摘(zhāi)要：一(yī)套氟(fú)氣流量測量裝(zhuāng)置，該裝置不僅提高了(le)氟氣流(liú)量測(cè)量精度而(ér)且(qiě)提高了氟氣(qì)利用率。首(shǒu)先分(fèn)析了 熱(rè)式(shì)質量(liàng)流量(liàng)計 的工作(zuò)原理，根據工作(zuò)原理和工藝需(xū)求。通過測試各項指(zhǐ)标滿足技(jì)術要求；然(rán)後通過黃金分(fèn)割法(fǎ)，編寫c語(yǔ)言程序(xù)，計算最優流量(liàng)系數(shù)，并通(tōng)過試驗數(shù)據(jù)可知該氣動調節(jiē)閥滿足工藝(yì)需求。該(gāi)裝置(zhì)應用(yòng)于提(tí)高了(le)氟(fú)氣流量(liàng)的測量精(jīng)度，而(ér)且提(tí)高了産品(pǐn)質量，減少了核(hé)材料(liào)浪費。
　　氟氣(qì)流量(liàng)是核(hé)燃料(liào)循環中相關産(chǎn)品生産的(de)一個重要參數，在生(shēng)産工(gōng)藝(yì)流程(chéng)中(zhōng)氟氣(qì)流(liú)量的準(zhǔn)确測量(liàng)，不僅影(yǐng)響産品質(zhì)量而(ér)且(qiě)可避免氟氣(qì)的浪費(fèi)。本文根(gēn)據實(shí)際需(xū)要自(zì)主設(shè)計(jì)了(le)氟氣(qì)流量(liàng)計(jì)，并(bìng)委托(tuō)生産樣機，在技(jì)術性(xìng)能指(zhǐ)标滿足要(yào)求後應用(yòng)于實際(jì)生産。
1　流(liú)量測(cè)控(kòng)裝(zhuāng)置的(de)結構(gòu)
　　氟氣流量(liàng)測控(kòng)裝置由氟(fú)氣流量計 、氣動(dòng)薄膜(mó)調節閥、氟(fú)氣罐、電磁(cí)閥和dcs系統等組成；dcs系(xì)統硬(yìng)件(jiàn)由Ａbb公司Ａc800Ｆ控制(zhì)器［3］、現場i/o卡(kǎ)件、工程師(shī)站，軟(ruǎn)件由(yóu)control　buildＦ軟件(jiàn)和digvis軟(ruǎn)件(jiàn)組成(chéng)，裝置結(jié)構如(rú)圖1所示。

2　氟氣流(liú)量測(cè)量(liàng)裝置核心部(bù)件的設計(jì)
　　該測量裝置(zhì)核心部(bù)件包(bāo)括氟氣流(liú)量計(jì)和氣動薄(báo)膜(mó)調節閥。
2.1　氟氣(qì)流量(liàng)計
　　目(mù)前，廣(guǎng)泛應用的流量計，大多(duō)數測量(liàng)的是體積流量(liàng)。由(yóu)于(yú)溫度、壓力(lì)等環境(jìng)條件都(dōu)會在一定(dìng)程度(dù)上影響(xiǎng)流(liú)體的(de)體積(jī)，當外在的(de)溫(wēn)度、壓力(lì)等環(huán)境條(tiáo)件改變時(shí)，需要對體(tǐ)積流(liú)量進(jìn)行換算，但(dàn)當溫度、壓(yā)力頻(pín)繁變化(huà)時，進行(háng)及時(shí)換算很難(nán)實現。因此(cǐ)選擇(zé)質量流(liú)量計。
2.1.1　氟氣流量計技術(shù)指(zhǐ)标
　　根據工藝(yì)需求，推(tuī)出氟氣流量計，技(jì)術指(zhǐ)标如(rú)下(xià)：
1）質量流(liú)量的實時(shí)測量(liàng)；
2）溫度補償(cháng)功能(néng)，快速進行(háng)溫度(dù)補償(cháng)；
3）數據(jù)的采(cǎi)集、處理、存(cún)儲等功能；
4）該流(liú)量計采用量熱式質量流量計工作(zuò)原理，薄(báo)壁(bì)測量(liàng)管采用(yòng)蒙乃爾(ěr)400合金或(huò)者哈氏(shì)合金(jīn)，防止氟氣(qì)将薄壁測量管腐蝕，造成(chéng)氟氣(qì)洩露，損壞傳感(gǎn)器，影(yǐng)響(xiǎng)測量精度；
5）該流(liú)量計測量範(fàn)圍(wéi)［0，300］nl/ｈ，精度1.0級(jí)，現場顯(xiǎn)示(shì)瞬時流量(liàng)和累積流量，傳輸(shū)信号［4，20］ma，連(lián)接方式焊接；
6）該(gāi)流量計采(cǎi)用氟(fú)氣和氮氣進行(háng)标定，提(tí)供(gòng)氟氣和氮氣的标定(dìng)數據曲(qǔ)線，并具(jù)有氟氣和氮氣(qì)流量(liàng)測量的切(qiē)換功能。主要目的，采(cǎi)用氟氣标(biāo)定後(hòu)的流量計(jì)可以準确(què)測量氟氣流量(liàng)的真實值，采用氮氣(qì)标定(dìng)，該流量計可以用于國内(nèi)計量院校準，解決國内計量院(yuàn)沒有(yǒu)氟(fú)氣(qì)流量校準裝置等問(wèn)題；
7）将該流量計(jì)送至(zhì)國内省級(jí)以上(shàng)的檢定部門進行(háng)校(xiào)準，校準介(jiè)質氮氣，校(xiào)準結果合(hé)格；
流(liú)量計(jì)研制：
2.1.2　氟氣(qì)流量計測(cè)試
　　該(gāi)流量計(jì)硬件電(diàn)路采(cǎi)用單(dān)片機爲核心，外部擴(kuò)展存儲模塊(kuài)，通(tōng)信模塊和i/o模塊(kuài)組成運算及控(kòng)制電(diàn)路，滿足質(zhì)量流(liú)量的(de)實時(shí)測量(liàng)以(yǐ)及實(shí)現(xiàn)數據的(de)采(cǎi)集、處(chù)理、存儲(chǔ)等功能(néng)；由技術手冊［5］可(kě)知(zhī)，該(gāi)流量計傳(chuán)感器中薄壁測量管(guǎn)采用(yòng)蒙乃(nǎi)爾400合金(jīn)；測(cè)量範(fàn)圍［0，300］nl/ｈ，精度1.0級，現場(chǎng)顯示瞬時流量和累積流量值(zhí)，傳輸信号(hào)［4，20］ma，連接方式焊接。
（1）用氟(fú)氣和(hé)氮氣進行(háng)标定及标定曲(qǔ)線
　　根據技(jì)術要(yào)求，分别采用氟(fú)氣和氮(dàn)氣進行标定，并(bìng)可以通(tōng)過參數設定修改模式(shì)，此外(wài)提(tí)供标(biāo)定曲(qǔ)線，标定曲(qǔ)線如圖3。


　　 曲線分(fèn)析：氟氣比(bǐ)熱容(róng)cp＝827.67j/（kg?k），氮氣(qì)比熱(rè)容cp＝1038j/（kg?k），根(gēn)據流量(liàng)計算公(gōng)式［4］可知，相同流(liú)量下(xià)，比熱(rè)容與平均溫度成正(zhèng)比，比(bǐ)熱容越大對應電壓(yā)值就(jiù)越大，由氟(fú)氣(qì)和(hé)氮氣标(biāo)定(dìng)曲線(xiàn)可知理論分析(xī)和廠(chǎng)家提供數(shù)據曲線吻(wěn)合。
（2）熱(rè)氟氣流(liú)量計校(xiào)準
　　根據技(jì)術要(yào)求，将(jiāng)氟氣流量(liàng)計送至省級以(yǐ)上(shàng)計(jì)量(liàng)院進行(háng)校準，量程［0，300］nl/ｈ精度等級1.0級。校準結(jié)果如(rú)表(biǎo)1。

　　根(gēn)據氟氣流(liú)量計(jì)合格證提供信息得知，該流量計的(de)最大(dà)引用(yòng)誤差(chà)±1.0％，最大相(xiàng)對誤差(chà)是±2.0％，由(yóu)校準(zhǔn)數據可(kě)知相對誤差(chà)和引用誤差都(dōu)在要求(qiú)範(fàn)圍之内，因此(cǐ)該流量(liàng)計是(shì)合格的。
（3）溫(wēn)度補(bǔ)償測試
　　在(zài)上章(zhāng)節中(zhōng)提到(dào)，新定(dìng)制(zhì)樣機具(jù)有溫度補償功(gōng)能。根據氟氣流量計(jì)說明書可(kě)知，該(gāi)流量計采用的是數字化(huà)溫度補償法，該(gāi)方法(fǎ)采用恒流(liú)法測量電路，将(jiāng)溫度信(xìn)号(hào)轉換(huàn)成電流信号，通(tōng)過高(gāo)精度的Ａd轉(zhuǎn)換電(diàn)路，将(jiāng)電流信号(hào)轉換成數(shù)字信(xìn)号送(sòng)入單(dān)片機，通(tōng)過補償(cháng)算法進行(háng)補償(cháng)。該方(fāng)法通過算(suàn)法(fǎ)進行溫度補(bǔ)償，避(bì)免(miǎn)了(le)模拟(nǐ)電路的固(gù)有問題，提(tí)高了補償(cháng)精度。
　　将新定制的流量計安裝(zhuāng)在溫(wēn)度波(bō)動引(yǐn)起誤差測(cè)試平(píng)台中，按照測試(shì)方法進(jìn)行測試(shì)，取100nl/ｈ作(zuò)爲觀(guān)測點(diǎn)，每個觀測點進(jìn)行6次重複性測(cè)量，不(bú)确定度評(píng)定符(fú)合Ａ類(lèi)評定(dìng)［6］，結(jié)果(guǒ)如(rú)表(biǎo)2。


　　則溫(wēn)度波(bō)動引(yǐn)入标準不确定度u（ts）＝0.41nl/ｈ，其自由度24。
　　當置信水平(píng)爲95％時，自由度爲23，查t分(fèn)布表(biǎo)得包含(hán)因(yīn)子ｋ＝1.714其(qí)擴展(zhǎn)标準(zhǔn)不确(què)定u（t）＝u（ts）×ｋ＝0.7nl/ｈ。
小(xiǎo)結(jié)：該系統(tǒng)最大允許誤差(chà)6.0nl/ｈ，則u（t）＜6.0nl/ｈ×1/3，該測(cè)量系統(tǒng)溫度波動引入(rù)誤差(chà)小于(yú)最大(dà)允許誤(wù)差，因此溫度(dù)補償降低(dī)了(le)溫度波動時(shí)引起測(cè)量誤差(chà)。
2.2　氣動(dòng)薄膜調節(jiē)閥
　　在生(shēng)産線中(zhōng)，調節閥流量系(xì)數(shù)選擇不合适(shì)，造成調節閥震(zhèn)蕩大降(jiàng)低(dī)了控(kòng)制精度，降低氟(fú)氣的(de)利用率。
（1）調(diào)節(jiē)閥流量系數(shù)的定(dìng)義(yì)及計算(suàn)公式
　　調節閥的(de)流量系數，是調(diào)節閥(fá)的重要參(cān)數，它(tā)反映調節(jiē)閥通過流體的(de)能力，也就是調(diào)節閥的(de)容(róng)量［7］。流量系數分爲，英(yīng)制(zhì)單(dān)位cv和(hé)國際(jì)單位(wèi)kv，cv爲(wèi)英制(zhì)單(dān)位的流量系數(shù)，其換算關系：cv≈1.16kv。
通(tōng)過查閱資料［8］，氣(qì)體(tǐ)（壓力小于10mpa）流(liú)量系(xì)數的計算(suàn)公式(shì)如下：

式中(zhōng)：
kv———流量系數；
p1———閥入(rù)口絕(jué)對壓力kpa；
p2———閥(fá)出口絕對壓力(lì)kpa；
qg———氣體最大(dà)流量nｍ3/ｈ；
g———氣體比重（氟氣(qì)＝1.31）；
t———氣體溫(wēn)度(dù)℃。
　　在生(shēng)産過程中，氟氣罐中氟(fú)氣壓力(lì)範圍［60，350］kpa，閥後(hòu)壓力範圍20kpa左右(yòu)，選擇(zé)公式2。
（2）流量系數(shù)計算
　　根據要求(qiú)，氟氣(qì)最(zuì)大流量qg＝300nl/ｈ，g＝1.31；t＝23℃；氟氣(qì)滿(mǎn)罐時：p表(biǎo)1＝350kpa，p大氣(qì)＝84kpa，因此p11＝p表1＋p大(dà)氣＝434kpa；将(jiāng)數據帶入公式2得：
kv1＝0.0136
　　氟氣空(kōng)罐時：p表(biǎo)1＝60kpa，p大氣＝84kpa，因(yīn)此p11＝p表1＋p大氣(qì)＝144kpa；将數(shù)據帶(dài)入(rù)公式得(dé)：
kv2＝0.0409
　　則流量系(xì)數kv的(de)取值(zhí)範圍［0.0136，0.0409］，利用(yòng)黃金分割法，通(tōng)過c語(yǔ)言編寫程(chéng)序求解kv最優值，流程如圖4所示(shì)。

　　由c語(yǔ)言程(chéng)序得(dé)出Ｋv最優值(zhí)爲0.016　82，将(jiāng)該數(shù)據帶入上(shàng)述公式中，當閥(fá)前壓力434kpa時(shí)最大(dà)流量(liàng)Ｑmax1爲372nl/ｈ，當閥前(qián)壓力144kpa時最大流(liú)量Ｑmax2爲(wèi)124nl/ｈ，滿(mǎn)足工(gōng)藝(yì)要求(qiú)。
3　結束語
　　通(tōng)過推出(chū)氟(fú)氣流(liú)量計(jì)，解決(jué)了氟(fú)氣流量測(cè)量誤(wù)差大(dà)、氟(fú)氣利用(yòng)率低等(děng)問題，間(jiān)接提高産品質量，減(jiǎn)少核材料的浪費。該(gāi)氟氣流量(liàng)測量裝置(zhì)爲今後流(liú)量計、氣動薄(báo)膜調節閥的流量(liàng)系數(shù)選擇(zé)提(tí)供(gòng)理論(lùn)依據。

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