射流混药器改进提高混药均匀性及动态浓度一致性

代 祥，徐幼林，陈骏阳，郑加强，宋海潮,2，马鲁强



射流混药器改进提高混药均匀性及动态浓度一致性

代 祥1，徐幼林1※，陈骏阳1，郑加强1，宋海潮1,2，马鲁强1

（1. 南京林业大学机械电子工程学院，南京 210037；2. 南京工业职业技术学院机械工程学院，南京 210023）

提高喷嘴直接注入式变量喷雾系统中混药器浓度一致性与均匀性同样重要。该文根据多孔板穿过流脉动衰减原理提出了夹层孔管式新型混药器，并以普通射流混药器为参照进行在线混合试验，基于图像进行在线混合瞬时均匀性及动态浓度一致性分析。结果表明：单视角图像误差较小，算法适用性强；载流流量及混合比的增大能提升均匀性及一致性；与射流混药器相比，夹层孔管式混药器试验条件下（800 mL/min<载流流量<2 000 mL/min，4:100<药水混合比<10:100）平均瞬时不均匀性指数从16.70降至14.76，并在药水混合比>9∶100或载流流量1 400 mL/min时普遍降至约13.00，达到均混效果；其虽难以保证所有工况下混合均匀，却显著提高了脉动注入时混合液浓度一致性，平均动态浓度不一致性值从0.039降至仅0.011，试验条件下只要混合比>5∶100, 或注药频率>5.10 Hz，动态浓度不一致性指数均低于0.020，满足浓度一致性要求；由于夹层孔管式混药器相对射流混药器在瞬时均匀性上的优化没有动态浓度一致性明显，且夹层孔管式混药器的瞬时不均匀性指数值与动态浓度不一致性值相关性仅为0.684，低于射流混药器的0.848，因此未来夹层孔管式混药器的进一步优化应以均匀性为主要目标，即使提高浓度一致性也可能提高其混合均匀性。

农药；图像处理；混合；植保机械；夹层孔管式混药器；瞬时混合均匀性；动态浓度一致性

0 引 言

精准变量喷雾可有效减少农药浪费、提高病虫害防治效果并保护生态环境[1-2]。在植保机械领域中，根据需要实时混配农药与水的直接注入式变量喷雾系统（direct injection system，DIS），可有效避免预混式变量喷雾中存在的剩余药水处理以及人药接触的问题，从而实现农药节约、环境保护及作业安全[3-4]。喷嘴直接注入式变量喷雾系统（nozzle direct injection system，NDIS）虽进一步解决了影响DIS喷雾精确性的响应延时问题，但是却存在药水混合均匀性不足及药水难以精确配比等缺陷[5]，这关系到NDIS是否真正能够实现精准施药[6]。

为了促进药水均混，NDIS中主要采用药水混合装置，包括能够混合水溶性农药的静态螺旋混合器[7]以及射流混药器[8-9]，或者是二者组合设计得到的能够有效混合脂溶性农药的旋动射流混药器[10]；为了进行药水精准配比，由于射流吸入式对工作条件要求严苛，因此农药的供给一般仍通过外部设备，如容积式计量泵直接注入或者基于脉宽调制技术（pulse width modulation，PWM）控制的电磁阀间接注入完成[11-12]，其工作原理决定了农药供流不连续的特征，从而导致药水混合浓度波动。这种注药量的脉动在药泵低转速小流量供药或者电磁阀低频供药时表现尤为明显[13]。精准变量喷雾机实际工作中，这些并非由于目标施药量改变所导致的药水浓度波动，在注药频率与喷雾机行进速度不匹配的条件下易导致喷雾误差，并降低施药精确性，因此提高混药器在线混合动态浓度一致性与瞬时药水分布均匀性同样重要[14]。

依据图像处理进行在线混合流动特性分析是一种新颖且实用的方法[15]，但是由于图像处理算法的优劣对处理结果影响较大，需要更精确的图像算法[16-18]。本文根据多孔板穿过流脉动衰减原理提出带有混合浓度脉动衰减结构的夹层孔管式在线混药器，并将其在应用容积式计量泵直接注入黏性水溶性农药的条件下与普通射流混药器的在线混合效果进行对比测试，探究夹层孔管式混药器在线混合瞬时均匀性与动态浓度一致性的规律；基于单帧图像的混药器均匀性检测算法进行任一时刻图像的药水混合分布均匀性计算，以时间序列上农药浓度变化进行动态条件下的浓度一致性度量，从而完整描述NDIS中农药在线混合效果，拟为实际的农药在线混合提供可靠的工况参照，并为未来混药器的优化提供思路。

1 夹层孔管式在线混药器设计

1.1 普通射流混药器脉动注入条件下混药局限性

以射流混药器（混药器A）作为普通混药器样本进行参照对比，如图1所示，其依托细长混合管所产生的射流以及混合管中较强的湍流作用实现药水掺混。混药器A的混合管直径为4mm，长度为20mm，注药口直径为4 mm，进水口及进药口直径分别是13及7 mm[19]。

1. 进水口 2. 收缩管 3. 混合管 4. 进药管 5. 注药口 6. 扩散管 7. 检测管

应用普通射流混药器时，农药直接注入的方式使得注药输出压力及流量会迅速响应，因此混药器A难以对注药压力及流量的脉动作用产生抑制，这与普通液压管路存在的脉动效应类似[20]，从而造成混合液浓度不一致，难以达到精准施药目的。图2给出了采用混药器A进行在线混药不同时刻的混合效果，在应用计量泵导致农药脉动注入条件下，不同时刻兴趣区域（region of interest，ROI）内图像亮度差异明显，说明时间序列上实际混合液浓度不连续，因此即便混药器A最终可实现较高的混合均匀性，但在时间序列上亦具一定的差异。

注：ROI为图像中兴趣区域。

1.2 夹层孔管式在线混药器结构设计

为了提高混合浓度一致性并获得较好的混合均匀性，借鉴多孔板穿过流会衰减流动脉动的特性，设计了夹层孔管式在线混药器（混药器B），其结构如图3所示。分布着注药口的夹层起到多孔管的效果，其脉动衰减原理类似于阻性消声，农药液流经过夹层上的细孔进入水流时流动变得紊乱，部分脉动能量转化为热能耗散；且多个夹层空心室的组合则起到使压力波产生反射并产生干涉的作用，其原理相当于抗性消声[21-22]。由于脉动抑制效果随开孔数量增多而增大，但增大趋势缓和[23]，因此结合可使用普通3D打印进行加工的技术要求，综合确定穿孔直径为1mm，夹层壁厚为1.2mm，穿孔综合分布率（穿孔占注药夹层面积比）在5%～8%之间[24]。为增加截面上农药分散效果，设置3层注药夹层，在进水管直径保持13 mm的基础上相应膨胀管最大直径也达到26 mm。穿孔沿夹层周向分布，其余尺寸与混药器A一致。该结构实现了管路截面上的农药多点注入，直接实现农药在管路中的多点分布，因此与普通射流混药器促进药水均混的原理不完全相同。

1. 进水口 2. 收缩管 3. 进药管 4. 注药口 5. 膨胀管 6. 注药夹层 7. 检测管

2 在线混合试验及混合效果评价方法

2.1 试验系统

试验系统[25]如图4a及4b所示。在采用甘油（质量分数98%，密度1 250 kg/m3，黏度600 mPa·s）中加入黄绿荧光剂，模拟黏性农药进行试验以确保试验安全性[26]，载流为清水。分别安装混药器A及混药器B进行变工况在线混合试验，药水混合液在混药器后的检测管中不同位置、不同时刻的农药浓度不同均会造成成像亮度差异，从而可以被高速相机检测并成像，图像以10位整形数据存储。

因由图4a系统采集的是混药器单个成像平面上的投影效果，为考察试验条件下基于相机水平视角方向的单视角图像进行混合效果评估的准确性，本文又进一步针对部分工况下同时采集的垂直相机视角方向上的图像进行了分析，观察2个方向上计算结果的差异性，并测试只采用水平方向图像进行混合效果检测的可行性，准确性以及相应误差。垂直视角方向上的图像采集依靠三棱镜的反射效果进行，三棱镜安装如图4c所示，检测管轴线平行于地面以及相机成像平面，三棱镜的2个垂直面分别平行于地面以及相机成像平面，保证单个镜头采集2个视角图像在时间序列上的一致性和准确性，相机镜头距离检测管前缘及平行于相机成像平面的三棱镜垂直面的距离均为400 mm。

1. 水箱 2. 安全阀 3. 水泵 4. 流量控制阀 5. 压力变送器 6. 涡轮流量计 7. 药箱 8. 药泵 9. 混药器及检测管 10. 高速相机 11. 紫光灯 12. 系统控制器 13. 图像采集电脑 14. 废液箱

2.2 在线混合试验参数设置

试验参数包括混合比，载流流量(mL/min)，与及注药量(mL/min)关系为

P=Q/Q，其中Q=αF（1）

式中为试验系统中注药频率(Hz)与注药量Q间的线性系数。

注药所采用的计量泵经过流量校准，可通过调节精准调节注药量。在草甘膦用于大豆病虫害防治中，常见的药水混合比范围一般为体积流量比1∶10到1∶107之间[27]，本试验中由于混合比过小会导致注药频率过低，考虑到实际应用中也不会出现这种极端情况，因此设定混合比高于4∶100。载流流量范围限定在满足喷雾需求的2000 mL/min以内，用于进行水溶性农药喷雾[25,28]。表1为变工况在线混合试验的具体安排表，试验通过同时改变及取得了2组保持不变，而改变的工况，分别为=4.29以及5.10 Hz，用以分析一定而不同的混合效果。试验系统所采用的载流（水）泵在试验条件下频率远高于药泵，因此不考虑载流泵脉动对混合浓度的影响，即载流为恒定流动。

表1 试验设计

注：带*的参数组为=5.10 Hz，而Q不同的试验组；带^的为=4.29 Hz对应不同Q的试验组。

Note: The test groups marked with * and ^ performed under the conditions of=5.10 Hz and=4.29 Hz with varying carrier flow rates (Q), respectively.

2.3 基于图像的混药器瞬时混合均匀性及动态浓度一致性分析方法

试验中对检测管进行图像采集，并从中截取ROI进行分析，因为要验证的是混药器出口处的混合效果，故ROI选择在靠近混药器出口的检测管部分。图像分析方法如图5所示。在线混合瞬时均匀性指的是每一时刻农药在检测管中分布的均匀程度，动态一致性则指的是时间序列上混合液浓度的变化特性。用于瞬时均匀性以及动态浓度连续性图像采集的相机帧率分别为180和540 fps，曝光度对应为4和1.8 ms，相机镜头焦距为16 mm，光圈值为f 2.8和f1.4。

注：PCA指的是基于主成分分析法的均匀性分析方法。

为进行瞬时均匀性的检测，需对时间序列上连续单帧ROI中农药分布的均匀性进行计算。在ROI感受野内划分感受野子图，则瞬时的混合均匀性可视为各子图的相似性，相似性越高则瞬时混合均匀性愈佳。为评价各子图的相似性，采用基于主成分分析法(principal component analysis，PCA)的均匀性计算方法，该方法基于图像主成分进行子图相似性的求取，可使得图像整体亮度对均匀性计算结果的影响最小化，能够弥补基于像素分布以及像素直方图分布的均匀性计算方法中所存在的缺陷。首先，PCA变换矩阵负责将初始子图向量进行降维。的列形成的正交子空间对应着感受野子图协方差矩阵的主特征向量，最大特征值1对应着第一主成分特征向量，为了减少感受野子图分布信息量的丢失和更加准确地计算均匀性值，一般根据经验，选择方差贡献率r累积值≥98%对应的主成分个数[29-30]。

式中为选择的主成分个数；r为第个主成分方差贡献率；λ为第个特征值；为感受野子图空间维数。

通过求取各子图对应主特征值之间的欧氏距离表述子图的差异性，为了区分各主特征对图像信息重构的贡献率，引入该主特征的方差解释率作为各子图间该对应主特征值间欧式距离的加权。因此，任意2个感受野子图之间的欧氏距离可定义为

均匀性定义为感受野子图在PCA空间里的紧密度，使用其感受野子图距离其PCA空间重心的距离衡量，该距离可定义为值，则值越小瞬时均匀性越高，因此值为瞬时不均匀性指数，其可定义为

式中为ROI中划分的子图数量；PC(j)为第个子图的第个主向量特征值。

关于动态浓度一致性检测，因ROI平均亮度值变化能反映混合液浓度变化[11]，所以测定时间序列上每一时刻ROI亮度，并对亮度值波动性进行计算。连续图像亮度值的标准差可反映该时间段内浓度波动的大小，而变异系数（coefficient of variation，CV）值则可以描述该时间段内波动的相对平均值的大小，即可以描述区域内浓度特征值的离散程度[31]，即混合液浓度不一致性，计算过程中为避免背景亮度对计算结果的影响，实际CV计算中的均值指的都是经过背景差分运算后的均值大小，差分对象为同样试验条件下的清水图像。在混合过程中，CV值大说明不同时刻ROI间亮度差异较大，即ROI混合液浓度值波动较大，浓度的一致性较差，因此CV值为动态浓度不一致性指数。

3 结果与分析

3.1 单视角图像计算可行性验证

从表1中35种工况下任意选择5种进行2只混药器双视角在线混合图像采集，其试验参数以及计算结果如表2所示，对每种图像算法，均获得了垂直及水平2组图像数据，可见两视角计算结果确实存在差异，但是差异值并没有影响10个数据的整体变化，水平视角与垂直视角计算的值的相关系数为0.998（<0.05），而CV值的相关系数为0.984（<0.05），均为强相关关系。

对水平以及垂直视角下获得的值（或CV值）进行单因素方差分析表明，给定试验条件下两视角处理结果不存在显著差异（对于值，≈0，≈1；对于CV值，=0.022，=0.883），因此数据出现冗余，这说明即便理论上单视角无法完全反映流道内的客观信息，但是采用单视角图像计算结果仍与多视角类似。值及CV值两视角平均相对误差分别为2.86%和5.37%，表明在试验条件下采用单视角进行混药器内的流动信息分析是可行的，采用单视角图像处理所带来的误差不会影响到混药器在线混合均匀性变化规律的判读。因此，考虑到试验及数据处理的方便性，实际的混药器变工况试验均在单视角下进行即可。

表2 部分工况下基于多视角图像的瞬时均匀性及动态浓度一致性分析

注：D为瞬时不均匀性指数，CV为动态浓度不一致性指数，Qc为载流流量，Pr为混合比。下同。
Note：D is static mixing non-uniformity index, CV is dynamic concentration inconsistency index, Qc is carrier flow rates and Pr is mixing ratios. Same as below.

3.2 算法适用性分析

为了进一步探讨本算法对脂溶性农药的适用性，选取文献[25]中所采集的部分脂溶性农药在线混合图像数据，基于上述图像算法研究其用于脂溶性农药在线混合评价的可行性。如图6所示，在载流流量Q为2 000 mL/min条件下，基于PCA的均匀性算法同样可以反映文献[25]中的均匀性变化规律，值与文献[25]中面积加权均匀性指数值的线性相关系数为-0.91，为强负相关关系，表明针对本文所提出的均匀性算法同样可应用于脂溶性农药的混合效果评价，因此具有较为广泛的适用性。这是因为该算法的基础是判断ROI内各子图的相似性，因此是最基础的均匀性定义。而对于CV值来说，其是基于考察时间轴上农药浓度波动进行计算的，因此只要示踪物质、照明及相机参数合适，其CV值变化同样能够反映脂溶性农药浓度不一致性变化。

注：载流流量Qc为2 000 mL·min-1。

3.3 算法阈值确定

PCA基于子图主特征计算瞬时均匀性。因为子图主特征不同于显而易见的亮度等直观特征，所以可以避免图像整体亮度差异性变化对计算结果的影响[32-33]。加入荧光物质的农药替代物在紫光灯照射下可清晰反映农药的存在与浓度，在ROI内亮度值的稳定程度及某亮度特征在混药器中位置分布的均匀性均体现混药器中药水分布的均匀性。因此，将基于图像区分药水在线混合效果时的判断依据定义为：ROI内不存在未混合开的药团以及明显含药量低的区域，且亮度变化较小，分布差异不明显。由于经过混药器的药水混合液在经过喷头时会进一步掺混，因此上述标准可有效保证喷施效果。

基于不同工况试验获得的图像分析ROI内子图差异性，图7显示了部分工况下的在线混合ROI图像及其对应的值。由图可知，当值降低至13.36时，基本满足上述均匀性标准，无明显药团及无农药区域存在，亮度稳定，分布差异较小。而当=10.96时，混合均匀性已达到很高的状态，因此本研究拟以低于13.36的整数=13.00作为在线混合不均匀与在线混合均匀的阈值。

a. 无混药器(Qc= 800 mL·min–1;D=34.5) a. No mixerb. 无混药器 0.25 m水管(Qc= 2 000 mL·min–1;D=16.8)b. No mixer with mixing length of 0.25 mc. 混药器B (Qc=1 100 mL·min–1,Pr=10∶100; D=13.36) c. Mixer Bd. 混药器B (Qc=1 700 mL·min–1, Pr=10∶100; D=10.96) d. Mixer B

以CV值作为判断混合浓度是否动态连续的依据，每次试验前均对紫光灯进行充电，使得光强不变，同等浓度药液的激发亮度相同，确保试验结果的可对比性。通常喷杆喷雾机中农药混合浓度CV应为5%～10%，且NDIS中CV应不大于5%[7,26]。但是根据本文实际注药周期内极限亮度差异图像，如图8所示，当CV值高于0.020 （即2%）时，时间序列上混合液浓度存在明显亮度差异，这种情况在实际喷雾中仍会造成可检测的农药沉积量的差异，而当CV值降至约2%时，通过图像亮度对比难以直接分辨出检测管内混合液浓度的变化，可认为在时间序列上混合液浓度具有较好的动态一致性。考虑到较高的标准有利于将其应用于更为严苛的条件下，本研究拟以CV=2%作为动态浓度一致性阈值。

a. 混药器A(Qc=1 700 mL·min–1, Pr=5∶100; CV=0.032) a. Mixer Ab. 混药器B(Qc=2 000ml/min, Pr=4∶100; CV=0.024) b. Mixer B c. 混药器B (Qc=1 100 mL·min–1, Pr=10∶100; CV=0.020) c. Mixer Bd. 混药器B(Qc=1 400 mL·min–1, Pr=5∶100; CV=0.016) d. Mixer B

3.4 混药器瞬时混合均匀性分析

值随混合比P的变化如图9a所示。随着P的上升，混药器A的值从P=4∶100条件下的13.40逐渐递增至P=10∶100时的21.13 (<0.01)，上升幅度为7.73，说明增大P会显著降低混药器A中农药在ROI内分布的均匀程度，其混合图像如图10a所示，随着P的增加，农药在ROI内分布愈加不均匀。这固然有随着注药量增加，药水之间对比度增强，使得图像内差异化愈发明显的因素，更重要的是因为射流混药器仅有1个注药口，当注药量增大时，农药向单侧流动后才能快速分散的缘故。同样条件下，混药器B在P>4∶100时值则呈现出整体降低的趋势，从最初约16.43下降至P=10∶100时的12.28（图9a）。如图10c所示，随着P的上升，农药注入量逐步增加，混药器B可使得农药在整个注入截面上均布，从而整个检测区域内不含农药的区域在逐渐减少，ROI内的差异性逐步降低至均匀状态，当Q= 1 400 mL/min，P=9∶100时值约为13，在线混合瞬时均匀性完全符合要求。

混药器A及混药器B的瞬时均匀性随载流量Q变化的关系如图9b所示。随着Q的上升，混药器A不同混合比平均差异性值从Q=800 mL/min时的19.22逐渐下降至Q=2 000 mL/min时的11.55，下降幅度为7.67。这表明对于混药器A来说，增大Q有助于提高瞬时混合均匀性。但是根据射流混药器在P=10:100条件下的混合图像（图10b）判断，Q=2 000 mL/min时的值为14.51，并未使得ROI内农药分布完全均匀。根据图9b，混药器B的瞬时混合均匀性相对混药器A 有所改善，Q在800～1 700 mL/min时平均较混药器A降低约3.00。随着Q的上升，混药器B混合值亦有所下降，从Q= 800 mL/min时的16.89逐渐下降至Q=2 000 mL/min时的13.69，下降幅度为3.20，小于混药器A，这说明混药器B的混合均匀性受Q变化所带来的影响小于混药器A。与混药器A类似，增大Q有助于提高混药器B的混合均匀性，即增大的湍流动能有效促进了黏性农药在水中的分散。混药器B在P=10:100混合比下混合图像如图10d所示，可见当Q=1 100 mL/min,值降至13.00左右时，ROI内的亮度差异性即达到很低的状态，混合基本均匀。

注：a图各柱子表示5个载流流量下的平均值；b图各柱子为7个混合比的平均值。

根据混药器A及混药器B的对比结果（图9），不同Q下，混药器B的瞬时混合均匀性整体优于混药器A，试验条件下（800 mL/min<Q<2 000 mL/min，4∶100<P<10∶100）平均值从混药器A的16.70降低至混药器B的14.76；且P较大时混药器B明显优于混药器A，因此混药器B尤其能够弥补混药器A在高混合比P下混合不足的缺陷。上述分析也客观表明该基于图像PCA的算法能够直观分析混药器内部的混合效果，发现影响混合效果的本质原因，由于NDIS实际应用中喷头的存在会进一步促进混合，这种分析方法产生误差不会对工程使用产生负面影响，因此上述结论可以完全满足混药器实际应用的要求。

Pr=4∶100 (D = 13.45)Pr=6∶100 (D = 16.38)Pr=8∶100 (D = 19.84)Pr=10∶100 (D = 22.07) a. 混药器A (Qc=1 400 mL·min–1) a. Mixer A Qc=800 mL·min–1(D = 25.79)Qc=1 400 mL·min–1(D = 22.07)Qc=1 700 mL·min–1(D = 19.48)Qc=2 000 mL·min–1(D = 14.51) b. 混药器A (Pr=10:100) b. Mixer A Pr=4∶100 (D = 17.73)Pr=7∶100 (D = 13.79)Pr=9∶100 (D = 12.63)Pr=10∶100(D = 11.59) c. 混药器B (Qc=1 400 mL·min–1) c. Mixer B Qc=800 mL·min–1(D = 14.28)Qc=1 100 mL·min–1(D = 13.36)Qc=1 400 mL·min–1(D = 11.59)Qc=2 000 mL·min–1(D = 11.20) d. 混药器B (Pr=10∶100) d. Mixer B

3.5 混药器动态浓度一致性分析

混药器动态浓度不一致性规律如图11所示，根据图11a，混药器A在不同Q下的平均CV值与P的关系呈现出整体上升的趋势，从P=4∶100时的0.029递升至P=9∶100时的0.043，不同P造成的CV值极差为0.015，这说明对于不具有注入脉动衰减效果的混药器A，较高的P会造成浓度不一致性的上升。注药量增大使得时间序列上药液浓度波动明显并造成了药水对比度的增强，而当P提高到9∶100并进一步提高时，由于已经较大，CV值的上升被逐渐平稳和连续的农药液流所抑制。混药器B相对混药器A具有显著的混合浓度不一致性衰减效果，不同Q下的平均CV值从P=4∶100时的0.026下降至10∶100时的0.006，不同P造成的平均CV值极差为0.021，并在P>5∶100时明显低于0.020，混合浓度一致性符合要求。混药器B的混合浓度不一致性随着混合比P的增大下降明显，且仅在低混合比4∶100时具有较大的不一致性，混药器B的结构有利于减轻混合液浓度不一致性。

图11b和图11c给出了混药器A、B分别在=4.29和5.10 Hz下动态一致性与Q的关系，混药器B展现出比A好的动态一致性效果。图中可见，当Q逐渐增大时，混药器A的动态浓度一致性逐渐提升，而混药器B则呈现出完全相反的规律，说明NDIS中应用混药器B施用一定量的药液时，Q越大则动态一致性越低。综合分析可知，增大Q使得混药器A药液分散效果增强，因此动态一致性提升；而混药器B本身由于具有较好的浓度不一致性衰减特性，所以在药水分散较好的条件下，较大的Q反而容易导致农药在检测管中的停留时间过短，因此使得浓度的不一致性有所增强，但是当=5.10 Hz，即便Q=2 000 mL/min，CV仍小于0.020，满足动态一致性要求，而=4.29 Hz时则无法确保所有Q下一致性均满足要求。试验条件下（800 mL/min<Q<2 000 mL/min，4∶100<P<10∶100）平均 CV 值从混药器 A 的 0.039 降低至混药器 B 的 0.011。

图11 射流混药器A及夹层式混药器B动态浓度连续性对比

图11d给出了混药器A、B在不同下的平均CV值与的关系，整体上，随着的提升，2混药器CV值均逐渐下降，混合动态一致性逐步提高，说明NDIS施用一定的药液时，越大则动态一致性越高。混药器A从=800 mL/min对应的0.044降低至2 000 mL/min的0.030。对于混药器B，增大会使得农药停留时间减小，从而降低动态浓度一致性，但这效果明显不及增大使得增大所带来的CV值降低的效果，其CV值从0.015降低至0.010，均小于0.020，综合图11可知，只要不选择过低的及，则混药器B在试验条件下均满足动态浓度一致性要求。

3.6 混药器在线混合瞬时均匀性与动态浓度一致性综合分析

对混药器A、B的瞬时混合均匀性及动态浓度一致性的各35组数据分别作相关性检验，混药器A的值与CV值相关系数高达0.848（<0.01），二者具有强相关关系，因此，对于混药器A，在脉动注入条件下，当动态浓度一致性提升的时候，将会伴随着瞬时均匀性的显著提升，这是因为混药器A的混合不均匀性与农药注入脉动有很大关系。混药器B的值与CV值之间相关系数为0.684（<0.01），弱于混药器A，这是因为混药器B的混合不均匀性受脉动注入影响不及混药器A明显，当混药器B中混合浓度的动态一致性提升时，其混合均匀性上升趋势没有混药器A显著。根据混药器B的瞬时均匀性及动态一致性试验结果，结合图9及图11综合判断，当CV低至0.020时，混合液动态浓度连续，而此时对应的值仍普遍大于13，ROI内农药分布尚存差异，均匀性尚未完全达标。

混药器A、B的在线混合瞬时均匀性及动态浓度一致性独立样本检验如表3所示。均值方程检验=0.02<0.05，可认为混药器A、B瞬时混合均匀性存在显著差异，此外，由于混药器A、B动态浓度不一致性指标差异更为显著（=0.00<0.01），因此可认为混药器B能够在混药器A的基础上显著提高混药瞬时均匀性，但是并不及混药器B对动态一致性的提升效果。这进一步印证混药器B的瞬时均匀性效果有进一步优化的必要。

表3 混药器A和B瞬时混合均匀性及动态浓度一致性独立样本检验

4 结 论

1）在本文试验条件下，基于图像的算法取得的水平和垂直两视角计算结果的相关性较强，瞬时不均匀性指数与动态浓度不一致性指数关于水平与垂直视角得到的平均相对误差仅分别为2.86%和5.37%，基于单独视角下选取的参数阈值，亦可以有效实现农药在线混合效果的评价。算法不仅适用于水溶性农药的在线混合效果评价，同样也适合于脂溶性农药，能够直观分析混药器内部的混合效果，发现影响混合效果的本质原因，这种分析方法产生误差不会对工程使用产生负面影响，可以完全满足工程应用的要求。

2）增大载流流量（Q）对NDIS中混药器瞬时混合均匀性具有提升作用，当Q大于1 400 mL/min，夹层孔管式新型混药器在混合比（P）大于9∶100时即能取得较好的瞬时混合均匀性（瞬时不均匀性指数降低至约13.00）；但是，即便在Q为2 000 mL/min时普通射流混药器仍未能获得充分的均匀性；P增大对不同类型混药器的作用不同，普通射流混药器结构导致其在高混合比时瞬时均匀性下降，夹层孔管混药器由于夹层注入的方式避免了这一情况，相对普通射流混药器，试验条件下（800 mL/min<Q<2 000 mL/min，4∶100<P<10∶100）其平均瞬时不均匀性指数从16.70降低至14.76。

3）夹层孔管式混药器虽然未能在所有工况下获得极其均匀的瞬时混合效果，却显著地提高了脉动注入条件下的动态浓度一致性，相对普通射流混药器，试验条件下（800 mL/min<Q<2000 mL/min，4∶100<P<10∶100）其平均不连续性指数从0.039下降至仅0.011，当注药频率高于5.10 Hz时，无论载流流量为多少，不连续性指数均小于0.020，时间序列几乎无亮度差异，而以混合比进行衡量时，试验条件下当P高于5∶100时，亦可完全满足动态一致性要求。

4）混药器的瞬时混合均匀性与动态浓度一致性具有显著的正相关性，因此在喷嘴直接注入式变量喷雾系统中农药脉动注入较强时需要更为高效的混药器；试验条件下（800 mL/min<Q<2 000 mL/min，4∶100<P<10∶100）夹层孔管式混药器时间轴上动态浓度不连续性指数低至0.020时，瞬时不均匀性指数仍普遍大于13.00，因此其瞬时混合均匀性仍有待于进一步优化，独立相关检验也能说明其均匀性优化的显著性弱于动态浓度一致性优化的显著性；此外，夹层孔管式混药器对应相关性明显低于射流混药器，说明其混合不均匀性并非主要源自农药脉动注入，因此可以简化未来针对夹层孔管式混药器的均匀性优化过程。

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Improved jet mixer injection nozzle enhancing pesticide mixing uniformity and dynamic concentration consistency

Dai Xiang1, Xu Youlin1※, Chen Junyang1, Zheng Jiaqiang1, Song Haichao1,2, Ma Luqiang1

(1.210037,; 2.210023,)

The pesticideinjections in nozzle directinjection system (NDIS) applied in plant protection machinery generally have flow-rate inconsistency characteristics, which cause fluctuations of mixing concentration and inaccuracy of spraying. The purposes in this study were to evaluate the inline mixing efficacy comprehensively based on index of dynamic inconsistency of the mixing concentration and the inline static mixing uniformity in NDIS. A new inline mixer known as the layered mixer (mixer B) with special structures (perforated tubes) to weaken concentration inconsistency and a traditional jet mixer (mixer A) were presented to carry out the direct injection and mixing experiments under variable working conditions. Moreover, image processing methods to quantify mixture concentration discontinuities based on calculating coefficient of variation (CV) values of mean pixels brightness in ROIs was proposed. Static mixing non-uniformity index to identify static mixing non-uniformity based on principal component analysis (PCA) was also proposed. These 2 indices were used to scientifically measure the inline mixing efficacy of the mixers. The relative differences between the calculation results of horizontal viewing and the vertical viewing images were only 2.86% for static mixing non-uniformity indexvalues and 5.37% for CV values, indicating that the single horizontal viewing images could be used to obtain higher accuracy. The threshold of static mixing non-uniformity index for judging whether the mixture was uniform or non-uniform was set to be 13.00 as there weren’t non-scatted viscous pesticides remaining in the detection tube when the static mixing non-uniformity indexvalues dropped below it. In addition, the threshold for determining the concentration consistency was set to be only 2% because there weren’t apparent brightness differences between ROIs at different moments when the CV values were less than it. The increase of carrier flow rate and the mixing ratios could generally improve the static uniformity and dynamic concentration consistency of inline mixing. However, when it was under the condition of a large mixing ratio , the static mixing uniformity of the jet mixer would decline due to the pesticide accumulation in the side wall of the jet mixer. The average static non-uniformity index of the proposed mixer here reduced from 16.70 to 14.76, and reduced to about 13.00 only when mixing ratios was higher than 9:100 and carrier flow rate was higher than 1400 m/min, which could achieve uniform mixing efficacy completely. Although it was difficult for the new mixer to guarantee high static mixing uniformity under all working conditions, it could still significantly improve the dynamic consistency of the mixing concentration under the pulsation injection conditions with the average CV value decreased from 0.039 to only 0.011. Moreover, when the working condition could meet the requirements of injection frequency higher than 5.10 Hz or the mixing ratios was higher than 5:100, the CV values would decline to 0.020, which could fully satisfy the dynamic consistency requirements. The linear correlations between the static uniformity and dynamic consistency of jet mixer and layered mixer were 0.848 and 0.684, respectively. Therefore, a more efficient inline pesticide mixer should be proposed especially when the pesticide injection pulse was strong. The independent sample test results showed that the optimization of the static uniformity of the proposed mixer was less than that of the concentration consistency, which indicates that the new mixer structure has significant concentration pulsation attenuation efficacy. To conclude, further optimization on static uniformity of the proposed mixer should be proposed.

pesticides; image processing; mixing; plant protection machinery; layered mixer; static mixing uniformity; dynamic concentration consistency

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.08.008

TP391.41；S482

A

1002-6819(2019)-08-0065-10

2018-10-08

2019-03-10

江苏省基础研究计划青年基金项目(BK20170930)；“江苏高校优 势学科”建设经费资助(PAPD)；“一流学科”建设经费资助(PNFD)；江苏省 “333”工程资助项目（BRA2018327）

代祥，博士生，主要从事农林机械化与自动化技术研究。 Email：18852089528@139.com

徐幼林，教授，博士生导师，主要从事植保机械、现代机械设 计理论与方法研究。Email：youlinxu@njfu.edu.cn

代 祥，徐幼林，陈骏阳，郑加强，宋海潮，马鲁强. 射流混药器改进提高混药均匀性及动态浓度一致性[J]. 农业工程学报，2019，35(8)：65－74. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.08.008 http://www.tcsae.org

Dai Xiang, Xu Youlin, Chen Junyang, Zheng Jiaqiang, Song Haichao, Ma Luqiang. Improved jet mixer injection nozzle enhancing pesticide mixing uniformity and dynamic concentration consistency[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(8): 64－74. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.08.008 http://www.tcsae.org