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

新疆維吾爾自治區計量測試研究院(新疆烏魯木齊830011)

三等金屬量器作為一種常用的容量計量器具，越來越多地應用到地方計量技術機構、石油石化、油庫、加油站的油品計量部門及科研和企業生產環節中。通過“容量衡量法”檢定系統實現對三等金屬量器的檢定，此方法具有檢定過程簡單，操作方便，準確度高，重復性好等優點。

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

容量計量是一項基礎性的法治計量工作，它關系到石油化工、貿易、交通、民航等部門的經營管理、產品質量、成本核算等問題[1]。三等金屬量器作為一種常用的容積計量器具，其自身性能的好壞和指示值準確與否直接關系到開展量值傳遞的準確性和經濟效益的核算[2]。本文通過“容量衡量法”檢定系統實現對三等金屬量器的檢定，提高裝置的自動化程度，減輕勞動強度，降低檢定成本，保障計量檢定的可靠性、安全性和準確性。

1 理論分析

1.1測量原理

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

用機械天平測量介質質量時[4]，先把被測量器(或過度容器)放入天平的一個托盤上(如左盤)，同時在此盤內再放入標準砝碼，砝碼的質量應等于被測量器的標稱容積所對應的介質的質量，在天平另一托盤上放平衡重物，使天平處于平衡狀態，通過稱量確定天平的平衡位置;從天平托盤(如左盤)上取下標準砝碼，將測量介質注入被測量器至標線位置，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，可以在天平某個托盤內加小砝碼使其平衡。根據上述“替代衡量法”測量原理，若三等金屬量器的質量為ML，鋼材體積為VL，介質的質量為Mw，體積為Vw，密度為ρw，天平室內的空氣密度為ρa，介質的表觀質量為M(由標準砝碼質量、補加小砝碼質量和天平平衡位置計算，砝碼的體積為VM，標準砝碼材料密度為ρB)，平衡重物的質量為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就是量器內容納介質的體積，為t℃時的量器容積，即Vt=Vw。

再將量器t℃時的容積換算到標準溫度20℃時的容積:

由式(7)、式(8)可知，測量量器標稱容量刻線以下所容納介質的表觀質量M(kg)、介質溫度t(℃)以及溫度為t℃時的介質密度ρw(g/cm3)，同時測量天平室內的空氣密度ρa(g/cm3)，則該量器標稱刻線處的20℃時的容量值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的表觀質量，kg;ρw為t℃時的介質密度，g/cm3;ρa為天平室內的空氣密度，g/ cm3;ρB為標準砝碼材料密度，g/cm3;β為三等金屬量器的體脹系數，℃-1;t為三等金屬量器檢定介質溫度，℃。

現在，檢測工作中多使用的是電子天平，所以沒有標準砝碼此項，公式(9)變為:

1.2介質密度測量

本裝置檢定介質為循環水，須用一等玻璃密度計實測水的密度值，計算公式:

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

1.3頸部分度值測量

根據三等金屬量器計量頸粗細和高度，選擇相應容量的標準玻璃量器，向被檢三等金屬量器內注水至Ha刻線位置，將標準玻璃量器中的水注入金屬量器計量頸中，讀取被檢金屬量器液位Hb(Ha至Hb的高度應不小于標尺總長的2/3)，由公式計算得出其計量頸分度容積Vf:

這里“選擇相應容量”一般為20L選擇50mL，50L、100L選擇100mL;“標準玻璃量器”一般為單刻線容量瓶并配滴定管，而V指的是標準玻璃量器的容量，mL。

1.4主體容積檢定

通過測得的質量與密度的值，計算出被檢三等金屬量器內的介質容量值為V20，所對應的液位刻度值為h;同時，根據式(12)計算出的Vf計算三等金屬量器標準溫度20℃下標稱容量值VB對應的刻度值[6]:

這里需要注意的是，三等金屬量器的介質容量VB值一般是整數，例如，20L、50L、100L，但是如果金屬量器長期使用，形變量較大，上一級標準為其量傳時，無法量傳至整數位的值，或許整數位置小于計量頸的最底端，或許整數值超出計量頸的高頂端，所以三等量器的介質容量VB值可能變成一個非整數的值，但一般首選整數值。

2 標準裝置組成

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準裝置，標準器的核心部件是“高精度電子天平”(I級64kg，II級300kg)[7]和“一等玻璃密度計”(0.000 02g/cm3)。

主體硬件主要由6部分組成:①循環隔離水箱:由頸部分度標定水箱和標稱容積標定水箱組成;②電子天平主工作臺:包括兩臺不同測量范圍的電子天平，用以針對不同容量大小的三等金屬量器容量的測量;③人工讀數扶梯:用以讀取被檢量器刻度值，方便調整高度確保其讀數的準確性;④注水管路:主要由自吸泵和分配管路組成，用來完成被檢金屬量器的潤罐和檢定、注水，如圖1所示;⑤自動控制平臺:主要用來控制注水管路電磁閥的開啟以及自吸泵的啟停工作[8];⑥數據計算及數據處理軟件:將上述環節采集的數據輸入到系統內，計算機計算完成后，輸出原始記錄，打印和保存。

3 檢定過程的實現

以一臺100L三等金屬量器為樣本，經外觀檢查、密封性檢驗、排氣與排液能力檢驗合格后，以水為介質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，定位并調平，注水至標稱容量VB刻線位置附近，記錄表觀質量值M及對應的液位刻度值h;②測量并記錄被檢量器內水溫t;③測量并記錄t℃的水的密度值ρw;④測量并記錄實驗室空氣密度值ρa;⑤測量并根據公式(12)計算出計量頸部分度容積值Vf;⑥根據公式(10)和(13)，計算經過溫度和浮力修正的被檢量器V20值(100L)及對應的液位刻度值H(65.10mm)。

4 測量結果不確定度評定

以循環水為測量介質，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為水的表觀質量，g，L為三等金屬量器殘留量帶來的附加容積值，L。

各輸入量標準不確定度分量見表1。

合成標準不確定度為:

用相對標準不確定度表示:

擴展不確定度的評定:取包含因子k=2，得三等金屬量器容量測量結果的擴展不確定度為Ur=ucr× 2=2.4×10-4。

測量不確定度的報告與表示:被檢三等金屬量器20℃標稱容積100L對應零點位置65.10mm，其容量測量結果的擴展不確定度Ur=2.4×10-4，k=2。

5 結論

該三等金屬量器“容量衡量法”檢定裝置自運行以來，性能穩定，重復性和穩定性良好，裝置不確定度滿足各種類型三等金屬量器容量檢定(校準)工作，準確度及技術指標滿足國家檢定規程JJG259-2005《標準金屬量器》所需要求。通過實驗室復檢實驗證明，在同等檢定、校準條件下，該檢定裝置系列指標能滿足社會公用計量標準量值溯源和傳遞要求，系統能夠公平、公正的為社會提供優質的數據檢測服務。

[1]劉子勇，郭立功.容量計量研究方向[J].現代測量與實驗室管理，2007(6):11-13.

[2]李勇.三等標準金屬量器容積的測量不確定度評定[J].計量測試與技術，2006，33(7):35-36.

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

[4]JJG 295-2005標準金屬量器檢定規程[S].

[5]陳風華，吳明清，龔中字.稱重法中的浮力修正及應用[J].中國計量，2012(10):108-109.

[6]王榮杰，王江兵，馬衛國.一種新型金屬量器的標定[J].工業計量，2005，15(2):26-27.

[7]周旭.電子天平在玻璃量器檢定中的應用[J].中國計量，2007(5):54-55.

[8]鐘英飛.提高常用標準金屬量器檢定效率的注液控制電路[J].中國計量，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。