大庆原油总外输计量站担负着大庆油田与东北输油管理局原油计量交接重任, 始建于1976年2月, 重建于1989年9月。从1994年5月1日起, 采用计算机进行数据采集及油量计算, 实现了油量结算计算机化。测量密度的仪表为NMZ—10型在线振动管密度计, 介绍如下。

一.   振动管密度计测量原理

振动管密度计的敏感元件是管式弹性体(振子)。当被测介质流经密度计时, 振子的自由振动频率随介质的密度而变化。当液体密度增大时, 振动频率下降。反之, 当液体密度减小时, 振动频率增加。因此, 通过测量振子振动频率(或周期)的变化, 就可以间接地测量液体的密度。振子的振动频率与被测液体的密度关系^{〔1, 2〕}为:

式中  f——振动频率，Hz;

d——管内径，mm;

D——管外径，mm;

C——常量;

E——管子的弹性模量，MPa;

ρ₀——管材的密度，kg/m³;

ρ_x——被测液体的密度，kg/m³;

L——管长，mm。

在实践中, 式(1)一般用下式^〔3〕表示

式中  K₁, K₂, K₃——密度计常数, 由实验确定；

T——振动周期，μs。

二.   振动管密度计的温度特性

被测介质与周围环境温度的变化会引起密度计传感器的几何参数、弹性模量和材料密度变化, 导致振动管的振动频率发生变化, 从而使密度测量产生误差。

当温度升高时, 振动管的长度增加, 弹性模量也改变, 因此使振动频率下降。同时, 由于被测介质的密度随温度的升高而下降, 又使振动频率增加。

把式(1)中的E, L, ρ_x看成随温度变化而变化的量, 考虑温度由t₀递增到t时, 钢管长度由L₀增到L, 则有:

式中  α——钢管材料线膨胀系数。

若液体的密度由ρ_x0递减到ρ_xo, 则有:

式中  γ——液体的密度温度系数。

钢管的弹性模量^〔4〕为:

式中  F₁——拉伸力, N;

ΔL——钢管的伸长量，mm；

A——钢管的横截面积，mm²。

由式(2)~(5)可知:

(1) 钢管长度L随温度的升高而增加, 其频率的温度系数是负的;

(2) 由于温度升高时, ΔL增加, 而E与△L成反比, 所以E的温度系数是负的;

(3) p_xt随温度的升高而减小, 因此液体的密度ρ_x温度系数是正的;

(4) 由于L的温度系数比E的温度系数小得多, 可以忽略不计。这样频率的变化主要由ρ_x与E的温度系数来确定。

由式(1)可得出如下初步结论:

(1) 当E的温度系数在数值上大于ρ_x的温度系数时, f的温度系数是负的;

(2) 当E的温度系数在数值上小于ρ_x的温度系数时, f的温度系数是正的。

三.   振动管密度计的压力特性

同温度特性一样, 液体压力的变化也引起振动频率的变化。

液体压力的变化将产生两种影响:

(1) 引起液体体积变化, 即:

式中  β_ρ——液体的体积压缩系数, 1/Pa。

由于β_ρ值很小, 其变化对频率f的影响很小，通常可以忽略不计。

(2) 引起振动管的变化。当液体压力Р较大时，将在振动管中产生附加的拉力F, F与Р成正比。由于拉力F的存在, 产生一个附加力矩M, 影响振动管的横向运动, 使振动管的振动频率发生变化。

由式(1)可知, 压力Р较大, 使L增加, 振动频率下降, 被测介质的密度值就偏大。

四.   振动管密度计的流量特性

流体在振动管中流动时, 作用于管壁上的压力H等于静压力H₀和动压力H_V之和, 即:

式中  V——流速，m/s；

ρ——液体的密度，kg/m³。

当振动管的截面积一定时, 被测介质流量的变化必然引起流速的变化。在流速不大的稳定流中, 介质的流动处于层流状态, 此时压动力比较小, 可以忽略不计, 因此对管璧的压力基本上是静压力。当被测介质的流量增大而使流速很大时, 层流便不稳定, 并且可能出现涡流, 此时作用于管壁上的动压力就不能忽略。可见, 流量的变化对振动管振动频率的影响实际上是被测液体对管壁的压力变化所造成的, 其特性与压力特性相同, 即流量增加, 振动频率减小，造成被测介质密度值偏大。在密度计允许的流量范围内, 流量变化对振动管密度计测量准确度的影响很小, 一般可以忽略不计。

五.   振动管密度计的粘度特性

当振动管内充满粘性液体时, 对于振动管来说，这种液体就成为一种具有粘性阻力的介质。由于在钢管的振动过程中, 可以丕考虑液体的流动性, 即把液体看成与钢管连在一起, 因此粘度对振动管振动频率的影响非常小, 因而可以忽略不计。表 1为粘度测定数据。表中数据表明, 液体的粘度对振动管密度计的测量精度的影响很小, 可以忽略不计。

表  1  粘度测定数据

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总之, 在振动管密度计运行一年多的时间里, 由于我们对它的特性有了一定的了解, 在使用时对影响测量值的量进行了系数的修正﹐使测量极限误差不大于士0.001 g/cm³, 因此, 测量值能够达到计量规程的要求, 为确保原油的准确计量奠定了基础。