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有關噴霧機混藥裝置的研究進展
摘要：傳統(tǒng)的農(nóng)藥混藥方式都是預混式混藥,即由操作人員將農(nóng)藥和水進行人工混合。這種混藥方式存在很多弊端。綜述了國內(nèi)外幾種混藥裝置的研究進展,提出了實際應用中存在的問題,并進行了展望。
關鍵詞：植保機械;混藥裝置;在線混合技術;直接注入系統(tǒng)
噴霧機的混藥裝置是指完成農(nóng)藥與水混合的裝置。在農(nóng)藥的使用過程中,傳統(tǒng)的噴霧混藥方式是預混式混藥。即由操作人員將農(nóng)藥與水按一定的比例一起裝入大藥箱中,人工攪拌使農(nóng)藥與水均勻混合[1]。這種混藥方式存在著很多缺點:譬如,在攪拌混合的過程中,操作人員不得不與農(nóng)藥密切接觸,可能會對操作人員的身體健康造成危害;在進行濃度配制時,配制的藥液在劑量、混合的均勻度等方面容易造成比較大的誤差,影響噴霧效果;農(nóng)藥直接與噴霧機的機械部件長時間接觸并摩擦,造成機械污染及腐蝕;而且噴霧結束后,大量已混合好卻未用完的藥液也會造成極大的浪費和環(huán)境污染[2]。因此,為了避免這種混藥方式給施藥人員、噴霧機械以及環(huán)境和非靶標生物帶來的危害,實現(xiàn)農(nóng)藥藥水分離、在線混合和施藥機具的裝備自動化是植保機械與施藥技術研究的發(fā)展趨勢之一[3]。國內(nèi)外的很多專家學者在農(nóng)藥藥水在線混合裝置方面做出了開創(chuàng)性的研究。
農(nóng)藥藥水在線混合技術是將藥箱和水箱分開,利用噴霧機管道系統(tǒng)內(nèi)部的水流或者噴霧機管道系統(tǒng)外部的能源完成農(nóng)藥與水的在線混合。這種混藥技術實現(xiàn)了農(nóng)藥的標準化、專業(yè)化、精確化施用,以環(huán)境保護和操作者安全為核心,通過混藥器在線控制農(nóng)藥的使用量,同時在施用過程中避免操作者與農(nóng)藥接觸,因此可以減小農(nóng)藥對操作者產(chǎn)生的危害,同時減少對環(huán)境以及周圍非靶標生物的污染。而且噴霧裝置在施用后更有利于清洗,可拆卸、回收和翻新或安全廢棄并長期無慮。筆者綜述了國內(nèi)外農(nóng)藥藥水在線混合技術的研究進展,并展望了今后發(fā)展的趨勢。
1國外農(nóng)藥混藥裝置的研究進展
1970年,Amsden首次提出了農(nóng)藥在線混合技術,引起了世界各國科學家的廣泛關注[4],經(jīng)過近40年的研究,農(nóng)藥在線混合技術已經(jīng)有了顯著的發(fā)展與進步。目前,發(fā)達國家廣泛采用的是大型機動噴桿式噴霧機,重點研究的是采用外加能源式在線混藥。其中,農(nóng)藥直接注入系統(tǒng)就是利用噴霧機管道系統(tǒng)外部的能源,完成農(nóng)藥的精確計量以及藥、水在管道內(nèi)的混合。這種混藥裝置在水流量保持恒定的情況下,利用噴霧機管道系統(tǒng)外部的能源,根據(jù)噴霧機的前進速度來調(diào)節(jié)農(nóng)藥的注入量,通過噴霧機管道系統(tǒng)內(nèi)混合液濃度的變化,達到單位面積上農(nóng)藥的用量恒定[5]。按農(nóng)藥注入量調(diào)節(jié)方式的不同,農(nóng)藥直接注入系統(tǒng)又可分為壓縮空氣直接注入系統(tǒng)和變?nèi)莘e泵直接注入系統(tǒng)。
1.1壓縮空氣直接注入系統(tǒng)
壓縮空氣直接注入系統(tǒng)的混藥裝置由2個液箱、2個變面積流量計和1個壓縮空氣灌組成。2個液箱分別是藥箱和水箱,2個變面積流量計分別是測量農(nóng)藥與水的流量,壓縮空氣罐則是用來給2個液箱提供恒定的壓力。噴霧作業(yè)時,操作人員通過調(diào)節(jié)2個液箱內(nèi)的空氣壓力來調(diào)節(jié)水和農(nóng)藥的流量,當2個變面積流量計分別測出的流量符合指定的標準時即可。
1.2變?nèi)莘e泵直接注入系統(tǒng)
20世紀80年代中期,由美國開發(fā)的Mid-West Technology CC I-2000 型直接注入系統(tǒng)的混藥裝置就是變?nèi)莘e泵直接注入系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備獨立的藥箱和水箱,由與噴霧機前進速度成正比的變?nèi)莘e泵使定量的農(nóng)藥進入主水管道,與來自水箱的水混合,再經(jīng)噴霧泵輸入噴霧主管。由于水藥分置,與傳統(tǒng)的噴霧機相比,該系統(tǒng)具有操作簡便、節(jié)約用藥、保護環(huán)境等優(yōu)點[6]。
1.3其他噴霧混藥裝置
國外的很多專家學者在混藥裝置方面做了一些研究,也得到了一些顯著的成果。如Larson等研制了試驗用噴霧機,該噴霧機能夠根據(jù)拖拉機的前進速度,通過計量泵按比例調(diào)節(jié)農(nóng)藥注入水流的注入量[7]。Reichard和Ladd研制了試驗用在線混合噴霧機,這種噴霧機不管拖拉機的行進速度如何,只通過計量泵調(diào)節(jié)合適的農(nóng)藥量使其與水流混合,水與農(nóng)藥按一定比例混合后到達噴嘴,當拖拉機到達地頭時,由于速度降低,農(nóng)藥與水的流量將按比例減小[8]。1994年,Ghate和Phatak完成了壓縮空氣直接注入系統(tǒng)的設計。該系統(tǒng)能夠精確測量噴霧機的前進速度,并增加了調(diào)節(jié)藥箱壓力的調(diào)壓閥,根據(jù)此信號,通過控制調(diào)節(jié)閥的開度,調(diào)節(jié)藥箱內(nèi)的壓力,從而調(diào)節(jié)農(nóng)藥注入噴霧機管道系統(tǒng)的注入量,達到農(nóng)藥濃度與前進速度成比例變化。水流量恒定,農(nóng)藥濃度隨前進速度同步變化,因而單位面積上農(nóng)藥用量就能夠恒定[9]。1998年,Koo Y M將總流量控制和農(nóng)藥直接注入技術相結合,開發(fā)了一套直接注入總流量控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)隨噴霧機的前進速度同步調(diào)節(jié)水流量和農(nóng)藥的注入量,因而農(nóng)藥濃度保持不變;由于總流量與噴霧機前進速度成正比變化,因此不僅單位面積上農(nóng)藥用量恒定,而且單位面積上的噴霧總量也恒定[10]。Steward等針對Raven SCS-700農(nóng)藥注入系統(tǒng)研究了控制子系統(tǒng)的數(shù)學模型,并用模型進行控制響應預測,開展流量與閥有關參數(shù)的關系、控制器動態(tài)性能和穩(wěn)定性研究等[11]。Gillis等開展了為基于機器視覺的農(nóng)藥噴霧機中的農(nóng)藥在線注入系統(tǒng)研究[12-13],Slaughter等開發(fā)了側(cè)向除草劑噴霧機上配置農(nóng)藥直接注入系統(tǒng)[14],該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精確對靶施藥。
2國內(nèi)混藥裝置的研究進展
2.1靜態(tài)混合裝置
中國農(nóng)業(yè)大學的何雄奎教授等人在傳統(tǒng)的農(nóng)藥直接注入系統(tǒng)的基礎上采用SK靜態(tài)混合器實現(xiàn)藥水在線混合[14],把不同農(nóng)藥劑型、不同黏度溶液的混合均勻度與傳統(tǒng)的混藥裝置進行了對比,由于其特殊的設備結構和流體的運動,使兩種流體各自分散,然后再彼此混合起來,可以達到比較好的均勻混合效果,該方法對比較繁多的藥劑類型和復雜的農(nóng)藥混合來說比較理想,在很寬的雷諾數(shù)范圍內(nèi)也能使用。與傳統(tǒng)的混藥裝置相比較,混合均勻度有了改善,縮短了流體流經(jīng)的水管長度,從而減少了變量延遲的時間。
2.2射流泵混藥裝置
射流混藥裝置是一種利用噴霧機管道系統(tǒng)內(nèi)部的水力完成農(nóng)藥與水在線混合的混藥裝置,由噴嘴、吸入室、混合管和擴散管等部分組成[15]。射流混藥裝置的基本原理就是湍流射流、湍流混合的過程,高壓水通過噴嘴射出,在混合管入口處利用動量交換的能量傳遞方式吸入周圍的低壓藥液,水與農(nóng)藥在混合管入口及管內(nèi)混合,高壓水速度減小,低壓藥液速度增大,在混合口出口處均勻混合,速度一致,混合液通過擴散管時,由于擴散管的橫截面積逐漸增大,混合液速度減小,壓強升高,再由裝置流出,以此實現(xiàn)藥、水的抽吸和在線混合。這種射流噴霧混藥裝置在使用時能達到藥、水分離,避免了操作人員與農(nóng)藥的直接接觸,能安全地使用農(nóng)藥和消除殘留物對環(huán)境的污染,具有裝置成本低、操作簡單等優(yōu)點。
2.3正壓式混藥裝置
正壓式混藥裝置是在射流混藥裝置的原理上,結合手動噴霧器的特性改進而來,該混藥裝置由吸入室、突縮管
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