平面激光誘導(dǎo)熒光法測量射流混藥濃度場研究

管賢平，邱白晶，龔 艷，董曉婭，歐鳴雄，董立立

?

平面激光誘導(dǎo)熒光法測量射流混藥濃度場研究

管賢平1,2※，邱白晶2，龔 艷1，董曉婭2，歐鳴雄2，董立立2

（1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210014；2. 江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植保工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鎮(zhèn)江 212013）

為了驗(yàn)證平面激光誘導(dǎo)熒光（planar laser induced fluorescence，PLIF）方法測量射流混藥濃度場的可行性，該文在考察射流混藥濃度場隨壓力變化特性基礎(chǔ)上，開展基于PLIF的射流混藥濃度場測量試驗(yàn)。研制了射流混藥裝置及輔助測量裝置。配制6種不同濃度的羅丹明6G均勻混合液進(jìn)行濃度標(biāo)定，采用平滑濾波消除測量噪聲影響。對比總體灰度值標(biāo)定和分柵格標(biāo)定2種方法的標(biāo)定效果，結(jié)果表明：采用分柵格標(biāo)定可以獲得較平均的分區(qū)域濃度，在標(biāo)定濃度為1.000 mg/L時，分柵格標(biāo)定的最大最小平均值之差僅為總體標(biāo)定的25.22%。開展3種吸入濃度、進(jìn)水口壓力0.1～0.6 MPa時的濃度場測量試驗(yàn)，結(jié)果表明：總體上混合管末端變異系數(shù)偏大，靠近管壁的變異系數(shù)偏大；在壓力0.1和0.2 MPa時，在測量區(qū)域末端的混合液濃度偏大，變異系數(shù)較大，混合均勻性較差。該文試驗(yàn)結(jié)果表明PLIF方法可用于射流混藥濃度場測量，試驗(yàn)方法和結(jié)果可為其他液液混合濃度場測量提供參考。

農(nóng)藥；濃度；射流混藥；平面激光誘導(dǎo)熒光；標(biāo)定

0 引 言

在線混藥方法在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到學(xué)者廣泛關(guān)注[1]，在控制[1-2]、性能試驗(yàn)[3-4]和建模[5-6]等方面都有相關(guān)研究，其中射流混藥得到較多研究[7-12]，如邱白晶等[9]進(jìn)行了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對射流混藥性能的數(shù)值分析，宋海潮等[10-11]進(jìn)行了脂溶性農(nóng)藥旋動射流混藥器結(jié)構(gòu)分析仿真與混合性能試驗(yàn)?；焖帩舛燃皾舛葓鰷y量是評價與分析混合效果的重要手段，有多種濃度測量方法，如透射法或濁度法[13-15]、近紅外[16-17]、超聲測量法[18-19]、表面等離子共 振[20]、圖像法[21]和平面激光誘導(dǎo)熒光法（planar laser induced fluorescence，PLIF）[22]等，以上方法中只有圖像和PLIF方法適合在線測量濃度場。徐幼林等[21]采用高速圖像分析方法進(jìn)行混合均勻性評價，需添加示蹤粒子，且測量精度受所添加示蹤粒子密度限制。PLIF技術(shù)是一種新型無干擾流場測試技術(shù)，可用于液相或氣相流場流動形態(tài)的可視化測量，并能夠定量地測量濃度場、溫度場等信息。林柯利等[22]采用PLIF 技術(shù)對液-液噴射混合器的湍流混合特性進(jìn)行了研究，得到了噴射器內(nèi)湍流混合的二維濃度場。Nemri等[23]同時采用粒子圖像測速和PLIF進(jìn)行圓管內(nèi)流體流動特性分析。Thong等[24]采用PLIF方法進(jìn)行圓管內(nèi)多層流動態(tài)特性分析。Shim等[25]采用溫度敏感的羅丹明B和溫度不敏感的硫代羅丹明101，實(shí)現(xiàn)了雙色激光誘導(dǎo)熒光的測量分析。

在一般的濃度標(biāo)定中，假設(shè)濃度和灰度的關(guān)系是均一的。但在實(shí)際PLIF的測量中，標(biāo)定結(jié)果受入射激光強(qiáng)度、溶液吸光性能、材料透光性能等眾多因素影響，濃度分布可能不均勻。Karasso等[26]試驗(yàn)表明，Nd:YAG激光器激發(fā)熒光素鈉的熒光強(qiáng)度存在非線性，不適合用于濃度定量測量；Crimaldi[27]指出熒光強(qiáng)度與濃度成線性關(guān)系的條件是熒光濃度遠(yuǎn)小于飽和濃度；Shan等[28]研究表明，羅丹明6G在同一激光強(qiáng)度下，熒光強(qiáng)度與濃度存在較好的線性關(guān)系，但是激光強(qiáng)度與熒光強(qiáng)度不是線性關(guān)系。激光在通過溶液時，根據(jù)激光路徑長度，光強(qiáng)有衰減，Sarathi等[29]的試驗(yàn)結(jié)果表明，在水中4 cm光程，光強(qiáng)衰減小于0.1%。

目前還缺乏射流混藥的PLIF濃度場測量試驗(yàn)工作，標(biāo)定時如何處理因測量條件造成的濃度分布不均問題有待進(jìn)一步探討。本文擬通過構(gòu)建PLIF濃度場測量系統(tǒng)，開展?jié)舛葓鰳?biāo)定試驗(yàn)和不同壓力下的濃度場測量試驗(yàn)，以驗(yàn)證PLIF方法測量射流混藥濃度場的可行性，并考察射流混藥濃度場隨壓力變化特性。

1 材料與方法

1.1 射流混藥PLIF測量試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1.1 射流混藥裝置及光學(xué)畸變校正裝置

考慮測量裝置外形透光特性、加工成本和連接使用方便性等因素，設(shè)計(jì)加工了射流混藥裝置及用于輔助測量的光學(xué)畸變校正裝置。射流混藥裝置采用射流管、射流嘴、混合管等多個部件組裝的形式，其中混合管為圓形石英玻璃管。光學(xué)畸變校正裝置主要是在圓管外面放置的充滿待測液體的方形容器，以降低光學(xué)畸變[30-31]。方形容器上側(cè)敞口，兩側(cè)面為有機(jī)玻璃平板，兩端采用端蓋密封。射流混藥測量裝置及光學(xué)畸變校正裝置連接示意圖如圖1a所示。本文主要針對小流量噴頭的混藥濃度場測量，射流混藥裝置設(shè)計(jì)考慮了流量、吸藥特性和器件承壓特性等因素，主要參數(shù)選擇參考文獻(xiàn)[9]，混合管擴(kuò)散角為9°，吸藥口在射流嘴有錐度的側(cè)面位置，利于阻止藥液回流。由于不同混合管和射流嘴直徑組合的吸藥特性不同，因此加工多種尺寸規(guī)格，以利于選擇可吸藥的組合。加工的混合管入口直徑有=1.0、1.5、2.5 mm，射流嘴出口直徑有=0.6、0.8、1.0 mm，混合管總長度均為186.0 mm，出口直徑均為8.0 mm。噴霧用液泵為普蘭迪PLD-1206隔膜泵，最大壓力為1.0 MPa，最大流量為3.2 L/min，采用PWM控制器進(jìn)行液泵噴霧壓力調(diào)控，采用0～1.0 MPa的壓力表測量射流混藥裝置進(jìn)水口處的壓力。

1.1.2 PLIF測量試驗(yàn)系統(tǒng)

PLIF測量試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括激光系統(tǒng)、CCD相機(jī)、計(jì)算機(jī)及待測裝置等部分，其中待測裝置主要包括射流混藥裝置、光學(xué)畸變校正裝置和相關(guān)的噴霧系統(tǒng)。激光系統(tǒng)采用中科思遠(yuǎn)光電科技公司生產(chǎn)的PLITE200激光系統(tǒng)，主要包括激光器、導(dǎo)光臂、片光源裝置。激光器為Nd:YAG雙脈沖固體激光器，激光波長532 nm，頻率10 Hz，最大脈沖能量為200 mJ。通過7關(guān)節(jié)導(dǎo)光臂和片光源裝置形成厚度為0.5～2.0 mm、扇面角30°的片狀光源。CCD相機(jī)為美國TSI公司的 PowerView4M跨幀相機(jī)，分辨率為2048像素′2048像素，相機(jī)灰度動態(tài)值為12位，每秒最多可以采集14幀圖像。熒光試劑采用羅丹明6G，相機(jī)濾鏡采用545 nm的長波濾鏡。軟件系統(tǒng)包括Insight 3G軟件平臺和PLIF分析處理模塊，圖片灰度平滑和統(tǒng)計(jì)分析軟件主要基于MATLAB 2012編程實(shí)現(xiàn)。PLIF濃度場測量現(xiàn)場如圖1b所示。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 測量系統(tǒng)連接定位及測試參數(shù)設(shè)置預(yù)試驗(yàn)

1）測量系統(tǒng)連接定位。為了獲得測量區(qū)域一致的圖片以便于統(tǒng)計(jì)和對比分析，在各測試過程中保持測量裝置的相對位置固定不變。將射流混藥裝置各部件按圖1a連接并安裝固定到光學(xué)畸變校正裝置上，使兩者成為一體。將安裝好的光學(xué)畸變校正裝置通過螺絲固定在光學(xué)平臺上，片光源裝置采用輔助裝置固定在光學(xué)平臺上，并位于射流混藥裝置的正上方，調(diào)節(jié)片光源出口到混藥管距離約為1.0 m。調(diào)節(jié)片光源裝置角度，使片光從上向下投射，片光平面與水平的光學(xué)平臺垂直且經(jīng)過混合管的中心軸線，從而照亮整個混合管的垂直截面。CCD相機(jī)由三腳架支撐，調(diào)節(jié)CCD相機(jī)鏡頭中心線與混合管中心軸線在同一水平高度且相互垂直，即鏡頭中心線與片光平面垂直，使相機(jī)可以正面拍攝混合管的垂直截面區(qū)域。調(diào)節(jié)相機(jī)鏡頭相對混合管位置，對準(zhǔn)混合管入口區(qū)域，以便拍攝混合管從入口到擴(kuò)散段的測量圖片。在各測試條件下，保持射流混藥裝置、片光源裝置、CCD相機(jī)等裝置的位置固定不變，并保持各設(shè)備的測試參數(shù)不變，以使獲得的測量照片所拍攝對象的實(shí)際幾何形狀和尺寸完全相同。

1. 射流管 2. 射流嘴 3. 左端蓋 4. 混合管 5. 光學(xué)畸變校正裝置 6. 右端蓋 A. 進(jìn)水口 B. 吸藥口 C. 混合液出口

1. Jet pipe 2. Jet nozzle 3. Left end cap 4. Mixing tube 5. Optical distortion correction device 6. Right end cap A. Water inlet B. Pesticides inlet C. Mixing liquid outlet

注：為混合管入口直徑，mm；為射流嘴出口直徑，mm；為混合管擴(kuò)散角，（°）。

Note:is inlet diameter of mixing tube, mm;is outlet diameter of jet nozzle, mm;is diffusion angle of mixing tube, (°).

a. 射流混藥裝置及光學(xué)畸變校正裝置

a. Jet mixing device and optical distortion correction device

1. CCD相機(jī) 2. 雙脈沖激光器 3. 導(dǎo)光臂 4. 計(jì)算機(jī) 5. 片光源裝置 6. 射流混藥裝置及光學(xué)畸變校正裝置 7. 混合液出口管 8. 光學(xué)平臺 9.進(jìn)水管 10. 吸藥管

1. CCD camera 2. Double pulse laser 3. Light arm 4. Computer 5. Sheet light source device 6. Jet mixing device and optical distortion correction device 7. Mixing liquid outlet pipe 8. Optical platform 9. Water inlet pipe 10. Pesticide inlet pipe

b. 測量現(xiàn)場

b. Measurement site

圖1 PLIF濃度場測量系統(tǒng)示意圖及測量現(xiàn)場

Fig.1 Schematic diagram and measurement site of PLIF concentration field measurement system

2）測試參數(shù)設(shè)置預(yù)試驗(yàn)。為了獲得合適的測試參數(shù)，進(jìn)行測量狀態(tài)下的預(yù)試驗(yàn)。為了獲取清晰的測量圖片，在測量狀態(tài)下，進(jìn)行激光強(qiáng)度、片光厚度和每秒連續(xù)拍攝圖片數(shù)量等參數(shù)的優(yōu)選。經(jīng)過不同參數(shù)范圍的多次測試對比，選擇激光器光強(qiáng)為低，單位脈沖能量約為50 mJ，片光厚度約為0.5 mm，采集的圖片灰度值均未飽和，整體圖片較清晰。PLIF激光器頻率為10 Hz，即每秒最多可以發(fā)射10次激光，對比每秒不同幀數(shù)設(shè)置，從熒光圖片效果看，每秒拍攝5幀時，圖片清晰度和穩(wěn)定性較好。因此以每秒采集5幀圖片的速度，連續(xù)采集2 s，獲得測量區(qū)域的連續(xù)10幀測量圖片。

3）射流混藥吸藥性能預(yù)試驗(yàn)。由于不同的混合管和射流嘴直徑組合的吸藥特性不同，本文要求在可以吸藥的條件下進(jìn)行濃度場測試，為此進(jìn)行不同混合管和射流嘴組合的吸藥特性預(yù)試驗(yàn)。預(yù)試驗(yàn)時，混合液出口連接4個TP110015噴頭，進(jìn)水口工作壓力調(diào)節(jié)范圍為0.1～0.6 MPa。水箱的水通過軟管連接到泵的吸入口，泵的出口通過軟管連接到混藥裝置的進(jìn)水口，混合管出口與噴頭連接。敞口燒杯中由4 mm軟管連接到射流混藥裝置的吸藥口，以此作為藥箱。預(yù)試驗(yàn)結(jié)果表明，部分組合產(chǎn)生回流現(xiàn)象，吸藥效果較好的組合為混合管入口直徑=1.5 mm，射流嘴出口直徑=0.80 mm，該組合在各壓力下均可吸藥。因此在后續(xù)的濃度場標(biāo)定試驗(yàn)和不同壓力測量試驗(yàn)中，均采用上述的混合管和射流嘴組合，噴霧系統(tǒng)配置與預(yù)試驗(yàn)相同。

1.2.2 圖片灰度與溶液濃度的標(biāo)定試驗(yàn)

采用精度0.1 mg的電子天平sartorius BS210S及量筒、滴定管等配制所需的羅丹明6G溶液。為了獲得不同濃度混合液，采用配制母液多次稀釋的方法配制溶液，首先稱量1.0000 g羅丹明6G粉末，溶解稀釋到約490 mL去離子水中，經(jīng)過滴定獲得500 mL溶液，作為母液，再根據(jù)不同濃度要求，對母液進(jìn)行稀釋，以獲得所需濃度的溶液。標(biāo)定試驗(yàn)中，分別配制0.050、0.100、0.250、0.600、1.000 mg/L的羅丹明6G均勻溶液，在藥箱和水箱中同時加入所配制的溶液，背景條件為藥箱和水箱中都加入清水，作為濃度0.000 mg/L的混合液，以上測量在進(jìn)水口壓力0.3 MPa下進(jìn)行。設(shè)置每秒采集5幀圖片，連續(xù)采集2 s，取10幀圖片測量區(qū)域的平均灰度值作為對應(yīng)濃度下的平均灰度值，以此進(jìn)行濃度標(biāo)定。

1.2.3 不同吸入藥液濃度下的混藥濃度測量試驗(yàn)

將配制的母液稀釋，配制濃度分別為3.125、1.000、0.250 mg/L的羅丹明6G溶液作為模擬農(nóng)藥，放置在藥箱中，而水箱中為清水。3次試驗(yàn)中，在進(jìn)水口0.1～0.6 MPa工作壓力下，間隔0.1 MPa分別進(jìn)行測試。設(shè)置每秒采集5幀圖片，連續(xù)采集2 s，每種條件下獲得10幀連續(xù)圖片，進(jìn)行各測試的統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果分析

首先進(jìn)行測量空間尺寸標(biāo)定，在未混藥情況下，拍攝靜態(tài)圖片，并根據(jù)混合管的直徑進(jìn)行空間尺寸標(biāo)定。混合管右端直徑為8.0 mm，對應(yīng)的像素數(shù)為347.01，則每個像素的尺寸為8.0/347.01=0.023mm。測量圖片為2048像素′2048像素，測量圖片尺寸為47.21 mm′47.21 mm。

各濃度下的第1秒第3幀測量圖片如圖2所示。在測量圖片中，混藥濃度場的目標(biāo)測量區(qū)域?yàn)榛旌瞎軓娜肟诘綌U(kuò)散段內(nèi)部充滿混合液的區(qū)域，對應(yīng)于測量圖片中的區(qū)域?yàn)閳D2f中的紅色框內(nèi)區(qū)域（由于保持測量位置一致不變，各測量圖片中的測量區(qū)域相對位置相同。）對目標(biāo)測量區(qū)域的灰度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

熒光圖像的原始灰度局部有較大波動，存在測量噪聲。如濃度0.250 mg/L的第1秒第3張標(biāo)定圖片，縱向和橫向局部原始灰度見圖3。常用像素平滑方法來減少局部噪聲[29,32-33]。為了提高測量的可靠性，對各設(shè)置情況下的10次圖片取平均值，然后對平均圖片進(jìn)行均值濾波處理。

1）圖片灰度均值濾波：參考文獻(xiàn)[29]，對于像素點(diǎn)（，）處，作鄰域像素點(diǎn)為的平滑，即取其周圍×點(diǎn)平均值作為（，）的平滑灰度值。綜合考慮平滑效果、與原圖誤差和計(jì)算時間因素，選擇=5，平滑效果見圖3。

圖2 不同濃度羅丹明6G溶液的標(biāo)定圖片

圖3 濃度0.250 mg×L–1標(biāo)定時鄰域像素點(diǎn)N = 5平滑效果

其中為||目標(biāo)測量區(qū)域的像素點(diǎn)數(shù)，(,)為屬于目標(biāo)測量區(qū)域的像素點(diǎn)(,)處的灰度值，相機(jī)灰度動態(tài)值為12位，所以灰度值取值范圍為0～4095。

標(biāo)準(zhǔn)差S為

變異系數(shù)C為

3）總體標(biāo)定（total average gray calibration，TAC）：根據(jù)全局平均濃度值和全局平均灰度值，進(jìn)行直線擬合，擬合結(jié)果如圖4所示。由圖4可見，全局平均濃度和灰度的線性度較好。

圖4 總體平均灰度與濃度擬合結(jié)果

標(biāo)定濃度0.000、0.050、0.100、0.250、0.600、1.000 mg/L對應(yīng)的全局平均變異系數(shù)依次為：0.875 0.300 0.298 0.304 0.310 0.313。從各次測量的變異系數(shù)看，背景標(biāo)定時變異系數(shù)較大，而其他濃度溶液標(biāo)定的變異系數(shù)較小，總體上，標(biāo)定濃度大于0時變異系數(shù)較小，濃度測量結(jié)果較穩(wěn)定。

4）分柵格標(biāo)定（grid-based calibration，GBC）：由標(biāo)定時各測量圖片及不同位置的局部灰度曲線看，不同區(qū)域的灰度值存在差異，總體上靠近混合管壁兩側(cè)的灰度值較低，而中間區(qū)域的灰度值較高，這可能是由于圓管不同區(qū)域透射和反射程度不同造成的。混合管最大光程為8 mm，混合管上側(cè)和下側(cè)的灰度值無明顯差別，可見熒光實(shí)際衰減比例均較小，可忽略不計(jì)。為了考察各區(qū)域的濃度分布情況，降低由于測量區(qū)域透光性差異對標(biāo)定造成的影響，進(jìn)行分柵格統(tǒng)計(jì)分析。

根據(jù)測量區(qū)域的形狀和尺寸特點(diǎn)，結(jié)合計(jì)算量要求，進(jìn)行測量區(qū)域的柵格劃分。初步選擇將目標(biāo)測量區(qū)域沿混合管液流流向（即縱向）均勻分為10個單元格，沿混合管徑向（即橫向）均勻分為6個單元格。然后根據(jù)測量結(jié)果對柵格進(jìn)行細(xì)分：由于靠近管壁的柵格灰度差異較大，將橫向靠近管壁的1行柵格均勻分為2行，又由于縱向前后端柵格相對中間段的灰度差異較大，將縱向最前面2列和最后面2列皆均勻一分為二，這樣獲得8×14的柵格劃分方案，如圖5所示。

圖5 測量區(qū)域按8×14柵格劃分

假設(shè)標(biāo)定時，各柵格的平均濃度值yg和柵格平均灰度值g之間擬合關(guān)系為g=1g+2。8×14 GBC標(biāo)定時，各柵格的標(biāo)定系數(shù)和相關(guān)系數(shù)如圖6所示。從圖6可看出，各柵格標(biāo)定系數(shù)因位置不同差異較大，系數(shù)1均為正，中間柵格較小，邊緣柵格較大；系數(shù)2均為負(fù)，中間柵格絕對值較小，邊緣柵格絕對值較大，而相關(guān)系數(shù)都接近1，各柵格差別不大。

GBC方法和TAC方法，部分標(biāo)定濃度時各柵格濃度如圖7所示?？傮w上，在測量區(qū)域的中間部分平均濃度值較穩(wěn)定，數(shù)值較大，而貼近混合管邊緣的濃度值較小，如果不按柵格標(biāo)定，將導(dǎo)致邊緣柵格的濃度值偏低。由圖7可見，TAC標(biāo)定時，邊緣柵格和中間柵格的濃度差別較大，邊緣柵格的濃度值偏??；GBC標(biāo)定時，邊緣柵格和中間柵格的濃度差別較小，但是邊緣柵格的濃度值仍略偏小。

注：GBC表示分柵格標(biāo)定。下同。

注：TAC表示總體標(biāo)定，下同。

Note: TAC means total average gray calibration，the same below.

圖7 TAC和GBC標(biāo)定時各柵格平均灰度值

Fig.7 Average gray value of each grid with TAC and GBC

采用GBC方法和TAC方法標(biāo)定時，在背景標(biāo)定時，各柵格變異系數(shù)沒有明顯規(guī)律，在其他標(biāo)定濃度時，總體上是邊緣柵格的變異系數(shù)較大，中間柵格的較小。可能原因是：邊緣柵格由于透射特性，灰度值差異較大，所以變異系數(shù)較大；通過分柵格標(biāo)定，總體上能改善邊緣柵格的平均濃度值，但是由于固有的灰度值差異存在，變異系數(shù)仍較大。采用直徑更大的混合管，邊緣柵格受光學(xué)畸變影響更小，應(yīng)該可以獲得更準(zhǔn)確的標(biāo)定 結(jié)果。

采用GBC方法和TAC方法標(biāo)定時，全局平均濃度和變異系數(shù)相差不大?？赡茉蚴牵?種標(biāo)定的差異主要體現(xiàn)在邊緣柵格，但是邊緣柵格區(qū)域面積較小，占總體區(qū)域的比例較小，對總體的測量效果影響不大。

為了量化不同標(biāo)定方法的效果，對比TAC和GBC標(biāo)定時，所有柵格平均濃度最大值和最小值之差，結(jié)果如圖8所示。由圖8可見，GBC標(biāo)定，除了背景標(biāo)定時差值較大外，其他測量情況均小于TAC標(biāo)定，如1.000 mg/L標(biāo)定時，GBC標(biāo)定的最大最小平均值之差僅為TAC標(biāo)定時的25.22%，可見GBC標(biāo)定可以減少由于測試條件造成不同區(qū)域灰度不均勻引起的標(biāo)定誤差，獲得更準(zhǔn)確的標(biāo)定結(jié)果。

不同標(biāo)定方法，橫向和縱向各位置柵格平均濃度值的平均值如圖9所示。TAC標(biāo)定時，橫向邊緣柵格的平均值與中間柵格的平均值差異較大，邊緣柵格的平均濃度值較小，中間柵格的平均濃度值較大，縱向柵格序列的平均濃度有較大波動。GBC標(biāo)定時，橫向和縱向平 均濃度值比較均勻，變化較小。由此可見，GBC標(biāo)定可以改善邊緣柵格濃度偏小的缺點(diǎn)，能獲得更均勻的標(biāo)定效果。

圖8 TAC和GBC標(biāo)定的最大最小平均濃度差值對比

2.2 不同吸入藥液濃度的混藥濃度場測量結(jié)果分析

不同吸入濃度時各壓力下的混藥濃度場部分測量結(jié)果如圖10所示。

從圖10測量結(jié)果可看出，總體上混藥濃度分布比較均勻，在0.1和0.2 MPa時，混合管右端出現(xiàn)部分區(qū)域濃度較高現(xiàn)象，其可能原因是壓力較小，測量區(qū)域的混合液流動不足，到了混合管末端，出現(xiàn)部分氣泡，導(dǎo)致亮度增大，在圖中表現(xiàn)為濃度變大。在I=3.125 mg/L時，混合管中間，出現(xiàn)部分區(qū)域濃度略偏高，其可能原因是濃度較大時，混合管中間部分區(qū)域更易于發(fā)射熒光，造成部分區(qū)域亮度略偏高，表現(xiàn)為濃度略偏高。

圖9 TAC和GBC標(biāo)定橫向和縱向柵格平均值對比

圖10 不同吸入濃度時各壓力下的混藥濃度場測量結(jié)果

基于GBC方法獲得的各柵格標(biāo)定系數(shù)，對各測量條件下的平均濃度和變異系數(shù)統(tǒng)計(jì)分析，總體平均濃度和變異系數(shù)如圖11所示。總體看，壓力對平均濃度和變異系數(shù)都有一定影響，0.1和0.2 MPa時平均濃度值偏高，變異系數(shù)偏大，0.3～0.6 MPa時，濃度值偏小，變異系數(shù)較小，說明隨著壓力增加，混藥均勻性提高。

為了考察各吸入濃度條件下，沿混合管縱向和橫向區(qū)域的濃度分布特性，進(jìn)行了縱向柵格和橫向柵格的平均濃度和變異系數(shù)統(tǒng)計(jì)，如圖12～15所示。

圖12為不同吸入濃度時各壓力下縱向柵格平均濃度值。由圖12可見，總體上，縱向柵格在混合管前端的濃度值比較平穩(wěn)，在末端的濃度值在壓力較小時偏大，其中I=3.125 mg/L和I=0.250 mg/L時，0.1和0.2 MPa時末端濃度值均偏大較多，而I=1.000 mg/L時，0.1 MPa時末端濃度值均偏大，0.2 MPa時只在第13、14柵格偏大。

圖13為不同吸入濃度時各壓力下縱向柵格平均變異系數(shù)。由圖13可見，整體上前端的縱向平均變異系數(shù)偏小，末端的平均變異系數(shù)偏大，而且前端的變異系數(shù)隨壓力變化的差異不明顯，在第9柵格，除了I=0.250 mg/L、0.1 MPa時，其他情況都出現(xiàn)變異系數(shù)低谷，第10至第14柵格，總體上變異系數(shù)呈上升趨勢；末端的變異系數(shù)隨壓力有一定變化，但是無明顯變化規(guī)律，如I=1.000 mg/L時末端變異系數(shù)最大的為0.1 MPa時，而I=0.250 mg/L時，末端變異系數(shù)最大是在0.5和0.6 MPa時。

圖14為不同吸入濃度時各壓力下橫向柵格平均濃度值。由圖14可見，橫向柵格的平均濃度值總體上是中間偏大兩側(cè)小，而且總體上在壓力較小時濃度值偏大，但是不同吸入濃度下，各壓力條件下的變化情況并不一致。在I=3.125 mg/L時，0.1和0.2 MPa時濃度值明顯偏大，且中間柵格濃度值最大；0.6 MPa時中間柵格濃度明顯偏大，濃度曲線有明顯的凸起形狀；而0.3～0.5 MPa時，濃度值比較平穩(wěn)，并且不同壓力時濃度值差異較小。在I=1.000 mg/L時，0.1 MPa時濃度值明顯偏大，且中間柵格濃度值最大；0.2～0.6 MPa時濃度變化曲線比較一致，但是濃度值較大的是0.3和0.2 MPa時，濃度值最小的是0.4 MPa時。在I=0.250 mg/L時，0.1和0.2 MPa時濃度值明顯偏大，在第1柵格0.2 MPa時濃度值最大，其他情況是0.1 MPa時濃度值最大；0.3～0.6 MPa時，濃度值變化比較一致，總體上是0.3 MPa時大于0.4 MPa時，而0.5和0.6 MPa時相差不大，2個曲線基本重合。

注：吸入濃度1、2、3分別為3.125、1.000和0.250 ml·L-1。

圖12 不同吸入濃度時各壓力下縱向柵格平均濃度值

圖13 不同吸入濃度時各壓力下縱向柵格平均變異系數(shù)

圖14 不同吸入濃度時各壓力下橫向柵格平均濃度值

圖15為不同吸入濃度時各壓力下橫向柵格平均變異系數(shù)。由圖15可見，橫向柵格的平均變異系數(shù)變化一致性較好，總體上是中間柵格變異系數(shù)小，兩側(cè)變異系數(shù)大，并且不同壓力下變化規(guī)律基本一致。第1和第8柵格的變異系數(shù)比較接近，而且數(shù)值最大，第7柵格變異系數(shù)較第1、8柵格小，但是比其他柵格明顯偏大，而第2～6柵格變異系數(shù)較小，總體上數(shù)值比較接近。說明混合管中間均勻性較好，靠近壁面混合均勻性下降。

為了量化不同吸入濃度時的濃度差異，統(tǒng)計(jì)各吸入濃度下，不同壓力時8×14柵格的平均濃度最大值和最小值之差，結(jié)果如圖16所示。由圖16可見，在不同吸入濃度情況下，總體上是壓力較小時（0.1、0.2 MPa），差值較大，0.3～0.5 MPa時各吸入濃度的差值均較小，I= 3.125 mg/L時，0.6 MPa時差值又偏大?？傮w上壓力較低時，混合均勻較差，壓力增大到一定情況，也可能降低混合均勻性。

圖15 不同吸入濃度時各壓力下橫向柵格平均變異系數(shù)

圖16 不同吸入濃度和壓力時最大最小平均濃度差值對比

3 結(jié) 論

1）搭建了射流混藥裝置和輔助測量裝置，開展了混藥濃度場的PLIF測量試驗(yàn)。首先進(jìn)行濃度與測量灰度的標(biāo)定，然后在吸藥的情況下進(jìn)行不同壓力下的混藥濃度場測量試驗(yàn)。

2）標(biāo)定結(jié)果表明：按總體平均灰度值標(biāo)定時，各區(qū)域的濃度差異較大，邊緣區(qū)域的濃度值明顯偏小，采用分柵格區(qū)域標(biāo)定能較好處理測量圖片灰度不均勻的問題，在縱向和橫向都能夠平滑柵格之間的灰度差異，可以獲得較平均的分區(qū)域濃度。1.000 mg/L標(biāo)定時，按8×14柵格標(biāo)定的最大最小平均值之差僅為總體標(biāo)定的25.22%，分柵格標(biāo)定可以明顯提高標(biāo)定的準(zhǔn)確性。

3）不同吸入濃度在不同壓力時的測量結(jié)果表明：總體上，壓力對平均濃度和變異系數(shù)都有一定影響，壓力為0.1和0.2 MPa時平均濃度值偏高，變異系數(shù)偏大，壓力為0.3～0.6 MPa時，濃度值較小，變異系數(shù)較小，說明在測試壓力范圍內(nèi)，隨著壓力增加，混藥均勻性提高。縱向和橫向柵格平均濃度值變化趨勢表明：混合管末端的縱向平均變異系數(shù)偏大，靠近管壁的橫向平均變異系數(shù)偏大；壓力為0.1和0.2 MPa時，混合管末端出現(xiàn)濃度值偏高，且混合管橫向平均濃度值偏高；總體上橫向中間柵格變異系數(shù)較小，兩側(cè)柵格變異系數(shù)較大，說明混合管靠近壁面混合均勻度降低。總體上，在壓力較低時，不同柵格之間的最大最小濃度差值較大，混合均勻性 較差。

本文采用按柵格標(biāo)定的濃度場標(biāo)定方法，獲得了射流混藥內(nèi)流場的部分結(jié)果，可與外流混藥結(jié)果對比。測量試驗(yàn)方法和結(jié)果可為其他液液混合濃度場的測量提供一定參考。但本文測量的是混合管內(nèi)的濃度場，只是混藥過程中的中間結(jié)果，下一步考慮測定混合后的由噴頭噴出混合液的濃度，對比驗(yàn)證混合管濃度場和最后混藥結(jié)果的關(guān)系。另一方面，采用圓形混合管，在不同柵格位置還存在體積分布差異，后續(xù)工作考慮通過測試結(jié)合仿真來拓展各截面區(qū)域的濃度分布，從而獲得整個混合管的體積濃度分布情況。此外，還可進(jìn)行混藥過程的動態(tài)測試和CFD仿真分析，以獲得混合過程的動態(tài)特性。

[1] Vondricka J, Lammers P S, Real-time controlled direct injection system for precision farming[J]. Precision Agriculture, 2009, 10(5): 421－430.

[2] 蔡祥，Martin W，Malte D，等. 噴嘴直接注入式農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)控制方法研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2016，47(11)： 100－105. Cai Xiang, Martin W, Malte D, et al. Control methods of direct nozzle injection system[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(11): 100－105. (in Chinese with English abstract)

[3] Alamouti M Y, Hosseini M S. Response time of a direct injection type-variable-rate sprayer[J]. Agricultural Engineering International : The CIGR e-journal, 2014, 16(3): 70－76.

[4] Vondricka J, Lammers P S. Evaluation of a carrier control valve for a direct nozzle injection system[J]. Biosystems Engineering, 2009, 103(1): 43－48.

[5] Aissaoui A E, Lebeau F, Agronomic K H, et al. Applying control volume finite element for modelling direct injection boom spraying flow[C]// In: ASABE - 7th World Congress on Computers in Agriculture and Natural Resources 2009: 190-198.

[6] Felizardo K R, Mercaldi H V, Cruvinel P E, et al. Modeling and model validation of a chemical injection sprayer system[J]. Applied Engineering in Agriculture, 2015, 32(3): 285－297.

[7] 何培杰，吳春篤，陳翠英，等. 新型噴霧混藥裝置性能研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2001，32(3)：44－47. He Peijie, Wu Chundu, Chen Cuiying, et al. Performance of a new type spraying mixing apparatus[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2001, 32(3): 44－47. (in Chinese with English abstract)

[8] 李羊林，吳春篤，傅錫敏. 雙級射流混藥裝置的試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2008，24(1)：172－174. Li Yanglin, Wu Chundu, Fu Ximin. Experimental study on two-stage jet mixing apparatus[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008, 24(1): 172－174. (in Chinese with English abstract)

[9] 邱白晶，徐溪超，楊寧，等. 射流混藥裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)對混藥性能影響的模擬分析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2011，42(6)：76－79. Qiu Baijing, Xu Xichao, Yang Ning, et al. Simulation analysis of structure parameters of jet-mixing apparatus on jet-mixing performance[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2011, 42(6): 76－79. (in Chinese with English abstract)

[10] 宋海潮，徐幼林，鄭加強(qiáng)，等. 脂溶性農(nóng)藥旋動射流混合機(jī)理與混藥器流場數(shù)值模擬[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2016，47(9)：79－84. Song Haichao, Xu Youlin, Zheng Jiaqiang, et al. Swirling jet mixture mechanism of fat-soluble pesticides and numerical simulation of mixer field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2016, 47(9): 79－84. (in Chinese with English abstract)

[11] 宋海潮，徐幼林，鄭加強(qiáng)，等. 脂溶性農(nóng)藥旋動射流混藥器結(jié)構(gòu)分析與混合均勻性試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(23)：86－92. Song Haichao, Xu Youlin, Zheng Jiaqiang, et al. Structural analysis and mixing uniformity experiments of swirling jet mixer for applying fat-soluble pesticides[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(23): 86－92. (in Chinese with English abstract)

[12] 歐鳴雄，賈衛(wèi)東，邱白晶，等. 射流混藥裝置變工況流場特性試驗(yàn)與數(shù)值分析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2015，46(9)： 107－111. Ou Mingxiong, Jia Weidong, Qiu Baijing, et al. Experiment and numerical analysis of flow field in jet mixing device under variable working conditions[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2015, 46(9): 107－111. (in Chinese with English abstract)

[13] Hloben P. Study on the Response Time of Direct Injection Systems for Variable Rate Application of Herbicides[D]. PhD Dissertation, Bonn: Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universit?t Bonn, 2007.

[14] Koronkiewicz S, Kalinowski S. A novel direct-injection photometric detector integrated with solenoid pulse-pump flow system[J]. Talanta, 2011, 86(1): 436－441.

[15] Fetisov V S, Melnichuk O V. Turbidimeters with variable gauge length[C]// In: IEEE EUROCON 2009, EUROCON 2009: 1123－1128.

[16] Koller D M, Posch A, H?rl G, et al. Continuous quantitative monitoring of powder mixing dynamics by near-infrared spectroscopy[J]. Powder Technology, 2011, 205(1): 87－96.

[17] Vanarase A U, Alcalà M, Rozo J I J, et al. Real-time monitoring of drug concentration in a continuous powder mixing process using NIR spectroscopy[J]. Chemical Engineering Science, 2010, 65(21): 5728－5733.

[18] Kobayashi T, Tai H, Kato S. Measurement method of particle concentration and acoustic properties in suspension using a focused ultrasonic impulse radiated from a plano- concave transducer[J]. Ultrasonics, 2006, 44(Supp): e491－e496.

[19] Hosseini S A, Shamsai A, Ataie Ashtiani B. Synchronous measurements of the velocity and concentration in low density turbidity currents using an acoustic doppler velocimeter[J]. Flow Measurement and Instrumentation, 2006, 17(1): 59–68.

[20] Chen K H, Chen J H, Kuo S W, et al. Non-contact method for measuring solution concentration using surface plasmon resonance apparatus and heterodyne interferometry[J]. Optics Communications, 2010, 283(10): 2182－2185.

[21] 徐幼林，郭敬坤，鄭加強(qiáng). 農(nóng)藥在線混合均勻度高速攝影分析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2011，42(8)：75－79. Xu Youlin, Guo Jingkun, Zheng Jiaqiang. Mixing uniformity of chemical and water in direct injection system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2011, 42(8): 75－79. (in Chinese with English abstract)

[22] 林柯利，畢榮山，譚心舜，等. 利用面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)研究噴射器內(nèi)液-液湍流混合特性[J]. 高?；瘜W(xué)工程學(xué)報，2009，23(1)：28－33. Lin Keli, Bi Rongshan, Tan Xinshun, et al. Using PLIF technology to study the turbulent mixing characteristic in a liquid-liquid ejector[J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities, 2009, 23(1): 28－33. (in Chinese with English abstract)

[23] Nemri M, Cazin S, Charton S, et al. Experimental investigation of mixing and axial dispersion in taylor–couette flow patterns[J]. Experiments in Fluids, 2014, 55(7): 1769(pp1－16).

[24] Thong C X, Kalt P A M, Dally B B, et al. Flow dynamics of multi-lateral jets injection into a round pipe flow[J]. Experiments in Fluids, 2015, 56(1): 1－16.

[25] Shim J, Hwang H Y, Lee M Y, et al. Two color laser induced confocal fluorescent thermometry: Design and experiments[J]. International Journal of Precision Engineering & Manufacturing, 2015, 16(3): 567－571.

[26] Karasso P S, Mungal M G. PLIF measurements in aqueous flows using the Nd:YAG laser[J]. Experiments in Fluids, 1997, 23(5): 382－387.

[27] Crimaldi J P. Planar laser induced fluorescence in aqueous flows[J]. Experiments in Fluids, 2008, 44(6): 851－863.

[28] Shan J W, Lang D B, Dimotakis P E. Scalar concentration measurements in liquid-phase flows with pulsed lasers[J]. Experiments in Fluids, 2004, 37(2): 310－310.

[29] Sarathi P, Gurka R, Kopp G A, et al. A calibration scheme for quantitative concentration measurements using simultaneous PIV and PLIF[J]. Experiments in Fluids, 2012, 52(1): 247－259.

[30] Witt B J D, Coronado Diaz H, Hugo R J. Optical contouring of an acrylic surface for non-intrusive diagnostics in pipe-flow investigations[J]. Experiments in Fluids, 2008, 45(1): 95－109.

[31] Sousa R G, Nogueira S, Pinto A M F R, et al. Flow in the negative wake of a taylor bubble rising in viscoelastic carboxymethylcellulose solutions: particle image velocimetry measurements[J]. Journal of Fluid Mechanics, 2004, 511(511): 217－236.

[32] Donbar J M, Driscoll J F, Carter C D. Reaction zone structure in turbulent nonpremixed jet flames—from CH-OH PLIF images[J]. Combustion & Flame, 2000, 122(1): 1－19.

[33] Meyer K E, ?zcan O, Larsen P S. Point and planar LIF for velocity-concentration correlations in a jet in cross flow[M]Laser Techniques for Fluid Mechanics. Heidelberg : Springer Berlin Heidelberg, 2002: 437-448.

[34] 邱白晶，沙俊炎，湯伯敏，等. 密閉空間霧滴沉積狀態(tài)參數(shù)的顯微圖像解析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2008，39(2)：55－58. Qiu Baijing, Sha Junyan, Tang Bomin, et al. Analysis of droplets deposition parameters based on micrograph in airtight space[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2008, 39(2):55－58. (in Chinese with English abstract)

Study on jet mixing pesticide concentration field measurement with planar laser induced fluorescence

Guan Xianping1,2※, Qiu Baijing2, Gong Yan1, Dong Xiaoya2, Ou Mingxiong2, Dong Lili2

(1.210014,; 2.212013,)

Online mixing provide the required concentration of pesticides by injecting the required amount of solution in real time. The concentration field measurement is important for evaluating the effect of online mixing. The plane laser induced fluorescence (PLIF) method is suitable for the concentration field measurement of online mixing with the advantages such as no-touching, no influence on the mixing field, quickly and accurately. In order to measure the jet mixing concentration field for agricultural spraying, a jet mixing device and an auxiliary measurement device of PLIF concentration field were developed in this paper. The jet mixing device included round jet pipe, jet nozzle, mixing tube and other components. This paper mainly focused on the measurement of the mixture concentration field of the small flow nozzles. For this purpose, the inlet diameters of the mixing tubes were=1.0, 1.5 and 2.5mm and the outlet diameters of jet nozzles were=0.6, 0.8 and 1.0mm. To be beneficial to pesticide inhalation, the selected combination was=1.5mm and=0.8mm in the experiments. Then experiments based on PLIF measurement devices were carried out. Firstly, the concentration calibration experiments were carried out. 6 different concentrations of Rhodamine 6G homogeneous mixture were formulated to calibrate the concentration test. The measured image was filtered by smoothing filter to eliminate the influence of the measurement noise. According to the calibration of total average gray value, the concentration difference between each local area was large, and the gray values of the edge area were obviously smaller than those of the centre one. The calibration based on grid division was able to handle the problem of uneven gray level of the measured image, and a more uniform subarea concentration could be obtained. The calibration effect of 2 calibration methods was compared. The first method was the total average gray calibration（TAC）one which taken the global average gray to calibrate the concentration. The second was grid-based calibration（GBC） one which divided the measurement field into grids and calibrated the concentration grid by grid. The measurement results showed that both the longitudinal and lateral grayscale differences could be smoothed by GBC and more balanced subregional concentrations could be obtained. The difference between the maximum and minimum average gray value based on 8×14 GBC was only 25.22% of that of TAC, which meaned that the calibration accuracy could be improved greatly by GBC. Secondly, the measurement of concentration field with water inlet pressure 0.1-0.6 MPa was carried out with 3 different inhalation concentrations (3.125, 1.000 and 0.250 mg/L). The calibration coefficients of each grid by GBC calibration were used to calculate the average concentrations and coefficient of variation of the measured pictures. The measurement results of different inhalation concentration at different pressure showed that the pressure had a certain effect on average concentration and coefficient of variation in general. Both the average concentrations and the coefficients of variation were relatively larger at pressure 0.1 and 0.2 MPa. Both the average concentrations and the coefficients of variation were smaller at pressure 0.3-0.6 MPa, which indicated that the uniformity of the mixture increased with the increase of pressure in general. The variation trend of the average concentration of the longitudinal and lateral grids showed that the concentration of the end of the mixed tube was higher and the longitudinal mean variation coefficient of the end was larger at 0.1 and 0.2 MPa. The mixing uniformity of the mixing tube was reduced as near the pipe wall. In general, the maximum and minimum concentration difference between different grids was larger at lower pressure, that was, the mixing uniformity was poor at lower pressure. The study showed that the PLIF method is suitable for the concentration field measurement, and the measurement precision can be improved with GBC method and that the pressure may influence the concentration field.

pesticide; concentration; jet mixing; plane laser induced fluorescence; calibration

管賢平，邱白晶，龔 艷，董曉婭，歐鳴雄，董立立. 平面激光誘導(dǎo)熒光法測量射流混藥濃度場研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(23)：49－58. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.006 http://www.tcsae.org

Guan Xianping, Qiu Baijing, Gong Yan, Dong Xiaoya, Ou Mingxiong, Dong Lili. Study on jet mixing pesticide concentration field measurement with planar laser induced fluorescence[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(23): 49－58. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.006 http://www.tcsae.org

2018-06-28

2018-09-30

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目課題（2016YFD0200708，2017YFD0200303）；農(nóng)業(yè)部現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（201302002）

管賢平，副研究員，主要從事精確施藥技術(shù)研究。 Email：xpguan@ujs.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.006

S224.3

A

1002-6819(2018)-23-0049-10