摘要：一套氟氣流量測(cè)量裝置，該裝置不僅提高了氟氣流量測(cè)量精度而且提高了氟氣利用率。首先分析了熱式質(zhì)量流量計(jì)的工作原理，根據(jù)工作原理和工藝需求。通過(guò)測(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足技術(shù)要求；然后通過(guò)黃金分割法，編寫(xiě)C語(yǔ)言程序，計(jì)算最優(yōu)流量系數(shù)，并通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知該氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥滿(mǎn)足工藝需求。該裝置應(yīng)用于提高了氟氣流量的測(cè)量精度，而且提高了產(chǎn)品質(zhì)量，減少了核材料浪費(fèi)。
　　氟氣流量是核燃料循環(huán)中相關(guān)產(chǎn)品生產(chǎn)的一個(gè)重要參數(shù)，在生產(chǎn)工藝流程中氟氣流量的準(zhǔn)確測(cè)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)際需要自主設(shè)計(jì)了氟氣流量計(jì)，并委托生產(chǎn)樣機(jī)，在技術(shù)性能指標(biāo)滿(mǎn)足要求后應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。
1　流量測(cè)控裝置的結(jié)構(gòu)
　　氟氣流量測(cè)控裝置由氟氣流量計(jì)、氣動(dòng)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(chǎng)I/O卡件、工程師站，軟件由CoNTroL　BUiLDＦ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(cè)量裝置核心部件的設(shè)計(jì)
　　該測(cè)量裝置核心部件包括氟氣流量計(jì)和氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥。
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(cè)量的是體積流量。由于溫度、壓力等環(huán)境條件都會(huì)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(duì)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)。因此選擇質(zhì)量流量計(jì)。
2.1.1　氟氣流量計(jì)技術(shù)指標(biāo)
　　根據(jù)工藝需求，推出氟氣流量計(jì)，技術(shù)指標(biāo)如下：
1）質(zhì)量流量的實(shí)時(shí)測(cè)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(chǔ)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(cè)量管采用蒙乃爾400合金或者哈氏合金，防止氟氣將薄壁測(cè)量管腐蝕，造成氟氣泄露，損壞傳感器，影響測(cè)量精度；
5）該流量計(jì)測(cè)量范圍［0，300］NL/ｈ，精度1.0級(jí)，現(xiàn)場(chǎng)顯示瞬時(shí)流量和累積流量，傳輸信號(hào)［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(xiàn)，并具有氟氣和氮?dú)饬髁繙y(cè)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(cè)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(guó)內(nèi)計(jì)量院校準(zhǔn)，解決國(guó)內(nèi)計(jì)量院沒(méi)有氟氣流量校準(zhǔn)裝置等問(wèn)題；
7）將該流量計(jì)送至國(guó)內(nèi)省級(jí)以上的檢定部門(mén)進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)介質(zhì)氮?dú)�，校�?zhǔn)結(jié)果合格；
流量計(jì)研制：
2.1.2　氟氣流量計(jì)測(cè)試
　　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(chǔ)模塊，通信模塊和I/O模塊組成運(yùn)算及控制電路，滿(mǎn)足質(zhì)量流量的實(shí)時(shí)測(cè)量以及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)等功能；由技術(shù)手冊(cè)［5］可知，該流量計(jì)傳感器中薄壁測(cè)量管采用蒙乃爾400合金；測(cè)量范圍［0，300］NL/ｈ，精度1.0級(jí)，現(xiàn)場(chǎng)顯示瞬時(shí)流量和累積流量值，傳輸信號(hào)［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(xiàn)
　　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(guò)參數(shù)設(shè)定修改模式，此外提供標(biāo)定曲線(xiàn)，標(biāo)定曲線(xiàn)如圖3。


　　 曲線(xiàn)分析：氟氣比熱容CP＝827.67J/（kg?K），氮?dú)獗葻崛軨P＝1038J/（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(duì)應(yīng)電壓值就越大，由氟氣和氮?dú)鈽?biāo)定曲線(xiàn)可知理論分析和廠(chǎng)家提供數(shù)據(jù)曲線(xiàn)吻合。
（2）熱氟氣流量計(jì)校準(zhǔn)
　　根據(jù)技術(shù)要求，將氟氣流量計(jì)送至省級(jí)以上計(jì)量院進(jìn)行校準(zhǔn)，量程［0，300］NL/ｈ精度等級(jí)1.0級(jí)。校準(zhǔn)結(jié)果如表1。

　　根據(jù)氟氣流量計(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(duì)誤差是±2.0％，由校準(zhǔn)數(shù)據(jù)可知相對(duì)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(cè)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)氟氣流量計(jì)說(shuō)明書(shū)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(cè)量電路，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，通過(guò)高精度的ＡD轉(zhuǎn)換電路，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)，通過(guò)補(bǔ)償算法進(jìn)行補(bǔ)償。該方法通過(guò)算法進(jìn)行溫度補(bǔ)償，避免了模擬電路的固有問(wèn)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(dòng)引起誤差測(cè)試平臺(tái)中，按照測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試，取100NL/ｈ作為觀(guān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)觀(guān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行6次重復(fù)性測(cè)量，不確定度評(píng)定符合Ａ類(lèi)評(píng)定［6］，結(jié)果如表2。


　　則溫度波動(dòng)引入標(biāo)準(zhǔn)不確定度U（Ts）＝0.41NL/ｈ，其自由度24。
　　當(dāng)置信水平為95％時(shí)，自由度為23，查T(mén)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＝0.7NL/ｈ。
小結(jié)：該系統(tǒng)最大允許誤差6.0NL/ｈ，則U（T）＜6.0NL/ｈ×1/3，該測(cè)量系統(tǒng)溫度波動(dòng)引入誤差小于最大允許誤差，因此溫度補(bǔ)償降低了溫度波動(dòng)時(shí)引起測(cè)量誤差。
2.2　氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥
　　在生產(chǎn)線(xiàn)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
　　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(guò)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(guó)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(guò)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：

式中：
KV———流量系數(shù)；
P1———閥入口絕對(duì)壓力Kpa；
P2———閥出口絕對(duì)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(guò)程中，氟氣罐中氟氣壓力范圍［60，350］Kpa，閥后壓力范圍20Kpa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＝300NL/ｈ，G＝1.31；t＝23℃；氟氣滿(mǎn)罐時(shí)：P表1＝350Kpa，P大氣＝84Kpa，因此P11＝P表1＋P大氣＝434Kpa；將數(shù)據(jù)帶入公式2得：
KV1＝0.0136
　　氟氣空罐時(shí)：P表1＝60Kpa，P大氣＝84Kpa，因此P11＝P表1＋P大氣＝144Kpa；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(guò)C語(yǔ)言編寫(xiě)程序求解KV最優(yōu)值，流程如圖4所示。

　　由C語(yǔ)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434Kpa時(shí)最大流量Ｑmax1為372NL/ｈ，當(dāng)閥前壓力144Kpa時(shí)最大流量Ｑmax2為124NL/ｈ，滿(mǎn)足工藝要求。
3　結(jié)束語(yǔ)
　　通過(guò)推出氟氣流量計(jì)，解決了氟氣流量測(cè)量誤差大、氟氣利用率低等問(wèn)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(cè)量裝置為今后流量計(jì)、氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)選擇提供理論依據(jù)。

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