水藥分離變量噴灑系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張寶玉　朱鵬宇　張懷楊　王衛(wèi)兵　孫鐵波

摘要：為克服傳統(tǒng)農(nóng)藥噴灑方式混藥不合理和噴灑控制復(fù)雜及高成本的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種水和藥獨(dú)立供給控制的變量噴灑系統(tǒng)。首先通過分析SK、SX和SH三種混合器的性能，確定單元數(shù)為3的SK型混合器。然后設(shè)計(jì)噴頭轉(zhuǎn)速、噴頭高度等試驗(yàn)方案，測得噴頭轉(zhuǎn)速為11 750r/min（占空比為75%），幅角為112.6°，噴頭高度為1.0m時(shí)，作物單位面積顆粒數(shù)達(dá)48個(gè)/cm2以上，施藥濃度誤差不大于3%。最后以小麥返青時(shí)節(jié)紋枯病為防治對象，對人工作業(yè)區(qū)、無人機(jī)作業(yè)區(qū)、變量噴灑區(qū)以及對照區(qū)域進(jìn)行噴灑試驗(yàn)。結(jié)果表明：在噴灑15天和30天后，變量噴灑區(qū)域的1級和2級生長情況之和占比均達(dá)到97%，小麥返青期紋枯病的防治效果較理想，高于其他區(qū)域。

關(guān)鍵詞：水藥分離；變量噴灑；植保機(jī)械；病蟲害等級；混合性能

中圖分類號：S224.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：20955553 （2023） 11005706

Design and experiment of variable spraying system for water-pesticide separation

Zhang Baoyu， Zhu Pengyu， Zhang Huaiyang， Wang Weibing， Sun Tiebo

（School of Intelligent Manufacturing， Jiangsu Food & Pharmaceutical Science College， Huaian， 223003， China）

Abstract：In order to overcome the shortcomings of unreasonable mixing of traditional pesticide spraying methods and the complexity and high cost of spraying control， a variable spraying system with independent supply control of water and pesticide was designed in this paper. Firstly， the SK mixer with 3 units was determined by analyzing the performance of SK， SX and SH mixers. Then， the test schemes such as nozzle speed and nozzle height were designed. When the nozzle speed was 11 750r/min （Duty cycle was 75%）， the amplitude angle was 112.6， and the nozzle height was 1.0 m， the number of particles per unit area of crops reached more than 48 pieces/cm2， and the error of pesticide concentration was not more than 3%. Finally， taking the wheat sheath blight as the control object， the spraying experiments were carried out on the manual operation area， the UAV operation area， the variable spraying area and the blank area. The results showed that the sum of grade 1 and grade 2 growth conditions in the variable spraying area accounted for 97%， and the control effect of wheat sheath blight at returning green stage was ideal， which was higher than that in other areas after 15 days and 30 days of spraying.

Keywords：water-pesticide separation; variable spraying; plant protection machinery; disease and pest level; mixing performance

0引言

變量噴灑技術(shù)作為一種針對作業(yè)區(qū)域病蟲草害的發(fā)病指數(shù)按需施藥的方法，能有效提高農(nóng)藥利用率和減少環(huán)境污染，符合精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)理念。隨著國家大力發(fā)展精細(xì)化和綠色農(nóng)業(yè)，新型高效植保機(jī)械技術(shù)革新步伐日益加快，變量噴灑技術(shù)得到了大力推廣［1］。

國內(nèi)外專家學(xué)者對變量噴灑技進(jìn)行了大量研究工作。焦雨軒等［2］重點(diǎn)分析了目前施藥噴頭研究存在的問題，預(yù)測了噴頭噴灑性能的發(fā)展趨勢。李彥沛等［3］基于多傳感器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制理論的變量噴灑無人機(jī)，實(shí)現(xiàn)了動態(tài)調(diào)整無人機(jī)作業(yè)姿態(tài)，并利用灰色理論的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)和快速決策。王朔等［4］提出并設(shè)計(jì)了一種提高植保無人機(jī)噴灑均勻性的PID流量控制算法，實(shí)現(xiàn)了噴灑流量隨飛行速度自動調(diào)整的功能，提升了噴灑的整體均勻性，能滿足小面積作業(yè)的基本要求。王大帥等［5］設(shè)計(jì)了一套基于脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)的多旋翼植保無人機(jī)變量噴灑系統(tǒng)，通過占空比與噴灑流量關(guān)系實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了噴灑流量達(dá)到最大且不隨占空比增加而變化。郭一鳴［6］搭建的一種可控噴頭流量和霧滴粒徑的變量噴灑控制系統(tǒng)為植保無人機(jī)變量噴灑控制系統(tǒng)的研究提供了借鑒。劉道奇［7］利用閉環(huán)回路控制原理設(shè)計(jì)懸掛式噴桿噴霧機(jī)變量噴霧系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果表明實(shí)際噴霧量與理論噴霧量誤差<15%，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能夠達(dá)到變量噴霧指標(biāo)。

針對國內(nèi)主流噴藥技術(shù)的農(nóng)藥浪費(fèi)和環(huán)境污染等問題，設(shè)計(jì)一種水藥分離的農(nóng)藥變量噴灑系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)水、藥獨(dú)立供給單元，進(jìn)行實(shí)時(shí)水藥用量精確控制，減少傳統(tǒng)混藥剩余藥液的浪費(fèi)，設(shè)計(jì)帶有混合器和混藥箱的混藥單元進(jìn)行均勻高效混合，以提高農(nóng)藥利用率。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1硬件結(jié)構(gòu)

變量噴灑系統(tǒng)由供水單元、供藥單元、混藥單元和噴灑單元以及控制單元等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中，供水單元由水箱、水泵（蠕動泵）、過濾器和管路組成，用于提供定量純水；供藥單元由藥箱、藥泵（蠕動泵）、過濾器和管路組成，用于提供純凈的農(nóng)藥；混藥單元由混合器、混藥箱和電磁閥等組成，用于充分均勻地混合農(nóng)藥和水，并減少壓力脈動；控制單元采用STM32單片機(jī)作為核心部件，利用視覺相機(jī)、速度傳感器等獲取并分析作物病蟲害灰度圖、車速和系統(tǒng)壓力等數(shù)據(jù)，與內(nèi)部存儲噴藥數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，再通過STM32調(diào)節(jié)PWM的占空比實(shí)現(xiàn)對蠕動泵和噴頭等執(zhí)行器的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥變量噴灑。

1.2工作原理

系統(tǒng)工作過程如下：藥泵根據(jù)控制單元的脈沖寬度從藥箱泵出一定量的農(nóng)藥，經(jīng)過過濾器過濾掉雜質(zhì)后進(jìn)入混合器，流量計(jì)將實(shí)時(shí)藥流量值輸入控制單元，作為閉環(huán)控制的反饋信號；同時(shí)，水泵根據(jù)控制單元的脈沖寬度從水箱泵出一定量的純水，經(jīng)過過濾器過濾掉雜質(zhì)后進(jìn)入混合器，流量計(jì)作用與藥路相同；進(jìn)入混藥器的水和藥進(jìn)行充分混合后，再經(jīng)過混藥箱衰減脈動并存儲藥液，經(jīng)過電磁閥，噴藥泵，流量計(jì)等進(jìn)入噴桿，最后經(jīng)過調(diào)速器進(jìn)入離心噴頭噴出。

占空比（Duty cycle，η）是負(fù)載或電路開啟時(shí)間與關(guān)閉時(shí)間之比，也稱為“占空系數(shù)”，表示為導(dǎo)通時(shí)間的百分比。脈沖寬度是實(shí)際開啟時(shí)間的度量，以ms為單位。如圖2（a）所示，當(dāng)輸入信號x（t）小于鋸齒波信號時(shí)輸出低電平，反之輸出高電平。圖2（b）所示為周期T=0.1s的方波，η=T_ON/T_OFF×100%，顯然η=90%（T_ON=0.09s）比η=10%（T_ON=0.01s）控制電磁閥通電的時(shí)間長，以此控制本文相應(yīng)的蠕動泵或調(diào)速器打開時(shí)間，則流量可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，從而實(shí)現(xiàn)了變量噴灑作業(yè)。其中T_ON表示一個(gè)周期高電平時(shí)間，即通電時(shí)間，T_OFF表示一個(gè)周期低電平時(shí)間，即斷電時(shí)間。

2關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

2.1關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1.1混合器選型與設(shè)計(jì)

靜態(tài)混合器是一種沒有運(yùn)動部件的高效混合設(shè)備，目前已經(jīng)在化工、石油、環(huán)保、食品以及醫(yī)藥等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用［8］。其中，在工業(yè)上通常串聯(lián)多個(gè)混合器以實(shí)現(xiàn)更好的液體混合效果［912］。

本文設(shè)計(jì)的水藥分離變量噴灑系統(tǒng)在供水和供藥單元之后設(shè)計(jì)以靜態(tài)混藥器為核心部件的混藥單元。為了確定最佳混合效果的混合器，預(yù)設(shè)藥液濃度為3.00%，對常見的SK型、SX型和SH型三種靜態(tài)混合器進(jìn)行混藥性能測試。由圖3可知，SK型混合器10次試驗(yàn)的平均值為2.986%，相比于其他兩種最接近預(yù)設(shè)值3%，且標(biāo)準(zhǔn)差最小，混合均勻性最好。

圖4所示為SK型混合器結(jié)構(gòu)，其中，L為螺旋板長度（mm），D為混合器直徑（mm），Ne為混合單元數(shù)（個(gè)）。

摩阻系數(shù)對混合器的壓降影響顯著，摩阻系數(shù)越小，混合器壓降越小。為定量分析混合器摩阻系數(shù)與單元數(shù)的變化關(guān)系，本文選取單元數(shù)為1～6的混合器進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。當(dāng)混合單元數(shù)Ne=3時(shí)，摩阻系數(shù)為0.255，之后摩阻系數(shù)基本穩(wěn)定。

為進(jìn)一步驗(yàn)證以上結(jié)果，依據(jù)文獻(xiàn)［9］長徑比L/D>1.5時(shí)摩阻系數(shù)趨于穩(wěn)定，因此選取L=150mm，D=100mm的SK型混合器，以單元間的順流方式為例，分別取單元數(shù)Ne為1、2、3和4進(jìn)行分析。由圖5可知，隨著單元數(shù)增加，濃度標(biāo)準(zhǔn)差越小，究其原因是藥液每經(jīng)過一級混合螺旋單元其混合越充分。單元數(shù)由1增至3混合程度提升較顯著，當(dāng)混合距離大于1 000mm后，單元數(shù)超過3個(gè)后混合效果提升緩慢。因此，本文選取單元數(shù)Ne=3的SK型混合器。

2.1.2噴頭轉(zhuǎn)速試驗(yàn)

通過霧滴收集和分析，驗(yàn)證噴霧霧滴粒徑（或粒數(shù)）與噴頭轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。把霧滴近似看成球體，且噴灑前后藥液總體積不變，霧滴粒數(shù)n（個(gè)）、施藥量Q（L/hm2）和霧滴直徑d（μm）之間存在關(guān)系

n=60/π（100/d）³Q（1）

由式（1）可知，霧滴粒數(shù)n與霧滴直徑d的三次方成反比，即霧滴直徑減小1倍，則粒數(shù)增加8倍。由文獻(xiàn)［13］可知，當(dāng)藥液總量一定，防治效果同單位面積霧滴粒數(shù)成正相關(guān)［14］。因此，改變粒徑大小可以控制霧滴粒數(shù)，即粒徑越小，粒數(shù)越多，則噴灑均勻性越好，但也不是越小越好，過小的霧滴在光照、溫度和風(fēng)等環(huán)境因素的影響下很可能蒸發(fā)或漂移，影響作業(yè)效果。

為了保證單片機(jī)精確輸出占空比值，進(jìn)行噴頭轉(zhuǎn)速與霧滴粒徑測試，試驗(yàn)采用激光轉(zhuǎn)速計(jì)測量電機(jī)轉(zhuǎn)速，DepositScan軟件試驗(yàn)水敏紙上收集的霧滴粒徑大小以及霧滴覆蓋率，得到各參數(shù)與占空比之間的關(guān)系曲線如圖6所示。

電機(jī)轉(zhuǎn)速、霧滴覆蓋率與占空比成線性正相關(guān)，霧滴粒徑與占空比呈線性負(fù)相關(guān)。盡管霧滴粒徑越小越容易覆蓋到作物上，但溫度較高、風(fēng)速較大時(shí)容易發(fā)生霧滴蒸發(fā)或漂移，導(dǎo)致藥液浪費(fèi)和防治效果。

參照文獻(xiàn)［14］，結(jié)合圖6確定不同農(nóng)藥類型對應(yīng)的霧滴粒徑和噴頭轉(zhuǎn)速值，結(jié)果如表2所示。

綜上分析，選用防治爬行蟲和真菌類的農(nóng)藥，控制輸出占空比為75%，對應(yīng)噴頭轉(zhuǎn)速為11 750r/min，霧滴粒徑為125μm。

2.1.3噴頭高度確定

噴頭噴灑作業(yè)示意圖如圖7所示。其噴幅

A=2htanβ/2（2）

式中：

h——噴頭距地高度，m；

β——噴灑幅角，（°）。

噴灑作業(yè)中，噴頭轉(zhuǎn)速與占空比值密切相關(guān)，當(dāng)控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為11 750r/min，實(shí)測噴灑幅角β為112.6°，則tan（β/2）≈1.5，此時(shí)A=3h。為確定噴頭高度和噴幅之間關(guān)系，設(shè)置0.8m、1.0m、1.2m、1.4m和1.6m五組噴頭高度進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖8所示。

圖8的擬合結(jié)果：A=3.005h+0.001，相關(guān)系數(shù)R²=0.99996，大于0.9，說明具有較高擬合精度，且近似線性相關(guān)，與上述結(jié)果吻合度較高。

2.1.4霧滴密度分析

為了驗(yàn)證噴灑效果，對噴頭下噴幅范圍內(nèi)藥液顆粒數(shù)進(jìn)行收集統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算單位面積霧滴顆粒數(shù)，考慮試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度和降低操作難度，試驗(yàn)每隔0.4m獲取一組數(shù)據(jù)，共獲取13組數(shù)據(jù)，如圖9所示。

噴幅A為3m時(shí)，單位面積霧滴粒數(shù)平均為（38+50+55+56+57+50+50+47+33）/9=48.4個(gè)，當(dāng)噴幅為4.0m時(shí)，單位面積霧滴粒數(shù)為43個(gè)左右，而在噴幅為4.8m時(shí)，單位面積霧滴粒數(shù)為37個(gè)左右。由此可知：噴幅越大，單位面積平均霧滴粒數(shù)越少，且越是距離噴頭正下方越遠(yuǎn)單位面積顆粒數(shù)越小，究其原因一是受到自然風(fēng)影響產(chǎn)生飄逸，二是外圍霧滴運(yùn)動距離遠(yuǎn)，受重力作用會向內(nèi)側(cè)滴落。為保證噴灑效果，認(rèn)定當(dāng)顆粒數(shù)大于45個(gè)/cm2時(shí)為較理想噴幅，且為了不出現(xiàn)重噴和漏噴現(xiàn)象，相鄰噴頭間距應(yīng)為噴幅值A(chǔ)=3m，才能達(dá)到較好的噴灑效果［1516］。此時(shí)，由關(guān)系A(chǔ)=3.005h+0.001，可求h=0.998m，結(jié)合試驗(yàn)設(shè)置的高度數(shù)據(jù)，在此取h=1.0m。

2.2噴灑精準(zhǔn)性驗(yàn)證試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證農(nóng)藥混合均勻性和精準(zhǔn)度，分別檢驗(yàn)噴灑顆粒效果及噴灑濃度。變量噴灑系統(tǒng)測試試驗(yàn)臺如圖10所示。

考慮行走速度對噴灑的影響，本文控制噴藥機(jī)械以2m/s的速度進(jìn)行噴灑作業(yè)，結(jié)合圖8關(guān)系曲線取噴頭高度h=1.0m，噴頭間距為3.0m。單片機(jī)通過調(diào)節(jié)水、藥蠕動泵轉(zhuǎn)速，配置5組藥液濃度。試驗(yàn)時(shí)每間隔10s用燒杯收集一次，每組試驗(yàn)進(jìn)行3次，并取平均數(shù)。使用液相色譜儀檢測溶液濃度，5組濃度設(shè)定值和實(shí)測結(jié)果及誤差如表3所示?？梢钥闯鰧?shí)測濃度與設(shè)定濃度誤差小于3%，符合實(shí)際要求。

3結(jié)果與分析

本次試驗(yàn)的作業(yè)對象為冬小麥，針對小麥返青期紋枯病的防治，噴施藥劑選用無抗性效果好和價(jià)格低廉的30%苯甲·丙環(huán)唑（苯醚甲環(huán)唑和丙環(huán)唑復(fù)配而成）和99%磷酸二氫鉀100，每10天噴一次，連噴2次，作業(yè)環(huán)境為上午10：00，溫度22.5℃。

為定量分析變量噴灑系統(tǒng)作業(yè)效果，本次試驗(yàn)共設(shè)置四個(gè)作業(yè)區(qū)域，分別為：人工作業(yè)區(qū)域、無人機(jī)作業(yè)區(qū)域、變量噴灑區(qū)域以及對照區(qū)域（純水），具體參數(shù)如表4所示。每個(gè)區(qū)域面積均為1hm2（長寬均為100m）。作業(yè)前將單片機(jī)處理過的病蟲草害處方圖遙感圖像傳送至變量噴灑系統(tǒng)，系統(tǒng)會根據(jù)作業(yè)區(qū)域內(nèi)小麥的長勢及病蟲草害情況與預(yù)設(shè)等級進(jìn)行匹配，計(jì)算輸出參考濃度值，再在控制面板手動設(shè)置不同等級對應(yīng)的噴灑濃度，完成變量噴灑作業(yè)。

農(nóng)藥噴灑第15天和第30天觀察各處理區(qū)域小麥生長情況，觀察時(shí)選取五點(diǎn)收集法，即在每個(gè)作業(yè)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)選取五個(gè)小區(qū)域，每個(gè)小區(qū)域內(nèi)選取20株共計(jì)100株小麥觀察其發(fā)病情況（圖11），根據(jù)其生長情況進(jìn)行等級劃分：1級：小麥正常生長；2級：葉鞘上存在少量淡黃色小斑點(diǎn)；3級：頸基部存在褐色條斑；4級：麥苗莖折斷或枯死［17］。

如圖11所示，15天、30天后變量噴灑作業(yè)區(qū)域的1級數(shù)占比分別為87%和85%，高于其他區(qū)域，結(jié)合四個(gè)等級病蟲害情況，將1級和2級總數(shù)之和作為衡量病蟲害防治的主要指標(biāo)，變量噴灑區(qū)域可以達(dá)到97%，小麥苗頸基部存在褐色條斑的莖折斷或枯死率不超過3%，明顯低于人工區(qū)域和無人家區(qū)域，且15天和30天后的變量噴灑區(qū)域的病蟲害維持平穩(wěn)狀態(tài)，其余兩種呈現(xiàn)緩慢惡化態(tài)勢。

不噴灑農(nóng)藥的對比區(qū)域隨著時(shí)間延續(xù)1級數(shù)量明顯減少，2～4級數(shù)量顯著增多，即病蟲害程度加劇，符合作物實(shí)際生長規(guī)律。由此可見，該變量噴灑系統(tǒng)符合科學(xué)施藥理念，提高了農(nóng)藥利用率和病蟲害防治效果，可推廣示范。

4結(jié)論

農(nóng)藥噴灑是防治作物病蟲草害的有效措施，而變量噴灑技術(shù)是提高噴灑效果實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)路徑。本文設(shè)計(jì)了一種水藥分離變量噴灑系統(tǒng)，通過采用獨(dú)立的供水和供藥單元，由單片機(jī)采集所需信號控制各自的蠕動泵占空比實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)用量來配置不同濃度的藥液，在一定程度上避免了傳統(tǒng)混藥方式造成的藥液浪費(fèi)問題，大大提高了農(nóng)藥利用率。

1）? 分析了三種混合器的混藥性能和單元數(shù)與摩阻系數(shù)之間關(guān)系，確定并選取了單元螺旋板長徑比L/D=1.5、單元數(shù)Ne=3的SK型靜態(tài)混合器，達(dá)到了較高的水藥混合均勻性。

2）? 通過轉(zhuǎn)速試驗(yàn)、高度試驗(yàn)和滴霧密度試驗(yàn)，測定了占空比與噴頭轉(zhuǎn)速、噴霧粒徑大小和覆蓋率之間的關(guān)系，選用了防治爬行蟲和真菌類的農(nóng)藥，控制輸出占空比為75%，對應(yīng)噴頭轉(zhuǎn)速為11 750r/min，霧滴粒徑為125μm；噴幅與噴頭高度之間相關(guān)系數(shù)R²=0.99996，成正相關(guān)；當(dāng)噴頭高度h為1m時(shí)，單位面積平均藥液粒數(shù)可以達(dá)到48個(gè)/cm²，且五組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的試驗(yàn)濃度值和預(yù)設(shè)值濃度誤差均小于3%，說明本系統(tǒng)的混藥精準(zhǔn)性較高。

3）? 以行走式植保機(jī)械為載體，進(jìn)行了行走試驗(yàn)。對比分析了不同噴灑方式下防治小麥返青期紋枯病的效果，設(shè)計(jì)的變量噴灑系防治效果最佳，病蟲害等級1級和2級之和達(dá)到了97%，避免了農(nóng)藥浪費(fèi)和環(huán)境污染以及施藥過多造成的藥害。

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