金属罐容积计量标定系统——北京华泰天仪科技发展有限公司.doc

金属罐容积计量标定系统1. 概述大型金属油罐（如油罐、液化气罐、液态化学品罐等）一般形式有圆筒立式罐、球罐、卧罐和特形山洞罐等。现有的一些容量标定方法（如围尺法、垂线法等）一般与这些罐形的几何特征相结合，通过测定某一几何量来计算油罐的容积。这些方法为非自动化方法，因此存在劳动强度大、效率较低等特点，有些时候甚至无法实施。华泰天仪系统开发人员集多年行业工作实践经验，依据国内外现行规范和规程，基于自动化全站仪（也称测量机器人），研制系列化系统集成软件，为各类大型金属罐提供专业的容量计量标定解决方案。华泰天仪Z-CapaS立罐容量标定系统集成自动化全站仪，在专业软件的控制下，自动化全站仪按一定规律获取待测点的角度、距离或坐标，然后按数学几何模型由计算机自动计算有关参数，并最终输出容量标定成果等信息。利用Z-CapaS系统，可实现油罐容积标定的数据采集、传输、处理全过程的自动化，不仅省时、省力而高效，而且可以成功解决一些常规方法无法标定的特种罐容量问题。2. 产品优势（1）技术优势：系统开发人员集多年行业工作实践经验，对现行国内、外的相关规范、标准或检定规程有准确的理解，因此系统功能设计贴近实际，方便使用，新增设的一些现场数据检核功能确保了容量标定结果的准确性。（2）品种优势：系统种类众多。Z-CapaS系统包括：立式圆筒罐容量标定子系统VTC300，球罐容量标定子系统STC300、卧罐容量标定子系统HTC300、山洞特形罐容量标定子系统CTC300等。在作业方式方面支持：立罐内测、立罐外测、球罐内测、球罐外测、卧罐内测、特形罐内测等，并最新提出“内测外控”的作业模式（仪器在罐内架设，人员在罐外操作控制）。（3）硬件优势：Z-CapaS系统软件支持世界上一流的自动化全站仪（如索佳、徕卡等），系统基于高品质的仪器设备，有利于保证系统测量系统精确性、可靠性；又不局限于单一品牌，为用户自主选择创造条件。（4）服务优势：全站仪油罐容积标定系统是典型的测绘仪器的扩展应用，为了让用户选购的新设备得到充分的应用，公司有专家为用户提供细致的售前、售中或售后的专业服务。3. 主要应用领域华泰天仪Z-CapaS系统以系列化产品，为目前普遍使用的立式圆筒罐、球罐、卧罐及特形山洞罐的容量标定提供专业的解决方案，可广泛应用于石化部门、国家技术监督部门、航空航天部门、军事后勤保障部门、大型食用油生产部门、大型日用洗涤用品生产部门等。4华泰天仪Z-CapaS金属罐容量标定系统原理简介4.1 立式圆筒罐容量标定系统VTC300内测法在立式油罐罐内接近圆心的地方安置好仪器(理论上可以在任意位置架设仪器)，以水平度盘零方向作为坐标系的X轴，通过仪器中心的铅垂线为Z轴，构成左手测量坐标系O-XYZ。在该坐标系中，全站仪锁定水平截面的Z坐标，按软件设定的水平步进角或步进距自动扫描测量各圈板的水平截面，各断面测量点的三维坐标存储在全站仪的内存或外接的PDA掌上电脑中。完成一个水平截面的测量之后，如果没有人工干预，截面Z坐标自动增加一个软件设置的垂直间距，进入下一个水平截面的测量。对于立式圆筒罐，在内部通过测量各金属圈板的水平截面上的三维坐标，然后由各测点坐标拟合计算出每圈板的半径，即可由后续计算机软件进一步处理油罐的容积（罐容表）。4.2立式圆筒罐容量标定系统VTC300外测法全站仪用于立罐容积标定的外测方法与垂准仪的光学参比线法原理相同。即全站仪架设在油罐外侧的地面上，首先对基圆进行观测（该基圆同样需要用围尺法求得半径），求得平距，然后沿立罐的母线，全站仪上下转动望远镜，把测距激光点指向其它圈板的1/4或3/4处，经测距再记录下相应的平距，通过比较各圈板上平距观测值与基圆平距观测值之差求得径向偏差，即可得到立罐各圈板的半径，进而求得容积。4.3立式圆筒罐容量标定系统VTC300板高测量在图1、图2所示的立罐全站仪内、外测中，将全站仪的红色激光点或望远镜十字丝瞄准某圈板的下水平焊缝，启动距离测量，在全站仪中可显示高差读数；将全站仪的红色激光点或望远镜十字丝再瞄准该圈板的上水平焊缝，测得高差读数，则该圈板高为： （1）4.4立式圆筒罐容量标定系统VTC300底量测量如图3，在罐内合适的地方架设全站仪，设仪器高为i，棱镜高为a。棱镜逐一直立于各测量点、罐底中心点和下计量基准点上，全站仪照准棱镜中心并测得斜距S和垂直角a，则立棱镜处相对仪器架设处（实际作业时可设i=0，此时相对仪器中心）的标高值h为： （2）aiSah图3 罐底量标高测量示意图另外，当全站仪的天顶距读数为900时，全站仪望远镜视准轴提供的是一条水平视线，此时可以把全站仪当作水准仪使用，用于罐底量的标高测量。4.5 球罐容量标定系统STC300全站仪选定位置设站后，进行上、下、左、右四个方向的切点测量，求上、下切点的天顶距的中数得Z0，通过左、右水平方向求得中数Hz0及水平夹角。然后将全站仪的望远镜方向指向（Hz0、Z0），测得全站仪至罐壁的斜距L，则可按相关公式计算球罐的赤道外半径和竖向外半径。当上、下、左、右切点无法瞄准时，系统软件还支持任意切点的测量，并任意瞄准罐壁上的测点都可以计算半径，为现场实际应用提供了更为便利的条件。图3 全站仪用于球罐测量4.6 卧罐容量标定系统HTC300如图4所示，全站仪在卧罐内设站，通过测定罐内主圆筒体和两侧封头内壁上的测点坐标，可以分别拟合主圆筒体的半径、长度、倾斜量等信息，以及封头的几何参数，为后续的罐容表计算提供必要的数据信息。目前支持的封头类型有：平顶、弧形、球缺、锥形、圆台形、半椭球等六种形状。在软件的支持下，还可以同时完成罐内附件的标高测量。图4 全站仪用于卧罐内测4.7 山洞特形罐容量标定系统CTC300山洞特形罐主要有矩形拱顶罐、相交圆筒体罐等形式，一般来讲不具备规则的几何形状特性，因此在测量原理上有别于立式圆筒罐。图5为矩形拱顶罐测量方法示意图。在罐内设置全站仪，在机载软件或洞口计算机软件的无线遥控之下（即“内测外控”模式），全站仪按事先确定好的高程面和水平测点逐一测量各水平截面测点坐标，根据测点坐标构成的任意截面图形，计算截面面积。然后按高程积分的方法计算不同液面高度对应的罐体容量。图5 矩形拱顶特形罐5. 内测外控作业新模式全站仪立式罐内测模式的最大特点是一次设站就可以全自动地完成整个罐的数据采集工作。但罐内空气质量不好（甚至有毒）、气温较高时，测量人员不宜在罐内久留。为此，我们专门开发了基于PDA的立罐内测模块软件。操作人员在人孔附近的罐外操控PDA，PDA通过有线电缆或蓝牙与罐内的全站仪通信，在PDA上的软件管理下，就像人员在仪器附近一样完成整个油罐的现场数据采集工作。如果需要，可以在PDA上查看全站仪上的电池电量、电子气泡居中情况等信息。因此，操作人员即使不在仪器的测站附近，仍能及时了解仪器基本情况，做到心中有数。此模式也可应用于其他罐形（如特形山洞罐、卧罐等）的内测外控作业。6立罐容量标定相对标准偏差估计为了便于分析，设全站仪正好置于圆筒罐的圆心上，即在全站仪的测量坐标系统中，有圆心坐标为0，仪器到罐壁的平距相当于半径R，即： （3）式中Si为全站仪到罐壁某圈板水平截面圆i点的斜距，bi为垂直角，i=1，2，。再假设由各测点计算的圆半径都近似等于，根据式（3），可得到如式（4）所示的半径R的标准偏差计算公式： （4）在圆筒罐的容积标定过程中，通常在每一圈板1/4和3/4处的两个位置测量半径，并取这两个位置半径的中数作为该圈板的半径，根据式（4）可把圈板半径的标准偏差表示为: （5）设该圈板的板高为h，相应的容积计算公式为：，不顾及板高测量误差，有以下容积标定相对标准偏差表达式： （6）假设使用的全站仪测角标准偏差为，测距标准偏差为2mm；在设罐高为20m的情况下，取中间高度10m处对应的垂直角b和斜距S，根据式（6），下表给出了全站仪容积标定相对标准偏差估计值。 全站仪圆筒罐容积标定相对误差估计半径R(m)约圆周长(m)每圆测点数n10m高处对应的垂直角b10m高处对应的斜距(m)容积相对标准偏差备注531.41263.411.1801/13593测点间距不大于3m1062.82445.014.1421/2443720125.64826.622.3611/5469230188.47218.431.6231/9474540251.29014.041.2311/138120因全站仪是为几百米，甚至几公里远的目标测量而设计的，所以当距离从几米到几十米变化，都在全站仪的近距离测量范围之内，其测量误差不会有明显的区别。因此，半径越长，圆筒罐容积越大，其容积标定相对标准偏差就会越小。从表2中可以看出，全站仪的容积标定可满足1/1000以上相对误差的要求。7华泰天仪金属罐容量标定系统基本配置7.1 系统软件模块（1）Z-CapaS系统软件标准配置模块l VTC300立式罐内测模块l VTC300立式罐外测模块l VTC300立罐底量测量模块l VTC300立式罐罐容表计算模块（2）Z-CapaS系统软件选用配置模块l 球形罐外测模块l 卧罐内测模块l 山洞特形罐测量模块8. Z-CapaS系统性能简介8.1 立罐容量标定子系统VTC300性能简介8.1.1 VTC300系统升级创新要点基于前二代系统的技术上，VTC300进行了第三的技术更新，使VTC300系统在国内始终处于领先地位。第三代的VTC300系统，有以下主要升级创新要点。（1）首次实现立罐容量标定全面解决方案全面集成内测、外测和底量测量模块。在充分发挥自动化全站仪测量性能的基础上，特别标配实用的立罐底量测量模块，真正为用户提供全面、完整、实用的全站仪立罐容量标定系统解决方案。（2）首次实现“手自一体化”操作模式新一代全站仪立罐容量标定系统，摆脱了以往“测量功能一经丰富、操作使用就变得复杂而不易学”的怪圈。系统现场数据采集软件采用“向导式”操作流程，实现 “自动测量”模式与“手动测量”模式的巧妙结合，第一次推出“手自一体化”操作的新模式。（3）首次实现偏心设站仍能均匀采点内测时全站仪在立罐底部往往不能在圆心附近设站，但采用最新的修正技术之后，即使全站仪远离罐底圆心，但仍能保证测点在水平圆周上的均匀分布，最大程度减小了圆周代表性误差的影响。此新技术的应用，还大大提高了全站仪水平圆周扫描、特别是立罐上半部分水平圆周扫描的测量速度。每个测点基本上是一步到位、一次完成。（4）首次实现立罐内测垂直母线扫描传统的立罐内测方法，全站仪一般采用水平圆周扫描测量模式。为了最大限度减小照准部旋转误差的影响，首次集成了沿垂直母线扫描测量各圈板数据的功能，供用户选择使用。（5）首次实现补点测量也能自动化从哪个圈板的水平截面圆开始测量、从圈板水平截面圆的哪一个点开始测量，现在都可以自由选定了。并且有些漏测而需补测的点，现在都可以自动寻找位置、待人工确认后测量了。8.1.2 VTC300系统软件内测模块功能介绍（1）板高设置更方便、快捷；在保留已知板高、未知板高的两种处理情况下，扩展了圈板等高、不等高的选项；圈板等高时，只需输入圈板个数及单个圈板高度，即可完成全部板高输入工作。（2）偏心设站修正技术不再苛求仪器架在圆心附近，即能保证测点的均匀分布、又能显著提高测量速度。（3）偏心设站修正提供了手动、自动两种模式，也可结合使用。（4）当测量三个以上偏心修正点时，软件自动计算偏心修正的精度，并给出参考指标；同时给出示意图，直观的查看修正结果。（5）通过点数控制扫描时的步进距离和角度，确保测点的均匀分布而不受仪器架设位置的影响。（6）起始测量位置（基圆）可以任意指定。（7）同一立罐可以分多次测量完成。（8）有水平圆周和母线竖向两种扫描测量模式供用户选择。（9）归零检核功能；可以有效地检查、控制原始数据质量。（10）扫描测量时，所有圈板的测点都能一步到位，避免了上下高低调整的操作，极大提高了测量速度。（11）扫描测量时，如某一位置因反射性能不好等原因不能成功测距，则在重复测试3次仍不成功之后，水平角自动增加1，如仍不能成功测距则放弃该点，正常自动步进到下一点继续测量。（12）扫描测量时，可以任意设置扫描测量的起始点；可以直观明了的知道测量失败并自动跳过的点；补点时，可控制仪器自动转到待测点位置；体现了“手自一体化”的理念。（13）导出计算，可以同时导出多种数据格式，满足后处理的多种需求；同时计算出每个圈板的概略半径、倾斜角以及倾斜方向。8.1.3 VTC300系统软件外测模块功能介绍（1）与立罐内测模块软件一样，可以人工输入板高信息，也可以由全站仪测定板高。板高信息保存在专门的文件中，一次输入，可多次调用。（2）软件支持通过立罐的左、右切水平方向测量取中数精确确定待测母线的方向，也可根据实际情况目测母线方向。（3）考虑罐壁上辅助物的影响，在母线径向平距差的测量过程中，可选为“自动测量模式”或“手动测量模式”。（4）软件输出板高数据文件、母线径向平距数据文件等信息，与供容积计算等后处理软件对接使用。8.1.4 VTC300系统软件底量测量模块功能介绍（1）独特的“手自一体化”测量模式；可以轻松应对各种复杂的现场情况（如有效躲避加热管的遮挡等）。（2）合理的参数设置及友好的图形示意功能，使底量测点确定更加轻松。（3）共享内测偏心修正结果，轻松定义扫描边界，支持后续DEM数据处理功能。（4）同时导出多种数据格式，满足后处理的多种需求。8.1.5 VTC300立罐罐容表计算软件功能介绍本软件适用于多种方法标定立式圆筒罐容积的数据处理和证书制作，部分内容专门用于全站仪内测法和围尺法标定的立式圆筒罐。此外，根据用户要求，还可增加采用光学垂线法标定的立式圆筒罐的数据处理功能。本软件的输入数据几乎全部为原始测量数据，不需手工处理。为防止意外，在输入方式上，对于批量数据（如：围尺法测量周长、光学垂直线法测量的偏距以及全站仪内测法测量的坐标），在数据处理前可通过主菜单下的数据录入功能提前录入，永久保存；对于零散数据，在数据处理时直接录入。计算完成后，部分中间和最终结果立即显示在列表框中，在不退出数据处理的前提下，操作者可由此判断数据处理是否成功完成，如果怀疑输入数据有问题，可返回各输入界面进行数据复核，再重新计算。本软件不仅能完成标定证书（包括分米表、小数表、静压表和证书封面）的制作，而且能保存所有输入的原始数据，编制用于数据存档的计算机编表输入数据汇总薄，并提供油罐容积表的电子文件，通过另一油量计算软件可直接计算油罐内的油品库存和收发量。通过预览功能可在屏幕上显示标定证书和原始数据薄，最后通过打印功能在打印机上打印输出。通过数据管理可以进行本系统各种数据文件的目录、文件管理以及电子证书的核验。本软件具有较强的适用性，能满足用户多种需求，其显著特点包括：l 静压力容积膨胀值可按水单独编表，也可将其合并编入油罐容积表中。l 油罐容积表即可以按分米编制，也可以按厘米编制。l 对于基圆不在第圈板的测量数据，本软件可照样处理。l 对于小型油罐，可由基圆周长按对接、套筒搭接和交互搭接方式推算容积表。l 可以和全站仪的测量数据对接，自动区别测量数据的圈板号，测量位置，每个测量圆周的测量点数，计算出测量圆周和各圈板半径，而且可根据底部圈板和顶部圈板圆周的拟合圆心坐标自动计算出油罐倾斜度。l 可根据罐底标定数据的多种来源计算罐底量，包括多环等间距水准测量、液体标定、小型罐规则罐底（圆锥、球缺和椭球）和采用上次容积表罐底数据。l 附件处理简便灵活，只要输入附件的起点标高、止点标高和几何尺寸，其他一概无需人工干预。还有多种附件类型供您选择。8.2球罐容量标定子系统STC300性能简介8.2.1 STC300系统开发创新要点（1）首次实现快速确定球心方向全新的球心标定方式。在外测方式下，任意测量球罐3个切点即可确定球罐的球心方向，使新的测量方法更加便捷、高效。（2）首次实现任意测点计算半径无需测量球面切点，在球面上任意选择测点，完成测量软件即可实时计算并显示球罐半径，使新的测量方法更加灵活、方便，通过测量多点的半径取中值，还能提高球罐半径测定的准确性。8.2.2 STC300系统软件功能介绍本软件依据即将颁布的“球形金属罐容量”规程而开发，主要功能有：（1）记录球罐上、下、左、右切点的角度测量数据（支持双面测量），计算上下或左右的垂直或水平夹角，然后驱动仪器自动把全站仪的望远镜指向上下和左右的角平分线上。（2）采集数据后，即可计算并显示球罐赤道半径和