3D雷达扫描技术在粮油行业料位监控中的应用研究

张福钊，李 成，于海华，高志航，马天红，田肖平

无锡中粮工程科技有限公司 (无锡 214035)

物位是指贮存在容器或工业生产设备里的液体、粉粒状固体、气体之间的分界面位置，而物位测量是生产中的重要一环，为生产过程的正常运行提供可靠的依据，如确定满仓、空仓，掌握物料消耗量、调节物料平衡等。物位的测量通常利用物位计完成。物位计根据具体用途分为液位、料位和界位传感器。在粮食仓储加工过程中，会有很多的仓用来储存各种物料，有原料、成品、半成品、副产品等，本文主要讨论粮油行业粉粒装固体物料的料位测量技术。

1 料位检测现状及需求

为了解决仓内料位测量问题，许多厂家都开发了各自的产品，市场上出现了很多不同样式的料位器，目前常见的料位器主要由两种类型的，一种是开关式料位，该种料位被安装在指定位置后，当料面接触到料位即发出不同信号，只能用来判定仓内是否有料，如阻旋式、音叉式、电容式、重锤式、射频导纳等；一种是连续型料位，通过定时测量或者根据需要测量，可以比较精确的测定料面的高度，如超声波、雷达等。以上两种形式的料位都属于单点式的料位，只能测定一个点或者一个很小范围内的料位情况，由于物料的工艺特性，单点料位不能代表整个仓的料位情况。

随着企业生产管理水平及生产自动化程度的提高，需要更多的数据为生产与管理提供依据，对真实仓容的数据需求越来越高，而料仓较高，仓内粉尘较大，料面情况复杂等因素为仓容测量带来了很大的难度，因此很多企业对于能够实时准确测量实际仓容的产品翘首以待。

2 3D雷达扫描技术的应用研究

结合3D扫描技术的发展，如果能给仓内的粮食做一个3D扫描是否能测算出粮食的真实体积，为此我们经过多方寻找，在市场上找到了一款俄罗斯生产的3D雷达物位扫描仪，3D雷达物位扫描仪采用多点扫描技术，通过发送和接受电磁波的过程可以对仓内物料表面进行扫描从而形成图像，更加直观反映出仓内物料的真实情况，让用户更加方便的了解和控制进出料过程。其最大特点之一便是可以测出物料的体积。该产品自引入国内已在水泥、电力、化工、钢铁、粮油等多个行业进行了应用，使用效果很好。

2.1 工作原理

3D雷达物位扫描仪通过内置天线发射连续电磁波，对料面进行连续扫描，并接收仓内物料反射回来的电磁波，经过传感器采集反馈的数据信息，通过系统数据分析以三维成像方式呈现仓内物料的实际分布情况。

2.2 产品特点

2.2.1多点扫描、精度高

普通的单点雷达或者激光不仅测量点位少，而且存在波束触及到仓壁或者其它障碍物时，不能够自动判断接收器接受的信号的来源，因此造成测量结果不准确。

3D雷达物位扫描仪内置5个天线，其工作原理类似于GPRS导航系统。采用多点扫描的方式，发射阵列传输的调频连续波，测量面积更加广阔，可形成上千个网格点，不仅可以覆盖整个料位的表面，而且其中的采样点也包括仓壁及障碍物的点，为了得到精确的测量，这时候它的独特的发射接收系统发挥重要作用，5个天线分别发送电磁波，对采集的数据以及回波的方向的进行存储和判断，最后5个天线同时发送电磁波，然后对采集的数据以及前几次保存的数据进行计算，该系统可以自动判断接受信号的方向，对所有接收信号进行过滤，得到准确的物位信号，因此测量更加准确，测量精度可小于3 mm。

2.2.2高浓度粉尘穿透能力强，20区粉尘防爆

3D雷达物位扫描仪采用全球先进的太赫兹技术，具有极强的穿透性、高分辨性、成像清晰、定向性好、很高的信噪比。140 GHz频率发射电磁波，信号衰减小，解决了对于高粉尘料仓难以测量的难题。采取的调频连续波技术，微波连续发射，采用四线制发射，功率强大，信号损减小，所以对于高浓度的粉尘有很好的穿透能力。该产品具有爆炸性环境防爆合格证，可适用于20区的粉尘爆炸危险区域内。

如图3，直线y=-(3/4)x+6与坐标轴分别相交于A、B两点。其中P、Q为动点从O点出发，共同抵达A点，并停止运动。点Q沿线段OA移动，速度为每秒1单位长度，P沿O-B-A线路移动其速度与Q相同。求（1），点A与B的坐标，（2）若Q运行时间为t，OPQ面积为S，求S与t之间的函数关系式及t的范围。（3）在S=（48/5）时，求P点坐标，并直接写出以点OPQ为顶点的平行四边形的第四个顶点M的坐标。

2.2.3先进的三维成像技术

采用高分辨率、非接触、无破损、数据获取速度快等优点的三维立体成像技术，5个发射器发射电磁波对物料表面多点扫描后形成三维图像，可准确直观的反映物料的情况，使用户随时了解仓内的实际情况。

2.2.4远程控制和服务

3D雷达物位扫描仪可通过limacopc 和multibeamradar 软件程序进行远程监控、调试，如果现场设备出现故障，可以远程帮助用户及时解决问题，降低风险，提高维护效率。

2.3 应用研究

随着国家大力推进粮食科技创新，粮食仓储、物流及加工业智能化水平不断提高，尤其对于大部分粮食物流及加工企业的仓容监控仍有较大提升空间，3D雷达物位扫描仪可为粮食企业解决不少难题，有较大的应用空间。

2.3.1指导进出料作业

(1)进仓作业

粮食进仓要在设计允许范围内尽量的提高装满系数，增加仓容利用率，而实际使用过程中，受进料口位置、料位器安装位置、物料特性(尤其面粉、粕类、稻壳等容重小，介电常数低的物料)、粉尘浓度等影响，常见料位器经常出现误报警、信号不稳定等状况，造成料仓装满系数低、满仓堵料等现象，3D雷达物位扫描仪凭借其自身特点可有效避免上述状况的发生，保证料仓装满系数和设备安全。

(2)出仓作业

受仓底形式、物料特性、含杂量等影响，物料溜动过程中会出现滞溜现象，往往一边出完了，其他地方还有很多残存，可以仪表已经显示为空仓。另外还有挂壁、搭桥等更为严重现象发生，如果不能准确得知仓内实际情况，往往会让生产人员做出错误的判断，比如去清仓或者二次进料，则会造成物料交叉污染或着发生安全事故等严重后果，然而通过3D雷达物位扫描仪可以对仓内剩余物料进行扫描成像，通过电脑直观的反映出来，让用户一目了然，从而避免事故发生。

2.3.2提供生产计量

3D雷达物位扫描仪可随时监控仓内物料体积变化，而且具有较高的精确度，可起到一个计量称的作用，可时刻显示物料消耗或者产品增加量，为生产过程提供实时的数据支持，指导生产操作，为企业增加效益。另外对仓内物料的散装发放，可为发放过程提供数据参考，显示发放产量，防止超载扒料现象的发生，还可作为结算的复核依据。

2.3.3辅助仓容管理

3D雷达物位扫描仪可实时的将仓内物料状况传输到企业或者政府的仓容管理系统中，使企业或者政府随着掌握仓内物料实际情况，可起到一个监视器的作用，如果出现跑料、违规进出等情况可第一时间通知相关人员，保证物料的存储安全。

3 结语

3D雷达物位扫描仪已经在众多行业有了广泛的应用，通过实践证明，它能准确、真实、实时、立体的呈现物料在仓内的变化情况，运行稳定可靠，得到用户的好评。而且不受物料性质、仓型、环境的影响，尤其适用于极度恶劣的高粉尘贮存环境的料位测量，具有较高的社会效益与经济效益，能切实满足粮油行业的应用需求。