=U(Ts)×k=0.7 NL/h。

2.2　氣動薄膜調(diào)節(jié)閥

在生產(chǎn)線中，調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)選擇不合適，造成調(diào)節(jié)閥震蕩大降低了控制精度，降低氟氣的利用率。

(1)調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)的定義及計(jì)算公式

我國當(dāng)前的商務(wù)英語教學(xué)模式中的教學(xué)觀念還沒有徹底的改變，依然沿用著傳統(tǒng)的教學(xué)觀念。傳統(tǒng)的教學(xué)觀念下的主要授課形式為“老師講、學(xué)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(shí)間內(nèi)傳授更多的理論知識，對于學(xué)生通過考試有很大的幫助，但也造成了現(xiàn)在的學(xué)生中普遍存在的聽不懂別人的口語、也說不出來的現(xiàn)象[2]。根據(jù)一些實(shí)際調(diào)查的結(jié)果，大多數(shù)的學(xué)生認(rèn)為現(xiàn)在的商務(wù)英語教學(xué)還是傳統(tǒng)的教學(xué)模式，雖然有的老師改變了原有的教學(xué)觀念，實(shí)行“以學(xué)生為主“的教學(xué)觀念，但是取得的效果并不理想。

調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)，是調(diào)節(jié)閥的重要參數(shù)，它反映調(diào)節(jié)閥通過流體的能力，也就是調(diào)節(jié)閥的容量[7]。流量系數(shù)分為，英制單位CV和國際單位KV，CV為英制單位的流量系數(shù)，其換算關(guān)系：CV≈1.16KV。

通過查閱資料[8]，氣體(壓力小于10MPa)流量系數(shù)的計(jì)算公式如下：

當(dāng)P2>0.5P1時(shí):

(1)

當(dāng)P2≤0.5P1時(shí):

(2)

式中：KV——流量系數(shù);

P1——閥入口絕對壓力kPa;

P2——閥出口絕對壓力kPa;

Qg——?dú)怏w最大流量Nm3/h;

G——?dú)怏w比重(氟氣=1.31);

t——?dú)怏w溫度℃。

在生產(chǎn)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(shù)計(jì)算

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

KV1=0.0136

氟氣空罐時(shí)：P表1=60 kPa，P大氣=84 kPa，因此P11=P表1+P大氣=144 kPa；將數(shù)據(jù)帶入公式得：

KV2=0.0409

則流量系數(shù)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(yōu)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(yōu)值為0.016 82，將該數(shù)據(jù)帶入上述公式中，當(dāng)閥前壓力434 kPa時(shí)最大流量Qmax1為372 NL/h，當(dāng)閥前壓力144 kPa時(shí)最大流量Qmax2為124 NL/h，滿足工藝要求。

3　結(jié)束語

通過自主設(shè)計(jì)研發(fā)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(chǎn)品質(zhì)量，減少核材料的浪費(fèi)。該氟氣流量測量裝置為今后流量計(jì)的研制、氣動薄膜調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)最優(yōu)選擇提供理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。