質量流量計測量值空氣浮力修正方法探討

自20世紀80年代末以來，科氏質量流量計以直接測量介質質量的特點，得到了快速發展與普及。經過調查筆者發現，雖然大家已逐漸認識到質量流量計測量的是介質“真空中的質量”，但大部分企業和單位還依然按照它直接測量的結果進行貿易結算，而不進行任何修正，這是與我國貿易計量采用“空氣中的質量”的規定相違背的。這樣不僅直接導致買方的經濟損失，有失計量公平、公正的基本原則，還可能導致賣方對于物料收率和平衡結果盲目樂觀。因此，怎樣科學合理地將空氣浮力問題考慮到質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、質量和重量

    1.質量

    質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。

    根據牛頓第二定律：W=mg （1）

    式中：W——物體的重量，N；m——物體的質量，kg；g——重力加速度，m/s²。

    3.兩者之間的關系

    由式（1）可以看出，物體的重力不僅和物體自身的質量有關系，還和當地的重力加速度有關。在目前的科學技術條件下，物體質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量，這其實只是一個結果，實際上在測量過程中是離不開力的作用的，也就是說，質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。*，質量是物體固有的一種物理屬性，物體的質量在任何地方、任何環境條件下不應該發生變化，那么“空氣中的質量”又是怎么回事呢？在實際貿易的質量計量過程中，測量物體“真空中的質量”是一件非常難做到的事，既不經濟也不科學，因此就引入了“空氣中的質量”這一概念，它的數值等于“空氣中的重量”與當地的重力加速度之比，目前，無論是上還是我國質量貿易計量均采用此值進行結算。

    二、質量流量計的檢定

    依據JJG897-1995《質量流量計》檢定規程，在采用稱量法檢定時其標準值MS按式（2）計算：

      （2）

    式中：M_I——檢定流量計時標準秤指示的介質質量，kg；ρ_e——介質的密度，kg/m³；ρ_a——大氣的密度，kg/m³；ρ_m——秤在檢定時所用標準砝碼的密度；kg/m³；Ms——介質的實際質量值，kg。

    如果忽略砝碼所受到的空氣浮力，可簡化為式（3）：

       （3）

    由于標準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）的導出過程如下：

    在檢定流量計時，標準秤在稱量介質質量時，實際質量為M_S的介質在空氣中對秤的作用力為假定此時標準秤的顯示值為MI；在用標準砝碼檢定秤時，秤的指示值為MI（與檢定用標準砝碼折算質量名義值一致）時，秤實際受到的力為因此滿足：

       （4）

    顯然，經整理可得式（2），如果忽略砝碼所受到的空氣浮力就可認為： ，經整理即可得式（3）。

    從式（2）的推導過程中可以看出，數據處理所用的標準值是標準秤所測介質的真空質量值，也就是說，質量流量計檢定結果給出的是它測量真空質量時的誤差（準確度）。那么，介質的真空質量值到底和空氣中的質量有多大差別呢？其實它是和介質的密度有直接關系的，如表1所示。

    從表1中可以看出，兩者之間相差還是相當大的，在密度為500kg/m³時相差達到-0.22%，遠遠超出了買賣雙方可以接受的范圍。

    四、解決途徑和方案

    1.流量計系數法

    在目前的檢定條件下，建議采用的方法是依據介質的實際情況，由用戶給出質量流量計修正系數，實際結算量采用流量計的指示值乘以流量計系數，即

    Ma=K´Mc  （5）

    式中：Ma———介質在空氣中的質量，kg；Mc——質量流量計顯示值，kg；K——流量計系數，無量綱。

    系數K推導過程如下：

    依據“空氣中的質量”的定義可知

    從式（7）可知，系數K是大氣的密度ρa和介質的密度ρe的函數，為方便計量過程中大氣的密度ρa，目前上采用1.1kg/m³；介質的密度ρe可以根據實際情況制定或參照現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《原油和液體石油產品密度實驗室測定法》。

    2.理想解決方案   

（1）首先變質量流量計測量真空的質量為測量空氣中的質量，該階段由生產廠家來實現。科氏質量流量計介質的質量和密度都是直接測量量，而且密度的測量準確度也非常高，像羅斯蒙特的質量流量計密度的測量可以到0.5kg/m³，空氣密度同樣設定為1.1kg/m³，再通過運算就可以將真空質量的實時值輸出轉換為空氣中質量的實時值輸出。其內部運算的數學模型按式（5）進行設置。

    （2）檢定標準值

    在質量流量計改變測量模式的同時，檢定的標準值MS也要作相應調整，即將真空質量標準值變成空氣中質量標準值，來保證與質量流量計測量的“空氣中的質量值”一致。計算公式推導如下：

    在已知標準秤指示值為MI的條件下，介質的真空質量按式（2）進行計算，即

    依據定義，介質在“空氣中的質量”如下：

     （9）

    將式（2）代入式（9），得

     （10）

    整理得 （11）

    如果能實現上述理想方案，不僅解決了質量流量計測量值與貿易結算規定之間的矛盾，還真正實現了計量的公平、公正，而且質量流量計的使用也不會受檢定介質和實際使用介質不同而造成的誤差的影響。