质量流量计测量值空气浮力修正方法探讨
时间：2012-10-26 阅读：2085
质量流量计测量值空气浮力修正方法探讨
自20世纪80年代末以来，科氏质量流量计以直接测量介质质量的特点，得到了快速发展与普及。经过调查笔者发现，虽然大家已逐渐认识到质量流量计测量的是介质“真空中的质量”，但大部分企业和单位还依然按照它直接测量的结果进行贸易结算，而不进行任何修正，这是与我国贸易计量采用“空气中的质量”的规定相违背的。这样不仅直接导致买方的经济损失，有失计量公平、公正的基本原则，还可能导致卖方对于物料收率和平衡结果盲目乐观。因此，怎样科学合理地将空气浮力问题考虑到质量流量计的计量过程中去，是亟须研究和解决的实际问题。
一、质量和重量
1.质量
质量是物体固有的一种物理属性，它既是物体惯性大小的量度，又是物体产生引力场和受引力场作用能力的量度。
2.重量
重量是物体所受重力的大小，物体的重力来自地球的引力和惯性离心力，是这两个力的合力。
根据牛顿第二定律：W=mg （1）
式中：W——物体的重量，N；m——物体的质量，kg；g——重力加速度，m/s2。
3.两者之间的关系
由式（1）可以看出，物体的重力不仅和物体自身的质量有关系，还和当地的重力加速度有关。在目前的科学技术条件下，物体质量的测量都离不开重力的测量，通常说衡器测量的是物体的质量，这其实只是一个结果，实际上在测量过程中是离不开力的作用的，也就是说，质量的测量一般情况下都是通过力的测量而间接得到的。
4.空气中的重量和质量
“空气中的重量”是指某一物体在空气中受到的重力和所受到的空气浮力的合力。*，质量是物体固有的一种物理属性，物体的质量在任何地方、任何环境条件下不应该发生变化，那么“空气中的质量”又是怎么回事呢？在实际贸易的质量计量过程中，测量物体“真空中的质量”是一件非常难做到的事，既不经济也不科学，因此就引入了“空气中的质量”这一概念，它的数值等于“空气中的重量”与当地的重力加速度之比，目前，无论是上还是我国质量贸易计量均采用此值进行结算。
二、质量流量计的检定
依据JJG897-1995《质量流量计》检定规程，在采用称量法检定时其标准值MS按式（2）计算：
（2）
式中：MI——检定流量计时标准秤指示的介质质量，kg；ρe——介质的密度，kg/m3；ρa——大气的密度，kg/m3；ρm——秤在检定时所用标准砝码的密度；kg/m3；Ms——介质的实际质量值，kg。
如果忽略砝码所受到的空气浮力，可简化为式（3）：
（3）
由于标准秤自身的误差相对于要检定的流量计的允许误差是一个较小的量，因此可以忽略。在此前提下，式（2）的导出过程如下：
在检定流量计时，标准秤在称量介质质量时，实际质量为MS的介质在空气中对秤的作用力为
假定此时标准秤的显示值为MI；在用标准砝码检定秤时，秤的指示值为MI（与检定用标准砝码折算质量名义值一致）时，秤实际受到的力为
因此满足：
（4）
显然，经整理可得式（2），如果忽略砝码所受到的空气浮力就可认为：
，经整理即可得式（3）。
从式（2）的推导过程中可以看出，数据处理所用的标准值是标准秤所测介质的真空质量值，也就是说，质量流量计检定结果给出的是它测量真空质量时的误差（准确度）。那么，介质的真空质量值到底和空气中的质量有多大差别呢？其实它是和介质的密度有直接关系的，如表1所示。
从表1中可以看出，两者之间相差还是相当大的，在密度为500kg/m3时相差达到-0.22%，远远超出了买卖双方可以接受的范围。
四、解决途径和方案
1.流量计系数法
在目前的检定条件下，建议采用的方法是依据介质的实际情况，由用户给出质量流量计修正系数，实际结算量采用流量计的指示值乘以流量计系数，即
Ma=K´Mc （5）
式中：Ma———介质在空气中的质量，kg；Mc——质量流量计显示值，kg；K——流量计系数，无量纲。
系数K推导过程如下：
依据“空气中的质量”的定义可知
从式（7）可知，系数K是大气的密度ρa和介质的密度ρe的函数，为方便计量过程中大气的密度ρa，目前上采用1.1kg/m3；介质的密度ρe可以根据实际情况制定或参照现场采样和密度分析的具体方案。在这里，笔者推荐采用GB/T1884-2000《原油和液体石油产品密度实验室测定法》。
2.理想解决方案
（1）首先变质量流量计测量真空的质量为测量空气中的质量，该阶段由生产厂家来实现。科氏质量流量计介质的质量和密度都是直接测量量，而且密度的测量准确度也非常高，像罗斯蒙特的质量流量计密度的测量可以到0.5kg/m3，空气密度同样设定为1.1kg/m3，再通过运算就可以将真空质量的实时值输出转换为空气中质量的实时值输出。其内部运算的数学模型按式（5）进行设置。
（2）检定标准值
在质量流量计改变测量模式的同时，检定的标准值MS也要作相应调整，即将真空质量标准值变成空气中质量标准值，来保证与质量流量计测量的“空气中的质量值”一致。计算公式推导如下：
在已知标准秤指示值为MI的条件下，介质的真空质量按式（2）进行计算，即
依据定义，介质在“空气中的质量”如下：
（9）
将式（2）代入式（9），得
（10）
整理得
（11）
如果能实现上述理想方案，不仅解决了质量流量计测量值与贸易结算规定之间的矛盾，还真正实现了计量的公平、公正，而且质量流量计的使用也不会受检定介质和实际使用介质不同而造成的误差的影响。