大型油罐容量计量中3D空间建模方法研究与比对试验分析

　　1 引 言

　　大型油罐是国际间大宗能源贸易结算的主要计量储存器具，属强制检定计量设备。作为国民经济生命线系统之能源系统的重要组成部分，大型油罐在商业、军事、民用、交通、航空，特别是石化行业中有着非常广泛的应用，主要包括立式罐、卧式罐和球形罐等。如何利用先进的计量方法，精确测量出容量一直是大型储罐运行的核心部分，研究其精密计量方法具有重要的现实意义。

　　国内外很多学者和研究机构对大型油罐的容量计量方面进行了大量研究，提出了几何测量法、金属膜渗透法、罐体表面应变法、超声法和近景摄影测量方法等研究方法[1-7]。由于 OIML R71 和 R80 测量允差的要求，除了几何测量法应用于国内外计量交接使用外，其他方法都还处在研究中。但是几何测量法中，都是要求大型油罐具有规则几何形状且无变形，即理想的几何体，例立式罐为理想圆柱体处理。而油罐的变形是不规则的，特别是大型油罐，如果当作规则几何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，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。

　　而且现有几何测量方法需要在油罐清空后人工进入罐内使用钢卷尺等设备进行操作，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，随着油罐的大型化，对容量计量的自动化程度要求也会越来越高。

　　为了满足油品贸易交接和油罐使用单位精细化管理的要求，本文使用激光三维扫描建模方法进行油罐容量计量的研究，提出了一种能够满足不确定度 0.4% (k=2)计量要求的自动化油罐容量计量检定装置及方法。

　　2 油罐容量三维激光扫描方法

　　2.1 三维激光扫描测量系统

　　作为最近发展迅速的一种新技术，三维激光扫描技术可用于物体表面的非接触空间信息获取，具有数据获取速度快、实时性强、数据量大、主动性强、点位密集、精度较高等优势，已成为空间数据获取的重要技术手段[8-10]。三维激光扫描设备包括激光测距模块、激光扫描模块、CCD 模块和控制校正模块等，在设备内通过 2 个同步反射镜快速而有序地旋转, 将激光脉冲发射体发出的窄束激光脉冲依次扫过被测区域，通过脉冲法或者相位法等原理获得测距值，激光脉冲横向扫描角度值和纵向扫描角度值由精密时钟控制编码器进行测量。将三维激光扫描设备置于油罐内，调整至水平位置，以设备坐标系为测量基准，其中坐标系原点位于三维激光扫描设备中心、Z 轴为铅垂线方向、X 轴为水平度盘零方向，如图 1 所示。