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氟气流量计设计制造及应用
发布时间:2018-10-27

摘要:文章设计了一套氟气流量测量装置,该装置不仅提高了氟气流量测量精度而且提高了氟气利用率。首先分析了热式质量流量计的工作原理,根据工作原理和工艺需求,制定技术指标,研制氟气流量计,通过测试各项指标满足技术要求;然后通过黄金分割法,编写C语言程序,计算最优流量系数,并通过试验数据可知该气动调节阀满足工艺需求。该装置应用于生产后,不仅提高了氟气流量的测量精度,而且提高了产品质量,减少了核材料浪费。
  氟气流量是核燃料循环中相关产品生产的一个重要参数,在生产工艺流程中氟气流量的准确测量,不仅影响产品质量而且可避免氟气的浪费。本文根据实际生产需要自主设计了氟气流量计,并委托生产样机,在技术性能指标满足要求后应用于实际生产。
1 流量测控装置的结构
  氟气流量测控装置由氟气流量计、气动薄膜调节阀、氟气罐、电磁阀和DCS系统等组成;DCS系统硬件由ABB公司AC800F控制器[3]、现场I/O卡件、工程师站,软件由CoNTroL BUiLDF软件和DigVis软件组成,装置结构如图1所示。
氟气流量计流量测量装置结构图
2 氟气流量测量装置核心部件的设计
  该测量装置核心部件包括氟气流量计和气动薄膜调节阀。
2.1 氟气流量计
  目前,广泛应用的流量计,大多数测量的是体积流量。由于温度、压力等环境条件都会在一定程度上影响流体的体积,当外在的温度、压力等环境条件改变时,需要对体积流量进行换算,但当温度、压力频繁变化时,进行及时换算很难实现。因此最佳选择质量流量计,本文利用质量流量计的原理自主研制氟气流量计。
2.1.1 氟气流量计技术指标
  根据工艺需求,制定技术指标,研制氟气流量计,技术指标如下:
1)质量流量的实时测量;
2)温度补偿功能,快速进行温度补偿;
3)数据的采集、处理、存储等功能;
4)该流量计采用量热式质量流量计工作原理,薄壁测量管采用蒙乃尔400合金或者哈氏合金,防止氟气将薄壁测量管腐蚀,造成氟气泄露,损坏传感器,影响测量精度;
5)该流量计测量范围[0,300]NL/h,精度1.0级,现场显示瞬时流量和累积流量,传输信号[4,20]mA,连接方式焊接;
6)该流量计采用氟气和氮气进行标定,提供氟气和氮气的标定数据曲线,并具有氟气和氮气流量测量的切换功能。主要目的,采用氟气标定后的流量计可以准确测量氟气流量的真实值,采用氮气标定,该流量计可以用于国内计量院校准,解决国内计量院没有氟气流量校准装置等问题;
7)将该流量计送至国内省级以上的检定部门进行校准,校准介质氮气,校准结果合格;
流量计研制:将以上技术要求提供给技术人员对参数进行确认,该公司承诺3个月以后样机可以生产完毕。
2.1.2 氟气流量计测试
  生产出样机氟气流量计,该流量计硬件电路采用单片机为核心,外部扩展存储模块,通信模块和I/O模块组成运算及控制电路,满足质量流量的实时测量以及实现数据的采集、处理、存储等功能;由技术手册[5]可知,该流量计传感器中薄壁测量管采用蒙乃尔400合金;测量范围[0,300]NL/h,精度1.0级,现场显示瞬时流量和累积流量值,传输信号[4,20]mA,连接方式焊接。
(1)用氟气和氮气进行标定及标定曲线
  根据技术要求,分别采用氟气和氮气进行标定,并可以通过参数设定修改模式,此外提供标定曲线,标定曲线如图3。
氟气流量计标定曲线图
氟气流量计氮气标定曲线图
   曲线分析:氟气比热容CP=827.67J/(kg?K),氮气比热容CP=1038J/(kg?K),根据流量计算公式[4]可知,相同流量下,比热容与平均温度成正比,比热容越大对应电压值就越大,由氟气和氮气标定曲线可知理论分析和厂家提供数据曲线吻合。
(2)热氟气流量计校准
  根据技术要求,将氟气流量计送至省级以上计量院进行校准,量程[0,300]NL/h精度等级1.0级。校准结果如表1。

  根据氟气流量计合格证提供信息得知,该流量计的最大引用误差±1.0%,最大相对误差是±2.0%,由校准数据可知相对误差和引用误差都在要求范围之内,因此该流量计是合格的。
(3)温度补偿测试
  在上章节中提到,新定制样机具有温度补偿功能。根据氟气流量计说明书可知,该流量计采用的是数字化温度补偿法,该方法采用恒流法测量电路,将温度信号转换成电流信号,通过高精度的AD转换电路,将电流信号转换成数字信号送入单片机,通过补偿算法进行补偿。该方法通过算法进行温度补偿,避免了模拟电路的固有问题,提高了补偿精度。
  将新定制的流量计安装在温度波动引起误差测试平台中,按照测试方法进行测试,取100NL/h作为观测点,每个观测点进行6次重复性测量,不确定度评定符合A类评定[6],结果如表2。


  则温度波动引入标准不确定度U(Ts)=0.41NL/h,其自由度24。
  当置信水平为95%时,自由度为23,查T分布表得包含因子k=1.714其扩展标准不确定U(T)=U(Ts)×k=0.7NL/h。
小结:该系统最大允许误差6.0NL/h,则U(T)<6.0NL/h×1/3,该测量系统温度波动引入误差小于最大允许误差,因此温度补偿降低了温度波动时引起测量误差。
2.2 气动薄膜调节阀
  在生产线中,调节阀流量系数选择不合适,造成调节阀震荡大降低了控制精度,降低氟气的利用率。
(1)调节阀流量系数的定义及计算公式
  调节阀的流量系数,是调节阀的重要参数,它反映调节阀通过流体的能力,也就是调节阀的容量[7]。流量系数分为,英制单位CV和国际单位KV,CV为英制单位的流量系数,其换算关系:CV≈1.16KV。
通过查阅资料[8],气体(压力小于10Mpa)流量系数的计算公式如下:

式中:
KV———流量系数;
P1———阀入口绝对压力Kpa;
P2———阀出口绝对压力Kpa;
Qg———气体最大流量Nm3/h;
G———气体比重(氟气=1.31);
t———气体温度℃。
  在生产过程中,氟气罐中氟气压力范围[60,350]Kpa,阀后压力范围20Kpa左右,选择公式2。
(2)流量系数计算
  根据要求,氟气最大流量Qg=300NL/h,G=1.31;t=23℃;氟气满罐时:P表1=350Kpa,P大气=84Kpa,因此P11=P表1+P大气=434Kpa;将数据带入公式2得:
KV1=0.0136
  氟气空罐时:P表1=60Kpa,P大气=84Kpa,因此P11=P表1+P大气=144Kpa;将数据带入公式得:
KV2=0.0409
  则流量系数KV的取值范围[0.0136,0.0409],利用黄金分割法,通过C语言编写程序求解KV最优值,流程如图4所示。

  由C语言程序得出KV最优值为0.016 82,将该数据带入上述公式中,当阀前压力434Kpa时最大流量Qmax1为372NL/h,当阀前压力144Kpa时最大流量Qmax2为124NL/h,满足工艺要求。
3 结束语
  通过自主设计研发的氟气流量计,解决了氟气流量测量误差大、氟气利用率低等问题,间接提高产品质量,减少核材料的浪费。该氟气流量测量装置为今后流量计的研制、气动薄膜调节阀的流量系数最优选择提供理论依据和实验数据。

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