（农业机械化工程专业论文）在线混药装置研制与药液混合均匀性的研究.pdf

摘要 施用化学农药防治病虫草害是农产品优质、高产不可缺少的重要手段，农药有效物质在靶标 上沉积分布的均匀程度是评价施药质量的重要指标之一，要保证农药的沉积分布均匀，除了采用 正确的施药方法外，还必须保证农药有效物质与稀释用载体在喷头喷出前和整个喷施过程中混合 均匀传统农药混药方式缺点明显：混药均匀性差，自动化程度低，计量控制不精确，环境污染 严重等针对以上问题，本文重点研究农药的在线混合与到达均匀混合时的延迟时间，以提高农 药变量喷施时的均匀度 本文从在线混药装置的两大影响因素：混合均匀性和延迟性出发，通过对流体混合理论的研 究，设计静态混合器作为混合设备；通过对流量控制理论的研究，设计使用步进电机和流量调节 阀来控制浓度结果表明：采用步进电机转动圈数与浓度变化范围的百分比对应算法控制浓度精 度能达到0 2 ；该静态混合装置对各种剂型的农药混合均匀性都能达到要求，浓度控制精确，灵 敏度高，结构简单。通过与传统混药装置的对比实验发现，对于不同的药剂类型，在线混药装置 有效地提高了药液的混合均匀程度 研究中采用四个喷头的药液浓度的c v 值为评价标准，c l r 值越小，均匀性越好。试验结果表 明：对于溶剂型药剂在线混药装置在管路达到一定长度( 试验时为1 5 0 c m ) 后对均匀性的改善不 明显，因此可适当缩短流体管路，减小延迟时间；对于中高黏度溶剂，在线混药装置能提高混合 均匀度最高2 0 0 ；对于悬浮剂，提高混合均匀度最高可达2 0 倍 关键词：在线混合，静态混合器，流量控制，变量施药 a b s t r a c t t h eu o fc h e m i e a l sp l a y $ mi l n p o r t a n tr o l ei np l a n tp r o t e c t i o n , dt h c n sd e g r e eo f c h e m i c a l sd e p o s i t i o ni s 伽eo f 酬血gm 如t o rf o r l h ec h e m i c a l sa p p l i c a 石。也h0 r d 盯t og 矗 c f f e e t i v ed e p o s i d o n 旺c e p tc o r r e c ta p p l i c a 6 m e t h o d s ，l h ee h e m i 酏锄dw a l 口s h o u l db ee o m p l e t e l y m i 】【e db e f o r ea n dd u r i n gs p r a y i n g t h e r ea o b v i o u sp r o b l e m si nm et r a d i t i o n a lw a yo fc h e m i c a l s m i x e d , e 瞽i n c o m p l e t e l ym i x e d , l o wd e g r e eo f 栅t o m a t i z a d o n , i m e e u r a c yo f m 韶霸h a n e n tc o n t r o l l m g ， 锄v i 如砌e n t a lp o l h m 吼，e r e s o 也ee m p h a s i so fl h i sd i s s e r t a 矗蚀w 鹪l a i d t h es n l d yo fa g r i c u l t u r a l c h e m i c a lm i 】【。do nl i n c 蛆dt oi l l l p 雠t h ee v a l 岫丘n gi n d i t 啊o f v a r i a b l ee h e m i 汕a p p h 训o m t h ea r l i e l e $ t a l t e d 谢t hl h er e s e a r c ho fk e yf a c t o r s m j 】【e d i 妇m 时dt i m ed e l a y f o rd l e - l i n em i 】【e r ，d 髂i 鲫e do n - l i n es t a 6 cl n i x 盯o nt h eb a s i co fh y k d ( 1 y n a m i 堪t h e o r y 觚df l o wc o n 心o l t h l y ou s i n gs t e p p e - m o t o r df l o wr e g u l a t o rv a l v eb a s e dc o n t r o lt m i tt oa d j u s td e n s i t y , 觚d 血e r e m a l 忸螂s h o w nt h a tm el x - c e i s i o nm a d es o 辞t ov a r yl e a s t 砒o 2 ，i sc r e a t e db y 血ep e r c e n to fn l c e y l m d e ra u m b e r dd e n s i t yv a r i a f i l a n g c 1 1 1 i s 蚀l j n es t a f i em 奴盯诵t h 蚴- a e e u r a e y , h i 曲彻s i 嘶t ys i m p l e8 t r u e t u r o 砌t u 懈，c a nb ea p p r o 圃a i e d 矗) fm a n yd o s a g ef o r m sa g r i c l l l t u r a l c h e m i e a l sl om e r e a s em e1 | n i f o m 姆唧耐w i 也血et r a d i t i o n a lc h e m i c a lr l l i x 盯 t h e c v v a l v 铭o f c h e m i c a l d e n s i t ys a m p l i n g t o o k f r o m f o 啊n o z z l 鹤w e l r e 哪l u a t 。d f o r 地s y s t e m t h eb e t t 仃m i 】o dt m i f o r m i t yi ss h o w n 嬲s m a l l 盯c vv a l v e t h er e 锄l 臼s h o w ：f o rt 重l es o l v 朗tf o r m c h e m i c a l ，w h e nm ep i p eg e t sad e f i n i t i v el 曲g t b ( 1 5 0 e r ai sa d o p t e dj nt l l et e s o ，m em i ) e dm f o m i t yi s n o ti m p r o v e do b v i o l l s l y ，t 0l c d u 血ep i p em g e tt h es a l n cp e r f - 鳅u a i f o r m i t yl e s sd e h yt i m e 硒 m cm i d d l e 孤dh i g hd e n s i t ys 0 1 v 咖c h i 吼m eu n i f o r m i t y b e m 喊i m p f o v e d2 0 0 丽t 1 i 血c o n l i f ”m i 】【e r ；a n df o rt h es u s p e n d i n ga g e n tc h e m i e a km eu n i f o r m i t yc a nb ei 加p r o 删m o s tt o2 0 m l i l 邱i k e yw o r d ：m i xo n l j n c ，s 伽cs t a t eb l d e r , f l o wc o n t r o l ，v 耐a b l es p r a y i n g 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：嚷p 哮汐良 时间：锄寿歹月岁日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：专f ；鲁波 导师签名： 时间：y 邝7 年厂月f ；e t时间：y 邝年多月f 夕 时间：v 幻尹年6 月c 妒日 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究意义 第一章绪论 我国是一个农业大国，农业在国民经济中占有很大的比重。而农药的投入则是保持农业持续 高产的一个重要方面，但是近年来农药使用带来的副作用已经显现出来了。农药在食物和环境中 残留毒性的积累效应日益成为严重问题：当农药使用量过大，超过了环境的自然消解能力，就会 形成毒素的积累而不同来源的食品带来的有害物质在人体内的沉积，导致了人类各种疾病的发 生，农药直接人蓄中毒事件时有发生( 孙明海，2 0 0 4 ) 随着社会的发展和中国经济的腾飞，我国粮食产量和质量已经受到世界各国的注意，特别是 质量问题，由于缺乏科学的防治方法，我国农作物农药残留量达不到国际标准，随着中国加入 w t o ，这一问题变得日趋严重，已经影响到中国的粮食出口和国际形象( 孙明海，2 0 0 4 ) 鉴于农药危害的存在，世界各国都在进行旨在减少农药投入的研究美国的目标是，在不减 低农作物产量的前提下，降低用量3 5 0 “u m e y ，1 9 9 3 ) ，并在本世纪初完成了既定目标欧共体制 订了一个统一的作物保护政策，提出并在2 0 0 0 年将农药使用量比8 0 年代平均水平减少5 0 t 雯 维星，1 9 9 3 ) 我国在这方面的工作起步较晚，近几年来也意识到研究的重要性，投入了大量的资 金进行着一系列的研究，也取得了一些进展，但与发达国家相比还远远落后( 李静，2 0 0 5 ) 目前，我国绝大多数施药还是靠手工或小型机械来完成的，施药方法和施药器械落后，大壁 农药流失到水体、土壤和大气中，农药利用率低，防治成本高，并造成严重的环境污染对于果 园喷雾，由于各果树生长的条件不一样，造成果树形状不一样，茂密程度不一样，病虫害分布不 一样；而对于田问作业，由于土壤各处的肥沃程度不同，也造成了杂草生长点不同，病虫害分布 也不是均匀性的对于这些作物生长特性，我国并没有做多的研究，一律是。地毯式”或。雨淋 式”的全面连续喷洒作业方式，不仅造成防治不到位：一些病虫害严重或杂草生长茂密的地方旋 药量不够，没有达到防治的目的，而且对于一些根本就没有什么病虫害或杂草的地方一样施用相 同的药量造成不必要的浪费。而配药方式更是采用手工配制，不仅均匀性达不到要求，而且作业 效率低下，浪费大量的人力和时间因此。新型喷雾机械和科学施药方法的研究已经追在眉睫。 变量式施药正是根据以上这些作业缺点来研究的。这种作业方式采用高速摄像机对靶标作物 进行信息采集，使用计算机图像处理技术对采集到的信息进行有效信息提取，通过单片机实现喷 头控制，实现定点定量喷雾研究人员指出，田间的病虫害或杂草并非是均匀分布的，其实是以 斑点形式发展的，然后才不断向周围进行扩散，最终布满整个田地。因此选择好时机，针对不同 的区域不同的危害程度喷施不同量不同浓度的农药既可以有效的进行防治又可以很大程度上的 节省农药，这种施药技术在国内外都进行大量的研究，已经取得了不错的成果 变量喷雾系统主要有以下几个部分组成：机载系统、信息检测系统( 传感器系统) 、变量控 制系统，微处理系统和喷雾系统机载系统用于牵引，主要给其它各部分输送功率信息检测系 统对田间作物信息及机车速度、施药压力，流量等进行实时检测，传递给微处理系统进行分析汇 总变量控制系统实现对农药的在线混合、浓度的在线控制微处理系统是整个变量喷雾系统中 的关键部分，负责接收传感器送来的各种信息，并对其进行分析处理，与需要的信息进行对比， 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 得出需要信息，发出各种控制命令喷雾系统是实施喷雾的装置 变量控制系统是变量施药机械的关键组成部分，能否根据靶标图像采集处理系统的处理结果 快速响应地实现对靶施药，将直接影响到整个机器系统的性能为了能根据施药目标的特征变化 和机组行走速度的变化自动调节喷洒剂量，达到精准施药的目的，许多学者在变量控制系统方面 进行了研究，研究的变量控制系统主要有以下几种形式。 一种是采用实时调节供液管路压力以实现变量控制的方式。但由于其施药系统采用的是固定 喷孔截面的标准喷头，调节施药系统的压力，能获得一定范围的流量变化，但改变喷雾压力，改 变的不仅是喷嘴的流量，还改变了雾滴的尺寸和雾形分布，由此会影响喷雾的质量。另外，其旌 药系统的各个喷雾单元不能独立变量，且流量变化范围很小美国喷雾公司( s p r a y i n gs y s t e m s c o ) 研制的一种施药系统( 8 4 4 - es p r a y e r c o n t r o l ) 采用了这种方式 另一种是采用注入式计量方式的变量控制系统，通过改变药液和水的混合比以调节喷药剂 量这种方法喷嘴的喷雾压力能保持恒定，同时雾滴尺寸和雾形分布不受机组前进速度的影响而 改变但是系统存在较大的喷液浓度变化的时间延迟另外，为了能使农药的浓度保持在允许的 范围内，最小的药液注入荆量被限定，因此流率变化范围较小( a 1 l f r o s t ( 1 9 9 0 ) ， l a n d e r s a j ( t 9 9 2 ) ，r a f f e l h ( 1 9 9 1 ) ，m e r p a i c e ；p c h m i l l e r ( 1 9 9 5 ) 等) 还有一种是采用多液路的方式，这种方式具有两套或多套独立工业管路，可以同时喷洒几种 不同浓度不同种类的农药而相应的，这种方式也要求独立的喷雾控制器，分别控制各套液路中 的伺服阀这种方式的优点在于能在同一点上同一时刻喷洒浓度不同种类不同的药液，但是结构 复杂，体积庞大，价格昂贵等原因使得其很难推广 本课题针对变量喷雾系统的变量控制系统进行研究，对应用于植保机械上的混合装置以及流 量控制方式做一个系统的分析，结合农药的特性和变量施药系统的要求，将这两个系统环节进行 组合试验，初步实现农药的在线混合和浓度调整，并设计出适用于变量喷雾的在线混合器结构和 流量控制装置 1 2 当前农药混合存在的问题 施用化学农药防治病虫草害是农产品优质，高产不可缺少的重要手段，评价施药质量的重要 指标之一是农药有效物质在靶标上沉积分布的均匀程度，只有农药有效物质沉积分布均匀才能做 到防治效果好、不产生药害，也最节约农药在使用高效农药( 一亩地只使用几克到几十克) 和采 用低容量喷施方法时，要达到农药有效物质在靶标上均匀沉积分布，除使用高质量的喷头并使之 合理配置，采用正确的施药方法外，还必须使农药有效物质与稀释用载体在喷头喷出前和整个喷 施过程中混合均匀在农业生产中，很少使用农药原液进行喷雾，一般都要稀释原液和稀释用 的载体混合后形成溶液、乳浊液或悬浮液对于溶液，一般仅在开始混合时需要搅拌，而乳浊液 和悬浮液的搅拌则应伴随整个喷雾过程。相对而言搅拌乳浊液比搅拌悬浮液要容易，悬浮液尤其 是在沉淀了的情况下，再将其搅拌均匀较为困难我国是个农业大国，也是生产和消费农药的大 国，长期大量的不正确使用农药，对生态系统结构和功能产生了严重的危害 同时。我国在农药使用的技术理论和技术措施上研究严重不足，人们一直认为农药的使用就 是个称量、配制的药物学问题，农药施用仍然停留在大容量大雾滴的喷雾技术上，农药施用效 2 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 率低下 当前喷雾过程中使用的农药都是在喷雾前由手工配制而成，农药的配制既没有考虑变量施药 的要求，也没有考虑到手工作业的危险和效益。众所周知，使用手工配药，配药工具为量筒，量 筒的读数是适因人而易的，配制的农药浓度就很难准确，而且在一次施药过程中，配药所使用的 量筒和容器是无限次的，中间也没有经过清水清洗处理，这样农药的浓度也就无法得知，使用木 棒搅拌溶液也很容易造成溶液的不均匀性在精准农业里，变量施药要求农药浓度能根据作物的 生长状况随时作出调整，这样手工作业肯定不能满足需要；而手工进行供药的配制还存在一定的 危险性，农药随时可能溅到操作者身体上造成潜在危害，而处理大药箱中大量混合又未使用完的 农药会造成环境污染由于每次作业需要的药液量都很大，手工配制农药对取水和药剂两个动作 重复过多，很容易造成药剂或水的泼溅或工作人员的疏忽对量的对数把握不准导致配制的农药与 需要的农药之间的误差，达不到防治效果这些低效率和危险因素的存在使得在线混合器的研究 成为必然趋势因此，喷雾机械的发展趋势是研制喷雾混药装置，在喷雾机上分别设置药箱和水 箱，使其直接注入喷雾管道系统，与水箱的清水按预先要求的比例完成在线混合 1 3 国内外发展现状 随着精准施药技术的提出，配药实现自动化己引起了国内外学者的极大关注采用自动混合 装置配制农药不仅节约了资源，而现在工业上混合装置的使用技术已经成熟，混合均匀度得到了 肯定，从而为变量施药技术的实现提供了基础。 国内外目前使用的混合装置类型很多，使用者根据各自的需求以及溶液的特性来定，主要包 括机械搅拌混合器、射流混合器、撞击混合器、动态混合器和静态混合器 静态混合器是国外7 0 年代发展起来的一种新型混合设备。其静态是相对于机械搅拌装置中 的动态搅拌器而言的，它是一种没有运动部件，但具有独特性能的搅拌混合机构它依靠设备的 特殊结构和流体的运动，使互不相溶的液体各自分散，彼此混合起来达到良好的混合效果流体 通过静态混合器时，混合元件使物流时而左旋，时而右旋，不断改变流动的方向，不但将中心的 液流推向周边，而且将周边的流体推向中心，从而获得良好的径向混合效果，管内无死区亦不发 生短路现象与此同时，在相邻元件连接处的界面上流体亦会发生自旋。这种完善的径向环流混 合作用，使流体在管子横截面上的温度梯度、速度梯度和质量梯度明显降低，从而获得良好的两 相流体的混合效果，它可以在很宽的雷诺数范围内使用( 范存良1 9 9 7 ) 国外现有静态混合器主要有美国的凯尼骺( k e a i e s ) 型，瑞士的苏尔 z ( s u l z e r ) 型，日本的东 利h i 型。国内静态混合器根据对国外的研究筛选出五种，主要有s v 型、s l 型，s k 型、s x 型 和s h 型。( 范存良1 9 9 7 ) 1 3 1 国外状况 二十世纪六，七十年日益恶劣的环境问题成为欧美国家公众和政府关注的焦点，英国、德国、 美国等发达国家开始对农药的喷洒作业进行了严格的立法要求农场主和一些草坪、公共绿地管 理者在喷洒作业时面临来自政府和公众的双重压力，因而产生了对农药安全使用技术的强烈需 求a m 3 d e n , i l c 于1 9 7 0 年在b r i t i s hc r o pp r o t e c t i o nc o u n c i l 上发文首次提出了将浓缩的化学药 3 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 液直接注入到运载水流中的注入式喷雾技术之后，众多学者围绕农艺要求，以保护环境、降低 经济损失为目标进行了大量卓有成效的研究 1 9 9 0 年t o m p k i m 等研究了直接注入式系统的喷杆管路内液体流动特征他们对注入点不同 的三种系统( 泵前注射，泵后注射和喷嘴注射) 进行了对比分析，认为直接注入式系统性能依赖 于泵( 系统泵和注射泵) 、管路特征研究结果表明：泵前注射达到期望浓度的时间为2 6 秒，浓 度最大误差为2 3 ；泵后注射达到期望浓度的时间为1 2 秒，浓度最大误差为5 到1 1 ；喷嘴 注射，消除了时间延迟，但喷杆上各个喷嘴之间喷出药液浓度差异很大( t o m p k i n s 等) 1 9 9 0 年f r o s t 开发一种比例脉冲控制器用于直接注入式系统。他认为计量系统获得期望浓度 的9 0 0 , 4 所需时间为1 0 秒，他同时研究了通过改变管径减少时间延迟，结果表明在一台常规的喷 雾机上整个系统时间延迟可减少到少于3 0 秒( f r o s t ，1 9 9 0 ) 同年w a y 等模拟了直接注入式系 统从静止到1 6k m h 作业速度时农药喷洒的准确性他们对比了传统的注入式喷雾机、带控制系 统的注入式喷雾机和没有喷控系统的传统箱内混合式喷雾机，结果表明：传统箱内混合式喷雾机 的过量喷洒的面积与总喷洒面积比率较任何一种注入式喷雾机要小( w a y 等，1 9 9 0 ) 1 9 9 3 年s t a f f o r d 和m i l l e r 开发了一套适用于可耕地杂草选控制的选择性喷雾系统该系统 由四个子系统组成：杂草片区探测系统，喷雾机实时定位系统，田块信息图和喷量控制系统他 们发现在谷物地中杂草每年均发生在同一区域他们同时提出g p s ( d g p s ) 的分辨能达到2 0m ， 系统最小延迟时间为4 3 秒( s t a f f o r d 等，1 9 9 3 ) 1 9 9 4 年r u d o l p h 和s e a r c y 研究了农药定点使用的管理措施，认为时问延迟的影响可通过软 硬件的设计减少，利用直接注入式喷雾机进行作物定点喷洒是可行的( r u d o l p h 等，1 9 9 4 ) a i - g a a d i 和a y e r s 研究对比了传统的地轮驱动式喷杆喷雾机和电子控制式喷雾机的作业性能，当作业速度 对期望速度的变化在- 7 o 到4 o 时，传统的机具施药量变化率范围为1 8 o 到5 0 0 ，电子控 制式机具施药量变化率减少到7 o 到1 o ( a l - g a a d i 等，1 9 9 4 ) g h a t e 和p e r r y 研究了一种 根据作业速度变化利用压缩空气改变注入药液流量的注入式系统在这个系统中，一个无线电传 感器和一个圆齿流量计被用于输出与车速相适应的流量变化该输出信号被输入到数据处理单元 在此单元中计算出期望值与实际值的不同该单元再控制一个步进电机带动的压力调节装置，通 过调节储存室中空气压力获得期望的流量室内和田间试验结果表明该单元在合理的循环程序控 制下能够实现模拟农药的期望用量( g h a t e 等，1 9 9 4 ) 。 m e p , , p a i c e 在传统的悬挂式1 2 m 喷杆基础上设计了一个可以实现变量施药的喷杆水通过 一个隔膜泵供压，流量通过选择不同喷头和调压阀调整。喷头分成两根独立的管路，每根管路由 一个独立的在线混药系统供药喷头四个一组，每组由一个电磁阀控制开闭这个设计可以实现 模拟施用两种不同的除草剂产品或者在两种不同的剂量之间快速切换( m e i l p a i c e 等，1 9 9 5 ) d i c g i l e se ta 1 使用一种电磁阀进行施药剂量的控制。运用脉宽调节的方法，通过每秒钟开闭 电磁阀阀门次数来调节单个喷头的喷施药量。这种控制方法虽然可以达到各喷雾单元独立调节喷 施药量的目的，但喷头的雾流呈间歇流动状态而不是连续的流动( d k g i he ta l ，1 9 9 6 ) 1 9 9 6 年x u 等进行了一个开环实验，使用一个伺服阀控制液压马达来驱动离心泵，结论是 在空间变量农用喷雾机上，采用伺服阀控制离心泵系统能获得较满意的动态响应h a s c h u e l l e r ( 1 9 9 7 ) 又研发了一种闭环控制算法用于伺服阀控制液压马达以驱动离心泵，设计了一个 源自现代控制理论的经典的p - i 补偿器应用于系统。研究指出，先进的控制理论的应用，伺服阀 4 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 控制液压马达离心泵的动力学瞬态性能被改善 a n t u n i a s s i g a d a n h aj r ( 2 0 0 0 ) 提出基于病虫害空间分布的精准施药可以通过简单的开闭系 统实现基于杂草的区块分布，可以通过考虑杂草发生密度是否超过阈值来控制是否施药的策略 来控制杂草( h e i s e l 等，1 9 9 7 ) ，更先进的系统还可以改变药液浓度和戚施药量 很多研究都表明大多数杂草物种都是以聚集形态发生的( n o r d m e y e r 等1 9 9 7 ) ，从而形成杂草 斑块，这就导致在大面积地块上进行植保作业，不只要考虑有没有草，还有考虑杂草的发生密度 而大田里杂草群体经常低于经济学防除阈值而不值得去采取措施( m o r 蛔姗等，1 9 9 5 ) 因此基于杂 草空间分布的控制措施可以减少除草剂用量，比普通全田喷施节省除草剂3 0 - - 8 0 ( n u s p le l a l1 9 9 6 , w i l e s & s c h w e i z e r1 9 9 9 ) ，即节约成本( b a l a s 乜_ e i r e ，1 9 9 8 ) 又对环境友好 澳大利亚新近研制出一种能识别杂草的喷雾器。它在田问移动时，能借助专门的电子传感器， 来区分作物和杂草，当发现有杂草时才喷出除草剂( 马辉，2 0 0 4 ) 美国f m c 公司将计算机控制系统用于果树喷雾机，该系统通过超声波传感器确定果树形状， 计算机控制系统使喷雾装置始终根据果树形状的变化而自动调节( 马辉，2 0 0 4 ) 在静态混合器的研究现状上，国外也做得比较全面7 0 年代起，国外静态混合器在苯体聚 合成生产上投入应用，并用其取代了传统的机械搅拌聚合釜、热交换器及物料混合器等1 9 8 8 年。瑞士s u l z z e r 兄弟有限公司的聚苯乙烯技术工业化，首次在日本大油墨公司化工厂以3 万蚀 的生产能力，投入生产该工艺流程中采用了s m x 型、s m x l 型和s m r 型3 种静态混合器，这 三种设备可根据情况分别进行串联组合，因此，成功地解决了连续苯体聚合技术中必须解决的混 合与传热问题。( 钦秀贤，1 9 9 5 ) b a k k e r 和l a r o c h e 用c f d ( 计算流体学) 软件对k e n i c s 型静态混合器的流动过程进行了分析， 研究了其混合过程中流体压力降和流速分布等特性。h o b b s 等通过研究相邻混合元件结合处流体 横截面的示踪粒子的轨迹线，定性的描述了其混合过程特性，同时建立了流体混合状态与流经混 合器的走向距离之间的返程，定量描述了混合性能研究结果表明，k a l i 0 8 型静态混合器的混合 过程是一个无序混合( 姬宜明等，2 0 0 5 ) 1 3 2 国内状况 我国从上世纪8 0 年代便开展r s 和( 3 1 s ，以及水稻、小麦、棉花、玉米等主要农作物生产 管理的农业专家系统的应用研究部分成果已达到实践应用水平我国于。七五”、。八五”期间， 国家科委、农业部先后组织了一些农业专家系统( 实质上是信息管理、数据库管理、计算机技术和 农业专家技术综合运用的集合) 及其工具开发研究，其中就包括作物病虫害防治专家系统。上海为 跟踪国际农业技术前沿领城，在国内率先建设精准农业的试验示范基地。开展精准施药技术的相 关研究。1 9 9 7 年，北京市植保站和农业技术推广站开始进行卫星遥感预测预报农作物产量、病虫 害的研究，可以及时对农作物产量以及病虫害的发生情况进行预测预报，其准确性要比人工预测 预报大大提高而且反应迅速( 马辉，2 0 0 2 ) 2 0 0 1 - 2 0 0 3 年，何培杰等对新型喷雾混药装置做了研究其原理是利用喷雾机高压管道内水 力完成农药与水的在线混合在2 0 0 1 年5 月作了装置的性能研究，对压强比、面积比、流量比、 密度比以及4 个阻力系数做了推导，得出了压强比和流量比性能曲线；同年8 月。对安全混药装 5 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 置进行了实验研究，重点在结构参数和工作参数对性能影响的实验研究上，对试验装置进行了改 进2 0 0 3 年对射流混合装置及混合管流场射流参数进行了研究，揭示了该装置的工作机理( 何培 杰，2 0 0 3 ) 安永生设计的系统执行部分采用电磁阀控制喷头开闭，提供速度反馈，通过比例减压阀控制 施药量，提供压力反馈，控制溢流阀( 安永生，2 0 0 4 ) 在混合装置的研究上国内相对较落后，对动态混合装置也有过研究，如何培杰等的射流混药 装置，而静态混合器目前还没有在农药混合这方面有过应用，国内对静态混合器的研究主要集中 于工业领域如压力降、流动特性与混合与传递性能分析以及结构设计等方面1 9 9 5 年，李洪亮、 马晓建等对k e n i 锵型静态混合器的流动阻力特性进行了研究，表明流体在札i 型静态混合器 内的停留时间及温度分布界与空管于活塞式之间叶楚宝等对五种静态混合器在管径相同或相近 时用于萃取的传质系数作了比较，并得出了空管管径为2 0 - 2 5 m m 时的传质系数关联式王光对 静态混合器的放大准则进行了推导，得出了适用于工程应用中的三大准则总的来说，国内对静 态混合器的研究进展上相对于国外还有很大的差距。 1 3 3 文献总结 国内农药的配制都是在喷雾之前由人工事先将药液由手工配制好，还没有做到自动化的在线 混合作业，而且对喷施农药的浓度也没有检测仪器。实验证明：尽管在药箱中有动态搅拌器不停 的运行，但由于管路传输和喷嘴性能不同造成了时间延迟，因而从每个喷头喷出的农药浓度却不 同，影响了雾滴均匀性分布 从文献中可以看出，国外在自动混药方面的研究主要基于注入式系统，而在国内则多集中于 射流混药装置的研究两者比较而言，注入式结构简单，耗能低，延迟小，但均匀性劣于射流混 药装置，而两者最大的缺点是都只注重于溶剂型的药剂，对于悬浮剂和中高黏度的药剂其混合均 匀性明显降低，不符合精确喷雾的要求在变量控制方面，国外多投入到伺服阀控制，在国内外 对变量喷雾系统进行的研究中，大多学者都针对作物识别及图像采集信息处理和雾化效应做文 章，而对于变量控制部分只限于流量的控制和固定混合在有限范围对进行浓度调节，都还没有真 正实现在线混合及自动化浓度控制。由于各种液体特性不同，到目前为止还没有能够适用于所有 液体检测的浓度计，这在一定程度上限制了在线混合的实现。但田地问使用的农药大多成份固定， 针对这些农药的特性可以设计出浓度检测和在线混合设备，尽管使用范围还有一定的限制性，但 对于目前的喷药作业来说是可行的。 1 4 研究内容和技术路线 开展在线混药装置试验研究，目的是为了在使用时能达到药、水分离。避免操作人员与农药的 直接接触，能准确、安全，可靠、高效地使用农药和消除残留物对环境的污染 研究在线混药装置和流量控制方法，初步实现变量控制喷雾本课题的研究主要解决下面几 个问题：寻求一种混合效果好又适用于农药特性的混合器安装在喷雾系统中实现农药的在线混 合；设计一种适用于喷雾系统的流量控制装置对喷雾过程中的药液浓度进行适时调整；对整个在 线混合和变量控制过程用单片机控制，实现自动化混药 6 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 通过对前人研究过的混合器和流量控制方法作一个综合分析，全面分析其优缺点和适用范 围，找出适合于喷雾作业中能实现农药的在线混合，将混合器与步进电机进行组装调试，研究出 最合适的组合模型，能初步实现浓度的在线调控，具体步骤如下： 1 5 研究目的 图i - i 技术路线 化学防治方法能高效、实时地控制突发性的病虫害，在目前乃至今后相当长的一段时期内， 化学防治、机械施药是我国植物病虫害防治的主要手段( 陈勇，2 0 0 5 ) 从环境保护和生态健康 发展角度考虑，合理正确的使用农药是未来研究重点改进施药方法，提倡微低量施药；改进喷 雾装备，实现精准施药；提高施药意识，掌握科学施药时间；改进农药配方，采用低毒、低污染 药剂 本文以变量施药技术为基础，通过对变量控制技术的研究提出流量的在线控制，实现农药的 在线混合主要实现的是：通过对混合理论及混合装备的研究，寻求一种适合于农药及在线混合 的装置；对流量控制理论进行系统的研究，设计可适用于喷雾系统的流量控制装置；对混合装置 及流量控制装置进行组合延时试验，研究合理的在线混合设备 7 中国农业大学硕士学位论文第二章总体设计 第二章在线混药装置设计方案 本课题是在实验室承担的国家。8 6 3 ”计划数字农业领域项目“精准农业关键技术研究与装 备研制子课题。精确施药技术与机具研究已经取得的成果基础上进行的，旨在为前期开发的 基于机器视觉的果树精确对靶喷雾系统设计实时的变量控制系统。 计算机在对作物信息进行采集处理，对病虫草害以及严重程度进行识别，通过识别后判断需 要喷施农药的浓度及用量，发送给控制装置对浓度和流量进行自动化调节，当检测到达到需求时 发送控制命令开启喷头进行施药作业前期开发的上位机能够通过摄像头实时采集到树木( 的图 像，并对图像进行必要的预处理( 主要是特征增强) ，然后将果树从环境中分割出来，提取树冠 轮廓以及分布等特征信息，按这些特征信息将图像分区，最后表达为若干位二进制数来表示相应 区域是否要喷药。 2 1 变量施药系统 变量施药技术针对果树和田地间实现间歇式喷雾。由于果树成长的特点，相邻果树间存在间 隙，连续喷雾造成农药浪费，而每棵果树由于生长条件不同，树冠的形状也不同，造成树冠间存 在大大小小的空隙，且病虫害的发展并不是树的整体都有，而是分成不同的区域。田地间的情况 依据病虫草害的情况不同也是按区域来分布的具体情况如下图。( 肖健，2 0 0 5 ) 黝图像妍小瞰撇雾撒然 图2 - 左图是原始图像，右图是分区- - 进制表达后的图像( 果树) 圈2 - 2 地块分布图( 大田) 当前的变量施药系统可分为两种：一种是基于地图的，一种是基于实时传感器的 基于实时传感器的变量施药技术通过摄像头采集到的图像信息通过图像处理按上述图像划 8 中国农业大学硕士学位论文 第二章总体设计 分，每一个区域对应一个喷头当某喷头对应的区域有病虫草害情况时，开启该喷头进行喷雾， 喷雾的药液量和浓度依据病虫草害的严重程度来决定整个喷雾流程如下图2 - 3 所示，图中虚线 筐内表示我的研究范围 基于地图的变量施药系统是建立在。3 s ”基础上的，其原理是通过g p s 对果树或地块信息 进行定位，提前做好变量施药的处方图( 图2 - 1 、2 - 2 ) ，在实际施药过程中，使用r s 和g p s 对 机车定位，按照处方图对不同的地块喷洒不同流量和浓度的药液相对于基于实时传感器的变量 施药系统，给予地图的变量施药系统是实行要求没有那么严格，因为我们可以根据处方图提前输 入需要的流量和浓度值，只需要在到达位置时提取出来就行了但这种施药方式每次施药都需要 做处方图，因为气象等外界因素的改变每次施药量也是不同的，从而增加了施药工序而控制这 种施药方式中的流量和浓度的方法与基于实时传感器是相同的，如图中2 - 3 种虚线所致。 - _ 图2 - 3 变量施药系统流程 2 2 在线混药装置的整体设计要求 在线混合器是用于变量喷雾系统中，是实现在线农药混合的设备，要满足在线作业的要求， 因此整体延时性和混合均匀度是重要的参数，同时，在线混药装置要实现的是自动化的农药混合， 要求能根据靶标信息的特征配置需要的农药，针对不同的区域喷洒的农药浓度不同，即实现浓度 的调节 从延时角度来讲，需要考虑传输通路的长短，包括液体流经的管路和电子信号的传输通路尽 量短；机械动作部分的动作时问和响应时间要快：电子元器件的启动时间、开闭时间、继电器电 磁阀的动作时间迅速。 从混合均匀度的角度来讲，混合的均匀程度与混合设备的混合性能、被混体系特性、流率比 9 中国农业大学硕士学位论文第二章总体设计 及流速有关流率比大小对混合难易有相当的影响，流率相差越大，混合难度越高而不同的药 剂类型对混合强度要求不一样，农药的剂型有溶剂、乳化剂、悬浮剂以及固体粉末，我们要求的 混合器不仅要适用于这些剂型的混合，而且要在尽可能短的时间内达到较好的混合均匀度 除了上述两个主要因素外，系统的能耗系数也是一个重点评价指标从节约能耗的角度讲， 考虑到实际喷雾作业中农药浓度较低，且变化范围不大。因此药剂管的管路直径可适当减小，这 样对流量调节装置的功率就可以降低，也可以提高调节的精度同时尽可能的选择耗能低的混合 器结构进行混合 2 3 在线混药装置设计方案 图2 - l 在线混合器结构示意图 在线混药装置的工作流程是，首先是关闭流量调节阀，打开水泵，让装置在规定的压力下进 行喷雾作业，开药泵，然后从键盘输入需要的药液浓度，单片机接收到数据，依据数据计算步进 电机应该转动的圈数，通过流量调节阀控制药液流量与水进行混合 2 4 各单元的设计要求 由于实际施药过程中农药的浓度一般在5 ，药液浓度很低，因此药剂流量要求不大，药 泵可使用功率相对较小一点的泵，为了不造成农药的浪费，药剂管路应尽可能短，当喷雾停止时， 不会有过多的药剂停留在管路中，药剂流量使用截流阀控制，截流阀的阀门与步进电机相连接， 通过控制步进电机的转动圈数来控制截流阀的开度大小，从而在水的流量不改变的情况下，只需 要改变药剂流量就能达到改变混合药液浓度的目的。 截流阀用来调节药液的流量因为要实现的是变量喷雾，需要随时根据田问信息改变喷施浓 度当当前需要的浓度改变时，控制系统得到信息做出分析，当前需要浓度大时就发出命令加大 伺服润的开度，增大药剂流量，由于水的流量保持不变，也就相当于增加了农药浓度；反之就减 小伺服阀开度 根据施药经验知道，田间作业的农药浓度一般都在1 0 以下，即所需要的农药的浓度很小， 1 0 中国农业大学硕士学位论文第二章总体设计 变化范围也不大。因此本设计中采用针型注入式管头直接将药剂注入水管中，随水流一起进入混 合器( 形成一个小型的注入式混合装置) ，这样虽然药剂的调节量不大，但由于药剂的流量很小， 调节时误差也不会很大，同时可以在进入混合器前使流体先进行一次预混和，从而达到更好混合 效果更好的要求 混合器是使两种流体在进入喷杆前达到均匀混合的装置混合过程就其本质而言为二种相溶 液体的混合，即所谓分布混合而另一类涉及互不相溶二种液体的混合，即所谓分散混合，一相 要分散成液滴与另一相混合，不光有分砸混合均匀问题，还有液滴大小与大小分布的问题因此， 对于不相溶液体的混合，需要有更强的剪切效果从液体混合机理上看，混合器对流体的分流合 流剪切效果越强烈，混合后的均匀度越好而为了照顾到田间作业中的功耗问题，本研究中选用 静态混合器 喷杆是变量喷雾的最终实现工具。每一个喷头对应一个变量区域，区域内的作物信息决定喷 头喷出的药液浓度为研究在线混药装置的混合均匀度，以四个喷头喷出的药液浓度为对象，分 别测量其浓度，观察浓度的差异性和均匀度的关系 中国农业大学硕士学位论文第三章硬件设计 第三章混合器结构设计与流量控制 本研究中硬件设计分为两个部分，混合器的结构设计和步进电机的流量控制系统设计 3 1 混合装置的设计条件 混合装置除考虑混合效果外，还应该考虑介质的特性、使用的场合、功耗，易操作性等要求。 具体如下： ( 1 ) 介质的特性方面农药的剂型繁多，有溶剂、悬浮剂，乳化剂、固体颗粒和粉末，而 且流体的黏度也各不相同，对于不同的剂型，混合要求的条件不同，选择的混合器要尽可能的适 用于大多数的农药混合 ( 2 ) 使用的条件对于动态混合装置，由于具有机械运动部件，磨损和耐用度将大受影响， 而且运动部件使得混合器的密闭性也受到影响。 ( 3 ) 功耗机械运动部件要消耗功耗 波兰学者s t r e i f f 对静态混合气的能耗做了以下分析：对于静态混合器， 层流时有 形；互陲1 2 ( 1 ) 2 l dj 湍流时有 矿= 害忍陪1 2 对于动态混合器，层流时有 矿：! 生芝 ( 3 ) 石p d 湍流时有 矿：! p * 0 2( 4 ) 石n d 式中：w - 能耗系数，l 均化段长度， 一压降系数，d - 混合器长度，一雷诺数，p 一混合器 能耗，0 混合时间，p 液体密度，1 1 0 动力粘度( 李纯煦，1 9 9 5 ) 根据s t r e i f f 的定义，可以推导出静态混合器的能耗要比动态混合器的小一个数量级 ( 4 ) 易操作性。混合器要求结构简单，操作方便，适合中国的国情，易于被大多数施用者 掌握使用 ( 5 ) 经济效益由于机械活动部件的磨损及耐用问题，将不可避免地要加大经济投入，性 价比就会降低，也影响了推广 本研究在综合各种条件的前提下，采用注入式作为混药基础，在注入式后加一级静态混合器， 以保证在最短的时间内达到满足喷洒浓度的均匀性要求静态混合器是依靠设备的特殊结构和流 体的运动，使两种流体各自分散，彼此混合起来，达到良好的混合效果，对于乳化剂的混合是理 想装备，而且能在很宽的雷诺数范围内使用，完全适用于农药的混合静态混合器没有机械活动 部件，磨损程度大大减少，维修量也减, j , - y ，也就增加了耐用性，减少了经济投入，提高了性价 1 2 中国农业大学硕士学位论文第三章硬件设计 比；依靠特殊结构和流体本身的运动来混合，不需要作业人员的操作，增加了易操作性，便于推 广；没有机械活动部件，减少了功耗 3 2 混合理论研究 静态混合器的结构按照要求来设计，为了满足最短的时间内均匀混合以及能对中高黏度药剂 也能有较好的混合均匀性，需要静态混合器能产生较强的湍流形态，因此这里首先想到采用扭曲 型叶片其理由是，随着流速的增大，在流动的断面方向会产生