CN101187547B - 油罐测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种油罐测量装置及方法。该装置主要由带有摄像头(21)且与U形架(12)活动相连的激光测距仪(1)、驱动U形架作水平旋传的水平步进电机(2)、滑杆(3)、连接器(6)、驱动激光测距仪作竖直方向旋转的俯角步进电机(13)和计算机(9)组成；滑杆两端的杆体分别与U形架、连接器相连，滑杆由连接器固定在油罐法兰(11)出口的中心位置处。本装置使用时，先调整滑杆使其在法兰的中心处定位，启动计算机和驱动程序，利用所述步进电机的光电编码器和激光测距仪采集空间角度和油罐内壁的空间距离数据，然后将这些数据传输到计算机处理，得到油罐主要的空间尺寸和几何形貌，再计算不同液高对应的容积值，并输出。

Description

油罐测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量装置，尤其是油罐测量装置及测量方法。

背景技术

目前采用全站仪测量方法只能测量立式油罐，不能解决卧式油罐的测量，由于卧式油罐的开口一般只有0.4m，采用传统的自动全站仪测量需要架设三角架，往往需要多人进入油罐内部进行操作，进入非常困难，空气非常恶劣，严重影响测量者的身心健康，乃至测量精度，特别是地埋式油罐，情况更为恶劣，因此需要设计专门为卧式油罐测量的装置。利用全站仪对外部结构进行测量，仅仅得到容积的间接尺寸，否则需要测量人员钻进油罐内部得到油罐内部容积的有关尺寸，这种劳动强度大的缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种利用激光测量仪对油罐进行测量的装置及方法，该装置利用自身的结构可以直接进入油罐的内部，直接对有关的有关尺寸进行测量，改变了目前一般采用测量仪对外部结构进行测量，间接得到油罐容积的有关尺寸的做法，从而解决了油罐法兰进口比较小，如果操作人员进入油罐内部行动比较困难，空气污浊，并且作业时间比较长、劳动强度大的问题。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的油罐测量装置，主要由带有摄像头且与U形架活动相连的激光测距仪、驱动U形架作水平旋转的水平步进电机、滑杆、连接器、驱动激光测距仪作竖直方向旋转的俯角步进电机和计算机组成，其中：滑杆两端的杆体分别与U形架、连接器相连，滑杆由连接器固定在油罐法兰出口的中心位置处；激光测距仪测量的数据通过通信接口传输到计算机中，两个步进电机在计算机控制下进行旋转，并将旋转的角度与激光测距仪测量的距离同步记录在数据库中，同时将测量结果输出。连接器由齿轮机构和支架组成，其中：支架由呈“十”字形排列的两组夹钳构成，两组夹钳内侧的齿条均与同步齿轮啮合相连；齿轮机构由同步齿轮及其两侧的下端盖、上端盖构成，上端盖通过与之中部连为一体的轴与同步齿轮相连，轴和下端盖均设有与滑杆杆体配合的装配孔。

本发明提供的利用上述油罐测量装置测量油罐的方法是：先在油罐法兰处安装油罐测量装置，调整滑杆使其在法兰的中心物理空间点定位，启动计算机和驱动程序，通过水平步进电机和俯角步进电机对激光测距仪进行两个自由度控制，并通过视频图像采集传输系统对测量目标进行监控，对油罐测量装置的偏移补偿测量计算，调整旋转角，校验直到油罐测量空间对中为止，然后对油罐的横截面、竖截面、水平截面进行扫描，利用所述步进电机的光电编码器和激光测距仪采集空间角度和油罐内壁的空间距离数据，并将这些数据传输到计算机处理，得到油罐主要的空间尺寸和几何形貌，再计算不同液高对应的容积值，并以电子表格形式输出。

本发明与现有技术相比具有以下的主要优点：充分利用激光传感器的测量精确，反应速度快，同时借助高精度步进电机的准确定位，实现了卧式罐容积尺寸进行准确、快速测量。通过机电一体化技术实现自动化数据采集和处理技术，缩短作业时间，减轻作业人员的劳动强度和工作环境，从而改变了传统采用灌水，耗费大量水资源的缺陷。

附图说明

图1为本发明的卧式罐测量装置。

图2油罐测量装置工作图

图3为油罐测量装置的连接器装配图。

图4摄像头与激光测量装置结合。

图5为伺服电机测量控制处理及数据采集流程图。

图6测量油罐的方法流程图。

图7测量方法坐标示意图。

图中：1.激光测距仪；2.水平步进电机；3.滑杆；4.夹钳；5.齿条；6.连接器；7.手柄；8.数据线；9.计算机；10.螺栓；11.油罐法兰；12.U形架；13.俯角步进电机；14.激光束；15.油罐；16.上端盖；17.轴；18.同步齿轮；19.下端盖；20.装配孔；21.摄像头；22.纵截面；23.水平截面；24.横截面。

具体实施方式同步齿轮；

下面结合具体实例对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

本发明提供的油罐测量装置，其结构如图1、图2和图4所示：主要由带有摄像头21且与U形架12活动相连的激光测距仪1(又称激光测量传感器)、驱动U形架作水平旋转的水平步进电机2、滑杆3、连接器6、驱动激光测距仪作竖直方向旋转的俯角步进电机13和计算机9等组成。其中：滑杆两端的杆体分别与U形架、连接器相连，滑杆通过螺栓10由连接器固定在油罐法兰11出口的中心位置处；激光测距仪测量的数据通过数据线8经通信接口传输到计算机中，两个步进电机在计算机控制下进行旋转，并将旋转的角度与激光测距仪测量的距离同步记录在数据库中，同时将测量结果输出。

所述的连接器6，其结构如图3所示：由齿轮机构和支架组成。其中：支架由呈“十”字形排列的两组夹钳4构成，它们内侧的齿条5均与同步齿轮18啮合相连。齿轮机构由同步齿轮18及其两侧的下端盖19、上端盖16构成，同步齿轮安装在与上端盖之中部连为一体的轴17上，可以活动旋转，并保证四个夹钳同步运动，当夹钳夹住油罐的法兰时，滑杆在油罐出口的中心位置。轴17和下端盖均设有与滑杆3杆体配合的装配孔20。

所述的水平步进电机2和俯角步进电机13可以是伺服电机。当计算机控制伺服电机驱动U形架12和激光测距仪1旋转时，通过伺服电机中光电编码器将旋转的角度记录下来，将旋转的角度传输到计算机，并将旋转的角度与激光测距仪测量的距离同步记录在数据库中。或者，为保证测量精度更高，伺服电机每旋卷一个角度停下来，计算机通过激光测量控制模块发出一个指令，对指定的对象进行测距，然后伺服电机继续旋转，重复以上动作，直到测量完所有数据(见图5)。

本发明还提供了利用上述油罐测量装置测量油罐的方法：先用手握手柄7，将油罐测量装置提到油罐法兰11处安装，调整滑杆3使其在法兰的中心物理空间点定位，启动计算机和驱动程序，通过水平步进电机2和俯角步进电机13对激光测距仪1进行两个自由度β和α控制，并通过视频图像采集传输系统对测量目标进行监控，对油罐测量装置的偏移补偿测量计算，调整旋转角，校验直到油罐测量空间对中为止，然后激光测距仪1发出激光束14对油罐的横截面、竖截面、水平截面进行扫描，利用所述步进电机的光电编码器和激光测距仪采集空间角度和油罐内壁的空间距离数据，并将这些数据传输到计算机9处理，得到油罐主要的空间尺寸和几何形貌，再计算不同液高对应的容积值，并可以用电子表格形式输出。

在激光测距仪1上配置一个摄像头21(图4)，并将油罐中的测量对象画面和过程传输到计算机监视其中。由于在油罐15中，工作人员进入工作很困难，如果通过摄像头在计算机显示器下对测量装置工作情况进行监视，可以方便的发现测量装置运行状况好坏。

卧式罐的总体积即为筒体和两个顶板的体积之和。为此，需要利用激光测距仪扫描油罐内侧的三个平面(如图1)，其中横截面24为圆形或椭圆形，纵截面22和水平截面23的形状要视具体的油罐形状而定。由于纵截面22和横截面24与激光测距仪在同一平面内，因而这两个平面的扫描工作较易完成。但是水平截面23与激光测距仪不在同一平面内，因而该截面扫描工作的完成需要借助一定的数学计算。在利用激光测距仪扫描油罐的同时，通过激光测距仪自带的RS232或RS422串行口将所测的数据传输到计算机9中，由于此时得到的数据是极坐标值，如图7所示，因而需要将这些数据在计算机内转换成直角坐标值，这样便得到了卧式油罐的精确模型。测出油罐的精确模型之后，便可方便地按照下述方法计算出它的容量的相关参数。

在测量油罐水平截面的时候，应采用计算水平截面测量方法来保证该截面固定高度的数据，即：先通过旋转激光测距仪1作水平旋转，不断调整其仰角和水平旋转角α，然后测量激光测距仪到油罐壁的距离ρ_i，保证H_i＝ρ_icos(α)是一个水平截面的固定高度。其中为：当ρ_isin(α_i)cos(β_i)为极大值时，H＝ρcos(α_i)。

在测量油罐横截面的时候，应采用计算水平截面测量方法来保证该截面固定高度的数据，即：先通过旋转激光传感器作竖直旋转，不断调整仰角α和水平旋转角β，测量激光测距仪到油罐壁的距离ρ_i，保证d_i＝ρ_isin(α)sin(β)是一个横截面的固定高度。

在测量油罐纵截面的时候，应采用计算水平截面测量方法来保证该截面固定长度的数据，即：先通过旋转激光传感器作竖直旋转，不断调整仰角α和水平旋转角β，测量激光测距仪到油罐壁的距离ρ_i，保证W_i＝ρ_isin(α)cos(β)是一个纵截面的固定长度。

当测量的油罐横截面为椭圆截面时，其坐标可以利用X_i＝ρ_isin(α_i)sin(β_i)。

当β＝90°：Z_iA＝ρ_Asin(α_A)，Z_iB＝ρ_Bsin(α_B)，AiB_i＝Z_iA+Z_iB

如果椭圆的长轴在水平位置的时候，则：

椭圆的长轴为：O_iC_i＝MAX(ρ_isin(α_i)cos(β_i))，D_iC_i＝2MAX(ρ_isin(α_i)cos(β_i))

椭圆的短轴为：O_iB_i＝(ρ_Asin(α_A)+ρ_Bsin(α_B))/2

椭圆的截面积为：

$S_i=\frac{({\mathrm{\ρ}}_A\sin \left({\mathrm{\α}}_A\right)+{\mathrm{\ρ}}_B\sin \left({\mathrm{\α}}_B\right))\mathrm{MAX}\left({\mathrm{\ρ}}_i\sin \left({\mathrm{\α}}_i\right)\cos \left({\mathrm{\β}}_i\right)\right)\mathrm{\π}}{2}.$

在测量油罐容积(体积)的时候，按下述公式计算：

$V=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_i(d_i-d_{i-1}).$

本发明提供的油罐测量装置可用于测量油罐尤其是卧式油罐的有关的尺寸。

卧式油罐一般由筒体和顶板两部分组成，筒体通常为柱体，顶板有弧形顶、圆台顶、椭球顶等各种类型。不同的类型油罐，基本过程，可通过图6所示的控制流程进行测量：首先进行准备工作，将测量仪器架设在油罐法兰上，校准测量仪的基准，测量仪的纵向和横向基准与油罐的截面基本保持一致，调整安装测量装置，启动计算机和驱动程序，激光测距仪中心物理空间位置进行设置和调整，进行初步测量检验测量的基准是否定准确，然后通过计算机和手工控制调整，再校验调整得是否准确，直到调整到完成基准正确。启动测量扫描，对水平截面、横截面和纵截面进行测量，并将测量数据输送到计算机进行数据处理和分析，最后输出测量结果。

Claims (7)

1.一种油罐测量装置，主要由带有摄像头(21)且与U形架(12)活动相连的激光测距仪(1)、驱动U形架作水平旋转的水平步进电机(2)、滑杆(3)、驱动激光测距仪作竖直方向旋转的俯角步进电机(13)和计算机(9)组成，滑杆两端的杆体分别与U形架、连接器(6)相连，滑杆由连接器固定在油罐法兰(11)出口的中心位置处；激光测距仪测量的数据通过通信接口传输到计算机中，两个步进电机在计算机控制下进行旋转，并将旋转的角度与激光测距仪测量的距离同步记录在数据库中，同时将测量结果输出，其特征是连接器(6)由齿轮机构和支架组成，其中：支架由呈“十”字形排列的两组夹钳(4)构成，两组夹钳(4)内侧的齿条(5)均与同步齿轮(18)啮合相连；齿轮机构由同步齿轮(18)及其两侧的下端盖(19)、上端盖(16)构成，上端盖通过与之中部连为一体的轴(17)与同步齿轮相连，轴(17)和下端盖均设有与滑杆(3)杆体配合的装配孔。

2.一种油罐测量装置测量油罐的方法，其特征是利用权利要求1所述油罐测量装置测量油罐，具体是：先在油罐法兰(11)处安装油罐测量装置，调整滑杆(3)使其在法兰的中心物理空间点定位，启动计算机和驱动程序，通过水平步进电机(2)和俯角步进电机(13)对激光测距仪(1)进行两个自由度控制，并通过视频图像采集传输系统对测量目标进行监控，对油罐测量装置的偏移补偿测量计算，调整旋转角，校验直到油罐测量空间对中为止，然后对油罐的横截面、竖截面、水平截面进行扫描，利用所述步进电机的光电编码器和激光测距仪采集空间角度和油罐内壁的空间距离数据，并将这些数据传输到计算机(9)处理，得到油罐主要的空间尺寸和几何形貌，再计算不同液高对应的容积值，并以电子表格形式输出。

3.根据权利要求2所述的测量油罐的方法，其特征是测量油罐水平截面的时候，应采用计算水平截面测量方法来保证该截面固定高度的数据，即：先通过旋转激光测距仪(1)作水平旋转，不断调整其仰角和水平旋转角α，然后测量激光测距仪到油罐壁的距离ρ_i，保证H_i＝ρ_i cos(α)是一个水平截面的固定高度。

4.根据权利要求2所述的测量油罐的方法，其特征是测量油罐横截面的时候，应采用计算水平截面测量方法来保证该截面固定高度的数据，即：先通过旋转激光测距仪(1)作竖直旋转，不断调整仰角α和水平旋转角β，然后测量该激光测距仪到油罐壁的距离ρ_i，保证d_i＝ρ_isin(α)sin(β)是一个横截面的固定高度。

5.根据权利要求2所述的测量油罐的方法，其特征是测量油罐竖截面的时候，应采用计算水平截面测量方法来保证该截面固定长度的数据，即：先通过旋转激光测距仪(1)作竖直旋转，不断调整仰角α和水平旋转角β，然后测量该激光测距仪到油罐壁的距离ρ_i，保证W_i＝ρ_i sin(α)cos(β)是一个竖截面的固定长度。

6.根据权利要求2所述的测量油罐的方法，其特征是当测量的油罐横截面为椭圆时，如果长轴在水平位置的时候，

椭圆的长轴为：O_iC_i＝MAX(ρ_isin(α_i)cos(β_i))

椭圆的短轴为：O_iB_i＝(ρ_Asin(α_A)+ρ_Bsin(α_B))/2

椭圆的截面积为：

$S_i=\frac{({\mathrm{\ρ}}_A\sin \left({\mathrm{\α}}_A\right)+{\mathrm{\ρ}}_B\sin \left({\mathrm{\α}}_B\right))\mathrm{MAX}\left({\mathrm{\ρ}}_i\sin \left({\mathrm{\α}}_i\right)\cos \left({\mathrm{\β}}_i\right)\right)\mathrm{\π}}{2},$

上述公式中：

ρ_i是激光测距仪到油罐壁的距离；

α_i是激光测距仪测量从激光测距仪到横截面与油罐内壁交界某一点的仰角α_i；

β_i是激光测距仪测量从激光测距仪到横截面与油罐内壁交界某一点的水平旋转角β_i；

ρ_A是激光测距仪测量从激光测距仪到横截面与油罐内壁交界某A一点测量激光测距仪到油罐壁的距离；

ρ_B是激光测距仪测量从激光测距仪到横截面与油罐内壁交界某B一点测量激光测距仪到油罐壁的距离；

α_A：是激光测距仪测量从激光测距仪到横截面与油罐内壁交界某A一点的仰角；

α_B：是激光测距仪测量从激光测距仪到横截面与油罐内壁交界某B一点的仰角。

7.据权利要求2述的测量油罐的方法，其特征是测量油罐容积的时候，按下述公式计算：

$V=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_i(d_i-d_{i-1}).$

上述公式中：

S_i为：某横截面椭圆的截面积；

d_i为：某横截面到激光测距仪的水平距离；

d_i-1为：d_i横截面的下一个横截面到激光测距仪的水平距离；

n为：从一端到另一端总的横截面个数。

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