CN104062209B - 一种肥药注射扩散机理测试试验台装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了肥药注射扩散领域的一种肥药注射扩散机理测试试验台装置，用以解决目前肥药注射扩散机理研究中存在的问题。该装置由试验台、土箱、土槽、注射部分和采样部分构成；其中，土箱、注射部分、采样部分分别依次固定于所述试验台上。本发明首先用石蕊对试验土壤进行处理；然后根据不同土层石蕊的颜色判断土壤的酸碱度，确定土壤中肥药的浓度；之后，确定等浓度曲面，实现肥药注射的定量分析；最后，还可以根据固有的扩散模型评估肥药注射扩散效果。本发明采用一种肥药注射扩散机理测试试验台装置首次对土壤内部注射扩散进行定量研究，并采用浓度等值线参数评价扩散效果。

Description

一种肥药注射扩散机理测试试验台装置

技术领域

本发明涉及肥药注射扩散领域，特别涉及一种肥药注射扩散机理测试试验台装置。

背景技术

土壤肥药注射机械能将药液直接注射到地面以下土壤中，直接针对土壤中寄生的病虫害，具有针对性强，直击病灶的优势，针对根结线虫等顽疾防治效果很好。而且减少药液接触空气挥发的问题，省药效果明显。肥药试验台目前的技术主要包括喷雾特性试验台、固态施肥播种土槽试验台等，解决的主要是喷雾地面沉积的均匀性和固体颗粒肥料用量问题。

现有的试验台目前的技术主要包括喷雾特性试验台、固态施肥播种土槽试验台等，解决的主要是喷雾地面沉积的均匀性和固体颗粒肥料用量问题，对于土壤中农药和肥料的扩散未能涉及。

目前存在一种液体肥施肥试验台，用来判断液体肥施肥过程中的液泵功率消耗与喷头喷量、压力之间关系、各喷头的实际压力与流量、单喷头在土壤中实际施肥效果试验。然而，该技术描述的结构无法对注射的扩散机理进行精准定量的测试。同时也无法对扩散在时间维度上的规律进行探索研究，更不能根据扩散机理得出可以进一步用于注肥和施药的数学模型，无法为基础理论研究提供条件。

本发明主要针对肥药注射扩散机理测试开发装置并进行测试，通过该发明能非常准确的得出肥和药的溶液在扩散机理并得出扩散模型。对于深入研究不同土壤条件下施肥施药参数变化的扩散有重要意义，能提供基础理论研究平台。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种肥药注射扩散机理测试试验台装置，其特征在于，所述装置由试验台、土箱、注射部分、采样部分构成；

所述土箱、注射部分、采样部分分别固定于所述试验台上；

所述土箱固定于所述试验台左侧，用来存放试验土壤；

所述注射部分固定所述试验台上，与所述土箱相邻，用于对试验土壤注射肥药；

所述采样部分位于所述试验台上，与所述注射部分相邻，用于采集不同土壤层的土壤图像信息。

所述试验台周围覆盖塑料履带，用于传输试验土壤。

所述土箱内部有45度侧板，用来减轻土壤堆积挤压。

所述注射部分由弹簧、机架、从动轮、转动接头、注射头构成；

所述弹簧的水平一端固定在专门的所述机架上，另一端固定于所述从动轮，所述从动轮中心与所述转动接头进口相连，所述转动接头有36个出口，分别与固定在所述从动轮圆周上的36个所述注射头相连，用于控制36个所述注射头；

所述弹簧采用记忆合金材料，能自动回复原有螺旋状态，避免形变影响后续试验精准性；

当且仅当所述注射头与地面垂直时，所述转动接头打开，开始注射，当转动一定角度时，注射停止，循环往复；

所述角度可以通过更换所述转动接头的不同腔体大小随意调节。

所述采样部分由若干采样单元构成。

所述采样单元由土槽、刮土器、摄像部分构成；

所述土槽固定于所述试验台上；

所述刮土器固定于所述土槽一侧；

所述摄像部分固定于所述试验台上，位于所述土槽上方。

所述土槽由尼龙塑料板制成的两侧挡板和所述塑料履带构成。

所述刮土器由电动推杆、尼龙刮板构成；

所述电动推杆固定于所述刮土器部分内部，固定方向为伸出方向与所述履带前进方向垂直，用于驱动所述尼龙刮板；

所述尼龙刮板用于将表层土刮开到挡板一侧，露出下方的土壤。

所述摄像部分由摄像头、支撑杆、采集器构成；

所述摄像头固定在所述刮土器部分上方，通过所述支撑杆调节高度，并通过电缆与所述采集器相连，所述采集器连接上位机。

本发明实现了一种肥药注射扩散机理测试试验台装置及方法，其有益效果如下：

1非常精确地采用浓度等值线参数评价扩散的效果，得出最佳的入土注射角度，精准定量自动分析注射压力和注射流量参数对扩散的影响程度数值。

2用扩散机理计算的方式对施肥量的土壤内部分布进行精确定位。

3采用数学计算方式对施肥质量进行计算和评估。

4首次将不可见的土壤内部注射扩散进行定量研究。

附图说明

图1是一种肥药注射扩散机理测试试验装置结构图。

图2是刮土器装置结构图。

图3是yz平面等浓度曲线图。

图中，O为注射点；A为局部最低浓度位置；B为局部最高浓度位置。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

本发明解决问题的思路是：首先用石蕊对试验土壤进行处理；然后根据不同土层石蕊的颜色判断土壤的酸碱度，进而确定土壤中肥药的浓度；之后，再根据每个点的肥药浓度值确定等浓度曲面，实现肥药注射的定量分析；最后，还可以根据固有的扩散模型评估肥药注射扩散效果。

图1是本发明的一种肥药注射扩散机理测试试验装置结构图。

图中，装置由试验台、土箱、注射部分、采样部分构成。

试验台上安装着塑料履带，履带上采用尼龙塑料板做成两侧挡板挡板和履带组成土槽，将试验土壤在其中运输。

刮土器用螺栓固定在试验台的侧板上，刮土器内部安装电动推杆驱动尼龙刮板，电动推杆固定方向为伸出方向与履带前进方向垂直，将表层土刮开到挡板一层，露出下方的土壤。

摄像头固定在刮土器的上方，高度可通过支撑杆的螺栓调节，通过电缆和采集器连接，采集器通过电缆连接计算机。

土箱固定在试验台一端，用来存放试验土壤，内部有45度侧板，用来减轻土壤堆积挤压。

弹簧采用记忆合金材料，能在自动回复原有的螺旋状态，避免形变影响后续试验精准性。

由于注射部分受到履带上土壤上下晃动和推动的影响，会影响实验精度，所以在他们之间添加弹簧，来减少震动，保护注射部分不受影响。

弹簧的水平一端固定在专门的机架上，另一端固定一个从动轮，从动轮中心是一个转动接头，一个进口，36个出口，从动轮的圆周上固定着36个注射头，每个注射头都分别和36个出口的一个连接。

转动接头控制着36个注射头。

当注射头和地面垂直时，触动转动接头打开，开始注射。当转动一定角度，该角度可以通过更换转动头的不同腔体大小随意调节，注射停止，循环往复。

每次只有垂直地面的出口接通，其余接口不接通。

试验后的土样流入回收槽，经过特殊温度烘干后可以循环使用。

图2是刮土器装置结构图。

刮土器由电动推杆、尼龙刮板构成。

电动推杆固定于刮土器部分内部，固定方向为伸出方向与履带前进方向垂直，用于驱动尼龙刮板。

尼龙刮板用于将表层土刮开到挡板一侧，露出下方的土壤。

使用肥药注射扩散机理测试试验装置的土壤测试原理包括如下步骤：

步骤1：准备好试验土壤，并用石蕊进行处理。

试验土壤采用石蕊处理，石蕊(Litmus)是一种弱的有机酸，相对分子质量为3300，在酸碱溶液的不同作用下，发生共轭结构的改变而变色。采用蓝紫色粉末，是从植物中提取得到的蓝色色素，能部分地溶于水而显蓝色。碱性溶液使红色试纸变蓝，酸性溶液使蓝色试纸变红。具体上，在室温及1大气压力情况下，pH值高于8.3时红石蕊试纸才会变蓝，而pH值低于4.5时蓝石蕊试纸变红。pH值介乎4.5及8.3时红蓝石蕊试纸是不会变色的。所以在测试中溶液要为碱性或者酸性较强。测试用的溶液中，随着溶液酸碱性的变化，其分子结构发生改变而呈现出不同的颜色变化：在酸性溶液里，分子是其存在的主要形式，使溶液呈红色(由于[H+]增大，平衡向左移)；在碱性溶液里，石蕊水解发生的电离平衡向右移动，电离产生的酸根离子是其存在的主要形式，故使溶液呈蓝色(由于[OH‐]增大，平衡右移)。

步骤2：在测试试验装置上，将试验肥药溶液进行注射，并启动装置，移动履带，通过自动分层装置移动逐层刮土，采用摄像头C₁‐C₆采集对应的分层图像数据I₁‐I₆，并自动记录分层图像数据I₁‐I₆所对应的时间T₁‐T₆。

图像采用分级提取匹配，图像分析后得出石蕊颜色变化数据，自动记录移动逐层刮土并采用对应C₁‐C₆摄像头采集对应的I₁‐I₆分层图像所对应时间点T₁‐T₆六个数值。

步骤3：将分层图像数据I₁‐I₆中石蕊变化色的色值I(x^(l)，y^(l)，z^(l))转化为HSV模型，提取其中的亮度参数V(x^(l)，y^(l)，z^(l))，并将其作为灰度值G(x^(l)，y^(l)，z^(l))，其中x^(l)，y^(l)，z^(l)为第l层土壤图像的相对坐标值，l＝1,2，…，6，表示第l层土壤。

经过处理的试验土壤在农药或肥料替代物注射后，移动逐层刮土并采用对应C₁‐C₆摄像头采集对应的I₁‐I₆分层图像，并采用基准的石蕊粉末试验土壤为基准，把石蕊变化的色值转化为扩散浓度值。

把移动逐层刮土并采用对应C₁‐C₆摄像头采集对应的I₁‐I₆分层图像溶液染色的土壤从试验土壤的目标彩色背景色中提取成灰度图。对于图像I₁‐I₆，先按HSV模型求得它们的色度H(x^(l)，y^(l)，z^(l))，饱和度S(x^(l)，y^(l)，z^(l))和亮度V(x^(l)，y^(l)，z^(l))的数值，然后图像分割H和S两个参数，阀值可以分别取Thr_s＝55，Thr_H＝180，最终得到V(x^(l)，y^(l)，z^(l))，它也就是图像的灰度值G(x^(l)，y^(l)，z^(l))。

步骤4：根据公式N(x^(l)，y^(l)，z^(l))＝K_Thr*G(x^(l)，y^(l)，z^(l))，将第l层土壤图像灰度值G(x^(l)，y^(l)，z^(l))转化为扩散浓度值N(x^(l)，y^(l)，z^(l))，其中K_Thr为转换系数。

由于土壤中石蕊的颜色深浅和酸碱度成对应关系，进而与肥药浓度成对应关系，因此，扩散浓度值和土壤灰度值形成线性关系：

N(x^(l)，y^(l)，z^(l))＝K_Thr*G(x^(l)，y^(l)，z^(l))

其中，转换系数K_Thr为一个实验值，随着标准土壤的不同而改变，其校准方式为：准备好试验土壤，将其放入烤箱中，以108度的温度烘烤8小时；取出土壤，均匀放在干燥圆盘中，圆心周围距离圆心5cm处采集五个样本，大小2cm²，测量其质量数据；对圆心定点进行注射，再次在圆心周围距离圆心5cm处采集五个大小为2cm²的样本并测其质量；后者的平均值除以前者的平均值，得出该试验土壤的转换系数K_Thr。

步骤5：对第l个摄像头采集的l层土壤图像I_l中所有点的相对坐标(x^(l)，y^(l)，z^(l))进行修正，得到绝对坐标(x，y，z)，因此修订公式为：

$\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{x}^{\left(l\right)}\\ y^{\left(l\right)}\\ z^{\left(l\right)}\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}{a}_l\\ b_l\\ c_l\end{array}\right)$

其中，a_l，b_l，c_l为坐标修正值，且无旋转坐标，因此， 深度方向不用修正，因此c_l＝0，

分别表示第l层土壤图像x，y轴的相对坐标点，l＝1,2，…，6；i＝1,2，…，m；j＝1，2，…，n；m，n分别表示第l层图像的x轴坐标总数和y轴坐标总数。

步骤6：根据所有坐标点的扩散浓度值N(x，y，z)确定等浓度曲面。

刮土器装置可调节每一个土层刮掉的厚度，刮掉上面的一层土后，对漏出的新土进行图像采集，刮土器采用薄壁板，不会干扰下方土层结构和扩散分布。

由本发明提出的一种肥药注射扩散机理测试试验台装置可以看出获取每一层扩散土壤图像数据的时间并不是相同的。对于我们的装置，每一层获取时间间隔大约为2s，实验时，若肥药流量比较大，则扩散非常快，就可以忽略时间影响；若肥药流量很小，那么扩散很慢，时长间隔对等浓度曲面的影响比较大，不可以忽略。本发明的测试试验中，一般肥药流量都比较大，因此在确定等浓度曲面时，本方法忽略时间间隔的影响。

当然，也可以考虑时间间隔的影响，确定精确的等浓度曲面图。确定时间间隔的方法如下：

摄像头C₁‐C₆之间的长度间隔为L₁‐L₅，摄像头C₁‐C₆采集不同土壤层I₁‐I₆的注射扩散时间为T₁‐T₆，那么相邻注射扩散时间之间的差值就可以表示相邻土壤层之间的扩散时间，即Δt_l＝T_(l+1)-T_l，其中T_l表示第l层土壤的注射扩散时间，l＝1，…，6。

相邻层的扩散时间Δt₁至Δt₅共5个时间段独立调节，分别控制，互不干扰。履带前进速度可通过调节履带速度v_l，由计算机自动得出，可以达到调节土槽盒通过不同摄像头间隔L₁‐L₆所需时间长度不同这一目的，其中速度L_l表示第(l+1)个摄像头与第l个摄像头之间的长度，Δt_l＝T_(l+1)-T_l表示肥药从第l土壤层扩散到第(l+1)土壤层的时间。

扩散时间Δt₁到Δt₅共5个时间段，对应C₁‐C₆摄像头采集对应的I₁‐I₆分层图像，经过稳态扩散模型计算得出的z和y平面上扩散浓度值N(x，y，z)可网格生成土层平面的浓度变化等浓度线。

图3为yz平面的等浓度曲线图。其中O为注射点，A为局部最低浓度位置；B为局部最高浓度位置。

步骤7：根据公式Q(x,y,z)＝K_vN(x,y,z)+C_v计算各个坐标点的施肥或施药量，其中，C_v是体积系数，K_v是与注肥系统压力、流量相关的参数。

不同维度坐标点经过扩散后的施肥或施药量可以通过扩散浓度值N(x,y,z)来计算：

Q(x,y,z)＝K_vN(x,y,z)+C_v

其中C_v是体积系数，为一定量注射前的土壤与注射后土壤的体积比值。

K_v一般为通过实验获得的经验值，K_v是和注肥系统压力和流量的设定参数相关的，通过正交试验得出对应的喷雾压力P_vi以及喷雾流量F_vi的值。它可以最终实现土壤不同深度和不同图层平面的扩散精准控制，最终保证只能在作物根区的三维体积内进行注肥或施药，避免农药浪费。

步骤8：通过扩散模型评估注射肥药的扩散效果。

I₁‐I₆分层的土层之间的测试点距离注射点垂直扩散的模型计算公式为：

$N(x,y,z,t)=\frac{D}{t}\sqrt{x^2+y^2+z^2}-\frac{e}{t}z$

D：测试点距离注射点的扩散系数

e：高度z的修正系数

则有

$\left(N\right(x,y,z,t\left)\right|z=z_l)=\frac{D}{t}\sqrt{x^2+y^2+z_l^2}-\frac{e}{t}{z}_l$

z_l为第l土层相对注射点在z轴方向上的距离。

对于扩散系数D，实验室的标准试验土壤及匀速前进的土壤注射条件下，稳态扩散可以采用菲克定理描述，稳态扩散单位时间内通过垂直于扩散方向单位面积扩散物质量与截面处浓度梯度成正比。

田间非标准试验土壤及作业测试速度变速前进的土壤注射条件下，其

非稳态扩散模型计算为

φ是浓度，t为时间，D是扩散系数，本发明可取0.03～0.5，一般是常数，x是长度。

根据模型可以对测试结果进行评估。本发明按照美国农业部土肥中心的测试标准对实验值进行评估。

将测试的结果以及模型计算的理论结果都经过数据分析，通过浓度等值线显示来评价扩散的效果以及最佳的注射角度以及注射压力和注射流量。

同时，也可以对施肥质量进行评价。

同时还可根据测试数据在线快速生成建立扩散位置点和扩散肥药量的模型方程

测定并得出注射系统的扩散模型以及评价其扩散的优劣。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种肥药注射扩散机理测试试验台装置，其特征在于，所述装置由试验台、土箱、注射部分、采样部分构成；

所述土箱、注射部分、采样部分分别固定于所述试验台上；

所述土箱固定于所述试验台上左侧，用来存放试验土壤；

所述注射部分固定于所述试验台上，与所述土箱相邻，用于对试验土壤注射肥药；

所述采样部分位于所述试验台上，与所述注射部分相邻，用于采集不同土壤层的土壤图像信息；

所述注射部分由弹簧、机架、从动轮、转动接头、注射头构成；

所述弹簧的水平一端固定在专门的所述机架上，另一端固定于所述从动轮，所述从动轮中心与所述转动接头进口相连，所述转动接头有36个出口，分别与固定在所述从动轮圆周上的36个所述注射头相连，用于控制36个所述注射头；

所述弹簧采用记忆合金材料，能自动回复原有螺旋状态，避免形变影响后续试验精准性；

当且仅当所述注射头与地面垂直时，所述转动接头打开，开始注射，当转动一定角度时，注射停止，循环往复；

所述角度可以通过更换所述转动接头的不同腔体大小随意调节；

所述采样部分由土槽、刮土器、摄像部分构成；

所述土槽固定于所述试验台上；

所述刮土器固定于所述土槽一侧；

所述摄像部分固定于所述试验台上，位于所述土槽上方；

所述土槽由尼龙塑料板制成的两侧挡板和塑料履带构成。

2.根据权利要求1所述的一种肥药注射扩散机理测试试验台装置，其特征在于，所述土箱内部有45度侧板，用来减轻土壤堆积挤压。

3.根据权利要求1所述的一种肥药注射扩散机理测试试验台装置，其特征在于，所述采样部分由若干采样单元构成。

4.根据权利要求1所述的一种肥药注射扩散机理测试试验台装置，其特征在于，所述刮土器由电动推杆、尼龙刮板构成；

所述电动推杆固定于所述刮土器内部，固定方向为伸出方向与所述塑料履带前进方向垂直，用于驱动所述尼龙刮板；

所述尼龙刮板用于将表层土刮开到挡板一侧，露出下方的土壤。

5.根据权利要求1所述的一种肥药注射扩散机理测试试验台装置，其特征在于，所述摄像部分由摄像头、支撑杆、采集器构成；

所述摄像头由支撑杆固定在刮土器的上方，通过所述支撑杆调节高度，并通过电缆与所述采集器相连，所述采集器连接上位机。