全站仪在立式金属罐容量检定中的应用

徐添喜

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

摘  要：全站仪是一种多功能测绘仪器，是立式金属罐容量测量的重要工具，其计量精度将直接影响贸易双方经济效益，在我国粮仓仓储、石油化工等领域应用广泛。该文主要介绍了全站仪应用在立式金属罐容量检定中等工作原理和主要注意事项，同时从圈板半径测量、倾斜度测量、圈板高度测量、椭圆度测量、罐底量测量等五方面讲述全站仪在立式金属罐容量检定中的具体应用。

关键词：全站仪   立式金属罐   圈板半径测量   容量检定

中图分类号：TH715                         文献标识码：A文章编号：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

立式金屬罐是我国液体货物交接的主要计量器具，其计量精度将直接影响贸易双方经济效益。而全站仪是立式金属罐应用的主要配套工具，可以精确测量金属罐圈板高度、半径和倾斜度等几何尺寸。目前，利用全站仪进行立式金属罐鉴定体系初步成熟，成为立式金属罐在国际石油贸易中计量检定的首选工具。

1  全站仪在立式金属罐容量检定中的工作原理

1.1 极坐标测量-圈板水平圆周测量

将全站仪置于立式金属管内，尽可能地靠近罐底面圆心位置，以全站仪为中心，可构建表征圈板上任意点位置的坐标系。假设圈板上任意点与全站仪连线与水平面夹角为βi，连线在地面的投射与横向方面的坐标轴夹角为αi。

则可依据三角函数确定圈板上任意点位置坐标为Pi（xi，yi，zi）。其中：

1.2 圈板水平圆周半径计算

1.2.1  最小二乘拟合计算法

上式中，dr为水平圆半径近似值的改正数;da为水平圆心点坐标x近似值的改正数;db为水平圆心点坐标y近似值的改正数;a0、b0和r0分别为水平圆心点坐标x、y的近似值以及水平圆半径的近似值。

其中，

1.2.2  迭代计算法

2  全站仪在立式金属罐容量检定中的主要要求和注意事项

2.1 主要要求

2.1.1 指示激光

要求望远镜视准轴应与全站仪无棱镜距离测量激光束保持在同一轴线上;指示激光与测距激光是同一光束，保证测距点即为激光指示点。

2.1.2 距离测量

全站仪无棱镜合作目标测距标准偏差≤2ppm+3mm全站仪单棱镜标称测距≥200mm。

全站仪圆棱镜合作目标测距标准偏差≤2ppm+2mm全站仪单棱镜标称测程≥3 000m;

最小显示单位≤1mm。

2.1.3 角度测量

一测回水平方向和垂直角标准偏差不超过2″;最小显示单位不超过1″。

2.2 注意事项

（1）全站仪经过长途运输后，需经过现场调试和校验调整两轴，才能用于测量。具体可以利用电子气泡精密仪器中的圆气泡判断全站仪是否“横平竖直”，通过校准和设置垂直度盘指标差、补偿器指标差等保证全站仪处于正常工作状态[1]。在检定立式金属罐时应事先用可燃气体报警器等对罐内物质进行监测，确保期内物质不会危害周边人员安全。检定工作完成后，工作人员理应再次检查全站仪是否处于正常工作状态，确保测量数据准确、有效。

（2）全站仪测量立式金属罐应考虑到立式金属罐大小。通常情况下，如果立式金属罐容积不超过2 000 m3，或是存储过有毒有害气体宜选择外侧法;如果立式金属罐容积不低于2 000 m3，则宜选择内测法[2]。

（3）在全站仪测量过程中，应保证立式金属罐内外表面清洁，不存在其他障碍物。而且全站仪距离立式金属罐间距应满足：大于立式金属罐高度的一半，同时处于标记点为切点的垂直方向上。

（4）检定过程中应对气压、湿度、温度和磁场等环境进行监测，一旦周边环境出现较大变化，影响检定精度时应立即停止检定，待周边环境恢复后再继续。正常作业时应保证补偿器是打开的[3]。

（5）全站仪内侧放置位置应尽可能地靠近底面圆心，不超过圆心周围2 m的圆形范围内。RL测量圈板半径时，如遇见障碍物可先跳过，事后进行补点测量。

（6）全站仪测量结果加常数改正时，选取无棱镜距离测量加常数改正法。具体步骤如下：第一，立式罐的钢板表面相近合作目标选择时宜用“反射片”;第二，计算基线值-全站仪无棱镜距离测量值;第三，将上述计算结果视为全站仪对钢板距离测量的改正加常数，则最后半径计算公式为：各水平圆半径+全站仪对钢板距离测量的改正加常数。

3  全站仪在立式金属罐容量检定中的测量应用

3.1 圈板半径测量

全站仪测量立式金属罐圈板半径应与传统围尺法相互配合，具体步骤如下：第一，将全站仪脚架牢固固定在立式金属罐底面圆心位置，保证其偏差不超过2 m，同时在四周防止重物，以维持全站仪稳定;第二，将全站仪置于脚架上，进行轴偏差调式，同时记录检定现场气压、湿度、温度等环境条件;第三，采用RL测量模式，视圆周长选择递进方式，确定立式金属罐圈板高度和基圆位置，同时满足如下条件：当圆周长l>100 m时，保证最小测量点数n≥36个，相邻测量点弧长间距d<4 m。当圆周长l≤100 m时，保证最小测量点数n≥12，相邻测量点弧长间距d<3 m;第四，全站仪自动对各圈板1/4和3/4处进行测量，测量结束后自动输出各圈板半径值[4-5]。得出现场环境条件下的圈板半径;第五，通过R20=Rt [1+α（20-t）]计算得出20 ℃下的立式金属罐圈板半径，其中t表示现场环境下立式金属罐的平均温度;α为金属罐圈板材料的线膨胀系数;Rt为现场环境下的全站仪输出半径。

3.2 倾斜度测量

全站仪测量立式金属罐倾斜度有两种方法：一是最大差值法。在金属管内第一圈板上挑选满足对称条件的8个点，通过测量各点标高和计算最大差值求得倾斜度。二是在圈板半径测量的基础上求解倾斜度。具体如下。

全站仪测量经过圈板1/4和3/4处时，确定两点截面圆心坐标分别为A（x1，y1）和B（x2，y2），则可计算两圆心间的坐标差如下：

上式中，i为圈板号，计算量圆心间高度差为dHi，则可计算圈板倾斜角为：。

3.3 圈板高度测量

圈板高度测量需瞄准立式金属罐焊缝进行测量，确定立式金属罐总高度和各圈板高度。与传统油尺车辆相比，不仅工作效率显著提升，而且工作精度明显提高。在实践应用中，应采用全站仪免棱镜测距进行测量。

3.4 椭圆度测量

椭圆度测量是在圈板半径测量的基础上进行计算，具体步骤如下。第一，记录圈板半径测量中，全站仪自动输出各圈板半径值和各观测点坐标。第二，基于两点坐标，计算得出各观测点到圈板圆心的距离。第三，计算同一平面内的不同方向的直径，即对称点间距。第四，选取对径距离的最大值和最小值，计算椭圆度。

3.5 罐底量测量

罐底量测量步骤如下。

第一，布点。依据立式金属罐容量合理布设测量点，通常情况下测量点数由罐底不平程度和标称容量确定。当标称容量不超过700 m3时，等分圆环数量为1，半径测量系数为8;当标称容量在700～100 m3时，等分圆环数量为8，半径测量系数为8;当标称容量在10 000～50 000 m3时，等分圆环数量为8，半径测量系数为16;当标称容量大于50 000 m3时，等分圆环数量为16，半径测量系数为16。第二，确定测站点。尽量保证间距圆心不超过2 m。第三，观察立式金属罐表面清洁与否，保证表面不存在障碍物。第四，合理选择测量棱镜，进行参设设置。第五，采用自动找准功能进行自动测量，既可减轻工作人员工作量，又能避免人为误差。罐底量计算公式如下：

上式中，α为垂直角;a为棱镜高;S为斜距。

在仪器选用方面，罐底量测量宜采用水准仪进行测量，但水准仪测量精度不高，其主要原因在于罐底光线较弱，测量时势必会移动观测点，造成人为误差。而利用全站仪测量，其有棱镜测距超过100 m，可以在不移动的前提下进行测量，能够保证测量数据准确性，减小人为误差，而上述方法可称为三角高程测量法[6]。除此之外，罐底量测量还可采用仿全站仪几何测量法。如果立式金属罐中存在加热管，宜采用仿全站仪几何测量法。其根本原因在于，三角高程测量法应用时工作人员须手持棱镜测量，很容易造成信号缺失，影响测量精度和精度。而如果立式金属罐中不存在加热管，则宜采用上述三角高程测量法。

4  结语

综上所述，全站仪在立式金属罐容量检定中应用广泛。与传统测量方法相比，立式金属罐全站仪测量不仅操作便捷，科技含量高，而且测量数据精确，对立式金属罐应用具有重要意义。随着科技的发展，全站仪科技含量不断提高，再配合专门的应用程序，不仅使用方便，而且自动化程度增强，显著提高立式金属罐容量测量工作效率。在实践工作中，工作人员应结合立式金属罐容量类型和容量等条件合理选择全站仪型号，进行立式金属罐容量检定，保证提高测量效率和测量精度。

参考文献

[1] 田巍，孙晓鹏.立式金属罐容量测量方法探讨[J].工业计量，2020，30（S1）：12-14.

[2] 郭立功，赵缙，王金涛，等.全站仪在立式金属罐容量光学三角测量法上的应用[J].计量技术，2018，530

（10）：70-73.

[3] 张晶宇.立式金属罐容量全站仪法检定中的质量控制探究[J].轻工标准与质量，2020，171（3）：118-119.

[4] 陈喆.基于点云的罐体曲面形变分析方法研究[D].青岛：山东科技大学，2019.

[5] 郝笑笑.外浮顶储罐罐体变形响应分析与测量方法研究[D].北京：中國石油大学（北京），2019.

[6] 梅健.数字近景摄影测量多样本容量基坑变形监测方法研究[D].成都：西南石油大学，2018.