CN102039093A - 一种电磁泵注入式混药装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电磁泵注入式混药装置,属于农业植保机具技术领域。该装置包括进口接水源的柱塞泵和进口接药液放热电磁泵,所述电磁泵的出口与所述柱塞泵的进口连通,所述柱塞泵的驱动装置处设有转速传感器件,所述转速传感器件的输出端接PWM控制电路的输入端,所述PWM控制电路的控制输出端接所述电磁泵的驱动控制端。工作时,转速传感器件的信号频率与柱塞泵驱动装置的转速相同;同时柱塞泵的流量与柱塞泵驱动装置的转速、以及电磁泵的流量和频率均是线性正相关的,所以随着驱动装置的转动,系统以当前柱塞泵流量为反馈,经过计算向被控电磁泵发送控制指令,使其工作流量满足混药比要求,从而自动实现定比例的药液与水的混合。

Description

一种电磁泵注入式混药装置
技术领域
本发明涉及一种喷雾设施的混药装置,尤其是一种电磁泵注入式混药装置,属于农业植保机具技术领域。
背景技术
与其他技术领域一样,植保机械技术的发展,已经融合了诸多现代化技术。但目前广大农村使用的喷雾机的配药混药一直还是用原始的操作。最常见的作业是予混式喷雾,即将所要喷的农药和水一起兑好在大的容器里,搅拌均匀。在水田作业时,转移这样大的容器劳动强度较大,操作者接触农药被污染的概率也大,且人工费用高。为避免施药者与农药的接触,技术人员在自动混药方面做了大量的研究,如1989年万培荪等人开发的植保机械射流装置,但该混药器只能用在Φ13mm的胶管上,用药量多,压损大,达到0.75MPa左右级。
近年来,国际上不少研究机构开展了在线自动混药技术研究,大型植保机械已经将药箱和水箱分开,避免了操作人员与农药的直接接触。喷雾机工作时,农药母液和水在管道内自动混合,水流量恒定农药直接注入系统是在喷雾机上分别设置药箱和水箱,利用喷雾机管道系统外部的能源,完成农药的精确计量和并在管道内混合,称为直接注入式系统(Direct injection system)[1-4]。这种外加能源式喷雾混药装置不受喷雾机管道系统水力的影响,能实现农药的精确计量和在管道内均匀混合。将流量控制和农药直接注入技术相结合,农药母液流量由计算机控制,农药浓度可以根据挂载喷雾机的拖拉机的运行速度自行调节(Direct injection total-flow-control system)[5],但其结构较为复杂,成本不够经济,并且主要用于拖拉机作为行走底盘的大型喷雾机,其流量调节以拖拉机的运行速度为反馈,不能完全保证药液定比例混合。
发明内容
本发明的目的在于:针对上述现有技术存在的缺点,提出一种可以自动实现定比例混药的电磁泵注入式混药装置,其结构简单、成本经济。
为了达到以上目的,本发明的电磁泵注入式混药装置包括进口接水源的柱塞泵和进口接药液放热电磁泵,所述电磁泵的出口与所述柱塞泵的进口连通,所述柱塞泵的驱动装置处设有转速传感器件,所述转速传感器件的输出端接PWM控制电路的信号输入端,所述PWM控制电路的控制输出端接所述电磁泵的驱动控制端。
工作时,水通过功率较大、软管直径大的高压柱塞泵吸出,高浓度的农药则通过电磁泵注入高压柱塞泵,然后通过喷枪喷嘴喷洒。一方面,转速传感器件的信号频率与柱塞泵驱动装置的转速相同;另一方面,柱塞泵的流量与柱塞泵驱动装置的转速线性正相关,电磁泵的流量和频率也是线性正相关的,所以采用本发明后,随着驱动装置的转动,系统以当前柱塞泵流量为反馈,经过运算,向被控电磁泵发送控制指令,以脉宽调制方式控制其工作流量满足混药比要求,从而自动实现定比例的药液与水的混合。由于控制电路主要有控制芯片及简单的外围电路组成,因此结构简单,实时性高,成本经济。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明一个实施例的结构示意图。
图2为图1实施例的原理图。
图3为图1实施例的电路图之一。
图4为图1实施例的电路图之二。
具体实施方式
实施例一
本实施例的电磁泵注入式混药装置配套动力为LF168-2汽油发动机,高压柱塞泵型号为FST-30,电磁泵选用AKO的MWVPH,其功率20W,流量75-125cc/min,压力4-7BAR。该微型电磁单柱塞电磁泵是一种将半导体二极管整流器、直线电机(柱塞)、电磁阀、止回阀集成在一起的机电一体化的产品,当电源电压(交流电源)为正时,二极管导通,螺旋管线圈中通过电流,导磁回路中产生磁场,柱塞受电磁力作用向一端运动,柱塞另一侧腔体形成负压,流体通过进水单向阀被吸水腔体;在电源电压为负时二极管将电流切断,电磁力消失,活塞在弹簧作用下向回运动,液体顶开出水阀输出。
如图1和图2所示,柱塞泵1和电磁泵2的进口分别接水箱3和药液箱4。电磁泵2的出口与柱塞泵1的进口连通,柱塞泵1的驱动装置——汽油发动机通过皮带传动带动高压柱塞泵,在驱动装置的传动环节末端采用霍尔传感器(也可以采用脉冲计数器等其它器件)作为转速传感器,采集高压柱塞泵1的实际转速,其输出端通过电平隔离转换后经通信接口,接PWM控制电路(即混药控制系统)的输入端。PWM控制电路的输出端接电磁泵2的驱动控制端(参见图2)。由于柱塞泵的流量与转速线性正相关,电磁泵的流量和其驱动频率也线性正相关,因此借助PWM控制电路,可以根据监测到的高压柱塞泵1的转速,得到其输出流量,并按设定的混药比反推出电磁泵输出相应流量的转速,以调整占空比的方式完成脉宽调制,从而实现所需的电磁泵转速控制,最终通过上述闭环控制,自动达到设定混要比的要求。
具体的PWM控制电路如图3、4所示,由主控制回路A、键盘输入模块B、显示模块C、通讯接口模块D、放大电路E、监测输出电路F构成。其中主控制回路A主要由核心单片机NSP430F149及其外围的时钟芯片U3、晶振、存储芯片U6、复位芯片U2构成。键盘输入模块B、显示模块C以及通讯接口模块D分别通过对应的接插器件接主控制回路A中单片机的键盘输入端、显示输出端和通讯端,用于人机交互,使操作人员可以预先设置混药比,并显示系统工作参数。其中:键盘模块B通过外部中断的方式与单片机P2端口连接,显示模块C使用I2C的传输方式与单片机P1端口连接,通信接口模块D与单片机的USART端连接。
为节约成本,也可只使用简单的档位开关,但人机交互功能将失效,混药比例的档位开关从图3中电平转换芯片U7左侧输入口接入,开关信号传输至主控制回路MSP430F149芯片,同时U7右侧输出口接图4的三极管放大电路的左侧J1接插口,经放大后,再由该电路的右侧接插口J2外接用于控制档位开关指示灯。
监测输出电路F如图4所示,主要由整流稳压回路以及监测回路和控制输出回路构成。来自发电机的交流电经整流桥BRIDGE1和稳压芯片7808、7812后,经三极管和接插口COM2向外界的电磁阀供电,霍尔传感器件HTS的信号输出端经电平隔离转换芯片6N137后,由该电路图中上端的COM10接插口的3脚输出至主控制回路A中单片机NSP430F149。同时COM10的2、10两脚则将NSP430F149脉宽调制处理后的脉冲控制信号输出到外接电磁泵驱动控制端(参见图2)的COM2接插口。从而实现根据转速监测,改变脉冲信号的频率,控制电磁泵的工作流量。
更具体而言,霍尔传感器的反馈信号通过隔离处理后连接至主控制回路,单片机通过“下降沿触发中断”的方式记录脉冲次数,并写入累加器;同一时间,定时器模块以固定的周期采集累加器内数值,换算成柱塞泵流量;再根据当前水药比数值测算所需药液流量,最终计算出驱动被控电磁泵所需的波形频率和占空比。
单片机中断分配如下:定时器T1用于定期收集累加器内参数;定时器T2用于PWM脉冲波周期设定;定时器T3用于PWM脉冲波占空比设定;外部中断P1用于采集霍尔元件工作信息。
本实施例采用具有内置磁电机的发动机作为柱塞泵驱动装置,其磁电机的输出端通过PWM控制电路的监测输出电路F接电磁泵的驱动控制端,用以驱动和控制微型电磁泵。因此结构紧凑、合理。
工作时,水通过功率较大、软管直径大的高压柱塞泵吸出;高浓度的农药则是通过电磁泵注入高压柱塞泵,然后通过喷枪喷嘴喷洒。对于一套施药设备而言,由于发动机带动高压柱塞泵工作,液泵皮带轮转动频率和发动机的转速呈线性关系,而转速决定了液泵流量,因此高压柱塞泵的出水量和发动机的转速及其自身转速呈线性关系。另一方面,通过改变交流电磁泵的工作频率,可以改变单位时间内的出药量,实现对不同作物、不同农药所需的混药比变比例调节。因此设定高压柱塞泵的转速为系统的反馈信息,通过转速传感器件检测、进而控制电磁泵的工作流量,可以实现混药的智能控制。本实施例的试验结果如下表所示
Figure BSA00000292276700051
试验结果表明:在不同的转速下,喷枪喷量和母液吸取量的比例稳定,约100∶1。
此外,实测调制频率与理论计算频率比较结果如下表所示:
    液泵转速   理论频率(Hz)   实测频率(Hz)     误差(%)
  630rad/min   35   34.97   0.086
  720rad/min   40   39.68   0.8
  810rad/min   45   45.45   1
  900rad/min   50   50   0
  990rad/min   55   54.95   0.9
  1080rad/min   60   59.52   0.8
  1170rad/min   65   65.79   1.22
  1260rad/min   70   70.42   0.6
误差在1%左右,具有足够的控制精度。
由此可见,本实施例具有以下特点:
1)采用发动机内置的磁电机驱动药液注入电磁泵,与发动机皮带驱动的高压柱塞泵转速同步,实现了吸入水与注入药液定比例的混合,试验证明工作可靠。
2)采用PWM控制,改变药液注入电磁泵的工作频率,从而改变单位时间内的出药量;为保证混合精度,设计了通过霍尔传感器测定高压柱塞泵的转速,并以此转速系统的反馈信息,用于检测和控制电磁泵的工作流量,实现精确混药比变比例调节。
除上述实施例外,本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案,均落在本发明要求的保护范围。
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Claims (6)

1.一种电磁泵注入式混药装置,其特征在于:包括进口接水源的柱塞泵和进口接药液放热电磁泵,所述电磁泵的出口与所述柱塞泵的进口连通,所述柱塞泵的驱动装置处设有转速传感器件,所述转速传感器件的输出端接PWM控制电路的信号输入端,所述PWM控制电路的控制输出端接所述电磁泵的驱动控制端。
2.根据权利要求1所述的电磁泵注入式混药装置,其特征在于:所述驱动装置的传动环节末端安置霍尔传感器作为转速传感器,所述霍尔传感器的输出端通过电压转换后经通信接口接PWM控制电路的输入端。
3.根据权利要求2所述的电磁泵注入式混药装置,其特征在于:所述PWM控制电路由主控制回路、键盘输入模块、显示模块、通讯接口模块、放大电路、监测输出电路构成。
4.根据权利要求3所述的电磁泵注入式混药装置,其特征在于:所述主控制回路主要由核心单片机及其外围的时钟芯片、晶振、存储芯片、复位芯片构成。
5.根据权利要求4所述的电磁泵注入式混药装置,其特征在于:所述键盘输入模块、显示模块以及通讯接口模块分别通过对应的接插器件接主控制回路中单片机的键盘输入端、显示输出端和通讯端。
6.根据权利要求1至6任一所述的电磁泵注入式混药装置,其特征在于:所述驱动装置为具有内置磁电机的发动机,所述磁电机的输出端通过PWM控制电路的监测输出电路接电磁泵的驱动控制端。
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