全站儀在立式金屬罐容量檢定中的應(yīng)用

徐添喜

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2109-5042-9278

摘? 要：全站儀是一種多功能測(cè)繪儀器，是立式金屬罐容量測(cè)量的重要工具，其計(jì)量精度將直接影響貿(mào)易雙方經(jīng)濟(jì)效益，在我國糧倉倉儲(chǔ)、石油化工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。該文主要介紹了全站儀應(yīng)用在立式金屬罐容量檢定中等工作原理和主要注意事項(xiàng)，同時(shí)從圈板半徑測(cè)量、傾斜度測(cè)量、圈板高度測(cè)量、橢圓度測(cè)量、罐底量測(cè)量等五方面講述全站儀在立式金屬罐容量檢定中的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：全站儀? ?立式金屬罐? ?圈板半徑測(cè)量? ?容量檢定

中圖分類號(hào)：TH715? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）08（a）-0054-03

Application of Electronic Total Station in the Capacity Verification of Vertical Metal Tank

XU Tianxi

（Fujian Minke Testing Technology Research Institute Co.， Ltd.， Fuzhou， Fujian Province， 350100 China）

Abstract： Electronic total station is a multifunctional surveying and mapping instrument and an important tool for vertical metal tank capacity measurement. Its measurement accuracy will directly affect the economic benefits of both sides of trade. It is widely used in granary storage， petrochemical and other fields in China. This paper mainly introduces the working principle and main precautions of the total station in the capacity verification of vertical metal tank， and describes the specific application of the total station in the capacity verification of vertical metal tank from five aspects： ring plate radius measurement， inclination measurement， ring plate height measurement， ovality measurement and tank bottom measurement.

Key Words： Electronic total station; Vertical metal tank; Ring plate radius measurement; Capacity verification

立式金屬罐是我國液體貨物交接的主要計(jì)量器具，其計(jì)量精度將直接影響貿(mào)易雙方經(jīng)濟(jì)效益。而全站儀是立式金屬罐應(yīng)用的主要配套工具，可以精確測(cè)量金屬罐圈板高度、半徑和傾斜度等幾何尺寸。目前，利用全站儀進(jìn)行立式金屬罐鑒定體系初步成熟，成為立式金屬罐在國際石油貿(mào)易中計(jì)量檢定的首選工具。

1? 全站儀在立式金屬罐容量檢定中的工作原理

1.1 極坐標(biāo)測(cè)量-圈板水平圓周測(cè)量

將全站儀置于立式金屬管內(nèi)，盡可能地靠近罐底面圓心位置，以全站儀為中心，可構(gòu)建表征圈板上任意點(diǎn)位置的坐標(biāo)系。假設(shè)圈板上任意點(diǎn)與全站儀連線與水平面夾角為βi，連線在地面的投射與橫向方面的坐標(biāo)軸夾角為αi。

則可依據(jù)三角函數(shù)確定圈板上任意點(diǎn)位置坐標(biāo)為Pi（xi，yi，zi）。其中：

1.2 圈板水平圓周半徑計(jì)算

1.2.1? 最小二乘擬合計(jì)算法

上式中，dr為水平圓半徑近似值的改正數(shù);da為水平圓心點(diǎn)坐標(biāo)x近似值的改正數(shù);db為水平圓心點(diǎn)坐標(biāo)y近似值的改正數(shù);a0、b0和r0分別為水平圓心點(diǎn)坐標(biāo)x、y的近似值以及水平圓半徑的近似值。

其中，

1.2.2? 迭代計(jì)算法

2? 全站儀在立式金屬罐容量檢定中的主要要求和注意事項(xiàng)

2.1 主要要求

2.1.1 指示激光

要求望遠(yuǎn)鏡視準(zhǔn)軸應(yīng)與全站儀無棱鏡距離測(cè)量激光束保持在同一軸線上;指示激光與測(cè)距激光是同一光束，保證測(cè)距點(diǎn)即為激光指示點(diǎn)。

2.1.2 距離測(cè)量

全站儀無棱鏡合作目標(biāo)測(cè)距標(biāo)準(zhǔn)偏差≤2ppm+3mm全站儀單棱鏡標(biāo)稱測(cè)距≥200mm。

全站儀圓棱鏡合作目標(biāo)測(cè)距標(biāo)準(zhǔn)偏差≤2ppm+2mm全站儀單棱鏡標(biāo)稱測(cè)程≥3 000m;

最小顯示單位≤1mm。

2.1.3 角度測(cè)量

一測(cè)回水平方向和垂直角標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過2″;最小顯示單位不超過1″。

2.2 注意事項(xiàng)

（1）全站儀經(jīng)過長途運(yùn)輸后，需經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和校驗(yàn)調(diào)整兩軸，才能用于測(cè)量。具體可以利用電子氣泡精密儀器中的圓氣泡判斷全站儀是否“橫平豎直”，通過校準(zhǔn)和設(shè)置垂直度盤指標(biāo)差、補(bǔ)償器指標(biāo)差等保證全站儀處于正常工作狀態(tài)[1]。在檢定立式金屬罐時(shí)應(yīng)事先用可燃?xì)怏w報(bào)警器等對(duì)罐內(nèi)物質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保期內(nèi)物質(zhì)不會(huì)危害周邊人員安全。檢定工作完成后，工作人員理應(yīng)再次檢查全站儀是否處于正常工作狀態(tài)，確保測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、有效。

（2）全站儀測(cè)量立式金屬罐應(yīng)考慮到立式金屬罐大小。通常情況下，如果立式金屬罐容積不超過2 000 m3，或是存儲(chǔ)過有毒有害氣體宜選擇外側(cè)法;如果立式金屬罐容積不低于2 000 m3，則宜選擇內(nèi)測(cè)法[2]。

（3）在全站儀測(cè)量過程中，應(yīng)保證立式金屬罐內(nèi)外表面清潔，不存在其他障礙物。而且全站儀距離立式金屬罐間距應(yīng)滿足：大于立式金屬罐高度的一半，同時(shí)處于標(biāo)記點(diǎn)為切點(diǎn)的垂直方向上。

（4）檢定過程中應(yīng)對(duì)氣壓、濕度、溫度和磁場(chǎng)等環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦周邊環(huán)境出現(xiàn)較大變化，影響檢定精度時(shí)應(yīng)立即停止檢定，待周邊環(huán)境恢復(fù)后再繼續(xù)。正常作業(yè)時(shí)應(yīng)保證補(bǔ)償器是打開的[3]。

（5）全站儀內(nèi)側(cè)放置位置應(yīng)盡可能地靠近底面圓心，不超過圓心周圍2 m的圓形范圍內(nèi)。RL測(cè)量圈板半徑時(shí)，如遇見障礙物可先跳過，事后進(jìn)行補(bǔ)點(diǎn)測(cè)量。

（6）全站儀測(cè)量結(jié)果加常數(shù)改正時(shí)，選取無棱鏡距離測(cè)量加常數(shù)改正法。具體步驟如下：第一，立式罐的鋼板表面相近合作目標(biāo)選擇時(shí)宜用“反射片”;第二，計(jì)算基線值-全站儀無棱鏡距離測(cè)量值;第三，將上述計(jì)算結(jié)果視為全站儀對(duì)鋼板距離測(cè)量的改正加常數(shù)，則最后半徑計(jì)算公式為：各水平圓半徑+全站儀對(duì)鋼板距離測(cè)量的改正加常數(shù)。

3? 全站儀在立式金屬罐容量檢定中的測(cè)量應(yīng)用

3.1 圈板半徑測(cè)量

全站儀測(cè)量立式金屬罐圈板半徑應(yīng)與傳統(tǒng)圍尺法相互配合，具體步驟如下：第一，將全站儀腳架牢固固定在立式金屬罐底面圓心位置，保證其偏差不超過2 m，同時(shí)在四周防止重物，以維持全站儀穩(wěn)定;第二，將全站儀置于腳架上，進(jìn)行軸偏差調(diào)式，同時(shí)記錄檢定現(xiàn)場(chǎng)氣壓、濕度、溫度等環(huán)境條件;第三，采用RL測(cè)量模式，視圓周長選擇遞進(jìn)方式，確定立式金屬罐圈板高度和基圓位置，同時(shí)滿足如下條件：當(dāng)圓周長l>100 m時(shí)，保證最小測(cè)量點(diǎn)數(shù)n≥36個(gè)，相鄰測(cè)量點(diǎn)弧長間距d<4 m。當(dāng)圓周長l≤100 m時(shí)，保證最小測(cè)量點(diǎn)數(shù)n≥12，相鄰測(cè)量點(diǎn)弧長間距d<3 m;第四，全站儀自動(dòng)對(duì)各圈板1/4和3/4處進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)束后自動(dòng)輸出各圈板半徑值[4-5]。得出現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件下的圈板半徑;第五，通過R20=Rt [1+α（20-t）]計(jì)算得出20 ℃下的立式金屬罐圈板半徑，其中t表示現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下立式金屬罐的平均溫度;α為金屬罐圈板材料的線膨脹系數(shù);Rt為現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的全站儀輸出半徑。

3.2 傾斜度測(cè)量

全站儀測(cè)量立式金屬罐傾斜度有兩種方法：一是最大差值法。在金屬管內(nèi)第一圈板上挑選滿足對(duì)稱條件的8個(gè)點(diǎn)，通過測(cè)量各點(diǎn)標(biāo)高和計(jì)算最大差值求得傾斜度。二是在圈板半徑測(cè)量的基礎(chǔ)上求解傾斜度。具體如下。

全站儀測(cè)量經(jīng)過圈板1/4和3/4處時(shí)，確定兩點(diǎn)截面圓心坐標(biāo)分別為A（x1，y1）和B（x2，y2），則可計(jì)算兩圓心間的坐標(biāo)差如下：

上式中，i為圈板號(hào)，計(jì)算量圓心間高度差為dHi，則可計(jì)算圈板傾斜角為：。

3.3 圈板高度測(cè)量

圈板高度測(cè)量需瞄準(zhǔn)立式金屬罐焊縫進(jìn)行測(cè)量，確定立式金屬罐總高度和各圈板高度。與傳統(tǒng)油尺車輛相比，不僅工作效率顯著提升，而且工作精度明顯提高。在實(shí)踐應(yīng)用中，應(yīng)采用全站儀免棱鏡測(cè)距進(jìn)行測(cè)量。

3.4 橢圓度測(cè)量

橢圓度測(cè)量是在圈板半徑測(cè)量的基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算，具體步驟如下。第一，記錄圈板半徑測(cè)量中，全站儀自動(dòng)輸出各圈板半徑值和各觀測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)。第二，基于兩點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算得出各觀測(cè)點(diǎn)到圈板圓心的距離。第三，計(jì)算同一平面內(nèi)的不同方向的直徑，即對(duì)稱點(diǎn)間距。第四，選取對(duì)徑距離的最大值和最小值，計(jì)算橢圓度。

3.5 罐底量測(cè)量

罐底量測(cè)量步驟如下。

第一，布點(diǎn)。依據(jù)立式金屬罐容量合理布設(shè)測(cè)量點(diǎn)，通常情況下測(cè)量點(diǎn)數(shù)由罐底不平程度和標(biāo)稱容量確定。當(dāng)標(biāo)稱容量不超過700 m3時(shí)，等分圓環(huán)數(shù)量為1，半徑測(cè)量系數(shù)為8;當(dāng)標(biāo)稱容量在700～100 m3時(shí)，等分圓環(huán)數(shù)量為8，半徑測(cè)量系數(shù)為8;當(dāng)標(biāo)稱容量在10 000～50 000 m3時(shí)，等分圓環(huán)數(shù)量為8，半徑測(cè)量系數(shù)為16;當(dāng)標(biāo)稱容量大于50 000 m3時(shí)，等分圓環(huán)數(shù)量為16，半徑測(cè)量系數(shù)為16。第二，確定測(cè)站點(diǎn)。盡量保證間距圓心不超過2 m。第三，觀察立式金屬罐表面清潔與否，保證表面不存在障礙物。第四，合理選擇測(cè)量棱鏡，進(jìn)行參設(shè)設(shè)置。第五，采用自動(dòng)找準(zhǔn)功能進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，既可減輕工作人員工作量，又能避免人為誤差。罐底量計(jì)算公式如下：

上式中，α為垂直角;a為棱鏡高;S為斜距。

在儀器選用方面，罐底量測(cè)量宜采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量，但水準(zhǔn)儀測(cè)量精度不高，其主要原因在于罐底光線較弱，測(cè)量時(shí)勢(shì)必會(huì)移動(dòng)觀測(cè)點(diǎn)，造成人為誤差。而利用全站儀測(cè)量，其有棱鏡測(cè)距超過100 m，可以在不移動(dòng)的前提下進(jìn)行測(cè)量，能夠保證測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，減小人為誤差，而上述方法可稱為三角高程測(cè)量法[6]。除此之外，罐底量測(cè)量還可采用仿全站儀幾何測(cè)量法。如果立式金屬罐中存在加熱管，宜采用仿全站儀幾何測(cè)量法。其根本原因在于，三角高程測(cè)量法應(yīng)用時(shí)工作人員須手持棱鏡測(cè)量，很容易造成信號(hào)缺失，影響測(cè)量精度和精度。而如果立式金屬罐中不存在加熱管，則宜采用上述三角高程測(cè)量法。

4? 結(jié)語

綜上所述，全站儀在立式金屬罐容量檢定中應(yīng)用廣泛。與傳統(tǒng)測(cè)量方法相比，立式金屬罐全站儀測(cè)量不僅操作便捷，科技含量高，而且測(cè)量數(shù)據(jù)精確，對(duì)立式金屬罐應(yīng)用具有重要意義。隨著科技的發(fā)展，全站儀科技含量不斷提高，再配合專門的應(yīng)用程序，不僅使用方便，而且自動(dòng)化程度增強(qiáng)，顯著提高立式金屬罐容量測(cè)量工作效率。在實(shí)踐工作中，工作人員應(yīng)結(jié)合立式金屬罐容量類型和容量等條件合理選擇全站儀型號(hào)，進(jìn)行立式金屬罐容量檢定，保證提高測(cè)量效率和測(cè)量精度。

參考文獻(xiàn)

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