農藥噴霧作業中在線混藥技術及展望

李 致，宋淑然,2,3,4,5，洪添勝，孫道宗,3,4,5，薛秀云,4,5，代秋芳,4,5

(1.華南農業大學 a.電子工程學院；b.工程學院，廣州 510642；2.國家柑橘產業技術體系機械研究室，廣州 510642；3.廣東省農情信息監測工程技術研究中心，廣州 510642；4.廣東省山地果園機械創新工程技術研究中心，廣州 510642；5.廣州市農情信息獲取與應用重點實驗室，廣州 510642)

農藥噴霧作業中在線混藥技術及展望

李 致1a，宋淑然1a,2,3,4,5，洪添勝1b，2,3,4，孫道宗1a,3,4,5，薛秀云1a,4,5，代秋芳1a,4,5

(1.華南農業大學 a.電子工程學院；b.工程學院，廣州 510642；2.國家柑橘產業技術體系機械研究室，廣州 510642；3.廣東省農情信息監測工程技術研究中心，廣州 510642；4.廣東省山地果園機械創新工程技術研究中心，廣州 510642；5.廣州市農情信息獲取與應用重點實驗室，廣州 510642)

在線混藥是安全、可靠、高效使用農藥和消除農藥殘留對環境污染的有效途徑。為此，回顧和整理了國內外關于在線混藥技術研究的成果與相關文獻，總結了在線混藥技術的研究視角、研究方法和最新進展。總體而言，國外對在線混藥技術的研究較早，主要體現在農藥直接注入系統的應用和成熟的混藥濃度檢測方法等方面；國內對在線混藥技術的研究雖已取得一些成果，但在生產應用中還具有一定的局限性，存在混藥比過大且不穩定、混藥濃度檢測方法不成熟等諸多問題。根據國內外在線混藥技術的發展情況，指出該技術在我國山地果園管道噴霧中的應用存在空白，為在線混藥技術在山地果園管道噴霧的進一步研究提供理論和技術支持。

在線混藥；農藥；管道噴霧；在線檢測

0 引言

目前，我國大部分地區植保機械進行噴藥作業時仍使用傳統的混藥方式—預混式混藥。這種混藥方式混藥時需先由操作人員將農藥和水按一定比例倒入藥箱中，再進行攪拌，使農藥和水充分混合，以供噴霧時使用。該混藥方式存在諸多弊端：①操作人員在配制藥液的過程中可能會接觸農藥，發生農藥中毒；②用于噴霧的柱塞泵和藥液箱直接與農藥接觸，而農藥本身具有腐蝕性，泵和藥箱的材質都必須耐腐蝕，導致生產成本增加；③藥箱中已混好但未用完的農藥造成資源浪費，且藥液處理不好還會污染環境。

預混式混藥方式因其弊端眾多不能滿足農業可持續發展的要求,而在線混藥方式將藥箱和水箱分開，利用噴霧機管道系統內部水流或噴霧機管道外部能源完成農藥和水在線混合,實現農藥的標準化、專業化、精確化施用，且以環保和操縱者安全為核心，符合農業可持續發展的要求。因此，對在線混藥方式進行研究，是安全、可靠、高效使用農藥并消除農藥殘留對環境污染的重要措施，研究并提高在線混藥技術，對農業植保機械及設施的換代升級具有重要意義。

1 國外在線混藥的研究現狀

早在1970年,Amsden通過研究首次提出了農藥在線混合技術[1]，揭開了在線混藥研究的序幕。

1.1 農藥直接注入系統的研究

歐美等發達國家植保機械以中、大型噴霧機為主,大多采用外加能源式的農藥直接注入系統完成在線混藥,這種混藥方式是利用噴霧機管道系統外部能源完成農藥的精確計量及藥、水在管道中的混合。

1991年，壓縮空氣式農藥直接注入系統在Ghate和Phatak的努力下問世，如圖1所示。該混藥裝置由水箱、藥箱、兩個變面積流量計和一個壓縮空氣罐組成。噴霧作業時，操作者根據機械設備的行駛速度分別對藥箱和水箱內的空氣壓力進行調節；在箱內壓縮空氣的作用下，水和藥液分別從箱中流出，變面積流量計用來測量水和農藥的流量，直到滿足濃度要求時停止調壓過程，實現農藥和水在線混合[2]。

20世紀80年代中期，美國研制出的Mid-West Technology CCI-2000型變容積泵直接注入系統具有獨立的藥箱和水箱，該系統的蠕動泵將藥箱內的農藥定量抽取進入主水管道與水箱來的水混合；藥液由噴霧泵輸入噴霧主管，控制閥根據機械設備的行駛速度自動調節施藥劑量，止回閥確保藥液不進入水箱中[3]。

1.調節閥 2.壓力表 3.閥體 4.壓力開關 5.空氣壓縮機 6.止回閥 7.電磁閥 8.過濾器 9.球閥 10.流量計 11.噴頭圖1 壓縮空氣式混藥裝置Fig.1 Mixing device of compressed air type

通過將流量控制技術與農藥直接注入技術相結合，Koo等研制出跟隨噴霧機前進速度快慢實時調節藥液和水流量的農藥直接注入系統，保持了混藥濃度和單位面積上用藥的恒定[4]。

隨著農藥直接注入技術的研究發展，Slaughter等將農藥直接注入系統應用于側向除草劑噴霧機中，并實現了精確對靶施藥的功能[5]。Steward等對Raven SCS-700農藥直接注入系統進行控制子系統數學模型研究，并對流量與閥門的有關參數進行分析，確定了閥門調節的響應性與穩定性，更好地提高了混藥性能與混藥精確性[6]。Gillis等開展基于機器視覺的農藥噴霧機農藥直接注入系統研究，并取得初步研究成果[7]。這些研究成果促進了農藥直接注入技術的發展，同時也推動了在線混藥技術的不斷發展。

1.2 其他在線混藥裝置的研究

Reichard和Ladd研制試驗用的在線混藥噴霧機，只能通過調節計量泵得到合適的農藥量與水混合，并不能根據隨進的速度變化而做出相應調整[8]。

通過對靜態混藥器的研究，以Albert Renken為首的團隊找到了由于混合單元擺放位置周期性變化引起混藥器內部流體流動周期性變化的原因，為促進無序混合的發生提供了條件[9]。為證明靜態混藥器能夠增強傳輸介質性能的功能，Rui Ruivo通過測量不同溫度、壓力等參數下的質量傳遞速率對Kenics靜態混藥器高壓下內部流體特性的影響，得到質量的傳遞率和無量綱參數的函數關系式[10]。Hirschberg等通過改進SMX靜態混藥器，使得流體在混藥器中流動時由于能量損失而引起的壓力下降減少了50%，并利用CFD方法得到改進后混合器的壓力場、停留時間分布以及混合效果等信息[11]。這些研究成果為在線混藥裝置的研究提供了有力的理論依據。

Riffat等通過采用三維不可壓縮模型預測射流混合器的流動性能[12]。Hloben等將射流混藥裝置應用在在線混藥噴霧系統中，并研究結構參數不同的射流混藥器的工作狀態對混藥均勻性的影響[13]；Sarvanan等通過流體動力學分析不同噴嘴直徑、噴射位置等參數對射流混藥器工作性能的影響，得出噴嘴直徑大小對射流混藥器流體動力學性能重要影響的結論[14]。這些理研究結論都將為后續改進射流混藥裝置性能提供理論基礎。

1.3 混藥濃度檢測方面的研究

混藥濃度是在線混藥裝置關鍵的技術指標之一,吸引了國外眾多專家學者對混藥濃度檢測方面進行研究,以更好了解混藥狀況,提高混藥精確性。采用微孔流量計，Miller等測量了一種混藥裝置混藥質量濃度變化情況[15]；但這種方法是通過精確配比得到混藥質量濃度，并沒有給出混藥濃度的測量值。

Zhu等首先在霧場中等間隔放置取樣容器以用來收集霧滴，再通過計量泵控制與水混合的藥液量，最后根據化學計量法得到取樣容器中精確的藥液量[16]；但該方法只能檢測混藥后溶液的質量濃度，并不能實現在線檢測的功能。

最先將體積平均信號處理方法應用在在線混藥濃度檢測中的Hloben研制出了檢測在線混藥過程中平均濃度變化的光纖光度傳感器，并由Vondricka對他研制的光纖光度傳感器結構進行改進，使傳感器嵌入混藥器結構中，實現了在線檢測混藥濃度的功能[17]。通過調整光源到光學測量裝置的距離，Fetisov等設計了一種光路可變式混藥濃度檢測裝置，實現了混藥濃度的檢測[18]。Koller等使用紅外光譜法對農藥顆粒流的混合過程進行檢測，但只給出體積濃度，并不能準確表征混藥濃度[19]。通過這些方式可讓操作者清楚了解混藥濃度是否達到要求，以便做進一步的調整。

2 國內在線混藥的研究現狀

2.1 在線混藥理論及控制系統的研究

在線混藥理論及控制系統的研究在在線混藥研究領域具有重要地位，可以給在線混藥裝置的研究指明正確的方向及提供有力的理論依據。

郭敬坤等通過在農藥中加入示蹤粒子，并利用高速攝像機采集噴霧機農藥與水在線混合后的圖像來對噴霧機農藥與水在線混藥效果進行研究[20]。李晉陽等通過建立流過調節閥的流量與閥前后壓差、流體密度及閥開度這3個變量的關系表達式，設計了利用流量計和調節閥對在線混藥效果進行檢測的在線混藥裝置[21]。這些方法通過對在線混藥效果進行監控，使得操作人員能清楚了解到混藥效果，以便進一步提高混藥性能。

針對3WY-A3手推式噴霧機，張文昭和劉志壯設計了一種實時混藥式變量噴霧控制系統，如圖2所示。同時，利用該系統進行改變混藥比和改變噴霧量的試驗，結果表明：該系統藥流量的控制范圍為0.1～0.9mL/s，控制誤差在±5%左右[22]。

1.水箱 2.水流量計 3.藥箱 4.電控噴嘴 5.藥流量計 6.混合室 7.柱塞泵 8.回流管 9.開關電磁閥 10.噴頭圖2 實時混藥式變量噴霧控制系統Fig.2 Real time mixed drug variable spray control system

對背負式噴霧機農藥藥水在線混合方法研究方面，周鳳芳首先提出了一種適用于背負式噴霧機的在線混合機理，然后建立了非等密度體系下射流混藥裝置基本性能方程，并對其性能影響因素進行分析，得出噴嘴直徑、混合管直徑和噴頭大徑是影響射流混藥裝置基本性能最主要因素的結論[23]。

倪濤提出一種農藥在線混合可變量精確噴霧混藥控制系統的設計方案，并建立以PLC為核心的人機交互在線混藥控制系統，試驗結果表明：系統具有數據采集方便準確和流量控制精準等優點[24]。

通過對植保機械在線混合質量評價體系進行研究，魏仕華等提出混合度的理論與測定方法，同時對植保機械在線混藥用的混藥器和射流混藥系統等進行研究評估，為提高在線混藥裝置混藥性能提供了評價方法[25]。

2.2 射流混藥裝置的研究

射流混藥裝置是一種不需要外部能源，結構緊湊、操作方便、成本低廉的混藥裝置，比較適合我國的國情，因此近年來在我國植保機械在線混藥方面逐漸被使用。這種混藥裝置利用動量交換的能量傳遞方式，通過噴霧機管道系統的水力完成農藥與水的在線混合。

李羊林等通過改變主輔射流嘴出口直徑和嘴管距對雙極射流裝置進行試驗研究，揭示了射流混藥裝置各參數對壓力損失和混藥比的影響[26]，但并未給出雙極射流混藥裝置的合理數學模型。

對射流混藥裝置多年研究的何培杰等設計了一種利用噴霧機管道系統內水力完成水和農藥的在線混合的射流混藥裝置，如圖3所示。但其具有混藥比大且不穩定及不能達到最佳噴霧壓力的缺點[27]。

1.射流嘴 2.吸入室 3.吸藥口 4.混合管進口 5.混合管 6.擴散管圖3 射流混藥裝置Fig.3 Jet mixing apparatus

邱白晶等通過CFD數值模擬方法研究面積比、噴嘴傾角等參數對射流混藥裝置流動性能的影響和面積比對混藥均勻性的影響[28]。周良富等通過CFD數值模擬方法并結合試驗確定了射流混藥裝置最佳面積比和最佳噴管距范圍[29]。歐鳴雄等采用CFD數值分析方法研究射流混藥裝置在變工況下的流場特性，研究結果表明：數值模型可以較準確地預測混藥比隨出口靜壓的變化情況，得到混藥比隨出口靜壓的增大而線性降低的結論[30]。這些研究成果凸顯了CFD數值模擬方法在射流混藥裝置分析與研制中的重要作用，對今后射流混藥裝置研制具有指導意義。

為解決射流混藥裝置存在的混藥比可調范圍窄、控制精度低的問題，實現射流混藥的精確、智能控制，陳志剛等以LabVIEW為開發環境，設計了在線射流混藥控制系統，并通過對在線射流混藥控制系統進行設置，可獲得適合的混藥比值，顯著增加混藥比調節寬度，對提高射流混藥裝置混藥濃度精確性有重要作用[31]。

2.3 其他在線混藥裝置的研究

射流混藥裝置的應用符合我國國情，受到眾多專家學者的關注。與此同時，有關學者也開展了其他形式的在線混藥裝置的研究。

通過對MX靜態混藥器流場進行數值模擬與試驗研究，趙建華等得到對稱面上速度分布情況[32]。張鴻雁等利用大渦模擬研究內置翼片式靜態混藥器混合效果，得到當縱向偏轉角度和翼片間距等參數相同時，長翼片類型的靜態混藥器混合效果好的結論[33]。孟輝波等建立了SK型靜態混藥器內高粘度流體的流動改進模型，得到SK靜態混藥器內高粘度流體徑向流動存在混沌特性的結論[34]。這些研究成果不斷推動著靜態混藥器的發展。

吳萍等設計了正壓式混藥裝置主要由突縮管、擠壓裝置、混合管和擠壓室組成，如圖4所示。工作時，水一路經過突縮管流入混合管，由于突縮管通徑較小，水流速度較快，水流壓力較小；另一路經過分流孔流入擠壓室，對承載農藥的裝置產生一定壓力，擠壓室與混合管之間產生一定的壓力差，使得藥液被吸入混合管與水混合，實現農藥與水的在線混合[35]。

1.吸入室 2.分流孔 3.突縮管 4.吸管 5.混合室 6.擠壓室圖4 正壓式混藥裝置Fig.4 Positive pressure mixing apparatus

以何雄奎教授為首的團隊將直接注入系統與靜態混藥器相結合，并把不同農藥劑型、不同黏度溶液的混合均勻度與傳統混藥裝置進行對比，發現由于流體在流經靜態混藥器時受到其內部扭曲型葉片的作用，產生分流、合流、旋轉能達到較好的混合效果[36]。

楊洲等為提高果園輕型噴霧機作業性能，設計了一種果園在線混藥型靜電噴霧機，通過混藥均勻性和穩定性試驗說明了該裝置具有良好的混藥性能[37]。該研究成果為在線混藥裝置在果園噴霧機上的應用提供了重要的參考。

2.4 混藥濃度檢測方面的研究

混合效果的好壞與混藥濃度的精確性緊密相關，因此對混藥濃度的檢測是很有必要的，可以讓技術人員清晰地了解到混藥裝置的混合效果，便于進一步操作。為解決現有混藥濃度檢測方法的取樣弊端，潘玉凱等采用透射率法來實現對混藥濃度實時檢測，試驗證明，該方法混藥濃度實時檢測可靠，穩定性高[38]。

董曉婭等利用吸光度與吸光物質厚度成正比的朗伯比爾定律設計了混藥濃度在線檢測裝置，并將該裝置用于對3組混藥濃度進行檢測，試驗證明：該裝置可靠，穩定性高[39]。

楊亞飛等根據不同濃度溶液透光率不同的原理設計了一種在線混藥濃度檢測裝置，如圖5所示。同時，進行混藥濃度在線檢測裝置性能試驗，結果表明：該裝置能夠較好地實現混藥濃度在線檢測[40]。

1.柱塞泵 2.混藥器 3線性CCD傳感器 4.檢測流道 5.平行光源 6.藥桶 7.水桶圖5 在線混藥濃度檢測裝置Fig.5 Online drug mixing concentration detection device

3 存在的問題及研究方向

國內在在線混藥領域雖然已經取得了一些不錯的研究成果，但相較于國外的研究水平還存在諸多不足，從文獻中可以看出，國內在在線混藥領域的研究還存在以下問題：①目前國內使用的射流混藥裝置雖然成本低廉，但卻存在混藥比過大且不穩定及壓力損失較大等缺點，不能如國外農藥直接注入系統可以保持農藥用藥量穩定恒定。②國內在線混藥濃度檢測的研究主要集中在最近這5年，各方面的技術還不夠成熟，特別是對混藥濃度檢測精度還需要進一步提高。③國外的農藥直接注入系統和國內的射流混藥裝置等在線混藥裝置主要都是應用在中、大型移動式植保機械設備上的，應用具有局限性。

在山地果園，大型移動式植保機械無法開展噴霧作業，采用管道噴霧可大大提高噴霧效率，由宋淑然等研制的基于自整定模糊PID控制的管道恒壓噴霧控制系統能夠有效解決管道噴霧時壓力不均的問題，逐漸在國內部分地區試點運行，并得到不錯的反響[41]。但是，管道噴霧作業結束時在管道內仍會殘留藥液，目前的一般方法是利用清水對管道進行清洗，這種方法既容易造成農藥浪費，又容易污染環境。因此，在管道上運用在線混藥技術勢在必行，以彌補中、大型植保機械設備無法進入山地進行噴霧作業的弊端。但管道在線混藥技術研究基本是一片空白，因此發展管道在線混藥技術研究對提高我國山地農業發展水平具有重要意義。

4 措施和對策

1)采用CFD數值模擬等方法對射流混藥裝置的流場特性進行研究，并通過試驗找出造成射流混藥裝置混藥比過大且壓損大的原因，通過改進射流混藥裝置內部的結構來提高射流混藥裝置的穩定性。

2)在線混藥濃度檢測方面的研究應多借鑒國外已經成熟的濃度檢測方面的技術，并改進我國現有的混藥濃度檢測方法，提高混藥濃度檢測的精確性。

3)借鑒國內外現有的在線混藥技術手段，并組織專家學者開展管道在線混藥技術的研究，爭取早日實現管道在線混藥，降低勞動強度，提高施藥安全性與精確性。

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Online Drug Mixing Technology and Prospect in Pesticide Spraying

Li Zhi1a, Song Shuran1a,2,3,4,5, Hong Tiansheng1b,2,3,4, Sun Daozong1a,3,4,5,Xue Xiuyun1a,4,5, Dai Qiufang1a,4,5

(1.a.College of Electronic Engineering；b.College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China；2.Division of Citrus Machinery, China Agriculture Research System，Guangzhou 510642,China；3.Guangdong Engineering Research Center for Monitoring Agricultural Information, Guangzhou 510642, China；4.Guangdong Engineering Technology Research Center for Creative Hilly Orchard Machinery，Guangzhou 510642, China；5.Key Laboratory of Information Acquisition and Application in Agriculture, Guangzhou Science Technology and Innovation Commission, Guangzhou 510642, China)

Online drug mixing mode is a safe, reliable and efficient mode to use of pesticides. It’s the key of eliminating the effect of pesticides residues on environmental pollution. This paper reviews and summarizes the domestic and international literature about online drug mixing technology.It also summarizes the research perspective, research methods and the latest development of online drug mixing technology.In general, the research on online drug mixing technology in foreign is earlier.Mainly embodied in the application of direct injection system of pesticides and mature mixed concentration detection methods and so on.Although some achievements have been made in the research on online drug mixing technology in China, there are still some limitations in the application of the production. There are still have many problems such as mixing ratio is too large and unstable and the detection method is not mature.According to the domestic and international development on online drug mixing technology, this paper pointed out that the blank of applying this technology on pipeline spraying in mountains region in our country.This paper also provide theoretical and technical support for the further research of the online drug mixing technology on pipeline spraying in mountains region.

online drug mixing technology; pesticides; pipeline spraying; online detection

2016-10-19

廣東省科技計劃項目(2015B090901031)；廣州市科技計劃項目(201607010362)；國家自然科學基金項目(31671591)；現代農業產業技術體系建設專項(CARS-27)；“揚帆計劃”引進創新創業團隊專項(201312G06)；廣東省農業廳農業資源區劃研究項目(2015)

李 致(1992-)，男，廣州人，碩士研究生，(E-mail)lizgd@163.com。

宋淑然(1965-)，女，河北安國人，教授，碩士生導師，(E-mail)songshuran@scau.edu.cn。

S499

A

1003-188X(2018)01-0001-06