液体静力称量法石油密度计校准装置的设计和实现*

朱 茜 孔小平 李 博

（河南省计量科学研究院，郑州450008）

液体静力称量法石油密度计校准装置的设计和实现*

朱 茜 孔小平 李 博

（河南省计量科学研究院，郑州450008）

基于液体静力称量法设计出了一套石油密度计校准装置，给出了校准装置的数学模型，主要介绍了液面调节装置和称量装置的设计和实现。介绍了使用该装置校准密度计的具体流程，得到一组低密度量程石油密度计和常用量程石油密度计的校准结果。结果表明，本装置校准结果数据可靠，达到预期目标。

液体静力称量法；石油密度计；校准

0 引言

石油密度计和液化气石油密度计被广泛应用于石油化工工业，用于检测石油及石油产品的密度。目前国内外常用的密度计检定方法为直接比较法［1－3］，但对于测量密度小于650kg／m3的玻璃浮计，至今尚未找到密度稳定的检定液，导致直接比较法无法进行低密度量程石油密度计的检定。即便是对于常规密度计的检定，直接比较法也存在着程序繁琐，不同密度点需要更换不同检定液，而且检定液多为有机试剂，对人体和环境危害较大等不足之处。

为解决低密度量程石油密度计无法检定和校准的问题，国内有些单位做了一些有益的探索，但大多停留在简易模型试验阶段，而且过程繁琐、自动化程度低，不适合量大且重复率高的密度计检定［4－7］。国外通常采用的密度计检定方法也是直接比较法，对于低密度量程密度计的校准，多采用静力称量法。

1 装置工作原理

新型液体静力称量法石油密度计校准装置专为密度计的检定和校准而研制，液体静力称量法就是利用阿基米德原理通过天平测定浸在液体中物体所受到的浮力的大小，从而求得物体密度的一种测量方法。测量时，由于物体受到流体静压力并用称量方法得到，故通称为“液体静力称量法”。在本装置中，通过精确称量被校密度计在空气中和选定检定液中的质量，计算出被校密度计相关刻度处的实际值，进而得到该刻度处的修正值。对密度计不同刻度点的校准则主要通过改变检定液的液面高度来实现。

推导出来的密度计与检定液液面相切处的理论密度值ρ的数学模型如下：

式中：ρ实为密度计待校刻度处的理论值；ρ液为所用检定液的密度值；ρ空为空气密度值；α液为检定液的表面张力系数；α1为密度计待校刻度处理论值的液体表面张力系数；D为密度计待校刻度处的干管直径；m1为密度计在空气中天平读数；m2为密度计在检定液中天平读数；V为配重体积；g为标准重力加速度。

只需获得密度计在空气中和检定液中的两次天平读数m1和m2，即可计算出密度计与参考液液面相切处的密度值。

2 系统设计

2.1 装置构成

整个装置由恒温系统、称量系统、检定液面调节系统、摄像系统、数据处理系统组成，装置示意图见图1。恒温系统用于提供稳定的工作温度，称量系统用于精确称量被检密度计在空气中和检定液中的质量；检定液面调节系统通过改变液面高度，使得被检密度计的不同刻度与液面相切，液面调节的同时保证检定液的温度稳定和被检密度计称量读数的稳定，摄像系统将参考浮计及待校准浮计与液面的相切处成像并传输到计算机，方便读取刻度，减小人工读数误差；数据处理系统将相关数据进行处理，并得到被检密度计在规定刻度处的修正值。鉴于国内尚无应用于液体静力称量法的称量系统和检定液面调节系统的报导，本文着重叙述以上两者的设计过程。

图1 校准装置原理示意图

2.2 称量系统的设计

根据装置称量需要，本系统采用梅特勒公司的AB304－S分析天平。该天平具有测量精确、操作简便、性能可靠、经久耐用等优点。该系列电子天平带有与计算机通讯的接口，支持可标准化的指令［8］。在低量程石油密度计检定装置中，需要将电子天平所称量的密度计在检定液中的重量数据直接读入系统中，需将电子天平接入系统，使用计算机的COM端口连接电子天平数据接口，连续不断地读取天平称量结果。本装置中使用Delphi的SPCOMM控件编写串口程序，实现了天平和计算机之间的通信［9］。其流程图如图2所示。

图2 串口通信流程图

具体实现过程如下：

1）根据需求大体构建出软件界面。

2）对串口进行初始化，设置SPCOMM的属性值。在本例中应该在SPCOMM控件的属性框中设置波特率为2400，字节长度为7位，端口名为COM1，偶校验，停止位为一位。软件界面及端口属性设置如图2所示。

3）程序实现的代码。鉴于篇幅，笔者只给出了天平清零的代码：

2.3 检定液面调节系统的设计

密度计需要对其整个量程范围内的若干刻度点进行检定或校准，本装置中不同标称点的切换主要依靠调节检定液面的高度，使检定液面与需要的标称点相切。本装置的液面调节系统主要由上位机控制程序、控制电路及微型真空泵构成，通过上位机程序与控制电路的通信，来实现对微型泵的控制，从而实现检定液面的上下移动。

2.3.1 控制电路

控制电路主要实现如下功能：1）通过控制器采集开关量信号的输入状态，通过串口实时显示到电脑的上位机监控界面上；2）通过电脑串口控制继电器（或晶体管）的开和关，来实现对各种开关量信号的控制；3）具有抗强电磁干扰、防雷击、稳定可靠的特征。

本系统中控制电路的主体采用串口控制继电器（晶体管）板，用于串口控制各类数字量／开关量信号的输入输出。该板的主要功能描述如下：1）用于继电器（或晶体管）的开启和关闭。2）上位机（PC机或主PLC）通过串口连接到本控制器后，向控制器发送一串ASCII代码指令即可控制某个（或全部）继电器打开或关闭，完全不必要考虑继电器的硬件电路上选择、驱动等问题。比如，串口输入O（002，1）则第2号继电器通电吸合；串口输入“O（012，0）”，则第12号继电器失电断开。3）本串口控制器也可以采集远程输入点的状态，比如，控制器通过串口发送出I（004，1）表示第4个输入点有信号输入，串口发送出I（011，0）表示第11个输入点没有信号输入。

2.3.2 上位机程序

上位机（PC机或主PLC）通过串口连接到本控制器后，向控制器发送一串ASCII代码指令即可控制某个（或全部）继电器打开或关闭，本系统中使用Delphi的SPCOMM控件编写串口程序，实现了控制器和计算机之间的通信。具体实现过程如下：

1）根据需求大体构建出软件界面。

2）对串口进行初始化，设置SPCOMM的属性值。在本例中应该在SPCOMM控件的属性框中设置波特率为2400，字节长度为7位，端口名为COM4，偶校验，停止位为一位。部分控制代码如下：

3 系统实现

3.1 校准方法

使用本装置校准密度计的主要流程如下：

1）将盛放有检定液的检定槽放入恒温槽，开启恒温槽。待恒温系统及检定槽温度稳定到20℃时开始实验。

2）每支密度计至少校准包括首末及中间任一点的三个密度点。校准方向从密度计最下标记至最上标记，首先校准密度计标尺最下端标记密度点，以避免密度计露在空气中的干管部分粘上参考液而影响校准结果。

3）首先用天平称量待校密度计在空气中的质量m空，并用数显千分尺测得待校准各密度点标记处的干管直径D，给待校密度计附上配重并吊挂在天平下端，开启数显温度计和摄像系统。

4）根据待校密度计位置和要校准的密度点标记启动液面调节系统，当待校密度计到达要校准标记时，停止液面调节。这时应注意观察配重、待校密度计和参考密度计上有无气泡，同时观察参考密度计和待校密度计的干管与液面相接处的弯月面形状是否正常（若有气泡或弯月面不正常应重新清洗密度计或检查参考液是否被污染），直至无气泡且密度计与参考液液面正常相切。

5）在校准每点时，同时从天平读取m天平，从数显温度计读取t，从摄像系统采集的图像读取参考密度计的读数ρ液和待校密度计的读数ρ实，并在上位机软件数据处理模块里的数据计算对话框中输入各变量的值，直接由上位机软件计算得出该密度点的校准修正值Δρ。

6）开启液面上升命令，使液面向上运动，继续进行密度计标记往上相邻密度点标记处的校准。校准步骤同4）、5）。

7）完成密度计标记最上端密度点的校准后，取出密度计并清洗，进行第二遍校准。校准步骤同4）、5），比较两次校准修正值，若差值在允许范围内，则取它们的平均值即为该标记密度点的修正值，若差值超出允许范围，则需再次校准。

8）校准完毕，取出密度计，清洗干净并放好，关闭摄像系统、数显温度计和恒温槽等设备。

3.2 校准结果

选择量程范围分别为500～580kg／m3和570～650kg／m3的两支低密度量程石油密度计到中国计量科学研究院进行校准，校准结果记为Y1，使用本装置进行相应工作点的校准，校准结果记为Y2；选择量程范围分别为650～1010kg／m3的常用石油密度计三支，用直接比较法进行校准，校准结果记为Y1，使用本装置进行相应工作点的校准，校准结果记为Y2。

数据判定方法：中国计量科学研究院给出的测量结果的不确定度为：U1＝0.4个分度，k＝2，直接比较法测量结果的不确定度一般为0.4～0.6个分度，取U1＝0.5个分度，k＝2。经评定本装置测量结果的不确定度为：U2＝0.3个分度，k＝2。如则证明本装置试验数据可靠，符合要求。

试验数据及判定结果见表1及表2。由判定结果可见，本校准装置试验数据可靠，符合预期目标。

表1 低密度量程石油密度计校准数据

表2 常用石油密度计校准数据

4 结论

针对低密度量程密度计无法校准的问题，同时为解决直接比对法的弊端，基于液体静力称量法设计出了一种新型石油密度计校准装置。新型密度计校准装置的研制成功，可以有效地进行石油密度计和液化气密度计的校准和检定，服务于石油化工行业及其它行业，具有推广应用价值。

［1］李兴华.密度计量.北京：中国计量出版社，2002

［2］JJG42—2001工作玻璃浮计检定规程.北京：中国计量出版社，2001

［3］JJG86—2001标准玻璃浮计检定规程.北京：中国计量出版社，2001

［4］李兴华.低量程密度计的校准技术.计量技术，2002（10）

［5］顾英姿，等.液体静力称量法液体密度测量及其不确定度评定.计量技术，2006（6）

［6］徐秀华，等.一种新型玻璃浮计检定模式的探讨.现代测量与实验室管理，2009（3）

［7］许常红.静力称量法测量重液密度计.现代测量与实验室管理，2005（3）

［8］METTLER TOLEDO.METTLER TOLEDO Standard Interface Command Set

［9］范逸之，陈立元.Delphi与RS－232串口通信控制［M］.北京：清华大学出版社，2002

10.3969／j.issn.1000－0771.2013.4.15

国家质检总局公益性行业科研专项经费资助项目（201010050）