在線振動管液體密度計靜態(tài)壓力修正試驗分析

李占宏 韓春紅 王澤來

1中國計量科學研究院

2大慶油田工程有限公司

在線振動管液體密度計被廣泛應用于油品質(zhì)量控制，成品油管道輸送和化工生產(chǎn)過程中各種液體密度、濃度檢測及制藥、釀酒等行業(yè)中。

在石油煉化生產(chǎn)、輸送及貿(mào)易交接方面，在線密度計與體積流量計配合使用可以實現(xiàn)質(zhì)量流量的在線連續(xù)測量，因此近年來越來越多的在線密度計在現(xiàn)場獲得了大量應用[1]。目前的在線密度計測量范圍為600～3 000 kg/m3，最高測量準確度可以達到0.1 kg/m3，滿足高準確度液體計量要求（如貿(mào)易交接計量和作為標準器標定校準質(zhì)量流量計的要求）。同傳統(tǒng)使用的玻璃浮計（需要人員取樣到實驗室目力測量后修正計算獲得密度）相比，在線密度計可以實現(xiàn)實時、連續(xù)測量流經(jīng)密度計內(nèi)的液體密度，測量液體密度范圍寬[2]，適應液體介質(zhì)種類廣，并可在一定壓力下（通常耐壓10.0 MPa）連續(xù)輸出密度測量結(jié)果，其輸出可以為4～20 mA、HART 信號或者RS485總線等多種形式，便于實現(xiàn)自動化控制，因此在工業(yè)生產(chǎn)過程中獲得了廣泛的使用。

在線密度計屬于利用振動原理的測量儀表，目前應用的產(chǎn)品大部分為管式傳感器（按照形狀可以分為單直管、雙直管、雙曲管等）[3]，其測量原理為：密度計內(nèi)的金屬薄壁管通過波紋管與外部法蘭接口連接，管外部安裝有高精度鉑電阻溫度計用以測量流經(jīng)傳感器液體的溫度；通過激振系統(tǒng)使傳感器在某一頻率振動，當流經(jīng)密度計內(nèi)傳感器的液體發(fā)生變化時，傳感器測振系統(tǒng)輸出的振動信號周期也會相應發(fā)生變化；利用系統(tǒng)內(nèi)的計算公式軟件通過周期、溫度參數(shù)計算得出流體密度[4]。

考慮到工業(yè)現(xiàn)場通常在一定壓力狀態(tài)下輸送液體，當有壓力作用在傳感器上時還需要考慮傳感器—金屬管發(fā)生形變以及液體的壓縮性影響因素[5]，因此常壓下液體溫度系數(shù)修正后還需要進一步對密度結(jié)果進行壓力修正，從而獲得更高的準確度。

1 靜態(tài)壓力試驗裝置

目前國內(nèi)檢定/校準在線密度計依據(jù)JJG 370—2007《在線振動管液體密度計》檢定規(guī)程，通常先進行準確度試驗和溫度試驗，對獲得的數(shù)據(jù)應用最小二乘法處理得到密度計的準確度和溫度修正系數(shù)，即規(guī)程中描述的k0、k1、k2以及k18、k19部分[6]，最后進行靜態(tài)壓力試驗。要求選擇幾種不同的液體介質(zhì)，注入在線密度計后排凈氣泡，然后對密度計傳感器內(nèi)的液體分別加壓/卸壓操作，獲得不同壓力狀態(tài)下的溫度、密度數(shù)據(jù)后，利用最小二乘法計算得到壓力修正系數(shù)[7]。

在以往的校準過程中，分別采用柴油和變壓器油試驗。最初裝置采用從密度計上端法蘭入口處注入油品液體介質(zhì)，當介質(zhì)溢出密度計后將壓力校驗儀接口與法蘭連接，當液體中有氣泡時，通過反復加壓操作進行補液，直至氣體完全排除為止再進行靜態(tài)壓力試驗。在后續(xù)工作中，為操作便捷對此結(jié)構(gòu)進行改造，改造后的裝置結(jié)構(gòu)見圖1。

2 壓力試驗結(jié)果

為了使液體中殘留的氣泡被全部排出密度計傳感器，采用了下部進液的方式，通過泵將油液注滿密度計管腔，直至密度計法蘭連接上部液體流出少許，關閉密度計上方的排氣閥門；同時切換下方的三通閥門，將進液口與壓力校驗儀連接。為了進一步消除液體中溶解的氣體影響，通常需要使用壓力校驗儀將管內(nèi)壓力升高至2.0 MPa 以上，再逐漸降壓至0.5 MPa，反復此過程3～5次，逐步將內(nèi)部氣體全部排除。

圖1 靜態(tài)壓力試驗裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of static pressure test device

按照規(guī)程要求從0～2.5 MPa間隔0.5 MPa逐步加壓[8]，當壓力校驗儀顯示結(jié)果穩(wěn)定后，記錄密度計振動周期和對應狀態(tài)下的壓力、溫度數(shù)據(jù)，使用最小二乘法計算得到壓力修正系數(shù)結(jié)果，即規(guī)程公式里的k20、k21。最初采用兩種不同的油品作為介質(zhì)進行壓力試驗，出現(xiàn)三個問題：

（1）要保證密度計傳感器中充滿油液，上部的放氣閥要流出少部分液體，造成環(huán)境污染較大，對操作人員和環(huán)境具有一定安全隱患。

（2）測試一種油品（例如柴油）后進行第二種油品試驗，需要將密度計振動管徹底清洗干凈吹干后才能進行，否則介質(zhì)發(fā)生混合，無法計算獲得特定條件下的油品密度。

（3）油液中溶解氣體較多，即使經(jīng)過幾次加壓/卸壓后，在靜態(tài)壓力試驗中密度計的振動周期重復性較差，最大值與最小值之差往往達到0.04～0.05 μs，甚至更大。

通常校準密度計要求穩(wěn)定狀態(tài)下振動周期最大值與最小值之差不超過0.02 μs。表1為采用柴油進行壓力試驗的數(shù)據(jù)結(jié)果。

經(jīng)過分析密度計壓力修正系數(shù)計算公式可以發(fā)現(xiàn)，利用一種液體，測量出6組不同壓力條件下的振動周期、溫度和密度的關系數(shù)據(jù)，構(gòu)成一個方程數(shù)大于未知修正系數(shù)個數(shù)的方程組，即可計算得到修正系數(shù)結(jié)果。因此在后期工作中，改為采用純水作為工作介質(zhì)進行試驗，操作過程基本與上述一致，但獲得的測量結(jié)果有較大改善。原因在于水中溶解的空氣少，相比油品更易于排除干凈，同時，更換純水介質(zhì)也改善了工作環(huán)境，消除了污染源。表2 為采用純水進行壓力試驗的振動周期采集結(jié)果。

表1 柴油壓力試驗數(shù)據(jù)Tab.1 Pressure test data of diesel

表2 純水壓力試驗數(shù)據(jù)Tab.2 Pressure test data of pure water

圖2 為兩種不同介質(zhì)振動周期重復性對比示意圖。

對上述參數(shù)結(jié)合擬合計算方程，通過最小二乘法計算獲得了壓力修正系數(shù)[9]，修正系數(shù)及擬合誤差見表3?？梢园l(fā)現(xiàn)利用純水壓力試驗的擬合誤差與油品壓力試驗相比較小，準確度獲得提升。

圖2 不同介質(zhì)測量重復性示意圖Fig.2 Repeatability diagram of different media measurement

表3 純水介質(zhì)擬合結(jié)果Tab.3 Fitting results of pure water medium

3 結(jié)論

綜合上述試驗結(jié)果，對在線密度計進行靜態(tài)壓力試驗時優(yōu)先選擇純水作為工作介質(zhì)，待純水中氣體排除后監(jiān)測密度計輸出振動周期數(shù)據(jù)，在0.01 μs 位穩(wěn)定后進行加壓，測試不同壓力條件下的密度和振動周期，最后通過最小二乘法計算獲得儀表的壓力修正系數(shù)。選擇純水作為工作介質(zhì)的優(yōu)越性在于：無環(huán)境污染，密度計無需清洗，一次壓力試驗后即可完成，減少檢定人員工作量；純水中含有氣體相比油液要少，排除傳感器管內(nèi)的氣體步驟和時間相對減少；純水的壓縮系數(shù)易于獲得、準確性高，這樣進一步提高了壓力修正系數(shù)計算結(jié)果的準確度。