基于三维激光扫描技术的外浮顶立式金属罐容积测量方法

摘要

本发明公开了一种外浮顶立式金属罐容积测量方法，本发明首先通过在浮盘上下设置多站扫描并拼接的方式获取完整的三维点云数据；然后利用积分思想，将罐壁点云数据进行分割，分成若干个小圆柱体，计算各小圆柱体的体积并叠加以获取总体积。通过拟合各小圆柱体所在高度处的点云坐标数据，获取圈板半径，进而计算圆柱体底面面积；根据所取高度，计算圆柱体体积；同时引入温度、倾斜度修正。底量的计算采取等面积划分圆的方式，计算各圆台体和中部圆锥体的体积，叠加获取总排量。本发明操作简单，安全性高，劳动强度小，可实现大型外浮顶立式金属罐的快速测量，数据处理方便，准确度高，同时大大降低计量检定成本，带来一定的经济效益。

主权项

基于三维激光扫描技术的外浮顶立式金属罐容积测量方法，其特征在于：包括数据采集和数据处理；所述的数据采集具体是：首先在罐底不同位置设站，完成对罐底和浮盘下部罐壁的扫描；然后将标靶放置于人孔处，分别在人孔上下设站扫描，实现浮盘上下两部分罐体点云数据的拼接；最后在浮盘上设置多站进行扫描，完成罐体上部罐壁的数据获取；所述的数据处理包括点云数据预处理和坐标数据拟合计算；点云数据预处理在仪器自带的点云数据处理软件中完成，包括标靶中心坐标信息提取、点云拼接、点云去噪、点云抽稀、坐标变换及特征信息提取，将处理好的罐体点云数据以txt格式导出；坐标数据拟合计算即容积计算，采用积分思想：将罐体点云坐标数据沿高度方向分割为若干个小圆柱体，计算各个小圆柱体的体积并叠加以获取总体积；引入温度、罐体倾斜度、液体静压力修正；计算罐内附件和罐底容积，最后合成总的容积表；计算模型如公式(1)：$V=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{S}_i{h}_i+{\mathrm{\Delta V}}_P+{\mathrm{\Delta V}}_A+{\mathrm{\Delta V}}_B+{\mathrm{\Delta V}}_L---\left(1\right)$其中：S_i为拟合小圆柱体底面面积；h_i为所取小圆柱体高度；ΔV_P为液体静压力修正值；ΔV_A为罐内附件体积修正值；ΔV_B为罐底不平度修正值；ΔV_L为罐体倾斜修正值，n为分割的小圆柱体个数，V为合成总的容积表；计算所取小圆柱体高度h_i由软件进行设置；底面面积S_i采用最小二乘法、迭代法或三角形面积法进行拟合，具体过程如下：在小圆柱体高度中心位置处，截取一定环高的点云数据，该环高根据实际扫描点云数据的质量、疏密程度及所需测量精度进行设定；将其投影至同一水平面，进行排序、滤波及精简，进而拟合计算出底面面积；罐体倾斜度的修正根据公式(2)进行：${\mathrm{\Delta V}}_L=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\mathrm{\Delta V}}_{Li}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{S}_i{h}_i(\frac{1}{{\mathrm{cos\beta }}_i}-1)\times {10}^{-6}---\left(2\right)$其中：ΔV_Li为第i个小圆柱体的倾斜量修正值；β_i为第i个小圆柱体的倾斜角度，在拟合计算圈板半径时，可得到各小圆柱体底面的圆曲线方程，获取其圆心坐标，进而计算该小圆柱体的倾斜角度；罐底量修正也即罐底不平度的修正，其计算按公式(3)进行：采取等面积划分圆的方式，利用底部点云坐标数据，计算各圆台体和中部圆锥体的体积，叠加以获取总排量；同时，利用点云数据，可直接获取罐底最高点和最低点，通过在计量板处粘贴定位标靶，可准确获取计量起点，进而计算罐底量和死量；具体计算过程如下：(1)将罐底点云数据按等面积法划分的方式分为若干个同心圆，圆的数量根据罐的标称容量和罐底凹凸不平的程度确定，取8或16；(2)取各圆圆周上的所有点云数据，计算其纵坐标的平均值作为该圆所在平面的高度；(3)相邻两圆可构成一个圆台，计算各圆台体和中部圆锥体的体积，进而叠加以获取总的排量；由于计算采取等面积划分方式，各圆所在高度与容积表中底量表给出的高度有一定偏差，因此两圆之间高度处的容积采取插值的方式获取，所述的插值方式为拉格朗日插值、线性插值或三样条插值；${\mathrm{\Delta V}}_B=\underset{i=1}{\overset{n-1}{\Sigma }}{V}_i+V_n=\underset{i=1}{\overset{n-1}{\Sigma }}\frac{1}{3}\pi (R_i^2+R_{i+1}^2+R_i{R}_{i+1})h_i+\frac{1}{3}{\mathrm{\pi R}}_n^2{h}_n---\left(3\right)$其中：V_i为第i个圆台体的体积；V_n为中部圆锥体的体积；R_i为第i个圆台体的下底面半径；R_i+1为第i个圆台体的上底面半径；h_i为第i个圆台体的高度；R_n为中部圆锥体的底面半径；h_n为中部圆锥体的高度。