CN117814203A - 一种基于射流式的林业航空植保混剂在线精准混合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于射流式的林业航空植保混剂在线精准混合方法，包括：根据输入的水药比以及实时采集的作业参数，取对应流量的水、药输入混合模块；获取第一流量传感器的水流量数据以及来自第二流量传感器的药流量数据，当水流量数据或药流量数据与理论的水流量或药流量有差异时，通过实时采集的数据反馈至***，***根据调节球形电磁阀的开口角度进而调整清水流量大小，实现混药***水药比精准。确定混药比，将单位施药量输入为定值，其次将作业高度、速度设为自变量，将球阀开度和蠕动泵的转速设定为因变量，药剂流量与清水流量同比例改变，进一步确定自变量、因变量和单位施药量的关系，并建立在线混药数学模型，满足精准混药的需求。
Description
技术领域
本发明属于林业管理技术领域，具体涉及一种基于射流式的林业航空植保混剂在线精准混合方法。
背景技术
为达到林业病虫害有效的防治效果，当前林业的病虫害防治主要依赖化学防治，需要对林区进行施药操作。传统机械化施药根据混药的过程可分为两种：人工预混合方式和在线混药方式。目前主要由人工预混药，由于预混合方式存在误差大、混药质量不高、农药浪费和危及工作人员等弊端，作业质量难以得到保证。
在线混药方式主要分为射流式和注入式两大类，射流式混药器是实现药水分离、农药在线混合的最简单有效的方法之一，而射流式混药器属于无动力部件，具有无故障不堵塞等优点。
在线混药方式主要是单一药剂在线混药，难以保证植保的效果，病虫草害易产生抗药性，因此开发新的植保混剂在线精准混合方法尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于射流式的林业航空植保混剂在线精准混合方法，以解决上述的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于射流式的林业航空植保混剂在线精准混合方法，具体步骤如下：
步骤一：参数确定、取水、取药；
根据需求输入水和药的比例，然后通过柱塞泵自水箱中抽取对应比例的水，同时利用蠕动泵自药箱中抽取相应比例的药物；
步骤二：实际数据获取和调节：
（1）、通过设置在抽取水路径上的第一流量传感器进行检测实际水的流量，并且进行数据对比，当对比出现差异时，则将采集的数据反馈至计算机中，这时通过设置在抽取水路径上设置的球形电磁阀调节开口角度进而调节清水流量大小来调节水药比例；
（2）、与调节清水流量大小同理，根据设置在取药路径上的第二流量传感器检测实际药物的流量，然后进行数据对比，当对比出现差异时利用调节蠕动泵的转速来改变药物的流量大小来实现混药***的水药比例；
步骤三：精准混合水药：
将步骤二中调节检测后的精准水药的流量进行统一输送至射流混药器中进行混合；
射流混药器具体包括双吸药管，注水口设置在射流混药器的头部，药液出口设置于射流混药器的尾部；
所述射流混药器呈射流式设置，且射流混药器包括射流嘴、吸药管、混合室、喉管、扩散管；
射流嘴呈圆锥形，射流嘴收敛角为/>，直径为/>；
按照清水与被吸农药的流向分：吸药管有垂直和斜交两种；
混合室呈梯形，最佳管嘴距；
喉管是直径为圆形管段，喉管直径一般为/>；
喉管的喉部长度；
扩散管为圆锥形，其最小直径应不小于喉管的直径，扩散角β的选择范围为7°-15°；
步骤四：喷出，然后将经过射流混药器混合后的水药混合物进行过滤后经喷杆喷出。
优选的，步骤二中，所述球形电磁阀与射流混药器之间设置有第一压力传感器，并且在第二流量传感器与射流混药器之间以及第三流量传感器与射流混药器之间分别设置有第二压力传感器。
优选的，所述步骤二中的取药路径包括两个蠕动泵，两个所述蠕动泵的出口分别与射流混药器的吸药管一和射流混药器吸药管二的注药口相连。
优选的，其中一个所述蠕动泵和第一流量传感器之间设置有第一单向阀，第二单向阀与另一个所述蠕动泵同理设置，多个蠕动泵与多个流量传感器均分别与控制模块（也就是与计算机）相连。
优选的，水箱上装设有第一液位传感器，两个药箱上装分别设有第二液位传感器和第三液位传感器，多个液位传感器均分别与控制模块相连。
本发明的技术效果和优点：确定混药比，将单位施药量输入为定值，其次将作业高度、速度设为自变量，将球阀开度和蠕动泵的转速设定为因变量，药剂流量与清水流量同比例改变，进一步确定自变量、因变量和单位施药量的关系，并建立在线混药数学模型，满足精准混药的需求。本发明能够在满足精准配药需求的同时确保混药效果良好，具有经济性高、减少农药残留的特点。
附图说明
图1是射流混药器的结构示意图；
图2是射流式混剂混合设备的总体结构图；
图3是本发明基于射流式的林业航空植保混剂在线精准混合方法的框架流程图。
图1中：15、吸药管一；16、混合室；17、喉管；18、扩散管；19、收缩管；20、吸药管二；
图2中：1、计算机；2、人机交互界面；301、第一液位传感器；302、第二液位传感器；303、第三液位传感器；4、水箱；5、药箱；601、第一蠕动泵；602、第二蠕动泵；7、柱塞泵；801、第一流量传感器；802、第二流量传感器；803、第三流量传感器；9、单向阀；901、第一单向阀；902、第二单向阀；903、第三单向阀；10、第一压力传感器；101、第二压力传感器；11、球形电磁阀；12、射流混药器；13、过滤阀；14、喷杆。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了基于射流式的林业航空植保混剂在线精准混合方法，是通过射流式混剂混合设备（总体结构图如图2所示，并且图2中实线连接为实物管道连接，虚线连接为电路电线连接）实现的，射流式混剂混合设备包括取水模块、取药模块一、取药模块二、混合模块（如图1所示）、喷施模块以及分别与取水模块、取药模块一、取药模块二连接的控制模块；
控制组件控制取水模块和取药模块一、取药模块二按照与作业高度和速度匹配流量的清水和药剂输入混合模块；
作业高度与速度和公顷施药量的关系：；
式中，—喷幅，m；/>—航高，m；/>—重力加速度，m/s2；/>—药液离开喷头时水平方向速度即线速度，m/min；/>—喷杆长度，m。
式中，C—公顷施药量；—阀门出口面积，m2；/>—药液流速，m/min；/>—航速，km/h；/>—施药时间，min。
取水模块的出水管通过注水口接入混合模块，取药模块一、取药模块二的出药管通过吸药管接入混合模块，注水口与吸药管在混合模块的一端呈角度布置使得清水和药剂在混合模块的混合室16混合后从混合模块的另一端的扩散管18输出。
作为本发明的混合方法的进一步改进：
混合模块设置双吸药管，注水口设置在混合模块的头部，药液出口设置于混合模块的尾部。
混合模块呈射流式，由射流嘴、吸药管、混合室16、喉管17、扩散管18组成；
射流嘴呈圆锥形，射流嘴收敛角为/>，直径为/>；
按照清水与被吸农药的流向分：吸药管有垂直和斜交两种，本实施例采取垂直式吸药管；
混合室16呈梯形，最佳管嘴距喷射嘴与喉管17的距离；
喉管17是直径为圆形管段，喉管17直径一般为/>，本实施例选择；
按照射流泵理论，喉部的长度过短，流体就不能均匀混合，导致喉部出口处流速分布很不均匀，使扩散损失加大。相反，喉部过长则增加摩擦阻力损失，实验表明液体射流泵的喉部最优长度，本实施例喉管17的喉部采用/>；
扩散管18为圆锥形，其最小直径应不小于喉管17的直径，扩散角β的选择范围为7°-15°，本实施例选择的扩散角β为8°；
流量比为药剂的体积流量与水体积流量之比，即
；
式中：
—工作液体的体积流量，被吸液体b、c的体积流量；
—混合液体、被吸液体b、c的质量流量；/>—被吸液体b、c和工作液体的密度；确定流量比，同时确定了混合液体的浓度；
压力比是反应射流混药装置压力损失的无量纲参数，即
；
式中：—混合液总压强；—被吸液总压强；/>—工作液总压强；/>—混药器出口压强；/>、/>—混药器吸药口b、c压强；/>—混药器工作液入口压强；/>—混药器出口平均速度；/>—混药器吸药口/>平均速度；/>—混药器工作液入口平均速度；出口压力决定着喷头的射程、雾滴尺寸的大小；
面积比指的是混合管截面积与喷射嘴出截面积之比，即
；
式中：—混合管和射流嘴出口截面积；/>—喉管17直径和射流嘴出口直径；
如图3所示，取水模块包括第一流量传感器801，取药模块包括第二流量传感器802、第三流量传感器803；控制模块获取来自第一流量传感器801的水流量数据以及来自第二流量传感器802、第三流量传感器803的药流量数据，并根据实时采集的工作参数和输入的混药比反馈调节取水模块的水流量和取药模块一、取药模块二的药流量；
取水模块包括水箱4、柱塞泵7、第一单向阀901；柱塞泵7将水箱4的水输出至管道，调压阀通过注水口与混药单元连通；第一流量传感器801装设于柱塞泵7和第一压力传感器10之间的管路上并与控制模块相连，球形电磁阀11与射流混药器12之间设置有第一压力传感器10，并且在第二流量传感器802与射流混药器12之间以及第三流量传感器803与射流混药器12之间分别设置有第二压力传感器101，控制模块与球形电磁阀11的控制端相连；
注药泵为蠕动泵，第一蠕动泵601、第二蠕动泵602的作用是控制药液注入量和隔绝清水和药箱5，第一蠕动泵601的出口与混合模块吸药管一15的注药口相连，第二蠕动泵602的出口与混合模块吸药管二20的注药口相连；
第二蠕动泵602第二流量传感器802之间设置有第二单向阀902；蠕动泵与流量传感器分别与控制模块相连，控制模块与蠕动泵的控制端相连，柱塞泵7与第三单向阀903之间同上所述；
水箱4上装设有第一液位传感器301，药箱5上装设有第二液位传感器302、第三液位传感器303，多个液位传感器均分别与控制模块相连；
根据输入的水药比以及实时采集的作业参数，取对应流量的水、药输入混合模块；
进一步的，确定球形电磁阀11开度与清水流量的关系；
清水流量与药剂流量/>、/>之间可根据不同的药液的混药比进行调节；
清水流量即球阀出流流量的计算公式如下所示：
；
其中，—流体出流流速系数；/>—收缩系数；/>—阀口过流面积；/>—球阀进出口压差，MPa；/>—流体密度，kg/m3，清水的密度为998kg/m3。
流体出流流速系数根据文献《流体力学及流体机械》，可得下式：
；
式中：—局部阻力系数。
根据文献《机械设计手册第四卷》：
；
式中：—入口截面积。
闸口流收缩系数可用儒可夫斯基理论分析方法求值，如表1所示：
表1 模型对应的收缩系数值
根据MATLAB拟合，可得收缩系数与球型电磁阀边缘最大位移投影/>与球型电磁阀管道半径/>的比值的关系式如下所示：
；
球形电磁阀边缘最大位移投影与开度大小/>的关系：
；
球阀进出口压差的计算公式如下：
；
式中，—阀入口压力；/>—阀出口压力。
球阀开度大小与清水流量的关系：
；
根据所采集的作业参数等，确定所需的清水流量大小，准确调节球形电磁阀11的角度，精准配药。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于射流式的林业航空植保混剂在线精准混合方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一：参数确定、取水、取药；
根据需求输入水和药的比例，然后通过柱塞泵（7）自水箱（4）中抽取对应比例的水，同时利用蠕动泵自药箱（5）中抽取相应比例的药物；
步骤二：实际数据获取和调节：
（1）、通过设置在抽取水路径上的第一流量传感器（801）检测实际水的流量，并且进行数据对比，当对比出现差异时，则将采集的数据反馈至计算机（1）中，这时通过设置在抽取水路径上设置的球形电磁阀（11）调节开口角度进而调节清水流量大小来调节水药比例；
（2）、与调节清水流量大小同理，根据设置在取药路径上的第二流量传感器（802）检测实际药物的流量，然后进行数据对比，当对比出现差异时利用调节蠕动泵的转速来改变药物的流量大小来实现混药***的水药比例；
步骤三：精准混合水药：
将步骤二中调节检测后的精准水药的流量进行统一输送至射流混药器（12）中进行混合；
射流混药器（12）具体包括双吸药管，注水口设置在射流混药器（12）的头部，药液出口设置于射流混药器（12）的尾部；
所述射流混药器（12）呈射流式设置，且射流混药器（12）包括射流嘴、吸药管、混合室（16）、喉管（17）、扩散管（18）；
所述射流嘴呈圆锥形，且射流嘴收敛角为/>，直径为/>；
混合室（16）呈梯形，管嘴距；
喉管（17）是直径为圆形管段，喉管（17）直径为/>；
喉管（17）的喉部长度；
扩散管（18）为圆锥形，其最小直径不小于喉管（17）的直径，扩散角β的选择范围为7°-15°；
步骤四：喷出，然后将经过射流混药器（12）混合后的水药混合物进行过滤后经喷杆（14）喷出。
2.根据权利要求1所述的一种基于射流式的林业航空植保混剂在线精准混合方法，其特征在于：步骤二中，所述球形电磁阀（11）与射流混药器（12）之间设置有第一压力传感器（10），并且在第二流量传感器（802）与射流混药器（12）之间以及第三流量传感器（803）与射流混药器（12）之间分别设置有第二压力传感器（101）。
3.根据权利要求1所述的一种基于射流式的林业航空植保混剂在线精准混合方法，其特征在于：所述步骤二中的取药路径包括两个，两个所述蠕动泵的出口分别与射流混药器（12）的吸药管一（15）和射流混药器的吸药管二（20）的注药口相连。
4.根据权利要求3所述的一种基于射流式的林业航空植保混剂在线精准混合方法，其特征在于：其中一个蠕动泵和第一流量传感器（801）之间设置有第一单向阀（901），第二单向阀（902）与另一个蠕动泵同理设置，多个蠕动泵与多个流量传感器均分别与控制模块相连。
5.根据权利要求1所述的一种基于射流式的林业航空植保混剂在线精准混合方法，其特征在于：所述水箱（4）上装设有第一液位传感器（301），两个药箱（5）上装分别设有第二液位传感器（302）、第三液位传感器（303），多个液位传感器均分别与控制模块相连。
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