在线振动管液体密度计静态压力修正试验分析

李占宏 韩春红 王泽来

1中国计量科学研究院

2大庆油田工程有限公司

在线振动管液体密度计被广泛应用于油品质量控制，成品油管道输送和化工生产过程中各种液体密度、浓度检测及制药、酿酒等行业中。

在石油炼化生产、输送及贸易交接方面，在线密度计与体积流量计配合使用可以实现质量流量的在线连续测量，因此近年来越来越多的在线密度计在现场获得了大量应用[1]。目前的在线密度计测量范围为600～3 000 kg/m3，最高测量准确度可以达到0.1 kg/m3，满足高准确度液体计量要求（如贸易交接计量和作为标准器标定校准质量流量计的要求）。同传统使用的玻璃浮计（需要人员取样到实验室目力测量后修正计算获得密度）相比，在线密度计可以实现实时、连续测量流经密度计内的液体密度，测量液体密度范围宽[2]，适应液体介质种类广，并可在一定压力下（通常耐压10.0 MPa）连续输出密度测量结果，其输出可以为4～20 mA、HART 信号或者RS485总线等多种形式，便于实现自动化控制，因此在工业生产过程中获得了广泛的使用。

在线密度计属于利用振动原理的测量仪表，目前应用的产品大部分为管式传感器（按照形状可以分为单直管、双直管、双曲管等）[3]，其测量原理为：密度计内的金属薄壁管通过波纹管与外部法兰接口连接，管外部安装有高精度铂电阻温度计用以测量流经传感器液体的温度；通过激振系统使传感器在某一频率振动，当流经密度计内传感器的液体发生变化时，传感器测振系统输出的振动信号周期也会相应发生变化；利用系统内的计算公式软件通过周期、温度参数计算得出流体密度[4]。

考虑到工业现场通常在一定压力状态下输送液体，当有压力作用在传感器上时还需要考虑传感器—金属管发生形变以及液体的压缩性影响因素[5]，因此常压下液体温度系数修正后还需要进一步对密度结果进行压力修正，从而获得更高的准确度。

1 静态压力试验装置

目前国内检定/校准在线密度计依据JJG 370—2007《在线振动管液体密度计》检定规程，通常先进行准确度试验和温度试验，对获得的数据应用最小二乘法处理得到密度计的准确度和温度修正系数，即规程中描述的k0、k1、k2以及k18、k19部分[6]，最后进行静态压力试验。要求选择几种不同的液体介质，注入在线密度计后排净气泡，然后对密度计传感器内的液体分别加压/卸压操作，获得不同压力状态下的温度、密度数据后，利用最小二乘法计算得到压力修正系数[7]。

在以往的校准过程中，分别采用柴油和变压器油试验。最初装置采用从密度计上端法兰入口处注入油品液体介质，当介质溢出密度计后将压力校验仪接口与法兰连接，当液体中有气泡时，通过反复加压操作进行补液，直至气体完全排除为止再进行静态压力试验。在后续工作中，为操作便捷对此结构进行改造，改造后的装置结构见图1。

2 压力试验结果

为了使液体中残留的气泡被全部排出密度计传感器，采用了下部进液的方式，通过泵将油液注满密度计管腔，直至密度计法兰连接上部液体流出少许，关闭密度计上方的排气阀门；同时切换下方的三通阀门，将进液口与压力校验仪连接。为了进一步消除液体中溶解的气体影响，通常需要使用压力校验仪将管内压力升高至2.0 MPa 以上，再逐渐降压至0.5 MPa，反复此过程3～5次，逐步将内部气体全部排除。

图1 静态压力试验装置结构Fig.1 Structure of static pressure test device

按照规程要求从0～2.5 MPa间隔0.5 MPa逐步加压[8]，当压力校验仪显示结果稳定后，记录密度计振动周期和对应状态下的压力、温度数据，使用最小二乘法计算得到压力修正系数结果，即规程公式里的k20、k21。最初采用两种不同的油品作为介质进行压力试验，出现三个问题：

（1）要保证密度计传感器中充满油液，上部的放气阀要流出少部分液体，造成环境污染较大，对操作人员和环境具有一定安全隐患。

（2）测试一种油品（例如柴油）后进行第二种油品试验，需要将密度计振动管彻底清洗干净吹干后才能进行，否则介质发生混合，无法计算获得特定条件下的油品密度。

（3）油液中溶解气体较多，即使经过几次加压/卸压后，在静态压力试验中密度计的振动周期重复性较差，最大值与最小值之差往往达到0.04～0.05 μs，甚至更大。

通常校准密度计要求稳定状态下振动周期最大值与最小值之差不超过0.02 μs。表1为采用柴油进行压力试验的数据结果。

经过分析密度计压力修正系数计算公式可以发现，利用一种液体，测量出6组不同压力条件下的振动周期、温度和密度的关系数据，构成一个方程数大于未知修正系数个数的方程组，即可计算得到修正系数结果。因此在后期工作中，改为采用纯水作为工作介质进行试验，操作过程基本与上述一致，但获得的测量结果有较大改善。原因在于水中溶解的空气少，相比油品更易于排除干净，同时，更换纯水介质也改善了工作环境，消除了污染源。表2 为采用纯水进行压力试验的振动周期采集结果。

表1 柴油压力试验数据Tab.1 Pressure test data of diesel

表2 纯水压力试验数据Tab.2 Pressure test data of pure water

图2 为两种不同介质振动周期重复性对比示意图。

对上述参数结合拟合计算方程，通过最小二乘法计算获得了压力修正系数[9]，修正系数及拟合误差见表3。可以发现利用纯水压力试验的拟合误差与油品压力试验相比较小，准确度获得提升。

图2 不同介质测量重复性示意图Fig.2 Repeatability diagram of different media measurement

表3 纯水介质拟合结果Tab.3 Fitting results of pure water medium

3 结论

综合上述试验结果，对在线密度计进行静态压力试验时优先选择纯水作为工作介质，待纯水中气体排除后监测密度计输出振动周期数据，在0.01 μs 位稳定后进行加压，测试不同压力条件下的密度和振动周期，最后通过最小二乘法计算获得仪表的压力修正系数。选择纯水作为工作介质的优越性在于：无环境污染，密度计无需清洗，一次压力试验后即可完成，减少检定人员工作量；纯水中含有气体相比油液要少，排除传感器管内的气体步骤和时间相对减少；纯水的压缩系数易于获得、准确性高，这样进一步提高了压力修正系数计算结果的准确度。