一種直接注入式實時變濃度在線混藥噴霧裝置及其控制方法與流程
2024-04-05 06:20:05 2
本發明涉及智能農機植保機械技術領域，特別涉及一種直接注入式實時變濃度在線混藥的變量噴霧裝置及其控制方法。
背景技術：
農作物病蟲害是我國的主要農作物災害，具有種類多、影響大、易爆發成災等特點，如果不及時預防和管理會對我國的國民經濟，尤其是農業生產領域造成重大損失。因此加強農作物田間管理，是建設穩產高產農田的重要措施。田間農作物病蟲害的預防和管理，對農作物的生長發育和產量影響很大。目前，我國的植保工作的方針是「預防為主，綜合防治」，這是我國勞動人民長期同農作物病蟲害作鬥爭的經驗總結。化學農藥在抑制病蟲害的同時也出現了很多問題：如農藥的殘留，汙染環境以及農藥使用的不合理所造成的資源浪費。目前國內植保機械主要採用傳統的預混的方式，即農藥和水在藥箱裡攪拌後再進行噴施。但這種混藥方法無法實現變量噴霧，不能改變現有噴霧機浪費農藥，汙染環境和混合質量不高的缺點。
在現有技術中，申請人未發現採用直接注入式實時變濃度在線混藥噴霧裝置。對相近技術現有專利進行檢索時發現，專利「一種變量噴霧自動混藥裝置」(申請號200820047346.7)使用流量計與流量控制閥控制藥液的流量，成本較高；專利「一種自動混藥的變量噴霧裝置」(申請號：201320285621.X)實現了自動變量噴霧，自吸混藥器安裝在動力泵與噴杆之間的管路上，有一定時間的混藥延遲。根據試驗研究，在藥泵出口處混藥延遲時間約10s，在噴杆前端處混藥延遲時間約為2s，說明混藥位置離噴頭越近其實時性越好。因此，目前在線混藥裝置受限於藥液流量檢測技術、混藥延遲和適合性等方面難以滿足市場需求。
技術實現要素：
針對現有技術中存在的技術問題，本發明的目的是：提供一種直接注入式實時變濃度在線混藥的變量噴霧裝置及其控制方法，可直接注入混藥，並實時改變噴藥濃度。其適用於現代農業機械，且結構簡單可靠，適用於各種噴霧機。可以保證噴施機械在作業過程中完成水藥的均勻混合，在高壓力工作狀態下混藥，成本低，響應時間快，實時性好，而且能夠實現較大範圍的實時調節混藥比。
為了達到上述目的，本發明採用如下技術方案：
一種直接注入式實時變濃度在線混藥噴霧裝置，包括供水通路模塊、精量供藥通路模塊、混藥噴施模塊、控制模塊；供水通路模塊和精量供藥通路模塊分別和混藥噴施模塊相接；控制模塊和供水通路模塊相接以採集供水通路模塊的流量和壓力信號；控制模塊和精量供藥通路模塊相接，以根據供水通路模塊的流量和壓力、混藥比例控制進入混藥噴施模塊的藥量；水和藥在混藥噴施模塊混合併及時噴出。
供水通路模塊包括壓力傳感器A和依次相接的水箱、過濾器、柱塞泵A、溢流流量調節閥、流量計和單向閥A，單向閥A接入混藥噴施模塊，與控制模塊電連接的壓力傳感器A接入溢流流量調節閥和流量計之間；精量供藥通路模塊包括壓力傳感器B和依次相接的藥箱、精量柱塞泵B和單向閥B，單向閥B接入混藥噴施模塊，與控制模塊電連接的壓力傳感器B接入藥箱，精量柱塞泵B與控制模塊相接。採用這種結構後，水箱用於單獨存放水，柱塞泵A從水箱中抽水，溢流流量調節閥調節噴霧壓力和噴霧量以適應不同作業要求，壓力傳感器A檢測供水通路模塊中的水壓力，流量計檢測供水通路模塊中的水流量，單向閥A防止藥液倒流至水區域。藥箱存儲藥液，壓力傳感器B檢測藥箱底部的藥液壓力，精量柱塞泵B將藥液加壓後在混藥噴施模塊注入，單向閥B防止其他藥液和水倒流。精量供藥通路模塊可同時使用多路(例如三路)供藥以滿足多種藥液同時噴施的作業要求。精量供藥通路模塊無需安裝價格高昂的小流量計即可實現實時變濃度在線混藥噴霧。
直接注入式實時變濃度在線混藥噴霧裝置安裝在農業機械車體上，柱塞泵A與農業機械車體的動力裝置連接，由該動力裝置驅動，為噴霧提供動力。
混藥噴施模塊包括噴杆、混藥器和噴頭；噴杆內設有水管和藥管，水管將供水通路模塊和混藥器連接，藥管將精量供藥通路模塊與混藥器連接，混藥器與噴頭相接。採用這種結構後，水和藥液在混藥器內衝擊混合後經噴頭形成霧滴噴施至目標物上方。混藥器優選的採用高效短距離混藥結構，且離噴頭近，濃度控制實時性好。
混藥器的數量為多個，一個混藥器安裝一個噴頭；各混藥器並聯的接入藥管，且並聯的接入水管。
精量供藥通路模塊的數量為多組，各組相互並聯，藥管的數量同精量供藥通路模塊的組數，且一根藥管接入一組精量供藥通路模塊；各藥管並聯的接入每個混藥器。
噴杆內的水管和藥管中間分別設有進水口和進藥口，分別與供水通路模塊出水口和精量供藥通路模塊連接，藥管和水管設有多組分布均勻的出藥口和出水口，並分別與對應混藥器的進藥口和進水口相接，一個混藥器上的進藥口等距分布在同一豎直方向上；混藥器沒有自吸功能。採用這種結構後，水和農藥在噴杆中間位置注入噴杆內部管道。均勻布置可保證混藥器中水和藥配比的均勻性，提高了各個噴頭噴施藥液的均勻性。農藥注入壓力大於水壓保證農藥和水的定量混合。
控制模塊包括控制器和顯示器，流量計、壓力傳感器A、壓力傳感器B、精量柱塞泵B均與控制器連接；用於輸入和顯示參數的顯示器與控制器相接。採用這種結構後，控制器採集供水通路模塊的壓力傳感器A和流量計信號以及精量供藥通路模塊的壓力傳感器B信號；根據供水管路水壓和流量值以及混藥比例計算出當前時刻所需的藥液流量，通過驅動控制精量供藥通路模塊的精量柱塞泵B泵出一定量的藥液。顯示器用於設定農藥種類、對應藥箱編號及噴藥濃度等參數以及顯示供水壓力與流量、供藥量、藥箱藥量、實際噴施濃度等信息。
溢流流量調節閥的溢流管路與水箱相接；精量柱塞泵B通過控制模塊控制轉速改變泵藥量，並有霍爾傳感器實時反饋精量柱塞泵B的實際轉速，保證藥液注入精確。
一種直接注入式實時變濃度在線混藥噴霧裝置的控制方法，使用直接注入式實時變濃度在線混藥噴霧裝置，包括如下步驟：
S1、通過顯示器輸入參數，包括農藥種類、對應藥箱編號及噴藥濃度；
S2、控制器採集供水通路模塊中的壓力傳感器A和流量計信號，獲得供水管道水流壓力x和水流流量Q；
S3、控制器採集精量供藥通路模塊的壓力傳感器B信號，獲得藥箱藥液壓力y，由壓力體積模型v＝f(y)計算得到藥箱中藥液的剩餘體積v；
S4、控制器根據供水通路模塊中水流流量Q、水流壓力x和用戶設定的噴藥濃度，計算出當前時刻所需要的藥液量，由精量柱塞泵B的轉速n、水流壓力x與藥液流量q的關係模型q＝f(x,n)計算出精量柱塞泵B所需要的轉速n；
S5、控制器輸出驅動信號控制精量柱塞泵B的電機轉速n，利用霍爾傳感器實時檢測精量柱塞泵B的電機轉速N，並與控制器形成閉環控制；
S6、施藥量由處方圖或實時傳感器輸入至控制器，控制器計算出混藥濃度再通過精量柱塞泵B泵出藥液；
S7、根據轉速N、壓力x、藥液流量q模型計算出實時的藥液流量q＝f(x，N)，實時噴藥濃度C＝q/Q，藥液剩餘體積v＝f(y)；
S8、當前水流壓力x，水流流量Q，藥液剩餘體積v，藥液流量q和實時噴藥濃度C在顯示器中顯示；
S9、柱塞泵A和精量柱塞泵B始終從水箱和藥箱中抽取水和藥液，水和藥液注入混藥器，在混藥器中快速衝擊混合均勻後由噴頭噴施。
總的說來，本發明具有如下優點：
1、本發明的直接注入式實時變濃度在線混藥噴霧裝置，供水通路模塊由農業機械車體(例如拖拉機機械)提供動力，即可在現有噴霧機噴霧系統上加裝而成，可以安裝在任一款預混式噴霧機上，成本低，可適用目前市場主流產品。
2、本發明的直接注入式實時變濃度在線混藥噴霧裝置，通過精量柱塞泵B實現藥液精確注入，無需高壓力高精度藥液微小流量傳感器，保證了系統穩定性的同時降低了系統成本。
3、本發明的直接注入式實時變濃度在線混藥噴霧裝置，通過在離噴頭最近的位置將藥液直接注入水流中，混合均勻後立即經噴頭霧化噴施至目標上方，水和1種或多種藥液在線混合，且濃度控制響應快，實時性好，實現實時變濃度噴霧，滿足變量噴施需求。
4.結構簡單可靠，藥和水單獨存儲，在噴施過程中實時控制多種農藥的注入量並在線混合均勻。
附圖說明
圖1是本發明的結構原理圖。
圖2是圖1中，混藥噴施模塊的局部放大圖。
其中，1-水箱、2-過濾器、3-顯示器、4-柱塞泵A、5-控制器、6-溢流流量調節閥、7-藥箱、8-壓力傳感器B、9-單向閥A、10-精量柱塞泵B、11-壓力傳感器A、12-單向閥B、13-流量計、14-混藥器、15-噴頭、16-噴杆。a為進水口，b1、b2、b3為進藥口，c為混合液出口。
具體實施方式
下面來對本發明做進一步詳細的說明。
一種直接注入式實時變濃度在線混藥噴霧裝置，包括供水通路模塊、精量供藥通路模塊、混藥噴施模塊、控制模塊。本實施例是將本發明應用於高地隙噴霧機JKB18C，構成高地隙在線噴霧系統，噴霧壓力為1-2.5Mpa。其中，水箱、過濾器、溢流流量調節閥、噴頭、柱塞泵A為噴霧機原有配置，柱塞泵A由噴霧機動力裝置驅動其他為本發明裝配。
供水通路模塊包括壓力傳感器A和依次相接的水箱、過濾器、柱塞泵A、溢流流量調節閥、流量計和單向閥A，單向閥A接入混藥噴施模塊的噴杆中的水管，與控制模塊的控制器電連接的壓力傳感器A接入溢流流量調節閥和流量計之間，檢測供水通路模塊的水壓。溢流流量調節閥的溢流管路與水箱相接，從而多餘的水回流至水箱。
精量供藥通路模塊包括壓力傳感器B和依次相接的藥箱、精量柱塞泵B和單向閥B，單向閥B接入混藥噴施模塊的噴杆中的藥管，與控制模塊的控制器電連接的壓力傳感器B接入藥箱，精量柱塞泵B與控制模塊的控制器相接。本實施例中的精量供藥通路模塊有三組，相互並列，三個壓力傳感器B和三個精量柱塞泵B均並聯接入控制器；三個單向閥B各自接入一根藥管。對三個藥箱編號，對應加入三種農藥，由控制器控制出藥量，對藥量進行配比。本實施例中，精量柱塞泵B選型為TRS系列旋轉陶瓷柱塞泵。
混藥噴施模塊包括噴杆、混藥器和噴頭。噴杆內設有一根水管和三根藥管，水管將供水通路模塊和混藥器連接，藥管將精量供藥通路模塊與混藥器連接，混藥器與噴頭相接且一一對應。噴杆上設有多個均勻分布的出水口和多個均勻分布的出藥口，出水口為水管的一端，出藥口為藥管的一端；每個混藥器均設有三個進藥口，這三個進藥口等距分布在同一豎直方向上；混藥器沒有自吸功能。本實施例中，混藥器和噴頭的數量均為八個，八個混藥器並聯的接入每根藥管，且並聯的接入水管。這種均勻布置的連接方式，保證了藥物混合均勻，噴淋均勻。藥液和水在混藥器中均勻混合，在混藥器的混合液出口排出，及時經噴頭噴淋。本實施例中，混藥器選型為SK型靜態混合器。
控制模塊包括控制器和顯示器，流量計、壓力傳感器A、壓力傳感器B、精量柱塞泵B均與控制器連接，實時反饋監測的數據，同時精量柱塞泵B通過控制器控制轉速改變泵藥量，並有霍爾傳感器實時反饋精量柱塞泵B的實際轉速，保證藥液注入精確。用於輸入和顯示參數的顯示器與控制器相接。
一種直接注入式實時變濃度在線混藥噴霧裝置的控制方法，使用直接注入式實時變濃度在線混藥噴霧裝置，包括如下步驟：
S1、通過顯示器輸入參數，包括農藥種類、對應藥箱編號及噴藥濃度等信息；
S2、控制器採集供水通路模塊中的壓力傳感器A和流量計信號，獲得供水管道水流壓力x和水流流量Q；
S3、控制器採集精量供藥通路模塊的壓力傳感器B信號，獲得藥箱藥液壓力y，由壓力體積模型v＝f(y)計算得到藥箱中藥液的剩餘體積v；
S4、控制器根據供水通路模塊中水流流量Q、水流壓力x和用戶設定的噴藥濃度，計算出當前時刻所需要的藥液量，由精量柱塞泵B的轉速n、水流壓力x與藥液流量q的關係模型q＝f(x,n)計算出精量柱塞泵B所需要的轉速n；
S5、控制器輸出驅動信號控制精量柱塞泵B的電機轉速n，利用霍爾傳感器實時檢測精量柱塞泵B的電機轉速N，並與控制器形成閉環控制；
S6、施藥量由處方圖或實時傳感器輸入至控制器，控制器計算出混藥濃度再通過精量柱塞泵B泵出藥液；該步驟中，「施藥量由處方圖或實時傳感器輸入至控制器，控制器計算出混藥濃度」是現有技術；
S7、根據轉速N、壓力x、藥液流量q模型計算出實時的藥液流量q＝f(x，N)，實時噴藥濃度C＝q/Q,藥液剩餘體積v＝f(y)；
S8、當前水流壓力x，水流流量Q，藥液剩餘體積v，藥液流量q和實時噴藥濃度C在顯示器中顯示；
S9、柱塞泵A和精量柱塞泵B始終從水箱和藥箱中抽取水和藥液，水和藥液注入混藥器，在混藥器中快速衝擊混合均勻後由噴頭噴施。
除了本實施例提及的方式外，精量供藥通路模塊、混藥器和噴頭的數量可以根據實際需要選擇。這些變換方式均在本發明的保護範圍內。
上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。