JJF 1719-2018铁路罐车和罐式集装箱容积三维激光扫描仪校准规范-（高清版）.pdf

中华人民共和国国家计量技术规范J J F1 7 1 92 0 1 8铁路罐车和罐式集装箱容积三维激光扫描仪校准规范C a l i b r a t i o nS p e c i f i c a t i o nf o r3 DL a s e rS c a n n e r f o rV o l u m eM e a s u r e m e n t so fR a i lT a n k e r sa n dT a n kC o n t a i n e r s 2 0 1 8-1 2-2 5发布2 0 1 9-0 3-2 5实施国 家 市 场 监 督 管 理 总 局 发 布铁路罐车和罐式集装箱容积三维激光扫描仪校准规范C a l i b r a t i o nS p e c i f i c a t i o nf o r3 DL a s e rS c a n n e r f o rV o l u m eM e a s u r e m e n t so fR a i lT a n k e r sa n dT a n kC o n t a i n e r sJ J F1 7 1 92 0 1 8 归 口 单 位:全国铁路专用计量器具计量技术委员会铁路专用力学分技术委员会 主要起草单位:国家铁路罐车容积计量站中国铁路总公司科技和信息化部中国铁道科学研究院集团有限公司标准计量研究所 参加起草单位:国家铁路罐车容积计量站齐鲁分站 本规范委托全国铁路专用计量器具计量技术委员会铁路专用力学分技术委员会负责解释J J F1 7 1 92 0 1 8本规范主要起草人:邵学君(国家铁路罐车容积计量站)韩富强(中国铁路总公司科技和信息化部)庞 庆(国家铁路罐车容积计量站)张志鹏(国家铁路罐车容积计量站)齐 超(中国铁道科学研究院集团有限公司标准计量研究所)参加起草人:吴会军(中国铁道科学研究院集团有限公司标准计量研究所)牟 斌(国家铁路罐车容积计量站齐鲁分站)J J F1 7 1 92 0 1 8目 录引言()1 范围(1)2 引用文件(1)3 术语(1)4 概述(1)5 计量特性(2)5.1 重复性(2)5.2 示值误差(2)6 校准条件(2)6.1 环境条件(2)6.2 校准用标准器及配套设备(2)7 校准方法(3)7.1 校准前准备(3)7.2 重复性(3)7.3 示值误差(3)8 校准结果表达(4)9 复校时间间隔(4)附录A 三维激光扫描法的罐体容积计算(5)附录B 校准记录(7)附录C 容量比较法测量检测罐参考容积(9)附录D 容积温度修正公式(1 0)附录E 校准证书内容(1 1)附录F 示值误差的测量不确定度评定(1 2)J J F1 7 1 92 0 1 8引 言本规范依据J J F1 0 7 12 0 1 0 国家计量校准规范编写规则制定的规则和J J G1 4 0 铁路罐车容积编写。本规范为首次发布。J J F1 7 1 92 0 1 8铁路罐车和罐式集装箱容积三维激光扫描仪校准规范1 范围本规范适用于铁路罐车和罐式集装箱容积三维激光扫描仪(以下简称“扫描仪”的校准。2 引用文件本规范引用下列文件:J J G1 4 02 0 1 8铁路罐车容积凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本规范;凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规范。3 术语3.1 罐体容积t a n kc a p a c i t yJ J G1 4 02 0 1 8,3.1标准温度2 0时罐体内表面顶部水平切面以下的容积。3.2 容积表t a n kc a p a c i t yt a b l e标准温度2 0时铁路罐车和罐式集装箱内高度和容积对应关系的数据表。3.3 数据处理软件d a t ap r o c e s s i n gs o f t w a r e根据测量点云计算铁路罐车和罐式集装箱容积,得出容积表的计算机程序。3.4 检测罐t e s t i n gt a n k用于铁路罐车和罐式集装箱容积三维激光扫描仪校准的,具有特定型号和一定容积的铁路罐车和罐式集装箱罐体。4 概述扫描仪用于测量铁路罐车和罐式集装箱(以下简称“铁路罐车、箱”)容积。扫描仪外形示意图如图1所示。其原理是通过三维激光扫描技术扫描罐内壁,采集点云,通过数据处理软件计算铁路罐车、箱容积表。图1 扫描仪外形示意图1电池;2数据存储介质接口;3启动/暂停键;4显示屏;5电源键;6反射滤光镜;7激光发射器;8安装底座1J J F1 7 1 92 0 1 85 计量特性5.1 重复性在一组重复性测量条件下,容积测得值的测量精密度。5.2 示值误差容积测得值与参考值之差。最大允许误差为0.2 4%。6 校准条件6.1 环境条件校准应在无冷凝、无明显震动和晃动、罐内无阳光直射的环境中进行,环境温度为(2 02 0),温度变化率不超过2/h。6.2 校准用标准器及配套设备使用表1所列校准设备进行校准。表1 校准设备一览表名称测量范围/型号规格技术要求标准金属量器5L1 0L2 0L5 0L1 0 0L2 0 0L5 0 0L10 0 0L20 0 0L二等液位计(038 0 0)mm使用实际值,实际值的不确定度U0.4mm检测罐定型的铁路罐车罐体或罐式集装箱材质为低合金高强度结构钢或不锈钢,罐壁内表面为漫反射、无锈,至少2个,相互间容积差2 0m3一体化温度传感器(04 0)MP E:0.2温度计(-3 05 0)MP E:0.5数据处理软件容积计算测量模型应符合附录A管道及阀组公称直径与量器规格匹配,过滤水中杂质液位开关控制标准金属量器液位处在标尺刻线范围内高位水箱有效容积1 8m3,液位最低点高于标准金属量器进水口蓄水池有效容积1 2 0m32J J F1 7 1 92 0 1 87 校准方法7.1 校准前准备校准前应完成以下准备工作:a)按附录B.2准备校准记录。b)确认扫描仪无影响计量特性的外观和机电功能方面的缺陷;标记检尺点;设置扫描仪扫描参数,使扫描点数不少于1 0 0万点。c)采用倒置或正置方式安装扫描仪。采用倒置安装方式时,将扫描仪稳定倒置悬挂在架设于检测罐人孔座上沿的三脚架上;扫描仪架设位置一般应处于人孔下沿0.2m处。采用正置安装方式时,将扫描仪稳定正置安装在架设于检测罐底部检尺点附近的三脚架上;扫描仪架设高度一般不高于1m;调整三脚架位置,使检尺点标记处于扫描仪扫描范围内。安装完成后,调整三脚架架设姿态,通过扫描仪自带的电子水准器观察扫描仪水平程度,使其处于自动水平补偿范围内。扫描仪安装如图2所示。d)确认环境温度等条件满足要求。图2 扫描仪安装示意图1检测罐;2三脚架;3人孔;4扫描仪;5检尺点7.2 重复性使用标记容积较小的检测罐进行重复性试验;通过容量比较法测得检测罐标记容积8 3%9 5%之间任一点的容积值,测量其对应液位高度H,操作方法见附录C;对检测罐进行多次重复扫描测量(一般重复测量36次),用温度计测量环境温度,运用数据处理软件计算容积表并按附录D将其修正至标准温度2 0时的容积;在每次扫描得到的容积表中,读取H对应的容积Vj。按极差法计算重复性,极差系数见表2。表2 极差系数测量次数3456789C1.6 92.0 62.3 32.5 32.7 02.8 52.9 77.3 示值误差一般情况下,选取不少于2台不同型号的检测罐进行示值误差校准,其标记容积应3J J F1 7 1 92 0 1 8在常用铁路罐车、箱标记容积范围内;通过容量比较法测得检测罐标记容积8 3%9 5%之间任意三点的容积值作为容积参考值,测量其对应液位高度Hi,操作方法见附录C;对检测罐进行扫描测量,用温度计测量环境温度,运用数据处理软件计算容积表并按附录D将其修正至标准温度2 0时的容积,读取Hi对应的容积;每台检测罐重复扫描3次,以每个校准点的中位值作为各点的容积测得值。按公式(1)计算每个校准点的示值误差。示值误差的测量不确定度评定见附录F。Vi=Vi-Vs i(1)式中:Vi 第i个校准点示值误差,L;Vi 第i个校准点容积测得值,L;Vs i 第i个校准点容积参考值,L。8 校准结果表达扫描仪经校准后出具校准证书,校准证书应覆盖附录E所列内容。9 复校时间间隔复校时间间隔一般不超过1 2个月。4J J F1 7 1 92 0 1 8附录A三维激光扫描法的罐体容积计算A.1 罐体容积对点云进行滤波,去除罐体内外杂点,并将点云沿铅垂方向切分成N等份,每一等份都是足够薄(厚度不大于1 0mm)的水平薄片;计算每个薄片的体积,累加得到罐体容积,按公式(A.1)计算:V=Ni=1Vi(A.1)式中:V 罐体容积,L;Vi 第i个水平薄片的体积,L;N 水平薄片的数量。A.2 水平薄片体积第i个水平薄片的体积Vi按公式(A.2)计算:Vi=13(Si+Si+1+SiSi+1)h(A.2)式中:h=hG/N;Si 第i个水平薄片的底面积,mm2;Si+1 第i+1个水平薄片的底面积,mm2;h 水平薄片的厚度,mm;hG 点云中罐体最高点到最低点的铅垂距离,mm;N 水平薄片的数量。A.3 水平薄片的底面积点云的第i个水平薄片有m个点。将每个点向水平薄片底面投影,得到m个投影点C1,C2,C3,Cj+1,Cj+2,Cm;连接点C1,C2,C3得到三角形T1;连接点C1,C3,C4得到三角形T2;连接点C1,Cj+1,Cj+2得到三角形Tj;连接点C1,Cm-1,Cm得到三角形Tm-2。见图A.1。5J J F1 7 1 92 0 1 8图A.1 点云水平薄片底面积计算方法示意图第i个水平薄片的底面积Si按公式(A.3)计算:Si=m-2j=1Sj(A.3)式中:Sj 三角形Tj的面积,mm2。对三角形Tj,按公式(A.4)公式计算其面积Sj:Sj=pj(pj-aj)(pj-bj)(pj-cj)(A.4)式中:pj=(aj+bj+cj)/2;aj,bj,cj 三角形Tj的三条边长,mm。6J J F1 7 1 92 0 1 8书 书 书?7J J F1 7 1 92 0 1 8书 书 书?8J J F1 7 1 92 0 1 8附录C容量比较法测量检测罐参考容积采用标准金属量器、液位计、一体化温度传感器等设备,以水为介质,对检测罐进行直接比较,经过温度修正得到其在标准温度2 0时的容积。C.1 测量前准备C.1.1 按附录B.1准备校准记录C.1.2 编制测量顺序控制表根据检测罐容积范围,选用标准金属量器规格,确定它们的注水顺序和注水次数,编制成测量顺序控制表。C.1.3 系统初始化将高位水箱的水注入标准金属量器,充分润湿其内表面;打开放水阀,以最大排放量将标准金属量器内的水排空,充分湿润管道内表面。C.2 测量步骤通过工控系统控制阀组,采用自流方式将高位水箱的水注入选用的标准金属量器,利用液位开关控制水位到达标准金属量器固定容量刻线位置,测量水温;然后采用自流方式将标准金属量器内的水全部注入检测罐,液面稳定后,测量检测罐内水温。工控系统按照测量顺序控制表,自动重复进行以上步骤,在每个校准点处重复测量检测罐液位6次,以6次测量的平均值作为该校准点液位测得值,直至完成测量。C.3 数据处理检测罐参考容积按公式(C.1)计算。Vh i=ni=1VBi1+1(t1i-2 0)+2(2 0-t2i)+w(t2i-t1i)(C.1)式中:Vh i 第i次注水,检测罐中水温为2 0、液位为hi时的容积,L;VB i 第i次注水,所用标准金属量器2 0时的实际容积,L;t1i 第i次注水,所用标准金属量器中水温,;t2i 第i次注水,检测罐中水温,;1 标准金属量器体膨胀系数,-1;2 检测罐的罐体体膨胀系数,-1;w 水体膨胀系数,-1。9J J F1 7 1 92 0 1 8附录D容积温度修正公式在非标准温度下得出的容积,按公式(D.1)进行温度修正:V2 0=Vt1+(2 0-t)(D.1)式中:V2 0 标准温度时的容积,L;Vt 扫描测量温度时的容积,L;罐体的体膨胀系数,-1;t 罐壁温度(取环境温度),。01J J F1 7 1 92 0 1 8附录E校准证书内容1.标题:校准证书;2.实验室名称和地址;3.进行校准的地点;4.证书或报告编号、页码及总页数;5.客户的名称和地址;6.被校对象的描述和明确标识;7.进行校准的日期;8.校准所依据的技术规范的标识;9.校准所使用的计量标准及有效期;1 0.校准环境的表述;1 1.校准结果及其测量不确定度的说明;1 2.扫描仪使用参数;1 3.校准使用的软件;1 4.签发人的签名、职务或等效标识;1 5.校准结果仅对被校对象有效的声明;1 6.未经实验室书面批准,不得部分复制证书的声明。11J J F1 7 1 92 0 1 8附录F示值误差的测量不确定度评定以采用G1 1型检测罐进行校准、校准点为G1 1型检测罐标记容积(3 60 0 0L)的8 3%(2 98 8 0L)为例进行分析。F.1 测量方法利用标准金属量器、磁致伸缩液位计、一体化温度传感器、检测罐等设备构成扫描仪校准装置,对扫描仪容积示值误差进行校准。F.2 测量模型示值误差为:V=V-Vs(F.1)式中:V 容积示值误差,L;V 容积测得值,L;Vs 容积参考值,L。灵敏系数为:c1=(V)V=1,c2=(V)Vs=-1(F.2)F.3 标准不确定度来源分析F.3.1 扫描仪容积测得值V引入的标准不确定度分量u(V)扫描仪容积测得值修正至2 0时进行使用,环境温度为(2 02 0),最大温度变化量为2 0;检测罐的罐体膨胀系数=3 31 0-6-1。则根据D.1温度修正公式可得,u(V)中各不确定度分量的灵敏系数为:环境温度测量引入的标准不确定度灵敏系数:|c1 1|=(V)t=|-Vt|=9.8 61 0-1L/(F.3)检测罐体膨胀系数引入的标准不确定度灵敏系数:|c1 2|=(V)=|(2 0-t)Vt|=5 9 76 0 0L(F.4)F.3.1.1 环境温度测量引入的标准不确定度分量u1t校准时环境温度测量(包括温度场的不均匀性)的最大误差为2,取均匀分布,则u1t=23=1.1 5(F.5)F.3.1.2 检测罐体膨胀系数引入的标准不确定度u1检测罐体膨胀系数的最大误差为3.31 0-6-1,作均匀分布处理,则u1=3.31 0-6-13=1.9 11 0-6-1(F.6)21J J F1 7 1 92 0 1 8F.3.1.3 容积测量重复性引入的标准不确定度u1 r选一性能稳定的扫描仪作为被校准对象,对G1 1型检测罐重复扫描6次;校准点对应高度为16 1 0.0mm,容积测得值分别为:2 98 3 4L,2 98 3 7L,2 98 3 6L,2 98 2 7L,2 98 3 1L,2 98 4 4L。按照极差法计算出实验标准偏差:s(Vi)=6.7 2L(F.7)则u1 r=6.7 2L(F.8)F.3.2 容积参考值Vs引入的不确定度u(Vs)容积参考值测量过程中,环境温度同F.3.1;标准金属量器与检测罐中水温相差不超过2;标准金属量器体膨胀系数1=5 01 0-6-1;检测罐体膨胀系数2=3 31 0-6-1;水体膨 胀 系 数w=21 0-4-1。根 据 检 测 罐 参 考 容 积 计 算 公 式(C.1),可得u(Vs)中各不确定度分量的灵敏系数为:标准金属量器容积测量引入的不确定度分量灵敏系数:|c2 1|=(Vs)VB=|1+1(t1-2 0)+2(2 0-t2)+w(t2-t1)|1.0(F.9)标准金属量器体膨胀系数引入的不确定度分量灵敏系数:|c2 2|=(Vs)1=|VB(t1-2 0)|=5 9 76 0 0L(F.1 0)检测罐体膨胀系数引入的不确定度分量灵敏系数:|c2 3|=(Vs)2=|VB(2 0-t2)|=5 9 76 0 0L(F.1 1)水体膨胀系数引入的不确定度分量灵敏系数:|c2 4|=(Vs)w=|VB(t2-t1)|=5 97 6 0L(F.1 2)标准金属量器内水温度测引入的不确定度分量灵敏系数:|c2 5|=(Vs)t1=|VB(1-w)|=4.5L/(F.1 3)检测罐内水温度测量引入的不确定度分量灵敏系数:|c2 6|=(Vs)t2=|VB(w-2)|=5.0L/(F.1 4)F.3.2.1 标准金属量器容积测量引入的标准不确定度u2d二等标准金属量器扩展不确定度为2.51 0-4,则u2d=2 98 8 0 L2.51 0-42=3.7 4L(F.1 5)F.3.2.2 标准金属量器体膨胀系数引入的标准不确定度u2e标准金属量器体膨胀系数的最大误差为51 0-6-1,作均匀分布处理,则u2e=51 0-6-13=2.8 91 0-6-1(F.1 6)F.3.2.3 检测罐体膨胀系数引入的标准不确定度u2f31J J F1 7 1 92 0 1 8检测罐体膨胀系数的最大误差为3.31 0-6-1,作均匀分布处理,则u2f=3.31 0-6-13=1.9 11 0-6-1(F.1 7)F.3.2.4 水体膨胀系数引入的标准不确定度u2g水体膨胀胀系数的最大误差为0.51 0-4-1,作均匀分布处理,则u2g=0.51 0-4-13=2 8.8 71 0-6-1(F.1 8)F.3.2.5 标准金属量器内水温测量引入的标准不确定度u2h标准金属量器内水温测量(包括温度场的不均匀性)的最大误差为0.2,取均匀分布,则u2h=0.23=0.1 1 55(F.1 9)F.3.2.6 检测罐内水温测量引入的标准不确定度u2i检测罐内水温测量的最大误差为1,取均匀分布,则u2i=13=0.5 7 74(F.2 0)F.3.2.7 磁致伸缩液位计修正值的不确定度引入的标准不确定度u2j在标记容积的8 3%附近,液位相差1mm对应的容积差小于2 0.0L。磁致伸缩液位计修正使用,修正值的不确定度U0.4mm,则u2j=2 0L/mm0.4mm2=4.0L(F.2 1)F.3.2.8 液位测量引入的标准不确定度u2k在检测罐注水2 98 6 4L处,待液面稳 定,测 量 液 位结 果 分 别 为16 1 0.0 mm,16 1 0.0mm,16 1 0.2mm,16 1 0.6mm,16 1 0.0mm,16 1 0.3mm。按照极差法计算出实验标准偏差:s(hi)=0.2 4mm(F.2 2)用6次测量结果的平均值作为检测罐液位高度,则u2k=2 0L/mms(hi)6=1.9 6L(F.2 3)F.4 合成标准不确定度容积示值误差测量结果中各项标准不确定度分量如表F.1所示。表F.1 标准不确定度分量不确定度来源标准不确定度ui灵敏系数|ci|ci|ui/L环境温度测量u1t1.1 5|c1 1|9.8 61 0-1L/1.1 4检测罐体膨胀系数u11.9 11 0-6-1|c1 2|5 9 76 0 0L1.1 4容积测量重复性u1 r6.7 2L|c1 3|16.7 241J J F1 7 1 92 0 1 8表F.1(续)不确定度来源标准不确定度ui灵敏系数|ci|ci|ui/L标准金属量器u2d3.7 4L|c2 1|13.7 4标准金属量器体膨胀系数u2e2.8 91 0-6-1|c2 2|5 9 76 0 0L1.7 3检测罐体膨胀系数u2f1.9 11 0-6-1|c2 3|5 9 76 0 0L1.1 4水体膨胀系数u2g2 8.8 71 0-6-1|c2 4|5 97 6 0L1.7 3标准金属量器内水温测量u2h0.1 1 55|c2 5|4.5L/0.5 2检测罐内水温测量u2i0.5 7 74|c2 6|5.0L/2.8 9磁致伸缩液位u2j4.0L|c2 7|14.0液位测量重复性u2k1.9 6L|c2 8|11.9 6 容积测得值各不确定度分量之间互不相关,容积测得值V引入的不确定度为:u(V)=c21 1u21t+c21 2u21+c21 3u21 r=6.9 1L(F.2 4)容积参考值各不确定度分量之间互不相关,容积参考值Vs引入的不确定度为:u(Vs)=c22 1u22d+c22 2n22e+c22 3u22f+c22 4u22g+c22 5u22h+c22 6u22i+c22 7u22j+c22 8u22k=7.0 5L(F.2 5)示值误差各不确定度分量之间互不相关,合成标准不确定度为:uc(V)=c21u2(V)+c22u2(Vs)=9.8 7L(F.2 6)F.5 校准结果的扩展不确定度取k=2,则校准结果的扩展不确定度为:U=kuc(V)=2 0L(F.2 7)相对扩展不确定度为:Ur e l=2 0L2 98 8 0L=0.71 0-3(F.2 8)51J J F1 7 1 92 0 1 8