三等金屬量器容量衡量法檢定裝置

陳文琳，王順利，許德福，穆軍

三等金屬量器容量衡量法檢定裝置

陳文琳，王順利，許德福，穆軍

新疆維吾爾自治區(qū)計(jì)量測(cè)試研究院(新疆烏魯木齊830011)

三等金屬量器作為一種常用的容量計(jì)量器具，越來(lái)越多地應(yīng)用到地方計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)、石油石化、油庫(kù)、加油站的油品計(jì)量部門及科研和企業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中。通過(guò)“容量衡量法”檢定系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)三等金屬量器的檢定，此方法具有檢定過(guò)程簡(jiǎn)單，操作方便，準(zhǔn)確度高，重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。

三等金屬量器;容量衡量法;浮力修正;電子天平;一等玻璃密度計(jì)

容量計(jì)量是一項(xiàng)基礎(chǔ)性的法治計(jì)量工作，它關(guān)系到石油化工、貿(mào)易、交通、民航等部門的經(jīng)營(yíng)管理、產(chǎn)品質(zhì)量、成本核算等問(wèn)題[1]。三等金屬量器作為一種常用的容積計(jì)量器具，其自身性能的好壞和指示值準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到開展量值傳遞的準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)效益的核算[2]。本文通過(guò)“容量衡量法”檢定系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)三等金屬量器的檢定，提高裝置的自動(dòng)化程度，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，降低檢定成本，保障計(jì)量檢定的可靠性、安全性和準(zhǔn)確性。

1 理論分析

1.1測(cè)量原理

容量衡量法是通過(guò)測(cè)量量器容納介質(zhì)(通常為水)的質(zhì)量、密度、溫度以求其容積的方法[3]。

用機(jī)械天平測(cè)量介質(zhì)質(zhì)量時(shí)[4]，先把被測(cè)量器(或過(guò)度容器)放入天平的一個(gè)托盤上(如左盤)，同時(shí)在此盤內(nèi)再放入標(biāo)準(zhǔn)砝碼，砝碼的質(zhì)量應(yīng)等于被測(cè)量器的標(biāo)稱容積所對(duì)應(yīng)的介質(zhì)的質(zhì)量，在天平另一托盤上放平衡重物，使天平處于平衡狀態(tài)，通過(guò)稱量確定天平的平衡位置;從天平托盤(如左盤)上取下標(biāo)準(zhǔn)砝碼，將測(cè)量介質(zhì)注入被測(cè)量器至標(biāo)線位置，天平另一托盤上平衡重物不變，再次稱重，以確定天平的平衡位置，若天平不能平衡，可以在天平某個(gè)托盤內(nèi)加小砝碼使其平衡。根據(jù)上述“替代衡量法”測(cè)量原理，若三等金屬量器的質(zhì)量為ML，鋼材體積為VL，介質(zhì)的質(zhì)量為Mw，體積為Vw，密度為ρw，天平室內(nèi)的空氣密度為ρa(bǔ)，介質(zhì)的表觀質(zhì)量為M(由標(biāo)準(zhǔn)砝碼質(zhì)量、補(bǔ)加小砝碼質(zhì)量和天平平衡位置計(jì)算，砝碼的體積為VM，標(biāo)準(zhǔn)砝碼材料密度為ρB)，平衡重物的質(zhì)量為T、體積為VT，得平衡方程如下[5]:

將式(4)、式(5)帶入式(3)得，

其中，Vw就是量器內(nèi)容納介質(zhì)的體積，為t℃時(shí)的量器容積，即Vt=Vw。

再將量器t℃時(shí)的容積換算到標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃時(shí)的容積:

由式(7)、式(8)可知，測(cè)量量器標(biāo)稱容量刻線以下所容納介質(zhì)的表觀質(zhì)量M(kg)、介質(zhì)溫度t(℃)以及溫度為t℃時(shí)的介質(zhì)密度ρw(g/cm3)，同時(shí)測(cè)量天平室內(nèi)的空氣密度ρa(bǔ)(g/cm3)，則該量器標(biāo)稱刻線處的20℃時(shí)的容量值V20(L)為:

式中:V20為三等金屬量器20℃的容積值，L;M為三等金屬量器中介質(zhì)的表觀質(zhì)量，kg;ρw為t℃時(shí)的介質(zhì)密度，g/cm3;ρa(bǔ)為天平室內(nèi)的空氣密度，g/ cm3;ρB為標(biāo)準(zhǔn)砝碼材料密度，g/cm3;β為三等金屬量器的體脹系數(shù)，℃-1;t為三等金屬量器檢定介質(zhì)溫度，℃。

現(xiàn)在，檢測(cè)工作中多使用的是電子天平，所以沒有標(biāo)準(zhǔn)砝碼此項(xiàng)，公式(9)變?yōu)?

1.2介質(zhì)密度測(cè)量

本裝置檢定介質(zhì)為循環(huán)水，須用一等玻璃密度計(jì)實(shí)測(cè)水的密度值，計(jì)算公式:

式中:ρ20為密度計(jì)在水中的示值，g/cm3;Δρ為密度計(jì)的檢定修正值，g/cm3;βd為密度計(jì)的體脹系數(shù)，取值25×10-6/℃;t為水的溫度，℃。

1.3頸部分度值測(cè)量

根據(jù)三等金屬量器計(jì)量頸粗細(xì)和高度，選擇相應(yīng)容量的標(biāo)準(zhǔn)玻璃量器，向被檢三等金屬量器內(nèi)注水至Ha刻線位置，將標(biāo)準(zhǔn)玻璃量器中的水注入金屬量器計(jì)量頸中，讀取被檢金屬量器液位Hb(Ha至Hb的高度應(yīng)不小于標(biāo)尺總長(zhǎng)的2/3)，由公式計(jì)算得出其計(jì)量頸分度容積Vf:

這里“選擇相應(yīng)容量”一般為20L選擇50mL，50L、100L選擇100mL;“標(biāo)準(zhǔn)玻璃量器”一般為單刻線容量瓶并配滴定管，而V指的是標(biāo)準(zhǔn)玻璃量器的容量，mL。

1.4主體容積檢定

通過(guò)測(cè)得的質(zhì)量與密度的值，計(jì)算出被檢三等金屬量器內(nèi)的介質(zhì)容量值為V20，所對(duì)應(yīng)的液位刻度值為h;同時(shí)，根據(jù)式(12)計(jì)算出的Vf計(jì)算三等金屬量器標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃下標(biāo)稱容量值VB對(duì)應(yīng)的刻度值[6]:

這里需要注意的是，三等金屬量器的介質(zhì)容量VB值一般是整數(shù)，例如，20L、50L、100L，但是如果金屬量器長(zhǎng)期使用，形變量較大，上一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為其量傳時(shí)，無(wú)法量傳至整數(shù)位的值，或許整數(shù)位置小于計(jì)量頸的最底端，或許整數(shù)值超出計(jì)量頸的高頂端，所以三等量器的介質(zhì)容量VB值可能變成一個(gè)非整數(shù)的值，但一般首選整數(shù)值。

2 標(biāo)準(zhǔn)裝置組成

三等金屬量器容量檢定裝置(容量衡量法)作為三等金屬量器量值溯源的標(biāo)準(zhǔn)裝置，標(biāo)準(zhǔn)器的核心部件是“高精度電子天平”(I級(jí)64kg，II級(jí)300kg)[7]和“一等玻璃密度計(jì)”(0.000 02g/cm3)。

主體硬件主要由6部分組成:①循環(huán)隔離水箱:由頸部分度標(biāo)定水箱和標(biāo)稱容積標(biāo)定水箱組成;②電子天平主工作臺(tái):包括兩臺(tái)不同測(cè)量范圍的電子天平，用以針對(duì)不同容量大小的三等金屬量器容量的測(cè)量;③人工讀數(shù)扶梯:用以讀取被檢量器刻度值，方便調(diào)整高度確保其讀數(shù)的準(zhǔn)確性;④注水管路:主要由自吸泵和分配管路組成，用來(lái)完成被檢金屬量器的潤(rùn)罐和檢定、注水，如圖1所示;⑤自動(dòng)控制平臺(tái):主要用來(lái)控制注水管路電磁閥的開啟以及自吸泵的啟停工作[8];⑥數(shù)據(jù)計(jì)算及數(shù)據(jù)處理軟件:將上述環(huán)節(jié)采集的數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)內(nèi)，計(jì)算機(jī)計(jì)算完成后，輸出原始記錄，打印和保存。

3 檢定過(guò)程的實(shí)現(xiàn)

以一臺(tái)100L三等金屬量器為樣本，經(jīng)外觀檢查、密封性檢驗(yàn)、排氣與排液能力檢驗(yàn)合格后，以水為介質(zhì)按下述步驟完成檢定程序，如圖2所示:①將該100L三等金屬量器放置于電子天平上，定位并調(diào)平，注水至標(biāo)稱容量VB刻線位置附近，記錄表觀質(zhì)量值M及對(duì)應(yīng)的液位刻度值h;②測(cè)量并記錄被檢量器內(nèi)水溫t;③測(cè)量并記錄t℃的水的密度值ρw;④測(cè)量并記錄實(shí)驗(yàn)室空氣密度值ρa(bǔ);⑤測(cè)量并根據(jù)公式(12)計(jì)算出計(jì)量頸部分度容積值Vf;⑥根據(jù)公式(10)和(13)，計(jì)算經(jīng)過(guò)溫度和浮力修正的被檢量器V20值(100L)及對(duì)應(yīng)的液位刻度值H(65.10mm)。

4 測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定

以循環(huán)水為測(cè)量介質(zhì)，考慮溫度和浮力的影響，被檢金屬量器刻度h的20℃的容積值為:

該式中，M為水的表觀質(zhì)量，g，L為三等金屬量器殘留量帶來(lái)的附加容積值，L。

各輸入量標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量見表1。

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度表示:

擴(kuò)展不確定度的評(píng)定:取包含因子k=2，得三等金屬量器容量測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度為Ur=ucr× 2=2.4×10-4。

測(cè)量不確定度的報(bào)告與表示:被檢三等金屬量器20℃標(biāo)稱容積100L對(duì)應(yīng)零點(diǎn)位置65.10mm，其容量測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度Ur=2.4×10-4，k=2。

5 結(jié)論

該三等金屬量器“容量衡量法”檢定裝置自運(yùn)行以來(lái)，性能穩(wěn)定，重復(fù)性和穩(wěn)定性良好，裝置不確定度滿足各種類型三等金屬量器容量檢定(校準(zhǔn))工作，準(zhǔn)確度及技術(shù)指標(biāo)滿足國(guó)家檢定規(guī)程JJG259-2005《標(biāo)準(zhǔn)金屬量器》所需要求。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室復(fù)檢實(shí)驗(yàn)證明，在同等檢定、校準(zhǔn)條件下，該檢定裝置系列指標(biāo)能滿足社會(huì)公用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)量值溯源和傳遞要求，系統(tǒng)能夠公平、公正的為社會(huì)提供優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)檢測(cè)服務(wù)。

[1]劉子勇，郭立功.容量計(jì)量研究方向[J].現(xiàn)代測(cè)量與實(shí)驗(yàn)室管理，2007(6):11-13.

[2]李勇.三等標(biāo)準(zhǔn)金屬量器容積的測(cè)量不確定度評(píng)定[J].計(jì)量測(cè)試與技術(shù)，2006，33(7):35-36.

[3]吳榕輝.稱重法測(cè)定金屬量器的容量[J].廣州化工，2005，33 (3):54-55.

[4]JJG 295-2005標(biāo)準(zhǔn)金屬量器檢定規(guī)程[S].

[5]陳風(fēng)華，吳明清，龔中字.稱重法中的浮力修正及應(yīng)用[J].中國(guó)計(jì)量，2012(10):108-109.

[6]王榮杰，王江兵，馬衛(wèi)國(guó).一種新型金屬量器的標(biāo)定[J].工業(yè)計(jì)量，2005，15(2):26-27.

[7]周旭.電子天平在玻璃量器檢定中的應(yīng)用[J].中國(guó)計(jì)量，2007(5):54-55.

[8]鐘英飛.提高常用標(biāo)準(zhǔn)金屬量器檢定效率的注液控制電路[J].中國(guó)計(jì)量，2011(3):112-113.

The third-class metal measuring vessel is a kind of common capacity measuring instrument，and it is widely used by local measurement institutions，oil measurement sectors in oil depots and oil stations，research institutions and production enterprises.It is proposed that the calibration of third-class metal measuring vessels will be implemented by“capacity measurement method”.The method is of the characteristics of simple process，easy operation，high accuracy and good repeatability.

third-class metal measuring vessel;capacity measurement method;buoyancy correction;electronic balance;first-class glass hydrometer

萍

2014-11-27

陳文琳(1988-)，女，碩士，主要從事流量、容量方向的研究與檢定工作。