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技術(shù)文章

質(zhì)量流量計測量值空氣浮力修正方法探討

閱讀:2079          發(fā)布時間:2012-10-26

  質(zhì)量流量計測量值空氣浮力修正方法探討

自20世紀(jì)80年代末以來,科氏質(zhì)量流量計以直接測量介質(zhì)質(zhì)量的特點,得到了快速發(fā)展與普及。經(jīng)過調(diào)查筆者發(fā)現(xiàn),雖然大家已逐漸認識到質(zhì)量流量計測量的是介質(zhì)“真空中的質(zhì)量”,但大部分企業(yè)和單位還依然按照它直接測量的結(jié)果進行貿(mào)易結(jié)算,而不進行任何修正,這是與我國貿(mào)易計量采用“空氣中的質(zhì)量”的規(guī)定相違背的。這樣不僅直接導(dǎo)致買方的經(jīng)濟損失,有失計量公平、公正的基本原則,還可能導(dǎo)致賣方對于物料收率和平衡結(jié)果盲目樂觀。因此,怎樣科學(xué)合理地將空氣浮力問題考慮到質(zhì)量流量計的計量過程中去,是亟須研究和解決的實際問題。

    一、質(zhì)量和重量

    1.質(zhì)量

    質(zhì)量是物體固有的一種物理屬性,它既是物體慣性大小的量度,又是物體產(chǎn)生引力場和受引力場作用能力的量度。

    2.重量

    重量是物體所受重力的大小,物體的重力來自地球的引力和慣性離心力,是這兩個力的合力。

    根據(jù)牛頓第二定律:W=mg (1)

    式中:W——物體的重量,N;m——物體的質(zhì)量,kg;g——重力加速度,m/s2

    3.兩者之間的關(guān)系

    由式(1)可以看出,物體的重力不僅和物體自身的質(zhì)量有關(guān)系,還和當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣扔嘘P(guān)。在目前的科學(xué)技術(shù)條件下,物體質(zhì)量的測量都離不開重力的測量,通常說衡器測量的是物體的質(zhì)量,這其實只是一個結(jié)果,實際上在測量過程中是離不開力的作用的,也就是說,質(zhì)量的測量一般情況下都是通過力的測量而間接得到的。

    4.空氣中的重量和質(zhì)量

    “空氣中的重量”是指某一物體在空氣中受到的重力和所受到的空氣浮力的合力。*,質(zhì)量是物體固有的一種物理屬性,物體的質(zhì)量在任何地方、任何環(huán)境條件下不應(yīng)該發(fā)生變化,那么“空氣中的質(zhì)量”又是怎么回事呢?在實際貿(mào)易的質(zhì)量計量過程中,測量物體“真空中的質(zhì)量”是一件非常難做到的事,既不經(jīng)濟也不科學(xué),因此就引入了“空氣中的質(zhì)量”這一概念,它的數(shù)值等于“空氣中的重量”與當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣戎?,目前,無論是上還是我國質(zhì)量貿(mào)易計量均采用此值進行結(jié)算。

    二、質(zhì)量流量計的檢定

    依據(jù)JJG897-1995《質(zhì)量流量計》檢定規(guī)程,在采用稱量法檢定時其標(biāo)準(zhǔn)值MS按式(2)計算:

      (2)

    式中:MI——檢定流量計時標(biāo)準(zhǔn)秤指示的介質(zhì)質(zhì)量,kg;ρe——介質(zhì)的密度,kg/m3;ρa——大氣的密度,kg/m3;ρm——秤在檢定時所用標(biāo)準(zhǔn)砝碼的密度;kg/m3;Ms——介質(zhì)的實際質(zhì)量值,kg。

    如果忽略砝碼所受到的空氣浮力,可簡化為式(3):

       (3)

    由于標(biāo)準(zhǔn)秤自身的誤差相對于要檢定的流量計的允許誤差是一個較小的量,因此可以忽略。在此前提下,式(2)的導(dǎo)出過程如下:

    在檢定流量計時,標(biāo)準(zhǔn)秤在稱量介質(zhì)質(zhì)量時,實際質(zhì)量為MS的介質(zhì)在空氣中對秤的作用力為假定此時標(biāo)準(zhǔn)秤的顯示值為MI;在用標(biāo)準(zhǔn)砝碼檢定秤時,秤的指示值為MI(與檢定用標(biāo)準(zhǔn)砝碼折算質(zhì)量名義值一致)時,秤實際受到的力為因此滿足:

       (4)

    顯然,經(jīng)整理可得式(2),如果忽略砝碼所受到的空氣浮力就可認為: ,經(jīng)整理即可得式(3)。

    從式(2)的推導(dǎo)過程中可以看出,數(shù)據(jù)處理所用的標(biāo)準(zhǔn)值是標(biāo)準(zhǔn)秤所測介質(zhì)的真空質(zhì)量值,也就是說,質(zhì)量流量計檢定結(jié)果給出的是它測量真空質(zhì)量時的誤差(準(zhǔn)確度)。那么,介質(zhì)的真空質(zhì)量值到底和空氣中的質(zhì)量有多大差別呢?其實它是和介質(zhì)的密度有直接關(guān)系的,如表1所示。

    從表1中可以看出,兩者之間相差還是相當(dāng)大的,在密度為500kg/m3時相差達到-0.22%,遠遠超出了買賣雙方可以接受的范圍。

    四、解決途徑和方案

    1.流量計系數(shù)法

    在目前的檢定條件下,建議采用的方法是依據(jù)介質(zhì)的實際情況,由用戶給出質(zhì)量流量計修正系數(shù),實際結(jié)算量采用流量計的指示值乘以流量計系數(shù),即

    Ma=K´Mc  (5)

    式中:Ma———介質(zhì)在空氣中的質(zhì)量,kg;Mc——質(zhì)量流量計顯示值,kg;K——流量計系數(shù),無量綱。

    系數(shù)K推導(dǎo)過程如下:

    依據(jù)“空氣中的質(zhì)量”的定義可知

   

    從式(7)可知,系數(shù)K是大氣的密度ρa和介質(zhì)的密度ρe的函數(shù),為方便計量過程中大氣的密度ρa,目前上采用1.1kg/m3;介質(zhì)的密度ρe可以根據(jù)實際情況制定或參照現(xiàn)場采樣和密度分析的具體方案。在這里,筆者推薦采用GB/T1884-2000《原油和液體石油產(chǎn)品密度實驗室測定法》。

    2.理想解決方案   

(1)首先變質(zhì)量流量計測量真空的質(zhì)量為測量空氣中的質(zhì)量,該階段由生產(chǎn)廠家來實現(xiàn)??剖腺|(zhì)量流量計介質(zhì)的質(zhì)量和密度都是直接測量量,而且密度的測量準(zhǔn)確度也非常高,像羅斯蒙特的質(zhì)量流量計密度的測量可以到0.5kg/m3,空氣密度同樣設(shè)定為1.1kg/m3,再通過運算就可以將真空質(zhì)量的實時值輸出轉(zhuǎn)換為空氣中質(zhì)量的實時值輸出。其內(nèi)部運算的數(shù)學(xué)模型按式(5)進行設(shè)置。

    (2)檢定標(biāo)準(zhǔn)值

    在質(zhì)量流量計改變測量模式的同時,檢定的標(biāo)準(zhǔn)值MS也要作相應(yīng)調(diào)整,即將真空質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值變成空氣中質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值,來保證與質(zhì)量流量計測量的“空氣中的質(zhì)量值”一致。計算公式推導(dǎo)如下:

    在已知標(biāo)準(zhǔn)秤指示值為MI的條件下,介質(zhì)的真空質(zhì)量按式(2)進行計算,即

   

    依據(jù)定義,介質(zhì)在“空氣中的質(zhì)量”如下:

     (9)

    將式(2)代入式(9),得

     (10)

    整理得 (11)

    如果能實現(xiàn)上述理想方案,不僅解決了質(zhì)量流量計測量值與貿(mào)易結(jié)算規(guī)定之間的矛盾,還真正實現(xiàn)了計量的公平、公正,而且質(zhì)量流量計的使用也不會受檢定介質(zhì)和實際使用介質(zhì)不同而造成的誤差的影響。

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