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)際生產(chǎn)需要自主設(shè)計(jì)了氟氣流量測(cè)量裝置, 并委托美國(guó)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)。

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 Build F軟件和DigVis軟件組成, 裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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。

  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***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)。

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(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, 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(guó)TI公司技術(shù)人員對(duì)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。

美國(guó)TI公司生產(chǎn)出樣機(jī)型號(hào)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(chǔ)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(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。

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, 標(biāo)定曲線如圖3。

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[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)定曲線可知理論分析和廠家提供數(shù)據(jù)曲線吻合。

根據(jù)技術(shù)要求, 將型號(hào)600/9-9500P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)型號(hào)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(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。

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(hào)600/9-9500P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作為觀測(cè)點(diǎn), 每個(gè)觀測(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(cè)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(cè)量誤差。

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。

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≈1.16 KV。

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:

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(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。

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(guò)C語(yǔ)言編寫(xiě)程序求解KV***優(yōu)值, 流程如圖4所示。

  由C語(yǔ)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。

  通過(guò)自主設(shè)計(jì)研發(fā)的氟氣流量測(cè)量裝置, 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)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)。