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立式金属罐容量计量分析与三维激光扫描仪有机结合
摘要：该文通过分析比对在立式金属罐径向偏差测量中分别应用具导轨法、全站仪法、三维激光扫描法，进行进一步分析比对，得到径向偏差、罐容、不确定度数据，对比对结果进行分析探讨，为三维激光扫描仪在立式金属罐罐容计量的应用提供了良好的应用实例，三维激光扫描仪在数据获取方面更加全面、高效、直观、复现性好，特别是其对采样数据的全面直观性，使其通过三维建模数据分析拓展到罐体变形、应力分析、异形罐体容积值测量等方面的应用提供了参考。
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三维激光扫描仪是90年代初期发展而来的数据获取技术，随着扫描速率和准确度的不断提升，在计量学方面的应用也逐年递增，立式金属罐容积计量目前主要有围尺法和径向偏差法，而径向偏差法目前采用的形式一般是具导轨原理方式和光电测距法，本文主要分析在容积计量中应用径向偏差测量法，径向偏差法分别应用具导轨原理、光电测距法(全站仪法)和三维激光扫描仪的光电测距法(三维激光扫描法)，并分别对其不确定度、径向偏差、罐容体积进行分析比较，进一步对三维激光扫描法在立式金属罐容积计量中的应用进行分析探讨。
1、具导轨法、全站仪法、三维激光扫描法的工作原理
具导轨光学径向偏差测量仪是由基准轴系、导轨转动系、照准部及智能运算器等四部分组成[1]。照准部包括望远镜、垂直度盘和读数显微镜三部分，安装在滑动导轨上沿固定导轨移动，以望远镜视准轴的平行移动来测量罐的径向偏差，移动距离由游标尺读出(如图1所示)，后续测量计算进行罐容表编制。
图1具导轨径向偏差测量原理示意图
全站仪是由电子测角、电子测距和数据自动记录等系统组成[2]。依据JJG168-2018《立式金属罐容量》规程，利用全站仪测得各圈板板高，利用对每一圈板固定位置单点扫描获取数据，进而得到半径数据(如图2所示)，进而可通过后期处理软件对罐容进行编制。
图2全站仪的径向偏差测量原理示意图
三维激光扫描仪和全站仪基本原理类似，用马达作水平和垂直方向的旋转，用激光作为光源进行测距[3,4,5,6,7,8]。通过获得的三维坐标利用后期处理软件构建三维建模图(如图3所示)，通过各圈板数据点进一步得到径向偏差数据，进而进行数据分析处理编制出罐容表。
图3三维激光扫描法三维建模图
2、具导轨法、全站仪法、三维激光扫描法的径向偏差测量应用比较
2.1径向偏差测量比较
本次测试比较对象为：基圆半径为10500mm,9层圈板总高为15.23m，标称容积值为5000m3的立式金属罐。分别应用具导轨法、全站仪法、三维激光扫描法进行径向偏差测量(均为内测)，从基圆以上各圈板分别应用这三种径向偏差测量方法进行测量，得到各圈板径向偏差数据，如表1所示，各圈板径向偏差法数据比较图如图4所示，且从表1、图4中可以比较直观地看出，三种测量方法整体径向偏差数据波动不大，走向一致，通过这三种方法得到的各圈板半径基本一致，三维激光扫描仪在径向偏差数据获取的准确性得到验证。
表1各圈板径向偏差表
图4各圈板径向偏差法数据比较图
2.2罐容容积值数据比较
通过三种测量方法得到的径向偏差进一步计算得到罐容表，通过分析10m以上每隔1m得到所对应的数据(如表2所示)，并分别对全站仪法和三维激光扫描法与具导轨法差值进行进一步分析，得到表2中的数据及图5所示对比图，可以得出全站仪法和三维激光扫描法与传统的具导轨法所获得的罐容表一致性比较高，相对差值低于0.02%，说明应用这三种方法差值对罐容容积值影响可以忽略，三维激光扫描法在立式罐罐容计量方面的可行性应用得到进一步验证。
表2对应高度容积值比较表
图5全站仪法、三维激光扫描法与具导轨法同高度容积差值对比图
2.3方法应用综合比较
通过本次对这三种方法的应用，从便利性、效率、成本等方面分析综合应用比较，如表3所示。
2.4三种测量方法不确定度比较
三种测量方法除了径向偏差测量方法不一致外其他各项测量方法一致，所用计量标准器具一致，分别对这三种方法进行罐体容积计量的不确定度分析，如表4所示。从表4中可以看出，三种方法均可以满足JJG168-2018《立式金属罐容量》对测量不确定度的要求[9,10,11,12]，且较为接近，这为三维激光扫描仪在立式金属罐罐容计量上的应用提供了可能。
表3方法比较
表4不确定度及径向偏差比较
3、结语
从本次立式金属罐容积值测量相关数据上可以看出，分别应用具导轨法、全站仪法、三维激光扫描法进行径向偏差测量，所得到的数据及不确定度结果比较，三维激光扫描法与全站仪法、具导轨法相比准确度一致程度高，效率高、复现性好，且三维激光扫描法更加全面、高效、直观。本次应用实例为三维激光扫描法在立式金属罐罐容计量方面的应用提供了可行性参考，并为三维激光扫描法在罐体变形、应力分析建模等方面提供了应用的可能，也为三维激光扫描仪在其他异形罐体容积计量方面的应用及分析提供了参考。
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2020-08-10我要评论
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2020-06-13
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