1、 第 1 页 共 32 页微量水银提取计量工艺设计摘 要计量的作用和意义在当今社会非常重要和明显，体现在生活、生产等方方面。目前，全世界关于计量设备的开发应用方法和研究也很深入。流体精密提取计量一直是计量工业的一个很重要课题。其研发已经超出传统意义上单纯追求容量和材质的范畴，转而面向高精度，多功能和智能化的发展方向，这已经成为计量界的共识。本设计主要通过设计一个简单的微量水银提取计量工艺装置，来对流体精密计量做个初步的认识，对涉及到的主要技术和原理做初步的了解和掌握，并能做简单开发应用。关键词：流体精密计量，微量水银，计量装置第 2 页 共 32 页Design a trace of extr
2、action process device mercuryAbstractMeasuring the role and significance in todays society is very important and significant, reflected in the life and production side aspect. Currently, the world development and application of measurement methods and equipment are also in-depth research.Precision m
3、easurement of body extract has been a very important measure of industrial issues. Its research and development has gone beyond the traditional sense, simply the pursuit of material capacity and the scope, turn for high-precision, multi-functional and intelligent direction, it has become a measureme
4、nt of community consensus.This design mainly through the design of a simple trace mercury extraction devices for measuring flow measurement precision, a preliminary to involve the main techniques and principles do preliminary understanding and control, and can do simple application development.Keywo
5、rds：Fluid precision measurement、Meager mercury，Metering equipment with1. 引言随着科技和经济的发展、社会的进步，计量的作用和意义已日益明显。众所周知，科学技术是人类生存和发展的一个重要基础。没有科学技术，便不可能有人类的今天。其实，计量本身就是科学技术的一个重要的组成部分。任何科学技术，都是为了探讨、分析、研究、掌握和利用事物的客观规律；而所有的事物都是由一定的量组成，并通过量来体现的。为了认识量并确切地获得其量值，只有通过计量。比如，哥白尼关于天体运行的学说，是在反复观察的基第 3 页 共 32 页础上提出的，并在伽利略
6、用天文望远镜进行了进一步观测之后而确立的；著名的万有引力定律，被牛顿的敏锐观察所揭示，并在百余年后经卡文迪许的精密测试而得到了确认；爱因斯坦的相对论，也是在频率精密测量的基础上才得到了一定的验证；李政道、杨振宇关于弱相互作用下宇称不守恒的理论，也是吴健雄等人在美国标准局（金标准技术研究院）进行了专门的测试才验证的。总之，从经典的牛顿力学到现代的量子力学，各种定律、定理，都是经过观察、分析、研究、推理和实际验证才被揭示、承认和确立。计量正是上述过程的重要技术基础。科学技术的发展，特别是物理学的成就，为计量的发展创造了重要的前提，同时也对计量提出了更高的要求，推动了计量的发展；而计量的成就，又促进
7、了科技的发展。正如门捷列夫所说： “没有计量，便没有科学”。聂荣臻同志也曾明确指出：“科技要发展，计量须先行”、 “没有计量，寸步难行”。流体 (液体、气体)数量的测量与人们的日常生活、各种生产活动，科学试验都有密切的关系，特别是注重于节约能源，提高经济效益、研究产品质量的今天，流体数量的测量就更为突出了。众所周知，作为测量对象的各种流体介质：如水、石油、石油产品，蒸汽、煤气，天然气等都是重要的能源。只有把数量测量准确 ，才能做到“节能有据，节能有数”，才能正确地进行经济核算 使生产活动建立在可靠的科学的基础之上，使经济管理工作切实有效地进行。流量测量仪表是用来测量管道或明沟中的液体、气体或蒸
8、汽等流体流量的工业自动化仪表，又称流量计。 流量是指单位时间内流经管道有效截面的流体数量，流体数量用体积表示者称为体积流量，单位为米 3小时、升小时等；流体数量用质量表示者称为质量流量，单位为吨时、千克小时等。 早在 1738 年，瑞士人丹尼尔第一伯努利以伯努利方程为基础，利用差压法测量水流量；后来意大利人文丘里研究用文丘里管测量流量，并于 1791 年发表了研究结果；1886 年，美国人赫谢尔用文丘里管制成测量水流量的实用装置。 20 世纪初期到中期，原有的测量原理逐渐成熟，人们开始探索新的测量原理。自 1910 年起，美国开始研制测量明沟中水流量的槽式流量计。1922 年，帕歇尔将原文丘里
9、水槽改革为帕歇尔水槽。 19111912 年，美籍匈牙利人卡门提出卡门涡街的新理论；30 年代，又出现了探讨用声波测量液体和气体的流速的方法，但到第二次世界大战为止未获很大第 4 页 共 32 页进展，直到 1955 年才有应用超声循环法的马克森流量计，用于测量航空燃料的流量。1945 年，科林用交变磁场成功地测量了血液流动的情况。 二十世纪 60 年代以后，测量仪表开始向精密化、小型化等方向发展。例如，为了提高差压仪表的精确度，出现了力平衡差压变送器和电容式差压变送器；为使电磁流量计的传感器小型化和改善信噪比，出现了用非均匀磁场和低频励磁方式的电磁流量计。此外，具有宽测量范围和无活动检测部件
10、的实用卡门涡街流量计也在 70 年代问世。随着集成电路技术的迅速发展，具有锁相环路技术的超声(波)流量计也得到普遍应用。微型计算机的广泛应用，进一步提高了流量测量的能力，如激光多普勒流速计应用微型计算机后，可处理较为复杂的信号。 流量可利用各种物理现象来间接测量，所以流量测量仪表种类繁多。按测量方法分，流量计有：差压式、变面积式、容积式、速度式和电磁式等。 差压流量计是应用非常广泛的一类流量测量仪表，约占流量测量仪表总数的70。它由节流装置和差压计这两部分组成，充满圆管的流体流经节流件(如孔板)时，流束在孔板处形成局部收缩，由于流速增加、静压力降低而在孔板前后产生压差，这一压差与流量的平方成正
11、比。 测量压差的仪表有应变、电容和振弦式等差压变送器，以及双波纹管差压计等类型。这类仪表调试方便，且已规范化。只要将节流装置与差压计配套就可用于测量流体的流量。 变面积式流量计的主要形式是转(浮)子流量计，是由锥形玻璃管和浮子组成，浮子能在垂直安装的锥形玻璃管内上下移动。被测流体自下向上流过管壁与浮子之间环隙时，托起浮子向上，这时管与浮子之间的环隙面积增大，直到浮子两边压差所形成的力与浮子重力相等时，浮子便处在一个平衡位置。 流量变化时浮子两边压差所形成的力也随之变化，使浮子又在一个新的位置上重新平衡，浮子浮起的高度即为流量计的读数。涡轮流量计由传感器和显示仪表组成，传感器主要由磁电感应转换器
12、和涡轮组成。流体流过传感器时，先经过前导流件，再推动铁磁材料制成的涡轮旋转。旋转的涡轮切割固壳体上的磁电感应转换器的磁力线，磁路中的磁阻便发生周期性的变化，从而感应出交流电信号。 信号的频率与被测流体的体积流量成正比，传感器的输出信号经前置放大器第 5 页 共 32 页放大后输至显示仪表，进行流量指示和积算。涡轮转速信号还可用光电效应、霍耳效应等转换器检出。 电磁流量计是由传感器、转换器和显示仪表组成，根据法拉第电磁感应定律工作。 卡门涡街流量计是在流体中放置一个非流线型柱状物(圆柱或三角柱形等)，在某一雷诺数范围内便会在柱状物后面的两侧交替地产生一种有规律的旋涡。根据两侧旋涡之间的距离与同侧
13、旋涡之间距的相互关系，就可测出旋涡频率即可得出体积流量。 一般流量计测量的是体积流量，而流体密度是随着温度、压力的变化而变化的。因此，在密度变化的情况下，求出的体积流量对某一规定的工况来说是不准确的，而质量流量却与温度、压力变化无关。因此在一些情况下，就需要使用质量流量计了。质量流量计可分为直接式和推导式两类。 为了满足流量测量的特殊要求，随着新技术的发展，又出现一些新型流量测量仪表。例如多普勒激光流速计能测量射流元件内气流变化速度、超声速的气流和湍流、燃烧火焰，特别是它能测量速度的分布；用气动力输送各种物料时，需要测量气-固两相流的流量，为此而研制出一种不需要单独标定的相关流量计 1。 另外
14、，为了解决烟丝、水泥和玉米粉等固体流量测量，而研制出冲量流量计；为解决矿石、纸、煤破碎后变成浆状液的输送，和污水处理、挖泥等污泥的运送中的计量问题，已有耐磨内衬和带浓度补偿的电磁流量计；另外，在大口径中插入一种由小口径涡轮、涡街和电磁等制成的插入式流量计，就可测量大流量，而且仪器价格低廉，压损小，也便于维修。 计量是工业生产的眼睛。流量计量是计量科学技术的组成部分之一，它与国民经济、国防建设、科学研究有密切的关系。做好这一工作，对了保证产品质量、提高生产效率、促进科学技术的发展都具有重要的作用。特别是在能源危机、工业生产自动化程度愈来愈高的当今时代，流量计在国民经济中的地位与作用更加明显。流量
15、计量广泛应用于工农业生产、国防建设、科学研究对外贸易以及人民生活各个领域之中。在石油工业生产中，从石油的开采、运输、炼冶加工直至贸易销售，流量计量贯穿于全过程中，任何一个环节都离不开流量计量。否则将无法第 6 页 共 32 页保证石油工业的正常生产和贸易交往。在化工行业，流量计量不准确会造成化学成分分配比失调，无法保证产品质量，严重的还会发生生产安全事故。在电力工业生产中，对液体、气体、蒸汽等介质流量的测量和调节占有重要地位。流量计量的准确与否不仅对保证发电厂在最佳参数下运行具有很大的经济意义，而且随着高温高压大容量机组的发展，流量测量已成为保证发电厂安全运行的重要环节。如大容量锅炉瞬时给水流
16、量中断或减少，都可能造成严重的干锅或爆管事故。这就要求流量测量装置不但应做到准确计量，而且要及时地发出报警信号。在钢铁工业生产中，炼钢过程中循环水和氧气或空气的流量测量是保证产品质量的重要参数之一。在轻工业、食品、纺织等行业中，也都离不开流量计量。 在农业上，诸如农田水利、气象风速，甚至有些农业机械，像机动喷雾机、水泵的特性测试，同样需要流量计量。 在国防建设上，随着空间技术的发展，对流量计量提出了相当高的要求。如宇宙飞船、核潜艇的核动力控制，离不开流量仪表；火箭发功机试车一次消极大量的液化燃料，如果流量不准，不仅经济损失巨大，而且射程也会偏离几千公里；防化装备也少不了流量仪表；有些军事工程甚
17、至配用上千台流量计。目前。我国的液体计量控制设备比较落后。大量使用的椭园齿轮流量计以及电子数控仪表存在着易磨损 、操作不方便、计量精度低 、以及结构复杂等缺点，使得涡轮变送器的输出信号变坏，导致计量误差增加。严重时无法使用；那些从国外引进的液体计量殴备。虽然自动化程度和精度都较高，但价格昂贵，且不适合对旧计量设备的改造。为了准确获得流量仪表的流量测量值及其准确度，必须对流量仪表作流量校验或标定工作。流量仪表检测技术和方法，有直接测量法和间接测量法两种。直接测量亦称实流校验法，是以实际流体流过被校验仪表 ，再用别的流量标准装置 (标准流量计或流量标准计量器具)测出流过流量仪表的量 (流量或容量)
18、与被校仪表的流量示值 (或标称值)作比较，或将待标定的仪表进行分度，这种方法获得的流量值既可靠又准确 ，为目前许多流 量仪表(如质量流量计、容积流量计、涡轮或满街流量计等)所采用。间接测量法相对于直接测量法其准确度稍差，还在进行研究之中 2。第 7 页 共 32 页2 计量简介及设计相关2.1 计量的内容、分类和特点(一)计量的内容 自然界的一切现象或物质，都是通过一定的量来描述和体现的。也就是说， “量是现象、物体或物质可定性区别与定量确定的一种属性” 。因此，要认识大千世界和造福人类，就必须对各种量进行分析和确认，既要区分量的性质，又要确定其量值。计量正是达到这种目的的重要手段之一。从广义
19、上说，计量是对量的定性分析和定量确认的过程。 计量是实现单位统一、保障量值准确可靠的活动。计量学是关于测量的科学，它涵盖测量理论和实践的各个方面，而不论测量的不确定度如何，也不论测量是在哪个领域中进行的。为了经济而有效地满足社会对测量的需要，应从法制、技术和管理等方面开展计量管理工作。 在相当长的历史时期内，计量的对象主要是物理量。在历史上，计量被称为度量衡，即指长度、容积、质量的测量，所用的器具主要是尺、斗、秤。随着科第 8 页 共 32 页技、经济和社会的发展，计量的对象逐渐扩展到工程量、化学量、生理量，甚至心理量。与此同时，计量的内容也在不断地扩展和充实，通常可概括为六个方面:(1)计量
20、单位与单位制； (2)计量器具(或测量仪器)，包括实现或复现计量单位的计量基准、计量标准与工作计量器具； (3)量值传递与溯源，包括检定、校准、测试、检验与检测； (4)物理常量、材料与物质特性的测定； (5)测量不确定度、数据处理与测量理论及其方法； (6)计量管理，包括计量保证与计量监督等。(二)计量的分类 计量涉及社会的各个领域。根据其作用与地位，计量可分为科学计量、工程计量和法制计量三类，分别代表计量的基础性、应用性和公益性三个方面。 (1)科学计量是指基础性、探索性、先行性的计量科学研究，它通常采用最新的科技成果来准确定义和实现计量单位，并为最新的科技发展提供可靠的测量基础。 (2)
21、工程计量，又称工业计量，是指各种工程、工业、企业中的实用计量。随着产品技术含量提高和复杂性的增大，为保证经济贸易全球化所必需的一致性和互换性，它已成为生产过程控制不可缺少的环节。 (3)法制计量是指由政府或授权机构根据法制、技术和行政的需要进行强制管理的一种社会公用事业，其目的主要是保证与贸易结算、安全防护、医疗卫生、环境监测、资源控制、社会管理等有关的测量工作的公正性和可靠性。 计量属于国家的基础事业。它不仅为科学技术、国民经济和国防建设的发展提供技术基础，而且有利于最大程度地减少商贸、医疗、安全等诸多领域的纠纷，维护消费者权益。 (三)计量的特点 计量的特点可以归纳为准确性、一致性、溯源性
22、及法制性四个方面。 (1)准确性是指测量结果与被测量真值的一致程度。由于实际上不存在完全准确无误的测量，因此在给出量值的同时，必须给出适应于应用目的或实际需要的不确定度或可能误差范围。所谓量值的准确性，是在一定的测量不确定度或误差极限或允许误差范围内，测量结果的准确性。 (2)一致性是指在统一计量单位的基础上，无论在何时何地采用何种方法，使第 9 页 共 32 页用何种计量器具，以及由何人测量，只要符合有关的要求，测量结果应在给定的区间内一致。也就是说，测量结果应是可重复、可再现(复现)、可比较的。 (3)溯源性是指任何一个测量结果或测量标准的值，都能通过一条具有规定不确定度的不间断的比较链，
23、与测量基准联系起来的特性。这种特性使所有的同种量值，都可以按这条比较链通过校准向测量的源头追溯，也就是溯源到同一个测量基准(国家基准或国际基准)，从而使其准确性和一致性得到技术保证。 (4)法制性是指计量必需的法制保障方面的特性。由于计量涉及社会的各个领域，量值的准确可靠不仅依赖于科学技术手段，还要有相应的法律、法规和行政管理的保障。特别是在对国计民生有明显影响，涉及公众利益和可持续发展或需要特殊信任的领域，必须由政府起主导作用，来建立计量的法制保障。 由此可见，计量不同于一般的测量。测量是以确定量值为目的的一组操作，一般不具备、也不必完全具备上述特点。计量既属于测量而又严于一般的测量，在这个
24、意义上可以狭义地认为，计量是与测量结果置信度有关的、与测量不确定度联系在一起的一种规范化的测量 3。22 测量仪器概述(一)测量仪器的分类单独地或连同辅助设备一起用以进行测量的器具，称为测量仪器，又称计量器具。其中，使用时以固定形态复现或提供给定量的一个或多个已知值的测量仪器称之为实物量具，简称量具，例如:砝码、量块、标准电阻线圈、标准信号发生器、标准硬度块、参考物质等。 实物量具不同于一般的测量仪器。量具本身所复现或提供的已知量值，即给定量，就是其本身量值的实际大小，而一般测量仪器所指示的量值往往是一种等效信息。例如:体温计能指示出温度，但本身并不能提供实际温度，而只是指示出人体温度的一种等
25、效信息。 测量仪器按其结构和功能特点可分为四种: (1)显示式测量仪器，又称为指示式测量仪器，它能直接或间接显示出被测量的示值。例如:转速计、温度计、密度计、弹簧式压力表、千分尺、电流表、功率表、频率计等。这类测量仪器按其给出示值的形式，又分为模拟式、数字式和记第 10 页 共 32 页录式三种。 (2)比较式测量仪器，它能使被测量具或使被测量与标准量具相互比较。例如:天平、长度比较仪、电位差计、光度计、测量电桥等。 (3)积分式测量仪器，它通过一个量对另一个量的积分来确定被测量值。例如:家庭用的电能表，测量的是在两次付费时刻之间的一段时间内，所耗用的电功率对时间的积分。又如:皮革面积测量仪，
26、测量的是皮革摊平在平面上，其轮廓线所围的平面面积。 (4)累积式测量仪器，它通过对来自一个或多个数据源中，同时或依次得到的被测量的部分值求和，来确定被测量值。例如:累积式皮带秤，是通过累积器根据称重和位移传感器提供的信息，对皮带测量段上每次称得的各分量负荷进行累加求和，并通过累积指示器显示累积值。另外还有电子轨道衡、累加式电功率表等。按其计量学用途或在统一单位量值中的作用，测量仪器可分为测量基准、测量标准和工作用测量仪器三种。(二)测量设备测量设备是为实现测量过程所必须的测量仪器、软件、测量标准、标准物质线辅助设备线它们的组合。测量设备不仅包含一般的测量仪器，而且包括各等级的测量标准，各类参考
27、物质和实物量具，与测量设备连接的各种辅助设备，以及进行测量所必须的软件和资料。辅助设备主要指本身不能给出量值而没有它又不能进行测量的设备，以及作为检验手段用的工具、工装、定位器、模具等。辅助设备有时会直接影响测量的准确可靠程度。进行测量所必须的软件和资料，是指设备使用说明书、作业指导书以及有关测量程序文件等软件，当然也包括一些测量仪器本身的控制和测量程序。没有这些资料和软件，也不能给出准确可靠的数据。总之，测量设备是对测量所包括的硬件和软件的统称，对测量设备进行控制，是企业质量管理的重要内容 4。23 测量仪器的计量特性测量仪器的计量特性是指其影响测量结果的一些明显特征，其中包括测量范围、偏移、重复性、稳定性、分辨力、鉴别力阈和示值误差等。为了达到测量的预定要求，测量仪器必须具有符合规范要求的计量学特性。 确定测量仪器的特性，并签发关于其法定地位的官方文件，称为测量仪器控
