PWM變量控制噴頭霧化特性研究

郭一鳴，張瑞瑞，陳立平，李龍龍

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100097)

0 引言

目前，我國(guó)食品安全狀況并不樂(lè)觀，農(nóng)藥殘留、濫用食品添加劑等問(wèn)題都嚴(yán)重威脅著人類(lèi)的生命健康[1]。農(nóng)藥殘留是食品安全問(wèn)題中的一大突出問(wèn)題[2]，通過(guò)采用精準(zhǔn)施藥技術(shù)減少農(nóng)藥噴施過(guò)量，已成為植保領(lǐng)域的重要研究方向[3]。

采用PWM (Pulse Width Modulation)間歇噴霧流量調(diào)節(jié)噴灑系統(tǒng)研究噴頭的噴霧特性是當(dāng)前研究變量噴灑的主要方式之一[4]。鄧巍等采用開(kāi)關(guān)電磁閥研究了扇形噴頭的噴霧特性，發(fā)現(xiàn)噴頭流量調(diào)節(jié)倍數(shù)可達(dá)4.17倍[5]。翟長(zhǎng)遠(yuǎn)等通過(guò)脈寬調(diào)制變量噴霧對(duì)TEEJET AITXA空心錐形噴頭建立了噴頭流量模型并進(jìn)行模型普適性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：模型流量和實(shí)際測(cè)量流量均具有很好的一致性[6]。隨順濤等使用TEEJET 11003標(biāo)準(zhǔn)扇形噴頭建立了脈寬調(diào)制的變量噴藥控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)車(chē)速變化完成變量噴藥[7]。魏新華等通過(guò)PWM間歇式變量噴施系統(tǒng)研究了TR80-05型圓錐霧噴頭的靜態(tài)霧量噴霧特性，發(fā)現(xiàn)PWM信號(hào)占空比與霧量沉積量近似呈正比關(guān)系[8]。

史萬(wàn)蘋(píng)等PWM變量控制系統(tǒng)控制電磁閥來(lái)研究TEEJET 11003標(biāo)準(zhǔn)扇形噴頭的流量情況，流量控制范圍可達(dá)到4:1[9]。Lebeau等人使用TEEJET XR 11006延長(zhǎng)范圍扇形噴頭設(shè)計(jì)了基于噴桿速度變化的 PWM 變量施藥控制系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)變量系統(tǒng)減少了機(jī)械不必要震動(dòng)對(duì)噴霧帶來(lái)的影響[10]。Pierce Robert等人使用TEEJET XR8005型噴頭研究不同占空比下的沉積特性，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)改變占空比會(huì)影響噴霧沉積均勻性[11]。國(guó)內(nèi)外很多基于脈寬調(diào)制的變量噴施系統(tǒng)研究均相對(duì)于同一種或者同一類(lèi)型噴頭進(jìn)行[12-20]，并未在相同測(cè)試環(huán)境下比較不同噴頭的噴霧特性。

實(shí)際應(yīng)用中，不同作物及其復(fù)雜的施藥環(huán)境對(duì)噴頭有不同的要求，且不同噴頭的防治效果不同[21]。本文在脈寬調(diào)制變量噴施系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對(duì)不同噴頭的噴霧效果進(jìn)行了研究，改變控制高頻電磁閥信號(hào)的頻率和占空比，在相同條件下對(duì)不同噴頭的流量和粒徑進(jìn)行測(cè)量，分析PWM變量施藥系統(tǒng)對(duì)不同噴頭產(chǎn)生的影響，從而為不同的施藥環(huán)境和施藥機(jī)具等提供理論基礎(chǔ)。

1 理論依據(jù)

變量噴灑系統(tǒng)采用高頻電磁閥為流量控制元件，通過(guò)改變電磁閥的開(kāi)關(guān)量進(jìn)而改變噴頭的流量和壓力[22]。理論上通過(guò)改變控制信號(hào)的占空比會(huì)線性地改變噴頭流量L1，電磁閥因其機(jī)械特性會(huì)存在開(kāi)啟反應(yīng)時(shí)間t1和關(guān)閉反應(yīng)時(shí)間t2，信號(hào)示意圖如圖1所示。根據(jù)公式(1)可求得此時(shí)流量L1，即

(1)

式中L1—噴頭流量；

t1—電磁閥開(kāi)啟反應(yīng)時(shí)間；

t2—電磁閥關(guān)閉反應(yīng)時(shí)間；

F—控制信號(hào)頻率；

Lq—電磁閥全開(kāi)噴頭流量。

根據(jù)以上分析和推導(dǎo)過(guò)程可知，在控制信號(hào)頻率F一定時(shí)，流量調(diào)節(jié)倍數(shù)η使得噴頭流量L1和全開(kāi)時(shí)流量仍成線性關(guān)系。

圖1 信號(hào)示意圖

噴頭處壓力越大，流量越大。對(duì)于同一噴頭的變量系統(tǒng)的控制信號(hào)，占空比相同，而頻率不同，其流量會(huì)因間歇式的壓力變化而變化。圖2為高頻和低頻下壓力變化示意圖。流量和到達(dá)噴頭壓力之間的關(guān)系為L(zhǎng)b=β·P2，說(shuō)明高頻下流量更大。

圖2 高頻和低頻下壓力變化示意圖

不同類(lèi)型噴頭的結(jié)構(gòu)和尺寸存在差別，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)直接影響到達(dá)噴嘴的壓力P2，進(jìn)而決定噴頭的流量Lb。流量和到達(dá)噴頭壓力為線性關(guān)系，對(duì)于不同的噴頭結(jié)構(gòu)，P2與輸出壓力Pb之間的關(guān)系也為線性關(guān)系。所以，噴頭流量為

Lb=α·β·Pb

(2)

式中Lb—噴頭理論流量；

α、β—常數(shù)；

Pb—隔膜泵輸出壓力。

噴頭壓力和霧滴粒徑之間呈負(fù)相關(guān)性，兩者之間的關(guān)系為D=f(A/P)，即壓力P越大，霧滴粒徑D越小。對(duì)于脈寬調(diào)制變量系統(tǒng)，噴頭壓力會(huì)因控制信號(hào)的不同而發(fā)生變化；對(duì)于不同的噴頭，因其結(jié)構(gòu)不同，噴頭處壓力變化會(huì)對(duì)粒徑變化產(chǎn)生不同的影響。

由以上理論分析可知：由于高頻電磁閥的機(jī)械特性及不同類(lèi)型噴頭的結(jié)構(gòu)，不同類(lèi)型的噴頭在相同脈寬調(diào)制變量噴灑系統(tǒng)的作用下會(huì)產(chǎn)生不同的影響，為探究和驗(yàn)證以上理論猜想，筆者進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

2 材料與方法

實(shí)驗(yàn)于2018年7月在國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心航空施藥噴霧檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室完成。

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)使用自來(lái)水用于流量和粒徑的測(cè)試，噴頭選用德國(guó)LECHLER公司生產(chǎn)的防漂移噴頭AD120-02、萬(wàn)能型平面扇形噴頭LU120-02和空心圓錐霧噴頭TR80-02。3種不同類(lèi)型噴頭實(shí)物圖和結(jié)構(gòu)圖分別如圖3和圖4所示(從左到右依次為L(zhǎng)U120-02型萬(wàn)能型扇形噴頭、AD120-02型防漂移噴頭、TR80-02型空心圓錐霧噴頭)。

圖3 3種不同噴頭實(shí)物圖

圖4 3種不同噴頭結(jié)構(gòu)圖

3種噴頭結(jié)構(gòu)的不同決定其噴霧特性也存在差異：LU萬(wàn)能型平面扇形噴頭，通過(guò)使用大小合適的噴頭及調(diào)整必要的噴霧壓力可以提供特定應(yīng)用范圍所需的流量，實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴大小的控制；AD防漂移噴頭較之LU類(lèi)型噴頭增加了集成乳化式設(shè)計(jì)，可乳化式入流截面的特殊設(shè)計(jì)減小了不必要細(xì)粒霧滴的產(chǎn)生，且乳化室內(nèi)壓力在液體流進(jìn)之前本身就會(huì)降低，從而有效降低了噴頭的磨損；TR類(lèi)型的空心圓錐霧噴頭的噴嘴噴霧錐角80°，適用壓力范圍可達(dá)2MPa，流量誤差≤10%，更適用于風(fēng)送或無(wú)風(fēng)送及循環(huán)式噴霧機(jī)[23-24]。

變量噴霧系統(tǒng)中使用的電磁閥為壓縮天然氣(Compressed Natural Gas，CNG)高頻電磁閥。高頻電磁閥通電時(shí)，電磁線圈產(chǎn)生電磁力把關(guān)閉件從閥座上提起，閥門(mén)打開(kāi)；斷電時(shí)，電磁力消失，彈簧把關(guān)閉件壓在閥座上，閥門(mén)關(guān)閉。

其主要技術(shù)參數(shù)如下:

線圈電阻/Ω：3

工作電壓/V：12±1.2

最高壓力/MPa：0.45

關(guān)閉時(shí)間/ms：2.0±0.1

開(kāi)啟時(shí)間/ms：2±0.1

工作溫度/℃：-20～120

最高頻率/Hz：125

實(shí)驗(yàn)采用德國(guó)SYMPATEC公司生產(chǎn)的HELOS-VARIO實(shí)時(shí)噴霧激光粒度儀測(cè)量噴霧區(qū)的霧滴粒徑，激光粒度儀經(jīng)典的光路由發(fā)射、接受和測(cè)量窗口等3部分組成。當(dāng)發(fā)射部分發(fā)射的測(cè)試光束遇到顆粒阻擋時(shí)，測(cè)量窗口區(qū)域中一部分光將發(fā)生散射現(xiàn)象，散射光的傳播方向?qū)⑴c主光的傳播方向形成一個(gè)夾角θ。θ角度與顆粒大小相關(guān)，通過(guò)接收窗口接收到的傳播角度，測(cè)定被測(cè)顆粒大小。HELOS-VARIO實(shí)時(shí)激光粒徑儀如圖5所示。

圖5 HELOS-VARIO實(shí)時(shí)激光粒徑儀

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

PWM 變量噴霧系統(tǒng)由12 V直流電源、電路控制模塊、高頻電磁閥、噴頭體、計(jì)算機(jī)及串口通信模塊組成，如圖6所示。

1.自來(lái)水 2.藥罐 3.隔膜泵 4.壓力表 5.調(diào)壓閥 6.高頻電磁閥 7.噴頭 8.接液器 9.PWM信號(hào)發(fā)生及傳輸模塊 10.計(jì)算機(jī)

通過(guò)計(jì)算機(jī)改變控制高頻電磁閥的PWM信號(hào)的頻率和占空比，改變電磁閥的開(kāi)關(guān)時(shí)間，從而改變通過(guò)的流量，達(dá)到變量噴灑的目的。計(jì)算機(jī)通過(guò)JTAG寫(xiě)入程序，將不同的PWM信號(hào)指令直接寫(xiě)入單片機(jī)中。變量噴灑控制模塊包含電源模塊、信號(hào)產(chǎn)生模塊及信號(hào)驅(qū)動(dòng)放大模塊，計(jì)算機(jī)通過(guò)JTAG接口將程序?qū)懭階Tmega128芯片中，芯片將實(shí)時(shí)產(chǎn)生固定頻率和占空比的PWM信號(hào)；信號(hào)通過(guò)L298N驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)生高電平5V、低電平0V的方波信號(hào)，經(jīng)由MOS管驅(qū)動(dòng)電路和12V直流電源產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電磁閥的PWM控制信號(hào)。

實(shí)驗(yàn)采用自來(lái)水作為實(shí)驗(yàn)液體，隔膜泵輸出液體壓力為0.4MPa，在噴霧系統(tǒng)頻率分別為10、15、20、25、30 Hz，占空比25%～100%范圍內(nèi)每隔5%為一個(gè)測(cè)試，對(duì)3種不同類(lèi)型噴頭進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)測(cè)試分為流量測(cè)試和粒徑測(cè)試兩部分。

流量測(cè)量過(guò)程使用秒表記錄1 min的噴霧時(shí)間，用萬(wàn)分之一天平測(cè)量1 min內(nèi)液體質(zhì)量，進(jìn)而算得噴頭流量(L/min)。每次實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次，去掉最大值和最小值之后求得流量平均值。霧滴粒徑測(cè)試過(guò)程采用德國(guó)SYMPATEC公司生產(chǎn)的HELOS-VARIO實(shí)時(shí)噴霧激光粒度儀，將噴頭置于霧滴粒徑分析儀的正上方50cm處。噴灑過(guò)程中，從噴霧正中心開(kāi)始測(cè)量，動(dòng)態(tài)水平移動(dòng)噴霧噴頭，測(cè)試時(shí)間為15s，測(cè)量半個(gè)噴幅內(nèi)的粒徑情況[25]，每次實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次，去除最大值和最小值，取平均值。

3 結(jié)果與討論

3.1 流量結(jié)果分析

測(cè)量不同控制信號(hào)下LU120-02、AD120-02和TR80-02等3種不同噴頭的流量，結(jié)果表明：3種噴頭流量和占空比、頻率均呈正相關(guān)；在同一個(gè)頻率F下，流量L與占空比x之間均呈線性變化趨勢(shì)，且線性變化區(qū)間隨頻率增大而減小；3種噴頭在10Hz和15HZ兩種頻率下，流量受頻率變化不明顯，控制信號(hào)占空比相同情況下，兩種頻率對(duì)應(yīng)的流量值相近，即在本脈寬調(diào)制變量系統(tǒng)中頻率10Hz和15Hz兩者之間頻率的變化對(duì)噴頭平均壓力P的影響不大，流量趨于一致。LU120-02號(hào)噴頭流量和占空比變化關(guān)系如圖7所示。

隔膜泵輸出相同的壓力0.4MPa，電磁閥開(kāi)度為100%時(shí)3種噴頭流量不同：AD120-02和LU120-02全開(kāi)流量分別為902ml/min和899ml/min，TR80-02型號(hào)噴頭全開(kāi)流量為787ml/min。這說(shuō)明，在測(cè)量設(shè)備和環(huán)境相同情況下，噴頭流量會(huì)因不同類(lèi)型噴頭結(jié)構(gòu)而不同。TR80-02型號(hào)流量小于LU120-02和AD120-02兩種型號(hào)的噴頭流量，且3種噴頭流量在10Hz頻率下，流量控制比例最大，如圖8所示。

圖7 LU120-02型噴頭流量和占空比變化關(guān)系

圖8 10Hz頻率下3種噴頭流量變化情況

由于噴頭結(jié)構(gòu)的差異，不同噴頭會(huì)對(duì)流量調(diào)節(jié)倍數(shù)產(chǎn)生不同影響。流量調(diào)節(jié)倍數(shù)ε由占空比100%時(shí)每分鐘的流量除以占空比為25%的流量求得。不同類(lèi)型的噴頭調(diào)節(jié)倍數(shù)隨頻率變化如圖9所示。由圖9可知，3種噴頭流量調(diào)節(jié)倍數(shù)均隨頻率的增大而減小。在相同頻率和測(cè)試環(huán)境下，3種類(lèi)型的噴頭流量調(diào)節(jié)倍數(shù)不同：AD120-02型噴頭調(diào)節(jié)倍數(shù)最大且均大于其他兩種類(lèi)型的噴頭，最大調(diào)節(jié)倍數(shù)為2.01倍；TR80-02類(lèi)型噴頭調(diào)節(jié)倍數(shù)最小。扇形噴頭流量調(diào)節(jié)倍數(shù)均小于李龍龍等[16]實(shí)驗(yàn)測(cè)得流量調(diào)節(jié)倍數(shù)。對(duì)于脈寬調(diào)制變量噴霧系統(tǒng)，管道長(zhǎng)度和電磁閥的反應(yīng)時(shí)間均會(huì)影響到達(dá)噴頭的壓力。由實(shí)驗(yàn)原理可知，本實(shí)驗(yàn)電磁閥反應(yīng)時(shí)間為2.5ms，大于李龍龍等[16]其使用的高頻電磁閥反應(yīng)時(shí)間，所以流量調(diào)節(jié)倍數(shù)變大。

圖9 3種噴頭流量調(diào)節(jié)倍數(shù)

3.2 霧滴粒徑分析結(jié)果

在一定頻率的控制信號(hào)下，3種不同類(lèi)型噴頭霧滴的體積中值中徑VMD和占空比x呈負(fù)相關(guān)，即霧滴粒徑隨占空比增大而減小。在占空比一定時(shí)，AD120-02和LU120-02兩種型號(hào)的噴頭呈現(xiàn)隨頻率增大而粒徑變小的趨勢(shì)；TR80-02型噴頭在高于10Hz時(shí)，受頻率影響不明顯；AD120-02和LU120-02兩種型號(hào)的噴頭在控制信號(hào)占空比達(dá)到70%之后，霧滴粒徑變化不明顯。LU120-02類(lèi)型噴頭霧滴粒徑與占空比、頻率之間的關(guān)系如圖10所示。

圖10 LU120-02型噴頭霧滴粒徑與占空比變化關(guān)系

3種不同的噴頭均在10Hz頻率下，粒徑大小隨控制信號(hào)占空比的變化最明顯。霧滴分布相對(duì)跨度(RS)表示霧滴粒徑大小的分布情況，RS越小，粒徑尺寸分布越均勻，理想為0，如圖11所示。在10Hz頻率下，3種不同類(lèi)型的噴頭相對(duì)粒徑譜寬度隨占空比變化不明顯；TR80-02霧滴分布相對(duì)跨度最小，其余兩種均大于TR80-02噴頭，TR80-02類(lèi)型噴頭的霧滴粒徑變化最穩(wěn)定。

圖11 10Hz頻率下3種噴頭RS與占空比關(guān)系

3種不同的噴頭在相同的變量噴灑系統(tǒng)作用下，因控制信號(hào)頻率的不同而表現(xiàn)出了不同的控制比例，如圖12所示。霧滴粒徑變化幅度△V為占空比為100%和占空比為25%時(shí)體積中值中徑之差，不同類(lèi)型的噴頭粒徑變化幅度隨著頻率的增大而減小。AD120-02類(lèi)型噴頭在10～30Hz粒徑變化幅度均較小，LU120-02型號(hào)噴頭和TR80-02型號(hào)噴頭分別在20～30Hz和15～30Hz時(shí)粒徑幅度變化不明顯。

圖12 3種類(lèi)型噴頭霧滴粒徑變化幅度與頻率的關(guān)系

4 結(jié)論

1)基于高頻電磁閥的 PWM 變量噴霧，在壓力和頻率一定時(shí)，3種不同類(lèi)型噴頭流量和占空比呈線性變化趨勢(shì)，線性區(qū)間隨頻率增大逐漸減小。

2)在PWM變量噴霧系統(tǒng)下，AD120-02型噴頭流量調(diào)節(jié)倍數(shù)均大于其余兩種噴頭，且AD120-02型噴頭在頻率為10Hz時(shí)達(dá)到最大調(diào)節(jié)倍數(shù)為2.01倍。

3)采用PWM變量噴霧，3種不同類(lèi)型噴頭霧滴的體積中值中徑VMD會(huì)隨頻率和占空比的增大而變小。TR80-02型噴頭在頻率15～30Hz范圍內(nèi)控制信號(hào)占空比對(duì)粒徑影響不明顯。

4)PWM變量噴霧系統(tǒng)對(duì)3種不同類(lèi)型的噴頭霧滴粒徑分布相對(duì)跨度和變化幅度影響不同，TR80-02號(hào)噴頭霧滴分布相對(duì)跨度和粒徑變化幅度均最小，即霧滴分布的穩(wěn)定性和均勻性最好。