一种直接注入式实时变浓度在线混药喷雾装置及其控制方法与流程

本发明涉及智能农机植保机械技术领域，特别涉及一种直接注入式实时变浓度在线混药的变量喷雾装置及其控制方法。

背景技术：

农作物病虫害是我国的主要农作物灾害，具有种类多、影响大、易爆发成灾等特点，如果不及时预防和管理会对我国的国民经济，尤其是农业生产领域造成重大损失。因此加强农作物田间管理，是建设稳产高产农田的重要措施。田间农作物病虫害的预防和管理，对农作物的生长发育和产量影响很大。目前，我国的植保工作的方针是“预防为主，综合防治”，这是我国劳动人民长期同农作物病虫害作斗争的经验总结。化学农药在抑制病虫害的同时也出现了很多问题：如农药的残留，污染环境以及农药使用的不合理所造成的资源浪费。目前国内植保机械主要采用传统的预混的方式，即农药和水在药箱里搅拌后再进行喷施。但这种混药方法无法实现变量喷雾，不能改变现有喷雾机浪费农药，污染环境和混合质量不高的缺点。

在现有技术中，申请人未发现采用直接注入式实时变浓度在线混药喷雾装置。对相近技术现有专利进行检索时发现，专利“一种变量喷雾自动混药装置”(申请号200820047346.7)使用流量计与流量控制阀控制药液的流量，成本较高；专利“一种自动混药的变量喷雾装置”(申请号：201320285621.X)实现了自动变量喷雾，自吸混药器安装在动力泵与喷杆之间的管路上，有一定时间的混药延迟。根据试验研究，在药泵出口处混药延迟时间约10s，在喷杆前端处混药延迟时间约为2s，说明混药位置离喷头越近其实时性越好。因此，目前在线混药装置受限于药液流量检测技术、混药延迟和适合性等方面难以满足市场需求。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种直接注入式实时变浓度在线混药的变量喷雾装置及其控制方法，可直接注入混药，并实时改变喷药浓度。其适用于现代农业机械，且结构简单可靠，适用于各种喷雾机。可以保证喷施机械在作业过程中完成水药的均匀混合，在高压力工作状态下混药，成本低，响应时间快，实时性好，而且能够实现较大范围的实时调节混药比。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种直接注入式实时变浓度在线混药喷雾装置，包括供水通路模块、精量供药通路模块、混药喷施模块、控制模块；供水通路模块和精量供药通路模块分别和混药喷施模块相接；控制模块和供水通路模块相接以采集供水通路模块的流量和压力信号；控制模块和精量供药通路模块相接，以根据供水通路模块的流量和压力、混药比例控制进入混药喷施模块的药量；水和药在混药喷施模块混合并及时喷出。

供水通路模块包括压力传感器A和依次相接的水箱、过滤器、柱塞泵A、溢流流量调节阀、流量计和单向阀A，单向阀A接入混药喷施模块，与控制模块电连接的压力传感器A接入溢流流量调节阀和流量计之间；精量供药通路模块包括压力传感器B和依次相接的药箱、精量柱塞泵B和单向阀B，单向阀B接入混药喷施模块，与控制模块电连接的压力传感器B接入药箱，精量柱塞泵B与控制模块相接。采用这种结构后，水箱用于单独存放水，柱塞泵A从水箱中抽水，溢流流量调节阀调节喷雾压力和喷雾量以适应不同作业要求，压力传感器A检测供水通路模块中的水压力，流量计检测供水通路模块中的水流量，单向阀A防止药液倒流至水区域。药箱存储药液，压力传感器B检测药箱底部的药液压力，精量柱塞泵B将药液加压后在混药喷施模块注入，单向阀B防止其他药液和水倒流。精量供药通路模块可同时使用多路(例如三路)供药以满足多种药液同时喷施的作业要求。精量供药通路模块无需安装价格高昂的小流量计即可实现实时变浓度在线混药喷雾。

直接注入式实时变浓度在线混药喷雾装置安装在农业机械车体上，柱塞泵A与农业机械车体的动力装置连接，由该动力装置驱动，为喷雾提供动力。

混药喷施模块包括喷杆、混药器和喷头；喷杆内设有水管和药管，水管将供水通路模块和混药器连接，药管将精量供药通路模块与混药器连接，混药器与喷头相接。采用这种结构后，水和药液在混药器内冲击混合后经喷头形成雾滴喷施至目标物上方。混药器优选的采用高效短距离混药结构，且离喷头近，浓度控制实时性好。

混药器的数量为多个，一个混药器安装一个喷头；各混药器并联的接入药管，且并联的接入水管。

精量供药通路模块的数量为多组，各组相互并联，药管的数量同精量供药通路模块的组数，且一根药管接入一组精量供药通路模块；各药管并联的接入每个混药器。

喷杆内的水管和药管中间分别设有进水口和进药口，分别与供水通路模块出水口和精量供药通路模块连接，药管和水管设有多组分布均匀的出药口和出水口，并分别与对应混药器的进药口和进水口相接，一个混药器上的进药口等距分布在同一竖直方向上；混药器没有自吸功能。采用这种结构后，水和农药在喷杆中间位置注入喷杆内部管道。均匀布置可保证混药器中水和药配比的均匀性，提高了各个喷头喷施药液的均匀性。农药注入压力大于水压保证农药和水的定量混合。

控制模块包括控制器和显示器，流量计、压力传感器A、压力传感器B、精量柱塞泵B均与控制器连接；用于输入和显示参数的显示器与控制器相接。采用这种结构后，控制器采集供水通路模块的压力传感器A和流量计信号以及精量供药通路模块的压力传感器B信号；根据供水管路水压和流量值以及混药比例计算出当前时刻所需的药液流量，通过驱动控制精量供药通路模块的精量柱塞泵B泵出一定量的药液。显示器用于设定农药种类、对应药箱编号及喷药浓度等参数以及显示供水压力与流量、供药量、药箱药量、实际喷施浓度等信息。

溢流流量调节阀的溢流管路与水箱相接；精量柱塞泵B通过控制模块控制转速改变泵药量，并有霍尔传感器实时反馈精量柱塞泵B的实际转速，保证药液注入精确。

一种直接注入式实时变浓度在线混药喷雾装置的控制方法，使用直接注入式实时变浓度在线混药喷雾装置，包括如下步骤：

S1、通过显示器输入参数，包括农药种类、对应药箱编号及喷药浓度；

S2、控制器采集供水通路模块中的压力传感器A和流量计信号，获得供水管道水流压力x和水流流量Q；

S3、控制器采集精量供药通路模块的压力传感器B信号，获得药箱药液压力y，由压力体积模型v＝f(y)计算得到药箱中药液的剩余体积v；

S4、控制器根据供水通路模块中水流流量Q、水流压力x和用户设定的喷药浓度，计算出当前时刻所需要的药液量，由精量柱塞泵B的转速n、水流压力x与药液流量q的关系模型q＝f(x,n)计算出精量柱塞泵B所需要的转速n；

S5、控制器输出驱动信号控制精量柱塞泵B的电机转速n，利用霍尔传感器实时检测精量柱塞泵B的电机转速N，并与控制器形成闭环控制；

S6、施药量由处方图或实时传感器输入至控制器，控制器计算出混药浓度再通过精量柱塞泵B泵出药液；

S7、根据转速N、压力x、药液流量q模型计算出实时的药液流量q＝f(x，N)，实时喷药浓度C＝q/Q，药液剩余体积v＝f(y)；

S8、当前水流压力x，水流流量Q，药液剩余体积v，药液流量q和实时喷药浓度C在显示器中显示；

S9、柱塞泵A和精量柱塞泵B始终从水箱和药箱中抽取水和药液，水和药液注入混药器，在混药器中快速冲击混合均匀后由喷头喷施。

总的说来，本发明具有如下优点：

1、本发明的直接注入式实时变浓度在线混药喷雾装置，供水通路模块由农业机械车体(例如拖拉机机械)提供动力，即可在现有喷雾机喷雾系统上加装而成，可以安装在任一款预混式喷雾机上，成本低，可适用目前市场主流产品。

2、本发明的直接注入式实时变浓度在线混药喷雾装置，通过精量柱塞泵B实现药液精确注入，无需高压力高精度药液微小流量传感器，保证了系统稳定性的同时降低了系统成本。

3、本发明的直接注入式实时变浓度在线混药喷雾装置，通过在离喷头最近的位置将药液直接注入水流中，混合均匀后立即经喷头雾化喷施至目标上方，水和1种或多种药液在线混合，且浓度控制响应快，实时性好，实现实时变浓度喷雾，满足变量喷施需求。

4.结构简单可靠，药和水单独存储，在喷施过程中实时控制多种农药的注入量并在线混合均匀。

附图说明

图1是本发明的结构原理图。

图2是图1中，混药喷施模块的局部放大图。

其中，1-水箱、2-过滤器、3-显示器、4-柱塞泵A、5-控制器、6-溢流流量调节阀、7-药箱、8-压力传感器B、9-单向阀A、10-精量柱塞泵B、11-压力传感器A、12-单向阀B、13-流量计、14-混药器、15-喷头、16-喷杆。a为进水口，b1、b2、b3为进药口，c为混合液出口。

具体实施方式

下面来对本发明做进一步详细的说明。

一种直接注入式实时变浓度在线混药喷雾装置，包括供水通路模块、精量供药通路模块、混药喷施模块、控制模块。本实施例是将本发明应用于高地隙喷雾机JKB18C，构成高地隙在线喷雾系统，喷雾压力为1-2.5Mpa。其中，水箱、过滤器、溢流流量调节阀、喷头、柱塞泵A为喷雾机原有配置，柱塞泵A由喷雾机动力装置驱动其他为本发明装配。

供水通路模块包括压力传感器A和依次相接的水箱、过滤器、柱塞泵A、溢流流量调节阀、流量计和单向阀A，单向阀A接入混药喷施模块的喷杆中的水管，与控制模块的控制器电连接的压力传感器A接入溢流流量调节阀和流量计之间，检测供水通路模块的水压。溢流流量调节阀的溢流管路与水箱相接，从而多余的水回流至水箱。

精量供药通路模块包括压力传感器B和依次相接的药箱、精量柱塞泵B和单向阀B，单向阀B接入混药喷施模块的喷杆中的药管，与控制模块的控制器电连接的压力传感器B接入药箱，精量柱塞泵B与控制模块的控制器相接。本实施例中的精量供药通路模块有三组，相互并列，三个压力传感器B和三个精量柱塞泵B均并联接入控制器；三个单向阀B各自接入一根药管。对三个药箱编号，对应加入三种农药，由控制器控制出药量，对药量进行配比。本实施例中，精量柱塞泵B选型为TRS系列旋转陶瓷柱塞泵。

混药喷施模块包括喷杆、混药器和喷头。喷杆内设有一根水管和三根药管，水管将供水通路模块和混药器连接，药管将精量供药通路模块与混药器连接，混药器与喷头相接且一一对应。喷杆上设有多个均匀分布的出水口和多个均匀分布的出药口，出水口为水管的一端，出药口为药管的一端；每个混药器均设有三个进药口，这三个进药口等距分布在同一竖直方向上；混药器没有自吸功能。本实施例中，混药器和喷头的数量均为八个，八个混药器并联的接入每根药管，且并联的接入水管。这种均匀布置的连接方式，保证了药物混合均匀，喷淋均匀。药液和水在混药器中均匀混合，在混药器的混合液出口排出，及时经喷头喷淋。本实施例中，混药器选型为SK型静态混合器。

控制模块包括控制器和显示器，流量计、压力传感器A、压力传感器B、精量柱塞泵B均与控制器连接，实时反馈监测的数据，同时精量柱塞泵B通过控制器控制转速改变泵药量，并有霍尔传感器实时反馈精量柱塞泵B的实际转速，保证药液注入精确。用于输入和显示参数的显示器与控制器相接。

一种直接注入式实时变浓度在线混药喷雾装置的控制方法，使用直接注入式实时变浓度在线混药喷雾装置，包括如下步骤：

S1、通过显示器输入参数，包括农药种类、对应药箱编号及喷药浓度等信息；

S2、控制器采集供水通路模块中的压力传感器A和流量计信号，获得供水管道水流压力x和水流流量Q；

S3、控制器采集精量供药通路模块的压力传感器B信号，获得药箱药液压力y，由压力体积模型v＝f(y)计算得到药箱中药液的剩余体积v；

S4、控制器根据供水通路模块中水流流量Q、水流压力x和用户设定的喷药浓度，计算出当前时刻所需要的药液量，由精量柱塞泵B的转速n、水流压力x与药液流量q的关系模型q＝f(x,n)计算出精量柱塞泵B所需要的转速n；

S5、控制器输出驱动信号控制精量柱塞泵B的电机转速n，利用霍尔传感器实时检测精量柱塞泵B的电机转速N，并与控制器形成闭环控制；

S6、施药量由处方图或实时传感器输入至控制器，控制器计算出混药浓度再通过精量柱塞泵B泵出药液；该步骤中，“施药量由处方图或实时传感器输入至控制器，控制器计算出混药浓度”是现有技术；

S7、根据转速N、压力x、药液流量q模型计算出实时的药液流量q＝f(x，N)，实时喷药浓度C＝q/Q,药液剩余体积v＝f(y)；

S8、当前水流压力x，水流流量Q，药液剩余体积v，药液流量q和实时喷药浓度C在显示器中显示；

S9、柱塞泵A和精量柱塞泵B始终从水箱和药箱中抽取水和药液，水和药液注入混药器，在混药器中快速冲击混合均匀后由喷头喷施。

除了本实施例提及的方式外，精量供药通路模块、混药器和喷头的数量可以根据实际需要选择。这些变换方式均在本发明的保护范围内。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。