氟氣流量計(jì)_技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)制造及應(yīng)用
摘要：文章設(shè)計(jì)了一套氟氣流量測量裝置, 該裝置不僅提高了氟氣流量測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, 制定技術(shù)指標(biāo), 研制氟氣流量計(jì), 通過測試各項(xiàng)指標(biāo)滿足技術(shù)要求;然后通過黃金分割法, 編寫C語言程序, 計(jì)算***優(yōu)流量系數(shù), 并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知該氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥滿足工藝需求。該裝置應(yīng)用于生產(chǎn)后, 不僅提高了氟氣流量的測量精度, 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(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(dòng)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***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)? 校準(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(gè)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=827.67J/ (kg·K) , 氮?dú)獗葻崛軨p=1038J/ (kg·K) , 根據(jù)流量計(jì)算公式
(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***大引用誤差±1.0%, ***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(dòng)引起誤差測試平臺中, 按照測試方法進(jìn)行測試, 取100NL/h作為觀測點(diǎn), 每個(gè)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
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(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)***大允許誤差6.0NL/h, 則
, 該測量系統(tǒng)溫度波動(dòng)引入誤差小于***大允許誤差, 因此溫度補(bǔ)償降低了溫度波動(dòng)時(shí)引起測量誤差。
2.2、氣動(dòng)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
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≈1.16 KV。
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):
當(dāng)P2≤0.5P1時(shí):
式中:KV———流量系數(shù);
P1———閥入口壓力kPa;
P2———閥出口壓力kPa;
Qg———氣體***大流量Nm3/h;
G———氣體比重 (氟氣=1.31) ;
t———氣體溫度℃。
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20kPa左右, 選擇公式2。
(2) 流量系數(shù)計(jì)算
根據(jù)要求, 氟氣***大流量Qg=300 NL/h, G=1.31;t=23℃;氟氣滿罐時(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C語言編寫程序求解KV***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***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)***大流量Qmax1為372 NL/h, 當(dāng)閥前壓力144kPa時(shí)***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(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)***優(yōu)選擇提供理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。