新型振筒式密度计研究与应用

蒲鹤，丁莉丽，修德欣，王振中

(中国石油化工股份有限公司 青岛安全工程研究院，山东 青岛 266000)

新型振筒式密度计研究与应用

蒲鹤，丁莉丽，修德欣，王振中

(中国石油化工股份有限公司 青岛安全工程研究院，山东 青岛 266000)

根据振筒式密度计的测量原理，介绍了密度计振筒结构和信号处理电路，分析了环境噪音、温度、黏度、流速等因素对密度计测量结果的影响，并提出运用降低频率干扰的措施来提高测量精度。将密度计法计算的转输量、手工法计算的转输量以及质量流量计的测量值三者进行比较，密度计法计算的转输量的质量相对偏差均在0.10%以下，更接近质量流量计的测量值。

密度计 振筒 固有频率 库存管理

密度计在石油行业中的应用主要体现在油库油品密度测量上，对储罐油品密度的测量要求足够精确且连续，测试数据主要用于库存静态管理以及油品动态计量。

目前，油库库存计量普遍采用混合式储罐计量系统，GB/T 25964—2010《石油和液体石油产品采用混合式油罐测量系统测量立式圆筒油罐内油品体积、密度和质量的方法》给出了混合计量系统中设备安装调试的注意事项以及各种数据的计算方法[1]。油品密度采用压力变送器测量并通过计算获得，压力变送器只能测量压力变送器安装位置以上的压强之和，不能测量不同层次的压力值，所以测量的密度值仅为储罐内油品的平均密度，在油品出现分层时会出现密度失实，在低液位时密度不确定度成倍增大，密度测量不精确使得油罐计量产生较大误差[2]。

鉴于以上情况，以现有密度计技术为基础，研发的振筒式油品密度计通过振筒的振动特性对储罐油品密度进行测量，可以判断出油品分层和密度分布不均的情况，满足油库储罐高精度的计量管理要求，为油库储罐计量自动化与计量管理信息化提供有力的技术支持。

1 密度计测量原理

密度计按照工作原理进行分类，主要包括静压式密度计、浮力式密度计、放射式密度计、超声波式密度计、光学式密度计、谐振式密度计等[3]。其中，谐振式密度计具有较高的精度和稳定性、受温度影响小、漂移误差小、良好的抗电磁干扰能力、易于实现数字化远距离传输等优越性能，已经成为一种比较理想的油品密度测量方法。根据振子形状不同，谐振式密度计可分为音叉式密度计、振膜式密度计、振弦式密度计、振筒式密度计等[4]。本文着重介绍研制的新型振筒式密度计。

振筒式密度计是根据振筒的振动频率与其周围的被测介质密度的关系来测量介质密度的。振筒式密度计正常工作时，振筒以其固有频率稳定振动，当被测介质流经振筒时，介质伴随振筒一同振动，此时振筒的振动质量为振筒本身质量与流经筒体介质质量之和，振筒的固有频率随之改变，频率的改变量与被测介质参与振动的质量有关，根据液体质量与密度之间的关系，就可以得到液体密度的信息[5]：

(1)

式中：Tx——被测介质振动时所产生的周期值；k0,k1,k2——振筒的特征系数，通过实验可以获得。

2 密度计结构设计

振筒式密度计由振筒、膜片、底座、线圈结构、外壳结构等部分组成，振筒式密度计结构如图1所示。振筒采用恒弹性合金材料，具有较高的弹性极限、弹性膜量及疲劳极限，不随温度变化具有稳定的机械性能。振筒下端与底座采用刚性连接，振筒上端通过膜片与外壳上端帽连接，膜片可避免振筒与外壳硬性连接时产生的疲劳断裂，起到缓冲和连接的作用，提高了振筒密度计的使用寿命和稳定性。线圈在密度计中的作用是实现机电和电机转换，采用单激励双拾振的方案，激振线圈为振筒提供适当的激振力使得振筒快速振动并以工作模式维持稳定的振动，把电信号转化为位移信号；拾振线圈拾取振筒的振动信息，通过电磁感应原理把位移信号转化为可以检测处理的电信号，检测到的电信号经过温度补偿后完成介质密度测量[6]。

图1 振筒式密度计结构示意

振筒式密度计硬件电路是一个弱耦合、正反馈的测量系统。振筒在激振线圈的脉冲作用下产生振动，振筒振动产生的微小位移引起拾振线圈周围磁场分布产生感应电动势，将位移信号转变为电信号。拾振线圈获得的电信号经过拾振电路、滤波电路、增益调节电路、相位调节电路、功率放大电路及振荡电路等处理后加到激振线圈上，通过电磁场作用把激振电信号转化为激振力，使得振筒长期稳定振动下去，同时输出相应的频率信号进行密度测量[7]。通过温度传感器测量被测介质温度进行温度补偿，以提高测量精度，密度计测量系统电路原理如图2所示。

图2 振筒式密度计测量系统电路原理示意

3 外界因素对密度计的影响

3.1 环境噪音的影响

密度计正常工作时处于振动状态，由于其工作环境中会有各种仪器设备，存在不同振动频率的振动模态，容易引起振筒式密度计与其他设备一起共振，导致密度计测量失效。为避免这类噪声的干扰，振筒式密度计应尽量选取高频振动作为工作模态，工作振动频率在2～10 kHz。另外，要做好振动频率的屏蔽工作，把外界噪音干扰降到最低[8]。

3.2 温度的影响

密度计工作环境的温度是不断变化的，温度变化将引起振筒材料的弹性膜量、振筒长度、密度等参数发生变化，这些变化将会导致振筒的振动频率发生变化，从而影响系统测量的稳定性。为避免此类情况发生，在密度计结构上应尽量选用温度系数相近的材料，避免温度变化时产生相对位移及应力变化。振筒材料使用恒弹性合金材料，其弹性模量温度系数和频率温度系数很低，共振频率不随温度的变化发生改变[9]。

3.3 黏度的影响

液体内部分子之间的引力使得液体具有内摩擦力，会影响振筒的振动频率。对于静止的液体，其内部的分子处于平衡位置，振筒受黏度影响较小；当被测液体沿振筒内壁流动时，振筒内壁受到剪切力会影响振筒的振幅，增加振筒振动难度。为减少黏度对密度计测量精度的影响，应尽量缩短振筒长度，减少被测液体流经振筒的时间可降低黏度对测量的影响。

3.4 流速的影响

对于振筒式密度计，振筒内被测液体的流速增大时，振筒的固有频率将会降低，当流速增大至临界流速时，振筒频率减小至零失去稳定性。为降低流速对振筒振动频率的干扰，在结构设计上应设计限流装置，可以有效降低流经密度计的被测液体的流速，使得流速对振筒固有频率的影响降到最低，以提高密度计的测量精度，或者加入适当的补偿系数来修正所测量的密度[10]。

4 油库现场测试

4.1 密度测量

为验证研制的新型密度计测量的准确性，将新型密度计应用到储罐中进行测量，如图3所示。油罐内液位范围10.50～11.09 m，密度随液位呈现阶梯状变化，手工取样无法准确测量分层点，质量换算容易出现误差。采用新型振筒式密度计可以准确测量分层位置，绘制储罐内密度分布情况并计算加权平均密度，最终得到准确的质量，如图3所示。

图3 新型振筒式密度计测量储罐 油品密度变化示意

4.2 库存对比

采用手工法测量密度值和采用新型振筒式密度计测量加权平均密度，均应用到混合法(HTMS)计量法计算储罐在不同液位下的库存质量，手工法测量值及密度计法测量值与储罐出口质量流量计测量值进行比较，见表1，表2所列。

表1 手工法测量值与质量流量计测量值的相对偏差值

表2 密度计法测量值与质量流量计测量值的相对偏差值

从表1和表2可以看出，密度计法计算的转输量比手工法计算的转输量更加接近出口质量流量计测量值，手工法计算的转输量相对偏差最高达到0.50%，而密度计法计算的转输量的相对偏差均在0.10%以下。

5 结束语

新型振筒式密度计减少了传统人工取样环节，可以定时进行单点密度和温度测量，也可以进行多点密度和温度测量，准确地显示储罐内密度分布情况，判断出储罐油品分层和密度分布不均的情况。将新型振筒式密度计测量密度和传统手工法测量密度用于HTMS计量法计算不同液位下油品转输质量，新型振筒式密度计法计算的转输量与质量流量计所测质量的相对偏差均在0.10%以下，可以代替手工密度取样法进行储罐密度测量。

[1] 魏进祥，董海风，黄岑越，等.GB/T 25964—2010石油和液体石油产品采用混合式油罐测量系统测量立式圆筒形油罐内油品体积、密度和质量的方法[S].北京： 中国标准出版社，2010.

[2] 金德玺.GB/T 13894—1992石油和液体石油产品液位测量法[S].北京： 中国标准出版社，1992.

[3] 刘子勇，赵万山.液体密度测量的数字化发展方向[J].现代计量测量，2002(02)： 42-43.

[4] 张欲晓，樊尚春.液体密度传感器[J].计测技术，2006，26(01)： 1-3.

[5] 隋修武，樊玉铭，张国雄，等.圆筒谐振式密度传感器的计算及有限元分析[J].传感技术学报，2004(04)： 590-593.

[6] 隋修武，谢望，张国雄，等.有限元分析在谐振筒式密度传感器结构设计中的应用[J].仪器仪表学报，2008，29(02)： 381-386.

[7] 杨斌堂.磁致伸缩微小驱动器驱动电磁线圈的设计研究[J].机械科学与技术，2004，23(08)： 982-984.

[8] 樊尚春，刘广玉.压电激励谐振筒压力传感器的振型研究[J].北京航空航天大学学报，1990(02)： 37-42.

[9] 樊玉铭，张莹，李杏华，等.谐振筒式液体密度传感器的设计[J].纳米技术与精密工程，2007，5(02)： 134-138.

[10] 谭剑，任建新，张鹏，等.考虑剪切影响的直管科氏流量计固液耦合振动分析[J].工业仪表与自动化装置，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

蒲鹤(1988—)，男，山东淄博人，2014年毕业于西南石油大学油气储运专业，获硕士学位，现工作于中国石化青岛安全工程研究院，主要从事加油站加气站安全工作，任工程师。

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。