蒲鶴，丁莉麗，修德欣，王振中

(中國(guó)石油化工股份有限公司 青島安全工程研究院，山東 青島 266000)

新型振筒式密度計(jì)研究與應(yīng)用

蒲鶴，丁莉麗，修德欣，王振中

(中國(guó)石油化工股份有限公司 青島安全工程研究院，山東 青島 266000)

根據(jù)振筒式密度計(jì)的測(cè)量原理，介紹了密度計(jì)振筒結(jié)構(gòu)和信號(hào)處理電路，分析了環(huán)境噪音、溫度、黏度、流速等因素對(duì)密度計(jì)測(cè)量結(jié)果的影響，并提出運(yùn)用降低頻率干擾的措施來(lái)提高測(cè)量精度。將密度計(jì)法計(jì)算的轉(zhuǎn)輸量、手工法計(jì)算的轉(zhuǎn)輸量以及質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量值三者進(jìn)行比較，密度計(jì)法計(jì)算的轉(zhuǎn)輸量的質(zhì)量相對(duì)偏差均在0.10%以下，更接近質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量值。

密度計(jì) 振筒 固有頻率 庫(kù)存管理

密度計(jì)在石油行業(yè)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在油庫(kù)油品密度測(cè)量上，對(duì)儲(chǔ)罐油品密度的測(cè)量要求足夠精確且連續(xù)，測(cè)試數(shù)據(jù)主要用于庫(kù)存靜態(tài)管理以及油品動(dòng)態(tài)計(jì)量。

目前，油庫(kù)庫(kù)存計(jì)量普遍采用混合式儲(chǔ)罐計(jì)量系統(tǒng)，GB/T 25964—2010《石油和液體石油產(chǎn)品采用混合式油罐測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量立式圓筒油罐內(nèi)油品體積、密度和質(zhì)量的方法》給出了混合計(jì)量系統(tǒng)中設(shè)備安裝調(diào)試的注意事項(xiàng)以及各種數(shù)據(jù)的計(jì)算方法[1]。油品密度采用壓力變送器測(cè)量并通過(guò)計(jì)算獲得，壓力變送器只能測(cè)量壓力變送器安裝位置以上的壓強(qiáng)之和，不能測(cè)量不同層次的壓力值，所以測(cè)量的密度值僅為儲(chǔ)罐內(nèi)油品的平均密度，在油品出現(xiàn)分層時(shí)會(huì)出現(xiàn)密度失實(shí)，在低液位時(shí)密度不確定度成倍增大，密度測(cè)量不精確使得油罐計(jì)量產(chǎn)生較大誤差[2]。

鑒于以上情況，以現(xiàn)有密度計(jì)技術(shù)為基礎(chǔ)，研發(fā)的振筒式油品密度計(jì)通過(guò)振筒的振動(dòng)特性對(duì)儲(chǔ)罐油品密度進(jìn)行測(cè)量，可以判斷出油品分層和密度分布不均的情況，滿足油庫(kù)儲(chǔ)罐高精度的計(jì)量管理要求，為油庫(kù)儲(chǔ)罐計(jì)量自動(dòng)化與計(jì)量管理信息化提供有力的技術(shù)支持。

1 密度計(jì)測(cè)量原理

密度計(jì)按照工作原理進(jìn)行分類，主要包括靜壓式密度計(jì)、浮力式密度計(jì)、放射式密度計(jì)、超聲波式密度計(jì)、光學(xué)式密度計(jì)、諧振式密度計(jì)等[3]。其中，諧振式密度計(jì)具有較高的精度和穩(wěn)定性、受溫度影響小、漂移誤差小、良好的抗電磁干擾能力、易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)越性能，已經(jīng)成為一種比較理想的油品密度測(cè)量方法。根據(jù)振子形狀不同，諧振式密度計(jì)可分為音叉式密度計(jì)、振膜式密度計(jì)、振弦式密度計(jì)、振筒式密度計(jì)等[4]。本文著重介紹研制的新型振筒式密度計(jì)。

振筒式密度計(jì)是根據(jù)振筒的振動(dòng)頻率與其周圍的被測(cè)介質(zhì)密度的關(guān)系來(lái)測(cè)量介質(zhì)密度的。振筒式密度計(jì)正常工作時(shí)，振筒以其固有頻率穩(wěn)定振動(dòng)，當(dāng)被測(cè)介質(zhì)流經(jīng)振筒時(shí)，介質(zhì)伴隨振筒一同振動(dòng)，此時(shí)振筒的振動(dòng)質(zhì)量為振筒本身質(zhì)量與流經(jīng)筒體介質(zhì)質(zhì)量之和，振筒的固有頻率隨之改變，頻率的改變量與被測(cè)介質(zhì)參與振動(dòng)的質(zhì)量有關(guān)，根據(jù)液體質(zhì)量與密度之間的關(guān)系，就可以得到液體密度的信息[5]：

(1)

式中：Tx——被測(cè)介質(zhì)振動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的周期值；k0,k1,k2——振筒的特征系數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以獲得。

2 密度計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

振筒式密度計(jì)由振筒、膜片、底座、線圈結(jié)構(gòu)、外殼結(jié)構(gòu)等部分組成，振筒式密度計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。振筒采用恒彈性合金材料，具有較高的彈性極限、彈性膜量及疲勞極限，不隨溫度變化具有穩(wěn)定的機(jī)械性能。振筒下端與底座采用剛性連接，振筒上端通過(guò)膜片與外殼上端帽連接，膜片可避免振筒與外殼硬性連接時(shí)產(chǎn)生的疲勞斷裂，起到緩沖和連接的作用，提高了振筒密度計(jì)的使用壽命和穩(wěn)定性。線圈在密度計(jì)中的作用是實(shí)現(xiàn)機(jī)電和電機(jī)轉(zhuǎn)換，采用單激勵(lì)雙拾振的方案，激振線圈為振筒提供適當(dāng)?shù)募ふ窳κ沟谜裢部焖僬駝?dòng)并以工作模式維持穩(wěn)定的振動(dòng)，把電信號(hào)轉(zhuǎn)化為位移信號(hào)；拾振線圈拾取振筒的振動(dòng)信息，通過(guò)電磁感應(yīng)原理把位移信號(hào)轉(zhuǎn)化為可以檢測(cè)處理的電信號(hào)，檢測(cè)到的電信號(hào)經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償后完成介質(zhì)密度測(cè)量[6]。

圖1 振筒式密度計(jì)結(jié)構(gòu)示意

振筒式密度計(jì)硬件電路是一個(gè)弱耦合、正反饋的測(cè)量系統(tǒng)。振筒在激振線圈的脈沖作用下產(chǎn)生振動(dòng)，振筒振動(dòng)產(chǎn)生的微小位移引起拾振線圈周圍磁場(chǎng)分布產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，將位移信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。拾振線圈獲得的電信號(hào)經(jīng)過(guò)拾振電路、濾波電路、增益調(diào)節(jié)電路、相位調(diào)節(jié)電路、功率放大電路及振蕩電路等處理后加到激振線圈上，通過(guò)電磁場(chǎng)作用把激振電信號(hào)轉(zhuǎn)化為激振力，使得振筒長(zhǎng)期穩(wěn)定振動(dòng)下去，同時(shí)輸出相應(yīng)的頻率信號(hào)進(jìn)行密度測(cè)量[7]。通過(guò)溫度傳感器測(cè)量被測(cè)介質(zhì)溫度進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以提高測(cè)量精度，密度計(jì)測(cè)量系統(tǒng)電路原理如圖2所示。

圖2 振筒式密度計(jì)測(cè)量系統(tǒng)電路原理示意

3 外界因素對(duì)密度計(jì)的影響

3.1 環(huán)境噪音的影響

密度計(jì)正常工作時(shí)處于振動(dòng)狀態(tài)，由于其工作環(huán)境中會(huì)有各種儀器設(shè)備，存在不同振動(dòng)頻率的振動(dòng)模態(tài)，容易引起振筒式密度計(jì)與其他設(shè)備一起共振，導(dǎo)致密度計(jì)測(cè)量失效。為避免這類噪聲的干擾，振筒式密度計(jì)應(yīng)盡量選取高頻振動(dòng)作為工作模態(tài)，工作振動(dòng)頻率在2～10 kHz。另外，要做好振動(dòng)頻率的屏蔽工作，把外界噪音干擾降到最低[8]。

3.2 溫度的影響

密度計(jì)工作環(huán)境的溫度是不斷變化的，溫度變化將引起振筒材料的彈性膜量、振筒長(zhǎng)度、密度等參數(shù)發(fā)生變化，這些變化將會(huì)導(dǎo)致振筒的振動(dòng)頻率發(fā)生變化，從而影響系統(tǒng)測(cè)量的穩(wěn)定性。為避免此類情況發(fā)生，在密度計(jì)結(jié)構(gòu)上應(yīng)盡量選用溫度系數(shù)相近的材料，避免溫度變化時(shí)產(chǎn)生相對(duì)位移及應(yīng)力變化。振筒材料使用恒彈性合金材料，其彈性模量溫度系數(shù)和頻率溫度系數(shù)很低，共振頻率不隨溫度的變化發(fā)生改變[9]。

3.3 黏度的影響

液體內(nèi)部分子之間的引力使得液體具有內(nèi)摩擦力，會(huì)影響振筒的振動(dòng)頻率。對(duì)于靜止的液體，其內(nèi)部的分子處于平衡位置，振筒受黏度影響較??；當(dāng)被測(cè)液體沿振筒內(nèi)壁流動(dòng)時(shí)，振筒內(nèi)壁受到剪切力會(huì)影響振筒的振幅，增加振筒振動(dòng)難度。為減少黏度對(duì)密度計(jì)測(cè)量精度的影響，應(yīng)盡量縮短振筒長(zhǎng)度，減少被測(cè)液體流經(jīng)振筒的時(shí)間可降低黏度對(duì)測(cè)量的影響。

3.4 流速的影響

對(duì)于振筒式密度計(jì)，振筒內(nèi)被測(cè)液體的流速增大時(shí)，振筒的固有頻率將會(huì)降低，當(dāng)流速增大至臨界流速時(shí)，振筒頻率減小至零失去穩(wěn)定性。為降低流速對(duì)振筒振動(dòng)頻率的干擾，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)設(shè)計(jì)限流裝置，可以有效降低流經(jīng)密度計(jì)的被測(cè)液體的流速，使得流速對(duì)振筒固有頻率的影響降到最低，以提高密度計(jì)的測(cè)量精度，或者加入適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償系數(shù)來(lái)修正所測(cè)量的密度[10]。

4 油庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

4.1 密度測(cè)量

為驗(yàn)證研制的新型密度計(jì)測(cè)量的準(zhǔn)確性，將新型密度計(jì)應(yīng)用到儲(chǔ)罐中進(jìn)行測(cè)量，如圖3所示。油罐內(nèi)液位范圍10.50～11.09 m，密度隨液位呈現(xiàn)階梯狀變化，手工取樣無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量分層點(diǎn)，質(zhì)量換算容易出現(xiàn)誤差。采用新型振筒式密度計(jì)可以準(zhǔn)確測(cè)量分層位置，繪制儲(chǔ)罐內(nèi)密度分布情況并計(jì)算加權(quán)平均密度，最終得到準(zhǔn)確的質(zhì)量，如圖3所示。

圖3 新型振筒式密度計(jì)測(cè)量?jī)?chǔ)罐 油品密度變化示意

4.2 庫(kù)存對(duì)比

采用手工法測(cè)量密度值和采用新型振筒式密度計(jì)測(cè)量加權(quán)平均密度，均應(yīng)用到混合法(HTMS)計(jì)量法計(jì)算儲(chǔ)罐在不同液位下的庫(kù)存質(zhì)量，手工法測(cè)量值及密度計(jì)法測(cè)量值與儲(chǔ)罐出口質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量值進(jìn)行比較，見表1，表2所列。

表1 手工法測(cè)量值與質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量值的相對(duì)偏差值

表2 密度計(jì)法測(cè)量值與質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量值的相對(duì)偏差值

從表1和表2可以看出，密度計(jì)法計(jì)算的轉(zhuǎn)輸量比手工法計(jì)算的轉(zhuǎn)輸量更加接近出口質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量值，手工法計(jì)算的轉(zhuǎn)輸量相對(duì)偏差最高達(dá)到0.50%，而密度計(jì)法計(jì)算的轉(zhuǎn)輸量的相對(duì)偏差均在0.10%以下。

5 結(jié)束語(yǔ)

新型振筒式密度計(jì)減少了傳統(tǒng)人工取樣環(huán)節(jié)，可以定時(shí)進(jìn)行單點(diǎn)密度和溫度測(cè)量，也可以進(jìn)行多點(diǎn)密度和溫度測(cè)量，準(zhǔn)確地顯示儲(chǔ)罐內(nèi)密度分布情況，判斷出儲(chǔ)罐油品分層和密度分布不均的情況。將新型振筒式密度計(jì)測(cè)量密度和傳統(tǒng)手工法測(cè)量密度用于HTMS計(jì)量法計(jì)算不同液位下油品轉(zhuǎn)輸質(zhì)量，新型振筒式密度計(jì)法計(jì)算的轉(zhuǎn)輸量與質(zhì)量流量計(jì)所測(cè)質(zhì)量的相對(duì)偏差均在0.10%以下，可以代替手工密度取樣法進(jìn)行儲(chǔ)罐密度測(cè)量。

[1] 魏進(jìn)祥，董海風(fēng)，黃岑越，等.GB/T 25964—2010石油和液體石油產(chǎn)品采用混合式油罐測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量立式圓筒形油罐內(nèi)油品體積、密度和質(zhì)量的方法[S].北京： 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

[2] 金德璽.GB/T 13894—1992石油和液體石油產(chǎn)品液位測(cè)量法[S].北京： 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1992.

[3] 劉子勇，趙萬(wàn)山.液體密度測(cè)量的數(shù)字化發(fā)展方向[J].現(xiàn)代計(jì)量測(cè)量，2002(02)： 42-43.

[4] 張欲曉，樊尚春.液體密度傳感器[J].計(jì)測(cè)技術(shù)，2006，26(01)： 1-3.

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[10] 譚劍，任建新，張鵬，等.考慮剪切影響的直管科氏流量計(jì)固液耦合振動(dòng)分析[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2009(02)： 7-11.

Research and Application on New-type Vibration Cylinder Densometer

Pu He, Ding Lili, Xiu Dexin, Wang Zhenzhong

(Qingdao Research Institute of Safety Engineering, Sinopec, Qingdao, 266071, China)

Based on measurement principle of vibration cylinder densometer, cylinder structure and signal processing circuit loop are introduced. Influences of ambient noise, temperature, viscosity and flow rate on the vibration cylinder densometer are analyzed. Method to reduce frequency interference is brought forward to improve densometer’s precision. Conveying capacity among densometer method, manual method and mass flowmeter are compared. The relative average deviation of conveying capacity densometer method below 0.1%, which is closer to mass flowmeter measurement value.

densometer; vibration cylinder; inherent frequency; inventory management

蒲鶴(1988—)，男，山東淄博人，2014年畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)工作于中國(guó)石化青島安全工程研究院，主要從事加油站加氣站安全工作，任工程師。

TH715.2

B

1007-7324(2017)03-0057-03

稿件收到日期： 2017-01-10，修改稿收到日期： 2017-03-10。