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国内外在线混药的研究现状与发展趋势

时间:2017-05-31 来源:农机化研究 作者:李致,宋淑然,洪添胜, 本文字数:8404字
  摘 要: 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。
  
  关键词: 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 - WestTechnology 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].
  
压缩空气式混药装置
  
  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 RavenSCS - 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。
  
李致,宋淑然,洪添胜,孙道宗,薛秀云,代秋芳. 农药喷雾作业中在线混药技术及展望[J]. 农机化研究,2018,(01):1-6.
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