CN113412710A - 气力式排种装置多路动态负压监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气力式播种机技术领域，具体公开了一种气力式排种装置多路动态负压监测系统及方法；包括多个并排设置的排种器、支路正负压气管、干路正负压气管、以及负压风机，支路负压气管和干路负压气管上均设置有压力传感器，干路负压气管上设置有电动阀门，压力传感器均共同连接数据采集卡，数据采集卡连接上位机；本发明实现了对气力式排种装置整体干路及各个支路动态负压值的监测，包括动态负压数据的实时采集、读取、分离、显示和保存，为排种装置排种性能的试验研究、排种装置智能检测及可靠性分析等提供了依据，弥补了现有关于排种器中气力系统的多路动态负压监测的不足，为实现播种机的精准排料、稳定运行奠定了基础。

Description

气力式排种装置多路动态负压监测系统及方法

技术领域

本发明涉及气力式播种技术领域，具体公开了一种气力式排种装置多路动态负压监测系统及方法。

背景技术

气力式排种装置是一种靠负压吸取种子而实现精量播种的播种机。主要有气吸式、气吹式、气压式和正负压组合式等，其核心关键部件是气力式精量排种器。目前国内外的研究人员对气力式排种技术的研究大都围绕排种器单体的结构设计与优化、充种性能的机理研究与提高、以及排种单体排种性能的仿真与台架试验研究等方面，而对气力系统中气压的监测与控制研究相对较少，而气力式播种机中的气力系统也是实现排种装置精准定量、稳定运行的重要因素。

目前国内对排种器中气力系统的研究主要有廖庆喜等对油菜精量联合直播机气力排种系统性能研究中采用U型压力计读取气力系统气压值作为该工况下系统的工作负压，但是U型压力计只能读取某一瞬态值，并不能以此来作为该工况下系统的实际工作负压。另外，刘立晶等在对气送式播种机管内气流的机理研究时采用风压计测量排种装置排种轴在不转动工况下的静态负压代替实际工作负压，而在实际工作中系统的实际工作负压是排种轴转动工况下的动态负压，同时由于气力式排种装置多行并联工作时实际动态负压波动很大，其并不能做到对排种装置气力系统中多路动态负压准确读取、实时监测的效果。

又如申请号为2015100265558的发明专利公开了一种气吸式排种器排种反馈调整装置及其反馈调整方法，其装置包括外壳，与气吸式排种器连接；摄像头，用于采集气吸式排种器的排种盘上种子情况，在线采集种子数量变化图像信息；光源，为摄像头提供所需光照；单片机，用于对摄像头采集来的原始数据进行处理，包括图像的增强、分割、目标特征提取；比例电磁阀，安装在风机与气吸式排种器相连的管路上，接收单片机反馈过来的信息，实时调整其流量开关的大小；摄像头、光源、单片机分别置于外壳内，摄像头朝向气吸式排种器的排种盘吸口，对携种过程进行拍摄，实时采集排种盘上的种子情况。该发明虽然通过摄像头捕捉、图片分析的方法实现了排种情况的实施监测，并能够给予负压的反馈调整，但是气力式播种机中的排种器单体一般是多个并联设置，而将上述装置应用在气吸式排种装置上需要在每个排种器上设置摄像头和光源才能对排种过程中的多路进行同时监测，使得整个气力式播种机制造成本较高，其实用性较低。针对现有关于排种装置中气力系统研究的不足以及现有气吸式排种器排种反馈调整装置实际应用过程中实用性较差，因此提出了一种基于LabVIEW应用的气力式排种装置多路动态负压监测系统及方法以解决上述现有技术的不足。

发明内容

（一）解决的技术问题

本发明针对现有多行并联气力式排种装置存在动态负压波动大而难以准确读取、并实时监测的问题，运用LabVIEW虚拟仪器技术，设计了一种基于LabVIEW的排种装置多路动态负压监测系统，实现了对干、支路动态负压的实时监测。

（二）技术方案

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种气力式排种装置多路动态负压监测系统，包括多个并排设置的排种器和风机，每个所述排种器上均连接有支路正、负压气管，多个所述支路正压气管汇聚一点连接有干路正压气管，多个所述支路负压气管汇聚一点连接有干路负压气管，所述干路正压气管和干路负压气管分别与风机的出气端、抽气端相连接，所述支路负压气管和干路负压气管上均设置有压力传感器，所述干路负压气管上设置有电动阀门，且电动阀门设置在干路负压气管上的压力传感器的上游，每个所述压力传感器均共同电性连接有数据采集卡，所述数据采集卡电性连接有上位机。

作为上述方案的进一步设置，还包括机架，多个所述排种器并排固定设置在机架的上端。

一种使用上述气力式排种装置多路动态负压监测系统进行多路动态负压监测方法，包括以下步骤：

1）动态负压数据的采集

①采集通道的设置：根据压力传感器与数据采集卡连接的通道在LabVIEW软件界面上设置好相关参数；

②传感器信号的存储：在排种轴转动的状态下，压力传感器采集干、支路负压气管内的动态负压，并转换成模拟电压信号，传输到数据采集卡中进行存储；

2）动态负压数据的读取与转换

利用LabVIEW软件中的读取函数将数据采集卡中的模拟电压信号，并根据物理量间的线性关系转换成实际的动态负压数据；

3）动态负压数据的分离

转换后的二维数组动态负压数据利用LabVIEW软件中索引数组函数将干、支路动态负压的数据进行数据分离；

4）干、支路动态负压数据的分析

①干路数据分析：判断干路动态负压数据是否在理想值范围内，如干路动态负压数据未处于理想值范围，控制电动阀门自动调节阀门的开度，保证干路动态负压数据在理想值范围内；

②支路数据分析：在干路动态负压数据在理想值范围的前提下，如某支路出现动态负压值接近0时，表明对应的支路气管出现漏气现象，此时发出对应支路的警报，系统停止采集并提醒操作人员检查故障；

5）动态负压数据的保存

实时监测结束后，将干、支路动态负压数据按指定的存储路径进行保存。

作为上述方案的进一步设置，所述步骤4中的干、支路动态负压数据的分析是每隔3min进行一次。

作为上述方案的进一步设置，所述步骤4中的理想值范围为排种器稳定排种性能状态下的干路动态负压值范围。

作为上述方案的进一步设置，所述步骤4中电动阀门自动调节开度的具体步骤为：当干路的动态负压数据比理想值范围大，电动阀门自动调节来减小开度；当干路的动态负压数据比理想值范围小，电动阀门自动调节来增大开度。

作为上述方案的进一步设置，所述步骤4的干、支路动态负压数据中还包括在LabVIEW软件界面上显示干、支路动态负压数据的波形图。

作为上述方案的进一步设置，所述步骤4中对应支路通过设置的故障灯进行报警。

（三）有益效果：

1）本发明公开的基于LabVIEW应用的气力式排种装置多路动态负压监测系统，其实现了对气力式排种装置整体干路及各个排种器支路动态负压值的实时监测，通过该监测系统采用包括动态负压数据的实时采集、读取、分离、显示和保存的方法，为气力式排种装置排种性能的试验研究、排种装置智能检测及可靠性分析、拖拉机功耗和风机负荷的降低提供了依据，弥补了现有关于排种装置中气力系统的多路动态负压监测的不足，为实现播种机的精准排料、稳定运行奠定了基础。

2）本发明与现有的气吸式排种器排种反馈调整装置及其反馈调整方法相比，其仅需在每个支路负压气管和干路负压气管中设置压力传感器，然后利用LabVIEW软件即可对气吸式排种器中的运行状态进行实时监测和反馈调整，无需设置多个摄像头对每个播种器的运行情况进行捕捉、分析，将该系统应用在播种机中时在保证了使播种机精准排料、稳定运行的前提下，有效降低了播种装置的制造成本较低，其实用性较现有技术更高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明公开的检测系统立体结构示意图；

图2为本发明公开的多路动态负压监测方法的流程示意图。

其中，1-机架，2-排种器，3-支路负压气管，4-支路正压气管，5-干路负压气管，6-干路正压气管，7-风机，8-压力传感器，9-电动阀门，10-数据采集模块，11-上位机。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、

“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图1，对本发明公开的基于LabVIEW的气力式排种装置多路动态负压监测系统进行说明。

本发明公开了一种基于LabVIEW应用的气力式排种装置多路动态负压监测系统，包括机架1和排种器2，将多个排种器2并排设置在机架1的上端，并在位于每个排种器的下方还设置有接种杯。其中排种器2为气力式排种器，气力式排种器为现有技术，本处不做详细说明。在每个排种器上各连接一个支路负压气管3和一个支路正压气管4，并将多个支路负压气管3汇聚一点共同连接在干路负压气管5上，将多个支路正压气管4汇聚一点共同连接在干路正压气管6上。同时设置多个故障灯（图中未画出）作为警报装置，并将每个故障灯与每个干路负压气管5对应。在机架1的下端设置有负压风机7，并且该负压风机7的真空度量程为-22~0KPa，将干路负压气管5与负压风机7抽气端相连接，将干路正压气管6与负压风机7的出气端相连接。本监测系统在每个支路负压气管3和干路负压气管6上均设置有一个压力传感器8，该压力传感器量程为-30KPa~0KPa，过载压力为150%FS，响应时间为90%FS，输出的是0~5V的模拟电压信号。同时在干路负压气管6上设置有电动阀门9，并且将电动阀门9设置在干路负压气管5上的压力传感器的上游（即设置在靠近负压风机7处的干路负压气管5上）。其中，阀门控制模块采用的是NI-9263型电压输出模块和FRSQT11F-16P型电动球阀（位置精确度为±1%），通过电压信号控制阀门开度来达到控制实际负压的大小，并且输入0~10V电压信号阀门的开度对应0~100%。

另外，该监测系统还包括数据采集模块10和上位机11，其中数据采集模块10采用的是NI-9205型数据采集卡，此采集模块具有32个单端模拟输入通道，16个差分模拟输入通道，采集的电压范围为±10V，压力传感器输出的电压信号正好可以直接被采集卡采集，采样率为250KS/s，可以满足传感器采样速率的要求。将支路和干路上的压力传感器8与数据数采卡之间的连接采用差分接线方式，此接线方式能让采集的数据更加准确。最后，将数据采集卡10与上位机11（即电脑终端）之间通过数据线电性连接，通过电脑中的LabVIEW软件对整个排种装置中的多路并联的动态负压进行监测、分析和控制。

综上所述，本监测系统以压力传感器为测量元件，NI-9205型数采卡为数据采集模块，采集压力传感器输出的信号并在上位机的LabVIEW软件中进行压力值转换、干支路气压值的实时显示、分析、保存以及故障报警等功能。

另外，本发明还公开了一种基于上述气力式排种装置多路动态负压监测系统的监测方法，参考附图2，其操作步骤如下：

步骤一，动态负压数据的采集

①采集通道的设置：根据压力传感器与数据采集卡连接的通道在LabVIEW软件前面板界面设置好采集通道、采样率、采集数、采样方式和接线方式等参数；

②传感器信号的存储：在排种轴转动的状态下，压力传感器采集干、支路负压气管内的动态负压，并转换成0-5V的模拟电压信号，传输到数据采集卡中进行存储。

步骤二，动态负压数据的读取与转换

数据采集卡中的数据为0-5V的模拟电压信号，利用LabVIEW软件中的DAQmx读取函数将数据采集卡中的电压信号读取出来，由于传感器电压信号和压力信号之间是线性对应关系，根据物理量间的线性关系转换成实际所需的动态负压数据。

步骤三，动态负压数据的分离

转换后的动态负压数据为二维数组，利用LabVIEW软件中索引数组函数将干、支路动态负压的数据进行数据分离；

步骤四，干、支路动态负压数据的分析

①干路数据分析：首先判断干路动态负压的数据是否处于理想值范围内，其中理想值范围是根据试验研究得出来的稳定排种性能状态下的动态负压值，具体地先根据播种机的前进速度计算出排种器中排种轴对应转速，再根据排种轴转速匹配对应的阀门开度，即可得到稳定排种性能下的动态负压值。当在某一阀门开度下，干路的动态负压值比理想值范围偏大或偏小，电动阀门则会自动调节来减小或增大阀门的开度，保证干路的动态负压值在理想范围内，此时前面板界面会实时显示干路的波形；

②支路数据分析：在干路动态负压数据正常的情况下（即干路动态负压数据在理想值范围内），各支路动态负压的数据也是正常，在前面板界面显示支路的波形。当某一支路出现动态负压值接近0时，表明对应的支路管出现漏气现象，此时对应支路的故障灯就会常亮报警，系统停止采集并提醒操作人员检查故障；

步骤五：动态负压数据的保存

实时监测结束后，在前面板点击保存按钮，干、支路动态负压数据将会保存到excel表格中，并可以选择指定的存储路径对数据表格进行保存。具体设置时，上述的干、支路动态负压数据的分析是每3分钟计算其均值、最大最小值及标准差等，并将采集的数据保存到Excel表格中，然后进行保存。

为了确定监测系统的可靠性，本发明采用对比分析法，以SG-312型风量风压计测量的负压值为对照标准。试验选取负压水平为排种轴不转动情况下的静态负压-1.0、-1.5、-2.0、-2.5、-3.0kPa共5个梯度，分别记录对应负压水平下风压计测得的和传感器采集的动、静态负压值。其中风压计动、静态负压测量数据采用摄像的方法，测量动态负压时设定排种轴转速为30r/min，取1min内数据的均值作为每组试验的数据，每组试验重复三次，并计算压力传感器和风压计动、静态负压数据之间的相对误差，得到表1所示结果。

表1

其中，上述相对误差=（风压计测量数据-传感器采集数据）/风压计测量数据×100%。

从上述监测系统测得的气力式排种装置干路动、静态负压值与风压计测得的风压值间的偏差均不大于4%，其达到了对排种装置气力系统中多路并联动态负压准确读取、实时监测的效果。

本发明公开的多路动态负压监测系统在对油菜籽排种装置中各支路间动态负压均匀稳定性、干路动态负压和转速对排种性能影响的具体应用研究的实施例如下：

实施例1

为确定各支路间动态负压的分配均匀性及波动稳定性，选取支路动态负压水平为-1.0、-2.0、-3.0、-4.0、-5.0kPa共5个梯度，设定排种轴转速为30r/min，采集3min时间内各支路的动态负压值，计算其均值、标准差和动态负压一致性变异系数，得到表2所示结果。

表2

其中，负压均匀一致性变异系数计算公式如下：

式中

为各支路动态负压波动的标准差；S为支路负压均匀一致性变异系数；t为时间(t=180)；

为第i秒某一支路动态负压值；

为t时间段内某一支路动态负压平均值；

为各支路动态负压值；

为各支路动态负压的平均值。

从表2中可以得出：支路间动态负压均匀一致性变异系数随动态负压的增大呈下降趋势，且均不大于2.5%，但各支路动态负压的波动幅度随动态负压的增大呈上升趋势。由此分析得出，各支路间动态负压分配均匀性较好，各支路动态负压波动稳定性逐渐降低，单体气力式排种器采用排列组合并联布置可保证各行排种器工作时动态负压一致性。

实施例2

为探究干路动态负压和排种轴转速对排种装置排种性能的影响规律，确定排种装置排种性能在不同排种轴转速条件下达到稳定时所需的最低干路动态负压，开展干路动态负压和转速对排种性能的影响试验。干路动态负压的大小通过电动阀门的开度来控制，电动阀门的开度通过电压控制，0~10V电压线性对应0~100%阀门的开度。

本试验以排种轴转速和电压（阀门开度）为试验因素，以各行排量一致性变异系数和总排种量为评价指标，选取电压值为1.5、2.0、2.5、3.0、3.5V共5个梯度，排种轴转速为20、30、40、50、60r/min共5个梯度，进行全因子试验。记录不同阀门开度以及排种轴转速条件下排种装置的动态负压，记录时间为3min，取3min内数据的均值，每组试验重复3次，利用称重法计算平均总排种量和各行排量一致性变异系数，表3所示为排种轴转速30r/min时不同阀门开度下动态负压和排种性能指标值。

表3

其中，各行排量一致性变异系数根据GB/T9478-2005谷物条播机试验方法相关指标计算公式如下：

式中

为平均总排种量；M1、M2、M3分别为第几次试验N个导种管排出油菜种子的总质量；CV为各行排量一致性变异系数；N为导种管个数（N=8）；

为N个导种管排出油菜种子质量的平均值g；

为第i个导种管排出油菜种子质量。

从表3中可知：随着阀门开度的增大，气力式排种装置的动态负压呈增大趋势，平均总排种量先上升后处于稳定状态，各行排量一致性变异系数整体呈先下降后稳定在4%以下，由此分析得出，负压过低对多行并联气力式排种装置排种性能影响较显著，而负压的过度提高对排种装置排种性能并无显著提升，且过高的负压会增加风机的负荷，使单体气力式排种器动态负压的波动趋势上升导致排种器工作不稳定。同时在排种轴转速为30r/min时，排种装置排种性能达到稳定状态所需的最低干路动态负压为2.635kPa（阀门开度为26.8%），因此在实际播种过程中，即可根据拖拉机的行进速度来获取不同排种轴转速下对应的最低干路动态负压或阀门开度。

从上述实施例1和实施例2关于本发明公开的基于LabVIEW研究的气力式排种装置多路动态负压监测系统的具体应用来看，本发明公开的多路动态负压监测系统及方法为排种装置排种性能的试验研究、排种装置智能检测及可靠性分析、拖拉机功耗和风机负荷的降低提供了依据，为实现播种机的精准排料、稳定运行奠定了基础。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种气力式排种装置多路动态负压监测系统，包括多个并排设置的排种器和风机，每个所述排种器上均连接有支路正、负压气管，多个所述支路正压气管汇聚一点连接有干路正压气管，多个所述支路负压气管汇聚一点连接有干路负压气管，所述干路正压气管和干路负压气管分别与风机的出气端、抽气端相连接，其特征在于，所述支路负压气管和干路负压气管上均设置有压力传感器，所述干路负压气管上设置有电动阀门，且电动阀门设置在干路负压气管上的压力传感器的上游，每个所述压力传感器均共同电性连接有数据采集卡，所述数据采集卡电性连接有上位机。

2.根据权利要求1所述的气力式排种装置多路动态负压监测系统，其特征在于，还包括机架，多个所述排种器并排固定设置在机架的上端。

3.一种使用权利要求1或2所述气力式排种装置多路动态负压监测系统进行多路动态负压监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）动态负压数据的采集

①采集通道的设置：根据压力传感器与数据采集卡连接的通道在LabVIEW软件界面上设置好相关参数；

②传感器信号的存储：在排种轴转动的状态下，压力传感器采集干、支路负压气管内的动态负压，并转换成模拟电压信号，传输到数据采集卡中进行存储；

2）动态负压数据的读取与转换

利用LabVIEW软件中的读取函数将数据采集卡中的模拟电压信号，并根据物理量间的线性关系转换成实际的动态负压数据；

3）动态负压数据的分离

转换后的二维数组动态负压数据利用LabVIEW软件中索引数组函数将干、支路动态负压的数据进行数据分离；

4）干、支路动态负压数据的分析

①干路数据分析：判断干路动态负压数据是否在理想值范围内，如干路动态负压数据未处于理想值范围，控制电动阀门自动调节阀门的开度，保证干路动态负压数据在理想值范围内；

②支路数据分析：在干路动态负压数据在理想值范围的前提下，如某支路出现动态负压值接近0时，表明对应的支路气管出现漏气现象，此时发出对应支路的警报，系统停止采集并提醒操作人员检查故障；

5）动态负压数据的保存

实时监测结束后，将干、支路动态负压数据按指定的存储路径进行保存。

4.根据权利要求3所述的多路动态负压监测方法，其特征在于，所述步骤4中的干、支路动态负压数据的分析是每隔3min进行一次。

5.根据权利要求3所述的多路动态负压监测方法，其特征在于，所述步骤4中的理想值范围为排种器稳定排种性能状态下的干路动态负压值范围。

6.根据权利要求3所述的多路动态负压监测方法，其特征在于，所述步骤4中电动阀门自动调节开度的具体步骤为：当干路的动态负压数据比理想值范围大，电动阀门自动调节来减小开度；当干路的动态负压数据比理想值范围小，电动阀门自动调节来增大开度。

7.根据权利要求3所述的多路动态负压监测方法，其特征在于，所述步骤4的干、支路动态负压数据中还包括在LabVIEW软件界面上显示干、支路动态负压数据的波形图。

8.根据权利要求3所述的多路动态负压监测方法，其特征在于，所述步骤4中对应支路通过设置的故障灯进行报警。

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