基于激光掃描外測法的球罐容量計量方法研究

陳賢雷, 郝華東, 施浩磊, 李曙光

(舟山市質(zhì)量技術監(jiān)督檢測研究院, 浙江 舟山 316021)

1 引 言

球形金屬罐(簡稱“球罐”)是一種密閉壓力容器[1],廣泛應用于石油、化工、冶金等部門,可用作液化石油氣、液化天然氣和壓縮氣體及其他介質(zhì)的儲存容器,在能源計量中起著重要的作用。球形金屬罐在液體化工產(chǎn)品的貯存和貿(mào)易結算等各個環(huán)節(jié)都需要準確的計量數(shù)據(jù),其容量計量的準確性直接影響企業(yè)的經(jīng)濟效益。

依照《JJG 642—2007 球形金屬罐容量》檢定規(guī)程的要求[2],球罐容量測量通常采用幾何測量法,赤道直徑和豎向直徑作為其中的主要項目,主要包括經(jīng)緯儀測量法、手持激光測距儀測量法、圍尺測量法和全站儀測量法等[2],也有學者對球罐壓力、不確定度評定及測量應注意問題等進行了研究[3～6]。由于建造后的球罐是個非完整球面,通過上述方法均無法全面獲得球罐準確信息,而且自動化程度低、費時費力。三維激光掃描技術突破了這一限制,能夠全面獲取球罐空間不規(guī)則三維模型,同時排除圍尺法需要搭腳手架、高空作業(yè)等引入的安全隱患,研究基于激光掃描的球罐容量計量方法研究勢在必行。本文采用激光掃描外測方式探討球罐容量計量方法,建立球罐三維幾何模型,通過數(shù)據(jù)處理計算出球罐容量,并結合具體試驗進行了分析和比對。

2 基本原理

2.1 外測方案

根據(jù)球罐的標稱容量和罐體外部實際情況,外部測量一般分4～5站進行。在進行球罐外部測量時,首先要進行實地考察,以便對罐體周圍環(huán)境有整體了解,明確附件的位置;進行整體規(guī)劃,根據(jù)站點和標靶的布設要求,選取合適的站點和標靶布置點,確保不同站點之間有部分重合區(qū)域,以保證數(shù)據(jù)獲取的完整性;繪制罐體外部周圍區(qū)域的環(huán)境情況草圖,明確掃描站點和標靶設置點的位置,標記附件的大致位置,記錄罐體基本信息,完成掃描計劃制定。

2.2 點云數(shù)據(jù)自動拼接

2.2.1 標靶選擇

針對球罐現(xiàn)場實際情況,考慮到點云數(shù)據(jù)獲取速度快、數(shù)據(jù)量大、測量距離遠、點云定向數(shù)據(jù)處理相對滯后的現(xiàn)狀,運用基于遠距離標靶識別的點云自動定向方法[7]。主要根據(jù)遠距離標靶表面點稀少、誤差較大的特點,以遠距離標靶自動識別為主要研究目標,結合標準控制點在指定坐標中的信息,使標靶掃描坐標與指定坐標系坐標一一對應,自動解算點云定向參數(shù),進行坐標轉(zhuǎn)換。這里選用的標靶為球形標靶(如圖1所示),球面材料為陶瓷材料,直徑為22 cm。

圖1 球形標靶

2.2.2 基于球形標靶的多站點云數(shù)據(jù)自動拼接

對于球罐外測法而言,通常需進行多站掃描,各站點數(shù)據(jù)均為獨立坐標系,需將所有的點云數(shù)據(jù)整合到一個統(tǒng)一的坐標系中,獲得一個完整的數(shù)據(jù)集。如圖2所示為激光掃描系統(tǒng)在A、B兩站點拼接原理圖,圖中1、2、3、4、5分別為5個球形標靶,2、3、4號球形標靶所在的區(qū)域為A和B兩站的公共掃描區(qū)域?？梢栽OA站的坐標系為O1x1y1z1,B站的坐標系為O2x2y2z2。通過這3個球形標靶將A、B兩站點不同坐標系下得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一個坐標系下,以實現(xiàn)多站點云數(shù)據(jù)的拼接。

圖2 拼接原理圖

設2號球形標靶在A、B兩站掃描的點分別為P1(x1,y1,z1)和Q1(X1,Y1,Z1),將A、B兩站的點進行拼接,通過式(1)將掃描的點進行(R,S)變換,即:

(1)

式中:R為旋轉(zhuǎn)矩陣,同時R為一個正交矩陣;S為平移矩陣。其滿足以下性質(zhì)RT=R-1,|R|=±1。

同理,3,4號球形標靶重復上述坐標轉(zhuǎn)換過程。

本文采用ICP算法進行拼接。該算法要求將各個點上進行的三維數(shù)據(jù)點集必須有重疊,在拼合中至少要有4對或者4對以上不在同一直線上的最近點。即通過球形標靶2、3、4號球形標靶來實現(xiàn)拼接。

2.3 點云數(shù)據(jù)噪聲點剔除與體積計算

在對球罐罐體表面三維點云數(shù)據(jù)獲取過程中,由于受到激光掃描系統(tǒng)的測量精度、測量速度、操作者經(jīng)驗和被測表面質(zhì)量等因素的影響,將會產(chǎn)生誤差數(shù)據(jù)點,為了保證計算準確度,需要對點云數(shù)據(jù)進行噪聲點剔除與篩減。首先采用觀察法直接刪除比較明顯的粗差點,如球罐支柱、支架、接管、橫梯等附件,然后運用領域平滑濾波方法進行噪聲點剔除,通過一點和鄰域點坐標求平均以去除隨機噪聲,其優(yōu)點是算法簡單、計算速度快[8]。

在計算半徑之前,通常需要先通過拉依達準則進行粗差剔除。再采用最小二乘法對不同垂直高度的球罐水平截面數(shù)據(jù)進行半徑擬合計算。通過以上步驟得到球罐三維幾何模型,構建一系列平行于xOy平面的水平面,采用積分方法計算出球罐的體積[9]。

3 試驗分析

以某公司一標稱容量為200 m3的4#球罐作為研究對象進行試驗,共掃描4站,掃描測站位置分布圖(如圖3所示)中球形標靶的擺放位置,圖3(a)為1～4號標靶,圖3(b)為2～6號標靶,圖3(c)為4～8號標靶,圖3(d)為6～8號標靶。相鄰兩站點之間至少能夠有3個相同標靶,確保拼接精度在2 mm之內(nèi)。

圖3 球罐4測站位置分布圖

經(jīng)過拼接、噪聲剔除、約減后的球罐效果圖如圖4所示,剔除附件數(shù)據(jù)后的球罐三維點云模型如圖5所示。

圖4 球罐效果圖

圖5 球罐點云模型

4 結 論

本文運用激光掃描外測法對球罐容量計量方法進行了初步研究,并設計了比對試驗,以傳統(tǒng)全站儀方法結果作為參考值,容積相對誤差為0.304% ,滿足JJG 642—2007《球形金屬罐容量》計量檢定規(guī)程的要求。此外,在球罐罐區(qū)密集、罐高度大于12 m的情況下,采用外測法測量,因罐區(qū)密集化會導致設站困難,甚至無法實現(xiàn)罐頂部位置測量,換站時部分球形標靶位置極難掃描到,關于測站如何設置、球形標靶如何擺放等問題還需要做進一步的研究。

[參考文獻]

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[10] 國家質(zhì)量檢驗檢疫總局. JJF 1033—2016計量標準考核規(guī)范[S]. 2016.