電磁閥開關模式下文丘里施肥器吸肥特性研究

周良富，金永奎，薛新宇

電磁閥開關模式下文丘里施肥器吸肥特性研究

周良富，金永奎※，薛新宇

（農業農村部南京農業機械化研究所，農業農村部現代農業裝備重點開放實驗室，南京 210014）

水肥一體化技術是提高化肥有效利用率的重要手段之一，而基于脈寬調制的電磁閥控制模式是調節吸肥量的主要技術手段，但關于電磁閥連續開關模式下的文丘里施肥特性缺乏詳細的闡述。該文在5通道的管道式在線混合的水肥一體化試驗平臺上，采用霍爾流量傳感器測試了單一通道在0.3、0.5、1、2 s的開閥時間內瞬時吸肥量變化、不同開關閥時間下單次開關的平均吸肥量變化、不同關閥時間下10次連續開關下的平均吸肥量變化，采用脈沖修正法計算吸肥流量。試驗結果表明，在電磁閥連續開關模式下，基于脈沖修正法的測量精度比基于有效脈沖數法更高，在開閥持續時間為0.3～2 s時間內，其相對誤差均低于4%。在最大蓄能和放能時間內，文丘里施肥器的吸肥量隨開閥時間變長而減小，隨關閥時間的變長而增大。單次開關下的施肥器吸肥特性試驗結果顯示，施肥器的最大蓄能時間（抽真空）為10 s，而最大放能時間（吸肥量穩定的時間）為1 s。該研究可為智能變量水肥一體機設計及應用提供技術支撐。

文丘里施肥器；肥料；試驗；電磁閥；水肥一體化

0 引 言

水肥一體化是發揮肥水耦合效應的有效手段之一。目前的水肥一體化技術裝備包括壓差式施肥罐、文丘里施肥器和注入式施肥泵等[1]，而隨著農業灌溉及智動化水平的不斷提高，全自動的水肥一體機也逐步得到應用，如開放桶式混肥全自動化灌溉施肥系統和管道混合式自動灌溉施肥系統[2]，由于具有自動、智能、精準等特點，在花卉、蔬菜、果樹等經濟作物及部分規模化大田作物上得到廣泛應用。

與開放桶式混肥全自動化灌溉施肥相比，管道混合式不會有空氣參與混肥，功耗大大降低，參數控制更加穩定。文丘里施肥器與電磁閥的組合是管道混合式灌溉施肥機的關鍵部件，而電磁閥開關模式下文丘里管的吸肥特性是施肥機性能的重要基礎。目前國內外學者的研究主要集中在以下3個方面：1）水肥耦合效應試驗。水肥一體化技術可以提高水利用率40%～60%，肥料利用率提高30%～50%[3]，學者主要集中開展灌水量與土壤肥力間的耦合指數[4]和灌溉施肥規律對產量[5-6]及品質的影響[7-8]規律等；2）文丘里結構優化與性能分析。金永奎等[9]根據不同的吸肥量要求，研制了系列化的文丘里施肥器。張建闊等[10]研制了雙吸肥口的低壓文丘里施肥器。還有大量文獻集中在文丘里施肥器的結構優化[11-12]、性能試驗[13]、流場特性及空化特性分析[14-17]；3）水肥一體機設計。關于水肥一體機設計的文獻較少，金永奎等[18]、王海濤等[19]對自動化水肥一體機的管路系統設計及裝備性能進行了系統測試，而目前的大部分的研究主要集中在水肥一體機的控制算法及管路系統壓力流量特性上[20-22]。

關于PWM模式下管道混合式灌溉施肥機吸肥特性的研究鮮有文獻報道。僅有如李加念等[23]通過調節在文丘里施肥機吸入管端的電磁閥PWM信號，實現了施肥器的變量施肥，結合試驗結果提出了電磁閥最佳頻率為6 Hz，施肥裝置最佳入口壓力范圍為0.15～0.25 MPa。吳爭光等[24]對水肥一體機的EC傳感器安裝特性進行了系統試驗，該類研究為基于脈寬調制的文丘里變量施肥裝置設計與試驗提供了技術支撐，但未對電磁閥開關模式文丘里施肥器吸肥的瞬時特性進行分析。本文以灌溉施肥機中電磁閥和文丘里管組合為研究對象，以管道混合式灌溉施肥機為試驗平臺，借鑒電磁閥與噴嘴組合結構在變量噴霧上的應用經驗[25-27]，通過試驗得出在不同電磁閥開關時間下的文丘里施肥器的吸肥特性，為管道混合式灌溉施肥機的設計和應用提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗平臺

試驗主要在5通道管道混合式灌溉施肥試驗平臺上進行。試驗平臺的結構原理如圖1所示，主要包括80BZ50-65-15型自吸式灌溉泵（上海上民泵業有限公司，額定揚程65 m，額定流量50 m3/h）、CL-DLF12-50型立式多級施肥泵（浙江建亞泵業有限公司，額定揚程50 m，額定流量12 m3/h）、精密壓力表（上海自動化儀表股份有限公司，0.4級）、文丘里吸肥器（揭陽市綠美節水科技有限公司，接口尺寸1寸，吸肥量34～279 L/h）、壓力傳感器、流量計、霍爾流量計（廣東中江節能電子有限公司，DN25，流量2～120 L/min，60個脈沖/L）、ZCF-20型防腐蝕脈沖電磁閥（上海朝鋼閥門有限公司，壓力0.7 MPa）、電子秤（精度0.1 g）、變頻系統及顯示系統等。

1.水源 2.灌溉泵 3.主管流量計 4.壓力表及傳感器 5.主管 6.混合腔 7.主管調節閥 8.減壓電磁閥 9.EC/pH傳感器 10.施肥進水管 11.文丘里吸肥器 12.施肥出水管 13.水箱 14.電子秤 15.肥液桶 16.肥液過濾器 17.浮子流量計 18.吸肥流量計 19.吸肥電磁閥 20.施肥泵 21.施肥單向閥 22.觸摸顯示屏 23.控制系統

由于本次研究主要關注電磁閥開關參數對文丘里施肥器的吸肥特性影響，同時研究霍爾流量計在施肥機中的應用精度問題，因此本次試驗主要采用了試驗臺中的一個通道。

1.2 吸肥量測試

1.2.1 霍爾流量計

霍爾流量計主要由殼體、霍爾元件、采集電路、磁性材料、葉輪等組成，其結構簡圖如圖2所示。水進入流量計后，水流驅動葉輪旋轉，進而帶動磁性元件跟隨轉動。霍爾元件感應磁性元件的有無，產生高低脈沖電平，霍爾元件的輸出脈沖信號頻率與磁性元件轉速成正比，而轉速與流量成正比，霍爾流量計主要通過采集到的脈沖信號數量來計算流量值。在電磁閥開啟和關閉時，受霍爾元件和磁性元件的相對位置差異，最大誤差為開啟時多一個脈沖而關閉時少一個脈沖，這種誤差在電磁閥頻繁開關模式的灌溉施肥機中是不可接受的。

1.殼體 2.霍爾元件 3.采集電路 4.磁性元件 5.葉輪

1.2.2 吸肥性能參數及定義

吸肥量、吸肥瞬時流量和吸肥平均流量分別為

式中為一時間段內的總吸肥量，L；0為每個脈沖所代表的標準量，L，0=1/60 L；為脈沖數量；為按脈沖計的吸肥瞬時流量，L/min；t為第個脈沖所經歷的時間，ms。`為一時間段內的吸肥平均流量，L/min。為吸肥的時間，s。

1.2.3 脈沖修正的平均吸肥流量計算

由公式（1）~（3）可知，吸肥的瞬時流量只與時間有關，而吸肥平均流量的誤差主要與脈沖數的計量精度有關，特別是首末2個脈沖所代表的流量值誤差。因此，本文提出基于時間的脈沖修正法來計算吸肥平均流量，其核心思想是根據首個脈沖與第2個脈沖所經歷的相對時長來修正第一個脈沖的吸肥量；根據最后一脈沖與前一個脈沖所經歷的相對時長來修正最后一個脈沖的吸肥量。

首個脈沖的吸肥量按式（4）修正

最后一個脈沖的吸肥量按式（5）修正

式中1為第1個脈沖的吸肥量，L；1為第1個脈沖經歷的時間，s；2為第2個脈沖經歷的時間，s。t-1為第-1個脈沖經歷的時間，s；t為第個脈沖經歷的時間，s。V為第個脈沖的吸肥量，L；

因此，一個開閥持續時間內的平均流量經過修正后按式（6）計算

1.3 數據采集與處理

在試驗平臺中，管路壓力、主管流量、流量計脈沖等參數由相應的傳感器自動采集，主要數據可通過顯示系統顯示在屏幕上，所有數據（包括每個脈沖所經歷的時間）均可在系統中保存并以EXCEL數據格式導出。

其中，總脈沖數是指在一持續時間內，系統所檢測并采集到的所有脈沖總和；有效脈沖是指在一持續時間內，只統計開閥時間內的脈沖數；無效脈沖是由于電磁閥開關引起的水錘效應造成非測量脈沖誤差，其值為總脈沖與有效脈沖之差；脈沖經歷時間是每2個脈沖之間的時間差。

數據采集系統采集每個脈沖的時間點，其測量精度取決于相應的傳感器精度。根據式（2）計算瞬時流量，脈沖修正法是根據式（6）計算吸肥平均流量，而總脈沖和有效脈沖法是根據式（1）和式（3）計算吸肥平均流量。

實測吸肥流量的測量：將施肥器吸入口放入電子秤上的容器中，開啟系統吸容器中的肥液，讀取電子秤上容器的重量變化，結合設置的吸肥時間，根據式（3）計算出實測吸肥平均流量。

試驗數據均在系統運行穩定后采集，每個工況數據均是3次重復后的平均值。數據處理及圖表繪制均在excel 2010中完成。

1.4 電磁閥開關下的文丘里吸肥性能分析

根據文丘里施肥器工作原理可知，文丘里施肥器在穩定工況下的吸肥流量與吸肥管喉部壓力、截面積和吸肥高度等有關，在特定的橫截面積和吸肥高度條件下，吸肥流量只與喉部壓力有關[28-29]。喉部的壓力穩定不變時，吸肥流量也就穩定不變。在連續吸肥情況下，文丘里吸肥器產生穩定的負壓，吸肥流量基本恒定[30]。

在電磁閥頻繁開關模式下，文丘里施肥器喉部壓力是不斷變化的，其吸肥量是不均勻、不穩定的。具體過程為：

電磁閥關閉時，文丘里施肥器相當于一個抽真空過程，其喉部壓力3按式（7）計算[31]

式中3為喉部絕對壓力，Pa；3為文丘里施肥器極限真空度，Pa；1為抽真空時間，s；1、2為與吸入管端容積相關的常數。其中抽極限真空所需的時間1是本文重點關注的參數之一。

電磁閥開啟時，文丘里施肥器相當于施肥泵，是一個抽吸肥液的過程，將喉部壓力轉化為吸肥流量，其能量轉化過程如式（8），喉部壓力隨著吸肥量的增加而降低，當喉部壓力將至吸肥極限壓力時，其吸肥量保存穩定，因此從開閥至吸肥量穩定的時間2是需要研究的性能參數。

式中Δ3為喉部壓力減少量，Pa；為肥液密度，kg/m3；為吸肥流速，m/s；為重力加速，=9.8 N/kg；為肥液桶與文丘里施肥器安裝高差，m；s為吸入端的沿程損失，Pa。

由以上理論可定性分析出文丘里施肥壓力流量特性隨每次電磁閥開關的周期性變化規律，如圖3所示。可知電磁閥關閉時，施肥器相當于一個蓄能過程，其喉部真空度逐漸增大，直至施肥器的極限真空度，而當電磁閥開啟時，喉部壓力逐漸轉化為肥液動能。

注：t1max為文丘里喉部壓力降低到極限真空所需的時間；t2max為瞬時吸肥量降低到穩定時的時間。

2 結果與分析

2.1 流量計算精度驗證

為驗證脈沖修正法的霍爾流量計檢測精度，在灌溉施肥機額定工況下，在相同關閥持續時間1 s時，分別設置電磁閥的開閥持續時間為0.3、0.5、1和2 s。采集并記錄所有脈沖及每個脈沖所經歷的時間，按總脈沖數、有效脈沖數和脈沖修正法分別計算流量，同時用電子秤測量出每次的吸肥量。根據式（1）和式（5）分別按總脈沖數、有效脈沖數和脈沖修正法計算出總流量，并與實測數據做比較，按式（9）計算出各自的相對誤差，其結果如表1所示。

式中RE為相對誤差，%；Q為計算流量值，L/min；Q為實測流量值，L/min。

表1 不同計算方法的相對誤差

由表1的結果可以看出，不同的計算方法其精度均隨開閥持續時間增長而變高。采用總脈沖數法計算流量的相對誤差遠大于有效脈沖法和脈沖修正法，但其相對誤差隨著開閥持續時間的增加而降低，主要原因為每次開關閥的無效脈沖數基本不變，而隨著開閥持續時間增加，總流量值的增加降低了相對誤差。但在開關時間2 s內，其相對誤差均大于25%，因此常規采用總脈沖數計算流量值是不能應用于電磁閥開關模式下的施肥流量計量。

隨著開閥持續時間的增加，有效脈沖法的測量相對誤差由0.3 s開閥持續時間的4.8%降低為2 s開閥持續時間的2.3%，與總脈沖數法相比，其計量精度大大提高。不同的開閥持續時間內，脈沖修正法的相對誤差均低于4%，與有效脈沖數法相比較，其精度更高。開閥持續時間越短，脈沖修正法越具優勢。

2.2 單次開關下的吸肥特性

電磁閥開關模式下的吸肥特性是以每單次開關下的吸肥特性為周期變化的，因此單次開關下的吸肥特性是全周期的吸肥特性的基礎。在額定工況（灌溉主管壓力0.3 MPa、施肥壓力0.1 MPa），設置開閥持續時間分別為0.3、0.5、1、2 s，測每次開閥內每個脈沖所經歷的時間，然后根據式（2）計算出每個脈沖的瞬時流量，不同開閥持續時間的瞬時吸肥流量變化規律如圖4所示。

圖4 瞬時吸肥流量變化規律

由圖4可知，在電磁閥開啟時，受閥門的機械反應時間限制，肥液流動至驅動霍爾流量計葉輪具有一定的滯后性，因此第一個脈沖所經歷的時間較長，流量較小。但電磁閥剛開啟時文丘里施肥器喉部的負壓較大，逐步將壓能轉化為肥液動能，吸肥流量迅速增至最大，但其吸肥流量迅速衰減直至平穩。不同開閥持續時間內的最大瞬時吸肥量約為47.65 L/min，無明顯差異，且瞬時吸肥流量變化規律是一致的，只是開閥持續時間決定了其工作的時間階段。圖4顯示，在0.3 s開閥持續時間時，其瞬時吸肥流量才從最大吸肥量開始衰減，而當開閥持續時間大于1 s時，其吸肥已經處于吸肥穩定階段。由以上分析可知，單次開關下的吸肥規律是一致的，但電磁閥連續開關模式下，閥開關持續時間對瞬時吸肥特性有較大影響，因為文丘里施肥器蓄能和放能都是一個持續的過程。

為研究開閥時間對平均吸肥流量的影響，在灌溉施肥機額定工況下，設置相同關閥持續時間1 s，分別設置開閥持續時間為0.5、1、1.5、2、3、4、5、6、7和8 s，分別記錄每次開關時每個脈沖的持續時間、總脈沖數和有效脈沖數。根據（6）式計算出一個開閥持續時間內的平均流量，圖5a為開閥時間與吸肥平均流量及無效脈沖數的關系，可知每個開閥持續時間內的平均流量隨著開閥時間增長快速減少，當開閥時間大于5 s時，其吸肥平均流量趨于10 L/min穩定不變，其無效脈沖數不隨開閥時間變化，均為6個。必須指出，文丘里施肥器的吸肥平均流量值及其穩定的開閥時間與文丘里施肥器規格、施肥器進出口壓差、電磁閥安裝位置等有關，但其基本規律是相一致的。

同樣地，設置相同開閥持續時間1 s，分別設置不同關閥持續時間為1、2、3、4、5、10、11、12和20 s，分別記錄每次開關時每個脈沖的持續時間、總脈沖數和有效脈沖數。關閥時間與吸肥平均流量及總脈沖數的關系如圖5b所示。結果顯示，關閥時間越短，總脈沖數和平均流量越小，其主要原因是較小的關閥時間內，蓄能過程不充分，當關閥時間大于10 s后，其總脈沖數和平均流量趨于不變，因為該時間內已完全蓄能，其喉部壓力達到極限真空度。

2.3 多次開關下的吸肥性能

在智能水肥一體機中，通過調節電磁閥開關的PWM信號，控制電磁閥開關時間實現吸肥流量的調節。因此開展多次開關下的文丘里施肥器吸肥性能研究，為探究PWM方式下施肥機的吸肥特性提供基礎。在額定工況（灌溉主管壓力0.3 MPa、施肥壓力0.1 MPa），設置電磁閥的開閥時間為1s，在關閥時間分別為0.3、0.5、1、2和4 s下，分別記錄連續10個開關周期內每個周期的脈沖數，通過式（5）計算出每個開關周期內的平均流量，如圖6所示。

圖6 多次連續開關下的平均流量

由圖6可知，多次連續開關下，第一個周期的平均流量較大，其余周期內的流量不變。其主要原因是在開閥前系統停止時間長，文丘里管喉部積累了較多的能量，當電磁閥開啟時其吸肥流量最大，在后續開關時，其蓄能時間是相同的，因此其吸肥量不發生變化。而隨著關閥時間變長，其吸肥平均流量也增大，這與圖5b顯示的結果相一致。

2.4 施肥壓力對吸肥特性影響

文丘里施肥器的喉部壓力與其進出口壓差有關，從圖4的分析可知，喉部壓力是影響瞬時吸肥量的最重要參數。因此研究不同進出口壓差下單次開關、連續開關的吸肥特性很有現實意義。

在灌溉主管壓力為0.43 MPa下，設置開閥時間為1 s，關閥時間為10 s，分別調節施肥器進口壓力為0.1、0.2、0.3、0.4 MPa，采集單次開關時每個脈沖的持續時間，計算出單次開關時每個脈沖的瞬時流量，繪制曲線如圖7a所示。設置相同開閥持續時間1 s，分別調節施肥器進口壓力為0.1、0.2、0.3、0.4 MPa，設置不同關閥持續時間為1、2、3、4、5、10、11、12和20 s，記錄每次開關時每個脈沖的持續時間，計算出開閥時間內的平均流量，繪制關閥時間與吸肥平均流量的曲線如圖7b所示。

由圖7可知，不同施肥壓力下的瞬時吸肥流量和平均吸肥流量的變化規律是一致的，但隨著施肥壓力的增大，瞬時吸肥流量變小，但在放能結束后的瞬時吸肥量不隨施肥壓力變化。分析原因為：在文丘里+施肥泵的組合結構中，吸肥量由文丘里施肥器喉部壓力決定，而其喉部負壓由文丘里進出口壓差和施肥泵工況共同決定，難以從理論上分析出定量的規律。但從圖7的曲線分析，施肥壓力越大，流經文丘里進入施肥泵的流量越大，而施肥泵的出口壓力（灌溉主管壓力）也較大，導致施肥泵工作能力減低，致使吸肥流量隨施肥壓力升高而降低，但在13個脈沖后流量保持穩定，而且其瞬時流量與施肥壓力無明顯關系。圖7b不同施肥壓力在不同的開閥時間下的平均流量變化曲線可知，平均流量會隨著施肥壓力增大而減小，但開閥時間大于10 s時，其平均施肥量不隨關閥時間增長而變大。

圖7 施肥壓力對吸肥特性影響

3 結論與討論

本文主要采用霍爾流量計來測量文丘里施肥器的吸肥流量，研究在電磁閥開關模式下文丘里施肥器的吸肥特性，得出結論有：

1）在電磁閥連續開關模式下，傳統基于總脈沖數法的流量計的測量精度很低，不能滿足實際要求。而基于脈沖修正法的測量精度比基于有效脈沖數法更高，在開閥持續時間為0.3～2 s時間內，其相對誤差均低于4%。

2）在電磁閥連續開關模式下，施肥器相當于一個不斷蓄能與放能的過程。單次開關下的施肥器吸肥特性試驗結果顯示，施肥器的最大蓄能時間（抽真空）為10 s，而最大放能時間（吸肥量穩定的時間）為1 s。

3）在文丘里+施肥泵的組合結構中，施肥壓力越大，吸肥流量越小，但對文丘里施肥器的蓄能和放能過程無明顯影響。

4）在電磁閥連續開關模式下，在最大蓄能和放能時間內，文丘里施肥器的吸肥量隨開閥時間變長而減小，隨關閥時間的變長而增大。

本文在額定工況下研究了電磁閥開關模式下文丘里施肥器的瞬時吸肥量和平均吸肥量的變化規律，深入闡述了文丘里施肥器的宏觀與微觀吸肥特性，對電磁閥與文丘里施肥器的組合使用提供技術參考。文丘里施肥器與施肥泵組合使用中的吸肥特性相對復雜，特別是文丘里工作參數、施肥泵工作參數及管路內的壓力流量特性都值得后續更多的關注，在多通道水肥一體機中，電磁閥在不同PWM信號下的吸肥特性，以及文丘里施肥器、施肥泵與電磁閥組合結構中，管路壓力流量對組合結構的吸肥特性影響等均需深入研究。

[1]韓啟彪，黃興法，范永申，等. 6種文丘里施肥器吸肥性能比較分析[J]. 農業機械學報，2013，44(4)：113－117. Han Qibiao, Huang Xingfa, Fan Yongshen, et al. Comparative analysis on fertilization performance of six Venturi injectors[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(4): 113－117. (in Chinese with English abstract)

[2]金永奎，盛斌科. 一體化全自動灌溉施肥機設計與試驗[J]. 中國農村水利水電，2019(8)：63－68. Jin Yongkui, Sheng Binke. The design and test of automatic integrated tertigation machine[J]. China Rural Water and Hydropower, 2019(8): 63－68. (in Chinese with English abstract)

[3]李茂權，朱幫忠，趙飛，等. 水肥一體化技術試驗示范與應用展望[J]. 安徽農學通報，2011，17(7)：100－101.

[4]Xu Erqi, Wang Rui, Zhang Hongqi, et al. Coupling index of water consumption and soil fertility correlated with winter wheat production in North China Region[J]. Ecological Indicators, 2019, 102 (2): 154–165.

[5]Araya A, Prasad P, Gowda P, et al. Modeling irrigation and nitrogen management of wheat in northern Ethiopia[J]. Agricultural Water Management, 2019, 216 (2): 264–272.

[6]王振華，扁青永，李文昊，李朝陽. 南疆沙區成齡紅棗水肥一體化滴灌的水肥適宜用量[J]. 農業工程學報，2018，34(11)：96－104. Wang Zhenhua, Bian Qingyong, Li Wenhao, et al. Suitable water and fertilizer amount for mature jujube with drip-irrigation under fertigation in southern Xinjiang sandy area[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(11): 96－104. (in Chinese with English abstract)

[7]張計峰，耿慶龍，梁智，等. 根區孔下滴灌施肥對新疆紅棗產量品質和氮磷鉀利用影響[J]. 農業工程學報，2019，35(12)：65－71. Zhang Jifeng, Geng Qinglong, Ling Zhi, et al. Effects of drip fertigation around root zone on yield and quality of red jujube and utilization of nitrogen, phosphorus and potassium in Xinjiang[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(12): 65－71. (in Chinese with English abstract)

[8]Dai Zhangguang, Fei Liangjun, Huang Deliang, et al. Goupling effects of irrigation and nitrogen levels on yield, water and nitrogen use efficiency of surge-root irrigated jujube in a semiarid region[J]. Agricultural Water Management, 2019, 20(3): 146－154.

[9]金永奎，夏春華，方部玲. 文丘里施肥器系列的研制[J]. 中國農村水利水電，2006(5)：14－17. Jin Yongkui, Xia Chunhua, Fang Buling. Research and development of venturi fertilizer applicator series[J]. China Rural Water and Hydropower, 2006(5): 14 – 17. (in Chinese with English abstract))

[10]張建闊，李加念，吳昊，等. 基于雙吸肥口的低壓文丘里施肥器設計與試驗[J]. 農業工程學報，2017，33(14)：115－121. Zhang Jiankuo, Li Jianian, Wu Hao, et al. Design and experiment of low pressure venturi injector based on double fertilizer inlets[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(14): 115－121. (in Chinese with English abstract)

[11]張磊，張育斌，魏正英，等. 文丘里注肥器的參數化結構設計[J]. 節水灌溉，2018(9)：83－86. Zhang Lei，Zhang Yubing, Wei Zheng ying, et al. Parametric design on structure of venturi injector[J]. Water Saving Irrigation, 2018(9): 83－86. (in Chinese with English abstract)

[12]李家春，田莉，周茂茜，等. 水肥一體化施肥機關鍵部件的設計與試驗[J]. 中國農村水利水電，2018(10)：148－152. Li Jiachun, Tian Li, Zhou Maoqian, et al. The design and test of key parts of water fertilizer integrated applicator[J]. China Rural Water and Hydropower, 2018(10): 148－152. (in Chinese with English abstract)

[13]孔令陽，范興科. 文丘里施肥器吸肥性能試驗研究[J]. 節水灌溉，2013(7)：4－6. Kong Lingyang, Fan Xingke. Experimental study on fertilizer suction performance of Venturi injector[J]. Water Saving Irrigation, 2013(7): 4－6. (in Chinese with English abstract)

[14]王秋良，王振華，吳文勇，等. ATP文丘里施肥器喉管結構優化與流場計算[J]. 排灌機械工程學報，2018，36(9)：830－835. Wang Qiuliang, Wang Zhenhua, Wu Wenyong, et al. Throat structure optimization and flow field analysis of ATP Venturi ferti-lizer applicators[J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering(JDIME), 2018, 36(9): 830－835. (in Chinese with English abstract)

[15]Xu Yuncheng, Chen Yan, He Jianqiang, et al. Detection of cavitation in a Venturi injector with a combined method of strain gauges and numerical simulation[J]. Journal of Fluids Engineering Transactions of the ASME, 2014, 136(8): 130－137.

[16]李百軍，毛罕平，李凱. 并聯文丘里管吸肥裝置的研究及其參數選擇[J]. 排灌機械，2001，19(1)：42－45. Li Baijun, Mao Hanping, Li Kai. A study on the parallel connection Venturi tube and its parameter selection[J]. Drainage and Irrigation Machinery, 2001, 19(1): 42－45. (in Chinese with English abstract)

[17]周良富，周立新，薛新宇，等. 射流式在線混藥裝置汽蝕特性數值分析與試驗[J]. 農業工程學報，2015，31(7)：60－65. Zhou Liangfu, Zhou Lixin, Xue Xinyu, et al. Numerical analysis and test on cavitation of jet mixing apparatus[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(7): 60－65. (in Chinese with English abstract)

[18]金永奎，盛斌科，孫竹，等. 水肥一體化管控系統設計與實現[J]. 農機化研究，2020(6)：29－35. Jin Yongkui，Sheng Binke，Sun Zhu, et al. Design and implementation of integrated water and fertilizer management and control system[J]. Agricultural Mechanization Research, 2020(6): 29－35. (in Chinese with English abstract)

[19]王海濤，王建東，楊彬，等. 施肥機管路布置對文丘里施肥器吸肥性能的影響[J]. 排灌機械工程學報，2019，37(6)：534－539. Wang Haitao, Wang Jiandong, Yang Bin, et al. Effect of pipeline layout of fertilizer applicator on performance of Venturi injector[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering(JDIME), 2019, 37(6): 534－539. (in Chinese with English abstract)

[20]袁洪波，李莉，王俊衡，等. 溫室水肥一體化營養液調控裝備設計與試驗[J]. 農業工程學報，2016，32(8)：27－32. Yuan Hongbo, Li Li, Wang Junheng, et al. Design and test of regulation and control equipment for nutrient solution of water and fertilizer integration in greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(8): 27－32. (in Chinese with English abstract)

[21]王海華，付強，孟繁佳，等. 模糊與PI分段調控肥液EC的優化設計與試驗[J]. 農業工程學報，2016，32(15)：110－116. Wang Haihua, Fu Qiang, Meng Fanjia, et al. Optimal design and experiment of fertilizer EC regulation based on subsection control algorithm of fuzzy and PI[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(15): 110－116. (in Chinese with English abstract)

[22]李加念，洪添勝，馮瑞玨，等. 柑橘園水肥一體化滴灌自動控制裝置的研制[J]. 農業工程學報，2012，28(10)：91－97. Li Jianian, Hong Tiansheng, Feng Ruijue, et al. Development of automatic control device for integrated water and fertilization drip irrigation of citrus orchard[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(10): 91－97. (in Chinese with English abstract)

[23]李加念，洪添勝，馮瑞玨，等. 基于脈寬調制的文丘里變量施肥裝置設計與試驗[J]. 農業工程學報，2012，28(8)：105－110. Li Jianian, Hong Tiansheng, Feng Ruijue, et al. Design and experiment of Venturi variable fertilizer apparatus based on pulse width modulation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(8): 105－110. (in Chinese with English abstract)

[24]吳爭光，楊琳. 水肥一體機EC傳感器安裝特性試驗研究[J]. 灌溉排水學報，2019，38(S1)：57－60. Wu Zhengguang, Yang Lin. Experimental study on installation characteristics of EC sensor for integrated water and fertilizer machine[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2019, 38(S1): 57－60. (in Chinese with English abstract)

[25]李龍龍，何雄奎，宋堅利，等. 基于高頻電磁閥的脈寬調制變量噴頭噴霧特性[J]. 農業工程學報，2016，32(1)：97－103. Li Longlong, He Xiongkui, Song Jianli, et al. Spray characteristics on pulse-width modulation variable application based on high frequency electromagnetic valve[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(1): 97－103. (in Chinese with English abstract)

[26]魏新華，于達志，白敬，等. 脈寬調制間歇噴霧變量噴施系統的靜態霧量分布特性[J]. 農業工程學報，2013，29(5)：19－24. Wei Xinhua, Yu Dazhi, Bai Jing, et al. Static spray deposition distribution characteristics of PWM-based intermittently spraying system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(5): 19－24. (in Chinese with English abstract)

[27]Bora G C, Schrock M D, Oard D L, et al. Reliability tests of pulse width modulation(PWM) valves for flow rate control of anhydrous ammonia[J]. Applied Engineering in Agriculture, 2005, 21(6): 955－960.

[28]劉永華，沈明霞，蔣小平，等. 水肥一體化灌溉施肥機吸肥器結構優化與性能試驗[J]. 農業機械學報，2015，46(11)：76－83. Liu Yonghua, Shen Mingxia, Jiang Xiaoping, et al. Structure optimization of suction device and performance test of integrated water and fertilizer fertigation machine[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(11): 76－83. (in Chinese with English abstract)

[29]韓啟彪，黃興法，范永申，等. 6種文丘里施肥器吸肥性能比較分析[J]. 農業機械學報，2013，44(4)：113－117. Han Qibiao, Huang Xingfa, Fan Yongshen, et al. Comparative analysis on fertilization performance of six Venturi injectors[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(4): 113－117. (in Chinese with English abstract)

[30]邱振宇，鮑安紅. 施肥器結構參數對施肥濃度影響的數值研究—基于并聯式文丘里施肥器[J]. 農機化研究，2012，34(4)：42－45. Qiu Zhenyu, Bao Anhong. Fertilization numerical studies on the impact of structure parameters on fertilizer concentration[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2012, 34(4): 42－45. (in Chinese with English abstract)

[31]張遠君，王慧玉，張振鵬. 兩項流體動力學基礎理論及工程應用[M]. 北京：北京航空學院出版社，1987.

Suction characteristics of venturi injector in solenoid valve switch ON&OFF mode

Zhou Liangfu, Jin Yongkui※, Xue Xinyu

(210014,)

The integration of fertilizer and water technology is one of the important means to improve the effective utilization rate of chemical fertilizers. The solenoid valve control mode based on pulse width modulation is the main technical means to adjust the amount of suction flow. But at present, the researches of scholars at home and abroad mainly focus on these 3 aspects: Water-fertilizer coupling effect test, venturi structure optimization and performance analysis, water and fertilizer machine pipeline design. And the venturi suction characteristics in the solenoid valves switch on and off mode was little concerned. In this paper, on the 5-channel pipeline online mixed water and fertilizer integration test platform, the hall flow sensor was used to test the instantaneous flow of single channel in the valve opening time of 0.3, 0.5, 1 and 2 s. The average flow of single switch under different valve opening and closing time. The average flow under 10 consecutive switches was calculated by pulse correction method. All the pulses and the time elapsed for each pulse were collected and recorded, and the flow rate was calculated according to the pulse total number, effective pulse number and the pulse correction respectively. The actual flow was measured by the electronic scale and compare with the calculated values of the 3 methods respectively. The results showed the relative error of the flow rate calculated by the total pulse number method was much larger than the effective pulse method and the pulse correction method, but the relative error decreases with the increase of the valve opening time. Compared with the total pulse number method, the measurement accuracy of the effective pulse method was greatly improved. The accuracy of the pulse correction method was the highest, the relative error was less than 4% during the valve opening duration of 0.3-2 s, and the pulse correction method was more advantageous when the valve opening duration was shorter. The suction characteristics test results showed that in the continuous switch mode of the solenoid valve, the shorter the valve closing time, the smaller the total number of pulses and the average flow rate. The average flow rate of each valve decreased rapidly with the valve opening time increasing. when the valve opening time was longer than 5 s, the average flow rate of fertilizer absorption tended to be stable at 10 L/min. In the combined structure of venturi and fertilization pump, the greater the fertilization pressure, the smaller the suction flow, but no significant effect on the energy storage and discharge process of the venturi injector. During the maximum energy storage and discharge time, the amount of suction flow by the venturi injector decreased with the prolonging of the valve opening time, and increased with the prolonging of the valve closing time. The test results of the venturi injector under the single switch showed that the maximum energy storage time (vacuum) of the venturi injector was 10 s, and the maximum energy release time (the time when the suction flow was stable) was 1 s. This research can provide technical support for the design and application of intelligent variable water and fertilizer machine.

venturi injector; fertilizer; experiments; solenoid valve; integration of water and fertilizer

周良富，金永奎，薛新宇. 電磁閥開關模式下文丘里施肥器吸肥特性研究[J]. 農業工程學報，2019，35(22)：277－284. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.22.033 http://www.tcsae.org

Zhou Liangfu, Jin Yongkui, Xue Xinyu. Suction characteristics of venturi injector in solenoid valve switch ON&OFF mode[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(22): 277－284. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.22.033 http://www.tcsae.org

2019-03-22

2019-07-15

國家重點研發計劃（2018YFD0201401）；中央級公益性科研院所基本科研業務費項目（S201816）；江西省重點研發計劃項目（20171BBF60018、20181ACF60027）

周良富，副研究員，博士，主要從事植保機械裝備技術研究。Email：326310253@qq.com

金永奎，研究員，主要從事節水灌溉工程技術研究。Email：120059323@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.22.033

S491

A

1002-6819(2019)-22-0277-08