蔣廷松 張文昭,2

（1 湖南科技學(xué)院 電子工程系，湖南 永州 425100；2 “南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)”省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣州 510642）

0 引 言

作物的病蟲害有效、及時(shí)防治是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、確保農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的根本保證，采取科學(xué)施藥技術(shù)是保護(hù)環(huán)境和發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)的重要保證。我國植保機(jī)械和施藥技術(shù)落后，妨礙農(nóng)作物病蟲草害的有效防治，并帶來農(nóng)藥有效利用率低、農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留超標(biāo)、環(huán)境污染、作物藥害和操作者中毒等不利影響[1-3]。因此，提高植保機(jī)械設(shè)備的性能、改進(jìn)噴霧技術(shù)，有利于提高農(nóng)藥有效利用率、減少農(nóng)藥用量、減小環(huán)境污染、治理農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)提高作物產(chǎn)量與質(zhì)量的目的。

過去的一些文獻(xiàn)對(duì)預(yù)混藥式施藥技術(shù)進(jìn)行了研究，該方法是通過改變噴霧量實(shí)現(xiàn)變量噴霧，未依據(jù)作物的實(shí)際情況改變噴霧濃度[4-6]。另有資料顯示其采用混藥式噴霧，但其噴霧藥液濃度仍然是恒定的[7-8]。針對(duì)上述噴霧特征，文獻(xiàn)[1,9]提出一種新的變量噴霧模式：藥水獨(dú)立存放、實(shí)時(shí)變量配藥的技術(shù)，以確保管道恒壓、噴頭恒流、作物恒定噴霧量的最佳噴霧效果；該方法可根據(jù)不同時(shí)空地塊對(duì)藥液濃度的需求進(jìn)行實(shí)時(shí)改變藥液濃度，即根據(jù)噴霧變量處理方圖在病蟲草害嚴(yán)重的地方加大噴霧藥液濃度，在病蟲草害輕的地方減小藥液濃度。并研究了變量噴霧的有關(guān)技術(shù)，設(shè)計(jì)了混藥裝置、流量檢測(cè)裝置與流量控制裝置等，本論文依托3WY-A3型手推式噴霧機(jī)進(jìn)行噴霧實(shí)時(shí)混藥控制試驗(yàn)。

1 裝置與材料

實(shí)驗(yàn)所用的裝置和材料主要有: 3WY-A3型手推式噴霧機(jī)、混藥裝置、流量檢測(cè)裝置、汽車電控噴嘴、控制電路等。3WY-A3型手推式噴霧機(jī)由梅州市風(fēng)華噴霧噴灌機(jī)械設(shè)備有限公司產(chǎn)生，流量為 17 L/min～25 L/min，射程 10m～12m，工作壓力為1.5MPa～3.0MPa，水箱容量為150L。水流量檢測(cè)傳感器采用瑞士生產(chǎn)的轉(zhuǎn)輪式流量傳感器，其型號(hào)為FHKU G1/2’，規(guī)格為10mm。其它裝置為自行設(shè)計(jì)和制造，關(guān)鍵部件簡(jiǎn)要介紹如下。

1.1 混藥式噴霧裝置

噴霧裝置如圖1所示，主要包括水箱、水流量計(jì)、藥箱、電控噴嘴、藥流量計(jì)、混合室、柱塞泵、回流管、開關(guān)電磁閥、噴頭等，其中水箱、柱塞泵和噴頭為 3WY-A3型噴霧機(jī)裝置，其它部件是專門為本試驗(yàn)設(shè)計(jì)制作?；煅b置基本工作原理有關(guān)文獻(xiàn)[14,15]已經(jīng)介紹，所不同的是流量計(jì)的規(guī)格專門為本試驗(yàn)設(shè)計(jì)、藥流量控制閥采用汽車電控噴嘴；另外，增加回流管，而回流管所接的位置是由柱塞泵的回流嘴到泵的入水管，這樣可以確保柱塞泵的回流藥液不回到水箱，同時(shí)確?；旌弦旱臐舛炔皇艿接绊?。

圖1 混藥式噴霧裝置

1.2 流量檢測(cè)裝置

變量噴霧的關(guān)鍵技術(shù)之一是準(zhǔn)確檢測(cè)水與藥的流量，以保證水藥比例準(zhǔn)確與穩(wěn)定。噴霧機(jī)的流量為 17 L/min ～25 L/min，當(dāng)藥水比例為1:1000 ～ 1:2500之間時(shí)，那么要求藥的流量在 0.1 mL/s ～ 0.4 mL/s范圍內(nèi)。

1.2.1 水流量檢測(cè)

水流量檢測(cè)采用瑞士生產(chǎn)的轉(zhuǎn)輪式流量傳感器 FHKU G1/2’ 10.00 mm，該傳感器出產(chǎn)時(shí)已經(jīng)標(biāo)定好，65 Pulses/litre，可以直接使用。該流量傳感器輸出的是數(shù)字脈沖，可以直接用單片機(jī)檢測(cè)脈沖計(jì)算水流量。這種流量傳感器的量程范圍是3.0 L/min ～ 26.7 L/min，能較好地滿足3WY- A3噴霧機(jī)流量檢測(cè)的要求。

1.2.2 藥流量檢測(cè)

藥流量計(jì)采用差壓式液體流量計(jì)[15]，如圖 2所示，流量計(jì)的取壓管與喉管的內(nèi)徑為1.4 mm，兩取壓管的距離為70.0 mm，儀表放大器的放大倍數(shù)為400倍，流量計(jì)量程為0.1 mL/s～1.0 mL/s。可以滿足在線混藥流量檢測(cè)的要求。

圖2 差壓流量計(jì)的結(jié)構(gòu)

1.3 藥流量控制裝置

藥流量控制裝置是藥流量準(zhǔn)確程度的又一關(guān)鍵之處，藥流量在0.1 mL/s～0.4 mL/s之間，要求控制器對(duì)微小流量能穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速地進(jìn)行控制，這里選取汽車電控噴嘴作為流量控制閥，文獻(xiàn)[14]對(duì)該控制閥進(jìn)行了性能檢測(cè)，當(dāng)水壓為2.4 m水位時(shí)，控制流量的范圍為0～0.9 mL/s，滿足藥流量控制的要求。其標(biāo)定曲線如圖3所示, 電控噴嘴所輸出的流量與其通電占空比成正比，標(biāo)定結(jié)果如等式(1)所示。

圖3 電控噴嘴標(biāo)定曲線

1.4 控制電路設(shè)計(jì)

如圖4所示，控制電路由 CPU、差壓傳感器、放大電路、轉(zhuǎn)輪式流量計(jì)、鍵盤、顯示、驅(qū)動(dòng)、電控噴嘴和RS232等電路組成。美國Honeywell公司產(chǎn)生的26PCB6D差壓傳感器與圖2配合構(gòu)成流量傳感器，所輸出的信號(hào)經(jīng)放大電路后送給CPU進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。CPU采用STC12C5410AD芯片，該芯片具有28個(gè)引腳、8路10bits ADC和兩個(gè)16bits定時(shí)器，可以滿足藥流量檢測(cè)AD轉(zhuǎn)換、水流量檢測(cè)脈沖計(jì)數(shù)、驅(qū)動(dòng)控制以及鍵盤顯示等功能。

圖4 流量控制板方框圖

2 試驗(yàn)與分析

依據(jù)前面所介紹的裝置，3WY-A3噴霧機(jī)用作動(dòng)力源，差壓式流量計(jì)用于檢測(cè)藥流量，電控噴嘴用于控制藥流量，轉(zhuǎn)輪式流量傳感器（型號(hào)：FHKU G1/2’）用于檢測(cè)水流量，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下以 0.1%的茜素紅試劑溶液代替農(nóng)藥進(jìn)行了混藥試驗(yàn)。

經(jīng)測(cè)試，水流量為284mL/s～292mL/s，水藥混合比設(shè)置在 500～2500之間，即目標(biāo)藥流量（藥流量計(jì)算值）為0.12mL/s～0.58mL/s，藥流量實(shí)時(shí)檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

從測(cè)試數(shù)據(jù)來看，實(shí)際藥流量圍繞目標(biāo)值隨機(jī)跳動(dòng)，跳動(dòng)的幅度隨流量增大而增大，波動(dòng)幅度為±20%。分析藥液流量波動(dòng)的原因主要有以下三個(gè)方面，1）水流量是實(shí)時(shí)變化的，轉(zhuǎn)輪流量傳感器檢測(cè)到的水流量值不穩(wěn)定，導(dǎo)致目標(biāo)流量不穩(wěn)定；2）水泵對(duì)差壓式流量計(jì)兩端的壓力差產(chǎn)生的沖擊力；3）電控噴嘴是用PWM控制，控制頻率為10Hz，開關(guān)過程產(chǎn)生的藥液脈動(dòng)影響差壓流量計(jì)的檢測(cè)結(jié)果。其中最主要的影響是電控噴嘴開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生藥液脈動(dòng)，脈動(dòng)頻率為 10Hz。通過修改控制電路程序，采集流量按脈動(dòng)頻率的節(jié)拍進(jìn)行，控制電路檢測(cè)到藥流量數(shù)據(jù)跳動(dòng)幅度減小，實(shí)測(cè)流量在目標(biāo)流量附近波動(dòng)，波動(dòng)幅度為±5%。

表1 藥流量控制結(jié)果

3 結(jié) 論

本論文依托 3WY-A3型手推式噴霧機(jī)完成了變量噴霧混藥控制試驗(yàn)，水流量檢測(cè)采用FHKU G1/2’型轉(zhuǎn)輪式流量傳感器，藥流量檢測(cè)采用差壓式流量計(jì)，藥流量控制采用電控噴嘴。由于受柱塞泵沖擊和電控噴嘴開關(guān)動(dòng)作的干擾，藥流量是一個(gè)脈動(dòng)量，對(duì)藥流量檢測(cè)精度提高帶來一些困難，藥流量檢測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生波動(dòng)。通過對(duì)程序的優(yōu)化，藥流量采集按脈動(dòng)的節(jié)拍進(jìn)行，可以減小藥流量值的波動(dòng)幅度，藥流量誤差在±5%以下。

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