摘要：粮食安全包括数量安全和质量安全, 储量数量检测是粮食库存检查的一项重要内容，现有的粮仓储粮数量检测方法主要包括称重法和测量计算法,称重法是指用符合法定计量标准的衡器称量粮食重量的检查方法, 其优点是测量结果能够准确反映被查粮食的实际数量, 但是在大规模的清仓查库中效率低、工作量大、成本高。测量计算法是通过测量计算粮堆的体积和平均密度计算粮仓中粮食数量的检测方法, 实用中存在检测误差大等问题。本文分析了基于压力传感器的粮仓储粮数量在线检测方法。
关键词：压力传感器；粮仓储粮数量；在线检测方法；
粮仓储粮数量在线检测是国家粮食数量安全的重要保障技术，是粮食库存检查的一项重要内容。现有的粮仓储粮数量检测方法主要包括称重法和测量计算法，称重法效率低、工作量大、成本高，难以广泛应用，而测量计算法具有较大的不确定性，因此开发方便、快捷、准确地在线及网络化国家粮食储藏数量监测技术势在必行。
一、概述
由于粮堆粮食分布密度的不均匀性和粮堆的有限流动性，势必导致粮堆底面压力的分布不均匀性和受侧面摩擦力影响的显著性，同时，粮堆的有限流动性也将影响粮堆与各压力传感器接触的一致性。这些特性将显著影响粮堆各压力传感器输出的一致性。由于此区域靠墙，墙的摩擦力影响大，造成传感器压强测量值与粮堆质量具有明显的非线性关系，具体表现在随着粮堆质量增加，传感器压强测量值的增加量有所减少; 靠进粮口，进粮的冲击作用对压力传感器与粮食的接触应力影响大，造成传感器压强测量值的波动大; 在400～500t之间，进粮间隔1 周，进粮冲击作用有所缓解，造成传感器压强测量值有所减少。由于此区域离墙有一定距离，受墙摩擦力的影响相对变小，传感器压强测量值与粮堆质量关系的线性程度有所提高，但靠进粮口，进粮的冲击作用对压力传感器影响大，传感器压强测量值的变化波动仍较大。区域远离进粮口，离墙有一定距离，传感器压强测量值与粮堆质量关系的线性程度明显提高，压强测量值变化平稳。由于粮堆粮食分布密度的不均匀性和粮堆的有限流动性，导致粮堆侧面压力传感器压强测量值具有明显的随机性。随着粮堆高度的增加，侧面压强和摩擦力将显著增大，对底面压强的影响也显著增大。因此在粮堆高度达到一定值时，在粮堆质量预测时应考虑粮仓侧面墙的摩擦力。
二、压力传感器的粮仓储粮数量在线检测方法
1.粮仓储粮数量检测模型建模
（1）粮仓压力传感器布置模型。对于给定的粮仓、粮食种类和粮仓底面一个给定点, 该点压强不仅存在随机性, 其大小还与其邻近侧面墙距离、粮仓单位长度侧面摩擦力有关, 而粮仓单位长度侧面摩擦力的大小取决于其与邻近侧面墙距离。因此,根据给定点的邻近粮仓侧面墙形状和距离, 选择距离为、邻近粮仓侧面墙形状相近的多个底面点, 则这些点压强受侧面摩擦力影响程度与点基本相同, 这些点之间压强值的差别将直接反映点的压强随机性程度。 利用这些点的均值来计算给定点的压强, 将会有效消除给定点的压强随机性。基于这种思路, 压力传感器沿侧面墙(尽可能远离粮仓转角处) 且与墙距离 相等布置, 不同仓型可采用类似的方式布置，侧面压力传感器输出值的总和本身就可以消除侧面压强值的随机性，为了在保证随机性消除和单位长度侧面摩擦力估计效果的同时, 尽可能降低检测系统的成本, 所有压力传感器行间距 相同,列间距不小于1 米, 底部压力传感器距底面的顶部压力传感器距粮堆顶部应大于1 米。
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（2）检测模型对于给定的粮仓压力传感器布置、粮堆侧面与粮食的平均摩擦系数以及压力传感器, 假设粮仓储粮数量, 相应粮仓的高度, 由于粮仓侧面摩擦力与侧面平均压强和粮堆侧面面积的乘积有关, 而侧面平均压强和粮堆侧面面积均，对于装粮高度小于10 米的粮仓, 粮仓储粮数量检测模型通过引入 避免了粮堆侧面压强检测, 显著减少了所需压力传感器的个数, 有效降低了检测系统的成本。模型通过引入粮仓底面压力传感器输出均值以消除粮仓底面压力传感器压强测量值的随机性，通过引入侧面压力传感器输出值总和，不仅实现了粮仓侧面摩擦力作用的补偿，也有助于消除粮堆侧面压力传感器压强测量值的随机性。
2.在不考虑粮堆的侧壁摩擦效应，并将粮堆视为均匀连续介质条件下，则底面压强的理想。由于粮仓侧面摩擦力的存在，将会在一定程度上使底面压力传感器的输出均值小于底面压强的理想值。显然，则各传感器受侧面摩擦力的影响程度基本相同，对于给定的侧面压力传感器行间距和给定的粮食种类和粮仓，单位长度侧面摩擦力仅与侧面压力传感器输出值总和有关。实际粮仓试验表明，底面压强的理想值与底面压力传感器的输出均值之差和侧面压力传感器输出值总和，显然，两者具有很强的线性关系。对于给定的侧面压力传感器行间距和给定的粮食种类和粮仓，在粮仓粮堆顶面整仓摊平的情况下，粮仓底面压强的估计值为底面压力传感器输出均值与粮堆底面压强的关系项; 粮仓侧面摩擦力作用的补偿项; 由摩擦力作用的补偿、底面压力传感器受力面高于粮仓底面等因素组成的常数项。系数可通过检测系统标定获得。模型给出了粮仓底面压力传感器布置模型，直接引入粮仓底面压力传感器输出均值和侧面压力传感器输出值总和，并通过系统标定避免了侧面摩擦系数等参数的检测，适合现有各种粮仓型式和粮食种类的粮仓粮堆质量的在线检测，具有很强的通用性。
3.标定数据采集。对于所选定的标定粮仓, 分批逐步进粮并摊平,则可获得若干组粮仓进粮重量、底面压力传感器输出均值的实验数据, 由这些数据构成式模型建模的样本数据.由于粮仓储量重量一般为数千吨, 装粮方式通常采用沿着粮仓长方形底面的长边, 从粮仓一端开始, 装至预定高度并逐步后退。因此如果直接采用分批进粮并摊平, 势必造成每批进粮的称重与摊平工作量巨大, 并且难以采用机械化进粮设备。针对这种情况, 本文提出了一种快速检测系统标定方法, 具体方法如下:在标定粮仓的一端按照压力传感器布置模型布置传感器, 并利用沙袋建立标定进粮区, 其中, 沙袋与压力传感器的间距为3 米左右, 以减少沙袋墙的不稳定性对标定进粮区压强分布的影响，对标定进粮区逐步进粮, 每批进粮0.5 米后摊平, 记录进粮重量和粮仓底面压力传感器输出值, 并根据标定进粮区面积与粮仓总面积的比值, 计算相应高度的整个粮仓进粮重量。这样可获得实验数据。然后按正常方式装粮, 待完成后, 记录粮仓进粮总重量和粮仓底面压力传感器输出值, 由于粮食在国家安全中的重要地位，要求粮堆数量在线检测准确、快速和可靠。一般要求检测误差小于3%，连续监测时间大于3 年。同时由于粮食数量巨大，价格低，要求粮堆数量在线检测设备成本低、安装维护简便、操作方便。
由于粮堆粮食分布密度的不均匀性、粮堆的有限流动性以及粮仓进粮冲击作用等因素的影响，导致粮堆底面与侧面压力分布不均匀性和随机性，如何克服这种随机性是粮仓储量数量在线检测的关键问题。针对这个问题，研究了基于一定分布的粮仓底面和侧面压力传感器的粮仓储量数量在线检测方法，可以满足国家粮食检测的要求。
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论文作者:刘勇
论文发表刊物:《基层建设》2017年第32期
论文发表时间:2018/1/24
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