专利名称：卧式金属罐容积测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及测量技术领域，尤其涉及一种卧式金属罐容积测量装置。
背景技术：
卧式金属罐是一种常见的工业设备，其广泛地应用于化工、冶金、环保、电厂、制药、酿造、储运、石油、食品等行业。现有技术的一种卧式金属罐容积的测量方法采用几何法，这种方法需要测量人员进入金属罐内部测量金属罐内部的直径、长度及顶板高度等参数，进而获得卧式金属罐的容积，这种方法操作复杂，测量时间长，测量精度低。现有技术的一种卧式金属罐容积的测量方法采用容积法，这种方法需要向金属罐中不断注入已知体积的溶液，直至加满为止，这种方法操作繁琐，测量时间长，并且测量精度低。现有技术的另一种卧式金属罐容积测量方法在金属罐中某一高度固定一激光测头，不断调整激光测头的仰角或俯角测量金属罐各水平截面上各点的极坐标，通过这些极坐标计算各水平截面面积及垂直截面方向的金属罐高度获得金属罐的容积。这种测量方法需要不断调整激光测头的仰角或俯角以保证测量的极坐标在同一高度水平截面上，容易产生误差，并且这种方法控制过程复杂，测量速度慢，且只是对测量到的金属罐各水平截面上各点的极坐标进行简单的计算得出金属罐容积，测量精度低。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种卧式金属罐容积测量装置，以解决现有技术中测量需要人工介入，操作复杂，测量时间长以及测量精度低的问题。为实现上述目的，本实用新型提供了一种卧式金属罐容积测量装置，包括直线导轨单元、可调平支架、第一电机、第二电机、至少一个激光测头、高度检测编码器、角度检测编码器、控制单元和处理单元；所述直线导轨单元与水平面垂直，其上承载所述激光测头，所述直线导轨单元一端与金属罐底板接触，另一端从所述金属罐顶部的法兰处伸出，垂直固定在所述可调平支架上，所述可调平支架固定在所述法兰上；所述第一电机与所述激光测头连接，在控制单元的控制下驱动所述激光测头在所述直线导轨单元上从上至下依次下降至第一高度、数个预设高度以及第二高度；所述第二电机与所述激光测头连接，在所述控制单元的控制下驱动所述激光测头分别在所述第一高度、所述数个预设高度和所述第二高度，以所述直线导轨单元为轴水平旋转测量；所述至少一个激光测头在所述第一电机和所述第二电机的驱动下，在所述第一高度、所述数个预设高度以及所述第二高度上，以所述直线导轨单元为轴水平旋转，测量所述金属罐水平截面边缘预设各点极坐标中的极径，并发送至所述控制单元，所述极坐标以所述水平截面为极坐标平面，以所述直线导轨单元与所述水平截面交点为极点；所述高度检测编码器分别与所述第一电机和所述控制单元连接，根据所述第一电机的转动圈数检测所述激光测头的高度，并根据所述转动圈数生成第一脉冲发送至所述控制单元；所述角度检测编码器分别与所述激光测头和所述控制单元连接，根据所述激光测头的转角检测所述金属罐水平截面边缘所述预设各点极坐标中的极角，并根据所述转角生成第二脉冲发送至所述控制单元；所述控制单元分别与所述第一电机、所述第二电机、所述高度检测编码器、所述角度检测编码器、所述激光测头和处理单元连接，根据所述处理单元预置的控制参数、所述第一脉冲和所述第二脉冲，分别控制所述第一电机和所述第二电机，并将所述第一脉冲、所述第二脉冲以及所有被测量点的所述极径发送至所述处理单元；所述处理单元与所述控制单元连接，配置所述控制单元的控制参数，并用于根据接收到的所述第一脉冲、所述第二脉冲以及所有被测量点的所述极径获取所述第一高度对应的水平截面以上的所述金属罐容积、所述第二高度对应的水平截面以下的所述金属罐容积以及所述第一高度对应的水平截面与所述第二高度对应的水平截面之间的所述金属罐容积。如上所述的卧式金属罐容积测量装置，还可以包括与所述直线导轨单元连接的倾角传感器，所述倾角传感器测量所述直线导轨单元与竖直方向的夹角，并将测量得到的所述夹角发送至所述处理单元。如上所述的卧式金属罐容积测量装置，还可以包括与所述第二电机连接的驱动水平旋转单元，所述驱动水平旋转单元在所述第二电机的驱动下带动所述激光测头，分别在所述第一高度、所述数个预设高度以及所述第二高度上、以所述直线导轨单元为轴沿水平方向水平旋转测量。如上所述的卧式金属罐容积测量装置，还可以包括设置在所述直线导轨单元上的滑块，所述滑块承载及定位所述激光测头在所述直线导轨单元上从上至下依次下降至所述第一高度、所述数个预设高度以及所述第二高度。如上所述的卧式金属罐容积测量装置，还可以包括设置在所述第一电机上的齿轮，以及设置在所述直线导轨单元上的齿条单元，所述齿轮与所述齿条单元啮合。如上所述的卧式金属罐容积测量装置，所述直线导轨单元由设置在一个支撑立柱单元表面上的一节以上直线导轨拼接而成。如上所述的卧式金属罐容积测量装置，所述齿条单元由设置在所述直线导轨表面上的一节以上齿条拼接而成。如上所述的卧式金属罐容积测量装置，包括至少两个激光测头，所述至少两个激光测头在所述第一高度、所述数个预设高度以及所述第二高度上，以所述直线导轨单元为轴水平旋转的角度之和为360度，所述至少两个激光测头分别测量各自旋转角度内所述金属罐水平截面边缘预设各点极坐标中的极径，并发送至所述控制单元。本实用新型提供的卧式金属罐容积测量装置，整个测量过程无需人工介入便可自动完成，操作简单，测量速度快，并且精度高。
图1为本实用新型卧式金属罐容积测量装置一个实施例的结构示意图；图2为本实用新型实施例提供的将卧式金属罐容积分成三部分的示意图；图3为本实用新型实施例提供的三角形拼接法获取水平截面面积的示意图；图4为本实用新型实施例提供的扇形拼接法获取水平截面面积的示意图；图5为本实用新型实施例提供的根据曲率信息提取特征点的示意图；图6为本实用新型实施例提供的根据特征点拟合圆弧和直线的示意图；图7为本实用新型实施例提供的圆筒内直径示意图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。图1为本实用新型卧式金属罐容积测量装置一个实施例的结构示意图，如图1所示，该装置包括直线导轨单元11、可调平支架(图中未示出)、第一电机12、第二电机13、至少一个激光测头14(图1所示为激光测头为1个的情况)、高度检测编码器15、角度检测编码器16、控制单元17和处理单元18 ；其中，所述直线导轨单元11与水平面垂直，其上承载所述激光测头14，所述直线导轨单元11 一端与金属罐底板接触，另一端从所述金属罐顶部的法兰处伸出，垂直固定在所述可调平支架上，所述可调平支架固定在所述法兰上；所述第一电机12与所述激光测头14连接，在控制单元17的控制下驱动所述激光测头14在所述直线导轨单元11上从上至下依次下降至第一高度、数个预设高度以及第二
高度；所述第二电机13与所述激光测头14连接，在所述控制单元17的控制下驱动所述激光测头14分别在所述第一高度、所述数个预设高度和所述第二高度，以所述直线导轨单元11为轴水平旋转测量；所述至少一个激光测头14在所述第一电机12和所述第二电机13的驱动下，在所述第一高度、所述数个预设高度以及所述第二高度上，以所述直线导轨单元11为轴水平旋转，测量所述金属罐水平截面边缘预设各点极坐标中的极径，并发送至所述控制单元17，所述极坐标以所述水平截面为极坐标平面，以所述直线导轨单元11与所述水平截面交点为极点；所述高度检测编码器15分别与所述第一电机12和所述控制单元17连接，根据所述第一电机12的转动圈数检测所述激光测头的高度，并根据所述转动圈数生成第一脉冲发送至所述控制单元17 ；所述角度检测编码器16分别与所述激光测头14和所述控制单元17连接，根据所述激光测头14的转角检测所述金属罐水平截面边缘所述预设各点极坐标中的极角，并根据所述转角生成第二脉冲发送至所述控制单元17 ；[0039]所述控制单元17分别与所述第一电机12、所述第二电机13、所述高度检测编码器15、所述角度检测编码器16、所述激光测头14和处理单元18连接，根据所述处理单元18预置的控制参数、所述第一脉冲和所述第二脉冲，分别控制所述第一电机12和所述第二电机13，并将所述第一脉冲、所述第二脉冲以及所有被测量点的所述极径发送至所述处理单元18 ；所述处理单元18与所述控制单元17连接，配置所述控制单元17的控制参数，并用于根据接收到的所述第一脉冲、所述第二脉冲以及所有被测量点的所述极径获取所述第一高度对应的水平截面以上的所述金属罐容积、所述第二高度对应的水平截面以下的所述金属罐容积以及所述第一高度对应的水平截面与所述第二高度对应的水平截面之间的所述金属罐容积。其中，处理单元18可以为个人计算机(Personal Computer ；以下简称PC)机等具有控制处理功能的处理器。在测量开始之前，首先通过处理单元18对控制单元17进行控制参数配置，这些控制参数包括预设高度间隔，在每个水平面上测量的点数等。当该测量装置开始工作时，第一电机12在控制单元17的控制下沿着直线导轨单元11依次沿预设的高度下降，这些预设的高度值由控制单元17预先设定，控制单元17通过控制第一电机12的转动来带动激光测头14到达预设高度，在测量精度要求较高的场合，可以将预设高度设置的密集一些。高度检测编码器15实时检测第一电机12的转动圈数，并生成第一脉冲并发送至控制单元17，控制单元17根据第一脉冲继续向第一电机12发送控制命令。控制单元17还通过控制第二电机13的转动来控制第二电机13带动激光测头14水平旋转的角度，角度检测编码器16实时检测激光测头14的转角，从而获得当前对应的金属罐水平截面上某点的极角，并根据激光测头14的转角生成第二脉冲发送至控制单元17，控制单元17根据第二脉冲继续向第二电机13发送控制指令，并在每个预设高度所测得的数据均由控制单元17提供给处理单元18 ；其中，在测量过程中，处理单元18可以不联机工作，而待全部测量结束之后再由控制单元17将测量数据发送至处理单元18进行处理，因此，处理单元18通常位于所测卧式金属罐的外部，可以通过导线与控制单元17连接。处理单元18根据这些预设高度对应的水平截面边缘预设各点的极坐标，获取第一高度对应的水平截面以上的金属罐容积、第二高度对应的水平截面以下的金属罐容积以及第一高度对应的水平截面与第二高度对应的水平截面之间的金属罐容积。以下提供卧式金属罐容积测量装置测量卧式金属管容积的一个实施例，该实施例以激光测头14的个数为1个进行说明。具体可以包括在控制单元17的控制下，第一电机12驱动激光测头14沿直线导轨单元11下降至第一高度，第二电机13在控制单元17的控制下，在第一高度驱动激光测头14以直线导轨单元11为轴水平旋转，测量金属罐水平截面边缘预设各点的极坐标，其中，极坐标以水平截面为极坐标平面，以直线导轨单元11与水平截面交点为极点，直线导轨单元11与水平
面垂直；在控制单元17的控制下，第一电机12驱动激光测头14沿直线导轨单元11依次下降至数个预设高度直至激光测头14下降至第二高度，当下降至数个预设高度及下降至第二高度，第二电机13在控制单元17的控制下，分别驱动激光测头14以直线导轨单元11为轴水平旋转，测量金属罐水平截面边缘预设各点的极坐标，极坐标以水平截面为极坐标平面，以直线导轨单元与水平截面交点为极点；其中，卧式金属罐通常可以看作中间部分为卧式的正直圆筒，两侧为部分圆弧面，该圆弧面可能为半圆球面或半椭圆球面，或者为部分半圆球面或部分半椭圆球面，第一高度、第二高度以及数个预设高度均为以金属罐底板为基准的垂直高度，该第一高度为激光测头14以直线导轨单元11为轴，水平旋转测量时能够测量到的最高水平截面的高度，第二高度为控制激光测头14以直线导轨单元11为轴，水平旋转测量时能够测量到的最低水平截面的高度。这是由于，在测量时，由于测量设备自身的限制，即使激光测头14已经到达金属罐的顶部或底部，由于激光测头14进行沿水平方向水平旋转测量，往往在激光光束的顶部或底部仍有很小的区域无法进行测量，虽然这两部分体积占整个卧式金属罐容积的比例很小，但却能对测量金属罐容积的精确度产生影响，因此，该第一高度以上的区域以及第二高度以下的区域认为是激光测头14无法进行测量的区域。在第一高度和第二高度之间，可以在若干预设高度位置进行测量，这些预设高度位置可以根据需要设定，例如在测量精度要求较高的场合，可以将这些预设高度位置选择的密集一些，即每隔很小的一段距离便进行一次测量，这样可以在第一高度和第二高度位置之间形成若干个测量点。在每一个测量点均需要测量与该点同一水平面上的截面上各边缘预设点的极坐标，测量点可以根据需要进行预先设定，如果需要测量结果更加精确，则可在待测的水平截面边缘密集地设置若干测量点。处理单元18根据第一高度、数个预设高度和第二高度对应的水平截面边缘预设各点的极坐标，分别获取第一高度、数个预设高度和第二高度对应的水平截面面积，以及获取第一高度对应的水平截面以上的金属罐容积和第二高度对应的水平截面以下的金属罐容积；在获得了第一高度、第二高度以及第一高度和第二高度之间的若干测量点对应的水平截面边缘预设各点的极坐标，处理单元18便可获得这些水平截面的面积，若水平截面的形状已知，则可以直接根据不同形状对应的面积公式获得水平截面的面积，同时可以根据不同卧式金属罐的规格获得第一高度对应的水平截面以上的部分金属罐容积和第二高度对应的水平截面以下的部分金属罐容积。处理单元18再根据第一高度、数个预设高度和第二高度对应的水平截面面积，获取第一高度对应的水平截面与第二高度对应的水平截面之间的金属罐容积。以上提供的卧式金属罐容积测量装置对卧式金属罐容积进行测量的一个实施例中，激光测头14的个数为1个，可以理解的是，为了提高测量效率，缩短测量时间，还可以设置2个以上的激光测头14，在每个测量高度上，各个激光测头14测量的角度之和为360度。例如设置2个激光测头14，则每个激光测头14可以在各个测量高度上分别测量180度范围内的金属罐水平截面边缘各点。激光测头14设置为其他个数的情况与之类似，不一一列举。以下提供卧式金属罐容积测量装置测量卧式金属管容积的另一个实施例，该实施例仍以激光测头14的个数为1个进行说明。如果激光测头14的个数大于等于2个，则在每个测量高度上，各个激光测头14测量的角度之和为360度。测量过程具体可以包括在控制单元17的控制下，第一电机12驱动激光测头14沿直线导轨单元11下降至第一高度，第二电机13在控制单元17的控制下，在第一高度驱动激光测头14以直线导轨单元11为轴水平旋转，测量金属罐水平截面边缘预设各点的极坐标，其中，极坐标以水平截面为极坐标平面，以直线导轨单元11与水平截面的交点为极点，直线导轨单元11与金属罐顶板垂直；在控制单元17的控制下，第一电机12驱动激光测头14在直线导轨单元11上依次下降至数个预设高度直至激光测头14下降至第二高度，当下降至数个预设高度及下降至第二高度，第二电机13在控制单元17的控制下，分别驱动激光测头14以直线导轨单元11为轴水平旋转，测量金属罐水平截面边缘预设各点的极坐标，极坐标以水平截面为极坐标平面，以直线导轨单元与水平截面的交点为极点；图2为本实用新型实施例提供的将卧式金属罐容积分成三部分的示意图，如图2所示，其中H2为第一高度，H3为第二高度，H2和H3将金属罐分为体积分别为V1、V2和V3的上层部分、中层部分和下层部分；处理单元18根据水平截面上预设各点中任意相邻两点的极坐标，获取任意相邻两点与极点构成的三角形面积或扇形面积；处理单元18根据任意相邻两点与极点构成的三角形面积或扇形面积获取水平截面面积；具体的，处理单元18获得每个预设高度对应的水平截面面积可以采用三角形面积拼接法或扇形面积拼接法。图3为本实用新型实施例提供的三角形拼接法获取水平截面
面积的示意图，如图3所示，A、B、C......M等分别为水平截面边缘预设各点，P为极坐标的
极点，AP、BP、CP......MP分别为A、B、C......M各点在极坐标平面内的极径，a为A点与B
点在极坐标平面内的夹角，三角形APB的面积可以通过以下公式获得Saapb = l/2XPAXPBXsin( Z APB)则对应的水平截面的面积为S 截面=SaAPB+SABPC+...+SAMPA图4为本实用新型实施例提供的扇形拼接法获取水平截面面积的示意图，如图4所示，扇形APB的面积可以通过以下公式获得Sapb = 1/8 X (PA+PB) X (PA+PB) X ( Z APB)其中，Z APB为弧度值；S 截面=Sapb+Sbpc+h.+S·处理单元18根据第一高度、数个预设高度和第二高度分别对应的水平截面边缘预设各点的极坐标，分别获取第一高度、数个预设高度和第二高度对应的水平截面的特征
点；处理单元18再根据第一高度、数个预设高度和第二高度对应的水平截面的特征点，分别获取第一高度、数个预设高度和第二高度对应的水平截面参数，水平截面参数包括水平截面圆弧部分与直线部分的交点之间长度、圆弧部分在直线部分方向上投影点的最长距离、两直线部分之间的垂直距离、圆弧部分的平均直径、金属罐圆筒部分内直径以及金属罐侧面的圆弧直径；具体的，处理单元18可以根据曲率信息，提取各层截面的轮廓特征点，该曲率信息根据水平截面边缘预设各点的极坐标的变化得出，已知金属罐的截面为圆弧和直线连接的轮廓曲线，利用曲率信息对轮廓特征点进行提取，图5为本实用新型实施例提供的根据曲率信息提取特征点的示意图，如图5所示，得到的特征点为A、B、C、D，根据特征点分离圆弧点和直线点，AD和BC为圆弧段，AB和CD为直线段，对圆弧点和直线点进行拟合获取圆弧函数；具体为，将圆弧点和直线点进行分离，然后对圆弧点和直线点分别做拟合，得到圆弧函数(S2、S4)和直线函数(Si、S3)，图6为本实用新型实施例提供的根据特征点拟合圆弧和直线的示意图，如图6所示，然后根据圆弧函数获取单层截面参数，该单层截面参数为Lli-水平截面圆弧部分与直线部分的交点之间长度，即直线Sl与圆弧S2和S4交点的长度；L2i-圆弧部分在直线部分上投影点的最长距离，即圆弧S2和S4在直线Sl上投影点的最长距离；dli-两直线部分之间的垂直距离、即直线Sl和S3间的距离；d2i-圆弧部分的平均直径，即圆弧S2和S4的平均直径；Dli-金属罐圆筒部分内直径，即高度H下推算得到的圆筒内直径，图7为本实用新型实施例提供的圆筒内直径示意图，参见图7，
权利要求1.一种卧式金属罐容积测量装置，其特征在于，包括直线导轨单元、可调平支架、第一电机、第二电机、至少一个激光测头、高度检测编码器、角度检测编码器、控制单元和处理单元；所述直线导轨单元与水平面垂直，其上承载所述激光测头，所述直线导轨单元一端与金属罐底板接触，另一端从所述金属罐顶部的法兰处伸出，垂直固定在所述可调平支架上，所述可调平支架固定在所述法兰上；所述第一电机与所述激光测头连接，在控制单元的控制下驱动所述激光测头在所述直线导轨单元上从上至下依次下降至第一高度、数个预设高度以及第二高度；所述第二电机与所述激光测头连接，在所述控制单元的控制下驱动所述激光测头分别在所述第一高度、所述数个预设高度和所述第二高度，以所述直线导轨单元为轴水平旋转测量；所述至少一个激光测头在所述第一电机和所述第二电机的驱动下，在所述第一高度、所述数个预设高度以及所述第二高度上，以所述直线导轨单元为轴水平旋转，测量所述金属罐水平截面边缘预设各点极坐标中的极径，并发送至所述控制单元，所述极坐标以所述水平截面为极坐标平面，以所述直线导轨单元与所述水平截面交点为极点；所述高度检测编码器分别与所述第一电机和所述控制单元连接，根据所述第一电机的转动圈数检测所述激光测头的高度，并根据所述转动圈数生成第一脉冲发送至所述控制单元；所述角度检测编码器分别与所述激光测头和所述控制单元连接，根据所述激光测头的转角检测所述金属罐水平截面边缘所述预设各点极坐标中的极角，并根据所述转角生成第二脉冲发送至所述控制单元；所述控制单元分别与所述第一电机、所述第二电机、所述高度检测编码器、所述角度检测编码器、所述激光测头和处理单元连接，根据所述处理单元预置的控制参数、所述第一脉冲和所述第二脉冲，分别控制所述第一电机和所述第二电机，并将所述第一脉冲、所述第二脉冲以及所有被测量点的所述极径发送至所述处理单元；所述处理单元与所述控制单元连接，配置所述控制单元的控制参数，并用于根据接收到的所述第一脉冲、所述第二脉冲以及所有被测量点的所述极径获取所述第一高度对应的水平截面以上的所述金属罐容积、所述第二高度对应的水平截面以下的所述金属罐容积以及所述第一高度对应的水平截面与所述第二高度对应的水平截面之间的所述金属罐容积。
2.根据权利要求1所述的卧式金属罐容积测量装置，其特征在于，还包括与所述直线导轨单元连接的倾角传感器，所述倾角传感器测量所述直线导轨单元与竖直方向的夹角，并将测量得到的所述夹角发送至所述处理单元。
3.根据权利要求1或2所述的卧式金属罐容积测量装置，其特征在于，还包括与所述第二电机连接的驱动水平旋转单元，所述驱动水平旋转单元在所述第二电机的驱动下带动所述激光测头，分别在所述第一高度、所述数个预设高度以及所述第二高度上、以所述直线导轨单元为轴沿水平方向水平旋转测量。
4.根据权利要求3所述的卧式金属罐容积测量装置，其特征在于，还包括设置在所述直线导轨单元上的滑块，所述滑块承载及定位所述激光测头在所述直线导轨单元上从上至下依次下降至所述第一高度、所述数个预设高度以及所述第二高度。
5.根据权利要求4所述的卧式金属罐容积测量装置，其特征在于，还包括设置在所述第一电机上的齿轮，以及设置在所述直线导轨单元上的齿条单元，所述齿轮与所述齿条单元啮合。
6.根据权利要求5所述的卧式金属罐容积测量装置，其特征在于，所述直线导轨单元由设置在一个支撑立柱单元表面上的一节以上直线导轨拼接而成。
7.根据权利要求6所述的卧式金属罐容积测量装置，其特征在于，所述齿条单元由设置在所述直线导轨表面上的一节以上齿条拼接而成。
8.根据权利要求1或2所述的卧式金属罐容积测量装置，其特征在于，包括至少两个激光测头，所述至少两个激光测头在所述第一高度、所述数个预设高度以及所述第二高度上，以所述直线导轨单元为轴水平旋转的角度之和为360度，所述至少两个激光测头分别测量各自旋转角度内所述金属罐水平截面边缘预设各点极坐标中的极径，并发送至所述控制单兀。
专利摘要本实用新型涉及一种卧式金属罐容积测量装置。包括直线导轨单元、可调平支架、第一电机、第二电机、至少一个激光测头、高度检测编码器、角度检测编码器、控制单元和处理单元。本实用新型提供的卧式金属罐测量方法及测量装置无需用户介入便可自动测得卧式金属罐的容积，测量速度快且精度高。
文档编号G01F17/00GK202171487SQ20112020629
公开日2012年3月21日 申请日期2011年6月17日 优先权日2011年6月17日
发明者刘子勇, 戚利飞, 王金涛, 石晶欣, 蔡友发, 郭立功 申请人:中国计量科学研究院, 北京光电技术研究所