CN108279194B - 雾滴浓度检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雾滴浓度检测装置及检测方法，所述装置包括雾滴采集器、雾滴浓度平衡检测电路、信号调理电路、电压传感器、第一流量传感器、第二流量传感器以及控制模块；所述雾滴采集器、雾滴浓度平衡检测电路、信号调理电路和电压传感器依次连接，所述控制模块分别与雾滴采集器、电压传感器、第一流量传感器、第二流量传感器连接。本发明结构合理，使用方便，具有减轻喷雾作业中环境污染问题、优化喷雾结构等优点，实现了雾滴浓度的准确测量，可指导精确喷雾作业，减少喷雾作业中造成的农药浪费，保护环境，弥补了现有雾滴浓度检测技术的空白。

Description

雾滴浓度检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种检测装置及检测方法，尤其是一种雾滴浓度检测装置及检测方法，属于农业喷雾研究领域。

背景技术

在农业喷雾领域，可以通过测定雾滴浓度参数这一指标，明确空间雾滴参数的变化特点，揭示雾滴空间传输中的破裂、聚合及飘逸规律，阐明雾滴破裂、聚合与飘逸的动力学原理，探究不同药液添加剂对雾滴破裂与聚合的影响。为农业喷雾研究工作奠定理论基础，为高效、低耗的农业喷雾机研制及应用提供依据。

我国对雾滴浓度的研究主要集中在喷雾机雾滴分布特性规律、雾滴沉积、雾滴漂移及喷雾机结构优化改革。尚未有针对雾滴浓度研究相关文献，所以急需一种新的检测方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足之处，提供一种雾滴浓度检测装置，该装置结构合理，使用方便，具有减轻喷雾作业中环境污染问题、优化喷雾结构等优点，实现了雾滴浓度的准确测量，可指导精确喷雾作业，减少喷雾作业中造成的农药浪费，保护环境，弥补了现有雾滴浓度检测技术的空白。

本发明的另一目的在于提供一种雾滴浓度检测方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种雾滴浓度检测装置，所述装置包括雾滴采集器、雾滴浓度平衡检测电路、信号调理电路、电压传感器、第一流量传感器、第二流量传感器以及控制模块；所述雾滴采集器、雾滴浓度平衡检测电路、信号调理电路和电压传感器依次连接，所述控制模块分别与雾滴采集器、电压传感器、第一流量传感器、第二流量传感器连接。

进一步的，所述控制模块包括控制器、人机交互单元、定时器控制单元、电磁阀控制单元、第一水位平衡控制单元、第二水位平衡控制单元以及单向阀；

所述雾滴采集器接在雾滴浓度平衡检测电路与电磁阀控制单元之间；

所述控制器分别与人机交互单元、定时器控制单元、电磁阀控制单元、电压传感器、第一流量传感器、第二流量传感器连接；

所述第一水位平衡控制单元的一端与电磁阀控制单元连接，另一端与第一流量传感器连接，所述第二水位平衡控制单元的一端与第二流量传感器连接，另一端与单向阀连接；

所述定时器控制单元还分别与第一流量传感器、第二流量传感器连接。

进一步的，所述控制模块还包括雾滴浓度输出单元，所述雾滴浓度输出单元与控制器连接。

进一步的，所述雾滴浓度输出单元为雾滴浓度显示器。

进一步的，所述人机交互单元为计算机。

进一步的，所述雾滴浓度平衡检测电路包括雾滴浓度传感电容、文氏电桥、检流计、交流稳压电路以及交流电源，所述雾滴浓度传感电容与雾滴采集器连接，所述文氏电桥对角线的两端与信号调理电路连接，雾滴浓度传感电容、文氏电桥和检流计构成雾滴浓度传感器，交流电源、交流稳压电路和雾滴浓度传感器依次连接。

进一步的，所述雾滴采集器为一圆柱形容器。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种雾滴浓度检测方法，所述方法包括：

校正雾滴浓度平衡检测电路；

将雾滴采集器置于雾滴浓度待测区，控制第一流量传感器和第二流量传感器的两端水位平衡；

利用雾滴采集器、第一流量传感器和第二流量传感器以及液体密度，计算得到雾滴浓度值；

利用电压传感器测量雾滴浓度电压值；

建立雾滴浓度与雾滴浓度电压的数学模型；

将电压传感器的实际测量结果代入所建立的数学模型，获得空间雾滴浓度值。

进一步的，所述雾滴浓度的计算公式如下：

ζ_i＝(Δt*p_Δt*ρ)/V

其中，ζ_i为雾滴浓度，Δt为第一流量传感器和第二流量传感器的检测时间，p_Δt为第一流量传感器和第二流量传感器检测的流量平均值，V为雾滴采集器的体积，ρ为液体密度。

进一步的，所述雾滴浓度与雾滴浓度电压的数学模型利用最小二乘法原理建立。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明利用雾滴采集器、两个流量传感器以及液体密度，计算得到雾滴浓度值，并利用电压传感器测量雾滴浓度电压值，由控制模块进行处理，建立雾滴浓度和雾滴浓度电压的关系，从而可以直接利用电压传感器的测量结果获得空间雾滴浓度值，实现了雾滴浓度的快速、准确测量，可指导精确喷雾作业，减少喷雾作业中造成的农药浪费，保护环境，弥补了现有雾滴浓度检测技术的空白；此外，通过将两个流量传感器接入同一水流管道，以测量同一水流管道的水流量数据，用双流量传感器测量水流量值并求取平均值用以减小数据误差。

2、本发明的控制模块中，可以通过两个水位平衡控制单元分别控制两个流量传感器两端水位平衡，通过定时器控制单元控制两个流量传感器在一定时间内测量水流量值，通过人机交互单元建立雾滴浓度与雾滴浓度电压的数学模型，以获得空间雾滴浓度值的大小，实现了自动测量及实时输出空间雾滴浓度，实时性强，其中空间雾滴浓度的输出既可以直接通过人机交互单元进行输出，也可以另外通过雾滴浓度输出单元进行输出。

附图说明

图1为本发明实施例1的雾滴浓度检测装置结构框图。

图2为本发明实施例1的雾滴浓度检测装置中控制模块的结构框图。

图3为本发明实施例1的雾滴浓度平衡检测电路中雾滴浓度传感器的电路原理图。

图4为本发明实施例1的雾滴浓度平衡检测电路中交流电源、交流稳压电路和雾滴浓度传感器的连接原理框图。

图5为本发明实施例2的雾滴浓度检测装置中的控制模块结构框图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供了一种雾滴浓度检测装置，该装置包括雾滴采集器、雾滴浓度平衡检测电路、信号调理电路、电压传感器、第一流量传感器、第二流量传感器以及控制模块，雾滴采集器、雾滴浓度平衡检测电路、信号调理电路和电压传感器依次连接，控制模块分别与雾滴采集器、电压传感器、第一流量传感器、第二流量传感器连接。

如图2所示，所述控制模块包括包括控制器、人机交互单元、定时器控制单元、电磁阀控制单元、第一水位平衡控制单元、第二水位平衡控制单元以及单向阀。

进一步地，所述雾滴采集器可以置于雾滴浓度待测区，并且接在雾滴浓度平衡检测电路与电磁阀控制单元之间，其为一圆柱形容器，体积为V，高度为d，半径为r。

进一步地，所述雾滴浓度平衡检测电路包括雾滴浓度传感电容、文氏电桥、检流计、交流稳压电路以及交流电源，所述雾滴浓度传感电容与雾滴采集器连接，所述文氏电桥对角线的两端与信号调理电路连接，雾滴浓度传感电容、文氏电桥和检流计组成雾滴浓度传感器，雾滴浓度传感器的电路原理如图3所示，雾滴浓度传感电容(C3和C4构成)的变化会导致文氏电桥(R1、R2、R3和R4构成)进入非平衡状态，检流计有电流通过，文氏电桥的对角会产生一定电压，不同的雾滴浓度会导致不同的介电常数，从而使雾滴浓度传感电容值也不相同，即雾滴浓度传感电容的改变；交流电源、交流稳压电路和雾滴浓度传感器依次连接，如图4所示，为雾滴浓度传感器提供稳定的交流电源。

进一步地，所述电压传感器的一端与信号调理电路连接，另一端与控制器连接，该电压传感器用于测量不同雾滴浓度下的电压，即雾滴浓度电压。

进一步地，所述第一水位平衡控制单元的一端与电磁阀控制单元连接，另一端与第一流量传感器连接，所述第二水位平衡控制单元的一端与第二流量传感器连接，另一端与单向阀连接，第一水位平衡控制单元和第二水位平衡控制单元使得第一流量传感器和第二流量传感器两端水位平衡。

进一步地，第一流量传感器和第二流量传感器为同一型号的流量传感器，两者均接入同一水流管道，以测量同一水流管道的水流量数据，用双流量传感器测量水流量值并求取平均值用以减小数据误差。

进一步地，所述定时器控制单元还分别与第一流量传感器、第二流量传感器连接，控制器通过定时器控制单元控制第一流量传感器、第二流量传感器在一定时间内测量水流量值。

进一步地，所述人机交互单元优选采用计算机，用于建立雾滴浓度与雾滴浓度电压的数学模型，本领域技术人员容易理解的是，人机交互单元还可以采用手机、平板电脑、PDA手持终端等可以进行人机交互的设备。

在本实施例中，所述控制模块还包括雾滴浓度输出单元，该雾滴浓度输出单元优选采用雾滴浓度显示器，用于对雾滴浓度进行实时显示。

本实施例还提供了一种雾滴浓度检测方法，该方法基于上述装置实现，包括以下步骤：

(1)校正雾滴浓度平衡检测电路

校正雾滴浓度平衡检测电路，使检流计为0，则文氏电桥达到平衡状态，目的是减少由于电路不平衡引起的偶然误差，使雾滴浓度传感器测量雾滴浓度更加准确。

(2)调节水位平衡控制单元

将雾滴采集器置于雾滴浓度待测区，打开电磁阀控制单元，通过第一水位平衡控制单元和第二水位平衡控制单元使得第一流量传感器和第二流量传感器两端水位平衡。

(3)测量雾滴浓度

在打开电磁阀控制单元之后，雾滴采集器将采集的雾滴通过导流软管以此流入电磁阀控制单元、第一水位平衡控制单元、第一流量传感器、水流管道、第二流量传感器、第二水位平衡控制单元以及单向阀，记录第一流量传感器的值p_i(i＝1,2,…)和第二流量传感器的值p_j(j＝1,2,…)，用第一流量传感器和第二流量传感器测量同一水流管道的水流量数据，若两者测量值的绝对值之差|p_i-p_j|<ε(ε为流量传感器的最小分辨率)，则表明同一水流管道水流量稳定，测量数据合格，否则重新测量数据，直到满足|p_i-p_j|<ε，控制器连接电磁阀控制单元，用双流量传感器测量水流量值并求取平均值用以减小数据误差，控制器通过定时器单元控制一定时间Δt(单位为s)内，记录第一流量传感器的值p_i(i＝1,2,…)和第二流量传感器的值p_j(j＝1,2,…)，并计算出平均值p_Δt＝(p_i+p_j)/2(单位为ml/s)，由雾滴采集器的体积为V(单位为ml)及液体密度ρ(单位为g/ml)，从而可计算出雾滴浓度ζ_i＝(Δt*p_Δt*ρ)/V，(i＝1,2,…)(单位为g/cm³)。

(4)测量雾滴浓度电压值

由电容决定式C＝ε₀S/4πkd(ε₀为介电常数，S为正对面积，d为电容极板的距离)可知，介电常数的变化会引起雾滴浓度传感电容的变化，雾滴浓度传感电容的变化会导致文氏电桥进入非平衡状态，检流计有电流通过，文氏电桥的对角会产生一定电压，不同的雾滴浓度会导致不同的介电常数，从而使雾滴浓度传感电容值也不相同，即雾滴浓度传感电容的改变；记录电压传感器在不同雾滴浓度下的电压数据U_i(i＝1,2,…)，每个测量数据与步骤(3)中采集的雾滴浓度数据一一对应。

(4)数学模型的建立

利用计算机，根据步骤(3)得到的雾滴浓度和步骤(4)得到的雾滴浓度电压值，建立雾滴浓度与雾滴浓度电压的数学模型，该模型利用了最小二乘法原理，由于雾滴浓度与雾滴浓度电压是一一对应的关系，依据最小二乘法可以建立雾滴浓度和雾滴浓度电压的关系，从而以电量来表达非电量，即利用电压值来获得空间雾滴浓度。

(5)测量空间雾滴浓度

将电压传感器的实际测量结果代入上述步骤(5)所建模型，即可获得空间雾滴浓度值的大小，从而实现了快速、准确测量的目的。

(6)空间雾滴浓度显示

将上述步骤(5)中得到的空间雾滴浓度值反馈至控制器，通过控制器将数据发送至雾滴浓度显示器，实现空间雾滴浓度的实时显示。

实施例2：

如图5所示，本实施例的主要特点是：所述控制模块不包括雾滴浓度输出单元，空间雾滴浓度直接通过人机交互单元进行显示。其余同实施例1。

综上所述，本发明利用雾滴采集器、两个流量传感器以及液体密度，计算得到雾滴浓度值，并利用电压传感器测量雾滴浓度电压值，由控制模块进行处理，建立雾滴浓度和雾滴浓度电压之间的关系，从而可以直接利用电压传感器的测量结果得到空间雾滴浓度值，实现了雾滴浓度的快速、准确测量，可指导精确喷雾作业，减少喷雾作业中造成的农药浪费，保护环境，弥补了现有雾滴浓度检测技术的空白；此外，通过将两个流量传感器接入同一水流管道，以测量同一水流管道的水流量数据，用双流量传感器测量水流量值并求取平均值用以减小数据误差。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利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专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (8)

1.一种雾滴浓度检测装置，其特征在于：所述装置包括雾滴采集器、雾滴浓度平衡检测电路、信号调理电路、电压传感器、第一流量传感器、第二流量传感器以及控制模块；所述雾滴采集器、雾滴浓度平衡检测电路、信号调理电路和电压传感器依次连接，所述控制模块分别与雾滴采集器、电压传感器、第一流量传感器、第二流量传感器连接；

所述雾滴浓度平衡检测电路包括雾滴浓度传感电容、文氏电桥、检流计、交流稳压电路以及交流电源，所述雾滴浓度传感电容与雾滴采集器连接，所述文氏电桥对角线的两端与信号调理电路连接，雾滴浓度传感电容、文氏电桥和检流计构成雾滴浓度传感器，交流电源、交流稳压电路和雾滴浓度传感器依次连接。

2.根据权利要求1所述的一种雾滴浓度检测装置，其特征在于：所述控制模块包括控制器、人机交互单元、定时器控制单元、电磁阀控制单元、第一水位平衡控制单元、第二水位平衡控制单元以及单向阀；

所述雾滴采集器接在雾滴浓度平衡检测电路与电磁阀控制单元之间；

所述控制器分别与人机交互单元、定时器控制单元、电磁阀控制单元、电压传感器、第一流量传感器、第二流量传感器连接；

所述第一水位平衡控制单元的一端与电磁阀控制单元连接，另一端与第一流量传感器连接，所述第二水位平衡控制单元的一端与第二流量传感器连接，另一端与单向阀连接；

所述定时器控制单元还分别与第一流量传感器、第二流量传感器连接。

3.根据权利要求2所述的一种雾滴浓度检测装置，其特征在于：所述控制模块还包括雾滴浓度输出单元，所述雾滴浓度输出单元与控制器连接。

4.根据权利要求3所述的一种雾滴浓度检测装置，其特征在于：所述雾滴浓度输出单元为雾滴浓度显示器。

5.根据权利要求2-4任一项所述的一种雾滴浓度检测装置，其特征在于：所述人机交互单元为计算机。

6.根据权利要求1-4任一项所述的一种雾滴浓度检测装置，其特征在于：所述雾滴采集器为一圆柱形容器。

7.一种雾滴浓度检测方法，其特征在于：所述方法基于权利要求2所述的装置实现，包括：

校正雾滴浓度平衡检测电路，使检流计为0，文氏电桥达到平衡状态；

将雾滴采集器置于雾滴浓度待测区，打开电磁阀控制单元，通过第一水位平衡控制单元和第二水位平衡控制单元使得第一流量传感器和第二流量传感器的两端水位平衡；

利用雾滴采集器、第一流量传感器和第二流量传感器以及液体密度，计算得到雾滴浓度值，所述雾滴浓度的计算公式如下：

ζ_i＝(Δt*p_Δt*ρ)/V

其中，ζ_i为雾滴浓度，Δt为第一流量传感器和第二流量传感器的检测时间，p_Δt为第一流量传感器和第二流量传感器检测的流量平均值，V为雾滴采集器的体积，ρ为液体密度；

利用电压传感器测量雾滴浓度电压值；

建立雾滴浓度与雾滴浓度电压的数学模型；

将电压传感器的实际测量结果代入所建立的数学模型，获得空间雾滴浓度值。

8.根据权利要求7所述的一种雾滴浓度检测方法，其特征在于：所述雾滴浓度与雾滴浓度电压的数学模型利用最小二乘法原理建立。