混藥器混合均勻性分析方法與在線混合變工況試驗

代 祥 徐幼林 宋海潮,2 陳駿陽 況良杰 馬魯強

(1.南京林業(yè)大學(xué)機械電子工程學(xué)院， 南京 210037； 2.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程學(xué)院， 南京 210023)

0 引言

精準(zhǔn)變量噴霧具有減少農(nóng)藥浪費、提高農(nóng)藥利用率的優(yōu)點[1-2]。農(nóng)藥與水的混合方式分為預(yù)混式及在線混合式，前者需預(yù)先進行藥水混合，存在剩余藥水處理以及人工預(yù)混時接觸農(nóng)藥的問題[3]，后者能根據(jù)需要實時配比出所需混合比的藥水，有效地避免了農(nóng)藥浪費，保護了環(huán)境及操作人員健康，因此成為目前植保機械的研究方向[4]。而在線注入式變量噴霧主要存在變量響應(yīng)延時、藥水難以精確配比，以及藥水混合均勻性存在差異等問題[5-6]。采用噴嘴直接注入式系統(tǒng)可有效降低變量響應(yīng)延時，即農(nóng)藥直接從噴嘴前方注入載流中[7-8],使得農(nóng)藥傳輸距離最短，縮短了農(nóng)藥輸運時間，但是該系統(tǒng)存在農(nóng)藥與載流混合不充分的缺陷。

圖1 旋動射流混藥器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of swirling jet mixer1.收縮管 2.混合管 3.分流器 4.進藥管 5.擴散管 6.檢測管 7.噴頭

在對流體混合均勻性效果的分析評價方面，LUCK等[9]在基于吸光性測定均勻性的試驗中評估了紅色羅丹明顏料作為示蹤劑的應(yīng)用；VONDRICKA等[10]基于碘脫色反應(yīng)，測定混合液的透光性，獲得了在線混合每一時刻的混合均勻性，這與通過測定時間序列上農(nóng)藥濃度[11-12]或者比較噴霧扇面內(nèi)樣本間農(nóng)藥量[5,8]從而評估均勻性的做法有所不同。采用圖像處理方法進行均勻性評估是另一種可行的方法，REALPE等[13]通過比對灰度值區(qū)分懸浮劑藥水濃度，與分光度儀所取得的檢測結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)兩者誤差很小；BERTHIAUX等[14]采用主成分分析(PCA)方法研究了兩種不同顏色粉末的混合均勻性；MUERZA等[15]使用自相關(guān)函數(shù)對兩種不同顏色粉末顆粒的靜態(tài)混合效果進行了動態(tài)研究；郭敬坤等[16]使用圖像增強方法獲得了流體混合圖像中示蹤粒子的分布；XU等[17]利用流體圖像處理技術(shù)研究了泵轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)壓力對混合均勻性的影響。但目前對農(nóng)藥與水摻混后的均勻性分析研究仍缺乏科學(xué)的、一致認(rèn)可的精確定量分析評價方法。

液態(tài)脂溶性農(nóng)藥與水混合后難以實現(xiàn)準(zhǔn)確的邊界分割，因此本文以脂溶性農(nóng)藥為試驗對象。從研究能夠描述圖像中藥水混合均勻性的定量分析方法著手，借助脂溶性農(nóng)藥與水混合后在流場中分布存在差異的特性，利用圖像處理技術(shù)對混藥器內(nèi)的混合均勻性進行定量分析，提出均勻性評價指標(biāo)，并通過均勻性分析方法驗證試驗對比分析所提出的評價指標(biāo)正確性；然后對旋動射流混藥器進行變工況(不同混合比P、不同載流流量Q)條件下脂溶性農(nóng)藥與水的在線混合試驗，依據(jù)所提出的評價指標(biāo)探尋混藥器混合均勻性隨P及Q變化的關(guān)系。為農(nóng)藥混合效果的科學(xué)評價提供有效方案，并為利用該混藥器進行精確的處方施藥提供有力的技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 混藥器、直接注入式在線混合試驗系統(tǒng)及試驗用農(nóng)藥

經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化的脂溶性農(nóng)藥混藥器[18]如圖1所示，農(nóng)藥與水在入射點后的混合管內(nèi)實現(xiàn)第1步摻混，混合管內(nèi)液體流速高，雷諾數(shù)較大，湍流擴散作用較強。混合管后接擴散管，藥水經(jīng)過混合管流出后速度降低，為了繼續(xù)增強湍流作用，擴散管外壁的導(dǎo)葉使液體產(chǎn)生切向加速度。混藥器內(nèi)徑為13 mm，混合管直徑為4 mm，混合管長度為20 mm，擴散管角度為9°。檢測管為圓管，內(nèi)徑與混藥器內(nèi)徑一致，管較薄，可有效減輕光線的折射現(xiàn)象以及圖像采集失真。

試驗系統(tǒng)包括注水、供藥以及圖像采集3部分，如圖2所示。注水系統(tǒng)中水泵為PLD1206型隔膜泵，由DC12V直流電機驅(qū)動，最高壓力1.0 MPa，最大流量4.0 L/min；LWGY-DN15型流量傳感器由DC24V直流電源供電，流量檢測范圍0.04～0.2 m3/h；壓力變送器(CYT101型，精度等級±0.2%F·S)壓力檢測范圍0～10 kPa；采用流量控制閥手動對載流流量Q進行調(diào)節(jié)。供藥系統(tǒng)中藥泵為KDS-FB-24型蠕動泵，由DC24V直流電源驅(qū)動，注藥流量控制器經(jīng)485總線控制藥泵精準(zhǔn)調(diào)解注藥量，流量范圍0.005～0.55 L/min。圖像采集系統(tǒng)包括IO Industries生產(chǎn)的4M180-CL型高速相機；OR-X4C0-XPF00型圖像采集卡；視頻記錄軟件為IO Industries Streams 7，紫光燈選用美國Spectroline系列B-260型雙燈管手持式紫外線燈。

圖2 直接注入式在線混合試驗系統(tǒng)示意圖Fig.2 Experimental system sketch of in-line injection and mixing1.水箱 2.過濾裝置 3.水泵 4.安全閥 5.流量控制閥 6.壓力變送器 7.渦輪流量計 8.混藥器及檢測管 9.紫光燈 10.高速相機 11.圖像采集裝置 12.噴頭 13.藥泵 14.注藥流量控制器 15.藥箱

圖3 混藥器在線混合圖像采集及其像素分析Fig.3 Schematics for ROI acquisition and pixels analysis of ROI

為了對混合均勻性進行分析，以脂溶性農(nóng)藥為在線混合對象進行試驗研究。脂溶性農(nóng)藥指的是難溶于水的油劑類農(nóng)藥。油劑是常用農(nóng)藥劑型之一，包括油劑類化學(xué)農(nóng)藥及油劑類生物農(nóng)藥，一般情況下脂溶性農(nóng)藥比水溶性農(nóng)藥的在線摻混均勻性差，但是由于其優(yōu)良的作用效果，應(yīng)用較為廣泛[18]。為了試驗操作安全，采用加入了LUYOR-6100油性熒光劑的菜籽油(粘度40 mPa·s，密度915 kg/m3)模擬脂溶性農(nóng)藥進行試驗，熒光劑與植物油按1∶1 000預(yù)混，在紫光照射下亮度較高，高速相機能夠捕捉到混合液中熒光劑的分布。試驗在暗室進行，設(shè)置相機幀率為180 f/s，曝光度為4 000，圖像灰度級為1 024。試驗過程中紫光燈分別架設(shè)于混藥器上方和下方，高速相機垂直于混藥器安放并保持與混藥器在同一水平，相機和混藥器相對位置固定，水平距離為30 cm。混藥器檢測管處于成像的中央，避免出現(xiàn)異常光點而影響圖像處理計算精度。

1.2 基于像素的混合均勻性分析方法

試驗中對檢測管進行圖像采集，并從中截取檢測區(qū)域(Region of interest,ROI)進行分析，因為要驗證的是混藥效果，故ROI選擇在靠近混藥器出口的檢測管部分。ROI應(yīng)盡可能涵蓋混合區(qū)域，并反映混合區(qū)域的細(xì)節(jié)，因此不宜選擇較小的ROI，避免由于圖像失真及信息丟失導(dǎo)致計算不夠準(zhǔn)確。試驗中根據(jù)當(dāng)前相機參數(shù)及相機安裝(距混藥器檢測管30 cm)條件下所采集的圖像，沿管壁附近設(shè)定ROI邊界。

圖3a白色方框內(nèi)為ROI,圖3b為截取的ROI，該圖像的像素波動情況可從圖3c看出。為了獲得該圖像的混合均勻性定量分析數(shù)據(jù)，分別使用基于像素的變異系數(shù) (Coefficient of variation)和面積加權(quán)均勻性指數(shù)(Area-weighted uniformity index)綜合分析農(nóng)藥與水的混合均勻性。

1.2.1基于像素的變異系數(shù)

變異系數(shù)α一般用于衡量分布的相對偏差。將混合圖像的每個像素值視作離散值，則α能夠衡量像素波動的相對大小，可以描述區(qū)域內(nèi)亮度值分布相對于亮度平均值的離散程度。

在混合過程中，α大說明像素亮度值相對離散程度大，即ROI中有未混合開的藥團以及含藥量低的區(qū)域存在，則混合均勻性較差；α小說明像素離散程度較小，亮度值分布在均值附近，即ROI內(nèi)亮度差異極化不明顯，則均勻性較好。α計算公式為

(1)

式中xi——ROI內(nèi)各像素點像素值

n——ROI內(nèi)像素個數(shù)

對時間軸上連續(xù)1 s(180幅)圖像處理，取均值為計算結(jié)果。

1.2.2基于像素的面積加權(quán)均勻性指數(shù)

α值代表了ROI內(nèi)植物油濃度的波動范圍，但是α值不能描述特定濃度的混合液在整個ROI內(nèi)的分布均勻性，因此使用面積加權(quán)均勻性指數(shù)γ來描述這一特征。面積加權(quán)法可用于流體流動均勻性的度量，面積加權(quán)平均速度能衡量區(qū)域內(nèi)流體速度分布的均勻性[19]。γ計算公式為

(2)

式中φi——網(wǎng)格內(nèi)平均濃度藥液分布占比

μ——ROI內(nèi)平均濃度藥液分布占比

Ai——網(wǎng)格面積

N——劃分網(wǎng)格數(shù)

借助Matlab圖像處理工具，對ROI以5像素×5像素進行等面積網(wǎng)格劃分，等網(wǎng)格面積條件下γ計算公式為

(3)

圖4 網(wǎng)格劃分及γ計算原理示意圖Fig.4 Schematics of grid partition and calculation principle of γ

根據(jù)文獻[13]，均值反映了圖像所代表的混合液的平均濃度大小，因此以混合液的亮度均值μ作為混合液中平均濃度混合液的特征值，試驗條件下樣本將選擇μ±0.02(0.02的確定與本試驗條件下預(yù)混合液圖像的計算相關(guān)，使得預(yù)混合圖像計算γ值接近100%)計算該特征值對應(yīng)像素在ROI內(nèi)分布的γ值。從而獲得平均濃度混合液在ROI內(nèi)的分布均勻性。對時間軸上連續(xù)1 s(180幅)圖像處理，取均值為計算結(jié)果。

1.3 均勻性分析方法驗證試驗設(shè)計

試驗前需對采集到的管內(nèi)混合圖像進行標(biāo)定，用不同混合比P條件下均勻的混合液作為參照，與不均勻的混合液以及極不均勻的靜置分層現(xiàn)象作對比，檢驗α和γ兩種均勻性分析方法的準(zhǔn)確性并標(biāo)定混合均勻性范圍。均勻性分析方法驗證試驗中檢測管安裝方式如圖5所示，不安裝混藥器，檢測管與三通直接相連。

圖5 驗證試驗檢測管安裝方式Fig.5 Detection tube installation in verification experiments1.進水口 2.進藥口 3.三通管 4.檢測管 5.溶液出口

(1)均勻混合液圖像采集：人工將藥液與載流(清水)分別以1∶100、3∶100、5∶100、7∶100、9∶100的比例置于水箱中進行預(yù)混合，由水泵將混合液泵送至檢測管，泵送過程中保持強力攪拌確保混合液均勻，進行圖像采集。

(2)不均勻混合圖像采集：進行不安裝混藥器條件下的在線混合，農(nóng)藥從三通管的下部進藥口注入載流之中。控制Q=2 400 mL/min，P同上，采集混合圖像。

(3)極不均勻混合圖像采集：采取注藥后靜置的方式，待藥水分層后采集極不均勻的混合圖像。

1.4 變工況試驗設(shè)計及試驗參數(shù)設(shè)置

安裝旋動射流混藥器進行變工況試驗，混藥器及檢測管安裝方式如圖6所示。

大二線性代數(shù)老師張智對“學(xué)數(shù)學(xué)有什么用？”的一番闡述，則讓我記憶深刻。張老師開始宏大的開場白：“數(shù)學(xué)是一切哲學(xué)性、理論性思考與演繹的基礎(chǔ)。數(shù)學(xué)給予人們的不僅是知識，更重要的是能力，這種能力包括觀察實驗、收集信息、歸納類比、直覺判斷、邏輯推理……這些能力的培養(yǎng)，將使人終身受益！”在他的描述之下，數(shù)學(xué)不僅是科學(xué)、是哲學(xué)、是工具、是藝術(shù)，還是真與美的畫卷。

圖6 變工況試驗混藥器及檢測管安裝方式Fig.6 Swirling jet mixer and detection tube installation under variable working conditions experiments1.進水口 2.進藥口 3.混藥器 4.檢測管 5.溶液出口

圖7 均勻性分析方法驗證試驗結(jié)果(ROI圖像)Fig.7 Comparative results of verification experiments by uniformity analysis methods

變工況試驗參數(shù)包括不同的混合比P，以及不同的載流流量Q，調(diào)整這兩個參數(shù)即可以滿足在線噴霧需要。在草甘膦用于大豆病蟲害防治中，常見的藥水混合比P范圍一般為1∶10到1∶107之間[11]，試驗中混合比指的是體積流量比。載流流量Q參考實際噴霧作業(yè)中單噴頭流量選取[20]，并結(jié)合試驗系統(tǒng)水泵特性，流量范圍限定在2 400 mL/min以內(nèi)，設(shè)定較小的載流流量Q以適應(yīng)未來精量噴霧的發(fā)展趨勢。本試驗僅研究混合均勻性，在安裝MDCO1/4BSPT型噴頭的條件下噴霧壓力在0.3 MPa以內(nèi)，低于常見噴霧系統(tǒng)的實際工作壓力。變工況試驗安排如表1所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 均勻性分析方法驗證

人工預(yù)混均勻混合液圖像計算結(jié)果如圖7a～7e所示。不同混合比P下各ROI圖像均顯示出極高的混合質(zhì)量，圖像幾乎無亮度差異。預(yù)混液的α值計算結(jié)果均小于0.1，說明ROI內(nèi)不存在大濃度差異性，藥團被分散。而以μ±0.02計算所得的γ值基本在99%～100%之間，各混合比P下的圖像各小網(wǎng)格內(nèi)所含有濃度均值附近農(nóng)藥的量幾乎沒有差異。預(yù)混合溶液混合均勻極佳。

表1 變工況試驗安排Tab.1 Parameters arrangements under variable working conditions experiments

不均勻混合液圖像對比結(jié)果如圖7f～7j所示。圖中可見大部分農(nóng)藥仍集中在檢測管內(nèi)的一部分區(qū)域，且連續(xù)圖像顯示農(nóng)藥呈團狀不連續(xù)分布。根據(jù)圖像計算所得的α在0.39～0.51之間，表明ROI內(nèi)有較亮的藥團以及含藥量較低的水存在。γ集中在50%～75%之間，明顯小于預(yù)混合試驗結(jié)果。農(nóng)藥沒有分布在整個ROI內(nèi)，藥水混合效果很差。

靜置分層試驗檢測管內(nèi)圖像如圖7k所示。農(nóng)藥受浮力作用與水分層并集中在檢測管上部。計算所得α為0.644 7，遠(yuǎn)大于預(yù)混合及無混藥器注入試驗結(jié)果。γ為23.25%，遠(yuǎn)小于極均勻混合圖像及不均勻混合圖像計算結(jié)果，靜置分層導(dǎo)致混合極不均勻。

綜上所述，所提出的基于α以及γ的圖像均勻性分析方法能夠準(zhǔn)確識別均勻程度明顯不同的混合溶液，越均勻的混合液則γ越大，α越小。依據(jù)該分析方法可以對混合均勻性進行判別，較均勻的混合液計算所得α及γ應(yīng)在所標(biāo)定的均勻混合液及不均勻混合液計算平均值之間。

2.2 不同載流流量混合均勻性分析

載流流量Q不同意味著實際噴霧中單噴頭水流量不同。不同載流流量Q條件下的試驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 載流流量對混合均勻性的影響Fig.8 Impact of carrier flow rates on mixing uniformity

隨著Q的增加，不同混合比P對應(yīng)的平均α從800 mL/min時對應(yīng)的0.226 0逐漸減小到2 400 mL/min時的0.125 0，混合均勻性指數(shù)γ逐漸從76.50%增大到85.80%。Q為2 400 mL/min時對應(yīng)的混合均勻性最高，ROI內(nèi)圖像像素值波動范圍較小，亮度值分布趨于集中，平均濃度的混合液在ROI內(nèi)的分布均勻性較高。其混合均勻性接近預(yù)混合時的均勻性,表明增加Q可以減小ROI內(nèi)濃度值的波動范圍，并提高藥水混合均勻性，分析知這是因為流量增大導(dǎo)致水的紊流效應(yīng)增強，從而使得脂溶性藥團更加容易被擊碎分散。

Q在800～1 600 mL/min之間時，α僅減小0.023 0，γ僅增加約4%，變化不明顯。Q從1 600 mL/min提高到2 000 mL/min時，α從0.202 0下降至0.159 0，γ從80.40%增加至85%，均勻性存在相對明顯的提升。P為10∶100時不同載流流量Q對應(yīng)的ROI圖像如圖9所示，Q為800～1 600 mL/min時均存在未散開的藥團，在Q提升至2 000 mL/min時，藥團消失，混合變得較為均勻。

圖9 P為10∶100時不同載流流量對應(yīng)的ROI圖像Fig.9 Mixing images in ROI under conditions of different flow rates with a settled mixing ratio of 10∶100

2.3 不同混合比混合均勻性分析

混合比P不同意味著實際混合的藥水濃度不同。不同混合比P條件下的試驗結(jié)果如圖10所示。

圖10 混合比對混合均勻性的影響Fig.10 Impact of mixing ratios on mixing uniformity

隨著混合比P的減小，不同載流流量Q對應(yīng)的平均α均逐漸增大，平均γ均逐漸減小。這表明較高混合比P有助于減小因藥液難以分散所帶來的濃度值的差異性，并增加了混合管內(nèi)藥液在各檢測區(qū)域各部分分布的均勻性。P為10∶100時，不同載流流量Q的平均α可降至0.15以下，平均γ可提升至85%，各載流流量Q下混合均勻性均達到最高。

載流流量Q為2 000 mL/min時不同混合比P對應(yīng)混合圖像如圖11所示。在較高的混合比P下，檢測區(qū)域整體亮度較高，且無明顯的藥團出現(xiàn)，接近均勻混合液標(biāo)定結(jié)果。而當(dāng)混合比P較低時，如P為1∶100時，雖仍會偶爾出現(xiàn)未散開的藥團，但是整體混合圖像仍較為均勻，均勻性基本達標(biāo)。

圖11 Q=2 000 mL/min時不同混合比對應(yīng)的ROI圖像Fig.11 Mixing images in ROI under conditions of different mixing ratios with a settled carrier flow rate of 2 000 mL/min

2.4 工況條件優(yōu)選

不同載流流量Q、混合比P條件下，α以及γ如圖12所示。對α與γ所求得的相關(guān)系數(shù)R=-0.938 8，說明對于ROI所求的α與γ之間存在高度的負(fù)線性相關(guān)性，即較大的α值往往對應(yīng)著較低的γ值，當(dāng)ROI內(nèi)濃度波動減小時，農(nóng)藥在整個區(qū)域內(nèi)的分布也更為平均，這與實際混合規(guī)律一致。

圖12 工況條件優(yōu)選Fig.12 Working conditions preferences

根據(jù)圖12分析，當(dāng)Q從1 600 mL/min提升至2 000 mL/min時，不同混合比P下α平均值有較明顯下降，γ平均值有較明顯上升，均勻性有較明顯提高。當(dāng)Q=2 000 mL/min，P為1∶100時，實際混合圖像(圖11a)有較少幾率會出現(xiàn)較濃的藥團。該工況下計算所得γ為80.39%，α為0.223 9，說明雖然ROI內(nèi)仍會出現(xiàn)少許未散開的藥團，但是混合液在整個ROI內(nèi)仍具有相當(dāng)?shù)姆植季鶆蛐裕c實際混合效果相符。這種偶爾出現(xiàn)較濃藥團的情形在實際應(yīng)用中，可以進一步采取往脂溶性藥劑中加入助劑促進藥水親和等措施，再輔以噴頭的霧化混合效果，解決農(nóng)藥有效成分在噴霧區(qū)域上的分布差異性問題。因此，選擇Q=2 000 mL/min，P為1∶100的均勻性計算結(jié)果作為判斷混合液是否均勻的閾值，如圖12中橫線所示。按照α及γ分別篩選的結(jié)果在低載流流量Q時稍有不同，需要結(jié)合實際混合圖像再行判斷。

結(jié)合實際混合圖像，在應(yīng)用旋動射流式混藥器混合脂溶性農(nóng)藥時，當(dāng)Q≥2 000 mL/min時，低混合比下會偶爾出現(xiàn)難以分散的藥團，因此可基本滿足P大于等于1∶100的在線均勻混合；Q=800 mL/min時，未分散藥團時刻存在，因此Q≤800 mL/min時基本無法均勻混合脂溶性農(nóng)藥；Q在800～2 000 mL/min時，較高混合比P條件下藥團出現(xiàn)幾率較少，能夠完成藥水的均勻混合。因此在實際應(yīng)用該混藥器進行脂溶性農(nóng)藥在線混合噴施時應(yīng)盡量避免較低的載流流量Q，防止藥水混合不均勻，尤其在混合比P較低的情況下。實際應(yīng)用該混藥器進行噴霧時需保證載流流量Q≥2 000 mL/min。

3 結(jié)論

(1)根據(jù)均勻性分析方法驗證試驗，所提出的基于像素α(變異系數(shù))以及γ(面積加權(quán)均勻性指數(shù))的均勻性分析方法能夠有效描述農(nóng)藥的在線混合均勻性。α越小，γ越大，則混合越均勻。

(2)添加混藥器能夠有效提高脂溶性農(nóng)藥與水的在線摻混。旋動射流混藥器的混合效果隨載流流量Q的增大及混合比P的增大而提高，Q=2 400 mL/min時，較高混合比P條件下的混合效果接近預(yù)混合效果；載流流量Q≥2 000 mL/min時，不同混合比P工況下，仍具有較高的γ及較低的α，P為1∶100時較少出現(xiàn)未散開的藥團，基本滿足均勻性要求。

(3)以Q=2 000 mL/min、P=1∶100條件下計算的均勻性值對全部工況進行篩選,結(jié)果表明：Q≤800 mL/min時，旋動射流混藥器基本無法完成脂溶性農(nóng)藥與水的均勻摻混；800 mL/min