電磁閥異步啟閉的PWM噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

袁常健,張?zhí)m婷,韓 虎,何雄奎,劉亞佳

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院,北京 100093)

0 引言

隨著人們對食品安全和農(nóng)藥污染的逐漸重視,如何按需施藥、提高農(nóng)藥利用率成為植保領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),而精準(zhǔn)變量施藥技術(shù)是實(shí)現(xiàn)按需施藥的有力保證,流量調(diào)節(jié)是控制精準(zhǔn)變量施藥的重要環(huán)節(jié)[1-3]。目前,國內(nèi)外流量調(diào)節(jié)控制方式包括濃度式調(diào)節(jié)[4-5]、壓力式調(diào)節(jié)[6-7]及PWM(Pulse Width Modulation,脈寬調(diào)制)式變量調(diào)節(jié)[8]。其中,PWM變量噴霧調(diào)節(jié)技術(shù)流量調(diào)節(jié)范圍大、響應(yīng)速度較快、噴霧面不易畸變,相比其他兩者能有效改善濃度式調(diào)節(jié)延遲高、壓力不穩(wěn)及霧化畸形等問題[9-12]。為此,PWM在變量施藥技術(shù)上的應(yīng)用受到越來越多研究人員的關(guān)注。

PWM變量噴霧技術(shù)利用特定頻率的電子信號控制電磁閥的開閉,調(diào)節(jié)噴頭在1個(gè)周期內(nèi)的開閉時(shí)間比(占空比)來調(diào)節(jié)流量,實(shí)現(xiàn)噴量控制。當(dāng)前,針對PWM變量噴霧特性,國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者開展了諸多研究。Tian等[13]、Lebeau[14]探究不同控制信號條件下PWM變量動態(tài)噴霧霧量分布,同時(shí)建立了霧量分布模型。蔣煥煜[15-16]等人發(fā)現(xiàn):隨著PWM頻率和占空比的增大,霧滴沉積分布變異系數(shù)減小。Butts[17-18]等人研究不同噴頭類型、占空比對噴頭噴孔處壓力的影響,發(fā)現(xiàn)文丘里噴頭不適用PWM系統(tǒng),電磁閥脈沖調(diào)控會造成噴頭壓力損失,建議在占空比40%以上、壓力276kPa以上條件下工作。Han S[19]等人構(gòu)建了一套PWM變量噴霧系統(tǒng),發(fā)現(xiàn)電磁閥脈沖啟閉會引起管路的壓力波動,造成流量調(diào)節(jié)出現(xiàn)12%～15%的控制誤差。于達(dá)志等[20]對PWM間歇噴霧流量調(diào)節(jié)式變量噴施系統(tǒng)的管路壓力脈動和液壓沖擊進(jìn)行測試分析,發(fā)現(xiàn)隨著頻率的增大,周期逐漸變小,壓力脈動與液壓沖擊綜合作用逐漸趨于諧振形式。目前,圍繞PWM變量噴霧特性相關(guān)研究多集中于不同PWM工況對單噴頭噴霧特性的影響,而對多噴頭噴霧特性研究未見報(bào)道。

多噴頭PWM變量噴霧時(shí),多個(gè)電磁閥的快速啟閉會在管路中形成更大的液壓沖擊,而噴頭的噴霧流量和霧化特性對噴霧壓力比較敏感,致使噴霧流量精度受到較大影響。為此,研發(fā)了一種電磁閥異步開閉的多噴頭PWM噴霧系統(tǒng),并探究這種噴霧模式在不同PWM信號頻率及占空比下系統(tǒng)管路壓力脈動情況;同時(shí),對比該噴霧方式與常規(guī)連續(xù)噴霧的沉積分布均勻性差異,以便為PWM變量噴霧系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定控制、多噴頭噴霧特性的深入研究和應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 動態(tài)PWM變量噴霧平臺設(shè)計(jì)

PWM變量噴霧系統(tǒng)主要由藥箱、隔膜泵、穩(wěn)壓罐、PWM控制器、電磁閥、壓力表等組成,如圖1所示。利用計(jì)算機(jī)與PWM控制器通訊并發(fā)送信號,經(jīng)控制器內(nèi)的STM32F103單片機(jī)將電信號傳輸給電磁閥驅(qū)動器,電磁閥在驅(qū)動器控制下及時(shí)動作,實(shí)現(xiàn)電磁閥同步和異步啟閉。其中,隔膜泵(AR 20.8 DFL型號,意大利AnnoviReverberi公司)排量為20.8L/min,揚(yáng)程2.5m,最大工作壓力0.4MPa;電磁閥選用常閉式電磁閥(115880-1-12型號,美國TeeJet公司),工作電壓12V,最大工作壓力0.6MPa,工作頻率范圍0～20Hz;數(shù)顯壓力表(杭州聯(lián)測有限公司)測壓范圍0～1.6MPa,精度±0.5%;壓力傳感器選用CYR-101型壓力變送器(北京天宇恒創(chuàng)有限公司),測壓量程0～1.5MPa,檢測精度±0.2%FS,響應(yīng)頻率1kHz;管路全部采用PVC管連接。

1.藥箱 2.過濾器 3.電動隔膜泵 4.比例調(diào)壓閥 5.穩(wěn)壓罐 6.數(shù)顯壓力表 7.壓力傳感器 8.數(shù)據(jù)采集卡 9.計(jì)算機(jī) 10.PWM控制器 11.電磁閥 12.噴頭圖1 PWM變量噴霧系統(tǒng)Fig.1 PWM variable spray system

為實(shí)現(xiàn)動態(tài)噴霧,將變量噴霧系統(tǒng)搭載在1臺最高時(shí)速可達(dá)2m/s的無級調(diào)速底盤上,構(gòu)建成可移動PWM變量噴霧平臺。計(jì)算機(jī)發(fā)送速度控制指令,經(jīng)PWM控制器內(nèi)的單片機(jī)通過CAN總線將指令傳輸至底盤,驅(qū)動底盤按照指定速度行駛,實(shí)現(xiàn)動態(tài)前進(jìn)PWM噴霧。無級調(diào)速PWM變量噴霧平臺如圖2所示。

圖2 無級調(diào)速PWM變量噴霧平臺Fig.2 Stepless speed regulation platform with PWM variable spray system

噴霧平臺用12VDC、72Ah的三元鋰電池(深圳市德力普電池科技有限公司)供電,單側(cè)噴桿長度為1.5m,搭載5個(gè)具有獨(dú)立電磁閥的PWM變量噴頭,噴頭的間距為25cm,每個(gè)噴頭均由PWM控制器獨(dú)立控制。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 流量測量

為對比PWM變量噴霧方式與常規(guī)連續(xù)噴霧方式的沉積分布特性差異,需對PWM變量噴霧進(jìn)行流量標(biāo)定。已有研究表明:PWM變量噴霧與占空比信號存在線性關(guān)系且相關(guān)系數(shù)良好[12],但由于電磁閥結(jié)構(gòu)與性能不同,每種電磁閥的響應(yīng)范圍和流量調(diào)節(jié)范圍有所差異。為了解TeeJet電磁閥PWM變量噴霧的流量特性,選ST01、ST03噴頭(德國LECHLER公司),在不同頻率和占空比條件下測量單噴頭流量,噴霧液為清水。PWM頻率(f)設(shè)置為4、8、16、20Hz,占空比(d)設(shè)置為20%、30%、50%、80%、100%,設(shè)定噴霧壓力為0.3MPa,電子秤(精度0.1g)稱重法測量噴頭30s內(nèi)的噴霧質(zhì)量,計(jì)算出噴頭流量(L/min)。每個(gè)頻率和占空比條件設(shè)置重復(fù)5次,噴頭流量取5次重復(fù)平均值。

1.2.2 管路壓力波動測量

利用USB3202H數(shù)據(jù)采集卡(北京阿爾泰科技發(fā)展有限公司),對電磁閥前壓力傳感器進(jìn)行壓力數(shù)據(jù)采集。噴頭選取ST03,噴霧液為自來水,使用有限點(diǎn)采樣模式、電平上升沿觸發(fā),采樣頻率2kHz,采樣點(diǎn)數(shù)4000個(gè)點(diǎn),采樣時(shí)間2s。對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波,每10個(gè)數(shù)據(jù)留取1個(gè)中值;噴霧壓力設(shè)定為0.3MPa,PWM頻率(f)設(shè)置為1、4、8、16、20Hz,占空比(d)設(shè)置為20%、50%、80%、100%。噴頭壓力采樣點(diǎn)位置如圖3所示。

1.#1噴頭 2.噴桿 3.壓力傳感器 4.數(shù)據(jù)采集卡 5.計(jì)算機(jī) 6.PWM控制器 7.電磁閥圖3 噴頭壓力采樣點(diǎn)位置示意圖Fig.3 Diagram of nozzle pressure sampling point location

噴頭電磁閥同步啟閉控制時(shí),噴桿上所有噴頭電磁閥均同步啟閉,對壓力傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。噴頭電磁閥異步啟閉時(shí),#1、#3、#5噴頭電磁閥開啟,#2,#4噴頭電磁閥延時(shí)t( ms)后開啟,延時(shí)t的計(jì)算公式 為

(1)

1.2.3 噴霧沉積量分布均勻性測試

基于無級調(diào)速PWM變量噴霧平臺,設(shè)計(jì)了霧滴沉積分布測試平臺,用于對比測試多噴頭電磁閥異步啟閉PWM噴霧與常規(guī)連續(xù)噴霧沉積量分布均勻性的差異。電磁閥異步啟閉的PWM噴霧工作模式與壓力測試時(shí)的多噴頭電磁閥異步啟閉工作模式一致,試驗(yàn)測試如圖4所示。霧滴沉積分布測試平臺沿Y軸方向布置3列濾紙,每列布置10張尺寸為8cm×10cm的長方形濾紙收集霧滴,每列間距為0.5m,第2列濾紙位于#3噴頭正下方0.5m處。噴頭選取ST01和ST03。常規(guī)連續(xù)噴霧時(shí),#1、#3、#5噴頭電磁閥全開,即占空比為100%;電磁閥異步啟閉PWM噴霧時(shí),PWM頻率選取20Hz,ST01、ST03噴頭電磁閥分別選取占空比為50%、57%。根據(jù)流量測量結(jié)果,在上述占空比工況條件下兩種噴霧模式的噴灑總流量一致。PWM變量噴霧平臺前進(jìn)速度為2m/s,每組試驗(yàn)測試重復(fù)3次,噴霧試劑采用胭脂紅(獅頭牌,上海染料研究所有限公司)為示蹤劑的水溶液,測試結(jié)束后用50mL離心管取藥箱內(nèi)母液備用; 用7號自封袋收集濾紙,每張濾紙用10mL去離子水洗脫;洗脫后用移液槍移取300uL溶液注入酶標(biāo)板(96孔,美國康寧公司)中,將酶標(biāo)板放入多功能酶標(biāo)儀(bio-rad 168-1130 iMark,美國伯樂)中測量吸光度,將胭脂紅的最大吸收波長505nm作為檢測波長。

1.收集平臺 2.濾紙(編號10) 3.動態(tài)PWM變量噴霧平臺 4.#5噴頭 5.#4噴頭 6.#3噴頭 7.#2噴頭 8.#1噴頭 9.濾紙(編號1)圖4 PWM變量噴霧沉積分布測試平臺Fig.4 PWM variable spray deposition distributiontest platform

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 流量測量

基于胭脂紅洗脫液吸光度值,測定每張濾紙上附著霧滴的沉積量,公式為

(2)

式中Vi/j-濾紙表面附著的霧滴沉積量(μL/cm2),i代表濾紙編號,自左往右分別為1～10,j代表列數(shù),自上而下分別為1、2、3;

Vw-洗脫液體積(mL);

N-母液稀釋倍數(shù);

S-單張濾紙面積(cm2);

Fs-洗脫液吸光值;

Fa-母液吸光值。

1.3.2 壓力波動和沉積量分布變異系數(shù)

壓力波動大小和沉積量分布均勻性的衡量指標(biāo)均用變異系數(shù)CV表示。CV越小,表示壓力波動越小、沉積量分布越均勻。CV計(jì)算公式為

(3)

(4)

式中S- 數(shù)據(jù)集的標(biāo)準(zhǔn)差;

n- 數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù);

xi- 數(shù)據(jù)集中單個(gè)數(shù)據(jù)的值(μL/cm2)。

2 結(jié)果與分析

2.1 PWM信號對噴頭流量的影響

通過改變PWM占空比和頻率,可以進(jìn)行噴頭流量調(diào)節(jié),確定噴頭流量與PWM信號之間的關(guān)系是變量噴霧的依據(jù)。在0.3MPa條件下,ST03噴頭流量隨占空比變化結(jié)果如圖5所示。試驗(yàn)結(jié)果表明:隨著PWM頻率和占空比的增大,流量逐漸增大,占空比變化對噴頭流量影響相對較大。ST01噴頭與ST03噴頭具有相同變化趨勢。

圖5 ST03噴頭流量隨占空比和頻率變化曲線Fig.5 ST03 nozzle flow rate varieswith duty cycle and frequency

占空比為0時(shí),流量應(yīng)為0L/min,因此將流量與占空比的關(guān)系用最小二乘法線性擬合為Q=a·x的數(shù)學(xué)函數(shù)形式。其中,Q為噴頭流量(L/min);a為常數(shù);x為占空比。擬合結(jié)果如表1所示。由表1可以看出:在固定頻率下,流量隨占空比變化的線性關(guān)系良好,相關(guān)系數(shù)R2均在0.90以上;隨著頻率的提高,擬合結(jié)果的斜率a增大;噴頭型號增大,擬合結(jié)果的相關(guān)性增強(qiáng),R2均在0.98以上;斜率增大,噴頭的流量調(diào)節(jié)范圍更廣。ST01噴頭的流量調(diào)節(jié)范圍為0.12～0.43L/min,ST03噴頭為0.28～1.22L/min。采用PWM系統(tǒng)進(jìn)行流量調(diào)節(jié)時(shí),應(yīng)選取線性關(guān)系良好的PWM工況,以提高流量調(diào)控的精度。

表1 不同占空比和頻率下流量隨占空比變化的擬合結(jié)果Table 1 Fitting results of the flow rate varying with the duty cycle under different duty cycles and frequencies

2.2 電磁閥同步及異步啟閉時(shí)管路壓力變化

圖6為多個(gè)ST03噴頭電磁閥同步啟閉與異步啟閉時(shí)電磁閥前管路壓力的變化,即噴頭PWM工作頻率為16Hz、不同占空比濾波后2個(gè)脈沖周期的壓力變化。其中,采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)編號為橫坐標(biāo),壓力大小為縱坐標(biāo)。圖7為ST03噴頭PWM不同頻率和占空比條件下壓力波動變異系數(shù),頻率為橫坐標(biāo),壓力波動變異系數(shù)(CV)為縱坐標(biāo)。

圖6 ST03噴頭PWM控制管路壓力變化曲線Fig.6 Pipeline pressure under PWM control with ST03 nozzles

圖7 ST03噴頭PWM控制管路壓力波動變異系數(shù)Fig.7 Pipeline pressure fluctuationcoefficient of variation under PWM control with ST03nozzles

將電磁閥前管路內(nèi)壓力變化最高值定義為壓力峰值。試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)電磁閥異步啟閉時(shí),管路內(nèi)壓力波動的變異系數(shù)較小,即壓力波動相對較小;占空比為50%時(shí),壓力波動CV值降幅較明顯,壓力波動隨著頻率的增大而降低。采用PWM變量噴霧時(shí),建議選取高頻PWM工況進(jìn)行作業(yè)。

當(dāng)采用PWM變量噴霧時(shí),管路內(nèi)的壓力在電磁閥的脈動作用下出現(xiàn)周期性突變;隨著占空比的增大,壓力突變區(qū)域面積減小,壓力峰值降低;在占空比為20%時(shí),壓力峰值最高達(dá)0.53MPa;壓力峰值隨著頻率增大而降低,當(dāng)頻率達(dá)到20Hz時(shí),20%占空比電磁閥無法正常響應(yīng);當(dāng)采用多噴頭間歇噴霧模式時(shí),相同占空比下的閥前管路壓力峰值相對較低(見表2),電磁閥異步啟閉可有效降低閥前管路壓力波動。

表2 ST03噴頭不同占空比和頻率下壓力峰值Table 2 Pressure under different duty cycle and frequency with ST03 nozzles

2.3 電磁閥異步啟閉時(shí)霧滴沉積分布

電磁閥20Hz頻率條件下異步啟閉和常規(guī)連續(xù)噴霧的霧滴沉積量及沉積變異系數(shù)如圖8所示。由圖8可知:異步PWM噴霧與常規(guī)噴霧在霧滴沉積量上略有差異,使用ST01噴頭時(shí)與常規(guī)噴霧的沉積量差異大于ST03噴頭,ST01噴頭兩種測試條件下沉積量相差為0.41μL/cm2。原因可能是:由于變量噴霧時(shí)產(chǎn)生的壓力脈動引起流量調(diào)節(jié)精度變化;ST03噴頭流量高于01噴頭,ST03噴頭兩種測試條件下的沉積量差異相對較小。沉積分布均勻性方面,異步PWM噴霧模式的變異系數(shù)略高于常規(guī)噴霧,但CV值均未超過15%,最大為13.19%,符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T24677.1-2009《噴桿噴霧機(jī)技術(shù)條件》需低于20%的要求。

圖8 異步PWM與常規(guī)連續(xù)噴霧沉積量及沉積分布變異系數(shù)Fig.8 Asynchronous PWM and conventional quantitative spray deposition amount and deposition distribution variation coefficient

3 結(jié)論

1)PWM占空比顯著影響噴頭流量。隨著占空比的增大,噴頭流量呈上升趨勢,且流量調(diào)節(jié)范圍隨噴頭型號的增大而增大,ST01和ST03噴頭流量調(diào)節(jié)范圍分別為0.31 L/min和0.94 L/min;PWM頻率對噴頭流量影響較小,隨著頻率的增大,流量的增速加快。

2)相比電磁閥同步啟閉,異步啟閉工作模式可有效改善管路內(nèi)壓力波動。壓力峰值隨占空比減小而增大,當(dāng)占空比為20%時(shí),電磁閥同步啟閉時(shí)壓力峰值最高可達(dá)0.53MPa,為正常工作壓力的1.75倍;電磁閥異步啟閉時(shí)可減低壓力峰值,最大降幅為14%;隨著工作頻率的升高,管路內(nèi)壓力波動CV值減小,壓力更穩(wěn)定;占空比為50%時(shí),電磁閥異步啟閉模式壓力波動最小。

3)相比常規(guī)連續(xù)噴霧,電磁閥異步啟閉時(shí)沉積分布CV值略高,但未超過15%;沉積量方面與常規(guī)噴霧略有偏差,最大差值0.41μL/cm2,這種偏差隨噴頭型號的增大而減小。