测 控 基 础(6)密度与井深08-5

1、第六章 密度的自动测量 在石油加工生产中，密度测量应用也较多，它不仅在石油加工生产中，密度测量应用也较多，它不仅 关系到半成品和成品的质量与数量的控制检测及生产过程关系到半成品和成品的质量与数量的控制检测及生产过程 的管理，而且关系到科学技术、国际贸易的促进与发展的管理，而且关系到科学技术、国际贸易的促进与发展 在石油工业中，对原油和石油产品的数量计量，通在石油工业中，对原油和石油产品的数量计量，通 常均是通过测量它的密度和体积计算得到，因此密度的测常均是通过测量它的密度和体积计算得到，因此密度的测 量对原油及其石油产品的计算、储运有着重要的作用。尤量对原油及其石油产品的计算、储运有着重要的作

2、用。尤 其在原油管线计量方面，通过测量密度计算质量流量是在其在原油管线计量方面，通过测量密度计算质量流量是在 线计量的重要方法同样，在石油加工常需要通过密度的线计量的重要方法同样，在石油加工常需要通过密度的 检测来确定产品的质量准确的密度检测是工业生产中必检测来确定产品的质量准确的密度检测是工业生产中必 不可少的。不可少的。 密度的自动测量（续） 一、基本概念一、基本概念 单位体积物质的质量为密度，用符号单位体积物质的质量为密度，用符号表示，其单位为表示，其单位为 g/cmg/cm3 3、g/mLg/mL或或kg/mkg/m3 3。 若若V V体积的油品质量为体积的油品质量为mm，则油品密度为

3、：，则油品密度为： （5-15-1） 由于密度和温度有关，通常用由于密度和温度有关，通常用t t表示表示t t温度时某温度时某 物质的密度。国家规定物质的密度。国家规定2020时石油及液体石油产品时石油及液体石油产品 的密度为标准密度（的密度为标准密度（20 20），其它温度下测得的密 ），其它温度下测得的密 度为表观密度（度为表观密度（t t）。可根据）。可根据GB/T 1885GB/T 18858383（9191） 石油计量换算表石油计量换算表，由测得的表观密度（，由测得的表观密度（t t）换）换 算成标准密度（算成标准密度（20 20）。 ）。 V m 密度的自动测量（续）密度的自动测量

4、（续） 在温差在温差205范围内，密度随温度的变化可范围内，密度随温度的变化可 近似地看作直线关系，故亦可用下式换算：近似地看作直线关系，故亦可用下式换算： （5-2） 式中：式中：油品密度的平均温度系数，油品密度的平均温度系数，g/(cm3)； t 油品的温度，油品的温度，。 液体油品的相对密度是其密度与规定温度下水液体油品的相对密度是其密度与规定温度下水 的密度之比，通常以的密度之比，通常以d表示表示。我国及东欧各国习惯。我国及东欧各国习惯 用用20时的油品密度与时的油品密度与4时的纯水密度之比值时的纯水密度之比值 表示油品的相对密度。因为表示油品的相对密度。因为4纯水的密度接近纯水的密度

5、接近1 g/cm3，故，故20与与 在数值上相等，但其物理意义在数值上相等，但其物理意义 不同。不同。密度是有量纲的量，而相对密度是无量纲的密度是有量纲的量，而相对密度是无量纲的 量。量。国际标准（国际标准（ISO）规定以）规定以15.6的纯水为标准的纯水为标准 物质，物质，15.6时油品的相对密度以时油品的相对密度以 表示。表示。 )20( 20 t t 20 4 d 20 4 d 6 .15 6 .15 d 密度的自动测量（续）密度的自动测量（续） 可用表（可用表（5-15-1）中的校正值互相换算，换算的关系式为：）中的校正值互相换算，换算的关系式为： （5-35-3） 表表5-1 5-1

6、 相对密度（与）换算表相对密度（与）换算表 0.70000.7100 0.0051 0.84000.8500 0.0043 0.71000.7300 0.00500.85000.8700 0.0042 0.73000.7500 0.0049 0.87000.8900 0.0041 0.75000.7700 0.0048 0.89000.9100 0.0040 0.77000.7800 0.0047 0.91000.92000.0039 0.78000.7900 0.0046 0.92000.9400 0.0038 0.80000.8200 0.0045 0.94000.9500 0.0037

7、0.82000.8400 0.0044 d 6 .15 6 .15 d 6 .15 6 .15 d d ddd 6 .15 6 .15 20 4 20 4 d 6 .15 6 .15 d 二、浮力式密度计二、浮力式密度计 密度（或比重）的测量方法很多，只介绍炼油厂及油 品储运工程中较常用的浮力式密度计和精度较高的振动 管式密度计两种密度测量仪表 浮力式密度计的测量原理是基于阿基米德原理浮力式密度计的测量原理是基于阿基米德原理，即浸，即浸 在流体内的物体在流体内的物体(浮子浮子)所受的浮力等于该物体所受的浮力等于该物体(浮子浮子)所所 排开的流体重力，当液体的体积一定时，液体密度越大，排开的流体

8、重力，当液体的体积一定时，液体密度越大， 则浮力就越大。测得浮子的垂直位置的变化，就可以间则浮力就越大。测得浮子的垂直位置的变化，就可以间 接地得到液体的密度浮子可以是玻璃或金属的，测量接地得到液体的密度浮子可以是玻璃或金属的，测量 密度有两种形式；即漂浮浮子式密度计和全浸浮子式密密度有两种形式；即漂浮浮子式密度计和全浸浮子式密 度计。度计。 密度的自动测量（续）密度的自动测量（续） 密度的自动测量（续）密度的自动测量（续） (一一)漂浮浮子式密度计漂浮浮子式密度计 这种密度计的结构如图所示它是这种密度计的结构如图所示它是 将一浮子装入圆筒形外壳将一浮子装入圆筒形外壳2中，被测中，被测 液体由

9、下部入口管道流入，经溢流口液体由下部入口管道流入，经溢流口 4排出溢流口的作用是维持液位恒排出溢流口的作用是维持液位恒 定浮子定浮子3是上端直径小，下端直径是上端直径小，下端直径 大的中空圆筒其浮子质量是根据密大的中空圆筒其浮子质量是根据密 度的测量范围预先确定好的浮子直度的测量范围预先确定好的浮子直 径大的部分全部浸没在被测液体中，径大的部分全部浸没在被测液体中， 直径小的部分有一段伸出液面，伸出直径小的部分有一段伸出液面，伸出 高度由液体密度决定。高度由液体密度决定。 密度的自动测量（续）密度的自动测量（续） 根据阿基米德原理，浮子所受浮力为：根据阿基米德原理，浮子所受浮力为： 式中式中

10、v浮子被浸没的体积，浮子被浸没的体积， 被测介质密度被测介质密度 当液体密度增大时，由于浮力增大，使当液体密度增大时，由于浮力增大，使 浮筒上移，浮子被浸没的体积则会减少浮筒上移，浮子被浸没的体积则会减少 此时浮子的浮力为：此时浮子的浮力为： 比较上两式可得：比较上两式可得： 由图可见，浮子被浸没的体积与浮子高由图可见，浮子被浸没的体积与浮子高 度之间的关系为：度之间的关系为： gVF gVVF VV hdV hdHDV 2 22 4 4 密度的自动测量（续）密度的自动测量（续） 式中式中 h h浮子上部浸没高度浮子上部浸没高度 d-d-浮子上部直径；浮子上部直径； H-H-浮子下部浸没高度，

11、浮子下部浸没高度， D D浮子下部直径：浮子下部直径： hh密度变化密度变化时，时， 上部浸没高度的变化量上部浸没高度的变化量 将这两个关系式代入前式得：将这两个关系式代入前式得： hH d D h 2 2 密度的自动测量（续）密度的自动测量（续） 由上式可见，由上式可见，浮子上、下浮子上、下 部分直径部分直径d d和和D D相差越大，则相差越大，则 测量的灵敏度就越高测量的灵敏度就越高 当当时，浮子升高时，浮子升高 的变化量的变化量hh与密度变化量与密度变化量 之间近似线性关系。这之间近似线性关系。这 种密度计可在浮子的上端或种密度计可在浮子的上端或 下端连接差动变压器的铁芯，下端连接差动变

12、压器的铁芯， 如如C C所示，使其随浮子的升降所示，使其随浮子的升降 改变铁芯在差动变压器中的改变铁芯在差动变压器中的 位置，将位移转换成电信号位置，将位移转换成电信号 输出。输出。 密度的自动测量（续）密度的自动测量（续） (二二)全浸浮子式密度计全浸浮子式密度计 这种密度计与上述密度这种密度计与上述密度 计不同的是浮子的全部体计不同的是浮子的全部体 积都浸没在被测液体中。积都浸没在被测液体中。 但当液体密度改变时，浮但当液体密度改变时，浮 于所受浮力同样随之变于所受浮力同样随之变 化原理如图化原理如图D所示由所示由 图可知，当浮子体积为图可知，当浮子体积为V， 液体密度变化量为液体密度变化

13、量为时，时， 浮子所受浮力的变化量为浮子所受浮力的变化量为： 论述：该密度计的工作原论述：该密度计的工作原 理理 VgF 三、振动式密度计三、振动式密度计 炼厂及油品储运工程中较常用且精度较高的振炼厂及油品储运工程中较常用且精度较高的振 动管式密度计和超声比重仪两种密度测量仪表。动管式密度计和超声比重仪两种密度测量仪表。 振动式密度计的原理是利用振动系统的振动与振动式密度计的原理是利用振动系统的振动与 密度的关系进行密度测量的。密度的关系进行密度测量的。 这种以振动原理测量密度的仪器是一种比较新这种以振动原理测量密度的仪器是一种比较新 型的测量仪表它具有结构简单、精度较高、可型的测量仪表它具有

14、结构简单、精度较高、可 在线连续测量、数字信号输出等特点不但可用在线连续测量、数字信号输出等特点不但可用 于液体密度和气体密度测量，在某些情况下也可于液体密度和气体密度测量，在某些情况下也可 作为实验室标准仪表使用。作为实验室标准仪表使用。 密度的自动测量（续）密度的自动测量（续） (一一)基本工作原理基本工作原理 振动管为一截面均匀的薄壁金属管，是传感器的敏感振动管为一截面均匀的薄壁金属管，是传感器的敏感 元件，壁厚元件，壁厚0.07-0.12mm，由弹性力学理论可知，任，由弹性力学理论可知，任 一物体振动的固有频率不仅与它的形状、材料有关，而一物体振动的固有频率不仅与它的形状、材料有关，而

15、 且与振动系统的质量有关，所以振动管固有频率取决于且与振动系统的质量有关，所以振动管固有频率取决于 筒的形状、大小、材料和筒周围的介质。它对外界震动、筒的形状、大小、材料和筒周围的介质。它对外界震动、 冲击、加速度均不敏感。而当被测液体流经振动管时，冲击、加速度均不敏感。而当被测液体流经振动管时， 液体随筒一起振动，液体质量附加在筒的质量上，从而液体随筒一起振动，液体质量附加在筒的质量上，从而 改变系统的固有频率。改变系统的固有频率。 密度的自动测量（续）密度的自动测量（续） 密度的自动测量（续）密度的自动测量（续） 当被测液体流经振动管时，流体密度的变化将使振动管当被测液体流经振动管时，流体

16、密度的变化将使振动管 的固有振动频率改变；反之亦然。因此，测定振动管振动的固有振动频率改变；反之亦然。因此，测定振动管振动 频率的变化，从而间接地测定被测物体的密度，频率的变化，从而间接地测定被测物体的密度，若流体密若流体密 度增大，则振动频率将减小，度增大，则振动频率将减小，振动管液体密度检测正是利振动管液体密度检测正是利 用被测介质充满并流过金属管的振动理论，实现被测介质用被测介质充满并流过金属管的振动理论，实现被测介质 密度（密度（x）与频率（）与频率（fx）间的线性转换。）间的线性转换。 测密度时振动管两端固定在支座上，如下图所示。测密度时振动管两端固定在支座上，如下图所示。 密度的自

17、动测量（续）密度的自动测量（续） 密度检测的关键元件为恒弹性合金振动管密度检测的关键元件为恒弹性合金振动管1 1。由振动力学可知，当被。由振动力学可知，当被 测液体充满地流过振动管时，振动管的固有振动频率（测液体充满地流过振动管时，振动管的固有振动频率（f fx x）不仅与振动）不仅与振动 管的材质、几何形状（管壁厚、直径、长度）及两端固定方式有关，也管的材质、几何形状（管壁厚、直径、长度）及两端固定方式有关，也 与所通过介质的密度（与所通过介质的密度（x x）、温度、压力有关。这个关系可由振动方）、温度、压力有关。这个关系可由振动方 程得出：程得出： （1 1） 式中：式中：fx充满介质的管

18、子的横向振动频率；充满介质的管子的横向振动频率； C由振动状态决定的常数；由振动状态决定的常数； L管长；管长； E管子的纵弹性系数；管子的纵弹性系数； D1管子的外径；管子的外径； D2管子的内径；管子的内径； 01D12D22（1x） 为单位长度充满被测介质的管子的质量。为单位长度充满被测介质的管子的质量。 1金属管的密度；金属管的密度； x被测介质的密度。被测介质的密度。 4 0 4 2 4 1 )( 4L DDEC fx 显然，显然，当振动管的材质、几何形状及两端固定方式确定当振动管的材质、几何形状及两端固定方式确定 后，并假设所通介质的温度、压力恒定时，则其固有的振后，并假设所通介质

19、的温度、压力恒定时，则其固有的振 动频率动频率f fx x仅与流过介质的密度有关仅与流过介质的密度有关。测出测出f fx x（或周期（或周期T T）的）的 数值，即可求出数值，即可求出x x。 了便于从所测定的振动周期了便于从所测定的振动周期T Tx x（即（即1/f1/fx x）来确定）来确定x x值，值， 首先确定钢管内是真空状态（即首先确定钢管内是真空状态（即x x0 0）时的自然频率）时的自然频率f f0 0。 由由x x0 0和和f f0 0满足式（满足式（1 1），有：），有： 该等式两边去除（该等式两边去除（1 1）式，得到：）式，得到： 1 2 2 2 1 2 0 )( 4 D

20、DE L C f x x DDD DD f f 2 2 2 2 2 11 2 2 2 11 0 )( )( 密度的测量（续）密度的测量（续） 有前式解出有前式解出x x，并令，并令 最后得到最后得到： 由式可清楚地看出振动管的固有振动周期由式可清楚地看出振动管的固有振动周期T Tx x与密度与密度x x之之 间是二次曲线关系，若用振动管式密度变送器完成间是二次曲线关系，若用振动管式密度变送器完成x x-T-Tx x 转换，采用数字密度显示仪，根据（转换，采用数字密度显示仪，根据（2 2）式采用小区域线）式采用小区域线 性化方法，可实现密度的数字显示。性化方法，可实现密度的数字显示。 0 2 2

21、 2 2 2 1 1* D DD )2() 1() 1( 2 0 2 0 2 2 0 0 T T f f x X x X 密度的测量（续）密度的测量（续） 密度的测量（续）密度的测量（续） （二）密度计的组成结构（二）密度计的组成结构 振动式密度计主要由振动管和放大器组成振动式密度计主要由振动管和放大器组成. 单管振动式密度计也称为振筒式密度计单管振动式密度计也称为振筒式密度计 如右图所示，振动管是用镍的合金制成如右图所示，振动管是用镍的合金制成 的磁性体被测流体由振动管的内、的磁性体被测流体由振动管的内、 外侧流过，在电磁驱动线圈的驱动下，外侧流过，在电磁驱动线圈的驱动下， 振动管以一定的自

22、由频率产生振动。振动管以一定的自由频率产生振动。 密度的测量（续）密度的测量（续） 在电磁驱动线圈的驱动下，振动管以在电磁驱动线圈的驱动下，振动管以 一定的自由频率产生振动，通过电磁感一定的自由频率产生振动，通过电磁感 应，检测线圈将振动管的振动信号变为应，检测线圈将振动管的振动信号变为 电信号输送给驱动放大器，经放大后的电信号输送给驱动放大器，经放大后的 交流输出正反馈到驱动线圈，使振动管交流输出正反馈到驱动线圈，使振动管 继续维持自由振动。继续维持自由振动。 当被测液体密度变化时，充满流体的当被测液体密度变化时，充满流体的 振动管的振动频率也随之变化，从而使振动管的振动频率也随之变化，从而

23、使 驱动放大器的输出改变，此输出除反馈驱动放大器的输出改变，此输出除反馈 到驱动线圈外，同时又输入到输出转换到驱动线圈外，同时又输入到输出转换 器。这种密度计可用于液体密度的在线器。这种密度计可用于液体密度的在线 测量测量范围为测量测量范围为o3X103kgm3， 测量精度可达测量精度可达0.2lkgm3 三、井深测量三、井深测量 绞车传感器外观绞车传感器外观 利用绞车传感器利用绞车传感器 测量井深测量井深 利用绞车传感器利用绞车传感器: :测量井深测量井深 绞车计数的测量绞车计数的测量 绞车计数是钻井参数中的另一个重要参数，据此可计算绞车计数是钻井参数中的另一个重要参数，据此可计算 大钩高度

24、、井深、钻时、钻头进尺等参数。大钩高度的大钩高度、井深、钻时、钻头进尺等参数。大钩高度的 测量及其精度在钻井参数仪中尤为重要。最早采用的测测量及其精度在钻井参数仪中尤为重要。最早采用的测 量井深传感器几乎都存在传感器安装困难、寿命短，精量井深传感器几乎都存在传感器安装困难、寿命短，精 度差等缺点。自从法国度差等缺点。自从法国GeoserviceGeoservice公司生产的综合录井公司生产的综合录井 仪改用绞车传感器后，便克服了上述问题。仪改用绞车传感器后，便克服了上述问题。 绞车传感器结构原理如图所示。绞车传感器结构原理如图所示。 绞车传感器结构图绞车传感器结构图 利用绞车传感器利用绞车传感器: :测量井深测量井深 绞车计数的测量绞车计数的测量 制作一制作一n n齿的齿轮，齿宽不小于齿的齿轮，齿宽不小于1010毫米。齿轮上装有轴承，与绞车滚毫米。齿轮上装有轴承，与绞车滚 筒轴相连。齿轮外部装有轴承，与绞车滚筒轴相连。齿轮外部装有筒轴相连。齿轮外部装有轴承，与绞车滚筒轴相连。齿轮外部装有 两个非接触式信号检测器两个非接触式信号检测器A A和和B B，不随齿轮转动，检测器内装有磁感，不随齿轮转