2 文丘里施肥器调控方式的试验与分析.doc

论 文 模 版文丘里施肥器调控方式的试验与分析冯瑞珏，洪添胜*，李加念,叶智杰，卢加纳（华南农业大学工程学院 南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，国家柑橘产业技术体系机械研究室，广州510642）摘 要：在水肥滴灌一体化设施中，为优选文丘里施肥器的最佳调控方式，以规格为32 mm的并联式文丘里施肥器为对象，在文丘里施肥器的进水口、出水口和与水管的并联连接处三个位置安装球阀调节压差进行试验。试验结果表明：在进水口处调节压差，浓度始终大于20%；在与水管的并联连接处调节压差，虽可实现对浓度的调节，但进口流量与压差成非线性关系；在出水口处调节压差，可在110 %范围内调节浓度，且浓度与压力比的关系可用二次多项式表示（R20.93），进口流量与进口压力、压差的乘积成线性正相关关系（R20.94），因此在出水口处调节压差能实现对进口流量和浓度的准确调控。关键词：文丘里施肥器；压差；浓度；控制性能中图分类号：S224.21论文模版0 引 言滴灌施肥具有省时、省力、省肥以及施肥均匀等特点，是作物高产、高效生产、优质的重要技术手段1-2。滴灌系统中施肥装置是非常重要的设备之一。目前滴灌系统中常用的施肥装置有压式、注入式，自压式等方式的压差施肥器、注肥泵、文丘里施肥装置等3-4。其中文丘里施肥器以其结构简单，无需附加动力，无转动部件，造价低而得到广泛应用5。* 收稿日期： 修订日期：基金项目：现代农业产业技术体系建设专项资金资助（农科教发20113号）；国家公益性行业（农业）科研专项经费项目资助(200903023) 作者简介：冯瑞珏（1985），女，云浮罗定人，硕士生，主要从事电子信息技术及测控技术应用研究。华南农业大学工程学院，广州510642。Email: 342559161通信作者：洪添胜（1955），男，广东梅县人，博士，教授，博士生导师，主要从事农业工程、机电一体化和信息技术应用研究。华南农业大学工程学院，广州 510642。Email：，农业工程学会高级会员E041200036S目前对文丘里施肥器的研究手段主要集中于应用试验与数值模拟的方法优化文丘里管结构、优化其工作性能。如基于流体力学理论，有学者建立了临界流量和吸肥量的理论模型6-8，随后提出了文丘里管结构参数对吸肥性能的影响，建立了前后压差、进出口压力比与浓度之间的关系式9-10。但并未提出在不同位置处产生压差使文丘里施肥器吸肥时，其调控方式的异同。为此，本文对文丘里施肥器进行试验，找出在不同位置处调节压差对文丘里施肥器吸肥性能的影响，进而获取一种对文丘里施肥器最佳的调控方式，为文丘里施肥器精确运行提供理论与实践基础。1 试验材料和方法1.1试验材料与装置试验选用并联式文丘里施肥器。试验装置如图1所示。文丘里施肥器两端与PVC管（直径为32 mm）并联连接。吸肥管的直径为12 mm，为防止在高压差的情况下，吸肥管变形造成吸肥不畅的问题，选用材料为硬质胶管作为吸肥管。为防止肥料混合液逆流，对水源造成污染，在距离文丘里管进水口1 m处安装逆止阀（见图1中的4）。图1中的1、2和3为球阀，5、6为流量变送器LWGB-15（量程6 m3/h，精度0.5%），用于测量文丘里施肥器进水口与出水口的主管道流量。图1中的7、8为压力变送器AOB-131（量程1 MPa，0.4级），用于检测文丘里施肥器的进水口与出水口的主管道压力。试验所需的流量和压力，由华南农业大学工程学院国家柑橘机械研究室研制的自动恒压装置（恒压值为1 MPa，精度0.02 MPa）供给。图1 文丘里施肥器的试验装置Fig.1 Experimental setup of venturi injector1.2 试验方法试验在华南农业大学工程学院进行。试验采用0.15 MPa、0.25 MPa和0.30 MPa三个水平的进口压力。每个进口压力下，分别调节图1所示的1、2和3三个位置球阀的开度，从而获取不同的压差p（进口压力与出口压力的差值记为压差）。记录通过文丘里施肥器的进口流量Q1、出口流量Q2、进口压力p1和出口压力p2 4个工作参数，并用SPSS（(Statistical Package for Social Science)、excel等软件对试验数据进行处理，找出工作参数间的关系，从而优选出一种最佳的调控方式。用常温清水模拟肥液介质，出口流量与进口流量的差值记为吸肥量q。试验过程中不断对肥液桶补水，使文丘里施肥器的吸肥口与液面高差为（230.5）cm。所有试验数据在进出口压力、流量稳定后读取，重复读取3次。流量变送器采用两线制连接，用数字万用表（型号为FLUKE 18B）读取电流值，然后根椐产品说明书提供的转换公式（1）将电流转换为流量。 （1）式中：Q实际流量，m3/h；QF流量测量上限值，m3/h；I电流输出，mA。2 结果与分析2.1 在进水口处改变压差进行调控保持球阀2（如图1）关闭以及球阀3（如图1）全开，调节球阀1（如图1）的开度获取不同的压差进行试验。由试验可得，调节球阀1的开度，可以显著改变进口压力，开度越大，进口压力越大。随着进口压力的升高，出口压力以0.01 MPa缓慢上升。当进口压力为0.26 MPa时，出口压力升高到0.02 MPa，这是由于进口压力增大时，进口流量增多，液体充满管道，从而出口压力增大。试验数据如图2和图3所示。图2 不同进口压力下的流量变化Fig.2 changes of flow rates under different inlet pressure图3 压力差与浓度的关系Fig3 Relationship between ratio of injector rate to outlet flow rate and pressure-differential2.2在并联连接处改变压差进行调控保持球阀1和球阀3全开，调节球阀2的开度（原为完全关闭）改变压差进行试验。由试验可得，调节球阀2的开度可以显著改变进口压力，随着开度的增大，进口压力显著减小。球阀2的开度对出口压力的影响较小，随着开度的增大，出口压力以0.01 MPa缓慢增大。当进口压力为0.15 MPa时，出口压力保持在0.010.02 Mpa；进口压力为0.25 MPa和0.30 MPa时，出口压为基本为0.020.03 MPa。试验数据关系曲线如图4和图5所示。图4改变球阀2的开度时压差与进出口流量的关系Fig.4 Relationship between pressure-differential and flow rates when changing the opening of ball valve 2图5 改变球阀2的开度时压力比与浓度的关系Fig5 Relationship between ratio of injector rate to outlet flow rate and ratio of outlet pressure to inlet pressure when changing the opening of ball valve 2由图4可知，压差越大，进口流量、出口流量越低。这是由于球阀2全关时，水流由主管经过并联的文丘里管径（直径为15 mm），横截面积减小，虽然流速加大，但压力损失较大（文丘里施肥器的特性决定），根据能量守恒定律，因而流量较小。随着球阀2的开度增大，水流通过主管流出，所以压差越小，流量越大。当进口压力为0.15 MPa时，压差与进出口流量有线性关系，但在进口压力为0.25 MPa 和0.30 MPa时，进出口流量随压差的升高先缓慢上升后再下降，成非线性关系。由图5知，不同进口压力水平下，压力比（p2/p1）与浓度存在相同的变化规律，均随压力比的增大，逐渐减小。浓度为8 %时，压力比为0.1；浓度为2 %时，压力比为0.5左右，说明压力损失较大。改变压力比，都可在110 %内调节浓度。综合可得，调节球2的开度改变压差，可在110 %内调节浓度，但在0.25 MPa和0.30 MPa两个进口压力下，进出口流量与压差呈非线性关系变化。2.3在出水口处改变压差进行调控保持球阀1打开以及球阀2关闭，调节球阀3的开度进行试验。实验表明，调节球阀3的开度可以显著改变出口压力，对进口压力影响很小。当阀门3的开度减小到文丘里施肥器不能正常吸肥时，进口压力最大变化量为0.01 MPa。2.3.1进口流量与进口压力、压差的关系进口流量是影响文丘里施肥器吸肥性能的主要参数。由试验可知，进口压力、压差是影响进口流量主要因素。由图6得，在三个水平的进口压力下，进口流量均随着压差的升高而增大。而当压差相同时，进口压力越高，进口流量越大。用软件SPSS对试验数据进行回归分析，得到进口流量与进口压力、压差间的回归模型如表1所示。进口流量与进口压力、压差函数关系可以表示为Q1kp1c1pc2 （2）经分析可得，回归模型的决定系数R2均大于0.94。进口压力为0.25 MPa时，R2为0.971，说明回归曲线与试验数据的拟合度最高。回归模型中，p的幂指数c2均大于0，且c2的概率值Sig.均小于c1的概率值。表明进口流量受进出口压差的影响甚于进口压力。图7 不同进口压力下压差与进口流量的关系Fig7 Relationship between pressure-differential and inlet flow rate 表1 进口流量与进口压力、压差间的回归模型Table1 Regression models of inlet flow rates and inlet pressures, pressure-differential进口压力/MPa回归模型R2Sig.c1c20.15 Q1=0.073p1-0.30p0.2340.9580.2210.0070.25 Q1=1.205p10.226p0.3400.9710.2760.0000.30 Q1=-0.340p1-0.730p0.0760.9440.1480.0162.3.2吸肥量与压差的关系吸肥量是文丘里施肥器使用过程中最重要的因素之一。图7给出了压差与吸肥量的关系。进出口压差到达最小临界压差时，文丘里施肥器开始吸肥。随着压差的不断升高，吸肥量不断升高。统计分析每个水平的进口压力下，压差与吸肥量的试验数据，建立的回归模型如表3所示。回归模型的R2均在0.90以上。进口压力为0.25 MPa时，R2为0.953，说明在0.25 MPa时建立的回归模型最显著。图8 不同进口压力下压差与吸肥量的关系Fig8 Relationship between injector rate and pressure-differential表3 不同进口压力下吸肥量与压差的回归模型Table 3 Regression models of injector rate and pressure-differential进口压力/MPa回归模型R2Sig.0.15q=-0.14+1.910p0.9200.0000.25q=-0.095+1.091p0.9530.0000.30q=-0.056+0.698p0.9030.0002.3.3浓度与压力比的关系试验数据曲线如图8所示。不论进口压力为多少，浓度110 %与压力比在一定范围内具有相同变化规律，可以用二次多项式来表示。压力比越小，浓度越高。压力比为0.5时，浓度最低，说明压力损失最大。在实际应用中，可根据关系曲线图，调节球3的开度，改变压力比，获取不同的肥液浓度。统计分析浓度与压力比的试验数据，建立的回归模型如表4所示。三个回归曲线模型中，拟合度最优的是进口压力为0.25 MPa的曲线（R2为0.983），进口压力0.15 MPa和0.30 MPa的拟合度基本一样。三个模型的概率值Sig.均为0.000，因此三个模型都比较显著。图9 改变阀门3的开度，浓度与压力比的关系Fig 9 Relationship between ratio of injector rate to outlet flow rate and ratio of outlet pressure to inlet pressure表4 浓度与压力比的回归模型Table4 Regression models of injector rate to outlet flow rate and ratio ofoutlet pressure to inlet pressure进口压力/MPa回归模型R2Sig.0.15q/Q2=-57.438(P2/P1)2+17.519(P2/P1)+7.9220.9400.0000.25q/Q2=-39.286(P2/P1)2+10.591(P2/P1)+7.1510.9830.0000.30q/Q2=-45.265(P2/P1)2+15.179(P2/P1)+6.1450.9390.000综上所述，调节球阀3改变压差，进口流量与进口压力、压差的乘积、吸肥量与压差成线性正相关关系，且肥液浓度可在110 %范围内调控。3 结论（1）本文以文丘里施肥器为对象，在其进水口、出水口和与水管的并联连接处安装球阀调节压差进行试验，并分析在各个位置调节压差进文丘里施肥器的工作特性。（2）调控方式为在进水口处调节压差时，肥液浓度始终高于20 %且不可调控；调控方式为在与水管的并联连接处改变压差时，可在110 %内调节肥液浓度，但进口流量与压差呈非线性关系变化；调控方式为在出水口处改变压差时，进口流量与进口压力、压差的呈线性正相关关系（R20.94），且可在110 %内调节肥液浓度，并建立了进口流量与进口压力、压差乘积回归模型，吸肥量与压差的回归模型（线性关系，R20.90），浓度与压力比的回归模型(二次多项式，R20.93)。（3）在固定进口压力的情况下，通过改变出口压力，不仅可以确定进口流量，而且可以有效地调节浓度，更好地控制文丘里施肥器精确施肥。因此，可利用自动控制技术控制文丘里施肥器的出水口压力，实现自动变量施肥。 参 考 文 献1 Cetin B, Yazgan S, Tipi T. Economics of drip irrigation of olives in TurkeyJ. Agricultural Water Management, 2004, (66): 141-151.2 张琼. 基于嵌入式的灌溉施肥系统的研究D. 合肥:中国科学技术大学, 2009.Zhang Qiong. Study on Fertigation Based on Embedded SystemD. Anhui: University of Science and Technology of China, 2009.3 孟一斌,李久生,李蓓. 微灌系统压差式施肥罐施肥性能试验研究J. 农业工程学报, 2007, 23(3): 41-45.Meng Yibin, Li Jiusheng, Li Bei. Fertilization performance of the pressure differential tank in micro-irrigation systemJ. 2007, 23(3): 41-45.4 李凯,毛罕平,李百军. 混药混肥装置控制性能分析J. 农业机械学报, 2003, 34(1): 50-53.Li Kai, Mao Hanpping, Li Baijun. Analysis on Control Performance of Various Pesticide or Fertilizer Mixers J.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2003, 34(1): 50-53.5 金永奎,夏春华,方部玲. 文丘里施肥器系列的研制J. 中国农村水利水电,2006,(5): 14-16.Jin Yongkui, Xia Chunhua, Fang Buling. Rearch and development of Venturi fertilizer applicator seriesJ. China Rural Water and Hydropawer, 2006, (5): 14-16.6 Feitosa Filho J.C, Botrel T.A., Pinto J.M. Performance of venturi type injectors under free and pressurized conditionsJ. Engenharia Agricola, 1998, 17(3): 20-35.7 沙毅,侯素娟. 并联式文丘里管施肥器试验研究J. 排灌机械, 1995, 13(2): 37-39.Sha Yi, Hou Sujuan. Experinental research on applying fertilizer apparatus of parallel Venturi tubesJ. Drainage and Irrigation Machinery, 1995, 13(2): 37-39.8 严海军,初晓一,王敏,等. 微灌系统文丘里施肥器吸肥性能试验J. 排灌机械工程学报, 2010, 28(3): 251-255.Yan Haijun, Chu Xiaoyi, Wang Min, et al. Injection performance of Venturi injector in micro- irrigation systemJ. 2010, 28(3): 251-255.9 王淼,黄兴法,李光永. 文丘里施肥器性能数值模拟研究J. 农业工程学报, 2006, 22(7): 27-31.Wang Miao, Huang Xing fa, Li Guangyong. Numerical simulation of characteristics of Venturi injectorJ. Transcations of the CSAE, 2006, 22(7): 27-31.10 孙艳琦.文丘里施肥器结构参数对吸肥性能的影响D.陕西: 西北农林科技大学, 2010.Sun Yanqi. Effects of Venturi structural parameters on the absorption fertilizer performanceD. Shanxi: Northwest A&F University, 2010. Experiment and analysis on control performance of venturi injectorFeng Ruijue, Hong Tiansheng, Li Jianian, Ye Zhijie，Lu Jiana(Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment, Ministry of Education, Machinery Laboratory of China Agriculture(Citrus) Research System, Engineering College of South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)Abstract: In order to obtain an optimal method of regulating and controlling the venturi injector, this research, based on a one-inch parallel venturi injector, endeavors to install three valves, respectively, at the input, the output and the juncture to the water p