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卧式金属罐容量现场检测方法的研究 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：垒生华 日期： 垫! ! ： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在土年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名： 导师签名： 日期：一塑”o j 日期：二趔弛卜 学位论文数据集 中图分类号 t b 9 学科分类号 4 6 0 4 0 3 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 1 9 0 1 4 密级非保密 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称 北京化工大学 作者姓名佟林学号 2 0 0 6 0 3 9 0 1 4 获学位专业名称机械工程获学位专业代码 4 3 0 1 0 2 质检公益性行业科研 课题来源研究方向容量计量 专项项目 论文题目卧式金属罐容量现场检测方法的研究 关键词卧式罐、容量计量、自动光电内测法、自动容量比较法、防爆 论文答辩日期2 0 1 1 年5 月3 0 日幸论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师戴凌汉高级工程师北京化工大学化工过程机械 评阅人l钱才富教授北京化工大学化工过程机械 评阅人2罗志勇研究员中国计量科学研究院容量、密度计量 评阅人3 评阅人4 评阅人5 椭员会捕王奎升教授北京化工大学 答辩委员l张迎恺高工中国石化工程建设公司 答辩委员2张连凯副教授北京化工大学 答辩委员3 答辩委员4 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b 厂r1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中查 询 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 卧式金属罐容量现场检测方法的研究 卧式金属罐容量现场检测方法的研究 摘要 作为石化企业计量和储存液体的器具，卧式罐容量计量的精确与否 直接决定了企业能否进行完善的库存管理和进销存封闭控制，研究其精密 计量装置和方法具有重要现实意义。由于测量准确度、工作效率以及操作 安全性等原因，长期使用且埋在地下的一些卧式金属罐不能按照检定周期 检定。本研究项目采用先进的激光测量技术、计算机控制技术和数据处理 技术，进行卧式罐容量计量方法研究，主要包括自动光电内测法和自动容 量比较法的研究，并进行了相应测量系统的研制。自动光电内测法是基于 激光测距和光栅测角原理，进行卧式金属罐空间几何特征参数的自动测 量，根据水平方向分层累加的方法完成不同液位高度容量值的计算。试验 表明光电内测方法具有良好的重复性，可以达到o 1 ，卧式罐满量程容 量测量值满足相对不确定度l = o 3 ( 肛2 ) 的技术要求。自动容量比较法 研究中提出了一种基于标准金属量器的卧式罐容量自动计量检定方法与 装置，计算机设备控制标准金属量器组进液，将经过容量精确计量的液体 从标准量器组流入卧式罐内，由液位传感器和温度传感器实时测量出卧式 罐内的液位高度和温度，计算出卧式罐测量液位高度对应的容量表，并提 出了一种标准金属量器自动组合方法。试验表明自动容量比较法满量程处 卧式罐容量值的重复性指标为o 0 9 1 ，测量方法相对扩展不确定度评定 结果为尸o 0 2 2 ( 婷2 ) 。根据以上两种方法设计的现场测量系统均进行 了防爆设计，满足本质安全性防爆要求，使用单位能够在不清洗罐、不停 1 卧式金属罐容量现场检测方法的研究 业的条件下对卧式金属罐容积进行自动检测，并得到准确的容量表，满足 贸易交接和科学管理的需要。 关键词：卧式罐、容量计量、自动光电内测法、自动容量比较法、防爆 卧式金属罐容量现场检测方法的研究 t h em e t h o do fc a l i b r a t i n gh o r i z o n t a l c y l i n d r i c a lt a n k a b s t r a c t a sm e a s u r ea n ds t o c k p i l ei m p l e m e n t ，t h eh o r i z o n t a lc y l i r l d r i c a lt a n k p r e c i s i o ni sv e 巧i m p o 比m tf o rp e t r o l e u me n t e 印r i s e ，m i st e x tw i l li n t r o d u c e t w oa d v a l l c e dc a l i b r a t i n gm e t h o d s o w i n gt ot h ev e r a c i t yo fm e t e r a g e 、w o r k e m c i e n c ya n dt h es e c u r i t yo fo p e r a t i o na n do t h e rc a u s a t i o n ，s o m eh o r i z o n t a l c y l i n d r i c a lt 诎w o r k i n gs e c u l a ra n du n d e 学o u n d c a nn o tt e s ta c c o r d i n gt ot h e t e s t i n gp e r i o d s t h i si 1 1 v e s t i g a t i v ei t e ma d o p ta d v a n c e dm e t r i c a lt e c h n i q u eo f l a s e rl i g h t ，m a n i p u l a t i v et e c l l l l i q u eo fu s 洫gc a l c u l a t i n gm a c h i n ea n dm e t e c h n i q u eo fd a t ap r o c e s s i n gt oi n v e s t i g a t et h et e s tm e t h o da b o u th o r i z o n t a l c y l i n d r i c a l t 甜l l ( ，t h e i m p o r t a n ti i e s t i g a t i o n i n c l u d em em e t h o d a u t o _ p h o t o e l e c t r i c i n t e r i o r m e t e r a g e a n d a u t o c o m p 龇a t i v e c a p a c i t a n c e ，c a r r y i n g龇曲t h ei 1 1 v e s t i g a t i o n o fc o r r e s p o n d i n gm e t r i c a l s y s t e m 7 r h em e t h o da u t o p h o t o e l e c 仃i c i n t e r i o r m e t e r a g e i sb a s e do nt h e t e c l l l l i q u e l a s e r m e a s u r i n g d i s t 狮c ea n d g r a t i n gm e a s u r i n ga n g l e ， a l “d m e a s u r i n g h o r i z o n t a l c y l i n d 打c a l t a r l l (d i m e n s i o n a l g e o m e t r i c a l c h a r a c t e rp a r 锄e t e r ，b a s i n go nt h em e t h o do fh o r i z o n t a ll a y e r e da d d i t i o nt o 3 i n p o u rl i q u i d ，l e tt h el i q u i db yc a p a c i t ym e a s u r i n ga c c u r a t e l yi n p o u rh o r i z o n t a l c y l i n d r i c a lt a l l l ( f 如mt h es t a n d a r dm e t a l l i n em e a s u r eg r o u p ，t h et e m p e r a t u r e a n dl i q u i ds u r f a c eh e i 曲ti nh o r i z o m a lc y l i n 嘶c a l 伽出c 锄b em e n s u r a t e dr e a l t i m eb y1 i q u i d p o s i t i o n a lt r a n s d u c e r 锄dt e m p e r a t u r e 仃肌s d u c e r ，w o r ko u t h o r i z o n t a lc y l m d r i c a l t a m 【m e t r i c a l l i q u i dp o s i t i o n a lc o r r e s p o n d i n gc 印a c i t y t a b l e ，a n db r i n gf o “婚r do n ea l i t o c o m b i f l e dm e t h o da b o u ts t a n d a mm e t a l l i n e m e a s u r e t h ee x p e r i m e n t a t i o ni n d i c a t et h a th o r i z o n t a lc y l i n d r i c a lt a n k c 印a c i 妙 v a l u er e p e t i t i v eg u i d el i n ea t c 印a c i t ya l l t o c o m p a r e d 如nm e a s u r ee x t e n ti s o 0 9l p e r c e n t ，t 1 1 ea s s e s s e dr e s u l tt h a tm e t r i c a lm e t h o do p p o s i t e p a t u l o u s i n d e t e m i n a t em e a s u r ei s 尸o 0 2 2 ( 肛2 ) ，n l el o c a l em e t r i c a ls y s t e mt h a t i sb a s e do nt 、v om e t h o d sd e v i s e dh e r e i n b e f o r ea up r o g r e s sp r e v e n t i n gb l a s t d e s i g n ，s e t t l ef o rt 1 1 ep r e v e m i n gb l a s tr e q u e s to fe s s e n t i a ls e c u r i 劬t h eu n i t s c a na u t o t e s th o r i z o n t a lc y l i n d r i c a l 伽1 k c u b a g ei i lt h ec o n d i t i o no fn o tc l e a l l i n g t a u lka n dn o ts h u t o u t ，a l s og a i n e de x a c tc a p a c 埘词) 1 e ，s e t t l ef o rt l l er e q u e s t 4 卧式金属罐容量现场检测方法的研究 a b o u tt r a d ec o n n e c t i n ga n ds c i e m i f i cm a n a g e k e y w o r d s ：h o r i z o n t a l c y l 访d r i c a l t a i 墩， v o l u m ec a l i b r a t i o n ， a u t o - p h o t o e l e c t r i ci n t e r i o rm e t e r a g em e m o d ，a u t o - c o m p a r a t i v ec 印a c i 切n c e m e t h o d 5 2 卧式金属罐容量计量中自动光电内测法研究的技术解决方案1 0 2 1 测量系统组成及主要部件技术参数指标1 0 2 2 测量过程1 2 2 3 卧式金属罐容积测量计算方法1 4 2 4 防爆设计2 4 2 5d 、结2 4 第三章自动容量比较法的研究2 5 3 卧式金属罐容量计量中自动容量比较法研究的技术解决方案2 5 3 1 测量系统组成及主要部件技术参数指标2 5 3 2 卧式罐容量测量方法2 8 3 3 控制分析软件简介3 2 3 4 防爆设计3 4 3 5 小结3 6 第四章试验验证3 7 6 1 1 l 2 4 6 6 7 卧式金属罐容量现场检测方法的研究 4 1 自动光电内测法试验验证3 7 4 1 1 试验系统3 7 4 1 2 重复性试验3 7 4 1 3 与容量比较法的比对试验3 8 4 1 4 不确定度分析3 9 4 1 5 小结3 9 4 2 自动容量比较法试验验证4 1 4 2 1 重复性试验4 1 4 2 2 与容量比较法的比对试验4 2 4 2 3 柴油介质整体试验4 3 4 2 4 不确定度计算4 3 4 2 5 爿、结4 7 第五章结论4 8 参考文献5 0 致谢5 3 研究成果及发表的学术论文5 4 作者和导师简介5 5 7 _ 1 - 1 - 1 2 4 6 i m e 眦lm e n l o d 6 1 4 2t h er e s e a r c ho fa t o m a t i cv o l u i ：n e t r i cc o i l l p 撕s o nm e t l l o d 7 c h a p t e r2t h er e s e a r c ho fa o t o m a t i ce l e c t 】r o - o p t i c a ld i s t a n c e r a n g i n g i n t e r n a lm e t h o d 1 0 2 t b c l l i l o l o g ys o l u t i o no fa o t o m a t i ce l e c t r o - o p t i c a ld i s t a i l c e r a n g i n gi n t e m a lm e t h o d l0 2 1m e 嬲谢n gs y s t e ma n dt h et e c l l i c a lp a r a m e t e ro fi t sm 萄o rp a r t 1 0 2 2m e a s 谢n gp r o c e s s 1 2 2 3c o m p u t i n gm e t l o di nv o l u i n ec a l i b r a t i o n 1 4 2 4e x p l o s i o n - p r e v e n t e dd e s i g n2 4 2 5b r i e fs l 埘： r l 砌y 2 4 c h a p t e r3t h er e s e a r c ho fa t o m a t i cv o l u m e t r i cc o m p a r i s o nm e t h o d 2 5 3t e c l l l l o l o g ys o l u t i o no fa o t o m a t i cv o l u i 】1 嘶cc o m p a r i s o nm 劬o d 2 5 3 1m e 嬲l l r i n gs y s t e ma i l dt h et e 伽c a lp a r 锄e t e ro fi t sm 萄o rp a r t 2 5 3 2m e t b o do fv o l u i i l ec a l i b r a _ t i o n 2 8 3 3b r i e fi n 仃o d u c t i o no fc o n n d la i l a l y s i ss o 胁w e 3 2 3 4e ) ( p l o s i o n - p 托v e n t e dd e s i g n 3 4 3 5b r i e fs l l l 】【l i n a 呵3 6 c h a p t e r4v r e r i 6 c a t i o nt e s t = 。! 。= 椭3 7 、 。8w i 卧式金属罐容量现场检测方法的研究 4 1v | e r i f i c a t i o nt e s to fa o t o m a t i ce l e c t r o o p t i c a ld i s 切n c e - r a n g i n gi n t e 加mm e t h o d 3 7 4 1 1t b s ts v s t e m s 3 7 4 1 2r e p e t i t i v et e s t 3 7 4 1 3c o m p a r i s o nt e s t 3 8 4 1 4u n c e r t a i n t 、，o fi n e a s u r e m e n t 3 9 4 1 5b r i e fs u m m a r v “3 9 4 2v | e r i f i c a t i o nt e s to fo fa o t o m a t i cv o l u m e t r i cc o m p a r i s o nm e t h o d 41 4 2 1r - e p e t i t i v et e s t ”4 1 4 2 2c o m p 撕s o nt e s t 4 2 4 2 3 m o l et e s t 、杭t hd i e s e li i i e d i u 】 i l 4 3 4 2 4u n c e r t a i n t vo fm e a s u r e m e n t 4 3 4 2 5b r i e fs u m m a n r 4 7 c h a p t e r5t h ec o n c l u s i o n 4 8 t h er e f i e r e n c e 5 0 a c k n o w l e d g m e n t s 5 3 a c h i e v e m e n t sa n dp a p e r s 5 4 a b o u tt h ea u t h o ra n dt e a c h e r 5 5 9 测量系统标准量器的体胀系数，1 卧式金属罐的体胀系数，以 液体的体胀系数，d 测量系统标准量器中液体温度， 卧式金属罐中液体温度， 卧式金属罐液位测量带来的附加容量值，l 卧式金属罐残留量带来的附加容量值，l 线性内插法编制容量表带来的附加容量值，l 不确定度分量 相对扩展不确定度 1 0 艮 艮 艮 h 。| u u 卧式金属罐容量现场检测方法的研究 1 1 研究的意义 第一章绪论 卧式金属罐容量现场检测方法的研究 1 3 1 国外研究概况及存在的问题 ( 1 ) 卧式油罐容量几何测量法 卧式油罐容量的几何测量法中【3 】，假设卧式罐是由规则的球缺体、圆锥台体、小 圆弧体和直管段体四部分组成，通过测量圆筒内直径、直圆筒内总长、顶板内直径、 顶板内外伸长、顶板外高，计算得到卧式罐总容量。 按照国际建议o i m lr 8 0 【4 】和a p is t d 2 5 5 1 【5 】，卧式油罐容量几何测量法分为内测 和外测两种：外测方法采用围尺法( s 缸a p p i n gm e t h o ( 1 ) 和直接测量法得到圆柱筒体和封 头处的尺寸；内测法采用套管尺、半径三角仪、钢质跨越规或半径规等方法测量简体 尺寸【3 5 1 。每一高度对应的容量值通过截面几何公式进行计算。与立式罐不同的是，卧 式罐内液体的容量随纵向高度变化是不均匀的，特别是由于卧式罐大部分存在一定程 度的倾斜，导致卧式罐水平截面的形状不规则，增加了计算难度和误差。而且现有几 何测量方法需要在卧式罐清空后人工进入罐内使用套管尺等设备进行操作，存在清罐 作业费用大、污染环境、测量方法自动化程度低、劳动强度大、罐内残留有害气体对 检定人员存在安全隐患等不足。由于上述原因，长期使用且埋在地下的一些卧式金属 罐不能按照检定周期检定。 随着测绘科学技术的不断革新，逐渐提出了光电测距法( e o d r ) 应用到立式和卧 式油罐的容量计量中，该方法已由s h i nn i h o nk e m e lk y o k a i ( 新日本测量员协会) 推荐， 由国际标准化组织i s o 厂r c 2 8 s c3 确定为国际标准【6 】【7 】。该方法精度高，适用于内测， 特别适用于地下油库和带保温层的金属罐，但是这种方法是在人工操作方式下进行工 作，效率低，而且采样量小，受构件遮蔽、仪器基点选择等因素影响大。值得借鉴的 是这种方法代表了几何测量法的发展方向，即激光测量法，为后续研究提供有益的参 考。 ( 2 ) 金属膜渗透法 砒c h a r dt ，p a u ld ，w i l l i a mf ，m c h a r dc ，l o e n ，e v e r e t t ，s t o s t i ，l b e 饥i n a h ，f g i o r d a n 0 等【弘1 3 】提出了一种新的储罐容量测量方法，称之为金属膜渗透法。这种方法 的核心测量元件是f e - n i 基金属渗透膜，将这种金属膜密封在储罐出口处，对储罐内 部进行空气激励，由于金属膜的渗透率是固定的，其两面的空气压差就决定了金属膜 的气体透过量。对理想气体状态方程进行微分推导，可以从理论上得出储罐容量与时 间、相应压强的关系，通过测量时间步长的合理选取，只需要测量两次储罐内外部的 压强变化就可以反推出储罐的体积。这种方法从本质上还是属于气体激励法的范畴， 对储罐的密闭性具有严格的要求，试验室环境下的最高测量精度为o 8 2 ，离计量使 用要求还有一定差距。 ( 3 ) 流体体积动态标定方法 g e r a l d ，a l a i l ，s c h e l l e n b e r g ，t h o m 弱等人【1 4 】提出了流体体积动态标定方法进行 2 卧式金属罐容量现场检测方法的研究 储罐容量检测，通过流体体积传感装置向储罐内注入液体介质，在储罐顶部安装液位 传感器进行液面测量，这样就得到容器内部介质体积与液面高度之间的对应关系，这 种方法本质上属于容量比较法，可以实现在线动态测量，自动化程度高，但是受两个 条件的局限：第一，需要的工作液体介质量太大；第二，动态流体体积传感装置的精 度一般在0 2 左右，用其进行储罐容量计量的不确定度大。但是在这种方法的基础上， 使用标准金属量器( 如0 0 2 5 精度的金属量器) 进行卧式罐标定，可以大大提高卧式罐 容量的计量精度，可以作为其他计量方法的参照比对依据。 超声波测量法 c h a l a i l a ，d u d v c h a ，m c m o n o 15 1 ，谢正纠1 q 和l e e ，加i lp 【1 7 】等就超声波测量 空间体积进行了研究，这种方法类似几何测量法中的光电测距法，不同之处在于通过 超声波进行空间距离的测量。利用超声波来测距是一种传统的非接触测量方法，不受 光及电磁波等外界因素的影响，对环境有一定的适应能力，由于超声波在液态介质中 的衰减要远小于空气中的衰减，所以这种方法可以在油罐不清罐的工作状态下进行测 量。但是随着油罐的大型化，对超声波测距的能力要求增加。由于介质对声波的吸收 与声波频率平方成正比，为减小声波的传播损失，就必须降低工作频率，但是工作频 率的降低，对相同尺寸换能器来说，传感器的方向性越发散，表面测量的误差就会加 大。所以精度的提高对使用超声波方法进行大容量油罐容量测量是非常重要的。超声 波空间测量方法研究中的另外一个有益参考就是空间三维几何模型的构建方法。 ( 5 ) 近景摄影测量方法 简逢敏【1 8 】和卫飞飞等【1 9 1 曾将摄影测量技术引入到大容量油罐测量中，进行了有益 的探索与研究。摄影测量是利用影像来重建三维表面模型的技术，即重建所测物体的 三维表面模型，然后在模型上进行测量空间几何特征。在罐外壁布设测点，用测绘摄 像机进行储罐的空间拍照，通过图像交汇法配合d l t 算法测定测点的坐标值，拟合 计算出储罐的物理空间位置。由于近景摄影法的测量范围有限，所以对于大容量油罐 测量时需要转换多个测站位置，而且测量精度有待提高，但是这种试图构建大容量油 罐物理几何模型的研究思路是很有借鉴意义的。 从上述分析可知，大容量油罐容量计量方法经过多年的发展，在理论研究和产品 开发方面取得了巨大的进展，与其他方法相比，通过测量大容量油罐物理几何特征进 行容量计量方法是最有研究和应用价值的，但是在这个领域中仍然有很多值得研究的 地方，主要包括以下两点： ( 1 ) 测量与分析方法 在上述国外大容量油罐容量检测的几何法中，都是要求油罐具有规则几何形状且 无变形，即理想的几何体【2 0 。2 3 】。而油罐的变形是不规则的，如果当作规则圆柱体测量 就不能体现实际物理三维几何特征，势必加大与容量真值之间的误差。正是由于这种 理想几何体假设条件的存在，在进行油罐几何特征测量时，其所需采样量才会比较小， 卧式金属罐容量现场检测方法的研究 造成大量描述罐体物理几何模型信息的丢失，在这种不完备信息基础上建立起来的简 化罐体模型与真实物理模型是有很大误差的。例如，卧式罐的封头位置处的几何形状是 不规则的，通过几个点的测量按照圆台进行拟合会带来很大的误差。 ( 2 ) 油罐几何特征的自动测量并未实现。 检测完成后，后处理多采用以手工为主的计算方法，并且还需对计算结果进行人 工复核。由于数据量通常比较大，存在着劳动强度大、作业效率低等缺点，所以对油 罐容量计量的自动化程度要求也会越来越高。 综上所述，几何测量法可以用来进行大容量油罐容量的精确计量，但是需要对这 个问题进行全面的研究，首先要在测量方法上寻求突破，实现描述油罐物理几何模型 特征信息的获取，通过数据分析方法的研究建立精确储罐3 d 几何模型，在此基础上 计算出容量数值。 1 3 2 国内研究概况及存在的问题 ( 1 ) 几何测量法 卧式罐容量几何测量法的原理是：假设卧式罐是由规则的封头和圆柱简体组成， 按照j j g 2 6 6 1 9 9 6 ( 2 4 1 的技术要求，通过测量圆筒内直径、直圆筒内总长、顶板内直径、 顶板内外伸长、顶板外高等参数，按照规则几何体的计算模型得到卧式罐内液体高度 与容量的对应关系。 几何测量法测量过程简单，对规则形状的卧式罐检定准确度高，是目前卧式罐容 量计量检定的主要方法，但是存在以下几个方面的问题有待于改进和提高： 1 ) 计量检定不确定度影响因素多 首先，由于卧式罐的形状有多种类型，其中按照封头分为平顶、锥顶、圆台顶、 球缺顶、椭球顶和弧形顶6 种情况，如图1 1 所示，而且卧式罐一般倾斜安装，使得 计算不同液位高度时候的容量计算模型复杂；另一方面，计算容量时将卧式罐作为理 想几何体处理，与实际物理几何模型存在一定的偏差，特别是当卧式罐在地下由于压 力变形情况下，这种偏差愈发明显。 但但衄佃印 弧形顶圆台顶 锥顶 球缺预半椭球瑗 半顶 图1 1 卧式金属罐封头类型 f i g 1 11 1 1 ef o m so f t a n k ss h e l lc o v e r 4 卧式金属罐容量现场检测方法的研究 2 ) 计量检定过程中安全性不高 卧式罐中储存的物料通常是c 4 以上的烷烃、烯烃、环烷烃、芳香烃等，如汽油、 煤油、柴油等成品和各种中间组分，此外还有一些特殊介质，如甲醇、酸、碱等。这 些介质的共性是有毒、有害、易挥发、易扩散。即使在油罐清罐后，现场的油气浓度 通常超标几倍甚至十倍，可致现场作业及监护人员中毒、窒息等，特别是轻质油气致 人中毒、窒息的风险更大；另一方面爆炸性混合气体遇火源容易引起火灾甚至爆炸。 3 ) 成本大而且容易造成环境污染 现有规程规定的方法必须在卧式罐清罐后进行，清罐过程时间长，费用大。以北 京市为例，每年清罐费用就在7 0 0 万元以上，这还不包括清罐过程中企业停业运营的 损失；而且清罐过程中产生大量的污染物会给环境造成危害。 4 ) 计量检定方法自动化程度有待提高 现有几何测量方法需要在卧式罐清空后人员进入罐内使用套管尺等设备进行测 量操俐6 1 ，这种方法操作复杂，测量时间长，自动化程度低，现场劳动强度大。 ( 2 ) 容量比较法 容量比较法以循环水作为标定介质，采用液体体积直接比对获得标定卧式罐内的 容积数据【2 5 捌j 。采用标准金属量器作为容量标准，一般设置5 0 l 2 0 0 0 l 的一组标准 容器，按照金属量器的操作方式进行操作。要求环境温度与水温度差不能超过5 0 c ， 测深钢卷尺用来测量油罐液位高度，经温度修正，最后计算出标称油罐内容积与液位 高度之间的对应关系。 容量比较法直接溯源到国家容量量传体系中，以不确定度0 0 2 5 俨2 ) 的二等金 属量器作为直接标准器，可以达到比较高的计量准确度：缺点主要是操作劳动强度大， 费力、费时、检测费用高，容易引入人员误差。这种方法一般用于对精度要求较高的 中小型容器的标定【2 9 。3 2 1 。 作为卧式罐计量检定中的重要组成部分，液位测量直接影响到卧式罐容量表的准 确性。长期以来，各石油公司和技术监督部门都采用手工检尺方式定时对各油站的油 罐进行测量，并形成当年所使用的罐表。但是手工检尺方式的测量显然在精度方面有 一定的欠缺：如人眼目测投油标尺，通常会带来l i 姗的测量偏差；实际操作中，每 次投油标尺的位置、力度等均对最后结果会产生一定的误差；容量检定计量后处理多 采用以手工为主的计算方法，由于数据量大，经常会出现算错记错的情况，需要多个 人复核。 由于上述原因，长期使用且埋在地下的一些卧式金属罐不能按照检定周期检定。 随着石化企业科学管理水平的提高，使用单位要求计量检定部门在不清洗罐、不停业 的条件下对卧式金属罐容积进行自动检测，并给出准确的容量表，满足贸易交接和科 学管理的需要。 5 卧式金属罐容量现场检测方法的研究 1 4 研究内容 通过本课题的研究，得到满足不清罐条件下的卧式金属罐容积现场检测方法，并 研制出相应的现场检测系统；根据研究成果对现行的卧式金属罐检定规程进行完善和 修订。主要研究内容包括以下两个方面： 1 4 1 自动光电内测法的研究 基于激光测距和光栅测角原理，研究卧式金属罐容积检测的自动几何测量法，实 现卧式金属罐在不清罐条件下的容积自动检测【3 3 屯】。研究激光传感器的选取、确定， 光栅角位移传感器的选取、确定，数据采集处理、自动控制的实现，以及容积编表软 件的编制。 测量系统如图1 2 所示，以物体表面漫反射测量为特点，使用激光传感器准确测量 空间短程距离，使用光栅角位移传感器进行激光束指向空间角度的测量。 1 艮2 巨董事生匪 图l - 2 光电测量系统示意图 f i g 1 - 2s k e t c hm 印矗”e l e c 臼伊叩t i c a ld i s t a 】e r a n g i n gi n t e m a lm e t h o d 测量过程中，光电测量模块调整至水平位置之后，以设备坐标系为测量基准，其 中坐标系原点位于光电测量设备中心、z 轴为铅垂线方向、x 轴为水平度盘零方向，如 图1 3 所示。 6 卧式金属罐容量现场检测方法的研究 j l ) ， p p 。 r d 图1 - 3 自动光电内测量法坐标系统 f i g 1 3c o o r d i n a t es y s t e mf o re l e 鼬r o - o p t i c a ld i s 伽c e - m n g i n gi m e m a lm e t h o d 当光电测量模块按照一定步长上升至某一高度h p 时，激光测距传感器在水平旋转 电机的驱动下进行对应高度水平平面内的扫描测量，测点距离为k ；同时，通过水平 角度检测编码器可以获取每一测点的水平角度。则得到一组用于描述当前平面内罐 体位置的坐标集合 础p c ：) 螂9 - 式( 1 1 ) y p2 尺ps m 口pj 按照这个方法在不同水平高度进行卧式罐罐体位置的扫描测量，形成整个卧式罐 三维几何信息集合，通过这个集合按照一定算法就可以绘制出其三维外形，计算出罐 体的容积，输出其容积表。测量结束后整套硬件系统从罐内取出，进行输出传输操作。 1 4 2 自动容量比较法的研究 进行卧式金属罐容积检测自动容量比较法的研究，实现卧式金属罐在不清罐下条 件下的容积自动检测。研究标准金属量器的工作组合算法、高精度液位传感方法的确 定、数据采集处理和自动控制的实现，以及容积编表软件的编制。 本课题提出了一种基于标准金属量器的卧式罐容量自动计量检定装置与方法，如 图1 4 所示： 7 图1 - 4 测量系统原理图 f 唔1 - 4s c h e m a t i cf o rm e 嬲u r i n gs y s t e i n 自动计量检定装置包括标准金属量器、电磁阀门、计算机、数字量控制卡( i o 卡) 、 功放、液位传感器和温度传感器组成。根据卧式罐几何截面形状计算出上升一定高度 液面所需要加入的液体容量，然后计算机设备控制标准金属量器组进液，将经过容量 精确计量的液体从标准量器组流入卧式罐内：待液面稳定后，由液位传感器和温度传 感器测量出卧式罐内的液位高度和温度；计算机控制设备实时采集从标准金属量器注 入卧式罐的液位高度以及液体温度信息，换算到标准温度下的液体容量，计算出卧式 罐测量液位高度对应的容量表。 为了准确测量卧式罐的容量，设计了一种标准金属量器装置，所述装置包括一组 标准金属量器( 相对扩展不确定度【，_ 0 0 2 5 ，肛2 ) ，与待测卧式罐连接，标准金属量 器容积包括4 0 0 l 、3 0 0 l 、2 0 0 l 和1 0 0 l 。 每个标准金属量器的计量颈为圆柱体，经过标定后可以准确得出计量颈圆柱体内 液位高度与标准金属量器液体体积之间的对应关系，在卧式罐检定过程中，都要进液 至每个标准金属量器计量颈固定位置处，通过这个高度容积对应关系就可以准确测量 出标准金属量器内液体的容量值。 为了准确采集各个标准金属量器中的液面高度和温度，所述探测单元设置在所述 标准金属量器内部，包括磁致伸缩液位传感器和温度传感器；温度传感器设置在所述 磁致伸缩液位传感器一端，磁致伸缩液位传感器的另一端通过u s b 端口与计算机相 连，将探测到的所述每个标准金属量器内部液体液位高度及温度信号传输给计算机。 8 卧式金属罐容量现场检测方法的研究 标准金属量器的材料选用1 c r l 8 n i 9 t i ，且表面经过抛光处理。标准金属量器的底 部加工有进液口和放液口，其中进液口设计在标准金属量器的底部有利于进液过程中 液体内气体的排出，标准金属量器与水平方向之间夹角为5 0 一1 5 0 ，放液口设计在接近 标准金属量器内部腔体的最低端，有利于液体的排出，最大程度上减少残余量。 功放的作用是进行根据控制信号的大小进行功率放大，以此来驱动标准金属量器 进放液电磁阀门开关。 根据卧式罐的大概外形几何尺寸和卧式罐截面面积计算模型，计算机计算出不同 水平高度处对应的卧式罐容量。设定液位测量间隔，将相邻测量液位高度对应的容量 差值作为参考值，进行标准金属量器的优化选择使用，使每次标准量器组注入卧式罐 的容量值与参考值差值最小。标准量器组中的液体容量由液位传感器和温度传感器准 确测量出，与卧式罐液位高度测量值相对应，得到卧式罐每一高度对应的容量值。 在进液过程中，当检测液位低于某一门限值时计算机控制进液阀门开启大流量快 速进液，当检测液位达到门限值时关闭大流量进液控制，开启小流量进液控制缓慢进 液直至设定液位。这种大小流量进液的组合方式，既兼顾进液效率，又利于液面稳定 以及防止液体溢出。 这种卧式罐容量自动计量系统结构简单、自动化程度高，易于操作，适合卧式罐 现场使用。 在完成自动几何测量法研究和自动容量比较法研究后，对使用中的卧式金属罐进 行检测，并与使用j j g 2 6 6 1 9 9 6 卧