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体积管是由管体、标准容积段、置换器、检测开关、阀和密封转换机构及控制系统等组成。由具有恒定横截面和已知容积管段组成的流量计量装置。位移器（活塞或球）在计量段内沿着一定方向运动，置换出流体体积。体积管两个检测开关之间的容积段称为标准容积段。按置换器形式，体积管可分为球式体积管和活塞式体积管。目前国内生产的球式体积管按照置换器及阀的不同分为一球一阀式和三球无阀式。
体积管作为液体流量检定装置的一种，具有占地面积小、结构简单、操作方便、准确度高等优点被广泛应用在原油计量方面。体积管的管体有碳钢、不锈钢材质。近年来，随着体积管制造加工的水平不断提升，采用不锈钢材质的体积管在液体流量计检测方面也被广泛应用，以体积管为主标准器的液体流量标准装置不但作为现场流量校准装置，而且开始被应用为实验室流量标准装置。
在球式标准体积管实际应用的几十年中，随着科学技术和新工艺、新材料的飞速发展，检测开关也历经了多次台阶式技术改进，以适应和满足检定高品质、高精度流量计的技术条件。标准体积管装置中设计配置的检测开关从最初的“接触式”和“机械微动开关”，到无触点磁感应的“接近开关”，再到目前广泛应用的“光电开关”以及“光纤开关”。无论何种型式的“体积管式标准流量校验装置”，检测开关的性能对整机的质量和重复性指标是极其重要的，工艺技术的保障是确保其性能的基础。众所周知，在球式体积管中，直接影响标准体积重复性指标的因素，一是标准管段的管截面圆度及光洁度；二是置换器（球）的质量（牵涉到其的不圆度、过盈量、材质、硬度、弹性模数、耐磨、耐油的性能指标）；其三是检测开关的性能（自身结构的动作重复性）。
1.檢测开关结构对体积管测量精度的影响
球式体积管的检测开关一般由两部分组成，其一是机械传递结构（置换器触发状态），由垂直伸缩位移量和水平角位移量二种；其二是发讯探头，目前基本为二种型式（光电式和光纤式）。
1.1检测开关中机械传递结构解析
如下图所示，不管是哪种型式，其传递比的位移（原点至发讯点）基本都是采用1：1直测得原理设计。所不同的是置换器（球）与机械接触形式不一样。一般也是二种类型，一种是不锈钢球与圆柱顶杆的配合式；一种是带“R”形园头的圆柱状顶杆。
从理论和实践来讲，使用钢球形式的优于圆柱形式。因为置换器（橡胶计量球）在标准管段中由液体推动做水平（不规则转动）移动至接触发讯传递顶杆的过程中，接触状态是不同的，如下图所示。
“R”形园头的圆柱状一体顶杆，“R”面与球面放大看为不规则的非点面结合，不可避免存在轴向与径向摩阻的变量性，造成了金属R头与橡胶球面的接触时弹性系数误差的不一致（橡胶球自身表面的硬度不可能一致，这就是重复性误差不确定因素之一）。
1.2检测开关中发讯探头解析
不管是光电式还是光纤式，其工作原理是相同的（是一个开关门状态信号输出）。从多数人的理解上来讲，认为对体积管重复性不会有多大的误差和不确定因素，然而在实践应用中的现实状况表明，确实存在一系列的问题。光电式探头工作原理是由一个发光源与一个光敏接收源组成，当有物体遮挡住发光源后将光线反射回至接收源，接收后的光波经由电路处理将光信号转换为电信号并作一系列的放大、整形处理后输出。问题在于，光电式探头的发光源发出的光束是一个不规则呈散光状的光柱（这是由发射源孔径来确定的），这就对接收源接收信号的强弱及触发位置状态带来了量时差，成为体积管测量不确定度来源之一；另外，外部的电源波动及光孔表面的灰尘为另一个不确定的误差源，也会给体积管测量结果重复性误差带来一定的影响。
随着检测开关技术的不断发展，近年来出现了光纤式探头，它的工作原理虽然和光电式探头工作原理基本是一样的，但与其比较有着独特的技术和质量优势。光纤式探头的发光源发出的光束为圆柱形、集束规整、红外可见光柱（无散光、无不规则现象），发射距离可调，同轴同位反射定位准确；电路处理抗干扰、抗波动性强，输出为规整的方波信号。尤其是从触发动作结构和发讯方式的应用是经历了二十多年的应用和改进，这一技术使体积管的重复性上一台阶，进而使得装置获得了更好的稳定性。
1.3检测开关发讯位置的影响
体积管运行过程中，置换球在检测介质的推动下在体积管内移动，分别触发标准容积段两端的检测开关探头，从而得出标准容积段的标准容积。由于置换球和检测开关探头加工精度的不确定性，导致置换球触发检测开关的位置存在不确定性，从而导致体积管计量精度的不确定性。以某生产厂家提供的经验数据试做做粗略分析，某体积管设计容积管径为DN358（14"）置换器过盈量2.5%（球径Φ366），胶球在管段中则形成平宽带面约60mm左右。体积管设计单向容积值为2000L，最大允差为±0.02%，其容积最大允差为40ml；计量管段管径为14"，根据管径截面积乘以管道长度可得知，管段内1mm长度所代表的容积为100ml。检测开关胶球（置换器）前沿触发或返向后沿触发，钢球顶杆上升高度1mm，则置换器管段内移动约为2mm左右距离，所包含的容积约为0.2L（200ml）左右。将探头上升高度与置换球行程距离按线形关系考虑，如果检测开关探头上升平均高度（发讯位置）误差范围考虑在±0.1mm，那么置换球行程带来的容积误差范围则为±20ml。
2.置换球对体积管计量精度的影响
置换球在检定介质的推动下做不规则运动（平行移动或滚动），触发检测开关的探头，检测开关探头抬升一段距离后触发光纤检测装置，为保证置换球的密封性，置换球的直径比计量管段管径略大，一般置换球的过盈量为2%～4%。
若不考虑运行过程中置换球的变形（实际上，置换球在运行过程中存在着一定程度挤压变形），分析置换球和检测开关探头的相对运动关系。探头除了随着置换球做水平横向移动，还沿着置换球的球面做滚动运动。 置换球与标准容积管段相比的过盈量按3%计算，
不考虑置换球在管段内的挤压变形，检测开关探头突入管段的深度忽略不计，近似认为检测开关探头与置换球接触处的水平夹角等于置换球与管段接触位置的水平夹角。置换球水平移动速度按检测介质的流速计算。
某计量机构使用LJG-22型基地平铺式体积管，其标准容积段标定容积为1025.842L，体积管内径为258mm，据此推算出标准容积段管段长度。
以该体积管检定某DN80口径的电磁流量计为例（检测结果见表1）。在最大流量121 m?/h运行下，置换球运行平均时间为30.66s，在最小流量32 m?/h运行下，置换球运行平均时间为110.44s，置换球在两种最大、最小流量下的最大、最小流速分别为1.7254m/s和0.1805m/s。
根据前面推导的公式，得出探头在两种流速下的抬升速度分别为0.4256m/s和0.0445m/s。
该体积管使用的的检测开关为LPCX-Ⅲ型光纤检测开关。
其技术参数指标和光纤发讯原理图如下：
光纤从初始状态到触发状态，行程为2mm，即检测探头抬升距離为2mm。
由上述公式可计算出探头在两种流速状态下的触发时间分别为4.7ms和44.9ms，而探头自身的反应时间仅为0.5ms以下，所以体积管内检测介质在不同流速下，光纤检测开关的动作时间对体积管计量精度存在着不可忽视的影响。正因为如此，JJG209-2010《体积管检定规程》对体积管容积标定时的流量有了明确的规定；
“7.3.3.1 e）用调节阀调节流量，以确定置换器通过检测开关D1、D2时的流量。为保证置换器能够以同一速度经过D1、D2，在一次检定过程中调节阀的开度应保持一致。”
流量标准装置在检定过程中不可避免存在一定的流量波动，造成装置流量波动的主要因素有以下三个方面：
（1）管道阻力影响；
（2）压力源压力稳定性影响；
（3）管道中的水击现象，局部流速的剧烈变化。
流量的稳定度直接影响探头触发开关时间的一致程度，由检测开关带给体积管计量的精度的不确定度可以用流量的稳定度来表示，比如某体积管标准装置设计流量稳定性优于0.2%，以均匀分布考虑，那么由流量稳定性带来的标准不确定度为：
根据前述的检测开关探头运动速度与检测介质流速的函数关系，可得知由检测开关所引入的测量不确定度为
3.结束语
体积管标准容积管段结构简单，内部管壁无涂层材料（不锈钢材质），其本身具有较好的稳定性，在实际运行过程中，体积管的标准容积段是以管段内置换器触发检测开关动作作为起始标志，所以置换器触发检测开关的灵敏程度及可靠程度直接影响到标准容积段的计量精度。通过上述分析可以看出，检测开关自身的反应时间（以上述体积管为例，其检测开关反应时间在0.5ms以下）与触发过程中检测开关动作时间（最大流量下检测开关动作时间为4.7ms）相比，前者大概为后者的1/10，在不确定度分析中检测开关自身的灵敏程度所带来的测量结果的不确定度可忽略不计。运行过程中检测开关动作时间不确定度又跟置换球在标准管段内运行速度有关，即跟检测介质流量稳定性有直接关系。从表1的检测数据分析来看，被检测流量计质在大流量运行下的示值误差明显小于小流量下的示值误差。如果检测开关动作时间不确定度是固定值，那么理论上检测开关运行时间越长即介质流速越慢，开关动作时间相对误差应该越小，计量精度也就越高。而从实际大量实验数据统计来看，结论恰恰相反，说明检测开关给体积管带来的计量精度的影响不仅仅取决于探头运动时间。置换球在触发检测开关时球体的不规则变形，导致置换球触发位置的不确定性给体积管计量精度带来的影响或许更大。
置换球对于体积管精度的重要性可比于静态容积法和静态质量法装置中换向器对装置精度重要性，静态容积法和静态质量法中换向器对不确定度分析在JJG1064-2000《液体流量标准装置检定规程》中对试验方法及数据采集均已有明确规定，而体积管装置中置换器对整体计量结果的不确定度分析目前还没有明确的试验方式，所以，置换器对体积管计量精度的影响值得我们细细研究。
体积管作为液体流量检定装置的一种，具有占地面积小、结构简单、操作方便、准确度高等优点被广泛应用在原油计量方面。体积管的管体有碳钢、不锈钢材质。近年来，随着体积管制造加工的水平不断提升，采用不锈钢材质的体积管在液体流量计检测方面也被广泛应用，以体积管为主标准器的液体流量标准装置不但作为现场流量校准装置，而且开始被应用为实验室流量标准装置。
在球式标准体积管实际应用的几十年中，随着科学技术和新工艺、新材料的飞速发展，检测开关也历经了多次台阶式技术改进，以适应和满足检定高品质、高精度流量计的技术条件。标准体积管装置中设计配置的检测开关从最初的“接触式”和“机械微动开关”，到无触点磁感应的“接近开关”，再到目前广泛应用的“光电开关”以及“光纤开关”。无论何种型式的“体积管式标准流量校验装置”，检测开关的性能对整机的质量和重复性指标是极其重要的，工艺技术的保障是确保其性能的基础。众所周知，在球式体积管中，直接影响标准体积重复性指标的因素，一是标准管段的管截面圆度及光洁度；二是置换器（球）的质量（牵涉到其的不圆度、过盈量、材质、硬度、弹性模数、耐磨、耐油的性能指标）；其三是检测开关的性能（自身结构的动作重复性）。
1.檢测开关结构对体积管测量精度的影响
球式体积管的检测开关一般由两部分组成，其一是机械传递结构（置换器触发状态），由垂直伸缩位移量和水平角位移量二种；其二是发讯探头，目前基本为二种型式（光电式和光纤式）。
1.1检测开关中机械传递结构解析
如下图所示，不管是哪种型式，其传递比的位移（原点至发讯点）基本都是采用1：1直测得原理设计。所不同的是置换器（球）与机械接触形式不一样。一般也是二种类型，一种是不锈钢球与圆柱顶杆的配合式；一种是带“R”形园头的圆柱状顶杆。
从理论和实践来讲，使用钢球形式的优于圆柱形式。因为置换器（橡胶计量球）在标准管段中由液体推动做水平（不规则转动）移动至接触发讯传递顶杆的过程中，接触状态是不同的，如下图所示。
“R”形园头的圆柱状一体顶杆，“R”面与球面放大看为不规则的非点面结合，不可避免存在轴向与径向摩阻的变量性，造成了金属R头与橡胶球面的接触时弹性系数误差的不一致（橡胶球自身表面的硬度不可能一致，这就是重复性误差不确定因素之一）。
1.2检测开关中发讯探头解析
不管是光电式还是光纤式，其工作原理是相同的（是一个开关门状态信号输出）。从多数人的理解上来讲，认为对体积管重复性不会有多大的误差和不确定因素，然而在实践应用中的现实状况表明，确实存在一系列的问题。光电式探头工作原理是由一个发光源与一个光敏接收源组成，当有物体遮挡住发光源后将光线反射回至接收源，接收后的光波经由电路处理将光信号转换为电信号并作一系列的放大、整形处理后输出。问题在于，光电式探头的发光源发出的光束是一个不规则呈散光状的光柱（这是由发射源孔径来确定的），这就对接收源接收信号的强弱及触发位置状态带来了量时差，成为体积管测量不确定度来源之一；另外，外部的电源波动及光孔表面的灰尘为另一个不确定的误差源，也会给体积管测量结果重复性误差带来一定的影响。
随着检测开关技术的不断发展，近年来出现了光纤式探头，它的工作原理虽然和光电式探头工作原理基本是一样的，但与其比较有着独特的技术和质量优势。光纤式探头的发光源发出的光束为圆柱形、集束规整、红外可见光柱（无散光、无不规则现象），发射距离可调，同轴同位反射定位准确；电路处理抗干扰、抗波动性强，输出为规整的方波信号。尤其是从触发动作结构和发讯方式的应用是经历了二十多年的应用和改进，这一技术使体积管的重复性上一台阶，进而使得装置获得了更好的稳定性。
1.3检测开关发讯位置的影响
体积管运行过程中，置换球在检测介质的推动下在体积管内移动，分别触发标准容积段两端的检测开关探头，从而得出标准容积段的标准容积。由于置换球和检测开关探头加工精度的不确定性，导致置换球触发检测开关的位置存在不确定性，从而导致体积管计量精度的不确定性。以某生产厂家提供的经验数据试做做粗略分析，某体积管设计容积管径为DN358（14"）置换器过盈量2.5%（球径Φ366），胶球在管段中则形成平宽带面约60mm左右。体积管设计单向容积值为2000L，最大允差为±0.02%，其容积最大允差为40ml；计量管段管径为14"，根据管径截面积乘以管道长度可得知，管段内1mm长度所代表的容积为100ml。检测开关胶球（置换器）前沿触发或返向后沿触发，钢球顶杆上升高度1mm，则置换器管段内移动约为2mm左右距离，所包含的容积约为0.2L（200ml）左右。将探头上升高度与置换球行程距离按线形关系考虑，如果检测开关探头上升平均高度（发讯位置）误差范围考虑在±0.1mm，那么置换球行程带来的容积误差范围则为±20ml。
2.置换球对体积管计量精度的影响
置换球在检定介质的推动下做不规则运动（平行移动或滚动），触发检测开关的探头，检测开关探头抬升一段距离后触发光纤检测装置，为保证置换球的密封性，置换球的直径比计量管段管径略大，一般置换球的过盈量为2%～4%。
若不考虑运行过程中置换球的变形（实际上，置换球在运行过程中存在着一定程度挤压变形），分析置换球和检测开关探头的相对运动关系。探头除了随着置换球做水平横向移动，还沿着置换球的球面做滚动运动。 置换球与标准容积管段相比的过盈量按3%计算，
不考虑置换球在管段内的挤压变形，检测开关探头突入管段的深度忽略不计，近似认为检测开关探头与置换球接触处的水平夹角等于置换球与管段接触位置的水平夹角。置换球水平移动速度按检测介质的流速计算。
某计量机构使用LJG-22型基地平铺式体积管，其标准容积段标定容积为1025.842L，体积管内径为258mm，据此推算出标准容积段管段长度。
以该体积管检定某DN80口径的电磁流量计为例（检测结果见表1）。在最大流量121 m?/h运行下，置换球运行平均时间为30.66s，在最小流量32 m?/h运行下，置换球运行平均时间为110.44s，置换球在两种最大、最小流量下的最大、最小流速分别为1.7254m/s和0.1805m/s。
根据前面推导的公式，得出探头在两种流速下的抬升速度分别为0.4256m/s和0.0445m/s。
该体积管使用的的检测开关为LPCX-Ⅲ型光纤检测开关。
其技术参数指标和光纤发讯原理图如下：
光纤从初始状态到触发状态，行程为2mm，即检测探头抬升距離为2mm。
由上述公式可计算出探头在两种流速状态下的触发时间分别为4.7ms和44.9ms，而探头自身的反应时间仅为0.5ms以下，所以体积管内检测介质在不同流速下，光纤检测开关的动作时间对体积管计量精度存在着不可忽视的影响。正因为如此，JJG209-2010《体积管检定规程》对体积管容积标定时的流量有了明确的规定；
“7.3.3.1 e）用调节阀调节流量，以确定置换器通过检测开关D1、D2时的流量。为保证置换器能够以同一速度经过D1、D2，在一次检定过程中调节阀的开度应保持一致。”
流量标准装置在检定过程中不可避免存在一定的流量波动，造成装置流量波动的主要因素有以下三个方面：
（1）管道阻力影响；
（2）压力源压力稳定性影响；
（3）管道中的水击现象，局部流速的剧烈变化。
流量的稳定度直接影响探头触发开关时间的一致程度，由检测开关带给体积管计量的精度的不确定度可以用流量的稳定度来表示，比如某体积管标准装置设计流量稳定性优于0.2%，以均匀分布考虑，那么由流量稳定性带来的标准不确定度为：
根据前述的检测开关探头运动速度与检测介质流速的函数关系，可得知由检测开关所引入的测量不确定度为
3.结束语
体积管标准容积管段结构简单，内部管壁无涂层材料（不锈钢材质），其本身具有较好的稳定性，在实际运行过程中，体积管的标准容积段是以管段内置换器触发检测开关动作作为起始标志，所以置换器触发检测开关的灵敏程度及可靠程度直接影响到标准容积段的计量精度。通过上述分析可以看出，检测开关自身的反应时间（以上述体积管为例，其检测开关反应时间在0.5ms以下）与触发过程中检测开关动作时间（最大流量下检测开关动作时间为4.7ms）相比，前者大概为后者的1/10，在不确定度分析中检测开关自身的灵敏程度所带来的测量结果的不确定度可忽略不计。运行过程中检测开关动作时间不确定度又跟置换球在标准管段内运行速度有关，即跟检测介质流量稳定性有直接关系。从表1的检测数据分析来看，被检测流量计质在大流量运行下的示值误差明显小于小流量下的示值误差。如果检测开关动作时间不确定度是固定值，那么理论上检测开关运行时间越长即介质流速越慢，开关动作时间相对误差应该越小，计量精度也就越高。而从实际大量实验数据统计来看，结论恰恰相反，说明检测开关给体积管带来的计量精度的影响不仅仅取决于探头运动时间。置换球在触发检测开关时球体的不规则变形，导致置换球触发位置的不确定性给体积管计量精度带来的影响或许更大。
置换球对于体积管精度的重要性可比于静态容积法和静态质量法装置中换向器对装置精度重要性，静态容积法和静态质量法中换向器对不确定度分析在JJG1064-2000《液体流量标准装置检定规程》中对试验方法及数据采集均已有明确规定，而体积管装置中置换器对整体计量结果的不确定度分析目前还没有明确的试验方式，所以，置换器对体积管计量精度的影响值得我们细细研究。