农药喷雾作业中在线混药技术及展望

李 致，宋淑然,2,3,4,5，洪添胜，孙道宗,3,4,5，薛秀云,4,5，代秋芳,4,5

(1.华南农业大学 a.电子工程学院；b.工程学院，广州 510642；2.国家柑橘产业技术体系机械研究室，广州 510642；3.广东省农情信息监测工程技术研究中心，广州 510642；4.广东省山地果园机械创新工程技术研究中心，广州 510642；5.广州市农情信息获取与应用重点实验室，广州 510642)

农药喷雾作业中在线混药技术及展望

李 致1a，宋淑然1a,2,3,4,5，洪添胜1b，2,3,4，孙道宗1a,3,4,5，薛秀云1a,4,5，代秋芳1a,4,5

(1.华南农业大学 a.电子工程学院；b.工程学院，广州 510642；2.国家柑橘产业技术体系机械研究室，广州 510642；3.广东省农情信息监测工程技术研究中心，广州 510642；4.广东省山地果园机械创新工程技术研究中心，广州 510642；5.广州市农情信息获取与应用重点实验室，广州 510642)

在线混药是安全、可靠、高效使用农药和消除农药残留对环境污染的有效途径。为此，回顾和整理了国内外关于在线混药技术研究的成果与相关文献，总结了在线混药技术的研究视角、研究方法和最新进展。总体而言，国外对在线混药技术的研究较早，主要体现在农药直接注入系统的应用和成熟的混药浓度检测方法等方面；国内对在线混药技术的研究虽已取得一些成果，但在生产应用中还具有一定的局限性，存在混药比过大且不稳定、混药浓度检测方法不成熟等诸多问题。根据国内外在线混药技术的发展情况，指出该技术在我国山地果园管道喷雾中的应用存在空白，为在线混药技术在山地果园管道喷雾的进一步研究提供理论和技术支持。

在线混药；农药；管道喷雾；在线检测

0 引言

目前，我国大部分地区植保机械进行喷药作业时仍使用传统的混药方式—预混式混药。这种混药方式混药时需先由操作人员将农药和水按一定比例倒入药箱中，再进行搅拌，使农药和水充分混合，以供喷雾时使用。该混药方式存在诸多弊端：①操作人员在配制药液的过程中可能会接触农药，发生农药中毒；②用于喷雾的柱塞泵和药液箱直接与农药接触，而农药本身具有腐蚀性，泵和药箱的材质都必须耐腐蚀，导致生产成本增加；③药箱中已混好但未用完的农药造成资源浪费，且药液处理不好还会污染环境。

预混式混药方式因其弊端众多不能满足农业可持续发展的要求,而在线混药方式将药箱和水箱分开，利用喷雾机管道系统内部水流或喷雾机管道外部能源完成农药和水在线混合,实现农药的标准化、专业化、精确化施用，且以环保和操纵者安全为核心，符合农业可持续发展的要求。因此，对在线混药方式进行研究，是安全、可靠、高效使用农药并消除农药残留对环境污染的重要措施，研究并提高在线混药技术，对农业植保机械及设施的换代升级具有重要意义。

1 国外在线混药的研究现状

早在1970年,Amsden通过研究首次提出了农药在线混合技术[1]，揭开了在线混药研究的序幕。

1.1 农药直接注入系统的研究

欧美等发达国家植保机械以中、大型喷雾机为主,大多采用外加能源式的农药直接注入系统完成在线混药,这种混药方式是利用喷雾机管道系统外部能源完成农药的精确计量及药、水在管道中的混合。

1991年，压缩空气式农药直接注入系统在Ghate和Phatak的努力下问世，如图1所示。该混药装置由水箱、药箱、两个变面积流量计和一个压缩空气罐组成。喷雾作业时，操作者根据机械设备的行驶速度分别对药箱和水箱内的空气压力进行调节；在箱内压缩空气的作用下，水和药液分别从箱中流出，变面积流量计用来测量水和农药的流量，直到满足浓度要求时停止调压过程，实现农药和水在线混合[2]。

20世纪80年代中期，美国研制出的Mid-West Technology CCI-2000型变容积泵直接注入系统具有独立的药箱和水箱，该系统的蠕动泵将药箱内的农药定量抽取进入主水管道与水箱来的水混合；药液由喷雾泵输入喷雾主管，控制阀根据机械设备的行驶速度自动调节施药剂量，止回阀确保药液不进入水箱中[3]。

1.调节阀 2.压力表 3.阀体 4.压力开关 5.空气压缩机 6.止回阀 7.电磁阀 8.过滤器 9.球阀 10.流量计 11.喷头图1 压缩空气式混药装置Fig.1 Mixing device of compressed air type

通过将流量控制技术与农药直接注入技术相结合，Koo等研制出跟随喷雾机前进速度快慢实时调节药液和水流量的农药直接注入系统，保持了混药浓度和单位面积上用药的恒定[4]。

随着农药直接注入技术的研究发展，Slaughter等将农药直接注入系统应用于侧向除草剂喷雾机中，并实现了精确对靶施药的功能[5]。Steward等对Raven SCS-700农药直接注入系统进行控制子系统数学模型研究，并对流量与阀门的有关参数进行分析，确定了阀门调节的响应性与稳定性，更好地提高了混药性能与混药精确性[6]。Gillis等开展基于机器视觉的农药喷雾机农药直接注入系统研究，并取得初步研究成果[7]。这些研究成果促进了农药直接注入技术的发展，同时也推动了在线混药技术的不断发展。

1.2 其他在线混药装置的研究

Reichard和Ladd研制试验用的在线混药喷雾机，只能通过调节计量泵得到合适的农药量与水混合，并不能根据随进的速度变化而做出相应调整[8]。

通过对静态混药器的研究，以Albert Renken为首的团队找到了由于混合单元摆放位置周期性变化引起混药器内部流体流动周期性变化的原因，为促进无序混合的发生提供了条件[9]。为证明静态混药器能够增强传输介质性能的功能，Rui Ruivo通过测量不同温度、压力等参数下的质量传递速率对Kenics静态混药器高压下内部流体特性的影响，得到质量的传递率和无量纲参数的函数关系式[10]。Hirschberg等通过改进SMX静态混药器，使得流体在混药器中流动时由于能量损失而引起的压力下降减少了50%，并利用CFD方法得到改进后混合器的压力场、停留时间分布以及混合效果等信息[11]。这些研究成果为在线混药装置的研究提供了有力的理论依据。

Riffat等通过采用三维不可压缩模型预测射流混合器的流动性能[12]。Hloben等将射流混药装置应用在在线混药喷雾系统中，并研究结构参数不同的射流混药器的工作状态对混药均匀性的影响[13]；Sarvanan等通过流体动力学分析不同喷嘴直径、喷射位置等参数对射流混药器工作性能的影响，得出喷嘴直径大小对射流混药器流体动力学性能重要影响的结论[14]。这些理研究结论都将为后续改进射流混药装置性能提供理论基础。

1.3 混药浓度检测方面的研究

混药浓度是在线混药装置关键的技术指标之一,吸引了国外众多专家学者对混药浓度检测方面进行研究,以更好了解混药状况,提高混药精确性。采用微孔流量计，Miller等测量了一种混药装置混药质量浓度变化情况[15]；但这种方法是通过精确配比得到混药质量浓度，并没有给出混药浓度的测量值。

Zhu等首先在雾场中等间隔放置取样容器以用来收集雾滴，再通过计量泵控制与水混合的药液量，最后根据化学计量法得到取样容器中精确的药液量[16]；但该方法只能检测混药后溶液的质量浓度，并不能实现在线检测的功能。

最先将体积平均信号处理方法应用在在线混药浓度检测中的Hloben研制出了检测在线混药过程中平均浓度变化的光纤光度传感器，并由Vondricka对他研制的光纤光度传感器结构进行改进，使传感器嵌入混药器结构中，实现了在线检测混药浓度的功能[17]。通过调整光源到光学测量装置的距离，Fetisov等设计了一种光路可变式混药浓度检测装置，实现了混药浓度的检测[18]。Koller等使用红外光谱法对农药颗粒流的混合过程进行检测，但只给出体积浓度，并不能准确表征混药浓度[19]。通过这些方式可让操作者清楚了解混药浓度是否达到要求，以便做进一步的调整。

2 国内在线混药的研究现状

2.1 在线混药理论及控制系统的研究

在线混药理论及控制系统的研究在在线混药研究领域具有重要地位，可以给在线混药装置的研究指明正确的方向及提供有力的理论依据。

郭敬坤等通过在农药中加入示踪粒子，并利用高速摄像机采集喷雾机农药与水在线混合后的图像来对喷雾机农药与水在线混药效果进行研究[20]。李晋阳等通过建立流过调节阀的流量与阀前后压差、流体密度及阀开度这3个变量的关系表达式，设计了利用流量计和调节阀对在线混药效果进行检测的在线混药装置[21]。这些方法通过对在线混药效果进行监控，使得操作人员能清楚了解到混药效果，以便进一步提高混药性能。

针对3WY-A3手推式喷雾机，张文昭和刘志壮设计了一种实时混药式变量喷雾控制系统，如图2所示。同时，利用该系统进行改变混药比和改变喷雾量的试验，结果表明：该系统药流量的控制范围为0.1～0.9mL/s，控制误差在±5%左右[22]。

1.水箱 2.水流量计 3.药箱 4.电控喷嘴 5.药流量计 6.混合室 7.柱塞泵 8.回流管 9.开关电磁阀 10.喷头图2 实时混药式变量喷雾控制系统Fig.2 Real time mixed drug variable spray control system

对背负式喷雾机农药药水在线混合方法研究方面，周凤芳首先提出了一种适用于背负式喷雾机的在线混合机理，然后建立了非等密度体系下射流混药装置基本性能方程，并对其性能影响因素进行分析，得出喷嘴直径、混合管直径和喷头大径是影响射流混药装置基本性能最主要因素的结论[23]。

倪涛提出一种农药在线混合可变量精确喷雾混药控制系统的设计方案，并建立以PLC为核心的人机交互在线混药控制系统，试验结果表明：系统具有数据采集方便准确和流量控制精准等优点[24]。

通过对植保机械在线混合质量评价体系进行研究，魏仕华等提出混合度的理论与测定方法，同时对植保机械在线混药用的混药器和射流混药系统等进行研究评估，为提高在线混药装置混药性能提供了评价方法[25]。

2.2 射流混药装置的研究

射流混药装置是一种不需要外部能源，结构紧凑、操作方便、成本低廉的混药装置，比较适合我国的国情，因此近年来在我国植保机械在线混药方面逐渐被使用。这种混药装置利用动量交换的能量传递方式，通过喷雾机管道系统的水力完成农药与水的在线混合。

李羊林等通过改变主辅射流嘴出口直径和嘴管距对双极射流装置进行试验研究，揭示了射流混药装置各参数对压力损失和混药比的影响[26]，但并未给出双极射流混药装置的合理数学模型。

对射流混药装置多年研究的何培杰等设计了一种利用喷雾机管道系统内水力完成水和农药的在线混合的射流混药装置，如图3所示。但其具有混药比大且不稳定及不能达到最佳喷雾压力的缺点[27]。

1.射流嘴 2.吸入室 3.吸药口 4.混合管进口 5.混合管 6.扩散管图3 射流混药装置Fig.3 Jet mixing apparatus

邱白晶等通过CFD数值模拟方法研究面积比、喷嘴倾角等参数对射流混药装置流动性能的影响和面积比对混药均匀性的影响[28]。周良富等通过CFD数值模拟方法并结合试验确定了射流混药装置最佳面积比和最佳喷管距范围[29]。欧鸣雄等采用CFD数值分析方法研究射流混药装置在变工况下的流场特性，研究结果表明：数值模型可以较准确地预测混药比随出口静压的变化情况，得到混药比随出口静压的增大而线性降低的结论[30]。这些研究成果凸显了CFD数值模拟方法在射流混药装置分析与研制中的重要作用，对今后射流混药装置研制具有指导意义。

为解决射流混药装置存在的混药比可调范围窄、控制精度低的问题，实现射流混药的精确、智能控制，陈志刚等以LabVIEW为开发环境，设计了在线射流混药控制系统，并通过对在线射流混药控制系统进行设置，可获得适合的混药比值，显著增加混药比调节宽度，对提高射流混药装置混药浓度精确性有重要作用[31]。

2.3 其他在线混药装置的研究

射流混药装置的应用符合我国国情，受到众多专家学者的关注。与此同时，有关学者也开展了其他形式的在线混药装置的研究。

通过对MX静态混药器流场进行数值模拟与试验研究，赵建华等得到对称面上速度分布情况[32]。张鸿雁等利用大涡模拟研究内置翼片式静态混药器混合效果，得到当纵向偏转角度和翼片间距等参数相同时，长翼片类型的静态混药器混合效果好的结论[33]。孟辉波等建立了SK型静态混药器内高粘度流体的流动改进模型，得到SK静态混药器内高粘度流体径向流动存在混沌特性的结论[34]。这些研究成果不断推动着静态混药器的发展。

吴萍等设计了正压式混药装置主要由突缩管、挤压装置、混合管和挤压室组成，如图4所示。工作时，水一路经过突缩管流入混合管，由于突缩管通径较小，水流速度较快，水流压力较小；另一路经过分流孔流入挤压室，对承载农药的装置产生一定压力，挤压室与混合管之间产生一定的压力差，使得药液被吸入混合管与水混合，实现农药与水的在线混合[35]。

1.吸入室 2.分流孔 3.突缩管 4.吸管 5.混合室 6.挤压室图4 正压式混药装置Fig.4 Positive pressure mixing apparatus

以何雄奎教授为首的团队将直接注入系统与静态混药器相结合，并把不同农药剂型、不同黏度溶液的混合均匀度与传统混药装置进行对比，发现由于流体在流经静态混药器时受到其内部扭曲型叶片的作用，产生分流、合流、旋转能达到较好的混合效果[36]。

杨洲等为提高果园轻型喷雾机作业性能，设计了一种果园在线混药型静电喷雾机，通过混药均匀性和稳定性试验说明了该装置具有良好的混药性能[37]。该研究成果为在线混药装置在果园喷雾机上的应用提供了重要的参考。

2.4 混药浓度检测方面的研究

混合效果的好坏与混药浓度的精确性紧密相关，因此对混药浓度的检测是很有必要的，可以让技术人员清晰地了解到混药装置的混合效果，便于进一步操作。为解决现有混药浓度检测方法的取样弊端，潘玉凯等采用透射率法来实现对混药浓度实时检测，试验证明，该方法混药浓度实时检测可靠，稳定性高[38]。

董晓娅等利用吸光度与吸光物质厚度成正比的朗伯比尔定律设计了混药浓度在线检测装置，并将该装置用于对3组混药浓度进行检测，试验证明：该装置可靠，稳定性高[39]。

杨亚飞等根据不同浓度溶液透光率不同的原理设计了一种在线混药浓度检测装置，如图5所示。同时，进行混药浓度在线检测装置性能试验，结果表明：该装置能够较好地实现混药浓度在线检测[40]。

1.柱塞泵 2.混药器 3线性CCD传感器 4.检测流道 5.平行光源 6.药桶 7.水桶图5 在线混药浓度检测装置Fig.5 Online drug mixing concentration detection device

3 存在的问题及研究方向

国内在在线混药领域虽然已经取得了一些不错的研究成果，但相较于国外的研究水平还存在诸多不足，从文献中可以看出，国内在在线混药领域的研究还存在以下问题：①目前国内使用的射流混药装置虽然成本低廉，但却存在混药比过大且不稳定及压力损失较大等缺点，不能如国外农药直接注入系统可以保持农药用药量稳定恒定。②国内在线混药浓度检测的研究主要集中在最近这5年，各方面的技术还不够成熟，特别是对混药浓度检测精度还需要进一步提高。③国外的农药直接注入系统和国内的射流混药装置等在线混药装置主要都是应用在中、大型移动式植保机械设备上的，应用具有局限性。

在山地果园，大型移动式植保机械无法开展喷雾作业，采用管道喷雾可大大提高喷雾效率，由宋淑然等研制的基于自整定模糊PID控制的管道恒压喷雾控制系统能够有效解决管道喷雾时压力不均的问题，逐渐在国内部分地区试点运行，并得到不错的反响[41]。但是，管道喷雾作业结束时在管道内仍会残留药液，目前的一般方法是利用清水对管道进行清洗，这种方法既容易造成农药浪费，又容易污染环境。因此，在管道上运用在线混药技术势在必行，以弥补中、大型植保机械设备无法进入山地进行喷雾作业的弊端。但管道在线混药技术研究基本是一片空白，因此发展管道在线混药技术研究对提高我国山地农业发展水平具有重要意义。

4 措施和对策

1)采用CFD数值模拟等方法对射流混药装置的流场特性进行研究，并通过试验找出造成射流混药装置混药比过大且压损大的原因，通过改进射流混药装置内部的结构来提高射流混药装置的稳定性。

2)在线混药浓度检测方面的研究应多借鉴国外已经成熟的浓度检测方面的技术，并改进我国现有的混药浓度检测方法，提高混药浓度检测的精确性。

3)借鉴国内外现有的在线混药技术手段，并组织专家学者开展管道在线混药技术的研究，争取早日实现管道在线混药，降低劳动强度，提高施药安全性与精确性。

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Online Drug Mixing Technology and Prospect in Pesticide Spraying

Li Zhi1a, Song Shuran1a,2,3,4,5, Hong Tiansheng1b,2,3,4, Sun Daozong1a,3,4,5,Xue Xiuyun1a,4,5, Dai Qiufang1a,4,5

(1.a.College of Electronic Engineering；b.College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China；2.Division of Citrus Machinery, China Agriculture Research System，Guangzhou 510642,China；3.Guangdong Engineering Research Center for Monitoring Agricultural Information, Guangzhou 510642, China；4.Guangdong Engineering Technology Research Center for Creative Hilly Orchard Machinery，Guangzhou 510642, China；5.Key Laboratory of Information Acquisition and Application in Agriculture, Guangzhou Science Technology and Innovation Commission, Guangzhou 510642, China)

Online drug mixing mode is a safe, reliable and efficient mode to use of pesticides. It’s the key of eliminating the effect of pesticides residues on environmental pollution. This paper reviews and summarizes the domestic and international literature about online drug mixing technology.It also summarizes the research perspective, research methods and the latest development of online drug mixing technology.In general, the research on online drug mixing technology in foreign is earlier.Mainly embodied in the application of direct injection system of pesticides and mature mixed concentration detection methods and so on.Although some achievements have been made in the research on online drug mixing technology in China, there are still some limitations in the application of the production. There are still have many problems such as mixing ratio is too large and unstable and the detection method is not mature.According to the domestic and international development on online drug mixing technology, this paper pointed out that the blank of applying this technology on pipeline spraying in mountains region in our country.This paper also provide theoretical and technical support for the further research of the online drug mixing technology on pipeline spraying in mountains region.

online drug mixing technology; pesticides; pipeline spraying; online detection

2016-10-19

广东省科技计划项目(2015B090901031)；广州市科技计划项目(201607010362)；国家自然科学基金项目(31671591)；现代农业产业技术体系建设专项(CARS-27)；“扬帆计划”引进创新创业团队专项(201312G06)；广东省农业厅农业资源区划研究项目(2015)

李 致(1992-)，男，广州人，硕士研究生，(E-mail)lizgd@163.com。

宋淑然(1965-)，女，河北安国人，教授，硕士生导师，(E-mail)songshuran@scau.edu.cn。

S499

A

1003-188X(2018)01-0001-06