基于PWM變量噴霧的單噴頭動態(tài)霧量分布均勻性實驗

蔣煥煜 張利君 劉光遠 施瑋囡

(浙江大學生物系統(tǒng)工程與食品科學學院， 杭州 310058)

基于PWM變量噴霧的單噴頭動態(tài)霧量分布均勻性實驗

蔣煥煜 張利君 劉光遠 施瑋囡

(浙江大學生物系統(tǒng)工程與食品科學學院， 杭州 310058)

為研究PWM變量噴霧系統(tǒng)的動態(tài)霧量分布均勻性特點，以胭脂紅溶液為噴霧試劑，在輸送帶上放置矩陣式集霧穴盤收集霧滴，采用濃度-吸光度法測量霧量沉積濃度，對單個噴頭分別測試了不同PWM頻率、PWM占空比和噴霧壓力對總體區(qū)域、噴霧前進方向和噴桿方向上霧量分布均勻性的影響。研究發(fā)現，相較于噴桿方向，PWM頻率對單噴頭在噴霧前進方向上的霧量分布均勻性影響更大，某一速度條件下PWM頻率的最小值應至少保證噴霧的連續(xù)性，且無需過大,從而保證電磁閥的使用壽命；當PWM占空比增大到一定值使噴霧流量基本穩(wěn)定時，PWM占空比的繼續(xù)增大可同時提高單噴頭在噴霧前進方向和噴桿方向上的霧量分布均勻性，而在PWM占空比增大到該定值之前，僅對噴霧前進方向上的霧量分布有明顯影響；在霧化效果較好的前提下，噴霧壓力對單噴頭在噴霧前進方向和噴桿方向上的霧量分布均勻性均有較大影響，且影響效果相反，主要因為隨著噴霧壓力的增大，霧量更多地向噴桿方向上的兩側和噴霧前進方向上的中間聚集。

植保機械; 變量噴霧; 脈寬調制; 霧量分布均勻性

引言

霧量分布均勻性是衡量植保噴霧質量的重要指標，在噴霧過程中，病蟲害的具體分布無法被準確預測，所以最保險的方式就是均勻噴霧，使藥液盡可能全面覆蓋[1-3]。同時，只有提高了噴霧的分布均勻性，才能在保證藥效的前提下，節(jié)省藥量，提高農藥有效利用率[4-5]。脈寬調制式(PWM)控制技術是當前變量噴施領域的發(fā)展方向以及研究熱點[6-7]，其調節(jié)流量的原理為：通過控制電磁閥的開閉，調節(jié)噴頭在一個周期內開合的時間比來調節(jié)流量。相對于常見的變壓力式變量噴霧技術而言，PWM變量噴霧技術有著更好的流量調節(jié)特性和動態(tài)響應特性[8]，但由于PWM 變量噴霧系統(tǒng)間歇式的噴霧特點，其霧量分布均勻性難以控制。目前國內外學者在靜態(tài)噴霧條件下，對各種噴霧機的噴霧分布特性已經進行了大量的研究[4,9-12]。但這些靜態(tài)噴霧實驗均是在噴頭與靶標無相對運動的條件下，對恒量噴霧進行測量，且實際上研究的是垂直于噴霧前進方向上的噴霧分布均勻性，所得結論片面。在真正農田作業(yè)過程中，噴頭相對作物是運動的且需要根據病蟲害情況做到變量噴施。當前，針對PWM變量噴施系統(tǒng)，尤其是在動態(tài)噴霧條件下噴霧特性的研究報道較少。TIAN等[13]以PWM變量噴頭為研究對象，在不同控制信號條件下，建立了模擬動態(tài)噴霧霧量分布的模型，但是未對建立的模型進行有效驗證。LEBEAU[14]建立了動態(tài)噴霧沉積特性試驗臺，分析了PWM變量噴頭的水平運動對霧量分布的影響。LARDOUX等[15-16]在動態(tài)條件下研究了噴桿高度、噴桿速度和噴頭類型等噴桿參數對噴霧分布特性的影響。魏新華等[17]采用矩陣式霧量收集裝置對PWM變量噴頭的靜態(tài)霧量分布進行了測試。蔣煥煜等[18]進行了基于水敏試紙的動態(tài)噴霧分布均勻性實驗，分析了不同控制信號對動態(tài)噴霧分布均勻性的影響，但使用水敏試紙只能表征霧滴的分布面積等霧滴的二維特征，而不能評價實際噴灑出的單位面積上的霧滴質量，即霧量沉積濃度。而邱白晶等[19]以胭脂紅溶液為藥液，針對大田環(huán)境下無人直升機的噴霧沉積分布特性，采用沉積濃度的概念對霧滴沉積濃度的分布均勻性進行了評價。

為在動態(tài)條件下針對變量噴霧的霧量分布均勻性進行充分研究，需從總體區(qū)域、噴霧前進方向和噴桿方向上分別進行討論。本文借鑒邱白晶等[19]和魏新華等[17]的研究方法，采用矩陣式集霧穴盤收集霧滴，使用胭脂紅溶液濃度-吸光度法測量收集的霧量濃度，在搭建的一套動態(tài)PWM變量噴霧實驗平臺上，研究PWM頻率、PWM占空比和噴霧壓力等作業(yè)參數對單噴頭動態(tài)霧量分布均勻性的影響，以期為實際作業(yè)中選擇PWM變量噴霧作業(yè)參數和多噴頭噴霧特性深入研究提供參考。

1 材料和方法

1.1 動態(tài)PWM變量噴霧實驗平臺

動態(tài)PWM變量噴霧實驗平臺示意圖如圖1所示。實驗平臺主要由計算機、噴霧控制器、電磁閥(Q22XD-1.2L型，余姚博普閥業(yè)有限公司)、扇形噴頭(H1/4VV-80015型，美國噴霧系統(tǒng)公司)、供壓穩(wěn)壓部分和調速輸送帶組成。其中計算機產生脈寬調制信號并控制信號脈寬及頻率，經以單片機STM32F407為中央處理器的噴霧控制器傳輸信號驅動電磁閥的關閉；供壓穩(wěn)壓部分由安全閥、球閥、壓力罐、單向閥、壓力表、氣泵和直流電動機組成，噴霧試劑通過球閥注入壓力罐內，直流電動機驅動氣泵為壓力罐供給一定噴霧壓力，壓力可通過壓力表讀出；調速輸送機由輸送帶、伺服電動機和變頻器組成，通過變頻器控制伺服電動機驅動輸送帶實現變速操作。

圖1 動態(tài)PWM變量噴霧實驗平臺Fig.1 Dynamic experiment platform of PWM variable spray1.計算機 2.噴霧控制器 3.安全閥 4.球閥 5.壓力罐 6.單向閥 7.氣泵 8.直流電動機 9.壓力表 10.過濾器 11.電磁閥 12.扇形噴頭 13.輸送帶 14.伺服電動機 15.變頻器

1.2 霧滴收集裝置

霧滴收集裝置采用矩陣式集霧穴盤，尺寸為15 mm×320 mm×480 mm，集霧穴盤上有384(16×24)個緊密均勻排列的穴孔，每個孔的容積為3 mL，直徑為2 cm。實驗時，將集霧穴盤放置在輸送帶上，隨著輸送帶的前進，噴頭在一段時間內噴出的霧滴落入穴孔中，如圖2所示。

圖2 集霧穴盤工作過程Fig.2 Working process of droplets collection tray

1.3 胭脂紅溶液濃度-吸光度法

噴霧試劑采用胭脂紅水溶液，胭脂紅為易溶于水的人工合成色素。測量集霧穴盤中收集的霧量質量濃度的方法為胭脂紅溶液濃度-吸光度法。

1.3.1 胭脂紅溶液的配置

根據朗伯-比爾定律[20]，吸光度與樣品濃度成正比，樣品濃度過低或過高，都會使測得的吸光度超出合適的范圍。實驗所采用的吸光度測量設備為多功能酶標儀(SpectraMax M5型，美國分子儀器有限公司)，其吸光度的有效測讀范圍為0～4.0OD，為使實驗中測得的吸光度數值控制在該測讀范圍之內，試劑的配置質量濃度設為10 g/L。

1.3.2 胭脂紅溶液濃度-吸光度的標定

為確定胭脂紅溶液濃度與吸光度的輸入與輸出關系，需要先對其進行標定。

配置0.04、0.06、0.08 g/L 3種質量濃度的胭脂紅溶液，利用多功能酶標儀獲得3種濃度下的胭脂紅吸收曲線，如圖3所示。根據朗伯-比爾定律[16]，在最大吸收波長處測得的吸光度所換算成的濃度誤差最小，由圖3可知，在200～300 nm時3種濃度的吸光度差異極小，因此選擇300～800 nm之間的波峰506 nm作為胭脂紅溶液吸光度的檢測波長。

圖3 胭脂紅吸收曲線Fig.3 Carmine absorption curves

選取質量濃度為0.02、0.04、0.06、0.08、0.10、0.12 g/L的胭脂紅溶液進行標定。每種質量濃度的溶液各配置3份，在506 nm的波長下對每份溶液分別測2次吸光度，即每種質量濃度的溶液各測6次吸光度，取平均值，獲得的胭脂紅標準濃度曲線如圖4所示。經過線性擬合，胭脂紅質量濃度與吸光度的關系為

C=0.073 3A-0.000 9

(1)

式中C——胭脂紅質量濃度，g/LA——胭脂紅吸光度

圖4 胭脂紅標準濃度曲線Fig.4 Carmine standard concentration curve

經過回歸分析，該關系式的決定系數R2=0.999 8，表明擬合程度較高。

1.4 動態(tài)霧量分布均勻性評價方法

1.4.1 霧量沉積濃度

實驗時，用集霧穴盤收集霧滴，之后在暗室環(huán)境中晾干集霧穴盤；待水分蒸發(fā)干凈后，在每個穴孔中注入3 mL清水，穴孔中留有的胭脂紅成分會迅速溶解；再從每個穴孔中吸取200 μL溶液注入酶標板(96孔，美國康寧公司)中，將酶標板放在多功能酶標儀中測量吸光度，根據式(1)計算胭脂紅質量濃度，進而得出每個穴孔的霧量沉積濃度。霧量沉積濃度指單位面積上所沉積霧滴的質量，計算公式為

(2)

式中L——霧量沉積濃度，mg/cm2V——集霧穴盤單孔容積，LC0——噴霧試劑質量濃度，g/Lρ——噴霧試劑密度，g/Lr——集霧穴盤單孔半徑，cm

在該實驗中，集霧穴盤單孔容積為3 mL，單孔半徑為1 cm，噴霧試劑密度為103g/L，代入式(2)中可得

(3)

1.4.2 霧量分布變異系數

動態(tài)霧量分布均勻性的衡量指標為霧量分布變異系數CV，CV越小表示霧量分布越均勻。從農藝角度來講，CV應不超過15%。CV計算公式為

(4)

其中

(5)

霧量分布變異系數可從總體區(qū)域、噴霧前進方向和噴桿方向3方面進行計算。公式(4)、(5)中的數據集相應地分為3類：總體區(qū)域上的數據集指一次實驗中每個穴孔的霧量沉積濃度的集合，數據量為穴孔數；噴霧前進方向上的數據集指一次實驗中每行(噴桿方向)穴孔的霧量沉積濃度求取平均值后的集合，數據量為集霧穴盤列數；噴桿方向上的數據集指一次實驗中每列(噴霧前進方向)穴孔的霧量沉積濃度求取平均值后的集合，數據量為集霧穴盤行數。

1.4.3 噴霧區(qū)域可視化研究

使用Matlab軟件對單盤集霧穴盤中每個穴孔的沉積濃度進行插值擬合可獲得某一實驗條件下的霧量沉積濃度分布圖。在PWM占空比為60%，PWM頻率為7 Hz，噴霧速度為0.5 m/s，噴霧壓力為0.2 MPa的條件下，獲得的霧量沉積濃度分布圖如圖5所示，從圖中可以直觀地評價霧量沉積濃度的分布情況。

2 動態(tài)霧量分布均勻性實驗設計

打開壓力罐上的球閥，注入質量濃度為10 g/L的胭脂紅溶液作為噴霧試劑；固定噴頭位置，使噴頭與輸送帶之間的高度為300 mm，噴頭與地面垂直并位于輸送帶中央，且扇形噴霧截面長軸應與輸送帶運動方向垂直；使用變頻器控制輸送帶速度為0.5 m/s；

圖5 霧量沉積濃度分布圖Fig.5 Concentration distribution diagram of spray deposition

設置所需的PWM頻率(3、5、7、9 Hz)、PWM占空比(20%、40%、60%和80%)和噴霧壓力(0.1、0.2、0.3、0.4 MPa)進行單因素實驗；等待噴頭及傳輸帶穩(wěn)定工作1 min后，將集霧穴盤放置在輸送帶中間位置進行霧滴收集，進而按照第1.4節(jié)提供的方法從總體區(qū)域、噴霧前進方向和噴桿方向對單噴頭動態(tài)霧量分布均勻性進行評價，每次實驗重復3次。

3 結果與討論

3.1 PWM頻率對單噴頭動態(tài)霧量分布均勻性的影響

將噴霧壓力設置為0.2 MPa，PWM占空比設置為60%，將PWM頻率分別設置為3、5、7、9 Hz，其他實驗條件和實驗過程同第2節(jié)。不同PWM頻率下的實驗結果如圖6和表1所示。

圖6 不同PWM頻率下的實驗結果Fig.6 Experimental results under different PWM frequencies

PWM頻率/Hz總體區(qū)域噴霧前進方向噴桿方向360.2043.5043.46538.4618.5235.63734.514.4535.73934.183.9635.60

由圖6b可知，在噴霧前進方向上，在輸送帶速度為0.5 m/s的條件下，PWM頻率為3 Hz和5 Hz時，霧量分布的間歇性特點明顯，不適合實際作業(yè)；而在7 Hz和9 Hz時，霧量分布的間歇性特點變弱，從圖6a中也可觀察到，在PWM頻率為7 Hz和9 Hz時，變異系數略有降低但變化不大。在噴桿方向上，由圖6c和圖6a可知，PWM頻率對噴桿方向上的變異系數影響較弱。從數學統(tǒng)計角度上講，總體區(qū)域上的變異系數大小及變化規(guī)律受到噴桿方向和噴霧前進方向上的共同影響，且與變異系數較大的一方更接近，該規(guī)律從圖6a、圖7a和圖8a中也可得出。主要結論為，某一速度條件下PWM頻率的最小值應至少保證噴霧的連續(xù)性，且無需過大，從而保證電磁閥的使用壽命。

圖7 不同PWM占空比下的實驗結果Fig.7 Experimental results under different PWM duty cycles

圖8 不同噴霧壓力下的實驗結果Fig.8 Experimental results under different spray pressures

3.2 PWM占空比對單噴頭動態(tài)霧量分布均勻性的影響

將噴霧壓力設置為0.2 MPa，PWM頻率設置為7 Hz，將PWM占空比分別設置為20%、40%、60%和80%，其他實驗條件和實驗過程同第2節(jié)。不同PWM占空比下的實驗結果如圖7和表2所示。

表2 不同PWM占空比下的3種霧量分布變異系數

由圖7a可知，在噴霧前進方向上，PWM占空比越大，變異系數越小，且變化顯著。在噴桿方向上，從圖7b和圖7c可觀察到，當PWM占空比從20%增加到60%時，噴霧流量變化明顯，但變異系數變化較小，而當PWM占空比從60%變化到80%時，噴霧流量基本不變，但變異系數有明顯降低。主要結論為，當PWM占空比增大到一定值使噴霧流量基本穩(wěn)定時，PWM占空比的繼續(xù)增大可同時提高噴霧前進方向和噴桿方向上的霧量分布均勻性，而在PWM占空比增大到該定值之前，僅對噴霧前進方向上的霧量分布有明顯影響。

3.3 噴霧壓力對單噴頭動態(tài)霧量分布均勻性的影響

將噴霧頻率設置為7 Hz，PWM占空比設置為60%，將噴霧壓力分別設置為0.1、0.2、0.3、0.4 MPa，其他實驗條件和實驗過程同第2節(jié)。不同噴霧壓力下的實驗結果如圖8和表3所示。由圖8a可知，在噴霧壓力為0.1 MPa時，由于壓力過低，霧化效果差，導致3種霧量分布變異系數均較大。在噴霧壓力達到0.2 MPa后，噴霧壓力越大，噴

表3 不同噴霧壓力下的3種霧量分布變異系數

霧前進方向上的變異系數越大，而噴桿方向上變異系數反而越小。從圖8c可觀察到，在噴桿方向上，噴霧壓力變大時，增加的流量更多地噴向兩側而非在中間聚集，使得霧形更加飽滿；而根據圖8b中的數據計算得出，0.2、0.3、0.4 MPa所對應的曲線中相鄰波峰與波谷差值的平均值分別為0.23、0.30、0.51 mg/cm2，可見在噴霧前進方向上，噴霧壓力變大時，增加的流量更多的噴向中間而非兩側。主要結論為，在霧化效果較好的前提下，隨著噴霧壓力的增大，霧量更多地向噴桿方向上的兩側和噴霧前進方向上的中間聚集。

4 結論

(1)采用矩陣式集霧穴盤收集霧滴，使用胭脂紅溶液濃度-吸光度法測量霧量濃度，可在動態(tài)條件下對變量噴霧的霧量分布均勻性進行可視化研究。

(2)相較于噴桿方向，PWM頻率對單噴頭在噴霧前進方向上的霧量分布均勻性影響較大。某一速度條件下PWM頻率的最小值應至少保證噴霧的連續(xù)性，且無需過大，從而保證電磁閥的使用壽命。

(3)當PWM占空比增大到一定值使噴霧流量基本穩(wěn)定時，PWM占空比繼續(xù)增大可同時提高單噴頭在噴霧前進方向和噴桿方向上的霧量分布均勻性，而在PWM占空比增大到該定值之前，僅對噴霧前進方向上的霧量分布有明顯影響。

(4)在霧化效果較好的前提下，噴霧壓力對單噴頭在噴霧前進方向和噴桿方向上的霧量分布均勻性均有較大影響，且影響效果相反，主要因為隨著噴霧壓力的增大，霧量更多地向噴桿方向上的兩側和噴霧前進方向上的中間聚集。

(5)單噴頭在總體區(qū)域上霧量分布均勻性與噴桿方向和噴霧前進方向上的霧量分布均相關。

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智慧政府的概念來源于智慧城市，屬于智慧城市的組成部分。關于智慧城市的概念，目前被學界普遍接受的定義為應用智能傳感設備將城市公共設施等物聯成網，并與互聯網系統(tǒng)對接融合[1]，在此基礎上，政府、企業(yè)和個人進行工作生活的創(chuàng)新應用，城市的各個關鍵系統(tǒng)和參與者進行和諧高效的協(xié)作，從而進化出新的城市形態(tài)。

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Experiment on Dynamic Spray Deposition Uniformity for PWM Variable Spray of Single Nozzle

JIANG Huanyu ZHANG Lijun LIU Guangyuan SHI Weinan

(CollegeofBiosystemsEngineeringandFoodScience,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China)

The spray deposition uniformity is an important measure index to evaluate spray quality. Through improving the spray deposition uniformity, the pesticides can be saved under the premise of high pesticide effect. Aiming at studying the uniformity characteristics of dynamic spray deposition for PWM variable spray system, the carmine solution was used as spray reagent and matrix tray with holes was put on the conveyor to collect droplets, and then the spray deposition concentrations of each hole were calculated by the method of concentration-absorbance measurement. The impacts of spray pressure, frequency and duty cycle of PWM signal on spray deposition uniformity for single nozzle were tested from three aspects of whole area, forward moving and spray bar direction. The research results suggested that for single nozzle, the frequency of PWM signal had bigger impact on spray deposition uniformity in forward moving direction than that in spray bar direction and there was no need to set too large value of frequency unless it was required to guarantee the continuity of spray. Moreover, before the duty cycle of PWM signal reached a certain value that the flow rate of spray became stable, the duty cycle only influenced the spray deposition uniformity in forward moving direction significantly for single nozzle, and when the duty cycle was bigger than the value, it can influence the spray deposition uniformity in both the forward moving and spray bar directions for single nozzle. The results also indicated that the spray pressure had opposite effect on spray deposition uniformity in forward moving and spray bar directions for single nozzle. These results could provide references for setting operating parameters of spray work and studying the uniformity characteristics of dynamic spray deposition for multi nozzles.

plant protection machinery; variable spray； pulse width modulation; spray deposition uniformity

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.04.005

2016-07-14

2016-09-26

國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(2012AA10A504)、農業(yè)部引進國際先進農業(yè)科學技術項目(2011-G32)和浙江省“新世紀151 人才工程”項目

蔣煥煜(1972—)，男，教授，博士生導師，主要從事農業(yè)自動化裝備研究，E-mail： hyjiang@zju.edu.cn

S491

A

1000-1298(2017)04-0041-06