水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置密度測(cè)量方法研究

潘樂 程海鋒 趙培

摘 要：密度是液體流量計(jì)量中重要的物理量，無論是容積法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置傳遞質(zhì)量流量計(jì)還是質(zhì)量法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置傳遞體積量流量計(jì)，均存在介質(zhì)密度的測(cè)量問題，文章就水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中水密度的測(cè)量方法進(jìn)行分析和研究，并保證密度測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠；文章采用燒干稱重法進(jìn)行密度測(cè)量，該方法測(cè)量準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好，在水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行試驗(yàn)，得到了滿意的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置；密度；燒干稱重

中圖分類號(hào)：TH814 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）25-0134-02

Abstract： Density is one of the most important physical quantities in liquid flow measurement. The measurement of medium density exists in both volumetric water flow standard device transfer mass flowmeter and mass method water flow standard device transfer volume flowmeter. In this paper， the measurement method of water density in water flow standard device is analyzed and studied to ensure the accuracy and reliability of the density measurement results， and the dry weight method is used to measure the density， which has high accuracy and good stability. The experiment was carried out in the standard device of water flow rate and satisfactory results were obtained.

Keywords： water flow standard device； density； burning weight

1 概述

水密度高精度測(cè)量的常見方法有兩種：標(biāo)準(zhǔn)密度計(jì)直接測(cè)量法，電子密度計(jì)在線測(cè)量法，這兩種方法都能得到高準(zhǔn)確度的密度值，但對(duì)標(biāo)準(zhǔn)器的維護(hù)比較繁瑣，需要小心仔細(xì)地清洗密度計(jì)，一旦清洗不干凈，會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量精度；下面介紹采用燒干稱重法進(jìn)行密度測(cè)量的方法，該方法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)器無需特殊維護(hù)，量值傳遞準(zhǔn)確度高且穩(wěn)定。

2 燒干稱重法進(jìn)行水密度測(cè)量的原理

根據(jù)偏摩爾體積原理可知，少量可溶于水的雜質(zhì)溶解到水中，不會(huì)引起水體積的變化。

因?yàn)榧儍羲拿芏仁强芍?，只要測(cè)出水和純水的質(zhì)量之比，就可計(jì)算出水的密度，所以需要將水蒸發(fā)干凈，測(cè)量剩余雜質(zhì)的質(zhì)量，就能達(dá)到測(cè)量密度的目的。

3 密度測(cè)量的步驟和方法

采用燒干稱重法進(jìn)行水密度測(cè)量時(shí)，需要用到的儀器設(shè)備有，Ⅰ級(jí)電子天平MAX=1200g，e=0.01g，d=0.001g、1000ml燒杯、500W電熱爐，操作步驟示意圖如圖1。

第①步：取一個(gè)干凈的1000ml量杯，對(duì)空量杯進(jìn)行稱重，空杯重m1。

第②步：?jiǎn)?dòng)水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，運(yùn)行半小時(shí)，等水池中的水?dāng)嚢杈鶆颍∫煌八鰳悠?，燒杯裝（700～800）ml水，外表擦拭干凈，燒杯裝水稱重質(zhì)量m2。

第③步：將裝水燒杯放在電熱爐上進(jìn)行加熱，預(yù)計(jì)加熱3～4小時(shí)，直到燒杯內(nèi)的水燒干。

第④步：等燒杯自然冷卻后，將燒干的燒杯放在電子天平進(jìn)行稱重，稱重質(zhì)量m3。

根據(jù)公式計(jì)算水的密度：

4 實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)分析

根據(jù)密度測(cè)量的步驟和方法，測(cè)得空燒杯質(zhì)量m1=346.225g，燒杯加水質(zhì)量m2=1107.487g，燒干后燒杯加雜質(zhì)重量m3=346.827g。

根據(jù)公式計(jì)算水密度：

對(duì)密度測(cè)量進(jìn)行不確定度分析，根據(jù)公式可知，該方法測(cè)量密度的主要影響量是電子天平精度、分辨力和重復(fù)性。

（1）電子天平精度引入的不確定度分量u1

Ⅰ級(jí)電子天平MAX=1200g，e=0.01g，稱量≤500g時(shí)，允許誤差±0.005g，500g<稱量≤1200g時(shí)，允許誤差±0.01g。

三次稱重時(shí)的不確定度分別為：

取最大值作為電子天平精度引起的不確定度分量：

u1=7.2×10-6

（2）電子天平精度引入的不確定度分量u2

Ⅰ級(jí)電子天平MAX=1200g，分辨力d=0.001g，稱量m1時(shí)不確定度最大。

（3）重復(fù)測(cè)量引入的不確定度分量u3

重復(fù)測(cè)量步驟和方法，分別進(jìn)行三次測(cè)量，測(cè)得取樣水的溫度為19.2℃，查純水密度表得純水密度為998.365kg/m3，所得數(shù)據(jù)如表1。

根據(jù)貝塞爾公式計(jì)算重復(fù)測(cè)量引入的不確定度u3：

（4）合成標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)不確定度

以上各量互不相關(guān)，靈敏系數(shù)ci=1，故合成標(biāo)準(zhǔn)相不確定度為：

（5）擴(kuò)展不確定度Urel為：

Urel=k×uc=1.6×10-5（k=2）

5 測(cè)量結(jié)果的驗(yàn)證

每天取一次流量裝置中的水作為樣品，用一等標(biāo)準(zhǔn)密度計(jì)測(cè)量樣品的密度，作為標(biāo)準(zhǔn)密度值，用二等標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)測(cè)量水溫，然后用燒干稱重法測(cè)量樣品的密度，連續(xù)測(cè)量三天對(duì)比測(cè)量結(jié)果，數(shù)據(jù)如表2。

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩種方法測(cè)量的數(shù)據(jù)非常接近，并且測(cè)量數(shù)據(jù)非常穩(wěn)定，最大測(cè)量誤差0.00081%，參照J(rèn)JF 1033《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》中對(duì)測(cè)量結(jié)果不確定度的驗(yàn)證的方法要求，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，比對(duì)結(jié)果符合要求。

6 結(jié)論和需要注意的問題

通過不確定度分析和測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證，燒干稱重法測(cè)量密度的擴(kuò)展不確定度Urel=1.6×10-5（k=2），足夠滿足擴(kuò)展不確定度為0.03%（k=2）的質(zhì)量法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置傳遞體積量流量計(jì)，也能滿足擴(kuò)展不確定度為0.05%（k=2）的容積法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置傳遞質(zhì)量流量計(jì)。

燒干稱重法測(cè)量密度準(zhǔn)確度高且穩(wěn)定，但使用過程中還有些需要注意的地方：（1）電子天平使用之前要按照說

明書，調(diào)試水平并且預(yù)熱；（2）環(huán)境避免振動(dòng)和風(fēng)吹，溫濕度要滿足電子天平使用要求；（3）電熱爐功率不宜過高或

過低，加熱功率過高，沸騰劇烈容易飛濺，功率過低，蒸發(fā)速度較慢，試驗(yàn)時(shí)間太長(zhǎng)容易增加不確定性因素；經(jīng)過多次試驗(yàn)，500W功率是比較適宜的，建議蒸發(fā)水量750ml左右，加熱3～4小時(shí)。

參考文獻(xiàn)：

[1]1990年國(guó)際溫標(biāo)純水密表[Z].

[2]孟濤，胡鶴鳴，李曉鵬，等.稱重法水流量裝置密度的取值方法[J].計(jì)量技術(shù)，2015（12）：8-11.

[3]周志峰，丁維光.液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置介質(zhì)密度測(cè)量方法研究[J].工業(yè)計(jì)量，2017（3）：13-15.

[4]蘇彥勛.流量計(jì)量與測(cè)試（第2版）[M].中國(guó)計(jì)量出版社，2007.