CN109173764B - 基于单点喷射式的混药装置及混药方法 - Google Patents

基于单点喷射式的混药装置及混药方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于单点喷射式的混药装置及混药方法，该混药装置包括：取水组件、取药组件、混药单元、以及分别与取水组件和取药组件连接的控制组件，控制组件控制取水组件和取药组件按照与作物类别匹配的水药比取对应流量的水和药输入混药单元；取水组件的出水管通过注水口接入混药单元，取药组件的出药管通过注药口接入混药单元，注水口与注药口在混药单元的一端呈角度布置使得水流和药流在混药单元的一端喷射混合后流经混药单元内后从混药单元的另一端的药液出口输出。本发明能够在满足精准配药需求的同时减少农药的残留，具有经济性高、混药均匀好的特点。

Description

基于单点喷射式的混药装置及混药方法
技术领域
本发明涉及植保技术领域，尤其涉及一种基于单点喷射式的混药装置及混药方法。
背景技术
近年来，人们对农业生产过程中产生的粮食作物安全以及环境污染问题日益关注。当前农作物的虫害预防主要依靠于化学防治——喷洒农药，在这一过程中难免会造成农药残留和环境污染问题，因此如何精准控制农药用量，节约成本、保护环境，成为在植保机研发上的又一热点话题。
当前，在喷施农药时多采用手工混药，这种混药方式不仅误差大，容易产生病虫杀害不彻底，药物残留以及药液浪费，污染环境的现象；而且对作业者的身体健康造成极大威胁。为了满足精确、安全、环保、降低成本的农药配置要求，在线混药技术应运而生。
查阅相关文献可知，当前采用的的高混药比的射流混药器以及螺旋封孔式的在线混药器，均能达到在线混药的效果，但是高混药比的射流式混药器虽混药精度高，却有固定的尺寸参数，不适合普遍使用，使用的经济性不是很好。螺旋封孔式的在线混药器虽巧妙避开了高混药比的局限性，但由于内部是螺旋状，难免会影响混药效率。
发明内容
本发明提供一种基于单点喷射式的混药装置及混药方法，以解决现有的在线混药器经济性不好以及效率不高的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：
一种基于单点喷射式的混药装置，包括：
取水组件、取药组件、混药单元、以及分别与取水组件和取药组件连接的控制组件，
控制组件控制取水组件和取药组件按照与作物类别匹配的水药比取对应流量的水和药输入混药单元；
取水组件的出水管通过注水口接入混药单元，取药组件的出药管通过注药口接入混药单元，注水口与注药口在混药单元的一端呈角度布置使得水流和药流在混药单元的一端喷射混合后流经混药单元内后从混药单元的另一端的药液出口输出。
作为本发明的混药装置的进一步改进：
优选地，混药单元内设置有螺旋内腔，注水口与注药口设置在螺旋内腔的头部，药液出口设置于螺旋内腔的尾部。
优选地，混药单元为圆柱型，螺旋内腔由设置于圆柱型的内壁上的呈螺旋线排列的扰流板以及圆柱型的内壁围绕而成。
优选地，注水口与位于螺旋内腔的头部的扰流板呈角度布置并保持注水口输出的水流冲击至扰流板，注药口与注水口以及位于螺旋内腔的头部的扰流板分别呈角度布置，使得注药口输出的药流遇到水流后再冲击至扰流板。
优选地，药液出口的管径小于注水口的管径。
优选地，取水组件包括第一流量传感器，取药组件包括第二流量传感器；控制组件获取来自第一流量传感器的水流量数据以及来自第二流量传感器的药流量数据，并根据水药比反馈调节取水组件的水流量和取药组件的药流量。
优选地，取水组件包括水箱、取水泵和水加压泵；取水泵分别与水箱和水加压泵相连并将水箱的水输出至水加压泵，水加压泵通过注水口与混药单元连通；第一流量传感器装设于取水泵和水加压泵之间的管路上并与控制组件相连，控制组件与取水泵的控制端相连；
取药组件包括药箱、注药泵和药剂增压泵，注药泵分别与药箱和药剂增压泵相连并将药箱的药液输出至药剂增压泵，药剂增压泵通过注药口与混药单元连通，第二流量传感器装设于注药泵和药剂增压泵之间的管路上并与控制组件相连，控制组件还与注药泵的控制端相连。
优选地，混药单元的药液出口与一喷药装置连接，喷药装置包括药水箱、比例电磁阀和喷头；混药单元的药液出口与药水箱连接，喷头通过管道与药水箱连接，比例电磁阀连接于药水箱与喷头之间用于实时控制喷头的流量；
取水泵为隔膜泵，隔膜泵与水加压泵之间还设置有第一溢流阀和第一单向阀，第一溢流阀的溢流端返回水箱；注药泵为蠕动泵，蠕动泵与药剂增压泵之间还设置有第二单向阀，。
优选地，水箱上装设有第一液位传感器，药箱上装设有第二液位传感器，第一液位传感器、第二液位传感器均与控制组件相连。
本发明还提供一种使用上述的基于单点喷射式的混药装置的混药方法，包括以下步骤：
根据用户输入的与作物类别匹配的水药比，取对应流量的水和药输入混药单元；
获取第一流量传感器的水流量数据以及来自第二流量传感器的药流量数据，当水流量数据或药流量数据与理论的水流量或药流量有差异时，调节取水泵或注药泵的转速至实际水流量或药流量满足水药比。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明的基于单点喷射式的混药装置，能够在满足精准配药需求的同时减少农药的残留，且本装置可实现实时在线混药，避免农药浪费，减少环境污染，模块化程度高，安装操作简单，适用于当前的大部分植保机械，具有经济性高、混药均匀好的特点。
2、在优选方案中，本发明的基于单点喷射式的混药装置，能根据实际的流量数据在线调整注水量和注药量，可使得水和药的实际混药比更精准，避免农药残留和浪费。采用单点喷射混药，可以降低对注水泵和注药泵的要求，降低成本。混药单元里设置扰流板，实现了水和药的充分混合，而且适应大范围的混药比。整个装置结构简单，方便使用。
3、本发明的采用基于单点喷射式的混药装置的混药方法，操作简单，能实现在线配药且配药比精准。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的基于单点喷射式的混药装置的混药单元的结构示意图；
图2是本发明优选实施例的基于单点喷射式的混药装置的结构示意图；
图3是本发明优选实施例1的基于单点喷射式的混药装置的结构示意图；
图4是本发明优选实施例1的采用基于单点喷射式的混药装置的混药方法流程示意图；
图5是本发明优选实施例1的控制组件的结构示意图；
图6是本发明优选实施例1的流量传感器的安装原理示意图。
图中各标号表示：
1、药液出口；2、注药口；3、扰流板；4、注水口；5、混药单元。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
参见图1、图2，本发明的基于单点喷射式的混药装置，包括：取水组件、取药组件、混药单元5、以及分别与取水组件和取药组件连接的控制组件，控制组件控制取水组件和取药组件按照与作物类别匹配的水药比取对应流量的水和药输入混药单元5；取水组件的出水管通过注水口4接入混药单元5，取药组件的出药管通过注药口2接入混药单元5，注水口4与注药口2在混药单元5的一端呈角度布置使得水流和药流在混药单元5的一端喷射混合后流经混药单元5内后从混药单元5的另一端的药液出口1输出。能够在满足精准配药需求的同时减少农药的残留，且本装置可实现实时在线混药，避免农药浪费，减少环境污染，模块化程度高，安装操作简单，适用于当前的大部分植保机械，具有经济性高、混药均匀好的特点。
实际实施时，以上的混药装置还能进行以下的扩充或应用，以下实施例中的技术特征都能相互组合，实施例仅作为示例，不作为对技术特征的正常组合限制。
实施例1：
参见图3，本实施例的基于单点喷射式的混药装置，包括：取水组件、取药组件、混药单元5、以及分别与取水组件和取药组件连接的控制组件，控制组件控制取水组件和取药组件按照与作物类别匹配的水药比取对应流量的水和药输入混药单元5；取水组件的出水管通过注水口4接入混药单元5，取药组件的出药管通过注药口2接入混药单元5，注水口4与注药口2在混药单元5的一端呈角度布置使得水流和药流在混药单元5的一端喷射混合后流经混药单元5内后从混药单元5的另一端的药液出口1输出。
其中，参见图3，取水组件包括第一流量传感器、水箱、取水泵和水加压泵。取水泵分别与水箱和水加压泵相连并将水箱的水输出至水加压泵，水加压泵通过注水口4与混药单元5连通；第一流量传感器装设于取水泵和水加压泵之间的管路上并与控制组件相连，控制组件与取水泵的控制端相连。取水泵为隔膜泵，隔膜泵与水加压泵之间还设置有第一溢流阀和第一单向阀，第一溢流阀的溢流端返回水箱。其中，隔膜泵为四缸隔膜泵，水箱采用耐腐蚀的水箱塑料，隔膜泵的转动轴与隔膜泵的驱动电机的动力输出轴连接。
取药组件包括第二流量传感器、药箱、注药泵和药剂增压泵，注药泵分别与药箱和药剂增压泵相连并将药箱的药液输出至药剂增压泵，药剂增压泵通过注药口2与混药单元5连通，第二流量传感器装设于注药泵和药剂增压泵之间的管路上并与控制组件相连，控制组件还与注药泵的控制端相连。注药泵为蠕动泵，蠕动泵与药剂增压泵之间还设置有第二溢流阀和第二单向阀，第二溢流阀的溢流端返回药箱。其中，药箱材质为PVC耐腐蚀塑料。
本实施例的控制组件的结构如图5所示，控制组件包括控制器——STM32F103R8T6芯片，电源电路，驱动电路，键盘，显示，液位传感器，流量传感器，放大电路，RS485通讯等电路。流量传感器将液体流量转换成电信号，经过放大电路放大后输送给控制器。RS485通讯电路主要实现与上位机的通讯。实施时，控制组件获取来自第一流量传感器的水流量数据以及来自第二流量传感器的药流量数据，并根据混药比得出的目标流量反馈调节取水组件的水流量和取药组件的药流量。
本实施例中，水流量传感器、药液流量传感器均采用差压补偿法进行流量测量，提高测量精度，控制器采用主动自适应闭环反馈实时控制方法，参见图6，差压补偿法是根据流量计两端压差调节流量计转子转速，补偿测量误差的方法，具体如下：压强a是流量计入口的液体压力，压强b是流量计出口的液体压力，压差为△P=压强a-压强b。流量计的转轴上装有控制电机起到补偿作用，控制电机的转速受到压差控制，根据压差控制容积式液体流量传感器的转子转速，维持压差尽量为0的状态。该流程为闭环负反馈控制。同时利用485通讯方法，直接读取流量计或传感器的累计和瞬时流量，避免二次计算，减小测量误差，提高控制精度。
本实施例中，参见图1，混药单元5为圆柱型，混药单元5内设置有螺旋内腔，螺旋内腔由设置于圆柱型的内壁上的呈螺旋线排列的扰流板3以及圆柱型的内壁围绕而成。注水口4与注药口2设置在螺旋内腔的头部，药液出口1设置于螺旋内腔的尾部。注水口4与位于螺旋内腔的头部的扰流板3呈角度布置并保持注水口4输出的水流冲击至扰流板3，注药口2与注水口4以及位于螺旋内腔的头部的扰流板3分别呈角度布置，使得注药口2输出的药流遇到水流后再冲击至扰流板3。注药口2与注水口4的角度呈垂直布置，效果较好。药液出口1的管径小于注水口4的管径，使得混药单元5内能保持微压，混药效果更好。各组件的角度，设计之后通过fluent软件仿真，调整扰流板3的形状，布置位置，以及注水口4，注药口2的注入位置、角度，找出混合效果最佳的混药器装置。
本实施例中，参见图3，混药单元5的药液出口1与一喷药装置连接，喷药装置包括药水箱、比例电磁阀和喷头；混药单元5的药液出口1与药水箱连接，喷头通过管道与药水箱连接，比例电磁阀连接于药水箱与喷头之间用于实时控制喷头的流量。通过控制组件对比例电磁阀进行调节，实现了药剂和水的实时在线混合，且混药比调节范围较大，可达300:1~3000:1。例如，根据传感器测得的植保机械的行进速度，调节比例电磁阀开度，进行变量喷药作业。
本实施例中，水箱上装设有第一液位传感器，药箱上装设有第二液位传感器，第一液位传感器、第二液位传感器均与控制组件相连。参见图3，药水箱也可设置第三液位传感器，用来显示药水箱的液位，第三液位传感器也可与控制单元相连，混合药液不足时，可以关闭喷头或者降低比例电磁阀的开度。
参见图4，本实施例还提供一种使用上述的混药装置的混药方法，包括以下步骤：
根据用户输入的与作物类别匹配的水药比，取对应流量的水和药输入混药单元5；
控制组件获取第一流量传感器的水流量数据以及来自第二流量传感器的药流量数据，当水流量数据或药流量数据与理论的水流量或药流量有差异时，调节取水泵或注药泵的转速至实际水流量或药流量满足水药比。
控制组件还可获取第一液位传感器的水箱液位数据和第二液位传感器的药箱液位数据，当水箱的液位或者药箱的液位低于相应的标定最低液位时，停止工作、报警或者注水或注药。例如，当液位达到最小预设值发出警报，提醒操作人员停止作业，进行水箱和药箱中分别注入水和药剂的工作，当液位达到最大预设值时，控制器报警，提醒操作人员，停止对水箱和药箱中注入水和药剂的工作。
重复上面的步骤，直至所有完成喷药工作。
本实施例中，控制组件还可以外接显示屏以及输入单元，以便操作人员能及时得知各流量传感器、液位传感器的数值，现有的混药比，以及压力值等，并可以手动对这些参数进行调节。
综上可知，本发明采用单点喷射混药，可以降低对注水泵和注药泵的要求，降低成本。混药单元5里含有扰流板3，实现了水和药的充分混合，适应大范围的混药比，流量传感器对泵有负反馈，可以减少原料的用量，提高混药效率。整个装置结构简单，方便使用，能实现在线混药，且混药比精准。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于单点喷射式的混药装置，其特征在于，包括：
取水组件、取药组件、混药单元（5）、以及分别与所述取水组件和取药组件连接的控制组件，
所述控制组件控制所述取水组件和取药组件按照与作物类别匹配的水药比取对应流量的水和药输入所述混药单元（5）；
所述取水组件的出水管通过注水口（4）接入所述混药单元（5），所述取药组件的出药管通过注药口（2）接入所述混药单元（5），所述注水口（4）与所述注药口（2）在所述混药单元（5）的一端呈角度布置使得所述水流和药流在所述混药单元（5）的一端喷射混合后流经所述混药单元（5）内后从所述混药单元（5）的另一端的药液出口（1）输出；
所述混药单元（5）内设置有螺旋内腔，所述注水口（4）与所述注药口（2）设置在所述螺旋内腔的头部，所述药液出口（1）设置于所述螺旋内腔的尾部；
所述混药单元（5）为圆柱型，所述螺旋内腔由设置于所述圆柱型的内壁上的呈螺旋线排列的扰流板（3）以及所述圆柱型的内壁围绕而成；
所述注水口（4）与位于所述螺旋内腔的头部的扰流板（3）呈角度布置并保持所述注水口（4）输出的水流冲击至所述扰流板（3），所述注药口（2）与所述注水口（4）以及所述位于螺旋内腔的头部的扰流板（3）分别呈角度布置，使得所述注药口（2）输出的药流遇到所述水流后再冲击至所述扰流板（3）；
所述药液出口（1）的管径小于所述注水口（4）的管径。
2.根据权利要求1所述的基于单点喷射式的混药装置，其特征在于，所述取水组件包括第一流量传感器，所述取药组件包括第二流量传感器；所述控制组件获取来自所述第一流量传感器的水流量数据以及来自第二流量传感器的药流量数据，并根据所述水药比反馈调节所述取水组件的水流量和取药组件的药流量。
3.根据权利要求2所述的基于单点喷射式的混药装置，其特征在于，所述取水组件包括水箱、取水泵和水加压泵；所述取水泵分别与所述水箱和水加压泵相连并将所述水箱的水输出至所述水加压泵，所述水加压泵通过注水口（4）与混药单元（5）连通；第一流量传感器装设于所述取水泵和水加压泵之间的管路上并与控制组件相连，所述控制组件与所述取水泵的控制端相连；
所述取药组件包括药箱、注药泵和药剂增压泵，所述注药泵分别与所述药箱和药剂增压泵相连并将所述药箱的药液输出至所述药剂增压泵，所述药剂增压泵通过注药口（2）与混药单元（5）连通，第二流量传感器装设于所述注药泵和药剂增压泵之间的管路上并与控制组件相连，所述控制组件还与所述注药泵的控制端相连。
4.根据权利要求3所述的基于单点喷射式的混药装置，其特征在于，所述混药单元（5）的药液出口（1）与一喷药装置连接，所述喷药装置包括药水箱、比例电磁阀和喷头；所述混药单元（5）的药液出口（1）与所述药水箱连接，所述喷头通过管道与所述药水箱连接，所述比例电磁阀连接于所述药水箱与所述喷头之间用于实时控制所述喷头的流量；
所述取水泵为隔膜泵，所述隔膜泵与所述水加压泵之间还设置有第一溢流阀和第一单向阀，所述第一溢流阀的溢流端返回所述水箱；
所述注药泵为蠕动泵，所述蠕动泵与所述药剂增压泵之间还设置有第二单向阀。
5.根据权利要求3所述的基于单点喷射式的混药装置，其特征在于，所述水箱上装设有第一液位传感器，所述药箱上装设有第二液位传感器，所述第一液位传感器、第二液位传感器均与所述控制组件相连。
6.一种使用如权利要求3至5任一项所述的基于单点喷射式的混药装置的混药方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据用户输入的与作物类别匹配的水药比，取对应流量的水和药输入所述混药单元（5）；
采用差压补偿法获取第一流量传感器的水流量数据以及来自第二流量传感器的药流量数据，当所述水流量数据或所述药流量数据与理论的水流量或药流量有差异时，采用主动自适应闭环负反馈调节所述取水泵或注药泵的转速至实际水流量或所述药流量满足所述水药比。
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