郭一鳴，張瑞瑞，陳立平，李龍龍

(1.西北農林科技大學 機械與電子工程學院，陜西 楊凌 712100；2.國家農業(yè)智能裝備工程技術研究中心，北京 100097)

0 引言

目前，我國食品安全狀況并不樂觀，農藥殘留、濫用食品添加劑等問題都嚴重威脅著人類的生命健康[1]。農藥殘留是食品安全問題中的一大突出問題[2]，通過采用精準施藥技術減少農藥噴施過量，已成為植保領域的重要研究方向[3]。

采用PWM (Pulse Width Modulation)間歇噴霧流量調節(jié)噴灑系統(tǒng)研究噴頭的噴霧特性是當前研究變量噴灑的主要方式之一[4]。鄧巍等采用開關電磁閥研究了扇形噴頭的噴霧特性，發(fā)現噴頭流量調節(jié)倍數可達4.17倍[5]。翟長遠等通過脈寬調制變量噴霧對TEEJET AITXA空心錐形噴頭建立了噴頭流量模型并進行模型普適性實驗，結果表明：模型流量和實際測量流量均具有很好的一致性[6]。隨順濤等使用TEEJET 11003標準扇形噴頭建立了脈寬調制的變量噴藥控制系統(tǒng)，實現了根據車速變化完成變量噴藥[7]。魏新華等通過PWM間歇式變量噴施系統(tǒng)研究了TR80-05型圓錐霧噴頭的靜態(tài)霧量噴霧特性，發(fā)現PWM信號占空比與霧量沉積量近似呈正比關系[8]。

史萬蘋等PWM變量控制系統(tǒng)控制電磁閥來研究TEEJET 11003標準扇形噴頭的流量情況，流量控制范圍可達到4:1[9]。Lebeau等人使用TEEJET XR 11006延長范圍扇形噴頭設計了基于噴桿速度變化的 PWM 變量施藥控制系統(tǒng)，發(fā)現變量系統(tǒng)減少了機械不必要震動對噴霧帶來的影響[10]。Pierce Robert等人使用TEEJET XR8005型噴頭研究不同占空比下的沉積特性，實驗發(fā)現改變占空比會影響噴霧沉積均勻性[11]。國內外很多基于脈寬調制的變量噴施系統(tǒng)研究均相對于同一種或者同一類型噴頭進行[12-20]，并未在相同測試環(huán)境下比較不同噴頭的噴霧特性。

實際應用中，不同作物及其復雜的施藥環(huán)境對噴頭有不同的要求，且不同噴頭的防治效果不同[21]。本文在脈寬調制變量噴施系統(tǒng)的基礎上對不同噴頭的噴霧效果進行了研究，改變控制高頻電磁閥信號的頻率和占空比，在相同條件下對不同噴頭的流量和粒徑進行測量，分析PWM變量施藥系統(tǒng)對不同噴頭產生的影響，從而為不同的施藥環(huán)境和施藥機具等提供理論基礎。

1 理論依據

變量噴灑系統(tǒng)采用高頻電磁閥為流量控制元件，通過改變電磁閥的開關量進而改變噴頭的流量和壓力[22]。理論上通過改變控制信號的占空比會線性地改變噴頭流量L1，電磁閥因其機械特性會存在開啟反應時間t1和關閉反應時間t2，信號示意圖如圖1所示。根據公式(1)可求得此時流量L1，即

(1)

式中L1—噴頭流量；

t1—電磁閥開啟反應時間；

t2—電磁閥關閉反應時間；

F—控制信號頻率；

Lq—電磁閥全開噴頭流量。

根據以上分析和推導過程可知，在控制信號頻率F一定時，流量調節(jié)倍數η使得噴頭流量L1和全開時流量仍成線性關系。

圖1 信號示意圖

噴頭處壓力越大，流量越大。對于同一噴頭的變量系統(tǒng)的控制信號，占空比相同，而頻率不同，其流量會因間歇式的壓力變化而變化。圖2為高頻和低頻下壓力變化示意圖。流量和到達噴頭壓力之間的關系為Lb=β·P2，說明高頻下流量更大。

圖2 高頻和低頻下壓力變化示意圖

不同類型噴頭的結構和尺寸存在差別，其結構設計會直接影響到達噴嘴的壓力P2，進而決定噴頭的流量Lb。流量和到達噴頭壓力為線性關系，對于不同的噴頭結構，P2與輸出壓力Pb之間的關系也為線性關系。所以，噴頭流量為

Lb=α·β·Pb

(2)

式中Lb—噴頭理論流量；

α、β—常數；

Pb—隔膜泵輸出壓力。

噴頭壓力和霧滴粒徑之間呈負相關性，兩者之間的關系為D=f(A/P)，即壓力P越大，霧滴粒徑D越小。對于脈寬調制變量系統(tǒng)，噴頭壓力會因控制信號的不同而發(fā)生變化；對于不同的噴頭，因其結構不同，噴頭處壓力變化會對粒徑變化產生不同的影響。

由以上理論分析可知：由于高頻電磁閥的機械特性及不同類型噴頭的結構，不同類型的噴頭在相同脈寬調制變量噴灑系統(tǒng)的作用下會產生不同的影響，為探究和驗證以上理論猜想，筆者進行了實驗研究。

2 材料與方法

實驗于2018年7月在國家農業(yè)智能裝備工程技術研究中心航空施藥噴霧檢測實驗室完成。

2.1 實驗材料

實驗使用自來水用于流量和粒徑的測試，噴頭選用德國LECHLER公司生產的防漂移噴頭AD120-02、萬能型平面扇形噴頭LU120-02和空心圓錐霧噴頭TR80-02。3種不同類型噴頭實物圖和結構圖分別如圖3和圖4所示(從左到右依次為LU120-02型萬能型扇形噴頭、AD120-02型防漂移噴頭、TR80-02型空心圓錐霧噴頭)。

圖3 3種不同噴頭實物圖

圖4 3種不同噴頭結構圖

3種噴頭結構的不同決定其噴霧特性也存在差異：LU萬能型平面扇形噴頭，通過使用大小合適的噴頭及調整必要的噴霧壓力可以提供特定應用范圍所需的流量，實現對液滴大小的控制；AD防漂移噴頭較之LU類型噴頭增加了集成乳化式設計，可乳化式入流截面的特殊設計減小了不必要細粒霧滴的產生，且乳化室內壓力在液體流進之前本身就會降低，從而有效降低了噴頭的磨損；TR類型的空心圓錐霧噴頭的噴嘴噴霧錐角80°，適用壓力范圍可達2MPa，流量誤差≤10%，更適用于風送或無風送及循環(huán)式噴霧機[23-24]。

變量噴霧系統(tǒng)中使用的電磁閥為壓縮天然氣(Compressed Natural Gas，CNG)高頻電磁閥。高頻電磁閥通電時，電磁線圈產生電磁力把關閉件從閥座上提起，閥門打開；斷電時，電磁力消失，彈簧把關閉件壓在閥座上，閥門關閉。

其主要技術參數如下:

線圈電阻/Ω：3

工作電壓/V：12±1.2

最高壓力/MPa：0.45

關閉時間/ms：2.0±0.1

開啟時間/ms：2±0.1

工作溫度/℃：-20～120

最高頻率/Hz：125

實驗采用德國SYMPATEC公司生產的HELOS-VARIO實時噴霧激光粒度儀測量噴霧區(qū)的霧滴粒徑，激光粒度儀經典的光路由發(fā)射、接受和測量窗口等3部分組成。當發(fā)射部分發(fā)射的測試光束遇到顆粒阻擋時，測量窗口區(qū)域中一部分光將發(fā)生散射現象，散射光的傳播方向將與主光的傳播方向形成一個夾角θ。θ角度與顆粒大小相關，通過接收窗口接收到的傳播角度，測定被測顆粒大小。HELOS-VARIO實時激光粒徑儀如圖5所示。

圖5 HELOS-VARIO實時激光粒徑儀

2.2 實驗方法

PWM 變量噴霧系統(tǒng)由12 V直流電源、電路控制模塊、高頻電磁閥、噴頭體、計算機及串口通信模塊組成，如圖6所示。

1.自來水 2.藥罐 3.隔膜泵 4.壓力表 5.調壓閥 6.高頻電磁閥 7.噴頭 8.接液器 9.PWM信號發(fā)生及傳輸模塊 10.計算機

通過計算機改變控制高頻電磁閥的PWM信號的頻率和占空比，改變電磁閥的開關時間，從而改變通過的流量，達到變量噴灑的目的。計算機通過JTAG寫入程序，將不同的PWM信號指令直接寫入單片機中。變量噴灑控制模塊包含電源模塊、信號產生模塊及信號驅動放大模塊，計算機通過JTAG接口將程序寫入ATmega128芯片中，芯片將實時產生固定頻率和占空比的PWM信號；信號通過L298N驅動芯片產生高電平5V、低電平0V的方波信號，經由MOS管驅動電路和12V直流電源產生驅動電磁閥的PWM控制信號。

實驗采用自來水作為實驗液體，隔膜泵輸出液體壓力為0.4MPa，在噴霧系統(tǒng)頻率分別為10、15、20、25、30 Hz，占空比25%～100%范圍內每隔5%為一個測試，對3種不同類型噴頭進行測試。實驗測試分為流量測試和粒徑測試兩部分。

流量測量過程使用秒表記錄1 min的噴霧時間，用萬分之一天平測量1 min內液體質量，進而算得噴頭流量(L/min)。每次實驗重復5次，去掉最大值和最小值之后求得流量平均值。霧滴粒徑測試過程采用德國SYMPATEC公司生產的HELOS-VARIO實時噴霧激光粒度儀，將噴頭置于霧滴粒徑分析儀的正上方50cm處。噴灑過程中，從噴霧正中心開始測量，動態(tài)水平移動噴霧噴頭，測試時間為15s，測量半個噴幅內的粒徑情況[25]，每次實驗重復5次，去除最大值和最小值，取平均值。

3 結果與討論

3.1 流量結果分析

測量不同控制信號下LU120-02、AD120-02和TR80-02等3種不同噴頭的流量，結果表明：3種噴頭流量和占空比、頻率均呈正相關；在同一個頻率F下，流量L與占空比x之間均呈線性變化趨勢，且線性變化區(qū)間隨頻率增大而減小；3種噴頭在10Hz和15HZ兩種頻率下，流量受頻率變化不明顯，控制信號占空比相同情況下，兩種頻率對應的流量值相近，即在本脈寬調制變量系統(tǒng)中頻率10Hz和15Hz兩者之間頻率的變化對噴頭平均壓力P的影響不大，流量趨于一致。LU120-02號噴頭流量和占空比變化關系如圖7所示。

隔膜泵輸出相同的壓力0.4MPa，電磁閥開度為100%時3種噴頭流量不同：AD120-02和LU120-02全開流量分別為902ml/min和899ml/min，TR80-02型號噴頭全開流量為787ml/min。這說明，在測量設備和環(huán)境相同情況下，噴頭流量會因不同類型噴頭結構而不同。TR80-02型號流量小于LU120-02和AD120-02兩種型號的噴頭流量，且3種噴頭流量在10Hz頻率下，流量控制比例最大，如圖8所示。

圖7 LU120-02型噴頭流量和占空比變化關系

圖8 10Hz頻率下3種噴頭流量變化情況

由于噴頭結構的差異，不同噴頭會對流量調節(jié)倍數產生不同影響。流量調節(jié)倍數ε由占空比100%時每分鐘的流量除以占空比為25%的流量求得。不同類型的噴頭調節(jié)倍數隨頻率變化如圖9所示。由圖9可知，3種噴頭流量調節(jié)倍數均隨頻率的增大而減小。在相同頻率和測試環(huán)境下，3種類型的噴頭流量調節(jié)倍數不同：AD120-02型噴頭調節(jié)倍數最大且均大于其他兩種類型的噴頭，最大調節(jié)倍數為2.01倍；TR80-02類型噴頭調節(jié)倍數最小。扇形噴頭流量調節(jié)倍數均小于李龍龍等[16]實驗測得流量調節(jié)倍數。對于脈寬調制變量噴霧系統(tǒng)，管道長度和電磁閥的反應時間均會影響到達噴頭的壓力。由實驗原理可知，本實驗電磁閥反應時間為2.5ms，大于李龍龍等[16]其使用的高頻電磁閥反應時間，所以流量調節(jié)倍數變大。

圖9 3種噴頭流量調節(jié)倍數

3.2 霧滴粒徑分析結果

在一定頻率的控制信號下，3種不同類型噴頭霧滴的體積中值中徑VMD和占空比x呈負相關，即霧滴粒徑隨占空比增大而減小。在占空比一定時，AD120-02和LU120-02兩種型號的噴頭呈現隨頻率增大而粒徑變小的趨勢；TR80-02型噴頭在高于10Hz時，受頻率影響不明顯；AD120-02和LU120-02兩種型號的噴頭在控制信號占空比達到70%之后，霧滴粒徑變化不明顯。LU120-02類型噴頭霧滴粒徑與占空比、頻率之間的關系如圖10所示。

圖10 LU120-02型噴頭霧滴粒徑與占空比變化關系

3種不同的噴頭均在10Hz頻率下，粒徑大小隨控制信號占空比的變化最明顯。霧滴分布相對跨度(RS)表示霧滴粒徑大小的分布情況，RS越小，粒徑尺寸分布越均勻，理想為0，如圖11所示。在10Hz頻率下，3種不同類型的噴頭相對粒徑譜寬度隨占空比變化不明顯；TR80-02霧滴分布相對跨度最小，其余兩種均大于TR80-02噴頭，TR80-02類型噴頭的霧滴粒徑變化最穩(wěn)定。

圖11 10Hz頻率下3種噴頭RS與占空比關系

3種不同的噴頭在相同的變量噴灑系統(tǒng)作用下，因控制信號頻率的不同而表現出了不同的控制比例，如圖12所示。霧滴粒徑變化幅度△V為占空比為100%和占空比為25%時體積中值中徑之差，不同類型的噴頭粒徑變化幅度隨著頻率的增大而減小。AD120-02類型噴頭在10～30Hz粒徑變化幅度均較小，LU120-02型號噴頭和TR80-02型號噴頭分別在20～30Hz和15～30Hz時粒徑幅度變化不明顯。

圖12 3種類型噴頭霧滴粒徑變化幅度與頻率的關系

4 結論

1)基于高頻電磁閥的 PWM 變量噴霧，在壓力和頻率一定時，3種不同類型噴頭流量和占空比呈線性變化趨勢，線性區(qū)間隨頻率增大逐漸減小。

2)在PWM變量噴霧系統(tǒng)下，AD120-02型噴頭流量調節(jié)倍數均大于其余兩種噴頭，且AD120-02型噴頭在頻率為10Hz時達到最大調節(jié)倍數為2.01倍。

3)采用PWM變量噴霧，3種不同類型噴頭霧滴的體積中值中徑VMD會隨頻率和占空比的增大而變小。TR80-02型噴頭在頻率15～30Hz范圍內控制信號占空比對粒徑影響不明顯。

4)PWM變量噴霧系統(tǒng)對3種不同類型的噴頭霧滴粒徑分布相對跨度和變化幅度影響不同，TR80-02號噴頭霧滴分布相對跨度和粒徑變化幅度均最小，即霧滴分布的穩(wěn)定性和均勻性最好。