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氟气流量计_技术指标设计制造及应用


文章日期:2018-08-12|阅读数:


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***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测量装置, 并委托美国TI公司生产样机, 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 Build F软件和DigVis软件组成, 装置结构如图1所示。

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。

图1 流量测量装置结构图Fig.1 The structure of the flow measurement device

图1 流量测量装置结构图Fig.1 The structure of the flow measurement device

 

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***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美国TI公司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:

美国TI公司生产出样机型号600/9-9500P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。

图2 氟气标定曲线Fig.2 Calibration curve of fluorine gas

图2 氟气标定曲线Fig.2 Calibration curve of fluorine gas

 

图3 氮气标定曲线Fig.3 Calibration curve of nitrogen

图3 氮气标定曲线Fig.3 Calibration curve of nitrogen

 

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, 将型号600/9-9500P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。

表1 校准结果记录表Table 1 Calibration results

表1 校准结果记录表Table 1 Calibration results

根据型号600/9—9500P流量计合格证提供信息得知, 该流量计的***大引用误差±1.0%, ***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。根据型号600/9-9500P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。

表2 重复性实验数据表Table 2 Repetitive experimental data

表2 重复性实验数据表Table 2 Repetitive experimental data

表2 重复性实验数据表Table 2 Repetitive experimental data

表2 重复性实验数据表Table 2 Repetitive experimental data

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***大允许误差6.0NL/h, 则计算公式, 该测量系统温度波动引入误差小于***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≈1.16 KV。

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:

当P2>0.5P1时:

计算公式

 

当P2≤0.5P1时:

计算公式

 

式中:KV———流量系数;

P1———阀入口压力kPa;

P2———阀出口压力kPa;

Qg———气体***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***大流量Qg=300 NL/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***优值, 流程如图4所示。

图4 流程图Fig.4 Flow chart

图4 流程图Fig.4 Flow chart

 

  由C语言程序得出KV***优值为0.016 82, 将该数据带入上述公式中, 当阀前压力434kPa时***大流量Qmax1为372 NL/h, 当阀前压力144kPa时***大流量Qmax2为124 NL/h, 满足工艺要求。

3、结束语:

  通过自主设计研发的氟气流量测量装置, 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***优选择提供理论依据和实验数据。



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