新型振筒式密度計研究與應用

蒲鶴，丁莉麗，修德欣，王振中

(中國石油化工股份有限公司 青島安全工程研究院，山東 青島 266000)

新型振筒式密度計研究與應用

蒲鶴，丁莉麗，修德欣，王振中

(中國石油化工股份有限公司 青島安全工程研究院，山東 青島 266000)

根據振筒式密度計的測量原理，介紹了密度計振筒結構和信號處理電路，分析了環境噪音、溫度、黏度、流速等因素對密度計測量結果的影響，并提出運用降低頻率干擾的措施來提高測量精度。將密度計法計算的轉輸量、手工法計算的轉輸量以及質量流量計的測量值三者進行比較，密度計法計算的轉輸量的質量相對偏差均在0.10%以下，更接近質量流量計的測量值。

密度計 振筒 固有頻率 庫存管理

密度計在石油行業中的應用主要體現在油庫油品密度測量上，對儲罐油品密度的測量要求足夠精確且連續，測試數據主要用于庫存靜態管理以及油品動態計量。

目前，油庫庫存計量普遍采用混合式儲罐計量系統，GB/T 25964—2010《石油和液體石油產品采用混合式油罐測量系統測量立式圓筒油罐內油品體積、密度和質量的方法》給出了混合計量系統中設備安裝調試的注意事項以及各種數據的計算方法[1]。油品密度采用壓力變送器測量并通過計算獲得，壓力變送器只能測量壓力變送器安裝位置以上的壓強之和，不能測量不同層次的壓力值，所以測量的密度值僅為儲罐內油品的平均密度，在油品出現分層時會出現密度失實，在低液位時密度不確定度成倍增大，密度測量不精確使得油罐計量產生較大誤差[2]。

鑒于以上情況，以現有密度計技術為基礎，研發的振筒式油品密度計通過振筒的振動特性對儲罐油品密度進行測量，可以判斷出油品分層和密度分布不均的情況，滿足油庫儲罐高精度的計量管理要求，為油庫儲罐計量自動化與計量管理信息化提供有力的技術支持。

1 密度計測量原理

密度計按照工作原理進行分類，主要包括靜壓式密度計、浮力式密度計、放射式密度計、超聲波式密度計、光學式密度計、諧振式密度計等[3]。其中，諧振式密度計具有較高的精度和穩定性、受溫度影響小、漂移誤差小、良好的抗電磁干擾能力、易于實現數字化遠距離傳輸等優越性能，已經成為一種比較理想的油品密度測量方法。根據振子形狀不同，諧振式密度計可分為音叉式密度計、振膜式密度計、振弦式密度計、振筒式密度計等[4]。本文著重介紹研制的新型振筒式密度計。

振筒式密度計是根據振筒的振動頻率與其周圍的被測介質密度的關系來測量介質密度的。振筒式密度計正常工作時，振筒以其固有頻率穩定振動，當被測介質流經振筒時，介質伴隨振筒一同振動，此時振筒的振動質量為振筒本身質量與流經筒體介質質量之和，振筒的固有頻率隨之改變，頻率的改變量與被測介質參與振動的質量有關，根據液體質量與密度之間的關系，就可以得到液體密度的信息[5]：

(1)

式中：Tx——被測介質振動時所產生的周期值；k0,k1,k2——振筒的特征系數，通過實驗可以獲得。

2 密度計結構設計

振筒式密度計由振筒、膜片、底座、線圈結構、外殼結構等部分組成，振筒式密度計結構如圖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定的機械性能。振筒下端與底座采用剛性連接，振筒上端通過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產生的疲勞斷裂，起到緩沖和連接的作用，提高了振筒密度計的使用壽命和穩定性。線圈在密度計中的作用是實現機電和電機轉換，采用單激勵雙拾振的方案，激振線圈為振筒提供適當的激振力使得振筒快速振動并以工作模式維持穩定的振動，把電信號轉化為位移信號；拾振線圈拾取振筒的振動信息，通過電磁感應原理把位移信號轉化為可以檢測處理的電信號，檢測到的電信號經過溫度補償后完成介質密度測量[6]。

圖1 振筒式密度計結構示意

振筒式密度計硬件電路是一個弱耦合、正反饋的測量系統。振筒在激振線圈的脈沖作用下產生振動，振筒振動產生的微小位移引起拾振線圈周圍磁場分布產生感應電動勢，將位移信號轉變為電信號。拾振線圈獲得的電信號經過拾振電路、濾波電路、增益調節電路、相位調節電路、功率放大電路及振蕩電路等處理后加到激振線圈上，通過電磁場作用把激振電信號轉化為激振力，使得振筒長期穩定振動下去，同時輸出相應的頻率信號進行密度測量[7]。通過溫度傳感器測量被測介質溫度進行溫度補償，以提高測量精度，密度計測量系統電路原理如圖2所示。

圖2 振筒式密度計測量系統電路原理示意

3 外界因素對密度計的影響

3.1 環境噪音的影響

密度計正常工作時處于振動狀態，由于其工作環境中會有各種儀器設備，存在不同振動頻率的振動模態，容易引起振筒式密度計與其他設備一起共振，導致密度計測量失效。為避免這類噪聲的干擾，振筒式密度計應盡量選取高頻振動作為工作模態，工作振動頻率在2～10 kHz。另外，要做好振動頻率的屏蔽工作，把外界噪音干擾降到最低[8]。

3.2 溫度的影響

密度計工作環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、振筒長度、密度等參數發生變化，這些變化將會導致振筒的振動頻率發生變化，從而影響系統測量的穩定性。為避免此類情況發生，在密度計結構上應盡量選用溫度系數相近的材料，避免溫度變化時產生相對位移及應力變化。振筒材料使用恒彈性合金材料，其彈性模量溫度系數和頻率溫度系數很低，共振頻率不隨溫度的變化發生改變[9]。

3.3 黏度的影響

液體內部分子之間的引力使得液體具有內摩擦力，會影響振筒的振動頻率。對于靜止的液體，其內部的分子處于平衡位置，振筒受黏度影響較小；當被測液體沿振筒內壁流動時，振筒內壁受到剪切力會影響振筒的振幅，增加振筒振動難度。為減少黏度對密度計測量精度的影響，應盡量縮短振筒長度，減少被測液體流經振筒的時間可降低黏度對測量的影響。

3.4 流速的影響

對于振筒式密度計，振筒內被測液體的流速增大時，振筒的固有頻率將會降低，當流速增大至臨界流速時，振筒頻率減小至零失去穩定性。為降低流速對振筒振動頻率的干擾，在結構設計上應設計限流裝置，可以有效降低流經密度計的被測液體的流速，使得流速對振筒固有頻率的影響降到最低，以提高密度計的測量精度，或者加入適當的補償系數來修正所測量的密度[10]。

4 油庫現場測試

4.1 密度測量

為驗證研制的新型密度計測量的準確性，將新型密度計應用到儲罐中進行測量，如圖3所示。油罐內液位范圍10.50～11.09 m，密度隨液位呈現階梯狀變化，手工取樣無法準確測量分層點，質量換算容易出現誤差。采用新型振筒式密度計可以準確測量分層位置，繪制儲罐內密度分布情況并計算加權平均密度，最終得到準確的質量，如圖3所示。

圖3 新型振筒式密度計測量儲罐 油品密度變化示意

4.2 庫存對比

采用手工法測量密度值和采用新型振筒式密度計測量加權平均密度，均應用到混合法(HTMS)計量法計算儲罐在不同液位下的庫存質量，手工法測量值及密度計法測量值與儲罐出口質量流量計測量值進行比較，見表1，表2所列。

表1 手工法測量值與質量流量計測量值的相對偏差值

表2 密度計法測量值與質量流量計測量值的相對偏差值

從表1和表2可以看出，密度計法計算的轉輸量比手工法計算的轉輸量更加接近出口質量流量計測量值，手工法計算的轉輸量相對偏差最高達到0.50%，而密度計法計算的轉輸量的相對偏差均在0.10%以下。

5 結束語

新型振筒式密度計減少了傳統人工取樣環節，可以定時進行單點密度和溫度測量，也可以進行多點密度和溫度測量，準確地顯示儲罐內密度分布情況，判斷出儲罐油品分層和密度分布不均的情況。將新型振筒式密度計測量密度和傳統手工法測量密度用于HTMS計量法計算不同液位下油品轉輸質量，新型振筒式密度計法計算的轉輸量與質量流量計所測質量的相對偏差均在0.10%以下，可以代替手工密度取樣法進行儲罐密度測量。

[1] 魏進祥，董海風，黃岑越，等.GB/T 25964—2010石油和液體石油產品采用混合式油罐測量系統測量立式圓筒形油罐內油品體積、密度和質量的方法[S].北京： 中國標準出版社，2010.

[2] 金德璽.GB/T 13894—1992石油和液體石油產品液位測量法[S].北京： 中國標準出版社，1992.

[3] 劉子勇，趙萬山.液體密度測量的數字化發展方向[J].現代計量測量，2002(02)： 42-43.

[4] 張欲曉，樊尚春.液體密度傳感器[J].計測技術，2006，26(01)： 1-3.

[5] 隋修武，樊玉銘，張國雄，等.圓筒諧振式密度傳感器的計算及有限元分析[J].傳感技術學報，2004(04)： 590-593.

[6] 隋修武，謝望，張國雄，等.有限元分析在諧振筒式密度傳感器結構設計中的應用[J].儀器儀表學報，2008，29(02)： 381-386.

[7] 楊斌堂.磁致伸縮微小驅動器驅動電磁線圈的設計研究[J].機械科學與技術，2004，23(08)： 982-984.

[8] 樊尚春，劉廣玉.壓電激勵諧振筒壓力傳感器的振型研究[J].北京航空航天大學學報，1990(02)： 37-42.

[9] 樊玉銘，張瑩，李杏華，等.諧振筒式液體密度傳感器的設計[J].納米技術與精密工程，2007，5(02)： 134-138.

[10] 譚劍，任建新，張鵬，等.考慮剪切影響的直管科氏流量計固液耦合振動分析[J].工業儀表與自動化裝置，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年畢業于西南石油大學油氣儲運專業，獲碩士學位，現工作于中國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。