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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。首先分析了熱式質量流量計的工作原理，根據工作原理和工藝需求。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，計算最優流量系數，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。本文根據實際需要自主設計了氟氣流量計，并委托生產樣機，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　BUiLDＦ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。
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。因此選擇質量流量計。
2.1.1　氟氣流量計技術指標
　　根據工藝需求，推出氟氣流量計，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：
2.1.2　氟氣流量計測試
　　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。


　　 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［4］可知，相同流量下，比熱容與平均溫度成正比，比熱容越大對應電壓值就越大，由氟氣和氮氣標定曲線可知理論分析和廠家提供數據曲線吻合。
（2）熱氟氣流量計校準
　　根據技術要求，將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。

　　根據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。根據氟氣流量計說明書可知，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。


　　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：該系統最大允許誤差6.0NL/ｈ，則U（T）＜6.0NL/ｈ×1/3，該測量系統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≈1.16KV。
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：

式中：
KV———流量系數；
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最優值，流程如圖4所示。

　　由C語言程序得出ＫV最優值為0.016　82，將該數據帶入上述公式中，當閥前壓力434Kpa時最大流量Ｑmax1為372NL/ｈ，當閥前壓力144Kpa時最大流量Ｑmax2為124NL/ｈ，滿足工藝要求。
3　結束語
　　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、氣動薄膜調節閥的流量系數選擇提供理論依據。

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