射流混藥器改進提高混藥均勻性及動態濃度一致性

代 祥，徐幼林，陳駿陽，鄭加強，宋海潮,2，馬魯強

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射流混藥器改進提高混藥均勻性及動態濃度一致性

代 祥1，徐幼林1※，陳駿陽1，鄭加強1，宋海潮1,2，馬魯強1

（1. 南京林業大學機械電子工程學院，南京 210037；2. 南京工業職業技術學院機械工程學院，南京 210023）

提高噴嘴直接注入式變量噴霧系統中混藥器濃度一致性與均勻性同樣重要。該文根據多孔板穿過流脈動衰減原理提出了夾層孔管式新型混藥器，并以普通射流混藥器為參照進行在線混合試驗，基于圖像進行在線混合瞬時均勻性及動態濃度一致性分析。結果表明：單視角圖像誤差較小，算法適用性強；載流流量及混合比的增大能提升均勻性及一致性；與射流混藥器相比，夾層孔管式混藥器試驗條件下（800 mL/min<載流流量<2 000 mL/min，4:100<藥水混合比<10:100）平均瞬時不均勻性指數從16.70降至14.76，并在藥水混合比>9∶100或載流流量1 400 mL/min時普遍降至約13.00，達到均混效果；其雖難以保證所有工況下混合均勻，卻顯著提高了脈動注入時混合液濃度一致性，平均動態濃度不一致性值從0.039降至僅0.011，試驗條件下只要混合比>5∶100, 或注藥頻率>5.10 Hz，動態濃度不一致性指數均低于0.020，滿足濃度一致性要求；由于夾層孔管式混藥器相對射流混藥器在瞬時均勻性上的優化沒有動態濃度一致性明顯，且夾層孔管式混藥器的瞬時不均勻性指數值與動態濃度不一致性值相關性僅為0.684，低于射流混藥器的0.848，因此未來夾層孔管式混藥器的進一步優化應以均勻性為主要目標，即使提高濃度一致性也可能提高其混合均勻性。

農藥；圖像處理；混合；植保機械；夾層孔管式混藥器；瞬時混合均勻性；動態濃度一致性

0 引 言

精準變量噴霧可有效減少農藥浪費、提高病蟲害防治效果并保護生態環境[1-2]。在植保機械領域中，根據需要實時混配農藥與水的直接注入式變量噴霧系統（direct injection system，DIS），可有效避免預混式變量噴霧中存在的剩余藥水處理以及人藥接觸的問題，從而實現農藥節約、環境保護及作業安全[3-4]。噴嘴直接注入式變量噴霧系統（nozzle direct injection system，NDIS）雖進一步解決了影響DIS噴霧精確性的響應延時問題，但是卻存在藥水混合均勻性不足及藥水難以精確配比等缺陷[5]，這關系到NDIS是否真正能夠實現精準施藥[6]。

為了促進藥水均混，NDIS中主要采用藥水混合裝置，包括能夠混合水溶性農藥的靜態螺旋混合器[7]以及射流混藥器[8-9]，或者是二者組合設計得到的能夠有效混合脂溶性農藥的旋動射流混藥器[10]；為了進行藥水精準配比，由于射流吸入式對工作條件要求嚴苛，因此農藥的供給一般仍通過外部設備，如容積式計量泵直接注入或者基于脈寬調制技術（pulse width modulation，PWM）控制的電磁閥間接注入完成[11-12]，其工作原理決定了農藥供流不連續的特征，從而導致藥水混合濃度波動。這種注藥量的脈動在藥泵低轉速小流量供藥或者電磁閥低頻供藥時表現尤為明顯[13]。精準變量噴霧機實際工作中，這些并非由于目標施藥量改變所導致的藥水濃度波動，在注藥頻率與噴霧機行進速度不匹配的條件下易導致噴霧誤差，并降低施藥精確性，因此提高混藥器在線混合動態濃度一致性與瞬時藥水分布均勻性同樣重要[14]。

依據圖像處理進行在線混合流動特性分析是一種新穎且實用的方法[15]，但是由于圖像處理算法的優劣對處理結果影響較大，需要更精確的圖像算法[16-18]。本文根據多孔板穿過流脈動衰減原理提出帶有混合濃度脈動衰減結構的夾層孔管式在線混藥器，并將其在應用容積式計量泵直接注入黏性水溶性農藥的條件下與普通射流混藥器的在線混合效果進行對比測試，探究夾層孔管式混藥器在線混合瞬時均勻性與動態濃度一致性的規律；基于單幀圖像的混藥器均勻性檢測算法進行任一時刻圖像的藥水混合分布均勻性計算，以時間序列上農藥濃度變化進行動態條件下的濃度一致性度量，從而完整描述NDIS中農藥在線混合效果，擬為實際的農藥在線混合提供可靠的工況參照，并為未來混藥器的優化提供思路。

1 夾層孔管式在線混藥器設計

1.1 普通射流混藥器脈動注入條件下混藥局限性

以射流混藥器（混藥器A）作為普通混藥器樣本進行參照對比，如圖1所示，其依托細長混合管所產生的射流以及混合管中較強的湍流作用實現藥水摻混。混藥器A的混合管直徑為4mm，長度為20mm，注藥口直徑為4 mm，進水口及進藥口直徑分別是13及7 mm[19]。

1. 進水口 2. 收縮管 3. 混合管 4. 進藥管 5. 注藥口 6. 擴散管 7. 檢測管

應用普通射流混藥器時，農藥直接注入的方式使得注藥輸出壓力及流量會迅速響應，因此混藥器A難以對注藥壓力及流量的脈動作用產生抑制，這與普通液壓管路存在的脈動效應類似[20]，從而造成混合液濃度不一致，難以達到精準施藥目的。圖2給出了采用混藥器A進行在線混藥不同時刻的混合效果，在應用計量泵導致農藥脈動注入條件下，不同時刻興趣區域（region of interest，ROI）內圖像亮度差異明顯，說明時間序列上實際混合液濃度不連續，因此即便混藥器A最終可實現較高的混合均勻性，但在時間序列上亦具一定的差異。

注：ROI為圖像中興趣區域。

1.2 夾層孔管式在線混藥器結構設計

為了提高混合濃度一致性并獲得較好的混合均勻性，借鑒多孔板穿過流會衰減流動脈動的特性，設計了夾層孔管式在線混藥器（混藥器B），其結構如圖3所示。分布著注藥口的夾層起到多孔管的效果，其脈動衰減原理類似于阻性消聲，農藥液流經過夾層上的細孔進入水流時流動變得紊亂，部分脈動能量轉化為熱能耗散；且多個夾層空心室的組合則起到使壓力波產生反射并產生干涉的作用，其原理相當于抗性消聲[21-22]。由于脈動抑制效果隨開孔數量增多而增大，但增大趨勢緩和[23]，因此結合可使用普通3D打印進行加工的技術要求，綜合確定穿孔直徑為1mm，夾層壁厚為1.2mm，穿孔綜合分布率（穿孔占注藥夾層面積比）在5%～8%之間[24]。為增加截面上農藥分散效果，設置3層注藥夾層，在進水管直徑保持13 mm的基礎上相應膨脹管最大直徑也達到26 mm。穿孔沿夾層周向分布，其余尺寸與混藥器A一致。該結構實現了管路截面上的農藥多點注入，直接實現農藥在管路中的多點分布，因此與普通射流混藥器促進藥水均混的原理不完全相同。

1. 進水口 2. 收縮管 3. 進藥管 4. 注藥口 5. 膨脹管 6. 注藥夾層 7. 檢測管

2 在線混合試驗及混合效果評價方法

2.1 試驗系統

試驗系統[25]如圖4a及4b所示。在采用甘油（質量分數98%，密度1 250 kg/m3，黏度600 mPa·s）中加入黃綠熒光劑，模擬黏性農藥進行試驗以確保試驗安全性[26]，載流為清水。分別安裝混藥器A及混藥器B進行變工況在線混合試驗，藥水混合液在混藥器后的檢測管中不同位置、不同時刻的農藥濃度不同均會造成成像亮度差異，從而可以被高速相機檢測并成像，圖像以10位整形數據存儲。

因由圖4a系統采集的是混藥器單個成像平面上的投影效果，為考察試驗條件下基于相機水平視角方向的單視角圖像進行混合效果評估的準確性，本文又進一步針對部分工況下同時采集的垂直相機視角方向上的圖像進行了分析，觀察2個方向上計算結果的差異性，并測試只采用水平方向圖像進行混合效果檢測的可行性，準確性以及相應誤差。垂直視角方向上的圖像采集依靠三棱鏡的反射效果進行，三棱鏡安裝如圖4c所示，檢測管軸線平行于地面以及相機成像平面，三棱鏡的2個垂直面分別平行于地面以及相機成像平面，保證單個鏡頭采集2個視角圖像在時間序列上的一致性和準確性，相機鏡頭距離檢測管前緣及平行于相機成像平面的三棱鏡垂直面的距離均為400 mm。

1. 水箱 2. 安全閥 3. 水泵 4. 流量控制閥 5. 壓力變送器 6. 渦輪流量計 7. 藥箱 8. 藥泵 9. 混藥器及檢測管 10. 高速相機 11. 紫光燈 12. 系統控制器 13. 圖像采集電腦 14. 廢液箱

2.2 在線混合試驗參數設置

試驗參數包括混合比，載流流量(mL/min)，與及注藥量(mL/min)關系為

P=Q/Q，其中Q=αF（1）

式中為試驗系統中注藥頻率(Hz)與注藥量Q間的線性系數。

注藥所采用的計量泵經過流量校準，可通過調節精準調節注藥量。在草甘膦用于大豆病蟲害防治中，常見的藥水混合比范圍一般為體積流量比1∶10到1∶107之間[27]，本試驗中由于混合比過小會導致注藥頻率過低，考慮到實際應用中也不會出現這種極端情況，因此設定混合比高于4∶100。載流流量范圍限定在滿足噴霧需求的2000 mL/min以內，用于進行水溶性農藥噴霧[25,28]。表1為變工況在線混合試驗的具體安排表，試驗通過同時改變及取得了2組保持不變，而改變的工況，分別為=4.29以及5.10 Hz，用以分析一定而不同的混合效果。試驗系統所采用的載流（水）泵在試驗條件下頻率遠高于藥泵，因此不考慮載流泵脈動對混合濃度的影響，即載流為恒定流動。

表1 試驗設計

注：帶*的參數組為=5.10 Hz，而Q不同的試驗組；帶^的為=4.29 Hz對應不同Q的試驗組。

Note: The test groups marked with * and ^ performed under the conditions of=5.10 Hz and=4.29 Hz with varying carrier flow rates (Q), respectively.

2.3 基于圖像的混藥器瞬時混合均勻性及動態濃度一致性分析方法

試驗中對檢測管進行圖像采集，并從中截取ROI進行分析，因為要驗證的是混藥器出口處的混合效果，故ROI選擇在靠近混藥器出口的檢測管部分。圖像分析方法如圖5所示。在線混合瞬時均勻性指的是每一時刻農藥在檢測管中分布的均勻程度，動態一致性則指的是時間序列上混合液濃度的變化特性。用于瞬時均勻性以及動態濃度連續性圖像采集的相機幀率分別為180和540 fps，曝光度對應為4和1.8 ms，相機鏡頭焦距為16 mm，光圈值為f 2.8和f1.4。

注：PCA指的是基于主成分分析法的均勻性分析方法。

為進行瞬時均勻性的檢測，需對時間序列上連續單幀ROI中農藥分布的均勻性進行計算。在ROI感受野內劃分感受野子圖，則瞬時的混合均勻性可視為各子圖的相似性，相似性越高則瞬時混合均勻性愈佳。為評價各子圖的相似性，采用基于主成分分析法(principal component analysis，PCA)的均勻性計算方法，該方法基于圖像主成分進行子圖相似性的求取，可使得圖像整體亮度對均勻性計算結果的影響最小化，能夠彌補基于像素分布以及像素直方圖分布的均勻性計算方法中所存在的缺陷。首先，PCA變換矩陣負責將初始子圖向量進行降維。的列形成的正交子空間對應著感受野子圖協方差矩陣的主特征向量，最大特征值1對應著第一主成分特征向量，為了減少感受野子圖分布信息量的丟失和更加準確地計算均勻性值，一般根據經驗，選擇方差貢獻率r累積值≥98%對應的主成分個數[29-30]。

式中為選擇的主成分個數；r為第個主成分方差貢獻率；λ為第個特征值；為感受野子圖空間維數。

通過求取各子圖對應主特征值之間的歐氏距離表述子圖的差異性，為了區分各主特征對圖像信息重構的貢獻率，引入該主特征的方差解釋率作為各子圖間該對應主特征值間歐式距離的加權。因此，任意2個感受野子圖之間的歐氏距離可定義為

均勻性定義為感受野子圖在PCA空間里的緊密度，使用其感受野子圖距離其PCA空間重心的距離衡量，該距離可定義為值，則值越小瞬時均勻性越高，因此值為瞬時不均勻性指數，其可定義為

式中為ROI中劃分的子圖數量；PC(j)為第個子圖的第個主向量特征值。

關于動態濃度一致性檢測，因ROI平均亮度值變化能反映混合液濃度變化[11]，所以測定時間序列上每一時刻ROI亮度，并對亮度值波動性進行計算。連續圖像亮度值的標準差可反映該時間段內濃度波動的大小，而變異系數（coefficient of variation，CV）值則可以描述該時間段內波動的相對平均值的大小，即可以描述區域內濃度特征值的離散程度[31]，即混合液濃度不一致性，計算過程中為避免背景亮度對計算結果的影響，實際CV計算中的均值指的都是經過背景差分運算后的均值大小，差分對象為同樣試驗條件下的清水圖像。在混合過程中，CV值大說明不同時刻ROI間亮度差異較大，即ROI混合液濃度值波動較大，濃度的一致性較差，因此CV值為動態濃度不一致性指數。

3 結果與分析

3.1 單視角圖像計算可行性驗證

從表1中35種工況下任意選擇5種進行2只混藥器雙視角在線混合圖像采集，其試驗參數以及計算結果如表2所示，對每種圖像算法，均獲得了垂直及水平2組圖像數據，可見兩視角計算結果確實存在差異，但是差異值并沒有影響10個數據的整體變化，水平視角與垂直視角計算的值的相關系數為0.998（<0.05），而CV值的相關系數為0.984（<0.05），均為強相關關系。

對水平以及垂直視角下獲得的值（或CV值）進行單因素方差分析表明，給定試驗條件下兩視角處理結果不存在顯著差異（對于值，≈0，≈1；對于CV值，=0.022，=0.883），因此數據出現冗余，這說明即便理論上單視角無法完全反映流道內的客觀信息，但是采用單視角圖像計算結果仍與多視角類似。值及CV值兩視角平均相對誤差分別為2.86%和5.37%，表明在試驗條件下采用單視角進行混藥器內的流動信息分析是可行的，采用單視角圖像處理所帶來的誤差不會影響到混藥器在線混合均勻性變化規律的判讀。因此，考慮到試驗及數據處理的方便性，實際的混藥器變工況試驗均在單視角下進行即可。

表2 部分工況下基于多視角圖像的瞬時均勻性及動態濃度一致性分析

注：D為瞬時不均勻性指數，CV為動態濃度不一致性指數，Qc為載流流量，Pr為混合比。下同。
Note：D is static mixing non-uniformity index, CV is dynamic concentration inconsistency index, Qc is carrier flow rates and Pr is mixing ratios. Same as below.

3.2 算法適用性分析

為了進一步探討本算法對脂溶性農藥的適用性，選取文獻[25]中所采集的部分脂溶性農藥在線混合圖像數據，基于上述圖像算法研究其用于脂溶性農藥在線混合評價的可行性。如圖6所示，在載流流量Q為2 000 mL/min條件下，基于PCA的均勻性算法同樣可以反映文獻[25]中的均勻性變化規律，值與文獻[25]中面積加權均勻性指數值的線性相關系數為-0.91，為強負相關關系，表明針對本文所提出的均勻性算法同樣可應用于脂溶性農藥的混合效果評價，因此具有較為廣泛的適用性。這是因為該算法的基礎是判斷ROI內各子圖的相似性，因此是最基礎的均勻性定義。而對于CV值來說，其是基于考察時間軸上農藥濃度波動進行計算的，因此只要示蹤物質、照明及相機參數合適，其CV值變化同樣能夠反映脂溶性農藥濃度不一致性變化。

注：載流流量Qc為2 000 mL·min-1。

3.3 算法閾值確定

PCA基于子圖主特征計算瞬時均勻性。因為子圖主特征不同于顯而易見的亮度等直觀特征，所以可以避免圖像整體亮度差異性變化對計算結果的影響[32-33]。加入熒光物質的農藥替代物在紫光燈照射下可清晰反映農藥的存在與濃度，在ROI內亮度值的穩定程度及某亮度特征在混藥器中位置分布的均勻性均體現混藥器中藥水分布的均勻性。因此，將基于圖像區分藥水在線混合效果時的判斷依據定義為：ROI內不存在未混合開的藥團以及明顯含藥量低的區域，且亮度變化較小，分布差異不明顯。由于經過混藥器的藥水混合液在經過噴頭時會進一步摻混，因此上述標準可有效保證噴施效果。

基于不同工況試驗獲得的圖像分析ROI內子圖差異性，圖7顯示了部分工況下的在線混合ROI圖像及其對應的值。由圖可知，當值降低至13.36時，基本滿足上述均勻性標準，無明顯藥團及無農藥區域存在，亮度穩定，分布差異較小。而當=10.96時，混合均勻性已達到很高的狀態，因此本研究擬以低于13.36的整數=13.00作為在線混合不均勻與在線混合均勻的閾值。

a. 無混藥器(Qc= 800 mL·min–1;D=34.5) a. No mixerb. 無混藥器 0.25 m水管(Qc= 2 000 mL·min–1;D=16.8)b. No mixer with mixing length of 0.25 mc. 混藥器B (Qc=1 100 mL·min–1,Pr=10∶100; D=13.36) c. Mixer Bd. 混藥器B (Qc=1 700 mL·min–1, Pr=10∶100; D=10.96) d. Mixer B

以CV值作為判斷混合濃度是否動態連續的依據，每次試驗前均對紫光燈進行充電，使得光強不變，同等濃度藥液的激發亮度相同，確保試驗結果的可對比性。通常噴桿噴霧機中農藥混合濃度CV應為5%～10%，且NDIS中CV應不大于5%[7,26]。但是根據本文實際注藥周期內極限亮度差異圖像，如圖8所示，當CV值高于0.020 （即2%）時，時間序列上混合液濃度存在明顯亮度差異，這種情況在實際噴霧中仍會造成可檢測的農藥沉積量的差異，而當CV值降至約2%時，通過圖像亮度對比難以直接分辨出檢測管內混合液濃度的變化，可認為在時間序列上混合液濃度具有較好的動態一致性。考慮到較高的標準有利于將其應用于更為嚴苛的條件下，本研究擬以CV=2%作為動態濃度一致性閾值。

a. 混藥器A(Qc=1 700 mL·min–1, Pr=5∶100; CV=0.032) a. Mixer Ab. 混藥器B(Qc=2 000ml/min, Pr=4∶100; CV=0.024) b. Mixer B c. 混藥器B (Qc=1 100 mL·min–1, Pr=10∶100; CV=0.020) c. Mixer Bd. 混藥器B(Qc=1 400 mL·min–1, Pr=5∶100; CV=0.016) d. Mixer B

3.4 混藥器瞬時混合均勻性分析

值隨混合比P的變化如圖9a所示。隨著P的上升，混藥器A的值從P=4∶100條件下的13.40逐漸遞增至P=10∶100時的21.13 (<0.01)，上升幅度為7.73，說明增大P會顯著降低混藥器A中農藥在ROI內分布的均勻程度，其混合圖像如圖10a所示，隨著P的增加，農藥在ROI內分布愈加不均勻。這固然有隨著注藥量增加，藥水之間對比度增強，使得圖像內差異化愈發明顯的因素，更重要的是因為射流混藥器僅有1個注藥口，當注藥量增大時，農藥向單側流動后才能快速分散的緣故。同樣條件下，混藥器B在P>4∶100時值則呈現出整體降低的趨勢，從最初約16.43下降至P=10∶100時的12.28（圖9a）。如圖10c所示，隨著P的上升，農藥注入量逐步增加，混藥器B可使得農藥在整個注入截面上均布，從而整個檢測區域內不含農藥的區域在逐漸減少，ROI內的差異性逐步降低至均勻狀態，當Q= 1 400 mL/min，P=9∶100時值約為13，在線混合瞬時均勻性完全符合要求。

混藥器A及混藥器B的瞬時均勻性隨載流量Q變化的關系如圖9b所示。隨著Q的上升，混藥器A不同混合比平均差異性值從Q=800 mL/min時的19.22逐漸下降至Q=2 000 mL/min時的11.55，下降幅度為7.67。這表明對于混藥器A來說，增大Q有助于提高瞬時混合均勻性。但是根據射流混藥器在P=10:100條件下的混合圖像（圖10b）判斷，Q=2 000 mL/min時的值為14.51，并未使得ROI內農藥分布完全均勻。根據圖9b，混藥器B的瞬時混合均勻性相對混藥器A 有所改善，Q在800～1 700 mL/min時平均較混藥器A降低約3.00。隨著Q的上升，混藥器B混合值亦有所下降，從Q= 800 mL/min時的16.89逐漸下降至Q=2 000 mL/min時的13.69，下降幅度為3.20，小于混藥器A，這說明混藥器B的混合均勻性受Q變化所帶來的影響小于混藥器A。與混藥器A類似，增大Q有助于提高混藥器B的混合均勻性，即增大的湍流動能有效促進了黏性農藥在水中的分散。混藥器B在P=10:100混合比下混合圖像如圖10d所示，可見當Q=1 100 mL/min,值降至13.00左右時，ROI內的亮度差異性即達到很低的狀態，混合基本均勻。

注：a圖各柱子表示5個載流流量下的平均值；b圖各柱子為7個混合比的平均值。

根據混藥器A及混藥器B的對比結果（圖9），不同Q下，混藥器B的瞬時混合均勻性整體優于混藥器A，試驗條件下（800 mL/min<Q<2 000 mL/min，4∶100<P<10∶100）平均值從混藥器A的16.70降低至混藥器B的14.76；且P較大時混藥器B明顯優于混藥器A，因此混藥器B尤其能夠彌補混藥器A在高混合比P下混合不足的缺陷。上述分析也客觀表明該基于圖像PCA的算法能夠直觀分析混藥器內部的混合效果，發現影響混合效果的本質原因，由于NDIS實際應用中噴頭的存在會進一步促進混合，這種分析方法產生誤差不會對工程使用產生負面影響，因此上述結論可以完全滿足混藥器實際應用的要求。

Pr=4∶100 (D = 13.45)Pr=6∶100 (D = 16.38)Pr=8∶100 (D = 19.84)Pr=10∶100 (D = 22.07) a. 混藥器A (Qc=1 400 mL·min–1) a. Mixer A Qc=800 mL·min–1(D = 25.79)Qc=1 400 mL·min–1(D = 22.07)Qc=1 700 mL·min–1(D = 19.48)Qc=2 000 mL·min–1(D = 14.51) b. 混藥器A (Pr=10:100) b. Mixer A Pr=4∶100 (D = 17.73)Pr=7∶100 (D = 13.79)Pr=9∶100 (D = 12.63)Pr=10∶100(D = 11.59) c. 混藥器B (Qc=1 400 mL·min–1) c. Mixer B Qc=800 mL·min–1(D = 14.28)Qc=1 100 mL·min–1(D = 13.36)Qc=1 400 mL·min–1(D = 11.59)Qc=2 000 mL·min–1(D = 11.20) d. 混藥器B (Pr=10∶100) d. Mixer B

3.5 混藥器動態濃度一致性分析

混藥器動態濃度不一致性規律如圖11所示，根據圖11a，混藥器A在不同Q下的平均CV值與P的關系呈現出整體上升的趨勢，從P=4∶100時的0.029遞升至P=9∶100時的0.043，不同P造成的CV值極差為0.015，這說明對于不具有注入脈動衰減效果的混藥器A，較高的P會造成濃度不一致性的上升。注藥量增大使得時間序列上藥液濃度波動明顯并造成了藥水對比度的增強，而當P提高到9∶100并進一步提高時，由于已經較大，CV值的上升被逐漸平穩和連續的農藥液流所抑制。混藥器B相對混藥器A具有顯著的混合濃度不一致性衰減效果，不同Q下的平均CV值從P=4∶100時的0.026下降至10∶100時的0.006，不同P造成的平均CV值極差為0.021，并在P>5∶100時明顯低于0.020，混合濃度一致性符合要求。混藥器B的混合濃度不一致性隨著混合比P的增大下降明顯，且僅在低混合比4∶100時具有較大的不一致性，混藥器B的結構有利于減輕混合液濃度不一致性。

圖11b和圖11c給出了混藥器A、B分別在=4.29和5.10 Hz下動態一致性與Q的關系，混藥器B展現出比A好的動態一致性效果。圖中可見，當Q逐漸增大時，混藥器A的動態濃度一致性逐漸提升，而混藥器B則呈現出完全相反的規律，說明NDIS中應用混藥器B施用一定量的藥液時，Q越大則動態一致性越低。綜合分析可知，增大Q使得混藥器A藥液分散效果增強，因此動態一致性提升；而混藥器B本身由于具有較好的濃度不一致性衰減特性，所以在藥水分散較好的條件下，較大的Q反而容易導致農藥在檢測管中的停留時間過短，因此使得濃度的不一致性有所增強，但是當=5.10 Hz，即便Q=2 000 mL/min，CV仍小于0.020，滿足動態一致性要求，而=4.29 Hz時則無法確保所有Q下一致性均滿足要求。試驗條件下（800 mL/min<Q<2 000 mL/min，4∶100<P<10∶100）平均 CV 值從混藥器 A 的 0.039 降低至混藥器 B 的 0.011。

圖11 射流混藥器A及夾層式混藥器B動態濃度連續性對比

圖11d給出了混藥器A、B在不同下的平均CV值與的關系，整體上，隨著的提升，2混藥器CV值均逐漸下降，混合動態一致性逐步提高，說明NDIS施用一定的藥液時，越大則動態一致性越高。混藥器A從=800 mL/min對應的0.044降低至2 000 mL/min的0.030。對于混藥器B，增大會使得農藥停留時間減小，從而降低動態濃度一致性，但這效果明顯不及增大使得增大所帶來的CV值降低的效果，其CV值從0.015降低至0.010，均小于0.020，綜合圖11可知，只要不選擇過低的及，則混藥器B在試驗條件下均滿足動態濃度一致性要求。

3.6 混藥器在線混合瞬時均勻性與動態濃度一致性綜合分析

對混藥器A、B的瞬時混合均勻性及動態濃度一致性的各35組數據分別作相關性檢驗，混藥器A的值與CV值相關系數高達0.848（<0.01），二者具有強相關關系，因此，對于混藥器A，在脈動注入條件下，當動態濃度一致性提升的時候，將會伴隨著瞬時均勻性的顯著提升，這是因為混藥器A的混合不均勻性與農藥注入脈動有很大關系。混藥器B的值與CV值之間相關系數為0.684（<0.01），弱于混藥器A，這是因為混藥器B的混合不均勻性受脈動注入影響不及混藥器A明顯，當混藥器B中混合濃度的動態一致性提升時，其混合均勻性上升趨勢沒有混藥器A顯著。根據混藥器B的瞬時均勻性及動態一致性試驗結果，結合圖9及圖11綜合判斷，當CV低至0.020時，混合液動態濃度連續，而此時對應的值仍普遍大于13，ROI內農藥分布尚存差異，均勻性尚未完全達標。

混藥器A、B的在線混合瞬時均勻性及動態濃度一致性獨立樣本檢驗如表3所示。均值方程檢驗=0.02<0.05，可認為混藥器A、B瞬時混合均勻性存在顯著差異，此外，由于混藥器A、B動態濃度不一致性指標差異更為顯著（=0.00<0.01），因此可認為混藥器B能夠在混藥器A的基礎上顯著提高混藥瞬時均勻性，但是并不及混藥器B對動態一致性的提升效果。這進一步印證混藥器B的瞬時均勻性效果有進一步優化的必要。

表3 混藥器A和B瞬時混合均勻性及動態濃度一致性獨立樣本檢驗

4 結 論

1）在本文試驗條件下，基于圖像的算法取得的水平和垂直兩視角計算結果的相關性較強，瞬時不均勻性指數與動態濃度不一致性指數關于水平與垂直視角得到的平均相對誤差僅分別為2.86%和5.37%，基于單獨視角下選取的參數閾值，亦可以有效實現農藥在線混合效果的評價。算法不僅適用于水溶性農藥的在線混合效果評價，同樣也適合于脂溶性農藥，能夠直觀分析混藥器內部的混合效果，發現影響混合效果的本質原因，這種分析方法產生誤差不會對工程使用產生負面影響，可以完全滿足工程應用的要求。

2）增大載流流量（Q）對NDIS中混藥器瞬時混合均勻性具有提升作用，當Q大于1 400 mL/min，夾層孔管式新型混藥器在混合比（P）大于9∶100時即能取得較好的瞬時混合均勻性（瞬時不均勻性指數降低至約13.00）；但是，即便在Q為2 000 mL/min時普通射流混藥器仍未能獲得充分的均勻性；P增大對不同類型混藥器的作用不同，普通射流混藥器結構導致其在高混合比時瞬時均勻性下降，夾層孔管混藥器由于夾層注入的方式避免了這一情況，相對普通射流混藥器，試驗條件下（800 mL/min<Q<2 000 mL/min，4∶100<P<10∶100）其平均瞬時不均勻性指數從16.70降低至14.76。

3）夾層孔管式混藥器雖然未能在所有工況下獲得極其均勻的瞬時混合效果，卻顯著地提高了脈動注入條件下的動態濃度一致性，相對普通射流混藥器，試驗條件下（800 mL/min<Q<2000 mL/min，4∶100<P<10∶100）其平均不連續性指數從0.039下降至僅0.011，當注藥頻率高于5.10 Hz時，無論載流流量為多少，不連續性指數均小于0.020，時間序列幾乎無亮度差異，而以混合比進行衡量時，試驗條件下當P高于5∶100時，亦可完全滿足動態一致性要求。

4）混藥器的瞬時混合均勻性與動態濃度一致性具有顯著的正相關性，因此在噴嘴直接注入式變量噴霧系統中農藥脈動注入較強時需要更為高效的混藥器；試驗條件下（800 mL/min<Q<2 000 mL/min，4∶100<P<10∶100）夾層孔管式混藥器時間軸上動態濃度不連續性指數低至0.020時，瞬時不均勻性指數仍普遍大于13.00，因此其瞬時混合均勻性仍有待于進一步優化，獨立相關檢驗也能說明其均勻性優化的顯著性弱于動態濃度一致性優化的顯著性；此外，夾層孔管式混藥器對應相關性明顯低于射流混藥器，說明其混合不均勻性并非主要源自農藥脈動注入，因此可以簡化未來針對夾層孔管式混藥器的均勻性優化過程。

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Improved jet mixer injection nozzle enhancing pesticide mixing uniformity and dynamic concentration consistency

Dai Xiang1, Xu Youlin1※, Chen Junyang1, Zheng Jiaqiang1, Song Haichao1,2, Ma Luqiang1

(1.210037,; 2.210023,)

The pesticideinjections in nozzle directinjection system (NDIS) applied in plant protection machinery generally have flow-rate inconsistency characteristics, which cause fluctuations of mixing concentration and inaccuracy of spraying. The purposes in this study were to evaluate the inline mixing efficacy comprehensively based on index of dynamic inconsistency of the mixing concentration and the inline static mixing uniformity in NDIS. A new inline mixer known as the layered mixer (mixer B) with special structures (perforated tubes) to weaken concentration inconsistency and a traditional jet mixer (mixer A) were presented to carry out the direct injection and mixing experiments under variable working conditions. Moreover, image processing methods to quantify mixture concentration discontinuities based on calculating coefficient of variation (CV) values of mean pixels brightness in ROIs was proposed. Static mixing non-uniformity index to identify static mixing non-uniformity based on principal component analysis (PCA) was also proposed. These 2 indices were used to scientifically measure the inline mixing efficacy of the mixers. The relative differences between the calculation results of horizontal viewing and the vertical viewing images were only 2.86% for static mixing non-uniformity indexvalues and 5.37% for CV values, indicating that the single horizontal viewing images could be used to obtain higher accuracy. The threshold of static mixing non-uniformity index for judging whether the mixture was uniform or non-uniform was set to be 13.00 as there weren’t non-scatted viscous pesticides remaining in the detection tube when the static mixing non-uniformity indexvalues dropped below it. In addition, the threshold for determining the concentration consistency was set to be only 2% because there weren’t apparent brightness differences between ROIs at different moments when the CV values were less than it. The increase of carrier flow rate and the mixing ratios could generally improve the static uniformity and dynamic concentration consistency of inline mixing. However, when it was under the condition of a large mixing ratio , the static mixing uniformity of the jet mixer would decline due to the pesticide accumulation in the side wall of the jet mixer. The average static non-uniformity index of the proposed mixer here reduced from 16.70 to 14.76, and reduced to about 13.00 only when mixing ratios was higher than 9:100 and carrier flow rate was higher than 1400 m/min, which could achieve uniform mixing efficacy completely. Although it was difficult for the new mixer to guarantee high static mixing uniformity under all working conditions, it could still significantly improve the dynamic consistency of the mixing concentration under the pulsation injection conditions with the average CV value decreased from 0.039 to only 0.011. Moreover, when the working condition could meet the requirements of injection frequency higher than 5.10 Hz or the mixing ratios was higher than 5:100, the CV values would decline to 0.020, which could fully satisfy the dynamic consistency requirements. The linear correlations between the static uniformity and dynamic consistency of jet mixer and layered mixer were 0.848 and 0.684, respectively. Therefore, a more efficient inline pesticide mixer should be proposed especially when the pesticide injection pulse was strong. The independent sample test results showed that the optimization of the static uniformity of the proposed mixer was less than that of the concentration consistency, which indicates that the new mixer structure has significant concentration pulsation attenuation efficacy. To conclude, further optimization on static uniformity of the proposed mixer should be proposed.

pesticides; image processing; mixing; plant protection machinery; layered mixer; static mixing uniformity; dynamic concentration consistency

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.08.008

TP391.41；S482

A

1002-6819(2019)-08-0065-10

2018-10-08

2019-03-10

江蘇省基礎研究計劃青年基金項目(BK20170930)；“江蘇高校優 勢學科”建設經費資助(PAPD)；“一流學科”建設經費資助(PNFD)；江蘇省 “333”工程資助項目（BRA2018327）

代祥，博士生，主要從事農林機械化與自動化技術研究。 Email：18852089528@139.com

徐幼林，教授，博士生導師，主要從事植保機械、現代機械設 計理論與方法研究。Email：youlinxu@njfu.edu.cn

代 祥，徐幼林，陳駿陽，鄭加強，宋海潮，馬魯強. 射流混藥器改進提高混藥均勻性及動態濃度一致性[J]. 農業工程學報，2019，35(8)：65－74. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.08.008 http://www.tcsae.org

Dai Xiang, Xu Youlin, Chen Junyang, Zheng Jiaqiang, Song Haichao, Ma Luqiang. Improved jet mixer injection nozzle enhancing pesticide mixing uniformity and dynamic concentration consistency[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(8): 64－74. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.08.008 http://www.tcsae.org