CN102322815B - 基于三维激光扫描的高精度大容积测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于三维激光扫描的高精度大容积测量装置及方法。其中，测量装置中的数据采集卡分别与激光扫描仪、各温度传感器和PC机电连接。该测量装置进一步还包括与数据采集卡电连接的液位计或一个以上分别与数据采集卡电连接的压力变送器。本发明通过三维激光扫描仪获得容器表面点云数据，进而获得容器容积；通过辅助的温度传感器获得被测容器温度，再对测量的容积结果进行温度补偿，来修正由于容器温度分布对容积测量结果的影响。对于带液容器，还通过液位计或者压力变送器测量液体的压力情况，来修正溶液压力对容积测量结果的影响。本发明可以对油罐等大体积容器进行快速测量，其测量精度使其可以进一步应用于计量检定校准。

Description

基于三维激光扫描的高精度大容积测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种高精度温度压力补偿的大容积测量装置，尤其是能检定油罐容积的计量检定装置。

背景技术

目前，大容积容器的计量检定均是采用人工钢卷尺测量容器在不同高度处的周长，以规则图形作为拟合目标进行拟合，计算容器截面积，对容器在高度方向分段，以分段高度与截面积相乘得到分段体积后相加得到容器体积。但是这种方法由于需要人工在高空作业，因此对测量条件要求严格，而且测量结果采用规则图形进行拟合，带来了较大的误差，不利于计量检定的开展。近年来，人们还研究出了采用全站仪测量大容积容器的方法，但是全站仪只能在容器内使用，容器外测量准确度急剧下降，因此需要把容器清空后才能测量，而且全站仪采用单点扫描的方式，测量时间比较长，因此对环境的稳定性要求很高，其测量精度和稳定性往往达不到计量检定的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于三维激光扫描的高精度大容积测量装置及其方法。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案如下：

本发明基于三维激光扫描的高精度大容积测量装置包括激光扫描仪、一个以上温度传感器、数据采集卡和PC机，所述数据采集卡分别与所述激光扫描仪、各温度传感器和PC机电连接。

进一步地，本发明上述测量装置还包括与所述数据采集卡电连接的液位计或者一个以上分别与所述数据采集卡电连接的压力变送器。

本发明利用上述装置测量大容器的容积的一种方法包括如下步骤：

1）将所述激光扫描仪置于不带液的目标大容器内，并将各温度传感器分别固定安装在所述目标大容器的侧壁上；

2）所述激光扫描仪对所述目标大容器的内部表面进行扫描获得所述目标大容器的内部表面的空间坐标数据；

3）所述数据采集卡采集所述空间坐标数据和各温度传感器所测得的目标大容器的侧壁的温度数据，并将所述空间坐标数据和温度数据传送到所述PC机；

4）所述PC机先将所述空间坐标数据的噪声消除，后利用所述消除噪声后的空间坐标数据得到所述目标大容器在不同高度处的横截面面积，再根据所述各横截面面积计算得到所述目标大容器的容积；

5）利用以下公式（Ⅰ）对步骤4）所得到的目标大容器的容积进行修正，

$V_{h0}=V_h-\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\θ}}_{h,i}^2(r_{h,i}^2-r_{h,i0}^2)\mathrm{\Δ}{H}_h/2---\left(I\right)$

r_h，i0=r_h,i[1-α(t-t₀)]

式（Ⅰ）中，t₀表示目标大容器的工作温度，V_h0表示在工作温度t₀时目标大容器在高度h处的标准容积；V_h表示实测情况下目标大容器在高度h处的容积；N表示在目标大容器的高度h处横截面上测得的坐标点数；θ_h,i表示在目标大容器的高度h处的横截面上的第i个点及其逆时针方向相邻点到该横截面中心的连线之间的夹角，r_h,i表示在目标大容器的高度h处横截面上的第i个点到该横截面中心的实测距离，r_h,i0表示在工作温度t₀时在目标大容器的高度h处横截面上的第i个点到该横截面中心的理论距离，ΔH_h表示目标大容器的高度为h的横截面的实测采样高度，α表示目标大容器的线性膨胀系数，t表示目标大容器表面的平均测量温度。

本发明使用装置测量大容器的容积的另一种方法包括如下步骤：

a）将所述激光扫描仪置于目标大容器的外部，将各温度传感器分别固定安装在所述目标大容器的侧壁上；并在目标大容器内放置所述液位计或各压力变送器；

b）用所述激光扫描仪对所述目标大容器的外表面进行扫描获得所述目标大容器的外表面的空间坐标数据；

c）所述数据采集卡采集所述空间坐标数据和各温度传感器所测得的目标大容器的侧壁的温度数据，并采集所述液位计所测得的液位数据或者各压力变送器所测得的压力数据，后将所述空间坐标数据和温度数据、以及液位数据或者压力数据传送到所述PC机；

d）所述PC机先将所述空间坐标数据的噪声消除，后利用所述消除噪声后的空间坐标数据得到所述目标大容器在不同高度处的横截面面积，再根据所述各横截面面积计算得到所述目标大容器的容积；

e）利用公式（Ⅱ）对步骤d）所得到的目标大容器的容积进行修正，

$V_{h0}=V_h-\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\θ}}_{h,i}^2(r_{h,i}^2-r_{h,i0}^2)\mathrm{\Δ}{H}_h}{2}$

$r_{h,i0}=r_{h,i}[1-\mathrm{\α}(t-t_0)]-\frac{j(\frac{P}{\mathrm{\ρg}}\×{10}^3-h)}{2{\mathrm{\δ}}_h}\×{10}^{-4}---\left(\mathrm{II}\right)$

$j=\frac{2g(\mathrm{\ρ}-0.0011)\×r_{h,i}^2}{E}$

式（Ⅱ）中，t₀表示目标大容器的工作温度，V_h0表示在工作温度t₀时目标大容器在高度h处的容积，V_h表示实测情况下目标大容器在高度h处的容积，N表示在目标大容器的高度h处横截面上测得的坐标点数，θ_h,i表示在目标大容器的高度h处的横截面上的第i个点及其逆时针方向相邻点到该横截面中心的连线之间的夹角，r_h,i表示在目标大容器的高度h处横截面上的第i个点到该横截面中心的实测距离，r_h,i0表示在工作温度t₀时在目标大容器的高度h处横截面上的第i个点到该横截面中心的理论距离，ΔH_h表示目标大容器的高度为h的横截面的实测采样高度，α表示目标大容器的线性膨胀系数，t表示目标大容器表面的平均测量温度，P表示目标大容器带液时容器底部的压力，δ_h表示高度h处目标大容器的平均板厚，g表示重力加速度，ρ表示目标大容器内的液体平均密度，E表示目标大容器材料的弹性模量。

本发明的有益效果是：（1）由于采用激光非接触测量方式和温度补偿，可以测量各种温度如高温或者低温的大容器容积。（2）由于可以在容器内或者容器外测量和压力补偿，因此可以测量带液或者不带液的容器容积。（3）由于激光扫描仪测量得到了大量的空间坐标数据，因此无需假定容器的几何形状，可以测量几何规则或不规则容器情况容器容积。（4）本发明具有自动测量的功能，可以方便快速地实现测量容积。根据实验测量结果表明，该装置的测量不确定度小于0.05%，获得精度满足计量需求的测量结果。（5）本发明克服了现有技术中人工方法计量检定大容积容器带来的误差大、环境要求高的缺点，消除了全站仪法测量稳定性差、需要空罐测量的不足。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明第一种测量装置的结构示意图；

图2是本发明第二种测量装置的结构示意图；

图3是容器纵向截面扫描点角度示意图；

图4是本发明扫描站点选择示意图（俯视）。

具体实施方式

本发明采用三维激光扫描作为测量大容积的主要测量手段，利用三维激光扫描仪的快速、大数据量以及非接触的测量方式，获得大容积的空间坐标数据。对空间坐标数据进行噪声消除处理后，计算得到实测情况下的大容器容积，后再利用温度传感器所获得的容器的表面温度对测量得到的容积进行温度修正，以修正由于容器温度分布对容积测量结果的影响。若目标大容器中有液体，还需要通过压力变送器或者液位计获得目标大容器内的压力数据，对测量结果做进一步的压力修正。由此，最终实现了大体积容器的容积测量。根据实验测量结果表明，本发明装置的测量不确定度小于0.05%，完全可以满足计量检定的需求。

图1中，本发明第一种装置包括激光扫描仪1、一个温度传感器2、数据采集卡3和PC机4。当然，在本发明测量装置中，温度传感器2可以有多个。数据采集卡3分别与激光扫描仪1、各温度传感器2和PC机4电连接。

使用本发明第一种装置可用于测量不带液的大容器的容积。具体方法如下：

1）因为目标大容器7不带液，人员可以进入容器内部，将激光扫描仪1放置于目标容器7的内部，并将各温度传感器2分别固定安装在目标大容器7的侧壁上。

2）用激光扫描仪1对目标大容器7的内部表面进行一次扫描获得目标大容器7的内部表面的空间坐标数据，并将空间坐标数据通过数据线向数据采集卡3传输。

3）数据采集卡3通过数据线采集所述空间坐标数据和各温度传感器2所测得的目标大容器7的侧壁的温度数据，并将所采集到的空间坐标数据和温度数据通过数据线传送到PC机4。

4）PC机4先将所接收到的空间坐标数据做数据处理：首先是噪声消除，即通过人工或者计算机自动编程消除不必要的噪声数据。然后利消除噪声后的空间坐标数据得到目标大容器7在不同高度处的横截面面积，如果横截面的图形是几何规则形状，则可以利用几何拟合方式计算截面积；如果横截面的图形是不规则图形，则可以利用积分的方式计算界面图形。最后根据不同高度处的各横截面的面积结合高度计算得到目标大容器7的容积。

5）利用公式（Ⅰ）对步骤4）所得到的容积进行修正，

$V_{h0}=V_h-\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\θ}}_{h,i}^2(r_{h,i}^2-r_{h,i0}^2)\mathrm{\Δ}{H}_h/2---\left(I\right)$

r_h，i0=r_h,i[1-α(t-t₀)]

式（Ⅰ）中，V_h0是指在工作温度t₀时容器在高度h处的标准容积，V_h是指实测情况下容器在高度h处的容积，N是指高度h处横截面上测得的坐标点数，θ_h,i表示如图3所示的在容器高度h处横截面上的第i个点到该横截面中心的连线与第i个点的逆时针方向相邻点到该横截面中心的连线的夹角，r_h,i是指在目标大容器的高度h处横截面上的第i个点到该横截面中心的实测距离，r_h,i0是指在工作温度t₀时在目标大容器的高度h处横截面上的第i个点到该横截面中心的理论距离，ΔH_h是指目标大容器的高度为h的横截面处的实测采样高度，α是指容器的线性膨胀系数，t是指容器表面的平均温度，t₀指容器工作温度。

如图2所示，本发明第二种装置包括激光扫描仪1、一个温度传感器2、数据采集卡3和PC机4。当然，在本发明测量装置中，温度传感器2可以有多个。数据采集卡3分别与激光扫描仪1、各温度传感器2和PC机4电连接。

使用本发明第二种装置可用于测量带液或不带液的大容器的容积。具体方法如下：

a）无论目标大容器7带液或者不带液，人员都无需进入容器内部，可将激光扫描仪1置于目标大容器7的外部，将各温度传感器2分别固定安装在目标大容器7的侧壁上。同时，将液位计5置于目标大容器7内，或者将各压力变送器6置于目标大容器7内，通常液位计和压力变送器需要预先放入容器内部。

b）用激光扫描仪1分别在各扫描站点对目标大容器7的外表面进行扫描，获得目标大容器7的外表面的空间坐标数据。根据实际情况，可选择3个以上的扫描站点（例如如图4所示，沿目标大容器7的外圆周方向分布的扫描站点8、扫描站点9和扫描站点10），确保目标大容器7的外表面部位被扫描到一次以上。利用激光扫描仪1的空间数据拼接功能，将各扫描站点的数据拼接，获得目标大容器7的外表面的空间坐标数据。

c）数据采集卡3从激光扫描仪1处采集所述空间坐标数据和各温度传感器2所测得的目标大容器7的侧壁的温度数据、以及液位计5所测得的液位数据（或者各压力变送器6所测得的压力数据），并将所述空间坐标数据和温度数据以及液位数据（或者压力数据）传送到PC机4。其中液位数据通过液体压强公式（Ⅲ）转化成压力数据：

P=ρgh  （Ⅲ）

其中，P是指液体底部压力，g是指重力加速度，ρ是指罐内液体平均密度，h是指液位。

d）PC机4先将数据采集卡3所接收到的空间坐标数据做数据处理：

（ⅰ）首先是噪声消除，可以是人工或者计算机自动编程消除不必要的噪声数据。

（ⅱ）然后利用所述消除噪声后的空间坐标数据得到目标大容器7在不同高度处的横截面面积：如果横截面的图形是几何规则形状，则可以利用几何拟合方式计算截面积；如果横截面的图形是不规则图形，则可以利用积分的方式计算界面图形。

（ⅲ）最后根据不同高度处的各横截面面积结合高度计算得到所述目标大容器7的容积。

e）利用公式（Ⅱ）对步骤d）所得到的容积进行修正，

$V_{h0}=V_h-\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\θ}}_{h,i}^2(r_{h,i}^2-r_{h,i0}^2)\mathrm{\Δ}{H}_h}{2}$

$r_{h,i0}=r_{h,i}[1-\mathrm{\α}(t-t_0)]-\frac{j(\frac{P}{\mathrm{\ρg}}\×{10}^3-h)}{2{\mathrm{\δ}}_h}\×{10}^{-4}---\left(\mathrm{II}\right)$

$j=\frac{2g(\mathrm{\ρ}-0.0011)\×r_{h,i}^2}{E}$

式（Ⅱ）中，V_h0是指在工作温度t₀时容器在高度h处的容积，V_h是指实测情况下容积在高度h处的容积，N是指高度h处横截面上测得的坐标点数，θ_h,i表示如图3所示的在容器高度h处横截面上的第i个点到该横截面中心的连线与第i个点的逆时针方向相邻点到该横截面中心的连线的夹角，r_h,i是指在目标大容器的高度h处横截面上的第i个点到该横截面中心的实测距离，r_h，i0是指在工作温度t₀时在目标大容器的高度h处横截面上的第i个点到该横截面中心的理论距离，ΔH_h是指目标大容器的高度为h的横截面的实测采样高度，α是指容器的线性膨胀系数，t是指被测时容器表面的平均温度，t₀指容器工作温度，P是指容器带液时容器底部的压力，δ_h是指高度h处容器的平均板厚，g是指重力加速度，ρ是指罐内液体平均密度，E是指容器材料的弹性模量。

Claims (2)

1.一种使用基于三维激光扫描的高精度大容积测量装置测量大容器的容积的方法，其特征是：

所述大容积测量装置包括激光扫描仪（1）、一个以上温度传感器（2）、数据采集卡（3）和PC机（4），所述数据采集卡（3）分别与所述激光扫描仪（1）、各温度传感器（2）和PC机（4）电连接；

所述方法包括如下步骤：

1）将所述激光扫描仪（1）置于不带液的目标大容器（7）内，并将各温度传感器（2）分别固定安装在所述目标大容器（7）的侧壁上；

2）所述激光扫描仪（1）对所述目标大容器（7）的内部表面进行扫描获得所述目标大容器（7）的内部表面的空间坐标数据；

3）所述数据采集卡（3）采集所述空间坐标数据和各温度传感器（2）所测得的目标大容器（7）的侧壁的温度数据，并将所述空间坐标数据和温度数据传送到所述PC机（4）；

4）所述PC机（4）先将所述空间坐标数据的噪声消除，后利用所述消除噪声后的空间坐标数据得到所述目标大容器（7）在不同高度处的横截面面积，再根据所述各横截面面积计算得到所述目标大容器（7）的容积；

5）利用以下公式（Ⅰ）对步骤4）所得到的目标大容器（7）的容积进行修正，

$V_{h0}=V_h-\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\θ}}_{h,i}^2(r_{h,i}^2-r_{h,i0}^2)\mathrm{\Δ}{H}_h/2---\left(I\right)$

r_h，i0＝r_h,i[1-α(t-t₀)]

式（Ⅰ）中，t₀表示目标大容器的工作温度，V_h0表示在工作温度t₀时目标大容器在高度h处的标准容积；V_h表示实测情况下目标大容器在高度h处的容积；N表示在目标大容器的高度h处横截面上测得的坐标点数；θ_h,i表示在目标大容器的高度h处的横截面上的第i个点及其逆时针方向相邻点到该横截面中心的连线之间的夹角，r_h,i表示在目标大容器的高度h处横截面上的第i个点到该横截面中心的实测距离，r_h,i0表示在工作温度t₀时在目标大容器的高度h处横截面上的第i个点到该横截面中心的理论距离，ΔH_h表示目标大容器的高度为h的横截面的实测采样高度，α表示目标大容器的线性膨胀系数，t表示目标大容器表面的平均测量温度。

2.一种使用基于三维激光扫描的高精度大容积测量装置测量大容器的容积的方法，其特征是：

所述大容积测量装置包括激光扫描仪（1）、一个以上温度传感器（2）、数据采集卡（3）和PC机（4），所述数据采集卡（3）分别与所述激光扫描仪（1）、各温度传感器（2）和PC机（4）电连接；所述大容积测量装置还包括与所述数据采集卡（3）电连接的液位计（5）或者一个以上分别与所述数据采集卡（3）电连接的压力变送器（6）；

所述方法包括如下步骤：

a）将所述激光扫描仪（1）置于目标大容器（7）的外部，将各温度传感器（2）分别固定安装在所述目标大容器（7）的侧壁上；并在目标大容器（7）内放置所述液位计（5）或各压力变送器（6）；

b）用所述激光扫描仪（1）对所述目标大容器（7）的外表面进行扫描获得所述目标大容器（7）的外表面的空间坐标数据；

c）所述数据采集卡（3）采集所述空间坐标数据和各温度传感器（2）所测得的目标大容器（7）的侧壁的温度数据，并采集所述液位计（5）所测得的液位数据或者各压力变送器（6）所测得的压力数据，后将所述空间坐标数据和温度数据、以及液位数据或者压力数据传送到所述PC机（4）；

d）所述PC机（4）先将所述空间坐标数据的噪声消除，后利用所述消除噪声后的空间坐标数据得到所述目标大容器（7）在不同高度处的横截面面积，再根据所述各横截面面积计算得到所述目标大容器（7）的容积；

e）利用公式（Ⅱ）对步骤d）所得到的目标大容器（7）的容积进行修正，

$V_{h0}=V_h-\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\θ}}_{h,i}^2(r_{h,i}^2-r_{h,i0}^2)\mathrm{\Δ}{H}_h}{2}$

$r_{h,i0}=r_{h,i}[1-\mathrm{\α}(t-t_0)]-\frac{j(\frac{P}{\mathrm{\ρg}}\×{10}^3-h)}{2{\mathrm{\δ}}_h}\×{10}^4---\left(\mathrm{II}\right)$

$j=\frac{2g(\mathrm{\ρ}-0.0011)\×r_{h,i}^2}{E}$

式（Ⅱ）中，t₀表示目标大容器的工作温度，V_h0表示在工作温度t₀时目标大容器在高度h处的容积，V_h表示实测情况下目标大容器在高度h处的容积，N表示在目标大容器的高度h处横截面上测得的坐标点数，θ_h,i表示在目标大容器的高度h处的横截面上的第i个点及其逆时针方向相邻点到该横截面中心的连线之间的夹角，r_h,i表示在目标大容器的高度h处横截面上的第i个点到该横截面中心的实测距离，r_h，i0表示在工作温度t₀时在目标大容器的高度h处横截面上的第i个点到该横截面中心的理论距离，ΔH_h表示目标大容器的高度为h的横截面的实测采样高度，α表示目标大容器的线性膨胀系数，t表示目标大容器表面的平均测量温度，P表示目标大容器带液时容器底部的压力，δ_h表示高度h处目标大容器的平均板厚，g表示重力加速度，ρ表示目标大容器内的液体平均密度，E表示目标大容器材料的弹性模量。

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