管道自動順序噴霧架設(shè)計及噴霧有效性試驗

李民宇,宋淑然,2,3,4,5,代秋芳,2,4,5,孫道宗,2,3,5,薛秀云,2,4,5

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 電子工程學(xué)院,廣州 510642;2.廣東省智慧果園科技創(chuàng)新中心,廣州 510642;3.廣東省農(nóng)情信息監(jiān)測工程技術(shù)研究中心,廣州 510642;4.國家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機械研究室,廣州 510642;5.廣東省山地果園機械創(chuàng)新工程技術(shù)研究中心,廣州 510642)

0 引言

我國南方山地果園多,移動式噴霧機械很難進入,許多果農(nóng)仍采用背負式噴霧機或擔架式噴霧機帶長軟管進行噴藥作業(yè),勞動強度大,效率低。管道式噴霧為果園的自動化噴霧提供了新思路。管道噴藥技術(shù)自20世紀80年代中期引入我國后,因其省工省能,噴藥速度快,藥液噴射壓力大,霧化均勻,投資少效益高,受地形影響比較小等優(yōu)點而發(fā)展迅速[1-3]。本研究團隊前期研發(fā)的管道恒壓噴霧系統(tǒng),提高了噴霧的質(zhì)量,降低了噴霧施藥人員的勞動強度,無需機具在山地中移動行走,可多人同時作業(yè),具有省力、省工及噴霧效果好等優(yōu)點,適合山地果園使用[4-8]。

王輝等[9]設(shè)計了一種果園管道自動順序噴霧控制系統(tǒng),由噴霧給藥單元、自動順序噴霧主控制器和電磁閥控制節(jié)點組成,可以按照設(shè)定噴霧時間對果樹進行自動順序噴霧,不需要人工進入果園噴霧。李懷有等[10-11]設(shè)計優(yōu)化了果園管道施藥系統(tǒng),可使果園施藥管道化、動力電器化及功能多樣化,實現(xiàn)了系統(tǒng)的多目標利用。Agnello等[12-13]對固定式管道噴霧系統(tǒng)進行了優(yōu)化,將前端的藥液注入裝置改為實時注入式,后端采用固定式管道噴霧結(jié)構(gòu),避免了管道清洗和藥液濃度不易調(diào)節(jié)的問題。

宋淑然等[14-16]根據(jù)果園管道噴霧系統(tǒng)的非線性、大時滯特點,設(shè)計了二維模糊控制器,采用變速積分、微分先行優(yōu)化算子,對模糊PID控制器的參數(shù)進行了在線整定優(yōu)化設(shè)計,滿足了果園管道噴霧系統(tǒng)中對壓力控制的要求。尹振波等[17]結(jié)合一款自走式噴霧系統(tǒng),設(shè)計了模糊自適應(yīng)PID控制器,對PID參數(shù)實現(xiàn)在線整定,并將其應(yīng)用在噴霧系統(tǒng)的恒壓控制上,提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度及抗干擾性能。張強等[18]提出了一種模糊PID控制策略,對降塵噴霧恒壓供水系統(tǒng)進行仿真分析,該控制策略能夠滿足綜采工作面降塵噴霧恒壓供水系統(tǒng)的要求。

管道自動順序噴霧中的噴霧架形狀及安裝方式會影響霧滴的分布。宋淑然等[19]提出噴臂變形以使中心噴頭對準靶標植株樹冠中心的柔性噴霧架方案,通過安裝在拖拉機側(cè)面的激光測距傳感器對靶標植株進行距離探測,采用安裝在噴臂上的角度傳感器對柔性噴霧架的形狀進行實時監(jiān)測。張建瓴等[20]將工業(yè)機械臂的結(jié)構(gòu)形式引入到果樹噴霧中,設(shè)計了一種果樹仿形噴霧系統(tǒng),該系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)部分由兩個對稱的仿形機械臂構(gòu)成,可按照靶標的形狀調(diào)節(jié)噴頭位置,實現(xiàn)了與靶標相仿形狀下的精確噴霧。

霧滴的沉積分布是評價霧滴技術(shù)的重要指標之一,霧滴的采集有諸多方法。Sanchez[21]等和Wolf[22]利用水敏紙收集來自于地面噴霧器田間除草劑效能試驗中的霧滴,測量在水敏紙上的霧滴特性和霧滴覆蓋情況。洪添勝等[23]設(shè)計并制造了一套室內(nèi)仿形噴霧試驗裝置,對果樹施藥仿形噴霧關(guān)鍵參數(shù)進行了模擬試驗研究,觀察不同噴霧壓力、噴霧距離及噴霧時間對霧滴分布質(zhì)量的影響。薛秀云等[24]以寬噴幅風(fēng)送式噴霧機為試驗平臺,用0.1%的羅丹明B為示蹤劑,對靶標樹進行了噴霧試驗,研究寬噴幅風(fēng)送式噴霧機霧滴沉積的有效性與穿透性。王萬章等[25]采用噴霧試驗臺對果樹對靶噴霧中水平安放的空圓錐型噴嘴的噴霧藥液沉積分布進行試驗研究,計算了噴霧藥液沉積范圍,為對靶噴霧的參數(shù)選擇提供依據(jù)。代秋芳等[26-28]通過噴霧性能綜合試驗平臺,改變壓力和孔徑,利用激光粒度儀,測量管道恒壓噴霧的霧滴均勻性參數(shù)數(shù)據(jù),獲得霧滴累積分布,分析了霧滴的分布和均勻性。

本文以上述研究方法為參考,進行管道自動順序噴霧架的設(shè)計,研究自動順序噴霧系統(tǒng)在柚子樹中的噴霧有效性及霧滴沉積,測試果園管道自動順序噴霧系統(tǒng)的性能及噴霧效果。

1 管道自動順序噴霧系統(tǒng)的構(gòu)成及原理

1.1 系統(tǒng)的構(gòu)成

管道自動順序噴霧系統(tǒng)主要由噴藥給藥單元、噴霧單元和噴霧控制裝置組成,如圖1所示。

圖1 管道自動順序恒壓噴霧系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Block diagram of automatic sequential constant pressure spray system for pipe

噴霧給藥單元為噴霧系統(tǒng)提供恒定壓力的藥液,由藥池、柱塞泵、三相變頻電動機、變頻器、壓力變送器、恒壓控制箱和田間管網(wǎng)組成。噴霧單元由電磁閥、軟管、噴霧架、噴頭組成,噴霧架將噴頭固定在目標果樹的適當位置,噴霧控制裝置由手持控制器和電磁閥控制節(jié)點構(gòu)成。

電磁閥控制節(jié)點由蓄電池、無線數(shù)傳接收模塊、控制電路及3～4個電磁閥組成,如圖2所示。電磁閥控制節(jié)點用來接收手持控制器的無線信號,根據(jù)接收的控制信號開啟或關(guān)閉相應(yīng)的電磁閥。每個電磁閥控制一個噴霧單元,當布置在果園中的電磁閥全部處于關(guān)閉狀態(tài)時,沒有噴頭噴霧。

1.電磁閥連接端 2.控制電路 3.無線數(shù)傳模塊 4.太陽能控制器 5.蓄電池圖2 電磁閥控制節(jié)點Fig.2 Solenoid valve control node housing

果園噴霧時,電磁閥開通持續(xù)的時間較長,為節(jié)省蓄電池耗電量、降低太陽能電池板的容量,選用ZCZ51-158型號的雙線圈自保持電磁閥。其工作時不需要長期通電,需要一個0.5～3s的脈沖和12VDC電壓即可控制其通斷,電能消耗低。電磁閥可承受的液體壓力為2MPa,功率為20W。蓄電池為電磁閥控制節(jié)點中的電磁閥、控制電路和無線數(shù)傳接收模塊供電,蓄電池由太陽能電池板供電。

1.2 工作原理

在每棵果樹樹冠的不同位置,安置有噴頭,噴頭由噴霧架固定,管網(wǎng)中的藥液經(jīng)電磁閥、軟管送到噴頭。田間噴霧時,首先在恒壓控制箱的控制面板設(shè)定預(yù)期的噴霧壓力,啟動管道恒壓噴霧控制系統(tǒng),管網(wǎng)中便有一定壓力的藥液。在手持控制器上按下啟動按鍵,無線信號被電磁閥控制節(jié)點1接收,開啟第一組的電磁閥11～14,藥液通過電磁閥經(jīng)噴頭噴出,進行噴霧;第一組電磁閥噴霧完成的同時,電磁閥控制節(jié)點1自動發(fā)出無線信號給電磁閥控制節(jié)點2,開啟第二組的電磁閥21～24進行噴霧,同時發(fā)出無線信號關(guān)閉第一組的電磁閥11～14;以此類推,自動按照設(shè)定的噴霧順序完成整個果園的噴霧作業(yè)。

圖3所示為本文試驗場景。在每行果樹一端設(shè)有1個噴霧控制箱,每個電磁閥控制1個噴霧單元,每個噴霧單元有3個噴霧架,每個噴霧架有4個噴頭,每個噴霧單元為3棵果樹提供藥液。

1.電磁閥接口 2.控制箱 3.太陽能板 4.噴霧架圖3 噴霧控制箱與管道鋪設(shè)的實況Fig.3 Control cabinet and scene of pipe laying

2 噴霧架設(shè)計及噴頭布置

2.1 噴霧架設(shè)計

噴霧架由主體支撐部分、噴頭支撐與定位部分及噴頭組成,是自動順序噴霧系統(tǒng)中關(guān)鍵的一個部件,在選材時要考慮噴霧架使用的環(huán)境。在噴霧架的設(shè)計中,還需要滿足兩個方面的要求：一是噴霧架的高度及噴頭的定位要便于調(diào)節(jié),以適應(yīng)果樹不斷生長、樹冠改變的需要;二是噴霧架要有足夠的強度用以支撐充滿藥液的軟管和噴頭。

由于噴霧架安裝在山區(qū)果園,承受日曬雨淋,故選定鍍鋅管為噴霧架的主體支撐部分。主體支撐部分分為上下兩段,下段(A)為DN20的鍍鋅管,上段(B)為DN15的鍍鋅管。A段長度為2～2.5m,其中有0.5m長度埋入果園地下;B段長度為1.5～2m,根據(jù)果樹的實際高度,將B段的一部分套進A段內(nèi),由兩個緊固螺釘上下定位固定,B段的套進A段內(nèi)的長度可調(diào)。噴霧架各部分示意圖如圖4所示。

噴霧架的噴頭支撐與定位部分分為上下兩部分：上部為“人”字形的斜向定位架,下部為“丨”字形的垂直定位架。定位架上均留有2～4個定位孔,用于調(diào)整噴頭的位置和角度以適應(yīng)樹冠的大小。

圖4 噴霧架示意圖Fig.4 Schematic diagram of spray rack

2.2 噴頭布置及霧滴覆蓋范圍計算

噴頭的布置以噴頭噴霧霧滴范圍能覆蓋果樹樹冠為原則。安裝在果樹下部左右兩側(cè)的2個噴頭,其噴霧覆蓋范圍為果樹下部的樹冠;安裝在果樹上部前后兩側(cè)的2個噴頭,其噴霧覆蓋范圍為果樹上部的樹冠,如圖5所示。

1.下部噴頭 2.樹冠 3.上部噴頭 4.“人”字形噴霧架圖5 噴頭布置示意圖Fig.5 Schematic diagram of nozzle layout

噴頭霧滴覆蓋范圍是根據(jù)噴霧角度噴霧距離計算出來的,該數(shù)值是假設(shè)噴霧角度在整個噴霧距離中保持不變的前提下得出的。記噴霧距離為L,噴霧角度為α,噴霧面積為S,噴霧半徑為r,示意見圖6。則噴頭霧滴覆蓋范圍為

S=πr2

(1)

(2)

本試驗所用噴頭的噴霧距離L為50cm,噴霧角度α為110°,由式(1)和式(2)得噴頭噴霧面積S=1.602m2。

2.2.1 下部噴頭布置及霧滴覆蓋范圍計算

如圖5所示,設(shè)果樹樹冠外形輪廓為圓球形,半徑為R,樹高為H,則樹冠底部距地面高度h=H-2R。為充分利用噴頭的霧錐角獲得盡量大的噴霧范圍,同時避免將藥液直接噴灑在地面造成農(nóng)藥浪費,下部噴頭安裝時,應(yīng)保證其霧錐角從水平線算起為仰角形式安裝,如圖5(a)所示。噴頭的霧錐角α選擇依據(jù)為

(3)

本試驗所選用柚子樹的樹冠直徑為2m,下部左右兩側(cè)噴頭距離為3m,即R=1m,d=1.5m,由式(3)得α≥ 63.5°。試驗選用噴頭的霧錐角α為110°,按照圖5(a)中的方式安裝噴頭,則下部噴頭噴霧的范圍能覆蓋果樹樹冠的底部。

圖6 噴頭噴霧覆蓋面積示意圖Fig.6 Schematic diagram of nozzle spray coverage area

2.2.2 上部噴頭布置及霧滴覆蓋范圍計算

上部噴頭安裝在“人”字形的支架上,在果樹上方的前后兩側(cè),噴霧范圍為果樹的上部樹冠。其布置方式仍是以噴頭霧滴范圍既能覆蓋果樹樹冠的上部且不能噴在樹冠外邊為原則,如圖5(b)所示,即噴頭所在處應(yīng)該在樹冠中心45°仰角的射線方向且與果樹的前后面的中線相交的方向上。噴頭2所處的位置P點距離果樹樹冠的距離QP為

QP=AP-AQ

(4)

(5)

AB=OA=Rcos45°

(6)

AQ=R-OA=R-Rcos45°

(7)

(8)

由式(8)得：距離果樹樹冠的距離QP為0.191m,按照圖5(b)中的方式安裝噴頭,則上部噴頭噴霧的范圍能覆蓋果樹樹冠的上部。

3 材料與方法

3.1 材料與儀器

試驗材料與儀器包括電磁閥、變頻器、變頻電機、紫外分光光度計、數(shù)碼顯微鏡、誘惑紅溶液、方格紙、密封袋及電子秤等,其參數(shù)與用途如表1所示。

表1 試驗材料與儀器Table 1 Test materials and instruments

3.2 試驗方法

3.2.1 示蹤劑吸光度與濃度標定試驗

配置不同濃度的誘惑紅標準溶液(0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8g/L),利用UV-752型紫外分光光度計在λ=510nm的測量波長下,對不同濃度的誘惑紅標準溶液吸光度進行測定,繪制誘惑紅溶液吸光度與濃度的回歸曲線,如圖7所示。

圖7 誘惑紅溶液標定曲線Fig.7 Carmine solution standard concentration curve

由圖7可以看出：誘惑紅溶液吸光度與濃度之間具有很好的線性關(guān)系,擬合后的誘惑紅溶液吸光度與濃度的關(guān)系如式(9)所示,其中R2=0.999 6。

Abs=0.1743c+0.0387

(9)

式中Abs—分光光度計測得的吸光度;

C—誘惑紅溶液濃度(g/L)。

3.2.2 采樣紙片及布置

圖8為噴霧有效性試驗中的樣本葉片及采樣紙片。樣本葉面長約為14cm,寬為6cm,隨機采集30枚有代表性的葉片對其稱重,獲得葉片的平均質(zhì)量為1.6g。為了最大限度的模擬葉片,霧滴采樣紙片采用250g/m2的紙張,外形與樣本葉片相同,其上畫有1cm×1cm單元格,單個采樣紙片重量為1.3g。采樣紙片的質(zhì)量和外形尺寸與樣本葉片相近。

圖8 靶標樹葉片與試驗采樣紙片F(xiàn)ig.8 Target tree blade and test sample paper

噴霧架上方的“人”字型定位架撐開角度為110°,兩側(cè)立柱上的噴頭相距3m。采樣紙片上有目標樹樹冠相關(guān)試驗位置信息,以便數(shù)據(jù)的收集和處理。

根據(jù)果樹冠層形狀及茂密程度,將目標樹的樹冠平均分成A、B兩層,A為上層,B為下層,各層布點如圖9所示[29]。其中,1、2、3點為前冠面,4、5點為中膛,6、7、8為后冠面。使用回形針將采樣紙片固定在樹冠的前冠面、中膛、后冠面,采樣紙片按A-1到A-8放置A層,B-1到B-8放置B層。

3.2.3 噴霧試驗及采樣

噴霧試驗于2018年1月20-23日在廣東省梅州市雁洋鎮(zhèn)大坪村柚園試驗基地進行,噴霧試驗對象為柚子樹,樹高2.4m(修剪后),株距3.6m,樹冠直徑2m,樹冠間隙1.6m。在果園選取3顆典型柚子樹作為試驗對象。試驗期間天晴,最低溫度30.5℃,最高溫度34.5℃,相對濕度39%～78%,平均風(fēng)速1.1m/s。

1)打開手持遙控器電源,設(shè)定噴霧時間為10s,按下啟動鍵;

2)噴霧后,用標有對應(yīng)編號的密封袋迅速收集采樣紙片并避光保存;

3)使用數(shù)碼顯微鏡統(tǒng)計采樣紙片上10個單元格的霧滴個數(shù),取平均值;

4)使用100mL去離子水清洗采樣紙片10min,洗脫誘惑紅;

5)使用UV-752n型紫外分光光度計測量其吸光度。

圖9 采樣點及噴頭布置示意圖Fig.9 Sampling point and nozzle layout

4 田間試驗

4.1 噴霧有效性

按照植保機械通用試驗方法[30],采樣點上≥25滴/cm2為有效噴霧,否則為無效噴霧,試驗結(jié)果如表2所示。

從3棵果樹的噴霧有效率分析：①號果樹的噴霧有效率為100%;②號果樹的噴霧有效率為87.5%;③號果樹的噴霧有效率為81.3%。

從冠層上分析,A冠層的總體噴霧有效率為91.7%,B冠層的總體噴霧有效率為87.5%。其中,①、②、③號果樹A冠層的噴霧有效率分別為100%、87.5%、87.5%;①、②、③號果樹B冠層的噴霧有效率分別為100%、87.5%、75%。

表2 噴霧有效性試驗結(jié)果Table 2 Spray effectiveness test results

從冠面上分析,前冠面、中膛、后冠面都有霧滴附著,前冠面的總體噴霧有效率為88.9%,中膛的總體噴霧有效率為100%,后冠面的總體噴霧有效率為83.3%。其中,①、②、③號果樹前冠面的噴霧有效率分別為100%、83.3%、83.3%;①、②、③號果樹中膛的噴霧有效率分別為100%、100%、100%;①、②、③號果樹后冠面的噴霧有效率分別為100%、83.3%、66.7%。橫坐標1、3、4、5、6、8采樣點上的噴霧全部為有效噴霧,橫坐標2、7部分采樣點為無效噴霧。其中,2、7采樣點為樹冠兩側(cè)。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因有兩個：一是地面兩側(cè)立柱上噴頭的距離及噴霧角度不夠理想。兩側(cè)噴霧距離在40～50cm時,噴霧有效性和穿透性較佳,本次試驗噴霧距離為50cm,較長距離噴霧時,噴霧角度變小,有效噴霧面積降低。二是每棵果樹的形狀、高度不是完全一致,采樣點的實際布置不完全相同。

4.2 噴霧穿透性

根據(jù)霧滴沉積量試驗采樣及數(shù)據(jù)分析,獲得靶標樹的前冠面、中膛、后冠面采樣點霧滴的沉積量分布。由圖10的折線圖可以看出：對于同一棵果樹的A、B兩層葉片噴霧效果來說,A層葉片霧滴沉積量都分別高于B層葉面的沉積量;3棵果樹的A層葉片霧滴沉積總量高于B層葉片霧滴沉積總量。

相同條件下,對比3棵果樹的霧滴沉積量,可以看出：1號果樹整體霧滴沉積量要稍微優(yōu)于2號果樹,2號果樹整體霧滴沉積量要稍微優(yōu)于3號果樹。這說明相鄰兩個電磁閥相繼開啟的過程中,有一定小范圍的壓力波動,噴頭工作壓力變大,降低噴霧均勻性。

由圖11可以看出：在不同冠面上霧滴沉積平均值分別為：前冠面0.032mL,中膛面0.033mL,后冠面0.029mL。對于同一棵果樹的前中后冠面的噴霧效果來說,前冠面和中膛面霧滴沉積量比較高,后冠面霧滴沉積量稍微低一些。這說明噴霧架上方的“人”字型定位架撐開角度不夠合理,噴頭噴霧角度為110°,噴霧霧滴沒有完全覆蓋后冠面。“人”字型定位架的噴霧距離為50cm,垂直噴霧距離過高,增大了噴液在空中滯留的時間,在外界氣象條件下,造成霧液漂移和蒸發(fā),降低了噴霧的均勻性和穿透性。樹冠采樣點霧滴沉積如表3所示。

圖 10 3棵目標樹的霧滴沉積量Fig.10 Droplet deposition of 3 target trees

圖 11 目標樹總平均霧滴沉積量Fig.11 Total target tree droplet deposition

由表3可以看出：①號目標樹A冠層的沉積量占56.96%,B冠層占43.04%;②號目標樹A冠層的沉積量占58.25%,B冠層占41.75%;③號目標樹A冠層沉積量占57.50%,B冠層占42.50%。每一棵目標樹的A冠層的總沉積量都比該目標樹的B冠層沉積量要高。①號目標樹采樣點的沉積總量優(yōu)于,②號果樹②號目標樹采樣點的沉積總量優(yōu)于③號果樹。此外,每一棵目標樹A冠層的前冠面、中膛、后冠面的沉積量都比B冠層的要高。這說明相鄰兩個電磁閥相繼開啟的過程中,有一定小范圍的壓力波動,增大了噴頭工作壓力,有效地增加霧錐角并相應(yīng)地減小霧滴直徑,增大噴霧面積,但會減小霧滴的穿透能力,霧液不能到達目標樹,造成霧滴漂移。

表3 樹冠采樣點霧滴沉積Table 3 Canopy sampling point droplet deposition

5 結(jié)論

1)噴霧架的設(shè)計要滿足兩方面的要求：一是噴霧架的高度及噴頭的定位要便于調(diào)節(jié),以適應(yīng)果樹不斷生長及樹冠改變的需要;二是噴霧架要有足夠的強度用以支撐充滿藥液的軟管和噴頭。另外,噴頭的布置方式以噴頭霧滴范圍既能覆蓋果樹樹冠且不能噴在樹冠外邊為原則。

2)使用與靶標樹葉片面積和質(zhì)量相當?shù)募埰M行噴霧霧滴有效性研究的結(jié)果表明：靶標樹樹冠的前、中、后冠面都有霧滴沉積,噴霧霧滴有效的采樣紙片數(shù)目占總采樣紙片的百分比分別是88.9%、100%、83.3%,說明噴霧霧滴在樹冠前冠面及中膛均有較好的有效性,建議在實際噴霧過程中,兩側(cè)立柱噴頭的噴霧距離適當減小。

3)霧滴沉積量試驗研究表明：靶標樹樹冠的前、中、后層面的霧滴沉積量平均值分別是0.032、0.033、0.029mL,說明整體噴霧效果還是比較理想;A層冠面的霧滴有效性及霧滴沉積量比B層冠面的高,樹冠下層葉片的噴霧效果有待改善,建議噴霧架上方的“人”字型定位架的噴霧角度適當調(diào)大。