混药器混合均匀性分析方法与在线混合变工况试验

代 祥 徐幼林 宋海潮,2 陈骏阳 况良杰 马鲁强

(1.南京林业大学机械电子工程学院， 南京 210037； 2.南京工业职业技术学院机械工程学院， 南京 210023)

0 引言

精准变量喷雾具有减少农药浪费、提高农药利用率的优点[1-2]。农药与水的混合方式分为预混式及在线混合式，前者需预先进行药水混合，存在剩余药水处理以及人工预混时接触农药的问题[3]，后者能根据需要实时配比出所需混合比的药水，有效地避免了农药浪费，保护了环境及操作人员健康，因此成为目前植保机械的研究方向[4]。而在线注入式变量喷雾主要存在变量响应延时、药水难以精确配比，以及药水混合均匀性存在差异等问题[5-6]。采用喷嘴直接注入式系统可有效降低变量响应延时，即农药直接从喷嘴前方注入载流中[7-8],使得农药传输距离最短，缩短了农药输运时间，但是该系统存在农药与载流混合不充分的缺陷。

图1 旋动射流混药器结构图Fig.1 Structure diagram of swirling jet mixer1.收缩管 2.混合管 3.分流器 4.进药管 5.扩散管 6.检测管 7.喷头

在对流体混合均匀性效果的分析评价方面，LUCK等[9]在基于吸光性测定均匀性的试验中评估了红色罗丹明颜料作为示踪剂的应用；VONDRICKA等[10]基于碘脱色反应，测定混合液的透光性，获得了在线混合每一时刻的混合均匀性，这与通过测定时间序列上农药浓度[11-12]或者比较喷雾扇面内样本间农药量[5,8]从而评估均匀性的做法有所不同。采用图像处理方法进行均匀性评估是另一种可行的方法，REALPE等[13]通过比对灰度值区分悬浮剂药水浓度，与分光度仪所取得的检测结果进行对比，发现两者误差很小；BERTHIAUX等[14]采用主成分分析(PCA)方法研究了两种不同颜色粉末的混合均匀性；MUERZA等[15]使用自相关函数对两种不同颜色粉末颗粒的静态混合效果进行了动态研究；郭敬坤等[16]使用图像增强方法获得了流体混合图像中示踪粒子的分布；XU等[17]利用流体图像处理技术研究了泵转速与系统压力对混合均匀性的影响。但目前对农药与水掺混后的均匀性分析研究仍缺乏科学的、一致认可的精确定量分析评价方法。

液态脂溶性农药与水混合后难以实现准确的边界分割，因此本文以脂溶性农药为试验对象。从研究能够描述图像中药水混合均匀性的定量分析方法着手，借助脂溶性农药与水混合后在流场中分布存在差异的特性，利用图像处理技术对混药器内的混合均匀性进行定量分析，提出均匀性评价指标，并通过均匀性分析方法验证试验对比分析所提出的评价指标正确性；然后对旋动射流混药器进行变工况(不同混合比P、不同载流流量Q)条件下脂溶性农药与水的在线混合试验，依据所提出的评价指标探寻混药器混合均匀性随P及Q变化的关系。为农药混合效果的科学评价提供有效方案，并为利用该混药器进行精确的处方施药提供有力的技术支持。

1 材料与方法

1.1 混药器、直接注入式在线混合试验系统及试验用农药

经过结构优化的脂溶性农药混药器[18]如图1所示，农药与水在入射点后的混合管内实现第1步掺混，混合管内液体流速高，雷诺数较大，湍流扩散作用较强。混合管后接扩散管，药水经过混合管流出后速度降低，为了继续增强湍流作用，扩散管外壁的导叶使液体产生切向加速度。混药器内径为13 mm，混合管直径为4 mm，混合管长度为20 mm，扩散管角度为9°。检测管为圆管，内径与混药器内径一致，管较薄，可有效减轻光线的折射现象以及图像采集失真。

试验系统包括注水、供药以及图像采集3部分，如图2所示。注水系统中水泵为PLD1206型隔膜泵，由DC12V直流电机驱动，最高压力1.0 MPa，最大流量4.0 L/min；LWGY-DN15型流量传感器由DC24V直流电源供电，流量检测范围0.04～0.2 m3/h；压力变送器(CYT101型，精度等级±0.2%F·S)压力检测范围0～10 kPa；采用流量控制阀手动对载流流量Q进行调节。供药系统中药泵为KDS-FB-24型蠕动泵，由DC24V直流电源驱动，注药流量控制器经485总线控制药泵精准调解注药量，流量范围0.005～0.55 L/min。图像采集系统包括IO Industries生产的4M180-CL型高速相机；OR-X4C0-XPF00型图像采集卡；视频记录软件为IO Industries Streams 7，紫光灯选用美国Spectroline系列B-260型双灯管手持式紫外线灯。

图2 直接注入式在线混合试验系统示意图Fig.2 Experimental system sketch of in-line injection and mixing1.水箱 2.过滤装置 3.水泵 4.安全阀 5.流量控制阀 6.压力变送器 7.涡轮流量计 8.混药器及检测管 9.紫光灯 10.高速相机 11.图像采集装置 12.喷头 13.药泵 14.注药流量控制器 15.药箱

图3 混药器在线混合图像采集及其像素分析Fig.3 Schematics for ROI acquisition and pixels analysis of ROI

为了对混合均匀性进行分析，以脂溶性农药为在线混合对象进行试验研究。脂溶性农药指的是难溶于水的油剂类农药。油剂是常用农药剂型之一，包括油剂类化学农药及油剂类生物农药，一般情况下脂溶性农药比水溶性农药的在线掺混均匀性差，但是由于其优良的作用效果，应用较为广泛[18]。为了试验操作安全，采用加入了LUYOR-6100油性荧光剂的菜籽油(粘度40 mPa·s，密度915 kg/m3)模拟脂溶性农药进行试验，荧光剂与植物油按1∶1 000预混，在紫光照射下亮度较高，高速相机能够捕捉到混合液中荧光剂的分布。试验在暗室进行，设置相机帧率为180 f/s，曝光度为4 000，图像灰度级为1 024。试验过程中紫光灯分别架设于混药器上方和下方，高速相机垂直于混药器安放并保持与混药器在同一水平，相机和混药器相对位置固定，水平距离为30 cm。混药器检测管处于成像的中央，避免出现异常光点而影响图像处理计算精度。

1.2 基于像素的混合均匀性分析方法

试验中对检测管进行图像采集，并从中截取检测区域(Region of interest,ROI)进行分析，因为要验证的是混药效果，故ROI选择在靠近混药器出口的检测管部分。ROI应尽可能涵盖混合区域，并反映混合区域的细节，因此不宜选择较小的ROI，避免由于图像失真及信息丢失导致计算不够准确。试验中根据当前相机参数及相机安装(距混药器检测管30 cm)条件下所采集的图像，沿管壁附近设定ROI边界。

图3a白色方框内为ROI,图3b为截取的ROI，该图像的像素波动情况可从图3c看出。为了获得该图像的混合均匀性定量分析数据，分别使用基于像素的变异系数 (Coefficient of variation)和面积加权均匀性指数(Area-weighted uniformity index)综合分析农药与水的混合均匀性。

1.2.1基于像素的变异系数

变异系数α一般用于衡量分布的相对偏差。将混合图像的每个像素值视作离散值，则α能够衡量像素波动的相对大小，可以描述区域内亮度值分布相对于亮度平均值的离散程度。

在混合过程中，α大说明像素亮度值相对离散程度大，即ROI中有未混合开的药团以及含药量低的区域存在，则混合均匀性较差；α小说明像素离散程度较小，亮度值分布在均值附近，即ROI内亮度差异极化不明显，则均匀性较好。α计算公式为

(1)

式中xi——ROI内各像素点像素值

n——ROI内像素个数

对时间轴上连续1 s(180幅)图像处理，取均值为计算结果。

1.2.2基于像素的面积加权均匀性指数

α值代表了ROI内植物油浓度的波动范围，但是α值不能描述特定浓度的混合液在整个ROI内的分布均匀性，因此使用面积加权均匀性指数γ来描述这一特征。面积加权法可用于流体流动均匀性的度量，面积加权平均速度能衡量区域内流体速度分布的均匀性[19]。γ计算公式为

(2)

式中φi——网格内平均浓度药液分布占比

μ——ROI内平均浓度药液分布占比

Ai——网格面积

N——划分网格数

借助Matlab图像处理工具，对ROI以5像素×5像素进行等面积网格划分，等网格面积条件下γ计算公式为

(3)

图4 网格划分及γ计算原理示意图Fig.4 Schematics of grid partition and calculation principle of γ

根据文献[13]，均值反映了图像所代表的混合液的平均浓度大小，因此以混合液的亮度均值μ作为混合液中平均浓度混合液的特征值，试验条件下样本将选择μ±0.02(0.02的确定与本试验条件下预混合液图像的计算相关，使得预混合图像计算γ值接近100%)计算该特征值对应像素在ROI内分布的γ值。从而获得平均浓度混合液在ROI内的分布均匀性。对时间轴上连续1 s(180幅)图像处理，取均值为计算结果。

1.3 均匀性分析方法验证试验设计

试验前需对采集到的管内混合图像进行标定，用不同混合比P条件下均匀的混合液作为参照，与不均匀的混合液以及极不均匀的静置分层现象作对比，检验α和γ两种均匀性分析方法的准确性并标定混合均匀性范围。均匀性分析方法验证试验中检测管安装方式如图5所示，不安装混药器，检测管与三通直接相连。

图5 验证试验检测管安装方式Fig.5 Detection tube installation in verification experiments1.进水口 2.进药口 3.三通管 4.检测管 5.溶液出口

(1)均匀混合液图像采集：人工将药液与载流(清水)分别以1∶100、3∶100、5∶100、7∶100、9∶100的比例置于水箱中进行预混合，由水泵将混合液泵送至检测管，泵送过程中保持强力搅拌确保混合液均匀，进行图像采集。

(2)不均匀混合图像采集：进行不安装混药器条件下的在线混合，农药从三通管的下部进药口注入载流之中。控制Q=2 400 mL/min，P同上，采集混合图像。

(3)极不均匀混合图像采集：采取注药后静置的方式，待药水分层后采集极不均匀的混合图像。

1.4 变工况试验设计及试验参数设置

安装旋动射流混药器进行变工况试验，混药器及检测管安装方式如图6所示。

大二线性代数老师张智对“学数学有什么用？”的一番阐述，则让我记忆深刻。张老师开始宏大的开场白：“数学是一切哲学性、理论性思考与演绎的基础。数学给予人们的不仅是知识，更重要的是能力，这种能力包括观察实验、收集信息、归纳类比、直觉判断、逻辑推理……这些能力的培养，将使人终身受益！”在他的描述之下，数学不仅是科学、是哲学、是工具、是艺术，还是真与美的画卷。

图6 变工况试验混药器及检测管安装方式Fig.6 Swirling jet mixer and detection tube installation under variable working conditions experiments1.进水口 2.进药口 3.混药器 4.检测管 5.溶液出口

图7 均匀性分析方法验证试验结果(ROI图像)Fig.7 Comparative results of verification experiments by uniformity analysis methods

变工况试验参数包括不同的混合比P，以及不同的载流流量Q，调整这两个参数即可以满足在线喷雾需要。在草甘膦用于大豆病虫害防治中，常见的药水混合比P范围一般为1∶10到1∶107之间[11]，试验中混合比指的是体积流量比。载流流量Q参考实际喷雾作业中单喷头流量选取[20]，并结合试验系统水泵特性，流量范围限定在2 400 mL/min以内，设定较小的载流流量Q以适应未来精量喷雾的发展趋势。本试验仅研究混合均匀性，在安装MDCO1/4BSPT型喷头的条件下喷雾压力在0.3 MPa以内，低于常见喷雾系统的实际工作压力。变工况试验安排如表1所示。

2 结果与讨论

2.1 均匀性分析方法验证

人工预混均匀混合液图像计算结果如图7a～7e所示。不同混合比P下各ROI图像均显示出极高的混合质量，图像几乎无亮度差异。预混液的α值计算结果均小于0.1，说明ROI内不存在大浓度差异性，药团被分散。而以μ±0.02计算所得的γ值基本在99%～100%之间，各混合比P下的图像各小网格内所含有浓度均值附近农药的量几乎没有差异。预混合溶液混合均匀极佳。

表1 变工况试验安排Tab.1 Parameters arrangements under variable working conditions experiments

不均匀混合液图像对比结果如图7f～7j所示。图中可见大部分农药仍集中在检测管内的一部分区域，且连续图像显示农药呈团状不连续分布。根据图像计算所得的α在0.39～0.51之间，表明ROI内有较亮的药团以及含药量较低的水存在。γ集中在50%～75%之间，明显小于预混合试验结果。农药没有分布在整个ROI内，药水混合效果很差。

静置分层试验检测管内图像如图7k所示。农药受浮力作用与水分层并集中在检测管上部。计算所得α为0.644 7，远大于预混合及无混药器注入试验结果。γ为23.25%，远小于极均匀混合图像及不均匀混合图像计算结果，静置分层导致混合极不均匀。

综上所述，所提出的基于α以及γ的图像均匀性分析方法能够准确识别均匀程度明显不同的混合溶液，越均匀的混合液则γ越大，α越小。依据该分析方法可以对混合均匀性进行判别，较均匀的混合液计算所得α及γ应在所标定的均匀混合液及不均匀混合液计算平均值之间。

2.2 不同载流流量混合均匀性分析

载流流量Q不同意味着实际喷雾中单喷头水流量不同。不同载流流量Q条件下的试验结果如图8所示。

图8 载流流量对混合均匀性的影响Fig.8 Impact of carrier flow rates on mixing uniformity

随着Q的增加，不同混合比P对应的平均α从800 mL/min时对应的0.226 0逐渐减小到2 400 mL/min时的0.125 0，混合均匀性指数γ逐渐从76.50%增大到85.80%。Q为2 400 mL/min时对应的混合均匀性最高，ROI内图像像素值波动范围较小，亮度值分布趋于集中，平均浓度的混合液在ROI内的分布均匀性较高。其混合均匀性接近预混合时的均匀性,表明增加Q可以减小ROI内浓度值的波动范围，并提高药水混合均匀性，分析知这是因为流量增大导致水的紊流效应增强，从而使得脂溶性药团更加容易被击碎分散。

Q在800～1 600 mL/min之间时，α仅减小0.023 0，γ仅增加约4%，变化不明显。Q从1 600 mL/min提高到2 000 mL/min时，α从0.202 0下降至0.159 0，γ从80.40%增加至85%，均匀性存在相对明显的提升。P为10∶100时不同载流流量Q对应的ROI图像如图9所示，Q为800～1 600 mL/min时均存在未散开的药团，在Q提升至2 000 mL/min时，药团消失，混合变得较为均匀。

图9 P为10∶100时不同载流流量对应的ROI图像Fig.9 Mixing images in ROI under conditions of different flow rates with a settled mixing ratio of 10∶100

2.3 不同混合比混合均匀性分析

混合比P不同意味着实际混合的药水浓度不同。不同混合比P条件下的试验结果如图10所示。

图10 混合比对混合均匀性的影响Fig.10 Impact of mixing ratios on mixing uniformity

随着混合比P的减小，不同载流流量Q对应的平均α均逐渐增大，平均γ均逐渐减小。这表明较高混合比P有助于减小因药液难以分散所带来的浓度值的差异性，并增加了混合管内药液在各检测区域各部分分布的均匀性。P为10∶100时，不同载流流量Q的平均α可降至0.15以下，平均γ可提升至85%，各载流流量Q下混合均匀性均达到最高。

载流流量Q为2 000 mL/min时不同混合比P对应混合图像如图11所示。在较高的混合比P下，检测区域整体亮度较高，且无明显的药团出现，接近均匀混合液标定结果。而当混合比P较低时，如P为1∶100时，虽仍会偶尔出现未散开的药团，但是整体混合图像仍较为均匀，均匀性基本达标。

图11 Q=2 000 mL/min时不同混合比对应的ROI图像Fig.11 Mixing images in ROI under conditions of different mixing ratios with a settled carrier flow rate of 2 000 mL/min

2.4 工况条件优选

不同载流流量Q、混合比P条件下，α以及γ如图12所示。对α与γ所求得的相关系数R=-0.938 8，说明对于ROI所求的α与γ之间存在高度的负线性相关性，即较大的α值往往对应着较低的γ值，当ROI内浓度波动减小时，农药在整个区域内的分布也更为平均，这与实际混合规律一致。

图12 工况条件优选Fig.12 Working conditions preferences

根据图12分析，当Q从1 600 mL/min提升至2 000 mL/min时，不同混合比P下α平均值有较明显下降，γ平均值有较明显上升，均匀性有较明显提高。当Q=2 000 mL/min，P为1∶100时，实际混合图像(图11a)有较少几率会出现较浓的药团。该工况下计算所得γ为80.39%，α为0.223 9，说明虽然ROI内仍会出现少许未散开的药团，但是混合液在整个ROI内仍具有相当的分布均匀性，与实际混合效果相符。这种偶尔出现较浓药团的情形在实际应用中，可以进一步采取往脂溶性药剂中加入助剂促进药水亲和等措施，再辅以喷头的雾化混合效果，解决农药有效成分在喷雾区域上的分布差异性问题。因此，选择Q=2 000 mL/min，P为1∶100的均匀性计算结果作为判断混合液是否均匀的阈值，如图12中横线所示。按照α及γ分别筛选的结果在低载流流量Q时稍有不同，需要结合实际混合图像再行判断。

结合实际混合图像，在应用旋动射流式混药器混合脂溶性农药时，当Q≥2 000 mL/min时，低混合比下会偶尔出现难以分散的药团，因此可基本满足P大于等于1∶100的在线均匀混合；Q=800 mL/min时，未分散药团时刻存在，因此Q≤800 mL/min时基本无法均匀混合脂溶性农药；Q在800～2 000 mL/min时，较高混合比P条件下药团出现几率较少，能够完成药水的均匀混合。因此在实际应用该混药器进行脂溶性农药在线混合喷施时应尽量避免较低的载流流量Q，防止药水混合不均匀，尤其在混合比P较低的情况下。实际应用该混药器进行喷雾时需保证载流流量Q≥2 000 mL/min。

3 结论

(1)根据均匀性分析方法验证试验，所提出的基于像素α(变异系数)以及γ(面积加权均匀性指数)的均匀性分析方法能够有效描述农药的在线混合均匀性。α越小，γ越大，则混合越均匀。

(2)添加混药器能够有效提高脂溶性农药与水的在线掺混。旋动射流混药器的混合效果随载流流量Q的增大及混合比P的增大而提高，Q=2 400 mL/min时，较高混合比P条件下的混合效果接近预混合效果；载流流量Q≥2 000 mL/min时，不同混合比P工况下，仍具有较高的γ及较低的α，P为1∶100时较少出现未散开的药团，基本满足均匀性要求。

(3)以Q=2 000 mL/min、P=1∶100条件下计算的均匀性值对全部工况进行筛选,结果表明：Q≤800 mL/min时，旋动射流混药器基本无法完成脂溶性农药与水的均匀掺混；800 mL/min