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(rèn)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(jìn)行貿(mào)易結(jié)算，而不進(jìn)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(jì)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(jì)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龋壳埃瑹o論是上還是我國質(zhì)量貿(mào)易計量均采用此值進(jìn)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：M_I——檢定流量計時標(biāo)準(zhǔn)秤指示的介質(zhì)質(zhì)量，kg；ρ_e——介質(zhì)的密度，kg/m³；ρ_a——大氣的密度，kg/m³；ρ_m——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M_S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(rèn)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(dá)到-0.22%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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)。科氏質(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(yùn)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(yùn)算的數(shù)學(xué)模型按式（5）進(jìn)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(jìn)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。