水流量标准装置密度测量方法研究

潘乐 程海锋 赵培

摘 要：密度是液体流量计量中重要的物理量，无论是容积法水流量标准装置传递质量流量计还是质量法水流量标准装置传递体积量流量计，均存在介质密度的测量问题，文章就水流量标准装置中水密度的测量方法进行分析和研究，并保证密度测量结果准确可靠；文章采用烧干称重法进行密度测量，该方法测量准确度高、稳定性好，在水流量标准装置上进行试验，得到了满意的结果。

关键词：水流量标准装置；密度；烧干称重

中图分类号：TH814 文献标志码：A 文章编号：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

水密度高精度测量的常见方法有两种：标准密度计直接测量法，电子密度计在线测量法，这两种方法都能得到高准确度的密度值，但对标准器的维护比较繁琐，需要小心仔细地清洗密度计，一旦清洗不干净，会严重影响测量精度；下面介绍采用烧干称重法进行密度测量的方法，该方法对标准器无需特殊维护，量值传递准确度高且稳定。

2 烧干称重法进行水密度测量的原理

根据偏摩尔体积原理可知，少量可溶于水的杂质溶解到水中，不会引起水体积的变化。

因为纯净水的密度是可知的，只要测出水和纯水的质量之比，就可计算出水的密度，所以需要将水蒸发干净，测量剩余杂质的质量，就能达到测量密度的目的。

3 密度测量的步骤和方法

采用烧干称重法进行水密度测量时，需要用到的仪器设备有，Ⅰ级电子天平MAX=1200g，e=0.01g，d=0.001g、1000ml烧杯、500W电热炉，操作步骤示意图如图1。

第①步：取一个干净的1000ml量杯，对空量杯进行称重，空杯重m1。

第②步：启动水流量标准装置，运行半小时，等水池中的水搅拌均匀，取一桶水做样品，烧杯装（700～800）ml水，外表擦拭干净，烧杯装水称重质量m2。

第③步：将装水烧杯放在电热炉上进行加热，预计加热3～4小时，直到烧杯内的水烧干。

第④步：等烧杯自然冷却后，将烧干的烧杯放在电子天平进行称重，称重质量m3。

根据公式计算水的密度：

4 实际测量数据分析

根据密度测量的步骤和方法，测得空烧杯质量m1=346.225g，烧杯加水质量m2=1107.487g，烧干后烧杯加杂质重量m3=346.827g。

根据公式计算水密度：

对密度测量进行不确定度分析，根据公式可知，该方法测量密度的主要影响量是电子天平精度、分辨力和重复性。

（1）電子天平精度引入的不确定度分量u1

Ⅰ级电子天平MAX=1200g，e=0.01g，称量≤500g时，允许误差±0.005g，500g<称量≤1200g时，允许误差±0.01g。

三次称重时的不确定度分别为：

取最大值作为电子天平精度引起的不确定度分量：

u1=7.2×10-6

（2）电子天平精度引入的不确定度分量u2

Ⅰ级电子天平MAX=1200g，分辨力d=0.001g，称量m1时不确定度最大。

（3）重复测量引入的不确定度分量u3

重复测量步骤和方法，分别进行三次测量，测得取样水的温度为19.2℃，查纯水密度表得纯水密度为998.365kg/m3，所得数据如表1。

根据贝塞尔公式计算重复测量引入的不确定度u3：

（4）合成标准相对不确定度

以上各量互不相关，灵敏系数ci=1，故合成标准相不确定度为：

（5）扩展不确定度Urel为：

Urel=k×uc=1.6×10-5（k=2）

5 测量结果的验证

每天取一次流量装置中的水作为样品，用一等标准密度计测量样品的密度，作为标准密度值，用二等标准水银温度计测量水温，然后用烧干称重法测量样品的密度，连续测量三天对比测量结果，数据如表2。

通过对比发现，两种方法测量的数据非常接近，并且测量数据非常稳定，最大测量误差0.00081%，参照JJF 1033《计量标准考核规范》中对测量结果不确定度的验证的方法要求，对测量结果进行验证，比对结果符合要求。

6 结论和需要注意的问题

通过不确定度分析和测量结果验证，烧干称重法测量密度的扩展不确定度Urel=1.6×10-5（k=2），足够满足扩展不确定度为0.03%（k=2）的质量法水流量标准装置传递体积量流量计，也能满足扩展不确定度为0.05%（k=2）的容积法水流量标准装置传递质量流量计。

烧干称重法测量密度准确度高且稳定，但使用过程中还有些需要注意的地方：（1）电子天平使用之前要按照说

明书，调试水平并且预热；（2）环境避免振动和风吹，温湿度要满足电子天平使用要求；（3）电热炉功率不宜过高或

过低，加热功率过高，沸腾剧烈容易飞溅，功率过低，蒸发速度较慢，试验时间太长容易增加不确定性因素；经过多次试验，500W功率是比较适宜的，建议蒸发水量750ml左右，加热3～4小时。

参考文献：

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