猪场贮料塔固态饲料料位测量技术的现状与发展趋势*

张 军 ， 周华茂 ， 饶洪辉 ， 刘仁鑫 ， 熊成新 ， 赖营鑫

（1.江西农业大学工学院，江西 南昌 330045；2.江西省畜牧设施技术开发工程研究中心，江西 南昌 330045）

0 引言

料塔作为养猪场储存干燥的粉状或颗粒状配合饲料的临时储物容器，常与自动化料线系统配套使用，合理选择料塔可以提高劳动效率。在生猪养殖过程中，饲料的供给是否及时和充足影响着猪只的繁殖速率与生猪质量，而传统的料塔饲料余量的检测方法大多采用人工查看法或经验判定法，这对猪场工人要求很高，且无法准确判断出料塔饲料余量。传统料塔料位检查过程包括4个环节，分别是肉眼查看、核实、记录纸档和报告给上级部门，而采用肉眼查看无法做到余量信息的精确统计，更达不到精细化管理工作的要求。在纸档记录过程中，因为记录料位数据任务烦琐，管理人员有可能会出现工作失误而造成纸档记录的内容错误，且还必须再报告给上级部门，会造成数据更新大受影响。同时，人工查看和记录过程需要多人参与，会提高劳动成本[1]。因此，料位测量的精准性显得尤其重要，它能减少劳动力的投入，降低生产成本，促进生猪养殖业高效快速发展。

近年来，随着工业智能化生产程度的日益增强，越来越多的工业新装备、新技术被养殖业采用。其中传感器技术已成为农业信息收集与处理的有效辅助技术，是保障未来智能养猪产业蓬勃发展的重要基石[2]。伴随传感器技术的发展和生猪饲养范围的扩大，大量传感器已被用作贮料塔料位测量设备。本研究将介绍养猪场常用的几种贮料塔固态饲料料位测量料位计，并通过分析比较这几种料位计的测量原理，得出各种料位计测量的优缺点；在此基础上，对生猪厂料塔内固态饲料料位测量技术发展作出预测，指出贮料塔固态饲料料位测量技术的发展特点和趋势。

1 料位测量技术的现状

当今时代，以数字化技术为代表的高新技术发展迅速，自动化技术、信息技术和网络技术的结合与应用，造就了很多现代化产业的诞生，并给传统产业带来了新活力。但在测量技术领域，尤其在固态料料位测量方面，进展不太大。与液体液位测量相比，固体料位测量起步晚，受测量装置成本高、测量技术难度大、测量物料本身性能的影响，其应用仍然受到很多限制，甚至在许多生产领域，不仅对固态料位测量精度要求高，而且还需要满足测量现场的特殊需求。近年来，随着电子测量技术和传感器技术的发展，在料位测量方面出现了一些新技术，提高了固体料位测量的水平。根据与被测物的接触情况，固体料位测量可分为接触式测量和非接触式测量两种方式，目前已经在猪场应用的固态饲料料位测量的料位计主要有以下几种。

1.1 阻旋式料位计

阻旋式料位计是采用机电位控原理进行测量的，通过接触固态饲料获取料位高度信息。其测量料位的原理是使用交流微电机作为动力元件，按一定的旋转速度带动检测叶片运动。当饲料料位高度未达到检测叶片高度时，叶片保持匀速转动。当叶片接触到一定的饲料时，由于叶片插入了饲料内，叶片的转动会被阻碍，使得检测机构主轴产生旋转位移；这个位移最初会触发一个微动开关，发出有料的信号；接着另一个微动开关打开，使得电机的电源断开并停止转动；当固态饲料的料位下降到一定高度时，检测叶片不再接触到饲料，此时检测机构便会依靠弹簧的拉力回到初始状态并正常转动。阻旋式料位计的结构简单，购买价格低，工作稳定且具有良好的防尘性能。因为阻旋式料位计内部的电子元件不复杂、放大电路部分简单，所以其不受电磁波干扰，而且输出轴拥有过载保护机制，电机不容易损坏。但在实际生产中，由于在加料过程中会发生震动或者摇摆，阻旋式料位计的长轴会发生偏移或弯曲，且铸造车间工况复杂，因而使用寿命较短，且其内部结构稳定性不够高，容易发生串动[3]。而且该料位计由于依靠叶片的转动带动主轴产生旋转位移，容易损坏叶片导致测量精度不高。

1.2 重锤式料位计

重锤式料位计分为传感器和控制器仪表两个部分，其中传感器部分主要由可逆步进电机、行程开关、微动装置、灵敏杠杆、动滑轮、钢丝绳和重锤等构成；控制器仪表主要由控制器、传感器检测部分和显示器组成。料位计一般安装在料仓顶部，而重锤则用钢丝绳悬挂在料仓内，钢丝绳一头和步进电机相连，另一头和重锤相连，控制器仪表内控制器通过控制传感器检测部分对料位进行测量[4]。其工作原理为控制器发出测量信号后，控制步进电机正转，重锤在钢丝绳的引导下从料仓顶部开始匀速直线下降，同时计数单元和测量模块开始工作；当重锤触碰到饲料料面时会受到饲料力的作用，此时钢丝绳会出现松弛引起灵敏杠杆动作并触发微动开关，微动开关将信号传递给控制器，然后控制器发出指令给步进电机控制其反转并提升重锤返回起始位置，电机停止转动，这样就实现了一次测量过程，再随着料位的下降进行一次次的测量。控制器仪表通过对重锤下降和返回过程中计数信号的处理，计算出料仓顶部到饲料料面的距离h1，根据已知的料仓高H，可计算出料位的高度为h=H-h1，通过显示器直接将料位高度h显示出来[5]。重锤式料位计测量的优点是测量为机械式接触测量，简单可靠、所需生产成本低，测量量程大、抗粉尘干扰能力强，而且测量精度较高。缺点是无法实现料位的实时测量，因为重锤在下降和上升过程中需要时间，在这段时间内没有进行测量，所以无法得知准确的料位信息，而且贮料塔在进行加料处理时，也不能进行测量，因为进料会把重锤淹没，容易损坏测量装置。测量装置偏大、拆卸和进行维修比较困难也是一大缺点，且锤头和钢丝绳易被饲料粉料粘裹，受粉料冲刷，造成断绳、掉锤等事故[6]。

1.3 电容式料位计

电容式料位计测量属于接触式测量，采用电磁式方式进行料位测量，它能把测量到的料位高度变化量直接转换成电容的变化量。电容式料位计工作原理是料仓中插入的探头电极与饲料或仓壁之间构成电容器，当料仓内固态饲料料位改变时，电路中探头和固态饲料或者仓壁之间的电容值也会有相应的改变，然后经过调频振荡电路将电容量转换为频率，再经过一定的处理会有对应的电压或电流信号出现，即可得到料位的测量值。电容式料位计的优点是低成本，安装和拆卸简单可方便维修，不会产生机械磨损，根据不同的量程大小和控制方式，电极可设计成不同的形状，适用于各种料仓。缺点是采用电磁式测量，使用一段时间后电极上会带电容易粘附饲料灰尘，可能会导致控制器误动作；同时受仓内温度、湿度和饲料粘连料仓内壁和电极等因素的影响，容易导致电容介电常数发生改变，造成电容式料位计无法长时间稳定地输出料位数值，因此通常只能用作物位开关[7]。

1.4 雷达式料位计

用于测距的雷达系统通常分为脉冲雷达和调频连续波雷达[8]。脉冲雷达技术借助于脉冲压缩技术来提高分辨率，调频连续波雷达技术是使发射电波的频率连续快速地变化，利用瞬时的发射频率与回波频率之差来计算距离，但都是利用电磁波回波测距原理实现料位测量。雷达式料位计主要分为发射和接收设备、天线、控制面板、信号处理器等，发射-反射-接收是雷达式料位计工作的基本原理[9]。其工作原理为由雷达传感器的天线发射束波形的雷达信号，当碰到饲料料面时被反射回来，接收装置接收反射回来的回波信号并将其传输给相应的电子线路，再经过微处理器的信号处理，将正确的回波信号通过软件识别出来，然后利用已知数据进行计算得出料位高度。根据雷达信号从发射到接收的所需时间和雷达传感器到饲料表面的距离以及料位具有线性比例的关系，可得出料位计算公式：h=H-vt/2，式中h为料位、H为料仓高、v为雷达波速度、t为雷达波发射到接收的间隔时间[9]。雷达料位计测量的优点是雷达波具有很强的穿透粉尘能力，因而料仓内的压力、温度、湿度对其测量没有很大的影响，具有安全环保、测量准确、可靠性强且雷达料位计安装简单、使用寿命长等特点，基本不需要维护[10]。雷达料位计准确测量料位的关键是在测量时是否可以得到正确的回波信号。在测量固态饲料料位时，回波的强弱由固态饲料的介电常数和发射角决定，但是固态饲料的介电常数比较低，且雷达式料位计的发射角度是发散的，因此雷达波的能量反射回来过程中也是分散的，回波强度会被减弱，影响料位测量。另外，料塔内弥散的饲料粉尘也会影响电磁波的传播，从而影响测量的精度。

1.5 超声波式料位计

超声波式料位计测量也属于非接触式测量，是利用超声波在空气中高速传播的特点来进行料位测量的。其工作原理是贮料塔顶部安装一个能发出超声波的探头，测量时从超声波探头发出声波信号，通过空气传播到固态饲料的料面并被反射，通过测量超声波从发射到换能器接收所用的时间，再根据空气中的声速，计算出换能器到饲料料面的距离，即可确定料位。利用超声波料位计测量的优点是可以测量各种物料的料位，前提条件是物料界面的声阻抗率有区别，换能器没有可移动的元器件，不会产生磨损，使用寿命长，且测量时反应迅速[11]。然而，超声波属于一种能量波，在传播过程中饲料灰尘会削弱超声波的能量，造成测量数据的不准确，饲料表面的疏松程度也影响了回波的强度，同时由于料仓粉尘大的环境，会污染探头造成其灵敏度下降，影响测量结果。

1.6 称重式料位计

称重式料位计是最新测量固态饲料料位的装置之一，主要利用精度较高的传感器进行测量，能将质量信号转变为可测量的电信号。称重式料位计主要包括料仓、支撑柱、称重传感器、称重控制仪表等几大部分。其工作原理是传感器安装在料仓的几个支撑柱下，通过将料仓整个浮空并置于传感器上，将称重传感器测量的质量信息按一定的函数关系转换为相应的毫伏级电信号，再将电信号传递给称重控制仪表，并在显示屏进行显示[12]。称重式料位计应用于猪场贮料塔固态饲料料位测量，具有以下优点：测量精度非常高，测量方式是非接触测量，测量具有实时性和连续性，测量结果是物料的重量，稳定可靠的信号输出可以很好地配合其他控制设备[13]。缺点是安装不方便，受料仓结构限制，要求料仓独立。另外，电子称重料位计容易受到外界的影响产生误输出。由于重物全压在四个脚的压力传感器上，会造成传感器的测量不准，甚至损坏，提高了料位测量的成本。

2 料位测量技术的发展趋势

随着现代科技的发展，智能化设备慢慢取代劳动力资源，代替人工开展各项复杂工作，其中智能养猪业在我国迅速发展。伴随着智能养猪业的发展，对固态饲料料位测量技术的要求也越来越高，料位测量方法和仪器不断更新和完善，出现了很多新型的料位测量方法，例如：为克服测量粉尘高的问题，采用抛物面天线雷达料位计测量[14]；为解决高粉尘、强干扰、易凝结条件下的肥料料箱料位测量问题，采用以单片机为控制中心的基于应变式传感器的固体物位测量系统[7]；为提高测量数据的准确性，德国乌尔姆大学相关人员设计的一款多极板电容传感器，在线监测螺旋输送机构中的固体流动[15]；等等。但是无论是使用料位计测量技术，还是新型测量技术，都存在测量的不足之处，需要结合实际情况和测量精度选用经济上合理、技术上可行的测量技术。随着新一代人工智能热潮的来临，以大数据为基础的信息技术不断革新，料位测量技术也不断发展进步。猪场贮料塔料位测量技术的发展特点将会是多用途、智能化、数字化和网络化。多用途指的是该测量技术不仅可以用于猪场贮料塔料位测量，还可以用于其他养殖业、工业方面的料位测量，同时能与一些其他的智能设备连接以实现多种功能，例如：测量设备可以和电脑进行连接，将测得的余量数据经过处理后实时显示出来，甚至控制其他设备进行加料处理等。智能化是指利用现代化高新技术，满足人们各种需求的属性；随着人工智能的开发和应用逐渐广泛，智能化成为新时期高科技发展的一个大趋势；智能化养猪也成为时代发展的必然趋势，贮料塔料位测量仪器会逐渐实现智能化，实现自动测量、自动控制、自动加料、自动报警等功能。数字化、网络化与智能化一样，共同作为新时代信息技术的核心，它们的发展密不可分，互相促进，共同推动着国家工业和养殖业的发展。近年来，为满足物位测量更高层次的需求，市场上出现了以下两种新型的物位测量技术。

2.1 图像处理技术

随着大数据、云技术、互联网、物联网等信息技术的发展，以深度神经网络为代表的人工智能技术飞速发展，图像处理作为人工智能的重要部分也得到了巨大的发展。目前，图像处理技术在液位测量领域拥有不少的应用，例如，张云贵等利用双目视觉定位技术对浮选槽内的矿浆液位进行测量，通过图像预处理算法增强激光点在图像中的亮度，利用正常液面与激光点差异极大的灰度值，提取激光产生的特征点区域，进而将得到的三维坐标进行处理转换为液位高度[16]；Cai等采用高分辨率的工业相机观察标尺进行液位信息的收集，通过视觉检测模块采集原始图像，并进行预处理，再通过二次确认识别算法完成对液位的测量，并利用跟踪控制模块实现液位波动跟踪测量[17]；Mauledoux等利用Kinect的3D视觉系统和红色浮球构造系统进行液位的测量，通过识别浮球表面积相对应的像素信息，根据Kinect的深度信息可得出浮球传感器位置，即可计算出液位值[18]。图像是人类获取和交换信息的主要来源，图像处理技术已经应用在人们的生活和工作等方方面面。相信在不久的将来，图像处理技术会越来越成熟，该技术未来可能会应用于固体料料位测量，甚至猪场贮料塔固态饲料料位测量，从而推动料位测量技术不断完善和进步，提高料位测量水平，促进养猪业的发展。

2.2 3D物位计测量技术

新兴行业不断兴起，各种工业化生产不断发展，为解决工业测量领域传统的数据采集的精准性不足的问题，拥有着高精度三维数据采集的3D物位计应运而生。3D物位计作为一种新型的料位监测方式，具有良好的穿透性且能自洁，不再是传统的单点式测量，还能实现对整个料面的料位监测，提高了料位测量的精度[19]，目前主要应用于选煤厂，用来解决煤场的料位监测问题，预防因空仓和满仓可能造成的事故。煤场中3D物位计测量原理是通过3条天线发射低频脉冲波对仓内煤料表面进行扫描，监视每个回波的时间、距离、方向，再通过数字信号处理器对回波信号进行取样和分析，在上位机上显示三维图像，准确直观反映料仓煤料余量的实际情况，实现真正的可视化，避免事故发生，消除安全隐患。由于固态饲料和煤料的料位测量情况类似，且3D物位计既可以测量固体料位，也可以测量体积和质量等物理量，其测量不受物料类型、物料自身的性能、贮料塔材料、有无塔盖以及料仓形状和尺寸的影响。因此，养猪场未来可以采用新型的3D物位计去测量料仓固态饲料的料位，既能实现实时在线可视化监测，也能提高饲料料位测量的准确性。

3 总结

随着我国生猪养殖业的迅猛发展，生猪产量和质量成为人们关注的重点，饲料的供应是否及时和充足极大地影响着生猪的质量，而饲料的供应与料塔内固态饲料余量息息相关，因此固态饲料料位测量显得尤其重要。通过对目前猪场贮料塔料位测量采用的料位计的分析可知，接触式料位计必须接触饲料来实现料位的测量，虽然测量精度较高、工作稳定，但由于这种设备结构比复杂，安装不易，工作时与饲料接触会造成磨损，维护成本较高，不适合长期使用。而非接触式料位计采用远程监测信号来测量料位高度，有效解决了接触磨损和设备短期工作的问题，但非接触式料位计对料仓内料位进行测量时容易受到温度、湿度、压力和粉尘等因素的影响，影响了测量信号的传播，对测量数据的精确性造成很大影响。鉴于目前图像处理技术的不断成熟和3D物位计测量技术的完善，可以预测未来猪场贮料塔固态饲料料位测量技术将朝图像处理技术和新型3D物位计方向发展。随着科学技术的发展，为满足固态饲料现场测量要求，固态饲料料位测量技术也会越来越高超，小型化、集成化、数字化、网络化的料位测量仪器将会不断被设计出来，实现实时、在线、高精度、多用途、智能化的测量，实现饲料的精细化管理，从而促进养殖业的现代化发展。