鈾化工高壓損氣體流量計檢定裝置的研制

馬 倩，李紅兵

(中核建中核燃料元件有限公司，四川 宜賓 644000)

流量與溫度、壓力一樣，是化工生產過程的重要參數[1]。在核燃料元件制造過程中，氣體流量計主要用于鈾化工轉化、粉末冶金、環境監測、焊接等重要工藝，環境監測所用的大氣采樣器、粉塵采樣器都涉及氣體流量的計量問題[2]。

氣體流量檢定裝置主要有活塞式、皂膜式和鐘罩式，中核建中核燃料元件有限公司(以下簡稱建中公司)于1987年研制了采用傳統排氣法建立的0.5級鐘罩式氣體流量標準裝置，主要用于壓力損失小于2 kPa的0.1～30 m3/h氣體浮子流量計的檢定。該裝置鐘罩體已使用30年，對于公司工作壓力損失100 kPa左右的氣體浮子流量計無法開展檢定，建中公司每年都有大量流量計外送檢定。

進氣法是氣體由氣源經過流量計流入鐘罩式氣體標準裝置。使經過處理的高壓氣體流經被檢流量計后進入鐘罩，鐘罩上升后容積增加，其增加的容積值與流量計的指示值進行比較，從而達到檢測高壓損氣體流量計的目的。國內計量檢定單位廣泛將鐘罩式氣體流量標準裝置作為氣體流量計量的基準裝置，該裝置技術成熟、性能穩定、操作簡便、檢定數據可靠且造價不高[3]。因此，結合光電編碼器位移測試技術和計算機自動控制技術，開展進氣法鐘罩式小流量氣體流量計標準裝置的研制完全可行，可以滿足建中公司鈾化工生產線小流量氣體流量計的檢定需求。

1 進氣法校準流程

進氣法校準流程如圖1所示。

圖1 進氣法校準流程圖Fig.1 The flow chart of the intake calibration

由圖1可知：氣體流量校準裝置主要包括氣源工作系統、鐘罩系統、檢定工作臺系統，由鐘罩、液槽、壓力補償機構、氣源和實驗管道等部分組成，并帶有計時器、光電編碼器，計算機處理和控制系統及其他附屬設備組成，以實現自動檢測的功能。進氣法校準裝置結構示意圖如圖2所示。

圖2 進氣法校準裝置結構示意圖Fig.2 The structure of the air inlet method calibration device

2 進氣法校準裝置設計

2.1 氣源工作系統的設計

為解決公司工作壓力損失100 kPa左右的氣體浮子流量計檢定的問題，氣源工作系統采用進氣法，通過對壓縮空氣過濾、恒溫及恒壓獲得穩定的高壓氣源，滿足用于檢定壓損大的氣體浮子流量計，最大工作壓力可達0.3 MPa。

進氣法氣源工作系統主要包含：干燥器、恒溫裝置、穩壓容器等，作用是對氣源壓縮空氣進行干燥、恒溫、穩壓，保證檢定用氣體達到流量計檢定條件要求后，再流入流量計和標準器內。

2.1.1 恒溫氣源系統設計

恒溫氣源系統由恒溫槽、溫度變送器等組成。通過軟件設定溫度值，通過恒溫槽上溫度變送器上傳的示值調整恒溫槽溫度。控制溫度范圍0～100 ℃，功率9.0 kW。當氣體經冷凍式壓縮空氣干燥機溫度下降后，采用電熱管加熱的方法對氣體加熱。溫度測量用數字溫度自動采集系統配合四線PTD鉑電阻(Pt100)來實現，被測溫度的測量是通過檢測電阻值的變化來實現，控溫精度為±0.2 ℃。

2.1.2 穩壓氣源系統設計

氣源采用壓縮空氣，壓力為0.6～0.8 MPa。將穩定氣源通過恒溫系統輸入到儲氣罐中，儲氣罐上裝有溫度變送器，實時監控罐內溫度。進氣法檢定裝置在儲氣罐出氣口加裝壓力調節閥，保證經調壓閥調節后的氣體壓力穩定，且不隨上游輕微的壓力變化而產生波動。

2.2 高精度鐘罩系統的設計

依據JJG 165—2005[4]，采用尺寸檢定法對鐘罩進行標定，運用光電編碼器位移測試技術實現對鐘罩位移的測量。鐘罩制造時采用0.1級的鐘罩技術和工藝，確保鐘罩的線性度及桶壁的掛水量達到0.2級。

2.2.1 鐘罩筒體設計

鐘罩給出的標準體積是鐘罩內腔與密封液面形成的容積，鐘罩內表面的加工質量是鐘罩裝置最主要的基礎保障。采用304不銹鋼板材，經滾壓焊接成型，內外表面經機械拋光，具有較強的剛度，耐腐蝕，幾何圓柱度高，上下均勻，吊裝環經調試在鐘罩質心同軸線，確保鐘罩升降平穩。提高鐘罩筒體表面光潔度的同時減少密封液的掛壁量。

2.2.2 壓力波動控制設計

采用曲線補償機構及補償砝碼實現，使鐘罩內部的氣體壓力保持相對恒定，不隨鐘罩上下移動而變化，實現氣體小流量的高精度測量。

2.2.3 鐘罩上升高度限位

裝置上安裝機械限位開關，對鐘罩上升高度進行限位，提高了限位可靠性。同時軟件設置最高脈沖數進行高度限位保護。

2.3 檢定工作臺系統的設計

三套標準裝置共用一套檢定臺，采用垂直安裝檢定管線布局，由管道、夾表器、變送器、閥門、短接、不銹鋼臺體組成，側板和背板采用有機玻璃板，厚度≥10 mm。夾表器為氣動夾表器，并在氣源前端配有氣動二聯件，可調節夾緊力度。

2.4 室內空氣換氣系統的設計

設備主機安裝在吊頂內，采用單向流新風系統將室內有害氣體與微塵通過排風管道排到室外。

2.5 自動控制系統的設計

采用計算機自動控制技術優化檢定流程，降低人員操作難度，提高工作效率。

檢定系統是在Win7環境下，采用“上位機+下位機”的控制方案。上位機采用工控機通過VB軟件開發人機界面，要完成人機界面管理、檢定過程監控、數據庫管理、記錄打印等功能。下位機采用PLC作為自動化系統的控制核心，實現裝置檢定時間記錄、流量計信號采集以及執行機構控制等功能。控制器設計算機通信接口，可與計算機系統聯機。建立三套流量標準器集中自動控制系統，實現小流量氣體流量計的全自動檢定。其自動控制流程如圖3所示。

圖3 自動控制流程圖Fig.3 The process of the automatic control

3 校準裝置不確定度評定[6-8]

鐘罩內表壓力為3 750 Pa，浮子流量計前表壓為5 000 Pa，大氣壓為97 460 Pa，室溫為20.6 ℃。選取50 L鐘罩式氣體流量標準裝置。被檢編號為5212，型號為DK800-6F型，測量范圍為0.3～3 L/min的4.0級氣體浮子流量計。

3.1 標準裝置的不確定度分析

標準不確定度分量匯總見表1。

表1 標準不確定度分量一覽表Table 1 The list of standard uncertainty components

3.2 合成標準不確定度

由于各標準不確定度分量相互獨立不相關，故合成標準不確定度為：

3.3 擴展不確定度

取置信概率P=95%，k=2，則：

Urel=uc·kp=0.46%

4 校準裝置重復性試驗

根據JJF 1033—2016[9]，對鐘罩式小流量氣體流量計標準裝置進行重復性試驗。對3 L/min流量點進行重復10次的測量，重復性實驗數據為(%)：-2.8、-2.8、-2.9、-3.2、-2.9、-2.8、-3.0、-3.1、-3.0、-3.1。

重復性sn小于uc的2/3，滿足計量標準器具考核要求。

5 校準裝置穩定性試驗

根據JJF 1033—2016，對鐘罩式小流量氣體流量計標準裝置進行考核。對3 L/min流量點進行重復10次的測量，穩定性考核數據見表2。

表2 標準裝置的穩定性考核表Table 2 Stability assessment of the standard device

穩定性小于合成標準不確定度，滿足計量標準器具考核要求。

6 比對實驗

采用傳遞比較法。對3 L/min流量點，經中國測試技術研究院檢定，其結果與本裝置檢定結果比對數據見表3。

表3 標準裝置比對實驗數據表(單位：%)Table 3 Data ofthe comparison test for the standard device(Unit：%)

U0≤Urel/3，計量標準器具不確定度的驗證滿足|y-y0|≤Urel，滿足計量標準器具考核要求。

7 使用中安全注意事項

進氣法氣源壓縮空氣壓力為0.6～0.8 MPa，較高的操作壓力要求裝置每周維護保養需確認：各試驗管道的密封性，確保無泄漏；鐘罩筒體有足夠的密封液；穩壓罐安全閥和壓力表的正常有效等。檢定時，氣體流量計安裝后，應緩慢打開進氣閥，避免較高壓力的氣體逸出。拆卸時應先關閉氣源，打開旁通閥后再拆卸氣體流量計，避免殘余帶壓氣體對氣體流量計損壞。緊急情況，如出現連接管沖開的情況，應立即關閉氣體閥門，重新更換新管箍安裝連接器。

8 結論

新研制的鐘罩式小流量氣體流量計標準裝置，3 L/min流量點不確定度Urel=0.46%(k=2)，重復性、穩定性試驗以及比對實驗等均符合計量標準考核要求，適用于工作壓力較高或壓力損失較大的氣體流量計的正壓檢定；采用計算機自動控制技術，實現小流量氣體流量計全過程自動檢定，提高工作效率；建立的三套0.5級鐘罩式氣體流量計標準裝置，可開展對1.5級及以下氣體浮子流量計的檢定工作，明確設備使用安全注意事項，確保建中公司鈾化工生產線小流量氣體流量計的檢定安全可靠。