实时混药式变量喷雾混合比控制试验

蒋廷松 张文昭,2

（1 湖南科技学院 电子工程系，湖南 永州 425100；2 “南方农业机械与装备关键技术”省部共建教育部重点实验室/华南农业大学，广州 510642）

0 引 言

作物的病虫害有效、及时防治是实现农业高产、稳产、确保农业可持续发展的根本保证，采取科学施药技术是保护环境和发展可持续农业的重要保证。我国植保机械和施药技术落后，妨碍农作物病虫草害的有效防治，并带来农药有效利用率低、农产品中农药残留超标、环境污染、作物药害和操作者中毒等不利影响[1-3]。因此，提高植保机械设备的性能、改进喷雾技术，有利于提高农药有效利用率、减少农药用量、减小环境污染、治理农业生态环境，以实现提高作物产量与质量的目的。

过去的一些文献对预混药式施药技术进行了研究，该方法是通过改变喷雾量实现变量喷雾，未依据作物的实际情况改变喷雾浓度[4-6]。另有资料显示其采用混药式喷雾，但其喷雾药液浓度仍然是恒定的[7-8]。针对上述喷雾特征，文献[1,9]提出一种新的变量喷雾模式：药水独立存放、实时变量配药的技术，以确保管道恒压、喷头恒流、作物恒定喷雾量的最佳喷雾效果；该方法可根据不同时空地块对药液浓度的需求进行实时改变药液浓度，即根据喷雾变量处理方图在病虫草害严重的地方加大喷雾药液浓度，在病虫草害轻的地方减小药液浓度。并研究了变量喷雾的有关技术，设计了混药装置、流量检测装置与流量控制装置等，本论文依托3WY-A3型手推式喷雾机进行喷雾实时混药控制试验。

1 装置与材料

实验所用的装置和材料主要有: 3WY-A3型手推式喷雾机、混药装置、流量检测装置、汽车电控喷嘴、控制电路等。3WY-A3型手推式喷雾机由梅州市风华喷雾喷灌机械设备有限公司产生，流量为 17 L/min～25 L/min，射程 10m～12m，工作压力为1.5MPa～3.0MPa，水箱容量为150L。水流量检测传感器采用瑞士生产的转轮式流量传感器，其型号为FHKU G1/2’，规格为10mm。其它装置为自行设计和制造，关键部件简要介绍如下。

1.1 混药式喷雾装置

喷雾装置如图1所示，主要包括水箱、水流量计、药箱、电控喷嘴、药流量计、混合室、柱塞泵、回流管、开关电磁阀、喷头等，其中水箱、柱塞泵和喷头为 3WY-A3型喷雾机装置，其它部件是专门为本试验设计制作。混装置基本工作原理有关文献[14,15]已经介绍，所不同的是流量计的规格专门为本试验设计、药流量控制阀采用汽车电控喷嘴；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，这样可以确保柱塞泵的回流药液不回到水箱，同时确保混合液的浓度不受到影响。

图1 混药式喷雾装置

1.2 流量检测装置

变量喷雾的关键技术之一是准确检测水与药的流量，以保证水药比例准确与稳定。喷雾机的流量为 17 L/min ～25 L/min，当药水比例为1:1000 ～ 1:2500之间时，那么要求药的流量在 0.1 mL/s ～ 0.4 mL/s范围内。

1.2.1 水流量检测

水流量检测采用瑞士生产的转轮式流量传感器 FHKU G1/2’ 10.00 mm，该传感器出产时已经标定好，65 Pulses/litre，可以直接使用。该流量传感器输出的是数字脉冲，可以直接用单片机检测脉冲计算水流量。这种流量传感器的量程范围是3.0 L/min ～ 26.7 L/min，能较好地满足3WY- A3喷雾机流量检测的要求。

1.2.2 药流量检测

药流量计采用差压式液体流量计[15]，如图 2所示，流量计的取压管与喉管的内径为1.4 mm，两取压管的距离为70.0 mm，仪表放大器的放大倍数为400倍，流量计量程为0.1 mL/s～1.0 mL/s。可以满足在线混药流量检测的要求。

图2 差压流量计的结构

1.3 药流量控制装置

药流量控制装置是药流量准确程度的又一关键之处，药流量在0.1 mL/s～0.4 mL/s之间，要求控制器对微小流量能稳定、准确、快速地进行控制，这里选取汽车电控喷嘴作为流量控制阀，文献[14]对该控制阀进行了性能检测，当水压为2.4 m水位时，控制流量的范围为0～0.9 mL/s，满足药流量控制的要求。其标定曲线如图3所示, 电控喷嘴所输出的流量与其通电占空比成正比，标定结果如等式(1)所示。

图3 电控喷嘴标定曲线

1.4 控制电路设计

如图4所示，控制电路由 CPU、差压传感器、放大电路、转轮式流量计、键盘、显示、驱动、电控喷嘴和RS232等电路组成。美国Honeywell公司产生的26PCB6D差压传感器与图2配合构成流量传感器，所输出的信号经放大电路后送给CPU进行AD转换。CPU采用STC12C5410AD芯片，该芯片具有28个引脚、8路10bits ADC和两个16bits定时器，可以满足药流量检测AD转换、水流量检测脉冲计数、驱动控制以及键盘显示等功能。

图4 流量控制板方框图

2 试验与分析

依据前面所介绍的装置，3WY-A3喷雾机用作动力源，差压式流量计用于检测药流量，电控喷嘴用于控制药流量，转轮式流量传感器（型号：FHKU G1/2’）用于检测水流量，在实验室环境下以 0.1%的茜素红试剂溶液代替农药进行了混药试验。

经测试，水流量为284mL/s～292mL/s，水药混合比设置在 500～2500之间，即目标药流量（药流量计算值）为0.12mL/s～0.58mL/s，药流量实时检测结果如表1所示。

从测试数据来看，实际药流量围绕目标值随机跳动，跳动的幅度随流量增大而增大，波动幅度为±20%。分析药液流量波动的原因主要有以下三个方面，1）水流量是实时变化的，转轮流量传感器检测到的水流量值不稳定，导致目标流量不稳定；2）水泵对差压式流量计两端的压力差产生的冲击力；3）电控喷嘴是用PWM控制，控制频率为10Hz，开关过程产生的药液脉动影响差压流量计的检测结果。其中最主要的影响是电控喷嘴开关动作产生药液脉动，脉动频率为 10Hz。通过修改控制电路程序，采集流量按脉动频率的节拍进行，控制电路检测到药流量数据跳动幅度减小，实测流量在目标流量附近波动，波动幅度为±5%。

表1 药流量控制结果

3 结 论

本论文依托 3WY-A3型手推式喷雾机完成了变量喷雾混药控制试验，水流量检测采用FHKU G1/2’型转轮式流量传感器，药流量检测采用差压式流量计，药流量控制采用电控喷嘴。由于受柱塞泵冲击和电控喷嘴开关动作的干扰，药流量是一个脉动量，对药流量检测精度提高带来一些困难，药流量检测数据产生波动。通过对程序的优化，药流量采集按脉动的节拍进行，可以减小药流量值的波动幅度，药流量误差在±5%以下。

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