铀化工高压损气体流量计检定装置的研制

马 倩，李红兵

(中核建中核燃料元件有限公司，四川 宜宾 644000)

流量与温度、压力一样，是化工生产过程的重要参数[1]。在核燃料元件制造过程中，气体流量计主要用于铀化工转化、粉末冶金、环境监测、焊接等重要工艺，环境监测所用的大气采样器、粉尘采样器都涉及气体流量的计量问题[2]。

气体流量检定装置主要有活塞式、皂膜式和钟罩式，中核建中核燃料元件有限公司(以下简称建中公司)于1987年研制了采用传统排气法建立的0.5级钟罩式气体流量标准装置，主要用于压力损失小于2 kPa的0.1～30 m3/h气体浮子流量计的检定。该装置钟罩体已使用30年，对于公司工作压力损失100 kPa左右的气体浮子流量计无法开展检定，建中公司每年都有大量流量计外送检定。

进气法是气体由气源经过流量计流入钟罩式气体标准装置。使经过处理的高压气体流经被检流量计后进入钟罩，钟罩上升后容积增加，其增加的容积值与流量计的指示值进行比较，从而达到检测高压损气体流量计的目的。国内计量检定单位广泛将钟罩式气体流量标准装置作为气体流量计量的基准装置，该装置技术成熟、性能稳定、操作简便、检定数据可靠且造价不高[3]。因此，结合光电编码器位移测试技术和计算机自动控制技术，开展进气法钟罩式小流量气体流量计标准装置的研制完全可行，可以满足建中公司铀化工生产线小流量气体流量计的检定需求。

1 进气法校准流程

进气法校准流程如图1所示。

图1 进气法校准流程图Fig.1 The flow chart of the intake calibration

由图1可知：气体流量校准装置主要包括气源工作系统、钟罩系统、检定工作台系统，由钟罩、液槽、压力补偿机构、气源和实验管道等部分组成，并带有计时器、光电编码器，计算机处理和控制系统及其他附属设备组成，以实现自动检测的功能。进气法校准装置结构示意图如图2所示。

图2 进气法校准装置结构示意图Fig.2 The structure of the air inlet method calibration device

2 进气法校准装置设计

2.1 气源工作系统的设计

为解决公司工作压力损失100 kPa左右的气体浮子流量计检定的问题，气源工作系统采用进气法，通过对压缩空气过滤、恒温及恒压获得稳定的高压气源，满足用于检定压损大的气体浮子流量计，最大工作压力可达0.3 MPa。

进气法气源工作系统主要包含：干燥器、恒温装置、稳压容器等，作用是对气源压缩空气进行干燥、恒温、稳压，保证检定用气体达到流量计检定条件要求后，再流入流量计和标准器内。

2.1.1 恒温气源系统设计

恒温气源系统由恒温槽、温度变送器等组成。通过软件设定温度值，通过恒温槽上温度变送器上传的示值调整恒温槽温度。控制温度范围0～100 ℃，功率9.0 kW。当气体经冷冻式压缩空气干燥机温度下降后，采用电热管加热的方法对气体加热。温度测量用数字温度自动采集系统配合四线PTD铂电阻(Pt100)来实现，被测温度的测量是通过检测电阻值的变化来实现，控温精度为±0.2 ℃。

2.1.2 稳压气源系统设计

气源采用压缩空气，压力为0.6～0.8 MPa。将稳定气源通过恒温系统输入到储气罐中，储气罐上装有温度变送器，实时监控罐内温度。进气法检定装置在储气罐出气口加装压力调节阀，保证经调压阀调节后的气体压力稳定，且不随上游轻微的压力变化而产生波动。

2.2 高精度钟罩系统的设计

依据JJG 165—2005[4]，采用尺寸检定法对钟罩进行标定，运用光电编码器位移测试技术实现对钟罩位移的测量。钟罩制造时采用0.1级的钟罩技术和工艺，确保钟罩的线性度及桶壁的挂水量达到0.2级。

2.2.1 钟罩筒体设计

钟罩给出的标准体积是钟罩内腔与密封液面形成的容积，钟罩内表面的加工质量是钟罩装置最主要的基础保障。采用304不锈钢板材，经滚压焊接成型，内外表面经机械抛光，具有较强的刚度，耐腐蚀，几何圆柱度高，上下均匀，吊装环经调试在钟罩质心同轴线，确保钟罩升降平稳。提高钟罩筒体表面光洁度的同时减少密封液的挂壁量。

2.2.2 压力波动控制设计

采用曲线补偿机构及补偿砝码实现，使钟罩内部的气体压力保持相对恒定，不随钟罩上下移动而变化，实现气体小流量的高精度测量。

2.2.3 钟罩上升高度限位

装置上安装机械限位开关，对钟罩上升高度进行限位，提高了限位可靠性。同时软件设置最高脉冲数进行高度限位保护。

2.3 检定工作台系统的设计

三套标准装置共用一套检定台，采用垂直安装检定管线布局，由管道、夹表器、变送器、阀门、短接、不锈钢台体组成，侧板和背板采用有机玻璃板，厚度≥10 mm。夹表器为气动夹表器，并在气源前端配有气动二联件，可调节夹紧力度。

2.4 室内空气换气系统的设计

设备主机安装在吊顶内，采用单向流新风系统将室内有害气体与微尘通过排风管道排到室外。

2.5 自动控制系统的设计

采用计算机自动控制技术优化检定流程，降低人员操作难度，提高工作效率。

检定系统是在Win7环境下，采用“上位机+下位机”的控制方案。上位机采用工控机通过VB软件开发人机界面，要完成人机界面管理、检定过程监控、数据库管理、记录打印等功能。下位机采用PLC作为自动化系统的控制核心，实现装置检定时间记录、流量计信号采集以及执行机构控制等功能。控制器设计算机通信接口，可与计算机系统联机。建立三套流量标准器集中自动控制系统，实现小流量气体流量计的全自动检定。其自动控制流程如图3所示。

图3 自动控制流程图Fig.3 The process of the automatic control

3 校准装置不确定度评定[6-8]

钟罩内表压力为3 750 Pa，浮子流量计前表压为5 000 Pa，大气压为97 460 Pa，室温为20.6 ℃。选取50 L钟罩式气体流量标准装置。被检编号为5212，型号为DK800-6F型，测量范围为0.3～3 L/min的4.0级气体浮子流量计。

3.1 标准装置的不确定度分析

标准不确定度分量汇总见表1。

表1 标准不确定度分量一览表Table 1 The list of standard uncertainty components

3.2 合成标准不确定度

由于各标准不确定度分量相互独立不相关，故合成标准不确定度为：

3.3 扩展不确定度

取置信概率P=95%，k=2，则：

Urel=uc·kp=0.46%

4 校准装置重复性试验

根据JJF 1033—2016[9]，对钟罩式小流量气体流量计标准装置进行重复性试验。对3 L/min流量点进行重复10次的测量，重复性实验数据为(%)：-2.8、-2.8、-2.9、-3.2、-2.9、-2.8、-3.0、-3.1、-3.0、-3.1。

重复性sn小于uc的2/3，满足计量标准器具考核要求。

5 校准装置稳定性试验

根据JJF 1033—2016，对钟罩式小流量气体流量计标准装置进行考核。对3 L/min流量点进行重复10次的测量，稳定性考核数据见表2。

表2 标准装置的稳定性考核表Table 2 Stability assessment of the standard device

稳定性小于合成标准不确定度，满足计量标准器具考核要求。

6 比对实验

采用传递比较法。对3 L/min流量点，经中国测试技术研究院检定，其结果与本装置检定结果比对数据见表3。

表3 标准装置比对实验数据表(单位：%)Table 3 Data ofthe comparison test for the standard device(Unit：%)

U0≤Urel/3，计量标准器具不确定度的验证满足|y-y0|≤Urel，满足计量标准器具考核要求。

7 使用中安全注意事项

进气法气源压缩空气压力为0.6～0.8 MPa，较高的操作压力要求装置每周维护保养需确认：各试验管道的密封性，确保无泄漏；钟罩筒体有足够的密封液；稳压罐安全阀和压力表的正常有效等。检定时，气体流量计安装后，应缓慢打开进气阀，避免较高压力的气体逸出。拆卸时应先关闭气源，打开旁通阀后再拆卸气体流量计，避免残余带压气体对气体流量计损坏。紧急情况，如出现连接管冲开的情况，应立即关闭气体阀门，重新更换新管箍安装连接器。

8 结论

新研制的钟罩式小流量气体流量计标准装置，3 L/min流量点不确定度Urel=0.46%(k=2)，重复性、稳定性试验以及比对实验等均符合计量标准考核要求，适用于工作压力较高或压力损失较大的气体流量计的正压检定；采用计算机自动控制技术，实现小流量气体流量计全过程自动检定，提高工作效率；建立的三套0.5级钟罩式气体流量计标准装置，可开展对1.5级及以下气体浮子流量计的检定工作，明确设备使用安全注意事项，确保建中公司铀化工生产线小流量气体流量计的检定安全可靠。