水流量標準裝置密度測量方法研究

潘樂 程海鋒 趙培

摘 要：密度是液體流量計量中重要的物理量，無論是容積法水流量標準裝置傳遞質量流量計還是質量法水流量標準裝置傳遞體積量流量計，均存在介質密度的測量問題，文章就水流量標準裝置中水密度的測量方法進行分析和研究，并保證密度測量結果準確可靠；文章采用燒干稱重法進行密度測量，該方法測量準確度高、穩定性好，在水流量標準裝置上進行試驗，得到了滿意的結果。

關鍵詞：水流量標準裝置；密度；燒干稱重

中圖分類號：TH814 文獻標志碼：A 文章編號：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

水密度高精度測量的常見方法有兩種：標準密度計直接測量法，電子密度計在線測量法，這兩種方法都能得到高準確度的密度值，但對標準器的維護比較繁瑣，需要小心仔細地清洗密度計，一旦清洗不干凈，會嚴重影響測量精度；下面介紹采用燒干稱重法進行密度測量的方法，該方法對標準器無需特殊維護，量值傳遞準確度高且穩定。

2 燒干稱重法進行水密度測量的原理

根據偏摩爾體積原理可知，少量可溶于水的雜質溶解到水中，不會引起水體積的變化。

因為純凈水的密度是可知的，只要測出水和純水的質量之比，就可計算出水的密度，所以需要將水蒸發干凈，測量剩余雜質的質量，就能達到測量密度的目的。

3 密度測量的步驟和方法

采用燒干稱重法進行水密度測量時，需要用到的儀器設備有，Ⅰ級電子天平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：取一個干凈的1000ml量杯，對空量杯進行稱重，空杯重m1。

第②步：啟動水流量標準裝置，運行半小時，等水池中的水攪拌均勻，取一桶水做樣品，燒杯裝（700～800）ml水，外表擦拭干凈，燒杯裝水稱重質量m2。

第③步：將裝水燒杯放在電熱爐上進行加熱，預計加熱3～4小時，直到燒杯內的水燒干。

第④步：等燒杯自然冷卻后，將燒干的燒杯放在電子天平進行稱重，稱重質量m3。

根據公式計算水的密度：

4 實際測量數據分析

根據密度測量的步驟和方法，測得空燒杯質量m1=346.225g，燒杯加水質量m2=1107.487g，燒干后燒杯加雜質重量m3=346.827g。

根據公式計算水密度：

對密度測量進行不確定度分析，根據公式可知，該方法測量密度的主要影響量是電子天平精度、分辨力和重復性。

（1）電子天平精度引入的不確定度分量u1

Ⅰ級電子天平MAX=1200g，e=0.01g，稱量≤500g時，允許誤差±0.005g，500g<稱量≤1200g時，允許誤差±0.01g。

三次稱重時的不確定度分別為：

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級電子天平MAX=1200g，分辨力d=0.001g，稱量m1時不確定度最大。

（3）重復測量引入的不確定度分量u3

重復測量步驟和方法，分別進行三次測量，測得取樣水的溫度為19.2℃，查純水密度表得純水密度為998.365kg/m3，所得數據如表1。

根據貝塞爾公式計算重復測量引入的不確定度u3：

（4）合成標準相對不確定度

以上各量互不相關，靈敏系數ci=1，故合成標準相不確定度為：

（5）擴展不確定度Urel為：

Urel=k×uc=1.6×10-5（k=2）

5 測量結果的驗證

每天取一次流量裝置中的水作為樣品，用一等標準密度計測量樣品的密度，作為標準密度值，用二等標準水銀溫度計測量水溫，然后用燒干稱重法測量樣品的密度，連續測量三天對比測量結果，數據如表2。

通過對比發現，兩種方法測量的數據非常接近，并且測量數據非常穩定，最大測量誤差0.00081%，參照JJF 1033《計量標準考核規范》中對測量結果不確定度的驗證的方法要求，對測量結果進行驗證，比對結果符合要求。

6 結論和需要注意的問題

通過不確定度分析和測量結果驗證，燒干稱重法測量密度的擴展不確定度Urel=1.6×10-5（k=2），足夠滿足擴展不確定度為0.03%（k=2）的質量法水流量標準裝置傳遞體積量流量計，也能滿足擴展不確定度為0.05%（k=2）的容積法水流量標準裝置傳遞質量流量計。

燒干稱重法測量密度準確度高且穩定，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，調試水平并且預熱；（2）環境避免振動和風吹，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，蒸發速度較慢，試驗時間太長容易增加不確定性因素；經過多次試驗，500W功率是比較適宜的，建議蒸發水量750ml左右，加熱3～4小時。

參考文獻：

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