基金项目：辽宁省检验检测认证中心青年人才创新创业项目，项目名称：基于全站仪的立式金属罐罐底数据自动采集系统（项目编号：ＳＣ２０１９０１１０）作者简介：李尧，男，工程师。 李 尧 张永波 杨立宏 高 岩 张 禄 富晓雷
（辽宁省检验检测认证中心，辽宁抚顺１１３０００）
摘 要：对立式金属罐罐底计量技术进行归类和比较，根据罐底量测量适用条件、测量技术特点和工作效率等方面，对现有技术和最新技术的应用进行介绍和比较，为检定／校准人员在立式金属罐罐底测量技术选择上提供依据和参考。关键词：大容量计量；立式罐；罐底量；容量比较法；几何测量法 中图分类号：ＴＢ９３８ ３ 文献标识码：Ａ 国家标准学科分类代码：４６０ ４０９９ＤＯＩ
：１０．１５９８８／ｊ．ｃｎｋｉ．１００４－６９４１．２０２０．１２．０１６ＳｕｍｍａｒｙｏｆＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＶｅｒｔｉｃａｌＭｅｔａｌ
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ｔｈｏｄ；ｇｅｏ ｍｅｔｒｉｃｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ０ 引言
随着光电测距、３Ｄ扫描等技术在大容量计量领域的应用和实践，高效准确地确定立式罐总容量，特别是罐底量对石油产品的生产、加工和贸易等环节至关重要。本文通过对罐底量测量方法和技术的介绍，为检定／校准人员和油品计量人员在选择高效的罐底量测量方法和合理的测量技术手段方面提供参考。１ 罐底量的定义
罐底量包括底量和死量。根据ＪＪＧ１６８－２０１８《立式金属罐容量》（以下简称检定规程），底量的定义是罐底最高点水平面以下的容量，也称罐底容量。死量的定义是下计量基准点水平面以下的容量。底
量与死量所使用的测量方法基本相同。在罐底量容量计算方面，死量用一个容量值表示，而下计量基准点至罐底最高点区间为编制罐底量容量表的高度（见图１），需要计算出相应高度的容量。
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图１ 不规则罐底和底量容量表区间示意图
立式罐罐底一般由单层或双层金属板，按照一
定的排版方式采用对接或者搭接的结构组成。
［２］
由于生产领域、工艺流程以及安全要求的不同，罐底有多种形状，例如有正圆锥形、倒圆锥形、单面倾斜性、平面等规则形状罐底，而不规则形状罐底最常见（见图１
）。２ 罐底量测量方法
罐底量测量方法有容量比较法和几何测量法。罐底量测量是指检定／校准人员按照检定规程规定的方法，获得底量、死量和罐底量容量表计算所需数据的测量。２ １ 容量比较法
检定规程规定当条件具备时应优先采用容量比较法，基本方法是将符合要求的液体介质从标准金属量器或流量计中注入到被检定罐内，同时用量油尺测出罐底注入的液面高度，直至液体分别浸没至下计量基准点和罐底最高突起部分，即注入被检定罐中的液体体积分别为死量和底量，死量对应的液高为零点，底量对应的液高为下计量基准点至罐底最高点的高度。
容量比较法可直接获得底量、死量测量数据，用线性插值法计算罐底量容量表，适用于各种形状的罐底，但设备较复杂、耗时长，且工作量大，但适用范围广、制约条件少，对被检设备的几何形状、地理环
境等因素要求较低。
［３］
２ ２ 几何测量法
几何测量法的基本方法是对于规则形状罐底，按其实际几何形状测量。对于不规则形状罐底，按照罐直径大小和它的凹凸不平程度确定罐底等面积同心圆上的测量点，见图２（ａ），将水准仪架设在罐底靠近中心的稳定点上，用标高尺逐一直立于各测量点、罐底中心点和下计量基准点上，由水准仪读出标尺的读数，记录各测量点的标高，见图２
（ｂ）。
（ａ）罐底测量点分布示意图 （ｂ）罐底测量点标高测量示意图
图２ 罐底量测量示意图
几何测量法直接测量罐底形状的几何参数，设备简单、易操作、耗时较短，但需根据罐底形状建立数学模型用以计算底量、死量以及编制罐底容量表。规则罐底的形状测量和数学模型计算的精度较高，当罐底的情况复杂时罐底形状测量和容积计算的精度都将受到影响。３ 罐底量测量技术及特点３ １ 容量比较法测量技术
检定规程规定的容量比较法主要标准器、设备及主要技术参数见表１。
表１ 检定设备主要技术参数
设备名称测量范围准确度等级或最大允许误差
备注测深钢卷尺
（１～１５）ｍ（１～２０）ｍ（１～２５）ｍ（１～３０）ｍ
Ⅱ级
使用时进行修正
标准金属量器（１００～２０００）Ｌ±０ ０５％流量计满足要求±０ ２％辐射温度计
－３０℃～２００℃
１级
配套设备
对于新建立式罐，可以利用立式罐水压试验的动力设备、管线及符合标准器要求的介质，选择适合的标准金属量器或流量计对罐底量进行测量。在根据现场情况选择满足检定规程要求的流量计时，如果水质清洁可以考虑使用容积式流量计；使用质量流量计或电磁流量计要满足上、下游直管段长度以及过滤器、整流器等使用要求。在容积计算方面，记录标准器注入罐底的介质体积，再通过液位测量将定量注入的介质体积转化为罐底区间的各液高所对应的容量。在测量过程中还要注意介质温度，必要时要进行温度修正。
容量比较法测量技术的优势在于在接近或直接采用实际工况条件下测量底量和死量，可以降低和避免因罐底板变形、罐壁不规则、沉降等不利因素对
罐底量测量的影响。［３］其不足之处是主标准器对介
质、辅助设施的要求较高，作业时间长，工作量大。３ ２ 几何测量法测量技术
几何测量法测量技术是通过仪器设备得到的罐
烫毛机底的真实形状，根据罐底形状建立相应的数学模型并计算出罐底量的过程。检定规程规定当罐底的形状规则时，根据罐底形状和数学模型选取表征罐底
形状的关键测量点进行测量；罐底的形状不规则时，根据罐直径的大小来确定等面积圆环数和半径方向测量条数，罐底测量点数量要求见表２。
计量罐表２ 罐底测量点数量
循环氢压缩机
基圆直径（ｍ）等分圆环数量ｍ半径方向测量条数ｎＤ≤１０１８
１０＜Ｄ≤３０８８
３０＜Ｄ≤６０８１６
Ｄ＞６０１６１６
在实际测量中，传统的测量方式是由检定／校准人员使用水准仪和标高尺逐一测量罐底测量点的标高数据。测量过程全程都在受限空间内、作业活动受限、时效性不高、自动化程度低，且具有一定的危险性。随着光电测距和三维激光扫描技术在各个领域的广泛应用，容量计量领域的相关专家通过不断的研究和试验，成功地将光电测量技术引入并推广，发挥了其非接触式、速度快和全自动测量的优势。
（１）全站仪自动测量技术［４－５］
该技术是利用全站仪高精度的电子测距、测角和开放的编程功能，依据几何测量法原理通过软件编程实现全站仪的自动或半自动方式对表征罐底形状的测量点、计量基准点的标高进行测量。通用的全站仪罐底测量的基本流程为：首先通过作业人员辅助确定下计量基准点、罐边缘至少３个参考点；全站仪按预制程序自动计算罐底测量点分布，并按照圆环或半径方向自动测量各罐底测量点的标高并记录，直至测量结束；当测量数据超差或无法避开障碍物时，可由作业人员辅助完成测量。
（２）三维激光扫描技术［６－７］
三维扫描技术基于光电测距原理，将激光束射到高速旋转光学镜持续投射出去，并接收周围对象的散射光，计算出各点的坐标得到被测对象点云数据。使用三维激光扫描仪对罐底扫描非常简便，架设好仪器，根据罐的大小设置好扫描参数，就可以对罐底内部进行自动扫描，获取罐底点云数据，再由计算机对采集的点云数据进行预处理、建立三维模型和结合科学算法精确计算罐底量容积。如果障碍物较多或者罐底直径较大，可以设置多站扫描，合理设置标靶越过障碍物，最后将扫描出的点云数据经过拼接、去噪等预处理组合成整体形状。
（３）激光水准仪技术［８］
激光水准仪是将激光装置发射的激光束导入水准仪的望远镜筒内，使其沿视准轴方向射出的水准仪，与配有光电接收靶的水准尺配合，即可进行水准测量。对于容积在１０万立以上的立式罐或ＬＮＧ储罐，传统的水准仪观测难度大、工作效率低。用激光水准仪代替自动安平水准仪，由作业人员在测量点上放置激光标靶接收水准尺，利用激光水准仪精度高、视线长和进行自动读数和记录等特点，可以大大提高罐底量测量效率。
全站仪和激光水准仪在罐底量测量中发挥了自动测量、自动读数的技术优势，提高了测量效率、减少了作业人员的工作强度，但容积计算的准确性取决于数学模型与罐底形状的接近程度，对于情况复杂的罐底，测量点数不能完全表征罐底形状。利用三维激光扫描技术通过对云数据处理结合科学的数学模型分析及算法，可以有效改善传统几何测量法的测量精度。
３ ３ 罐底量在线测量技术
在立式罐容量后续检定或校准中，经常需要带液检定或校准。检定规程规定，对于带液测量的罐，其底量可采用上一周期的数据，但应在检定证书上注明：罐底最高点以下不得作为计量容积使用。对于油品计量人员来说，除了可以使用上一周期的底量容量表作为参考外，也可以通过罐底量在线测量技术获得实时的罐底量。罐底量在线测量原理是使用温度、压力、液位等传感器结合自动控制系统及上位机对罐内介质温度、压力、液位进行在线测量，由计算机根据压力、液位等信息计算出罐底形状变化和实时罐底量。
（１）立式罐底量无线测量系统［９］
将无线温度、压力测量模块分布于立式罐罐底各测量点并与上位机自动组成测量网络，从而实现对立式罐底量和罐底形状的测量以及罐底形状变化监测。
（２）立式罐底量超声波测量系统［１０］
通过电动机带动浮在液体上并装有超声波测量模块的浮板，对罐底各测量点变形情况进行扫描式测量，从而实现对立式罐底量和罐底形状的测量。
罐底量在线测量技术的发明和应用为罐底量带液检定或校准提供了新的思路和方法，有助于检定／校准人员和油品计量人员准确计量罐底量、计算容量差量，也为工艺生产和安全提供了可靠数据。
４ 罐底量测量技术分类及特点
为了方便检定／校准人员及油品计量人员更好地运用现有的罐底量测量方法和测量技术，按照测量方法原理和测量技术主标准设备的不同将罐底量测量分类归纳如图３所示。
检定／校准人员及油品计量人员在使用以上测量技术时可以结合工作实际，按照应用场合、现场条件、计量要求、工作效率、生产安全、经济性等需求，合理选择适合的技术手段来实现。通过对现有
的罐底量测量方法和主要测量技术各方面优势和不足的比较、分析，帮助使用人员合理选择测量方法和测量技术，具体比较与分析参见表３～表５。
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图３ 罐底量测量技术分类
表３ 不同测量技术现场设备、作业环境、时间及人员比较
主要设备现场作业条件作业时间（小时）所需人员（名）容量比较法标准金属量器、量油尺、温度计非受限空间作业、现场需要液体介质以及相关辅助输送设备＞２２～３流量计、量油尺、温度计非受限空间作业、现场需要液体介质、动力设备及配套管线＞２２～３
几何测量法水准仪、标高尺受限空间作业＜１２～３全站仪受限空间作业、罐底障碍物不宜过多＜０ ５１～３
三维激光扫描仪、靶球受限空间作业＜０ ５１～３
激光水准仪、接收靶受限空间作业＜１２～３
表４ 不同测量技术罐底量测量方式、精度及计算方法比较
测量方法测量技术测量方式精度罐底量计算方法
容量比较法标准金属量器非自动测量高线性插值法
流量计非自动测量高线性插值法几何测量法水准仪非自动测量一般罐底近似数学模型
全站仪自动测量一般罐底近似数学模型紧急呼叫
三维激光扫描仪自动测量较高云数据处理与容积算法
激光水准仪非自动测量一般罐底近似数学模型
表５ 罐底量测量技术优、缺点
测量方法及测量技术优点缺点应用分析
容量比较法标准金属量器不受罐底形状限制；测量数据准确可靠；
容积计算简单。
操作时间长；工作量大。适合对直径小、现场条件便利的罐底量测量。
流量计设备复杂；操作时间长；对液体介质和流量
计工作条件要求高。适合对现场有可利用的动力源、管线及满足要求的液体介质的罐底量测量。
几何测量法水准仪对人员要求不高；设备和操作简便；
作业时间短。作业空间受限；工作量大；复杂罐底测量精
度不高。
适合对直径小、罐底形状规则的罐底量测量。
全站仪自动测量；测量效率高；人员工作量小。需要专业的编程和算法；复杂罐底测量精
度不高。
适合罐底障碍物少、罐底形状规则的罐底量测量。
三维激光扫描仪全自动扫描；全面反映罐底复杂形状；测量
时间短；人员工作量小。
后期数据处理、容积算法专业性要求较高。适合罐底障碍物少的罐底量测量。
激光水准仪自动读数记录；设备和操作简便；
作业时间短。作业空间受限；工作量大；复杂罐底测量精
度不高。
智能平衡代步车适合对较大直径、罐底形状规则的罐底量测量。
无线、超声波测量带液自动测量；连续实时数据监测。监测设备数量多、对控制系统装置及上位
机要求较高。
适合对罐底量计量、安全等要求较高的工况。
５ 结语
本文从罐底量的定义、测量方法和使用出发，介绍了罐底量的测量方法、现有测量技术及特点。对现有罐底量测量技术的测量原理、特点和适用性进行了比较和分析，希望对检定／校准人员和油品计量员如何更高效和准确地获得罐底量和分析使用罐底量提供一定的帮助。总的来看，容量比较法在罐底量测量准确度上具有很大的优势，但效率不高，线性插值算法存在一定的误差。全站仪、三维激光扫描仪等测量技术在罐底形状获取、数学模型建立、数据处理和容积算法上仍存在很大的发展空间，值得进一步推广和应用。
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２Ａ［Ｐ］ ２０１９－１１－１９
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［１０］石佳楠，孙斌，赵玉晓 一种立式罐底量超声波测量系统：中国，ＣＮ１０８２４０８４９Ａ［Ｐ］ ２０１８－０７－０３
（上接第４５页）
该类设备校准规范的编写提供一些方案，由于在利用现有资源对其血氧饱和度随流量自动调整后的变化情况的观察上，尚存欠缺，对如何通过单个端口，实现血氧饱和度、脉率、流量、自动调整流量输出范围等参数一体化校准的检测设备提出了需求，以待深入研究。与传统的氧气吸入器相比，智能血氧监护仪增加了血氧饱和度、脉率、吸氧时长和自动调节流量的监护功能，为数字化的床位管理提供了帮助，一定意义上，避免了氧疗过程不必要的氧气损耗，也方便医院对患者吸氧量进行精准的计量与收费。
随着对生理信息的采集、计算、传输、与预报警上研究的深入，类似更具灵活性、经济价值、智能化的该类监护设备会越来越多，传统意义上的检测方法可能在某时间段出现一些空白，他们的量值溯源
与否直接影响着生命健康安全，对更具合理性、更具操作性的量值溯源方案的设计和计量人员思维的创新提出了新的挑战。
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（上接第４７页）
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