實時混藥式變量噴霧混合比控制試驗

蔣廷松 張文昭,2

（1 湖南科技學院 電子工程系，湖南 永州 425100；2 “南方農業機械與裝備關鍵技術”省部共建教育部重點實驗室/華南農業大學，廣州 510642）

0 引 言

作物的病蟲害有效、及時防治是實現農業高產、穩產、確保農業可持續發展的根本保證，采取科學施藥技術是保護環境和發展可持續農業的重要保證。我國植保機械和施藥技術落后，妨礙農作物病蟲草害的有效防治，并帶來農藥有效利用率低、農產品中農藥殘留超標、環境污染、作物藥害和操作者中毒等不利影響[1-3]。因此，提高植保機械設備的性能、改進噴霧技術，有利于提高農藥有效利用率、減少農藥用量、減小環境污染、治理農業生態環境，以實現提高作物產量與質量的目的。

過去的一些文獻對預混藥式施藥技術進行了研究，該方法是通過改變噴霧量實現變量噴霧，未依據作物的實際情況改變噴霧濃度[4-6]。另有資料顯示其采用混藥式噴霧，但其噴霧藥液濃度仍然是恒定的[7-8]。針對上述噴霧特征，文獻[1,9]提出一種新的變量噴霧模式：藥水獨立存放、實時變量配藥的技術，以確保管道恒壓、噴頭恒流、作物恒定噴霧量的最佳噴霧效果；該方法可根據不同時空地塊對藥液濃度的需求進行實時改變藥液濃度，即根據噴霧變量處理方圖在病蟲草害嚴重的地方加大噴霧藥液濃度，在病蟲草害輕的地方減小藥液濃度。并研究了變量噴霧的有關技術，設計了混藥裝置、流量檢測裝置與流量控制裝置等，本論文依托3WY-A3型手推式噴霧機進行噴霧實時混藥控制試驗。

1 裝置與材料

實驗所用的裝置和材料主要有: 3WY-A3型手推式噴霧機、混藥裝置、流量檢測裝置、汽車電控噴嘴、控制電路等。3WY-A3型手推式噴霧機由梅州市風華噴霧噴灌機械設備有限公司產生，流量為 17 L/min～25 L/min，射程 10m～12m，工作壓力為1.5MPa～3.0MPa，水箱容量為150L。水流量檢測傳感器采用瑞士生產的轉輪式流量傳感器，其型號為FHKU G1/2’，規格為10mm。其它裝置為自行設計和制造，關鍵部件簡要介紹如下。

1.1 混藥式噴霧裝置

噴霧裝置如圖1所示，主要包括水箱、水流量計、藥箱、電控噴嘴、藥流量計、混合室、柱塞泵、回流管、開關電磁閥、噴頭等，其中水箱、柱塞泵和噴頭為 3WY-A3型噴霧機裝置，其它部件是專門為本試驗設計制作?；煅b置基本工作原理有關文獻[14,15]已經介紹，所不同的是流量計的規格專門為本試驗設計、藥流量控制閥采用汽車電控噴嘴；另外，增加回流管，而回流管所接的位置是由柱塞泵的回流嘴到泵的入水管，這樣可以確保柱塞泵的回流藥液不回到水箱，同時確保混合液的濃度不受到影響。

圖1 混藥式噴霧裝置

1.2 流量檢測裝置

變量噴霧的關鍵技術之一是準確檢測水與藥的流量，以保證水藥比例準確與穩定。噴霧機的流量為 17 L/min ～25 L/min，當藥水比例為1:1000 ～ 1:2500之間時，那么要求藥的流量在 0.1 mL/s ～ 0.4 mL/s范圍內。

1.2.1 水流量檢測

水流量檢測采用瑞士生產的轉輪式流量傳感器 FHKU G1/2’ 10.00 mm，該傳感器出產時已經標定好，65 Pulses/litre，可以直接使用。該流量傳感器輸出的是數字脈沖，可以直接用單片機檢測脈沖計算水流量。這種流量傳感器的量程范圍是3.0 L/min ～ 26.7 L/min，能較好地滿足3WY- A3噴霧機流量檢測的要求。

1.2.2 藥流量檢測

藥流量計采用差壓式液體流量計[15]，如圖 2所示，流量計的取壓管與喉管的內徑為1.4 mm，兩取壓管的距離為70.0 mm，儀表放大器的放大倍數為400倍，流量計量程為0.1 mL/s～1.0 mL/s?？梢詽M足在線混藥流量檢測的要求。

圖2 差壓流量計的結構

1.3 藥流量控制裝置

藥流量控制裝置是藥流量準確程度的又一關鍵之處，藥流量在0.1 mL/s～0.4 mL/s之間，要求控制器對微小流量能穩定、準確、快速地進行控制，這里選取汽車電控噴嘴作為流量控制閥，文獻[14]對該控制閥進行了性能檢測，當水壓為2.4 m水位時，控制流量的范圍為0～0.9 mL/s，滿足藥流量控制的要求。其標定曲線如圖3所示, 電控噴嘴所輸出的流量與其通電占空比成正比，標定結果如等式(1)所示。

圖3 電控噴嘴標定曲線

1.4 控制電路設計

如圖4所示，控制電路由 CPU、差壓傳感器、放大電路、轉輪式流量計、鍵盤、顯示、驅動、電控噴嘴和RS232等電路組成。美國Honeywell公司產生的26PCB6D差壓傳感器與圖2配合構成流量傳感器，所輸出的信號經放大電路后送給CPU進行AD轉換。CPU采用STC12C5410AD芯片，該芯片具有28個引腳、8路10bits ADC和兩個16bits定時器，可以滿足藥流量檢測AD轉換、水流量檢測脈沖計數、驅動控制以及鍵盤顯示等功能。

圖4 流量控制板方框圖

2 試驗與分析

依據前面所介紹的裝置，3WY-A3噴霧機用作動力源，差壓式流量計用于檢測藥流量，電控噴嘴用于控制藥流量，轉輪式流量傳感器（型號：FHKU G1/2’）用于檢測水流量，在實驗室環境下以 0.1%的茜素紅試劑溶液代替農藥進行了混藥試驗。

經測試，水流量為284mL/s～292mL/s，水藥混合比設置在 500～2500之間，即目標藥流量（藥流量計算值）為0.12mL/s～0.58mL/s，藥流量實時檢測結果如表1所示。

從測試數據來看，實際藥流量圍繞目標值隨機跳動，跳動的幅度隨流量增大而增大，波動幅度為±20%。分析藥液流量波動的原因主要有以下三個方面，1）水流量是實時變化的，轉輪流量傳感器檢測到的水流量值不穩定，導致目標流量不穩定；2）水泵對差壓式流量計兩端的壓力差產生的沖擊力；3）電控噴嘴是用PWM控制，控制頻率為10Hz，開關過程產生的藥液脈動影響差壓流量計的檢測結果。其中最主要的影響是電控噴嘴開關動作產生藥液脈動，脈動頻率為 10Hz。通過修改控制電路程序，采集流量按脈動頻率的節拍進行，控制電路檢測到藥流量數據跳動幅度減小，實測流量在目標流量附近波動，波動幅度為±5%。

表1 藥流量控制結果

3 結 論

本論文依托 3WY-A3型手推式噴霧機完成了變量噴霧混藥控制試驗，水流量檢測采用FHKU G1/2’型轉輪式流量傳感器，藥流量檢測采用差壓式流量計，藥流量控制采用電控噴嘴。由于受柱塞泵沖擊和電控噴嘴開關動作的干擾，藥流量是一個脈動量，對藥流量檢測精度提高帶來一些困難，藥流量檢測數據產生波動。通過對程序的優化，藥流量采集按脈動的節拍進行，可以減小藥流量值的波動幅度，藥流量誤差在±5%以下。

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