氟氣流量計_技術指標設計制造及應用
摘要：文章設計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。首先分析了熱式質量流量計的工作原理, 根據工作原理和工藝需求, 制定技術指標, 研制氟氣流量計, 通過測試各項指標滿足技術要求;然后通過黃金分割法, 編寫C語言程序, 計算***優流量系數, 并通過試驗數據可知該氣動調節閥滿足工藝需求。該裝置應用于生產后, 不僅提高了氟氣流量的測量精度, 而且提高了產品質量, 減少了核材料浪費。
氟氣流量是核燃料循環中相關產品生產的一個重要參數, 在生產工藝流程中氟氣流量的準確測量, 不僅影響產品質量而且可避免氟氣的浪費。本文根據實際生產需要自主設計了氟氣流量測量裝置, 并委托美國TI公司生產樣機, 在技術性能指標滿足要求后應用于實際生產。
1、流量測控裝置的結構：
氟氣流量測控裝置由氟氣流量計、氣動薄膜調節閥、氟氣罐、電磁閥和DCS系統等組成;DCS系統硬件由ABB公司AC800F控制器[3]、現場I/O卡件、工程師站, 軟件由Control Build F軟件和DigVis軟件組成, 裝置結構如圖1所示。
2、氟氣流量測量裝置核心部件的設計：
該測量裝置核心部件包括氟氣流量計和氣動薄膜調節閥。
圖1 流量測量裝置結構圖Fig.1 The structure of the flow measurement device
2.1、氟氣流量計：
目前, 廣泛應用的流量計, 大多數測量的是體積流量。由于溫度、壓力等環境條件都會在一定程度上影響流體的體積, 當外在的溫度、壓力等環境條件改變時, 需要對體積流量進行換算, 但當溫度、壓力頻繁變化時, 進行及時換算很難實現。因此***佳選擇質量流量計, 本文利用質量流量計的原理自主研制氟氣流量計。
2.1.1、氟氣流量計技術指標：
根據工藝需求, 制定技術指標, 研制氟氣流量計, 技術指標如下:
1) 質量流量的實時測量;
2) 溫度補償功能, 快速進行溫度補償;
3) 數據的采集、處理、存儲等功能;
4) 該流量計采用量熱式質量流量計工作原理, 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行標定, 提供氟氣和氮氣的標定數據曲線, 并具有氟氣和氮氣流量測量的切換功能。主要目的, 采用氟氣標定后的流量計可以準確測量氟氣流量的真實值, 采用氮氣標定, 該流量計可以用于國內計量院校準, 解決國內計量院沒有氟氣流量校準裝置等問題;
7) 將該流量計送至國內省級以上的檢定部門進行校準, 校準介質氮氣, 校準結果合格;
流量計研制:將以上技術要求提供給美國TI公司技術人員對參數進行確認, 該公司承諾3個月以后樣機可以生產完畢。
2.1.2、氟氣流量計測試：
美國TI公司生產出樣機型號600/9-9500P氟氣流量計, 該流量計硬件電路采用單片機為核心, 外部擴展存儲模塊, 通信模塊和I/O模塊組成運算及控制電路, 滿足質量流量的實時測量以及實現數據的采集、處理、存儲等功能;由技術手冊[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) 用氟氣和氮氣進行標定及標定曲線
根據技術要求, 分別采用氟氣和氮氣進行標定, 并可以通過參數設定修改模式, 此外提供標定曲線, 標定曲線如圖3。
圖2 氟氣標定曲線Fig.2 Calibration curve of fluorine gas
圖3 氮氣標定曲線Fig.3 Calibration curve of nitrogen
曲線分析:氟氣比熱容Cp=827.67J/ (kg·K) , 氮氣比熱容Cp=1038J/ (kg·K) , 根據流量計算公式
(2) 熱氟氣流量計校準
根據技術要求, 將型號600/9-9500P氟氣流量計送至省級以上計量院進行校準, 量程[0, 300]NL/h精度等級1.0級。校準結果如表1。
表1 校準結果記錄表Table 1 Calibration results
根據型號600/9—9500P流量計合格證提供信息得知, 該流量計的***大引用誤差±1.0%, ***大相對誤差是±2.0%, 由校準數據可知相對誤差和引用誤差都在要求范圍之內, 因此該流量計是合格的。
(3) 溫度補償測試
在上章節中提到,**新定制樣機具有溫度補償功能。根據型號600/9-9500P說明書可知, 該流量計采用的是數字化溫度補償法, 該方法采用恒流法測量電路, 將溫度信號轉換成電流信號, 通過高精度的AD轉換電路, 將電流信號轉換成數字信號送入單片機, 通過補償算法進行補償。該方法通過算法進行溫度補償, 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, 按照測試方法進行測試, 取100NL/h作為觀測點, 每個觀測點進行6次重復性測量, 不確定度評定符合A類評定[6], 結果如表2。
表2 重復性實驗數據表Table 2 Repetitive experimental data
表2 重復性實驗數據表Table 2 Repetitive experimental data
則溫度波動引入標準不確定度U (Ts) =0.41NL/h, 其自由度24。
當置信水平為95%時, 自由度為23, 查t分布表得包含因子k=1.714其擴展標準不確定U (T) =U (Ts) ×k=0.7NL/h。
小結:該系統***大允許誤差6.0NL/h, 則
, 該測量系統溫度波動引入誤差小于***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、氣動薄膜調節閥：
在生產線中, 調節閥流量系數選擇不合適, 造成調節閥震蕩大降低了控制精度, 降低氟氣的利用率。
(1) 調節閥流量系數的定義及計算公式
調節閥的流量系數, 是調節閥的重要參數, 它反映調節閥通過流體的能力, 也就是調節閥的容量[7]。流量系數分為, 英制單位CV和國際單位KV, CV為英制單位的流量系數, 其換算關系:CV≈1.16 KV。
通過查閱資料[8], 氣體 (壓力小于10MPa) 流量系數的計算公式如下:
當P2>0.5P1時:
當P2≤0.5P1時:
式中:KV———流量系數;
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) 流量系數計算
根據要求, 氟氣***大流量Qg=300 NL/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;將數據帶入公式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;將數據帶入公式得:
KV2=0.0409
則流量系數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***優值為0.016 82, 將該數據帶入上述公式中, 當閥前壓力434kPa時***大流量Qmax1為372 NL/h, 當閥前壓力144kPa時***大流量Qmax2為124 NL/h, 滿足工藝要求。
3、結束語：
通過自主設計研發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, 間接提高產品質量, 減少核材料的浪費。該氟氣流量測量裝置為今后流量計的研制、氣動薄膜調節閥的流量系數***優選擇提供理論依據和實驗數據。