一種利用全站儀外測球罐的新方法

【摘 要】 由于受現場條件的制約，對于在尋找球罐左右切線和上下切線很困難的情況下，筆者設計一種利用全站儀外測球罐的新方法，直接針對規程要求的橫豎直徑進行測量，具有快捷準確的特點，優勢明顯。

【關鍵詞】 全站儀外測球罐 不確定度

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2015.08.011

依據JJG642-2007《球形金屬罐容量》檢定規程“球罐是一種密閉壓力容器，用于貯存和計量液化石油氣及輕質液化化工產品等。它的構造一般是按正球體形狀制造，因實際建成后各方向直徑有少許差別，故需測量球罐赤道直徑和豎向直徑，通過計算得到其準確容量。”

由于受現場條件的制約，球罐安裝相對距離較近，罐人孔、罐支柱和管線等障礙物較多，對于在尋找球罐左右切線和上下切線很困難的情況下，利用全站儀的測量功能能夠很好解決赤道外直徑和豎向外直徑的測量。下面介紹一種利用全站儀外測球罐的新方法。

1 檢定設備

主要檢定設備見表1，配套設備見表2。表1中設備必須經檢定合格且在檢定有效期內方可使用。

2 全站儀外測法

利用全站儀的電子測距和數據自動處理等功能，測量球罐基準點到全站儀垂直距離，球罐下人孔外圓面或中心管圓面到全站儀的最小水平距離及球罐赤道圓到全站儀最小水平距離，以及頂部、下部測量點到全站儀的垂距（如圖1）。

圖1 全站儀外測示意圖

2.1 測量球罐橫外半徑

（1）當全站儀激光點可以照射到橫半徑測量基準管（也就是下人孔或下中心管，以下簡稱基準管），且球罐赤道與全站儀之間無障礙物時，先測量基準管外表面到全站儀最小水平距離L1并記錄，然后垂直向上抬起全站儀目鏡，測量球罐罐壁與全站儀最小水平距離L2并記錄。

（2）以2.1.1全站儀所使用的測站為原點，發出一條射線經過基準管中心，在射線上選擇下一測站位置，然后重復7.2.1.1完成L1、L2的測量，記錄測得數據基準管外表面到全站儀最小水平距離L3和球罐罐壁與全站儀最小水平距離L4。

（3）測量基準管外圓周計算出其直徑d。

（4）另選取2至3條直線與上一條相交于基準管中心，并重新開始2.1.1和2.1.2的步驟。

（5）計算赤道外直徑[DH]

[DHi][=（L1-L2）+（L3-L4）+d]

分別計算出各個方向上的赤道外直徑，兩值之差不應大于設計允許誤差，取平均值，得赤道外直徑[DH]。如果兩值之差大于設計允許誤差，應查明原因或重新測量。

2.2 測量球罐豎外直徑

2.2.1 在不能滿足全站儀同一個測站測量球罐上部和下部標高測量時，測量球罐豎外直徑首先要選取一個地面基準點，該基準點與豎直徑測量上站以及下站之間應無障礙物。

2.2.2 選取下人孔周圍東、南、西、北四個不同的緊貼焊縫的位置，并記錄四個豎直徑測量點與球罐豎直徑的偏心距P。選定豎直徑測量下站位置并調平后測得全站儀與地面基準點垂直距離G2。用標高尺在四個豎直徑測量點上打反尺，記錄下全站儀目鏡中水平線所對應的標高尺數值Zx1、Zx2、Zx3、Zx4和全站儀數控面板上顯示的垂直距離Ox1、Ox2、Ox3、Ox4（Zx與Ox互為一一相關）（見圖1）。

2.2.3 在豎直徑測量上站同樣選取上人孔周圍東、南、西、北四個不同的緊貼焊縫的位置，并記錄四個豎直徑測量點，保證該點與球罐豎直徑的偏心距與下面選定點的偏心距P相等。選定豎直徑測量上站位置并調平后測得全站儀與地面基準點垂直距離G1。用標高尺在四個豎直徑測量點上打正尺，記錄下全站儀目鏡中水平線所對應的標高尺數值Zs1、Zs2、Zs3、Zs4和全站儀數控面板上顯示的垂直距離Os1、Os2、Os3、Os4（Zs與Os互為一一相關且Zx與Zs分別為同一垂線上的一組數據）。

2.2.4 計算豎向外直徑[DV]

[DVP][=[G1-（ZX+OX）]-[G2+（Zs+Os）]]

[DVi][=2（12DVP）2+P2]

式中：[DVP]──同一方向上豎直徑測量點間垂距；

[P]──偏心距。

分別計算出四個對應測站點測得豎向外直徑[DV1]、[DV2]、[DV3]和[DV4]、四值之差不應大于設計允許誤差，取四值的平均值為豎向外直徑。如四值之差大于設計允許誤差，應查明原因或重新測量。

2.2.5 外直徑的溫度修正

根據全站儀測量時的環境溫度和罐壁溫度，把測得的赤道外直徑和豎向外直徑修正到標準溫度20℃時的外直徑。

2.3 對于罐壁厚度、內附件的測量，罐內壓力確定，以及液位計標尺零點至罐底零點高差測量，均可依照規程JJG642—2007《球形金屬罐容量》，也可采用竣工圖紙標注的數據。

3 球罐容積的計算

對于球罐容積的計算依照規程JJG642—2007《球形金屬罐容量》相關的規定。

4 不確定度評定

4.1 測量方法

球形金屬罐檢定、校準用幾何測量法，即通過測量球形罐的有關幾何尺寸，經計算求其容積。

4.2 數學模型

[V=][π×d2H×dV×10-6/6+ΔV壓]

式中：[dH]——空罐赤道內直徑；[dV]——空罐豎向內直徑；[ΔV壓]——承壓球罐容積增大值。

4.3 合成標準不確定度

[（uC（V））2=C12（U（dH））2+C22（u（dv））2+C32（u（ΔV壓））2+2C1]

[C2][（u（dH））（u（dv））]

4.4 靈敏系數

[C1=π3×10-6×dH×dV]，[C2=π6×10-6×d2H]，[C3=1]

4.5 計算分量標準不確定度

4.5.1 赤道外直徑測量引起的標準不確定度分量赤道直徑測量包括橫外直徑測量，鋼板厚度測量。

（1）測量用全站儀，其不確定度（95%置信概率）0.1mm，測量最大誤差±3mm，對赤道直徑引起的不確定度不大于3.1mm。

（2）鋼板厚度測量用超聲波測厚儀，其最大誤差±0.1mm。

由以上二項之和得[ΔdH]=3.1+0.1=3.2mm，它服從均勻分布，所以：

[u（dH）/3]=1.85mm

按不同體積的球形罐，代入赤道直徑計算[u（dH）]。

4.5.2 豎直徑測量引起的標準不確定度分量

（1）測量用全站儀，其不確定度（95%置信概率）0.1mm，測量最大誤差±3mm，對赤道直徑引起的不確定度不大于3.1mm。

（2）鋼板厚度測量用超聲波測厚儀，其最大誤差±0.1mm。

由以上二項之和得[ΔdH]=3.1+0.1=3.2mm，它服從均勻分布，所以：

[u（dH）/3]=1.85mm

按不同體積的球形罐，代入赤道直徑計算[u（dV）]。

4.5.3 承壓容積增大值計算引起的標準不確度分量

規程中規定，用球罐平均使用工作壓力計算承壓容積增大值，在實際使用中，因工作壓力可能在一定范圍內波動，還因罐內存在著液體本身的靜壓，所以給容積增大值帶來不確定度。一般球罐容積增大值是總容積的1×10-3，服從均勻分布。

4.5.4 求擴展不確定度

按照JJF1059-1999測量不確定度評定表示規范的規定，取包含因子k=2，置信概率95%的擴展不確定度為[U95=k×uc]。

4.5.5 不同規格型號的球罐的不確定度一覽表

5 結論

由上表擴展不確定度結果可以看出，測量數據滿足規程規定的0.3%（k=2）的要求，因此該方法應用于外測球罐直接針對規程要求的橫豎直徑進行測量，克服了現場條件的諸多限制，具有快捷準確的特點，因此該方法用于球罐外部測量具有十分明顯的優勢。

作者簡介

池宏峰，工程師，一級注冊計量師，國家級檢定員，國家大容量第一計量站檢定六所所長。獲得臥罐油罐口外高測量尺國家實用新型專利，發明加油站地埋罐數據處理系統和全站儀外測球罐方法。

（責任編輯：張曉明）