一、前言
     立式金属罐是国际间石油化工产品贸易结算的主要计量器具之一，也是我国主要强检计量器具。其计量的准确度如何，直接关系到企业和国家的经济利益与国家计量信誉。
     作为立式金属罐容量计量的标准，就世界范围来讲，为确保计量的准确度，目前仍广泛应用的是光学基准线法(光学参比线法)。为了去除测量时的高空作业和现场作业风力以及罐体障碍物的影响，中国计量科学研究院提出并研制成功了“具导轨光学径向测量仪”，其测量原理与光学基准线法相同。光电测距法目前使用的仪器为全站仪，该仪器测量速度快而且自动化程度较高。但作为计量标准仪器来讲，其测量准确度是第一位的，必须满足计量检定规程的要求。为此，本文就该仪器测量罐体半径的准确度问题，通过国内外有关实验加以分析研究。
     二、立式金属罐的计量特性要求
     国际建议OIML R71:2008将立式金属罐的计量特性规定为，储罐准确容量的下限与标称容量间的容积值最大允许的不确定度(k=2)为指示容量的0.2%。为保证其准确度，根据ISO7507-2、ISO7507-4，要求标定的标准器对储罐径向偏差(此时基圆半径测量的不确定度可忽略不计)或半径直接测量的标准不确定度不应大于2mm。
     而我国JJG168-2005《立式金属罐容量检定规程》对立式金属罐容量标定的相对扩展不确定度(k=2)的规定是:(100～700)m³的立式金属罐为0.2%，700m³以上的为0.1%。为保证其准确度，要求标定的标准器半径或径向偏差测量最大允许误差，对具导轨光学径向测量仪和光学垂准仪来讲，20m内为±2mm；对全站仪来讲，为±(2+2×10^-6·D)mm，D为测量的距离(m)。JJG988-2004《立式金属罐径向偏差测量仪检定规程》对标准器准确度明确指出，上述最大允许误差是指k=2的扩展不确定度。显然，JJG988-2004要求标定的标准器测量的标准不确定度为1mm，而现行的储罐容量计量的标准器——全站仪，能否达到此要求，将是本文讨论的中心问题。
     三、光电测距仪应用于立式金属罐半径计量的实验与准确度分析
     1.光电测距仪激光束射入罐体表面是一种漫反射，其距离测量的准确度与光线的入射角、测距仪的光信号及测量距离相关。这种漫反射无棱镜测距的灵敏度S可依式(1)估计:
     据2009年德国召开的大型储油罐体积测量交流文集一组实验报告，以激光扫描仪对不同半径的立式金属罐在入射角为0°(水平射入罐体表面)时，所测得的半径标准不确定度如表1第一行数据所示。由表1可以看出，半径测量的标准不确定度随其半径的增大而增大。
我国某计量技术机构，为了验证全站仪测罐准确度，曾于2006年对某罐基圆进行了对比实验，结果表明，以围尺法测得的内半径值为9294.6mm，全站仪测得的值为9288.7mm，与围尺法相比，相差-5.9mm；同样，某计量站对某罐基圆进行对比实验，结果围尺法(外测)测得的内半径值为8505mm，全站仪测得的值(内测)为8499mm，与围尺法相比，相差-6mm。该实验结果与德国实验结果相比，基本一致，二者相差不大于1mm。
      2.所有无反射镜光电测距仪，其性能都受光的反射定律及反射面材料的光学性质的影响和限制。单色光的表面漫反射是多个方向的。
     这种类型的同向性反射光的强度I_r(λ)可用式(2)朗伯余弦定律(Lamber′s cosine law)来描述:
                                                           I_r(λ)=I₁(λ)·K_d(λ)·cosθ (2)
     式中:I₁(λ)——入射光强度(波长的函数)；K_d(λ)——漫反射系数(波长的函数)；θ——入射光与反射平面法线矢量方向的夹角(入射角)。
     由式(2)可知，光线入射角愈大(光线射入罐体愈高)，则反射光的强度愈小，由此可计算出相应入射角为0°时光强度的损失量(%比)。由此可见，所测半径的误差随着入射角的增大而增大。
     2009年，西北国家计量测试中心受国家质检总局计量司的委托，组织部分省计量院对某油库10000m³立式金属罐容量进行量值比对，主导实验室以围尺法精确测出1～8圈板的半径(分析表明u(R_内)为0.33mm)，部分参比实验室以全站仪进行内测。该罐为水压实验后尚未进油的新罐，罐体看不出有什么变形，罐底板结实未察觉有呼吸量影响全站仪测量时水平的变动，测量时全站仪射入的光线入射角最大约为45°。依据测得的实验数据分析，第8板半径测量的标准偏差比基圆半径标准偏差增大2.4mm，这相当于第8板反射光强度比基圆时减少了29.6%。
     假设反射光强度随入射角增大的损失量与其误差增量成正比，则可求得不同入射角反射光强度损失量(%)所造成的半径标准偏差，如表1所示。由表1可求得与上述比对罐相应的半径为15m，入射角为45°时半径的标准偏差为9.68mm，入射角为0°时半径的标准偏差为7.46mm，其二者相差2.2mm，反射光强度由入射角0°变为46°时损失量为29.6%，这一计算结果与上述实验结果相一致。由此可见，上述假设的光电测距仪射入罐壁的反射光强度随入射角增大的损失量与其测量半径误差增量大致呈线性关系是符合实际的。
      3.使用全站仪进行无反射镜测量的实验显示，反射面表面性质，即表面的反射率(反射发出的功率与入射发出的功率之比)同样影响距离测量。罐体表面粗糙度、表面的几何形状及测量时大气环境的亮度等均会影响测量准确度。据国内外研究表明，当罐体表面反射性能不良时或在强阳光热辐射下，测量距离超过30m时，该误差可增大到10mm以上。这一误差远超我国容量计量检定规程(JJG168-2005)和国际标准(ISO7505-2、ISO7507-4)规定的要求。
转载自中国计量网