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氟气流量计设计制造及应用
发布时间：2018-10-27

摘要：一套氟气流量测量装置，该装置不仅提高了氟气流量测量精度而且提高了氟气利用率。首先分析了热式质量流量计的工作原理，根据工作原理和工艺需求。通过测试各项指标满足技术要求；然后通过黄金分割法，编写C语言程序，计算最优流量系数，并通过试验数据可知该气动调节阀满足工艺需求。该装置应用于提高了氟气流量的测量精度，而且提高了产品质量，减少了核材料浪费。
　　氟气流量是核燃料循环中相关产品生产的一个重要参数，在生产工艺流程中氟气流量的准确测量，不仅影响产品质量而且可避免氟气的浪费。本文根据实际需要自主设计了氟气流量计，并委托生产样机，在技术性能指标满足要求后应用于实际生产。
1　流量测控装置的结构
　　氟气流量测控装置由氟气流量计、气动薄膜调节阀、氟气罐、电磁阀和DCS系统等组成；DCS系统硬件由ＡBB公司ＡC800Ｆ控制器［3］、现场I/O卡件、工程师站，软件由CoNTroL　BUiLDＦ软件和DigVis软件组成，装置结构如图1所示。
氟气流量计流量测量装置结构图
2　氟气流量测量装置核心部件的设计
　　该测量装置核心部件包括氟气流量计和气动薄膜调节阀。
2.1　氟气流量计
　　目前，广泛应用的流量计，大多数测量的是体积流量。由于温度、压力等环境条件都会在一定程度上影响流体的体积，当外在的温度、压力等环境条件改变时，需要对体积流量进行换算，但当温度、压力频繁变化时，进行及时换算很难实现。因此选择质量流量计。
2.1.1　氟气流量计技术指标
　　根据工艺需求，推出氟气流量计，技术指标如下：
1）质量流量的实时测量；
2）温度补偿功能，快速进行温度补偿；
3）数据的采集、处理、存储等功能；
4）该流量计采用量热式质量流量计工作原理，薄壁测量管采用蒙乃尔400合金或者哈氏合金，防止氟气将薄壁测量管腐蚀，造成氟气泄露，损坏传感器，影响测量精度；
5）该流量计测量范围［0，300］NL/ｈ，精度1.0级，现场显示瞬时流量和累积流量，传输信号［4，20］mA，连接方式焊接；
6）该流量计采用氟气和氮气进行标定，提供氟气和氮气的标定数据曲线，并具有氟气和氮气流量测量的切换功能。主要目的，采用氟气标定后的流量计可以准确测量氟气流量的真实值，采用氮气标定，该流量计可以用于国内计量院校准，解决国内计量院没有氟气流量校准装置等问题；
7）将该流量计送至国内省级以上的检定部门进行校准，校准介质氮气，校准结果合格；
流量计研制：
2.1.2　氟气流量计测试
　　该流量计硬件电路采用单片机为核心，外部扩展存储�？�，通信�？楹虸/O模块组成运算及控制电路，满足质量流量的实时测量以及实现数据的采集、处理、存储等功能；由技术手册［5］可知，该流量计传感器中薄壁测量管采用蒙乃尔400合金；测量范围［0，300］NL/ｈ，精度1.0级，现场显示瞬时流量和累积流量值，传输信号［4，20］mA，连接方式焊接。
（1）用氟气和氮气进行标定及标定曲线
　　根据技术要求，分别采用氟气和氮气进行标定，并可以通过参数设定修改模式，此外提供标定曲线，标定曲线如图3。
氟气流量计标定曲线图
氟气流量计氮气标定曲线图
　　 曲线分析：氟气比热容CP＝827.67J/（kg?K），氮气比热容CP＝1038J/（kg?K），根据流量计算公式［4］可知，相同流量下，比热容与平均温度成正比，比热容越大对应电压值就越大，由氟气和氮气标定曲线可知理论分析和厂家提供数据曲线吻合。
（2）热氟气流量计校准
　　根据技术要求，将氟气流量计送至省级以上计量院进行校准，量程［0，300］NL/ｈ精度等级1.0级。校准结果如表1。

　　根据氟气流量计合格证提供信息得知，该流量计的最大引用误差±1.0％，最大相对误差是±2.0％，由校准数据可知相对误差和引用误差都在要求范围之内，因此该流量计是合格的。
（3）温度补偿测试
　　在上章节中提到，新定制样机具有温度补偿功能。根据氟气流量计说明书可知，该流量计采用的是数字化温度补偿法，该方法采用恒流法测量电路，将温度信号转换成电流信号，通过高精度的ＡD转换电路，将电流信号转换成数字信号送入单片机，通过补偿算法进行补偿。该方法通过算法进行温度补偿，避免了模拟电路的固有问题，提高了补偿精度。
　　将新定制的流量计安装在温度波动引起误差测试平台中，按照测试方法进行测试，取100NL/ｈ作为观测点，每个观测点进行6次重复性测量，不确定度评定符合Ａ类评定［6］，结果如表2。


　　则温度波动引入标准不确定度U（Ts）＝0.41NL/ｈ，其自由度24。
　　当置信水平为95％时，自由度为23，查T分布表得包含因子ｋ＝1.714其扩展标准不确定U（T）＝U（Ts）×ｋ＝0.7NL/ｈ。
小结：该系统最大允许误差6.0NL/ｈ，则U（T）＜6.0NL/ｈ×1/3，该测量系统温度波动引入误差小于最大允许误差，因此温度补偿降低了温度波动时引起测量误差。
2.2　气动薄膜调节阀
　　在生产线中，调节阀流量系数选择不合适，造成调节阀震荡大降低了控制精度，降低氟气的利用率。
（1）调节阀流量系数的定义及计算公式
　　调节阀的流量系数，是调节阀的重要参数，它反映调节阀通过流体的能力，也就是调节阀的容量［7］。流量系数分为，英制单位CV和国际单位KV，CV为英制单位的流量系数，其换算关系：CV≈1.16KV。
通过查阅资料［8］，气体（压力小于10Mpa）流量系数的计算公式如下：

式中：
KV———流量系数；
P1———阀入口绝对压力Kpa；
P2———阀出口绝对压力Kpa；
Qg———气体最大流量Nｍ3/ｈ；
G———气体比重（氟气＝1.31）；
t———气体温度℃。
　　在生产过程中，氟气罐中氟气压力范围［60，350］Kpa，阀后压力范围20Kpa左右，选择公式2。
（2）流量系数计算
　　根据要求，氟气最大流量Qg＝300NL/ｈ，G＝1.31；t＝23℃；氟气满罐时：P表1＝350Kpa，P大气＝84Kpa，因此P11＝P表1＋P大气＝434Kpa；将数据带入公式2得：
KV1＝0.0136
　　氟气空罐时：P表1＝60Kpa，P大气＝84Kpa，因此P11＝P表1＋P大气＝144Kpa；将数据带入公式得：
KV2＝0.0409
　　则流量系数KV的取值范围［0.0136，0.0409］，利用黄金分割法，通过C语言编写程序求解KV最优值，流程如图4所示。

　　由C语言程序得出ＫV最优值为0.016　82，将该数据带入上述公式中，当阀前压力434Kpa时最大流量Ｑmax1为372NL/ｈ，当阀前压力144Kpa时最大流量Ｑmax2为124NL/ｈ，满足工艺要求。
3　结束语
　　通过推出氟气流量计，解决了氟气流量测量误差大、氟气利用率低等问题，间接提高产品质量，减少核材料的浪费。该氟气流量测量装置为今后流量计、气动薄膜调节阀的流量系数选择提供理论依据。

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