壓力容器內(nèi)徑激光測量儀研制與應(yīng)用

韓利興李 靜張 志張慶祥李敬軍梁 燁

（1．邢臺(tái)市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所 邢臺(tái) 054000）

（2．河北省鍋爐壓力容器監(jiān)督檢驗(yàn)院 石家莊 050061）

壓力容器內(nèi)徑激光測量儀研制與應(yīng)用

韓利興1李 靜1張 志1張慶祥1李敬軍1梁 燁2

（1．邢臺(tái)市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所 邢臺(tái) 054000）

（2．河北省鍋爐壓力容器監(jiān)督檢驗(yàn)院 石家莊 050061）

本文介紹了采用非接觸解碼激光測距技術(shù)和激光指向圓心快速調(diào)校技術(shù)，根據(jù)測弓高法原理，研制壓力容器內(nèi)徑激光測量儀，實(shí)現(xiàn)壓力容器內(nèi)徑測量。該壓力容器內(nèi)徑激光測量儀將測量主機(jī)與無線測控聯(lián)動(dòng)技術(shù)相結(jié)合，解決了內(nèi)徑測量與圖像數(shù)據(jù)信號(hào)實(shí)時(shí)捕捉的同步性，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)徑截面360°數(shù)據(jù)采集與圖形化顯示，直觀觀察測點(diǎn)數(shù)據(jù)偏差。經(jīng)過技術(shù)論證和用戶現(xiàn)場檢驗(yàn)，并將檢測結(jié)果與鋼卷尺、內(nèi)徑測量桿測量的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，證明了該技術(shù)的領(lǐng)先性和實(shí)用性。

壓力容器內(nèi)徑 激光測量儀 激光指向圓心調(diào)校

壓力容器內(nèi)徑是壓力容器制造和定期檢驗(yàn)中測量的一個(gè)重要參數(shù)，內(nèi)徑偏差對(duì)壓力容器產(chǎn)品質(zhì)量和安全性能有重要的影響。在GB 150．4—2011《壓力容器 第4部分：制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收》和TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》等壓力容器制造、安裝和檢測標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中提出了壓力容器內(nèi)徑偏差指標(biāo)的具體要求[1，2]。目前國內(nèi)壓力容器制造安裝單位及特檢院所一般采用傳統(tǒng)的鋼卷尺和內(nèi)徑測量桿完成壓力容器內(nèi)徑測量工作，球罐、危化品儲(chǔ)罐等大型容器通常在罐內(nèi)搭設(shè)腳手架，采用測量尺輔以人工找準(zhǔn)內(nèi)徑方向的測量方法，由于傳統(tǒng)方法存在測量過程繁瑣、測量設(shè)備沉重、精度低等諸多缺陷，導(dǎo)致內(nèi)徑指標(biāo)測量難以落實(shí)到日常的生產(chǎn)、安裝及質(zhì)量檢測工作中，也直接影響了企業(yè)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品安全性能質(zhì)量。有關(guān)文獻(xiàn)介紹了激光測距儀的直接測量方法[3]和游標(biāo)卡尺的間接測量方法——弦長弓高法[4]，由于其測量誤差的絕對(duì)值較大，無法滿足當(dāng)前壓力容器內(nèi)徑測量的精度要求。

為解決球罐、大型臥式容器和常壓儲(chǔ)罐等大型設(shè)備內(nèi)徑測量問題，筆者與有關(guān)科研單位聯(lián)合研制開發(fā)了壓力容器內(nèi)徑激光測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用基于直接測弓高法的非接觸解碼激光測距技術(shù)和激光指向圓心快速調(diào)校技術(shù)，對(duì)容器內(nèi)徑截面360°數(shù)據(jù)采集，軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖形化顯示，可實(shí)時(shí)觀察截面內(nèi)徑測量每個(gè)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)偏差。

1 測量原理

壓力容器內(nèi)徑激光測量系統(tǒng)采用目前國際上最前沿且已經(jīng)成熟的激光測距技術(shù)，由于激光具有直線度好、測距精度高且范圍大、非接觸等諸多優(yōu)勢，目前在許多長度測量領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。該儀器關(guān)鍵在于如何保證激光測量線在每次測量時(shí)都能精確通過被測筒體（或球體）的中心（或球心）。垂直圓的任一弦的中心所作的直線一定通過圓心；同樣，垂直球的任一截面的中心所作的直線一定通過球心；通過測量弦的上下弓高的方法計(jì)算出直徑，即測弓高法。測弓高法的基本原理為，設(shè)圓（或球體）的內(nèi)直徑為Di，弦的上弓高為b1，下弓高為b2，則Di=b1+b2。

圖1 壓力容器內(nèi)徑測量原理示意圖

根據(jù)以上原理，筆者設(shè)計(jì)出了壓力容器內(nèi)徑激光測量儀，使其發(fā)出的激光通過筒體（或球體）的中心（或球心）。如圖1所示?；∶婊鶞?zhǔn)點(diǎn)為經(jīng)過高精度機(jī)械加工保證的基準(zhǔn)平面，該基準(zhǔn)平面與被測弧面緊密接觸后即可替代弧面作為測量面，通過測量主機(jī)內(nèi)部的激光指向調(diào)整裝置將激光準(zhǔn)確調(diào)校后通過被測弧面中心，然后就可以通過測量主機(jī)內(nèi)部的激光測距模塊實(shí)時(shí)測量內(nèi)徑。測量主機(jī)內(nèi)部的傾角傳感器可以反映出主機(jī)在整個(gè)測量圓周內(nèi)的不同位置數(shù)據(jù)，與該位置處測量得到的內(nèi)徑值相對(duì)應(yīng)，通過計(jì)算機(jī)軟件可以繪制出整個(gè)圓周的內(nèi)徑偏差分布圖，測量結(jié)果形象直觀。

2 內(nèi)徑激光測量儀的硬件設(shè)計(jì)

該壓力容器內(nèi)徑激光測量儀主要由測量主機(jī)和計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)兩部分組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 內(nèi)徑激光測量儀的硬件結(jié)構(gòu)框圖

測量主機(jī)主要由其內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集模塊、激光測距模塊、激光指向調(diào)整裝置、測量基準(zhǔn)裝置、傾角傳感器模塊、電池和無線通訊模塊（無線信號(hào)接受器）組成。測量主機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 測量主機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和無線通訊模塊（無線信號(hào)發(fā)射器）組成。系統(tǒng)無線通訊模塊均采用USB插口，用于測量主機(jī)和計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)之間控制指令以及數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受。系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 壓力容器內(nèi)徑激光測量儀主要技術(shù)指標(biāo)

3 內(nèi)徑激光測量儀的軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。該系統(tǒng)主要包括信息及設(shè)置、測量分析、報(bào)告編輯三個(gè)功能模塊，三個(gè)功能模塊通過ADO數(shù)據(jù)對(duì)象與內(nèi)徑測量數(shù)據(jù)庫連接。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件操作界面如圖5所示。

信息及設(shè)置模塊主要是輸入檢測單位和被檢設(shè)備基本信息，設(shè)置內(nèi)徑名義基準(zhǔn)、允許誤差、弦高修正值和測量次數(shù)等參數(shù)，保存在測量數(shù)據(jù)庫中，對(duì)反復(fù)使用的信息自動(dòng)載入和修改，提高使用效率。

測量分析模塊的功能主要是與測量主機(jī)聯(lián)機(jī)操作，通過激光束的指示找出內(nèi)徑測量始終點(diǎn)，防止激光光束被腳手架等障礙物阻擋，然后進(jìn)行內(nèi)徑激光測距，計(jì)算出測量數(shù)據(jù)、偏差值，繪出誤差分布圖。

報(bào)告編輯模塊主要包括讀取基本信息和測量分析數(shù)據(jù)，生成內(nèi)徑檢測報(bào)告等功能。

測量主機(jī)在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送過程中，計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)會(huì)顯示數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，數(shù)據(jù)完整接收后軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算出內(nèi)徑差值并顯示出測量誤差曲線和與待測壓力容器對(duì)應(yīng)測點(diǎn)的分布圖。

圖4 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

圖5 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件主界面和自動(dòng)生成的測量報(bào)告

4 實(shí)際測量應(yīng)用

為比較壓力容器內(nèi)徑激光測量儀和常規(guī)測量方法的優(yōu)劣，筆者在某建材公司一臺(tái)φ2000mm蒸壓釜上，采用壓力容器內(nèi)徑激光測量儀、內(nèi)徑千分尺、鋼卷尺三種測量方法，對(duì)同一斷面的內(nèi)直徑進(jìn)行了測量，生成檢測報(bào)告，并將壓力容器內(nèi)徑激光測量儀的測量結(jié)果與內(nèi)徑千分尺、鋼卷尺測量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。測量數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表2，測量數(shù)據(jù)比對(duì)結(jié)果見圖6。

表2 φ2000×16mm蒸壓釜一斷面的內(nèi)徑測量結(jié)果分析

（續(xù)表）

圖6 φ2000mm蒸壓釜同一斷面的內(nèi)徑測量數(shù)據(jù)比對(duì)

為了比較測量的效率，筆者對(duì)該蒸壓釜同一斷面采用三種測量方法分別連續(xù)測量10個(gè)直徑值并記錄測量的總時(shí)間，計(jì)算測量時(shí)間均值比較見圖7。

圖7 蒸壓釜一斷面的內(nèi)徑測量時(shí)間比較

以上測試分析結(jié)果表明，壓力容器內(nèi)徑激光測量儀測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定，測量速度較快，數(shù)據(jù)處理便捷，測量誤差較小，精度能夠滿足內(nèi)徑測量要求。

5 結(jié)論

壓力容器內(nèi)徑激光測量儀采用了萊卡激光測距儀解碼技術(shù)、激光指向圓心快速調(diào)校及穩(wěn)固技術(shù)和無線抗干擾數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，其技術(shù)特點(diǎn)可歸結(jié)為：

1） 攜帶方便，測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定，精度較高，測量速度較快，測量專用軟件操作簡便、高效，能夠滿足大直徑壓力容器現(xiàn)場測量的要求；

2） 可實(shí)現(xiàn)內(nèi)徑截面內(nèi)360°采集與圖形化顯示，直觀觀察各測點(diǎn)的數(shù)據(jù)偏差；

3） 智能化數(shù)據(jù)采集：可最大程度上解決測量準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)記錄可追溯，便于測量分析及報(bào)告編輯；

4） 適用范圍拓展性：可用于各種鍋爐、壓力容器內(nèi)徑的檢測；

5） 從使用情況來看，儀器還有需要進(jìn)一步改進(jìn)的地方，如在球形容器內(nèi)進(jìn)行測量時(shí)，存在弦高修正值誤差和信號(hào)干擾的問題，這些是今后優(yōu)化和研究的重點(diǎn)。

[1] GB 150.4—2011 壓力容器 第4部分：制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收[S].

[2] TSG 21—2016 固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].

[3] 王勇智，等.淺談壓力容器中殼體圓度檢測方法[J].特種設(shè)備安全技術(shù)，2011，(2)：10-11.

[4] 湯勝常．弦長弓高法在大直徑測量上的應(yīng)用[J]．華東化工學(xué)院學(xué)報(bào)，1991，17(04)：239-244.

Development and Application of Laser Measurement Instrument for Pressure Vessel Inner Diameter

Han Lixing1Li Jing1Zhang Zhi1Zhang Qingxiang1Li Jingjun1Liang Ye2
(1. Xingtai Special Equipment Supervision and Inspection Institute Xingtai 054000)
(2. Hebei Supervision and Inspection Institute of Boiler and Pressure Vessel Shijiazhuang 050061)

This paper describes non-contact decoding laser ranging techniques and laser pointing to the center of the circle fast adjustment techniques. Based on the principle of bowing the court measuring, laser measurement instrument for pressure vessel inner diameter is developed. In this way, it is achieved to measure pressure vessel inner diameter with laser. Laser measurement instrument for pressure vessel inner diameter combines the measurement of the host with the wireless measurement and control linkage technology. The synchronization of the real-time capture for the image data signals and diameter measurement can be built. Furthermore, inner diameter section 360°data collection and graphical display is realized, with measuring point data deviation being observed directly. Comparing with the testing result of the steel tap and inner diameter measuring rod, this technology is proved to be practical with its superiority by the technical demonstration and the user on-site inspection.

Pressure vessel laser Laser measurement instrument Laser adjustment pointing to the circle center

X924．2

B

1673-257X（2017）03-0028-04

10．3969/j．issn．1673-257X．2017．03．005

韓利興(1966～)，男，本科，主任，高級(jí)工程師，從事承壓類特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測和質(zhì)量管理工作。

2016-12-05）