測 控 基 礎(chǔ)(6)密度與井深08-5

1、第六章 密度的自動測量 在石油加工生產(chǎn)中，密度測量應(yīng)用也較多，它不僅在石油加工生產(chǎn)中，密度測量應(yīng)用也較多，它不僅關(guān)系到半成品和成品的質(zhì)量與數(shù)量的控制檢測及生產(chǎn)過程關(guān)系到半成品和成品的質(zhì)量與數(shù)量的控制檢測及生產(chǎn)過程的管理，而且關(guān)系到科學(xué)技術(shù)、國際貿(mào)易的促進與發(fā)展的管理，而且關(guān)系到科學(xué)技術(shù)、國際貿(mào)易的促進與發(fā)展 在石油工業(yè)中，對原油和石油產(chǎn)品的數(shù)量計量，通在石油工業(yè)中，對原油和石油產(chǎn)品的數(shù)量計量，通常均是通過測量它的密度和體積計算得到，因此密度的測常均是通過測量它的密度和體積計算得到，因此密度的測量對原油及其石油產(chǎn)品的計算、儲運有著重要的作用。尤量對原油及其石油產(chǎn)品的計算、儲運有著重要的作用。尤其

2、在原油管線計量方面，通過測量密度計算質(zhì)量流量是在其在原油管線計量方面，通過測量密度計算質(zhì)量流量是在線計量的重要方法同樣，在石油加工常需要通過密度的線計量的重要方法同樣，在石油加工常需要通過密度的檢測來確定產(chǎn)品的質(zhì)量準確的密度檢測是工業(yè)生產(chǎn)中必檢測來確定產(chǎn)品的質(zhì)量準確的密度檢測是工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的。不可少的。密度的自動測量（續(xù)） 一、基本概念一、基本概念 單位體積物質(zhì)的質(zhì)量為密度，用符號單位體積物質(zhì)的質(zhì)量為密度，用符號表示，其單位為表示，其單位為g/cmg/cm3 3、g/mLg/mL或或kg/mkg/m3 3。 若若V V體積的油品質(zhì)量為體積的油品質(zhì)量為mm，則油品密度為：，則油品密度為：

3、（5-15-1） 由于密度和溫度有關(guān)，通常用由于密度和溫度有關(guān)，通常用t t表示表示t t溫度時某溫度時某物質(zhì)的密度。國家規(guī)定物質(zhì)的密度。國家規(guī)定2020時石油及液體石油產(chǎn)品時石油及液體石油產(chǎn)品的密度為標準密度（的密度為標準密度（2020），其它溫度下測得的密），其它溫度下測得的密度為表觀密度（度為表觀密度（t t）?？筛鶕?jù)）?？筛鶕?jù)GB/T 1885GB/T 18858383（9191）石油計量換算表石油計量換算表，由測得的表觀密度（，由測得的表觀密度（t t）換）換算成標準密度（算成標準密度（2020）。）。 Vm密度的自動測量（續(xù)）密度的自動測量（續(xù)） 在溫差在溫差205范圍內(nèi)，密度隨溫

4、度的變化可范圍內(nèi)，密度隨溫度的變化可近似地看作直線關(guān)系，故亦可用下式換算：近似地看作直線關(guān)系，故亦可用下式換算： （5-2）式中：式中：油品密度的平均溫度系數(shù)，油品密度的平均溫度系數(shù)，g/(cm3)； t 油品的溫度，油品的溫度，。 液體油品的相對密度是其密度與規(guī)定溫度下水液體油品的相對密度是其密度與規(guī)定溫度下水的密度之比，通常以的密度之比，通常以d表示表示。我國及東歐各國習(xí)慣。我國及東歐各國習(xí)慣用用20時的油品密度與時的油品密度與4時的純水密度之比值時的純水密度之比值 表示油品的相對密度。因為表示油品的相對密度。因為4純水的密度接近純水的密度接近1 g/cm3，故，故20與與 在數(shù)值上相等，

5、但其物理意義在數(shù)值上相等，但其物理意義不同。不同。密度是有量綱的量，而相對密度是無量綱的密度是有量綱的量，而相對密度是無量綱的量。量。國際標準（國際標準（ISO）規(guī)定以）規(guī)定以15.6的純水為標準的純水為標準物質(zhì)，物質(zhì)，15.6時油品的相對密度以時油品的相對密度以 表示。表示。 )20(20tt204d204d6 .156 .15d密度的自動測量（續(xù)）密度的自動測量（續(xù)） 可用表（可用表（5-15-1）中的校正值互相換算，換算的關(guān)系式為：）中的校正值互相換算，換算的關(guān)系式為： （5-35-3） 表表5-1 5-1 相對密度（與）換算表相對密度（與）換算表 0.70000.7100 0.0051

6、 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 0.91000.92000.00390.78000.7900 0.0046 0.92000.9400 0.0038 0.80000.8200 0.0045 0.94000.9500 0.0037 0.82000.8400 0.0044 d6 .156 .15d6 .156 .15

7、ddddd6 .156 .15204204d6 .156 .15d二、浮力式密度計二、浮力式密度計 密度（或比重）的測量方法很多，只介紹煉油廠及油品儲運工程中較常用的浮力式密度計和精度較高的振動管式密度計兩種密度測量儀表 浮力式密度計的測量原理是基于阿基米德原理浮力式密度計的測量原理是基于阿基米德原理，即浸，即浸在流體內(nèi)的物體在流體內(nèi)的物體(浮子浮子)所受的浮力等于該物體所受的浮力等于該物體(浮子浮子)所所排開的流體重力，當液體的體積一定時，液體密度越大，排開的流體重力，當液體的體積一定時，液體密度越大，則浮力就越大。測得浮子的垂直位置的變化，就可以間則浮力就越大。測得浮子的垂直位置的變化，就

8、可以間接地得到液體的密度浮子可以是玻璃或金屬的，測量接地得到液體的密度浮子可以是玻璃或金屬的，測量密度有兩種形式；即漂浮浮子式密度計和全浸浮子式密密度有兩種形式；即漂浮浮子式密度計和全浸浮子式密度計。度計。密度的自動測量（續(xù)）密度的自動測量（續(xù)） 密度的自動測量（續(xù)）密度的自動測量（續(xù)） (一一)漂浮浮子式密度計漂浮浮子式密度計 這種密度計的結(jié)構(gòu)如圖所示它是這種密度計的結(jié)構(gòu)如圖所示它是將一浮子裝入圓筒形外殼將一浮子裝入圓筒形外殼2中，被測中，被測液體由下部入口管道流入，經(jīng)溢流口液體由下部入口管道流入，經(jīng)溢流口4排出溢流口的作用是維持液位恒排出溢流口的作用是維持液位恒定浮子定浮子3是上端直徑小，

9、下端直徑是上端直徑小，下端直徑大的中空圓筒其浮子質(zhì)量是根據(jù)密大的中空圓筒其浮子質(zhì)量是根據(jù)密度的測量范圍預(yù)先確定好的浮子直度的測量范圍預(yù)先確定好的浮子直徑大的部分全部浸沒在被測液體中，徑大的部分全部浸沒在被測液體中，直徑小的部分有一段伸出液面，伸出直徑小的部分有一段伸出液面，伸出高度由液體密度決定。高度由液體密度決定。 密度的自動測量（續(xù)）密度的自動測量（續(xù)） 根據(jù)阿基米德原理，浮子所受浮力為：根據(jù)阿基米德原理，浮子所受浮力為： 式中式中 v浮子被浸沒的體積，浮子被浸沒的體積， 被測介質(zhì)密度被測介質(zhì)密度當液體密度增大時，由于浮力增大，使當液體密度增大時，由于浮力增大，使浮筒上移，浮子被浸沒的體積

10、則會減少浮筒上移，浮子被浸沒的體積則會減少 此時浮子的浮力為：此時浮子的浮力為： 比較上兩式可得：比較上兩式可得： 由圖可見，浮子被浸沒的體積與浮子高由圖可見，浮子被浸沒的體積與浮子高度之間的關(guān)系為：度之間的關(guān)系為：gVFgVVFVVhdVhdHDV22244密度的自動測量（續(xù)）密度的自動測量（續(xù)） 式中式中 h h浮子上部浸沒高度浮子上部浸沒高度 d-d-浮子上部直徑；浮子上部直徑； H-H-浮子下部浸沒高度，浮子下部浸沒高度， D D浮子下部直徑：浮子下部直徑： hh密度變化密度變化時，時， 上部浸沒高度的變化量上部浸沒高度的變化量將這兩個關(guān)系式代入前式得：將這兩個關(guān)系式代入前式得： hH

11、dDh22密度的自動測量（續(xù)）密度的自動測量（續(xù)） 由上式可見，由上式可見，浮子上、下浮子上、下部分直徑部分直徑d d和和D D相差越大，則相差越大，則測量的靈敏度就越高測量的靈敏度就越高 當當時，浮子升高時，浮子升高的變化量的變化量hh與密度變化量與密度變化量之間近似線性關(guān)系。這之間近似線性關(guān)系。這種密度計可在浮子的上端或種密度計可在浮子的上端或下端連接差動變壓器的鐵芯，下端連接差動變壓器的鐵芯，如如C C所示，使其隨浮子的升降所示，使其隨浮子的升降改變鐵芯在差動變壓器中的改變鐵芯在差動變壓器中的位置，將位移轉(zhuǎn)換成電信號位置，將位移轉(zhuǎn)換成電信號輸出。輸出。密度的自動測量（續(xù)）密度的自動測量（

12、續(xù)） (二二)全浸浮子式密度計全浸浮子式密度計 這種密度計與上述密度這種密度計與上述密度計不同的是浮子的全部體計不同的是浮子的全部體積都浸沒在被測液體中。積都浸沒在被測液體中。但當液體密度改變時，浮但當液體密度改變時，浮于所受浮力同樣隨之變于所受浮力同樣隨之變化原理如圖化原理如圖D所示由所示由圖可知，當浮子體積為圖可知，當浮子體積為V，液體密度變化量為液體密度變化量為時，時，浮子所受浮力的變化量為浮子所受浮力的變化量為： 論述：該密度計的工作原論述：該密度計的工作原理理 VgF 三、振動式密度計三、振動式密度計 煉廠及油品儲運工程中較常用且精度較高的振煉廠及油品儲運工程中較常用且精度較高的振動

13、管式密度計和超聲比重儀兩種密度測量儀表。動管式密度計和超聲比重儀兩種密度測量儀表。 振動式密度計的原理是利用振動系統(tǒng)的振動與振動式密度計的原理是利用振動系統(tǒng)的振動與密度的關(guān)系進行密度測量的。密度的關(guān)系進行密度測量的。 這種以振動原理測量密度的儀器是一種比較新這種以振動原理測量密度的儀器是一種比較新型的測量儀表它具有結(jié)構(gòu)簡單、精度較高、可型的測量儀表它具有結(jié)構(gòu)簡單、精度較高、可在線連續(xù)測量、數(shù)字信號輸出等特點不但可用在線連續(xù)測量、數(shù)字信號輸出等特點不但可用于液體密度和氣體密度測量，在某些情況下也可于液體密度和氣體密度測量，在某些情況下也可作為實驗室標準儀表使用。作為實驗室標準儀表使用。密度的自動

14、測量（續(xù)）密度的自動測量（續(xù)） (一一)基本工作原理基本工作原理 振動管為一截面均勻的薄壁金屬管，是傳感器的敏感振動管為一截面均勻的薄壁金屬管，是傳感器的敏感元件，壁厚元件，壁厚0.07-0.12mm，由彈性力學(xué)理論可知，任，由彈性力學(xué)理論可知，任一物體振動的固有頻率不僅與它的形狀、材料有關(guān)，而一物體振動的固有頻率不僅與它的形狀、材料有關(guān)，而且與振動系統(tǒng)的質(zhì)量有關(guān)，所以振動管固有頻率取決于且與振動系統(tǒng)的質(zhì)量有關(guān)，所以振動管固有頻率取決于筒的形狀、大小、材料和筒周圍的介質(zhì)。它對外界震動、筒的形狀、大小、材料和筒周圍的介質(zhì)。它對外界震動、沖擊、加速度均不敏感。而當被測液體流經(jīng)振動管時，沖擊、加速度

15、均不敏感。而當被測液體流經(jīng)振動管時，液體隨筒一起振動，液體質(zhì)量附加在筒的質(zhì)量上，從而液體隨筒一起振動，液體質(zhì)量附加在筒的質(zhì)量上，從而改變系統(tǒng)的固有頻率。改變系統(tǒng)的固有頻率。密度的自動測量（續(xù)）密度的自動測量（續(xù)） 密度的自動測量（續(xù)）密度的自動測量（續(xù)） 當被測液體流經(jīng)振動管時，流體密度的變化將使振動管當被測液體流經(jīng)振動管時，流體密度的變化將使振動管的固有振動頻率改變；反之亦然。因此，測定振動管振動的固有振動頻率改變；反之亦然。因此，測定振動管振動頻率的變化，從而間接地測定被測物體的密度，頻率的變化，從而間接地測定被測物體的密度，若流體密若流體密度增大，則振動頻率將減小，度增大，則振動頻率將減

16、小，振動管液體密度檢測正是利振動管液體密度檢測正是利用被測介質(zhì)充滿并流過金屬管的振動理論，實現(xiàn)被測介質(zhì)用被測介質(zhì)充滿并流過金屬管的振動理論，實現(xiàn)被測介質(zhì)密度（密度（x）與頻率（）與頻率（fx）間的線性轉(zhuǎn)換。）間的線性轉(zhuǎn)換。 測密度時振動管兩端固定在支座上，如下圖所示。測密度時振動管兩端固定在支座上，如下圖所示。密度的自動測量（續(xù)）密度的自動測量（續(xù)） 密度檢測的關(guān)鍵元件為恒彈性合金振動管密度檢測的關(guān)鍵元件為恒彈性合金振動管1 1。由振動力學(xué)可知，當被。由振動力學(xué)可知，當被測液體充滿地流過振動管時，振動管的固有振動頻率（測液體充滿地流過振動管時，振動管的固有振動頻率（f fx x）不僅與振動）不

17、僅與振動管的材質(zhì)、幾何形狀（管壁厚、直徑、長度）及兩端固定方式有關(guān)，也管的材質(zhì)、幾何形狀（管壁厚、直徑、長度）及兩端固定方式有關(guān)，也與所通過介質(zhì)的密度（與所通過介質(zhì)的密度（x x）、溫度、壓力有關(guān)。這個關(guān)系可由振動方）、溫度、壓力有關(guān)。這個關(guān)系可由振動方程得出：程得出： （1 1）式中：式中：fx充滿介質(zhì)的管子的橫向振動頻率；充滿介質(zhì)的管子的橫向振動頻率； C由振動狀態(tài)決定的常數(shù)；由振動狀態(tài)決定的常數(shù)； L管長；管長； E管子的縱彈性系數(shù)；管子的縱彈性系數(shù)； D1管子的外徑；管子的外徑； D2管子的內(nèi)徑；管子的內(nèi)徑； 01D12D22（1x） 為單位長度充滿被測介質(zhì)的管子的質(zhì)量。為單位長度充滿

18、被測介質(zhì)的管子的質(zhì)量。 1金屬管的密度；金屬管的密度； x被測介質(zhì)的密度。被測介質(zhì)的密度。404241)(4LDDECfx 顯然，顯然，當振動管的材質(zhì)、幾何形狀及兩端固定方式確定當振動管的材質(zhì)、幾何形狀及兩端固定方式確定后，并假設(shè)所通介質(zhì)的溫度、壓力恒定時，則其固有的振后，并假設(shè)所通介質(zhì)的溫度、壓力恒定時，則其固有的振動頻率動頻率f fx x僅與流過介質(zhì)的密度有關(guān)僅與流過介質(zhì)的密度有關(guān)。測出測出f fx x（或周期（或周期T T）的）的數(shù)值，即可求出數(shù)值，即可求出x x。 了便于從所測定的振動周期了便于從所測定的振動周期T Tx x（即（即1/f1/fx x）來確定）來確定x x值，值，首先確

19、定鋼管內(nèi)是真空狀態(tài)（即首先確定鋼管內(nèi)是真空狀態(tài)（即x x0 0）時的自然頻率）時的自然頻率f f0 0。由由x x0 0和和f f0 0滿足式（滿足式（1 1），有：），有： 該等式兩邊去除（該等式兩邊去除（1 1）式，得到：）式，得到： 1222120)(4DDELCfxxDDDDDff2222211222110)()(密度的測量（續(xù)）密度的測量（續(xù)） 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動管的固有振動周期由式可清楚地看出振動管的固有振動周期T Tx x與密度與密度x x之之間是二次曲線關(guān)系，若用振動管式密度變送器完成間是二次曲線關(guān)系，若用振動管式密

20、度變送器完成x x-T-Tx x轉(zhuǎn)換，采用數(shù)字密度顯示儀，根據(jù)（轉(zhuǎn)換，采用數(shù)字密度顯示儀，根據(jù)（2 2）式采用小區(qū)域線）式采用小區(qū)域線性化方法，可實現(xiàn)密度的數(shù)字顯示。性化方法，可實現(xiàn)密度的數(shù)字顯示。02222211*DDD)2() 1() 1(20202200TTffxXxX密度的測量（續(xù)）密度的測量（續(xù)） 密度的測量（續(xù)）密度的測量（續(xù)） （二）密度計的組成結(jié)構(gòu)（二）密度計的組成結(jié)構(gòu)振動式密度計主要由振動管和放大器組成振動式密度計主要由振動管和放大器組成. 單管振動式密度計也稱為振筒式密度計單管振動式密度計也稱為振筒式密度計 如右圖所示，振動管是用鎳的合金制成如右圖所示，振動管是用鎳的合金制

21、成的磁性體被測流體由振動管的內(nèi)、的磁性體被測流體由振動管的內(nèi)、外側(cè)流過，在電磁驅(qū)動線圈的驅(qū)動下，外側(cè)流過，在電磁驅(qū)動線圈的驅(qū)動下，振動管以一定的自由頻率產(chǎn)生振動。振動管以一定的自由頻率產(chǎn)生振動。 密度的測量（續(xù)）密度的測量（續(xù)） 在電磁驅(qū)動線圈的驅(qū)動下，振動管以在電磁驅(qū)動線圈的驅(qū)動下，振動管以一定的自由頻率產(chǎn)生振動，通過電磁感一定的自由頻率產(chǎn)生振動，通過電磁感應(yīng)，檢測線圈將振動管的振動信號變?yōu)閼?yīng)，檢測線圈將振動管的振動信號變?yōu)殡娦盘栞斔徒o驅(qū)動放大器，經(jīng)放大后的電信號輸送給驅(qū)動放大器，經(jīng)放大后的交流輸出正反饋到驅(qū)動線圈，使振動管交流輸出正反饋到驅(qū)動線圈，使振動管繼續(xù)維持自由振動。繼續(xù)維持自由振動

22、。 當被測液體密度變化時，充滿流體的當被測液體密度變化時，充滿流體的振動管的振動頻率也隨之變化，從而使振動管的振動頻率也隨之變化，從而使驅(qū)動放大器的輸出改變，此輸出除反饋驅(qū)動放大器的輸出改變，此輸出除反饋到驅(qū)動線圈外，同時又輸入到輸出轉(zhuǎn)換到驅(qū)動線圈外，同時又輸入到輸出轉(zhuǎn)換器。這種密度計可用于液體密度的在線器。這種密度計可用于液體密度的在線測量測量范圍為測量測量范圍為o3X103kgm3，測量精度可達測量精度可達0.2lkgm3三、井深測量三、井深測量絞車傳感器外觀絞車傳感器外觀利用絞車傳感器利用絞車傳感器測量井深測量井深利用絞車傳感器利用絞車傳感器: :測量井深測量井深絞車計數(shù)的測量絞車計數(shù)的

23、測量 絞車計數(shù)是鉆井參數(shù)中的另一個重要參數(shù)，據(jù)此可計算絞車計數(shù)是鉆井參數(shù)中的另一個重要參數(shù)，據(jù)此可計算大鉤高度、井深、鉆時、鉆頭進尺等參數(shù)。大鉤高度的大鉤高度、井深、鉆時、鉆頭進尺等參數(shù)。大鉤高度的測量及其精度在鉆井參數(shù)儀中尤為重要。最早采用的測測量及其精度在鉆井參數(shù)儀中尤為重要。最早采用的測量井深傳感器幾乎都存在傳感器安裝困難、壽命短，精量井深傳感器幾乎都存在傳感器安裝困難、壽命短，精度差等缺點。自從法國度差等缺點。自從法國GeoserviceGeoservice公司生產(chǎn)的綜合錄井公司生產(chǎn)的綜合錄井儀改用絞車傳感器后，便克服了上述問題。儀改用絞車傳感器后，便克服了上述問題。絞車傳感器結(jié)構(gòu)原理如圖所示。絞車傳感器結(jié)構(gòu)原理如圖所示。 絞車傳感器結(jié)構(gòu)圖絞車傳感器結(jié)構(gòu)圖利用絞車傳感器利用絞車傳感器: :測量井深測量井深 絞車計數(shù)的測量絞車計數(shù)的測量 制作一制作一n n齒的齒輪，齒寬不小于齒的齒輪，齒寬不小于1010毫米。齒輪上裝有軸承，與絞車滾毫米。齒輪上裝有軸承，與絞車滾筒軸相連。齒輪外部裝有軸承，與絞車滾筒軸相連。齒輪外部裝有筒軸相連。齒輪外部裝有軸承，與絞車滾筒軸相連。齒輪外部裝有兩個非接觸式信號檢測器兩個非接觸式信號檢測器A A和和B B，不隨齒輪轉(zhuǎn)動，檢測器內(nèi)裝有磁感，不隨齒輪轉(zhuǎn)動，檢測器內(nèi)裝有磁感應(yīng)電