UTILIZAREA ECHIPAMENTULUI TRIMBLE SCANNER LASER 3D – CX CU SERIA MK 20072/2011 ÎN CALIBRAREA REZERVOARELOR VERTICALE DE SECȚIUNE CONSTANTĂ _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Orice reproducere, totală sau parțială, a acestei lucrări fără acordul scris al dlui ing. ISTRATE Florin din cadrul INM/LMM/Colectivul Debite-Volume, este strict interzisă și se pedepsește conform Legii drepturilor de autor. pag. 1 din 8 Utilizarea scanerului în calibrarea rezervoarelor verticale cu secțiunea transversală constantă Introducere Necesitatea eliminării erorilor de înregistrare și prelucrare a datelor, în scopul furnizării rezultatelor finale într-un timp foarte scurt, pentru care este alocată o resursă umană redusă, a condus la ideea de a se realiza calibrarea rezervoarelor prin scanare (o nouă metodă numită “metoda de măsurare electro-optică a distanței” – EODRM). Înaintea dezvoltării acestei metode, rezervoarele cilindrice verticale se puteau calibra prin următoarele 4 metode: - metoda mixtă (Mixt Method); - metoda geometrică (Strapping Method); - metoda liniei optice de referință (Optical Reference Line Method – ORLM); - metoda triangulării optice (Optical Triangulation Method – OTM). Pe lângă faptul că niciuna dintre acestea nu este o metodă de măsurare automată (eficiența redusă), precizez câte un dezavantaj caracteristic fiecăreia dintre cele 4 metode mai vechi, astfel: - decontaminarea apei utilizate (în cazul rezervoarele aflate deja în uz); - determinarea circumferinței la o diferență de nivel superior este mai dificilă (imposibilă uneori); - manevrabilitate greoaie a echipamentelor (ex. prăjini, cabluri, carucior magnetic cu riglă, etc.); - multe operații de corecții și calcul aritmetic pentru stabilirea datelor primare (posibile erori); Măsurarea cu precizie a capacității stocate, din volumul unui rezervor, este o problemă cheie în gestionarea și comerțul cu produse petroliere. EODRM a fost dezvoltată (în jurul anului 1990) ca o metodă ce combină măsurarea distanțelor cu o rază laser și comportamentul optic al acesteia (la atingerea unui obstacol, la trecerea dintr-un mediu în altul, etc.) pentru a se determina locația fiecărui punct situat pe mantaua rezervorului - în cazul de față. Considerat ca un cilindru, volumul rezervorului poate fi calculat utilizând ariile secțiunilor rezultate prin intersecția mantalei rezervorului cu planuri de nivel și diferența de nivel dintre acestea. Fiindcă în practică rezervoarele nu au forme perfect regulate, aria secțiunii transversale este definită ca fiind aria delimitată de o înlănțuire de ecuații de gradul I și/sau II. Capacitatea de scanare a echipamentului Trimble CX (care are un fasicul de raze laser de cca. 54 000 de puncte - pe un sector de cerc în plan vertical de 300 0 ) este stocată într-un fișier temporar într-un timp foarte scurt (puțin peste o secundă - funcție de timpul de scanare presetat). Coordonatele punctelor înregistrate (pe care pentru identificare le-am numit puncte reprezentative) pot fi utilizate împreună cu niște alogoritmi pentru a calcula locația unor puncte intermediare lor (numite puncte de interpolare), sau a unor puncte de racordare - în zona în care se fac legăturile dintre două funcții consecutive. Astfel, pe baza tuturor coordonatelor punctelor și a materializării acestora este stabilită forma rezervorului cu particularitățile sale.
Transcript
UTILIZAREA ECHIPAMENTULUI TRIMBLE SCANNER LASER 3D – CX CU SERIA MK 20072/2011 ÎN CALIBRAREA REZERVOARELOR VERTICALE DE SECȚIUNE CONSTANTĂ
Orice reproducere, totală sau parțială, a acestei lucrări fără acordul scris al dlui ing. ISTRATE Florin din cadrul INM/LMM/Colectivul Debite-Volume, este strict interzisă și se pedepsește conform Legii drepturilor de autor.
pag. 1 din 8
Utilizarea scanerului în calibrarea rezervoarelor verticale cu secțiunea
transversală constantă
Introducere
Necesitatea eliminării erorilor de înregistrare și prelucrare a datelor, în scopul furnizării rezultatelor finale într-un timp
foarte scurt, pentru care este alocată o resursă umană redusă, a condus la ideea de a se realiza calibrarea rezervoarelor prin
scanare (o nouă metodă numită “metoda de măsurare electro-optică a distanței” – EODRM).
Înaintea dezvoltării acestei metode, rezervoarele cilindrice verticale se puteau calibra prin următoarele 4 metode:
- metoda mixtă (Mixt Method);
- metoda geometrică (Strapping Method);
- metoda liniei optice de referință (Optical Reference Line Method – ORLM);
- metoda triangulării optice (Optical Triangulation Method – OTM).
Pe lângă faptul că niciuna dintre acestea nu este o metodă de măsurare automată (eficiența redusă), precizez câte un
dezavantaj caracteristic fiecăreia dintre cele 4 metode mai vechi, astfel:
- decontaminarea apei utilizate (în cazul rezervoarele aflate deja în uz);
- determinarea circumferinței la o diferență de nivel superior este mai dificilă (imposibilă uneori);
- manevrabilitate greoaie a echipamentelor (ex. prăjini, cabluri, carucior magnetic cu riglă, etc.);
- multe operații de corecții și calcul aritmetic pentru stabilirea datelor primare (posibile erori);
Măsurarea cu precizie a capacității stocate, din volumul unui rezervor, este o problemă cheie în gestionarea și comerțul cu
produse petroliere.
EODRM a fost dezvoltată (în jurul anului 1990) ca o metodă ce combină măsurarea distanțelor cu o rază laser și
comportamentul optic al acesteia (la atingerea unui obstacol, la trecerea dintr-un mediu în altul, etc.) pentru a se determina
locația fiecărui punct situat pe mantaua rezervorului - în cazul de față.
Considerat ca un cilindru, volumul rezervorului poate fi calculat utilizând ariile secțiunilor rezultate prin intersecția
mantalei rezervorului cu planuri de nivel și diferența de nivel dintre acestea.
Fiindcă în practică rezervoarele nu au forme perfect regulate, aria secțiunii transversale este definită ca fiind aria delimitată
de o înlănțuire de ecuații de gradul I și/sau II.
Capacitatea de scanare a echipamentului Trimble CX (care are un fasicul de raze laser de cca. 54 000 de puncte - pe un
sector de cerc în plan vertical de 3000) este stocată într-un fișier temporar într-un timp foarte scurt (puțin peste o secundă -
funcție de timpul de scanare presetat).
Coordonatele punctelor înregistrate (pe care pentru identificare le-am numit puncte reprezentative) pot fi utilizate împreună
cu niște alogoritmi pentru a calcula locația unor puncte intermediare lor (numite puncte de interpolare), sau a unor puncte
de racordare - în zona în care se fac legăturile dintre două funcții consecutive.
Astfel, pe baza tuturor coordonatelor punctelor și a materializării acestora este stabilită forma rezervorului cu
particularitățile sale.
UTILIZAREA ECHIPAMENTULUI TRIMBLE SCANNER LASER 3D – CX CU SERIA MK 20072/2011 ÎN CALIBRAREA REZERVOARELOR VERTICALE DE SECȚIUNE CONSTANTĂ
Orice reproducere, totală sau parțială, a acestei lucrări fără acordul scris al dlui ing. ISTRATE Florin din cadrul INM/LMM/Colectivul Debite-Volume, este strict interzisă și se pedepsește conform Legii drepturilor de autor.
pag. 2 din 8
Utilizarea unor aplicații foarte performante – și adesea compatibile cu softurile de prelucrare - este posibilă, dar corecta
prelucrare a datelor (ce sunt furnizate) trebuie demonstrată. În privința softurilor de prelucare, se poate vorbi de munca
unor colective întregi ale laboratoarelor (ex. cei care au creat și dezvoltat EODRM-ul ), în schimb pentru prelucrarea
datelor furnizate în domeniul metrologiei (știința măsurării), este necesară cunoașterea tuturor factorilor care pot influența
rezultatul final.
În cazul nostru, echipamentul lansează o serie de trenuri de raze laser. În funcție de tehnologia utilizată, aceste trenuri pot
fi: simultane sau defazate, care sunt caracterizate printre altele și de pulsație.
Această tehnologie avansată se face simțită pe întregul traseu intrare – ieșire (culegerea informațiilor, analizarea
informațiilor, prelucrarea datelor, intrepretarea și furnizarea rezultatelor) – eficiență ridicată.
Culegerea informațiilor
Cunoscând anumiți parametri: viteza de deplasare a razei laser, timpul de răspuns, unghiul vertical pentru fiecare tren de
rază (elevația), pulsația individuală a fiecarui semnal, viteza unghiulară a lentilei de tip emițător/receptor a trenurilor de
raze laser (derivata azimutului), indicele de refracție, mărimea integrală și/sau parțială a marginilor de interferență, ș.a. se
pot culege informațiile ce caracterizează majoritatea punctelor situate pe mantaua rezervorului.
Nota 1: Suprafața interioară a rezervorului nefiind o ”oglindă ideală” - apar niște erori (”ecouri”) indiferent de
metoda de măsurare, iar acestea - alături de alte condiții specifice fiecărui caz particular, generează pe lângă ce ne
interesează și niște informații ireale – așa numitele ”zgomote”.
Analizarea informațiilor
Informațiile abia culese nu pot fi luate în calcul. Următorul pas și cel mai important este identificarea informațiilor
reprezentative. Aceasta presupune materializarea tuturor informațiilor cu ajutorul aplicației primite odată cu echipamentul
de la furnizor și identificarea, respectiv eliminarea informațiilor nerelevante de către operator. Odată ce sunt eliminate
informațiile ireale, se poate trece la prelucrarea datelor.
Prelucrarea datelor
Din întregul bloc de informații rămase, prin selectarea condițiilor adecvate – de către operator, datele necesare se pot
obține cu ajutorul aplicației - furnizate de producător.
În această etapă se poate opta și pentru eventualele suprapuneri de date. Acestea pot fi necesare în cazul: determinării unor
rezultate cu o anumită incertitudine, rezervoarelor cu elemente constructive la interior sau deformări majore, care pot
genera întreruperi ale trenului de rază pe o anumită direcție sau zonă, etc.
Prin intersectarea rezervorului cu un număr de planuri de nivel, egal distribuite, se obțin coordonatele fiecărui punct,
puncte ce aparțin unei secțiuni (de tip închisă sau deschisă).
În practică, intersecția dintre un plan de nivel și un rezervor vertical nu este un cerc (cazul particular al cilindrului), ci este
o înlănțuire de funcții de: arce de cerc, curbe, drepte, hiperbole, etc.
Din acest motiv, o parte a acestor puncte, cele interpolate, au datele stabilite cu ajutorul unor algoritmi printr-o metodă
iterativă (ex. metoda Newton) sau prin metoda mediei ponderate, astfel încât ele să fie soluții ale ecuațiilor generate de
punctele reprezentative. În final, prin prelucrarea acestor date se poate calcula suprafața fiecărei secțiuni utilizând diverse
metode (ex. metoda elementului finit - de o anumită formă).
Interpretarea datelor și furnizarea rezultatelor
Experiența operatorului de a face legătura între harta punctelor din întregul diagramei 3D și reprezentarea punctelor
fiecărei secțiuni într-o diagramă 2D, poate asigura furnizarea unor rezultate cât mai apropiate de realitate. Livrarea
rezultatelor finale presupune conexiunea dintre informațiile prelucrate și cerințele din NML 017-05 „Rezervoare de
stocare pentru lichide”.
UTILIZAREA ECHIPAMENTULUI TRIMBLE SCANNER LASER 3D – CX CU SERIA MK 20072/2011 ÎN CALIBRAREA REZERVOARELOR VERTICALE DE SECȚIUNE CONSTANTĂ
Orice reproducere, totală sau parțială, a acestei lucrări fără acordul scris al dlui ing. ISTRATE Florin din cadrul INM/LMM/Colectivul Debite-Volume, este strict interzisă și se pedepsește conform Legii drepturilor de autor.
pag. 3 din 8
Scanerul Trimble și soft-ul Trimble 3D - Extractor
Echipamentul culege informații, în cazul
nostru - caracteristicile specifice ale rezervoa-
relor verticale cu secțiunea constantă, prin
scanarea mantalei rezervorului.
Prin prelucrarea acestor informații, cu ajutorul
soft-ului Trimble 3D – Extractor, este furnizată
ca rezultat final ”tabela de calibrare”.
În scopul asigurării unor rezultate corecte, este
necesar să se demonstreze că:
- informațiile culese de echipament sunt
”neglijabil identice” cu caracteristicile
geometrice reale ale măsurandului;
- softul utilizat (în prelucrarea informațiilor
culese de către echipament) furnizează rezul-
tate valide;
- incertitudinea rezultatelor finale este mai
mică sau cel mult egală cu cea specificată în
NML 017-05 „Rezervoare de stocare pentru
lichide”.
Informațiile culese de echipament
Stabilirea coordonatelor fiecărui punct
reprezentativ se face prin cunoașterea
următorilor parametri ai fiecărui tren de
rază laser:
- distanța de la emițător la manta (OP);
- unghiul orizontal ();
- unghiul vertical ().
UTILIZAREA ECHIPAMENTULUI TRIMBLE SCANNER LASER 3D – CX CU SERIA MK 20072/2011 ÎN CALIBRAREA REZERVOARELOR VERTICALE DE SECȚIUNE CONSTANTĂ
Orice reproducere, totală sau parțială, a acestei lucrări fără acordul scris al dlui ing. ISTRATE Florin din cadrul INM/LMM/Colectivul Debite-Volume, este strict interzisă și se pedepsește conform Legii drepturilor de autor.
pag. 4 din 8
Punând condițiile ca: punctul ”O” să fie co-planar cu
punctul de referință inferior al rezervorului, ”” să fie
unghiul dintre două raze laser consecutive situate în același
plan vertical, iar ”” să fie unghiul orizontal - ca derivată a
vitezei unghiulare a lentilei - raportată la timpul de
răspuns, rezultă:
unde:
i – este numărul de secțiuni;
j- este numărul de puncte reprezentative ce
aparțin fiecărei secțiuni.
La stabilirea coordonatelor fiecărui punct
interpolat sunt utilizați anumiți algoritmi de
calcul (ex. metoda lui Newton).
Punând condițiile ca: punctul ”1” - să fie punct
reprezentativ al funcției, - să fie pasul de
interpolare și tangenta la graficul funcției în
punctul ”1” să taie axa OX în x2 - generează
punctul ”2” rezultând astfel expresia iterativă:
Având în vedere că, în general, rezultatul unei măsurări este exprimat printr-o valoare unică măsurată a mărimii și
o incertitudine de măsurare, este necesar să se cunoască următoarele informații asociate fiecărui punct:
- valoarea unică măsurată pentru fiecare coordonată carteziană;
- incertitudinea de măsurare a fiecărei coordonate.
Odată ce sunt stabilite coordonatele carteziene și incertitudinea tuturor punctelor, operatorul poate utiliza aceste informații
în calculul capacitaților de stocare ale rezervorului.
Referitor la stabilirea incertitudinii, aceasta se poate face ținând seama cel puțin de:
– incertitudinea de măsurare a distanței;
– incertitudinea de măsurare a unghiului orizontal;
– incertitudinea de măsurare a unghiului vertical;
– incertitudinea algoritmului de interpolare a punctelor nereprezentative.
Nota 2: În cazul în care calculul nu include puncte interpolate atunci = 0.
UTILIZAREA ECHIPAMENTULUI TRIMBLE SCANNER LASER 3D – CX CU SERIA MK 20072/2011 ÎN CALIBRAREA REZERVOARELOR VERTICALE DE SECȚIUNE CONSTANTĂ
Orice reproducere, totală sau parțială, a acestei lucrări fără acordul scris al dlui ing. ISTRATE Florin din cadrul INM/LMM/Colectivul Debite-Volume, este strict interzisă și se pedepsește conform Legii drepturilor de autor.
pag. 5 din 8
Softul utilizat în prelucrarea informațiilor
Fără a avea acces la ”cod-incul” aplicațiilor ce formează softul ”Trimble 3D – Extractor” (acesta fiind proprietatea
Trimble), vom compara rezultatele furnizate de Trimble cu o metodă consacrată, folosind coordonatele punctelor ce aparțin
unor secțiuni selectate aleatoriu.
Metoda discretizării presupune împărțirea volumului delimitat de coordonatele acestor puncte, în elemente finite de
o anumită formă (ex. forma unui cub cu latura de 1 mm).
Simplificând și aducând demonstrația noastră în plan, suprafața (mărginită de punctele ce sunt rezultatul
intersecției dintre un plan de nivel și suprafața laterală a rezervorului) este discretizată în elemente finite de forma unui
pătrat (tipul elementului finit cuadratic) având latura egală cu 1 mm.
Definind un sistem de coordonate carteziene, și ținând seama atât de coordonatele fiecărui punct cât și de condiția
ca latura elementului finit să fie egală cu 1 mm, vom putea stabili așa cum face și una dintre aplicațiile softului ”Trimble
3D – Extractor” urmatoarele caracteristici ale suprafeței:
- numărul de puncte;
- dacă polilinia este închisă sau deschisă;
- lungimea poliliniei/perimetrul suprafeței;
- aria suprafaței - delimitată de numărul de puncte. În tabelul nr.1 sunt trecute, pentru un număr de 11 secțiuni, caracteristicile mai sus amintite:
Tabelul nr.1 numărul
secțiunii modul de calcul
numărul
de puncte tipul polilinie
perimetrul
[m]
aria
[m2] detalii
1031
Trimble 3D – Extractor 176 inchisă 4,555486 0,356043 Anexa 1
Orice reproducere, totală sau parțială, a acestei lucrări fără acordul scris al dlui ing. ISTRATE Florin din cadrul INM/LMM/Colectivul Debite-Volume, este strict interzisă și se pedepsește conform Legii drepturilor de autor.
pag. 6 din 8
2120
Trimble 3D – Extractor 811 inchisă 15,671299 19,490921 Anexa 31
Orice reproducere, totală sau parțială, a acestei lucrări fără acordul scris al dlui ing. ISTRATE Florin din cadrul INM/LMM/Colectivul Debite-Volume, este strict interzisă și se pedepsește conform Legii drepturilor de autor.
Orice reproducere, totală sau parțială, a acestei lucrări fără acordul scris al dlui ing. ISTRATE Florin din cadrul INM/LMM/Colectivul Debite-Volume, este strict interzisă și se pedepsește conform Legii drepturilor de autor.
pag. 8 din 8
Nota 5: În practică, o eroare de citire a înălțimii cu 1 – 2 mm, la un rezervor cilindric orizontal cu diametrul de cca. 3
m, se poate întâlni într-un procent de maxim (10-20)% din înregistrări, cu condiția ca ea să se repete consecutiv de cel
puțin două ori.
Nota 6: Acest tip de eroare, pe baza informațiilor privind punctele din vecinătatea ”punctului de salt”, poate fi
corectată cu ajutorul unor diagrame și a unor algoritmi de calcul.
Din această analiză au fost excluse înregistrările pentru intervalul de înalțime (+0,091 ... +0,097)mm întrucât, în acest caz
se poate discuta de o eroare grosolană de înregistrare/scriere. Având în vedere toate valorile înregistrate, pentru cele două
metode, la scriere în loc de 90,7 mm sau 9,07 cm a fost scris 9,7 cm (anexa 36).
Nota 7: La măsurarea plinului (metoda volumetrică), un verificator poate citi indicația pe panglica ruletei cu o precizie
de maxim 0,3 mm față de capetele intervalului, adică:
- intervalul I [0 ... 0,3(3)], deci (0 ...0,3) mm;
- intervalul II [0,3(3) ... 0,6(6) ], deci (0,3 ...0,7) mm;
- intervalul III [0,6(6) ... 1], deci (0,7 ... 1) mm.
Concluzii
Ținându-se cont de toate cele prezentate în această lucrare, putem concluziona următoarele:
- echipamentul TRIMBLE Scanner Laser 3D – CX cu seria MK20072/2011 poate furniza față de
metoda mixtă și metoda geometrică, date primare mult mai precise (de ordinul m pentru lungime
și mm2 pentru arie) într-un timp foarte scurt;
- odată asigurată trasabilitatea echipamentului TRIMBLE Scanner Laser 3D – CX, datele parțiale
furnizate de aplicațiile softului ”Trimble 3D – Extractor” pot fi utilizate la calibrarea rezervoarelor;
- utilizarea softului ”Trimble 3D – Extractor” ca furnizor de rezultate finale presupune validarea
întregului soft, adică a tuturor funcțiilor oferite de acesta prin diverse setări.
