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摘要：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)量流量計的工作原理，根據(jù)工作原理和工藝需求。通過測試各項指標(biāo)滿足技術(shù)要求；然后通過黃金分割法，編寫C語言程序，計算最優(yōu)流量系數(shù)，并通過試驗數(shù)據(jù)可知該氣動調(diào)節(jié)閥滿足工藝需求。該裝置應(yīng)用于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。
　　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。本文根據(jù)實際需要自主設(shè)計了氟氣流量計，并委托生產(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、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　BUiLDＦ軟件和DigVis軟件組成，裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2　氟氣流量測量裝置核心部件的設(shè)計
　　該測量裝置核心部件包括氟氣流量計和氣動薄膜調(diào)節(jié)閥。
2.1　氟氣流量計
　　目前，廣泛應(yīng)用的流量計，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，需要對體積流量進(jìn)行換算，但當(dāng)溫度、壓力頻繁變化時，進(jìn)行及時換算很難實現(xiàn)。因此選擇質(zhì)量流量計。
2.1.1　氟氣流量計技術(shù)指標(biāo)
　　根據(jù)工藝需求，推出氟氣流量計，技術(shù)指標(biāo)如下：
1）質(zhì)量流量的實時測量；
2）溫度補償功能，快速進(jìn)行溫度補償；
3）數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲等功能；
4）該流量計采用量熱式質(zhì)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(xiàn)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(jìn)行標(biāo)定，提供氟氣和氮氣的標(biāo)定數(shù)據(jù)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(biāo)定后的流量計可以準(zhǔn)確測量氟氣流量的真實值，采用氮氣標(biāo)定，該流量計可以用于國內(nèi)計量院校準(zhǔn)，解決國內(nèi)計量院沒有氟氣流量校準(zhǔn)裝置等問題；
7）將該流量計送至國內(nèi)省級以上的檢定部門進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)介質(zhì)氮氣，校準(zhǔn)結(jié)果合格；
流量計研制：
2.1.2　氟氣流量計測試
　　該流量計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模塊組成運算及控制電路，滿足質(zhì)量流量的實時測量以及實現(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(jìn)行標(biāo)定及標(biāo)定曲線
　　根據(jù)技術(shù)要求，分別采用氟氣和氮氣進(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。


　　 曲線分析：氟氣比熱容CP＝827.67J/（kg?K），氮氣比熱容CP＝1038J/（kg?K），根據(jù)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(yīng)電壓值就越大，由氟氣和氮氣標(biāo)定曲線可知理論分析和廠家提供數(shù)據(jù)曲線吻合。
（2）熱氟氣流量計校準(zhǔn)
　　根據(jù)技術(shù)要求，將氟氣流量計送至省級以上計量院進(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。

　　根據(jù)氟氣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(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)，因此該流量計是合格的。
（3）溫度補償測試
　　在上章節(jié)中提到，新定制樣機(jī)具有溫度補償功能。根據(jù)氟氣流量計說明書可知，該流量計采用的是數(shù)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(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)，通過補償算法進(jìn)行補償。該方法通過算法進(jìn)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(jìn)行測試，取100NL/ｈ作為觀測點，每個觀測點進(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。


　　則溫度波動引入標(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，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)最大允許誤差6.0NL/ｈ，則U（T）＜6.0NL/ｈ×1/3，該測量系統(tǒng)溫度波動引入誤差小于最大允許誤差，因此溫度補償降低了溫度波動時引起測量誤差。
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≈1.16KV。
通過查閱資料［8］，氣體（壓力小于10Mpa）流量系數(shù)的計算公式如下：

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———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(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)計算
　　根據(jù)要求，氟氣最大流量Qg＝300NL/ｈ，G＝1.31；t＝23℃；氟氣滿罐時：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：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最優(yōu)值，流程如圖4所示。

　　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434Kpa時最大流量Ｑmax1為372NL/ｈ，當(dāng)閥前壓力144Kpa時最大流量Ｑmax2為124NL/ｈ，滿足工藝要求。
3　結(jié)束語
　　通過推出氟氣流量計，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。該氟氣流量測量裝置為今后流量計、氣動薄膜調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)選擇提供理論依據(jù)。

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