CN1119623C - 一种球罐容积的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球罐容积的测定方法，它是在绕球罐圆周方向和到球罐壁的垂直距离至少为球罐半径2倍的位置上，通过测量距离、水平角和垂直角度测定球罐容积的。该方法具有简便、快速和适用性强的优点，尤其适合用于大型球罐容积的测定。

Description

一种球罐容积的测定方法

本发明是关于一种球罐容积的测定方法，更具体的说是一种通过测定球罐半径得到容积的方法。

球罐一般固定在支撑架上，主要用于存储和计量液化石油气、天然气及其它化工产品，标定球罐就是最终确定球罐在不同液位高度的盛液量，以进行罐内液体存量和输转量的计算。球罐的标定方法主要分为两类。

第一类为液体测定法，是通过计量罐、计量管或流量计向球罐内注入标准体积液体或自球罐内输出液体到已知体积的计量罐中测定的。这类方法对大型容器的测定成本较高，一般很少使用。

第二类为几何测量法，即通过直接或间接手段测量球罐的周长或半径计算球罐的容积。主要有围尺法和经纬仪法两种。

GB/T 15181-94《球形罐容积标定法(围尺法)》是通过测量一条赤道圆周和两条竖直圆周的周长来标定球罐容积的，其赤道圆周可用光学垂准仪投点测量。围尺法有较高的标定精度，适用于在球罐有理想圆度，并能直接围尺的情况。但是因为多数球罐并非有理想圆度，而且由于围尺路径上的障碍物会不可避免地影响实际操作，不能直接围测整个圆周，必须分段测量，所以围尺法的准确性大打折扣。此外，围尺时的高空作业会带来测量人员的安全问题，调整尺带围绕大圆周的操作缓慢，降低了测量效率。尽管水平大圆周也可改用光学铅垂法测量，避免了高空作业，但在地面投点测量半径时，卷尺的非水平状态容易产生测量误差。

JJG642-90所述的经纬仪法，是利用经纬仪根据球罐的横向大圆周的左右切点和竖向大圆周的上下切点来测定水平夹角和竖直夹角，再根据三测站横向切线夹角的角平分线确定球罐中心和球罐中心在水平面上的投影，用卷尺测量此投影到经纬仪中心投影的距离，再由该距离、水平夹角及竖直夹角计算球罐水平大圆周和竖直大圆周的半径。经纬仪法避免了高空作业，但存在如下缺陷：(1)在同一测站，很难做到既能观察到横向大圆周的左切点，又能观察到右切点，既能观察到竖向大圆周的上切点，又能观察到下切点。(2)由于经纬仪观测点一般低于赤道方向，因此，理论上根本无法切测到赤道的左右切点，实际切测到的左右切点在水平面上投影形成的圆周半径要小于赤道半径。(3)测量程序烦琐费时。

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种简便、适用性强、精度高的测定球罐容积的新方法。

我们发现，在距球罐一定距离的某个位置上，对准球心方向，测定球心水平角、垂直角和在该方向上测点到罐壁的距离，再获得球罐的任意切线方向的水平角和垂直角数据后，可由所得数据计算球罐壁切点到球心的半径，进而求得球罐的容积。

本发明提供的方法是按照下列步骤进行的：

1、在绕球罐圆周方向的地面上，建立至少三个测站，每个测站到球罐壁的垂直距离至少为球罐半径的2倍。

2、确定球心方向的水平角H_M和垂直角V_M：

(1)选择水平弦，记录水平弦在圆周上左侧交点的水平角H_L和水平弦在圆周上右侧交点的水平角H_R，由H_M＝(H_L+H_R)/2计算球心水平角H_M，

(2)选择垂直弦，记录垂直弦在圆周上上侧交点的垂直角V_U和垂直弦在圆周上下侧交点的垂直角V_D，由V_M(V_U+V_D)/2计算球心垂直角V_M，

3、将光电测距仪的水平角和垂直角调整为H_M和V_M，并获得球心方向上测点到球罐壁的距离D；

4、切向测量：在正对球面圆周上，选择均匀分布的至少8个切点，测量每个切点的垂直角V_P和对应于H_M的水平夹角θ’；

5、由公式 $R=\frac{D\sqrt{1-{({\sin V}_P\sin V_M\cos {\mathrm{\θ}}^{\′}+\cos V_P\cos V_M)}^2}}{1-\sqrt{1-{(\sin V_P\sin V_M\cos {\mathrm{\θ}}^{\′}+\cos V_P\cos V_M)}^2}}$ 求得相对于每个切点的球罐半径R，取各切点球罐半径的算术平均值为该测站的球罐半径；

6、在完成第一测站的测量之后，将光电测距仪移至其它测站，按步骤2～5进行同样测量和计算；

7、取各测站所得半径的算术平均值为球罐半径并按常规方法计算球罐容积。

下面结合附图说明本发明提供的测定方法的原理。图中：

S-测站中心；

O-球心；

M-OS与球面的交点；

P-对应光电测距仪中心的球面切点；

P’，O’-P，O的水平投影；

θ-SP和SO的夹角；

θ’-SP’和SO’的夹角；

V_P’-SP与SP’的夹角；

V_M’-SO与SO’的夹角。

在附图的直角三角形SPO中，OP＝OM＝R，SM＝D，

OP＝SO*sinθ＝(OM+SM)*sinθ

R＝(R+D)*sinθ

R＝D*sinθ/(1-sinθ)…………………………………………(1)

公式(1)中，D由光电测距仪直接得到，θ无法直接获得，为此，需确定θ与其他已知量的关系。

因P’O’²＝SP’²+SO’²-2*SP’*SO’*cosθ’

    SP′＝SP*cosV_p’

    SO’＝SO*cosV_m’

则P’O’²＝

SP²*cos²V_P’+SO²*cos²V_M’-2*SP*SO*cosV_P’*cosV_M’*cosθ’……(2)

因P’O’²＝OQ²＝OP²-PQ²＝OP²-(PP’-OO’)²

    OP＝SO*sinθ

    PP’＝SP*sinV_P’

    OO’＝SO*sinV_M’

则P’O’²＝

SO²*sin²θ-SP²*sin²V_P’-SO²*sin²V_M’+2*SP*SO*sinV_p’*sinV_M’…(3)

由(2)式和(3)式及SP＝SO*cosθ可得

cosθ＝cosV_P’cosV_M’cosθ’+sinV_P’sinV_M’………………………(4)

因为V_M’和V_P’分别为光电测距仪所示的球心方向和切线方向垂直角V_P和V_M的余角，则所以(4)式为：

cosθ＝sinV_PsinV_Mcosθ’+cosV_PcosV_M………………………(5)

公式(5)表明了立体夹角θ和水平夹角θ’的关系，其中V_P、V_M、θ’可由测量得到，由公式(5)可求得sinθ， $\sin \mathrm{\θ}=\sqrt{1-{\cos }^2\mathrm{\θ}}=\sqrt{1-{(\sin V_P\sin V_M\cos {\mathrm{\θ}}^{\′}+\cos V_P\cos V_M)}^2}------\left(6\right)$

再根据公式(1)和(6)可求各切点相应半径R。

本方法所说的测站在球罐圆周方向上最好均匀分布且各测站到球罐距离保持基本相同，每个测站所选定的正对球面圆周上的切点数目，应选择均匀分布的至少8个切点，以使组合观测范围完全覆盖球罐圆周的情况下，可以基本相互抵消由于球罐的不圆度引起的误差。

球罐平均半径的测量误差是 ΔR，m为测站数，n为到球罐壁的垂直距离与球罐半径R的比值，ΔR_i为每个测站所得球罐半径的误差，由 ΔR＝[1/(m×n)]×∑(ΔR_i)可知， ΔR与m、n和ΔR_i的关系。

因此，本方法所说的测站数应不少于三个，所说的测站到球罐壁的垂直距离应至少为球罐半径的2倍。

本方法在确定球心方向时，可选择多条水平弦和垂直弦，以各水平弦和垂直弦对中结果的算术平均值作为球心的水平角H_M和垂直角V_M。

本方法步骤7中所述的常规方法是指扣除罐壁厚度、计算球体体积等计算过程。

本方法所用的仪器由测距单元和测角单元两部分组成，它们可以是独立的两部分，在测量现场临时组合；也可以是已将测距和测角单元同轴组合在一起的全站式电子测距仪，这样可以免去现场组合带来的平行性调整和误差修正的麻烦。

当测距单元和测角单元是独立的两部分时，有同轴配置和平行配置两种方式，较好的是同轴配置方式。

如测距单元和测角单元为平行配置时，所测得的距离D应由 $D=D^{\′}-(R_b-\sqrt{R_b^2-c^2})$ 修正到球心方向，式中D’是平行配置时测距单元的测距数据，R_b是球罐设计半径，c为常数，是测距单元与测角单元的平行距离。

本发明提供的测定球罐容积的方法，具有如下优点：

(1)在仪器测角误差小于3”，测距误差小于5毫米时，测定球罐容积的相对误差小于2‰，可满足球罐容积测定的精度要求。

(2)本方法尤其适合于对大型悬空球罐的测量，它可以避免高空作业的危险性。

(3)不受油罐表面障碍的影响，对现场环境有较强的适用性。

(4)测量快速，较经纬仪法测量速度提高两倍以上。

附图为本发明提供的测定方法的原理示意图。

下面通过实例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不受这些

实施例的限制。

                          对比例1

采用GB/T 15181-94《球形罐容积标定法(围尺法)》中记述的方法对燕山石化公司炼油厂的4#、12#、324#和62#球罐进行测定。测定结果见表。

                          对比例2

采用JJG642-90中记述的经纬仪法对对比例1的球罐进行测定，测定结果见表。

                            实例

所用测量仪器中，测角单元是WILD公司的DIOR3002红外测距仪，其无反射镜测距精度为±10mm，检定精度为±1.8mm，测角单元为WILD公司T1000型电子经纬仪，其测角精度为±3″，测角单元和测距单元在现场同轴配置。

数据记录计算终端为WILD公司的GRE4记录终端，它可以与测量仪器实现数据传输，并进行实时的数据处理。

实例中采用三测站，每个测站与球罐表面的垂直距离约为球罐半径的2～3倍。所得结果见表，表中的R1、R2、R3分别为每个测站中所得八个切点半径的算术平均值，R为R1、R2、R3的算术平均值，容积相对误差为与GB/T 15181-94方法所测容积数值比较得到。表

罐号	GB/T 15181-94方法半径(mm)	JJG642-90方法半径(mm)	本发明方法
								测得半径(mm)				容积相对误差
			R1	R2	R3	R
							4#	3575	3570	3572	3575		3575	3574	0.8‰
12#	4636	4631	4640	4639	4636	4638						1.3‰
							324#	6168	6160	6164	6168		6174	6169	0.5‰
62#	4582	4578	4585	4580	4590	4585						2.0‰

Claims (2)

1、一种测定球罐容积的方法，其特征是该方法按照下列步骤进行：

(1)、在绕球罐圆周方向的地面上，建立至少三个测站，每个测站到球罐壁的垂直距离至少为球罐半径的2倍；

(2)、确定球心方向的水平角H_M和垂直角V_M：

(i)选择水平弦，记录水平弦在圆周上左侧交点的水平角H_L和水平弦在圆周上右侧交点的水平角H_R，由H_M＝(H_L+H_R)/2计算球心水平角H_M，

(ii)选择垂直弦，记录垂直弦在圆周上上侧交点的垂直角V_U和垂直弦在圆周上下侧交点的垂直角V_D，由V_M＝(V_U+V_D)/2计算球心垂直角V_M，

(3)、将光电测距仪的水平角和垂直角调整为H_M和V_M，并获得球心方向上测点到球罐壁的距离D；

(4)、切向测量：在正对球面圆周上，选择均匀分布的至少8个切点，测量每个切点的垂直角V_P和对应于H_M的水平夹角θ’；

(5)、由公式 $R=\frac{D\sqrt{1-{({\sin V}_P\sin V_M\cos {\mathrm{\θ}}^{\′}+\cos V_P\cos V_M)}^2}}{1-\sqrt{1-{(\sin V_P\sin V_M\cos {\mathrm{\θ}}^{\′}+\cos V_P\cos V_M)}^2}}$ 求得相对于每个切点的球罐半径R，取各切点球罐半径的算术平均值为该测站的球罐半径；

(6)、在完成第一测站的测量之后，将光电测距仪移至其它测站，按步骤(2)～(5)进行同样测量和计算；

(7)、取各测站所得半径的算术平均值为球罐半径并按常规方法计算球罐容积。

2、按照权利要求1所述的方法，其特征是步骤(2)在确定球心方向时，选择多条水平弦和垂直弦，以各水平弦和垂直弦对中结果的算术平均值作为球心的水平角H_M和垂直角V_M。

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