在線振動管液體密度計靜態壓力修正試驗分析

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量控制，成品油管道輸送和化工生產過程中各種液體密度、濃度檢測及制藥、釀酒等行業中。

在石油煉化生產、輸送及貿易交接方面，在線密度計與體積流量計配合使用可以實現質量流量的在線連續測量，因此近年來越來越多的在線密度計在現場獲得了大量應用[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（如貿易交接計量和作為標準器標定校準質量流量計的要求）。同傳統使用的玻璃浮計（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實時、連續測量流經密度計內的液體密度，測量液體密度范圍寬[2]，適應液體介質種類廣，并可在一定壓力下（通常耐壓10.0 MPa）連續輸出密度測量結果，其輸出可以為4～20 mA、HART 信號或者RS485總線等多種形式，便于實現自動化控制，因此在工業生產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傳感器液體的溫度；通過激振系統使傳感器在某一頻率振動，當流經密度計內傳感器的液體發生變化時，傳感器測振系統輸出的振動信號周期也會相應發生變化；利用系統內的計算公式軟件通過周期、溫度參數計算得出流體密度[4]。

考慮到工業現場通常在一定壓力狀態下輸送液體，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修正后還需要進一步對密度結果進行壓力修正，從而獲得更高的準確度。

1 靜態壓力試驗裝置

目前國內檢定/校準在線密度計依據JJG 370—2007《在線振動管液體密度計》檢定規程，通常先進行準確度試驗和溫度試驗，對獲得的數據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，即規程中描述的k0、k1、k2以及k18、k19部分[6]，最后進行靜態壓力試驗。要求選擇幾種不同的液體介質，注入在線密度計后排凈氣泡，然后對密度計傳感器內的液體分別加壓/卸壓操作，獲得不同壓力狀態下的溫度、密度數據后，利用最小二乘法計算得到壓力修正系數[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，當介質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壓力試驗。在后續工作中，為操作便捷對此結構進行改造，改造后的裝置結構見圖1。

2 壓力試驗結果

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，逐步將內部氣體全部排除。

圖1 靜態壓力試驗裝置結構Fig.1 Structure of static pressure test device

按照規程要求從0～2.5 MPa間隔0.5 MPa逐步加壓[8]，當壓力校驗儀顯示結果穩定后，記錄密度計振動周期和對應狀態下的壓力、溫度數據，使用最小二乘法計算得到壓力修正系數結果，即規程公式里的k20、k21。最初采用兩種不同的油品作為介質進行壓力試驗，出現三個問題：

（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，造成環境污染較大，對操作人員和環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，否則介質發生混合，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，即使經過幾次加壓/卸壓后，在靜態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定狀態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據結果。

經過分析密度計壓力修正系數計算公式可以發現，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據，構成一個方程數大于未知修正系數個數的方程組，即可計算得到修正系數結果。因此在后期工作中，改為采用純水作為工作介質進行試驗，操作過程基本與上述一致，但獲得的測量結果有較大改善。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，更換純水介質也改善了工作環境，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果。

表1 柴油壓力試驗數據Tab.1 Pressure test data of diesel

表2 純水壓力試驗數據Tab.2 Pressure test data of pure water

圖2 為兩種不同介質振動周期重復性對比示意圖。

對上述參數結合擬合計算方程，通過最小二乘法計算獲得了壓力修正系數[9]，修正系數及擬合誤差見表3。可以發現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 不同介質測量重復性示意圖Fig.2 Repeatability diagram of different media measurement

表3 純水介質擬合結果Tab.3 Fitting results of pure water medium

3 結論

綜合上述試驗結果，對在線密度計進行靜態壓力試驗時優先選擇純水作為工作介質，待純水中氣體排除后監測密度計輸出振動周期數據，在0.01 μs 位穩定后進行加壓，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。選擇純水作為工作介質的優越性在于：無環境污染，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，排除傳感器管內的氣體步驟和時間相對減少；純水的壓縮系數易于獲得、準確性高，這樣進一步提高了壓力修正系數計算結果的準確度。