基于PWM變量射流在線混藥系統(tǒng)研究

陳志剛，李成鎮(zhèn)，杜彥生，魏新華，鐘志堂

(1.江蘇大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013； 2.江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013；3.江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013； 4.江蘇省農(nóng)業(yè)機械技術(shù)推廣站，江蘇南京 210017)

在傳統(tǒng)的農(nóng)藥噴灑過程中，農(nóng)藥的混合和攪拌都是在噴灑之前進行。預(yù)混藥過程中，操作者須要與農(nóng)藥接觸，農(nóng)藥對操作者存在一定的毒害危險，且預(yù)混藥方式的混藥量很難掌握，多余的農(nóng)藥也會造成環(huán)境污染和農(nóng)藥浪費[1-3]。在線混藥技術(shù)既節(jié)約農(nóng)藥，可以減少農(nóng)藥對環(huán)境的污染，同時也可以減少農(nóng)藥對操作者的危害，提高混藥的安全性，受到國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注[4-5]。目前，國內(nèi)外主要開展了直接注入式混藥技術(shù)和射流混藥技術(shù)研究[6-11]。直接注入式混藥對注藥泵要求較高，存在一定的滯后性，且成本較高，很難在國內(nèi)進行推廣應(yīng)用。射流混藥技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、易于推廣，但其混藥比較低，難以實際應(yīng)用，且射流混藥裝置的結(jié)構(gòu)確定后，其混藥比基本不會改變，混藥比難以調(diào)節(jié)，限制了其應(yīng)用范圍[12-16]。脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，簡稱PWM)技術(shù)用于流量調(diào)節(jié)主要通過改變電磁閥的通斷時間之比來調(diào)節(jié)流量，具有流量調(diào)節(jié)范圍大、調(diào)節(jié)精度高等特點[17-19]。因此，本研究將PWM技術(shù)與射流在線混藥技術(shù)相結(jié)合，采用PWM技術(shù)對射流混藥器吸藥量進行控制，設(shè)計基于單片機的藥液流量控制系統(tǒng)，結(jié)合在線混藥系統(tǒng)，對不同PWM信號頻率和占空比條件下的混藥比進行試驗，以期提高藥液流量調(diào)節(jié)精度，從而達到提高混藥比(水流量與藥液流量之比)、擴大混藥比調(diào)節(jié)范圍的目的。

1 基于PWM變量的在線混藥系統(tǒng)

在線混藥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由水箱、藥箱、射流混藥器、三缸柱塞泵、藥液流量控制系統(tǒng)、高速電磁閥、小流量傳感器、渦輪流量計、壓力表、噴頭等構(gòu)成。噴桿長8 m，等間距布置20個噴頭，噴頭選用F110-015型扇形噴頭。

在線混藥系統(tǒng)的工作過程為柱塞泵從水箱抽水，產(chǎn)生的高速水流射入射流混藥器，高速水流進入射流混藥器在吸藥室產(chǎn)生負壓，模擬藥液(模擬藥液由水與染色劑按一定比例混合而成，以下簡稱藥液)被吸入射流混藥器，與水經(jīng)射流混藥器混藥室完成混合后進入噴桿。基于單片機的藥液流量控制系統(tǒng)輸出不同頻率和占空比的PWM信號，改變設(shè)置在藥液管路高速電磁的啟閉，控制射流混藥器吸入的藥液流量，以達到控制系統(tǒng)混藥比的目的。小流量傳感器實時檢測藥液流量，并實時顯示瞬時藥液流量和累計藥液流量。

1.1 射流混藥器

根據(jù)在線混藥系統(tǒng)的噴霧流量、壓力等要求，設(shè)計一套射流混藥器，混藥管直徑初步設(shè)定為4 mm，射流嘴出口直徑初步設(shè)定為2 mm，結(jié)合射流混藥器的實際應(yīng)用，材料采用具有耐腐蝕、強度高等特點的不銹鋼材質(zhì)。射流混藥器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 射流混藥器基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 藥液流量控制系統(tǒng)

為了提高在線混藥系統(tǒng)的混藥比，設(shè)計一個基于單片機的藥液流量控制系統(tǒng)，由圖3可知，系統(tǒng)主要由按鍵模塊、數(shù)碼管顯示模塊、單片機、電磁閥驅(qū)動電路、高速電磁閥等構(gòu)成。單片機采用具有高速、低功耗、超強抗干擾等特點的宏晶公司STC系列STC89C54RC型單片機，按鍵模塊由按鍵A和按鍵B組成，按鍵A改變PWM信號的頻率，按鍵B改變PWM信號的占空比。PWM信號頻率及占空比均由數(shù)碼管顯示模塊顯示。高速電磁閥采用6013A型直動式電磁閥(德國Burkert公司)，供電電壓為24 V，工作壓力為0～0.6 MPa，接口尺寸為3/8內(nèi)螺紋。

1.3 流量檢測

在射流混藥器進口處的水流量檢測和出口處的水藥混合總量檢測均采用渦輪流量計，渦輪流量計選用LWGY-MK-DN6型液體渦輪流量計(杭州米科傳感技術(shù)有限公司)，量程為0.1～0.6 m3/h，檢測精度為±2%滿量程，輸出電流為4～20 mA，工作電壓為直流24 V。

射流混藥器的吸藥室吸入藥液流量檢測采用931系列微流量傳感器(北京中科泰德科技有限公司)，量程為0.025～12.000 L/min，脈沖輸出。藥液流量控制系統(tǒng)輸出PWM信號不同，流量隨之改變，931系列小流量傳感器的輸出為脈沖信號，輸出脈沖數(shù)量隨流量增大而增多，輸出脈沖波形隨PWM信號變化情況如圖4所示，通道1為微流量傳感器輸出脈沖，通道2為PWM信號波形。流量的顯示采用CHJE08型流量積算器(北京中科泰德科技有限公司)，流量積算器實時顯示流量傳感器的累計流量和瞬時流量，16位A/D轉(zhuǎn)換器，測控周期為0.2 s，適用于電流、電壓、脈沖輸出的流量傳感器或變送器，具有數(shù)字濾波和小信號切除功能。

2 在線混藥的混藥比控制試驗

通過按鍵設(shè)定單片機輸出PWM信號的頻率及占空比，PWM信號的頻率先后設(shè)定為 1、2、5、8、10、16、18 Hz，占空比設(shè)定范圍為1/10～9/10，步長為1/10。為了體現(xiàn)出藥液流量控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)混藥比效果，設(shè)置對照試驗，PWM信號占空比設(shè)為10/10，電磁閥處于常開狀態(tài)，藥液流量控制系統(tǒng)不起作用，所得混藥比即為未采用藥液力量控制系統(tǒng)時的混藥比，與其他占空比條件下混藥比形成對照。試驗時噴霧壓力為0.3 MPa(噴頭正常工作壓力)，每次試驗，混藥系統(tǒng)連續(xù)工作15 min，測量記錄系統(tǒng)15 min的累計水流量和累計藥液流量，計算得出混藥比(累計流量與累計藥液流量之比)，每個處理3次重復(fù)，取平均值。

3 結(jié)果與分析

由圖5可知，在未采用藥液流量控制系統(tǒng)情況下(占空比為10/10時)，系統(tǒng)混藥比為11.19 ∶1，采用藥液流量控制系統(tǒng)情況下，系統(tǒng)的混藥比相較于未采用時得到提高。同一頻率下，隨著單片機PWM波占空比的減小，混藥比逐漸增大。當(dāng)PWM信號頻率為18 Hz、占空比為1/10時，系統(tǒng)混藥比達到154.74 ∶1，藥液流量控制效果最好，混藥比比未采用藥液流量控制系統(tǒng)時約提高15倍。擴大了在線混藥系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)范圍，實現(xiàn)了在線混藥系統(tǒng)的混藥比在11 ∶1～154 ∶1 范圍內(nèi)在線實時可調(diào)。

4 結(jié)論

本研究設(shè)計了基于PWM變量在線混藥系統(tǒng)及以單片機為核心的藥液流量控制系統(tǒng)，可以通過按鍵設(shè)定輸出PWM信號的頻率及占空比，同時通過數(shù)碼管顯示模塊實時顯示設(shè)定值，藥液流量控制系統(tǒng)簡潔實用、成本低廉。采用藥液流量控制系統(tǒng)后，系統(tǒng)的混藥比相較于未采用PWM控制時得到提高，同一頻率下，隨PWM信號占空比的減小，混藥比逐漸增大，當(dāng)PWM信號頻率為18 Hz、占空比為1/10時，混藥比達到 154.74 ∶1，混藥比相較于未采用PWM控制時約提高15倍。本研究設(shè)計的基于STC89C54RC單片機的藥液流量控制系統(tǒng)，有效擴大了在線混藥系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)范圍，實現(xiàn)了在線混藥系統(tǒng)的混藥比在11 ∶1～154 ∶1范圍內(nèi)在線實時可調(diào)。