CN204630886U - 一种喷头雾化三维液滴粒径谱动态测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种喷头雾化三维液滴粒径谱动态测试系统，属于农业测量仪器领域。系统通过在框式试验台架(1)的两侧壁各安装一个引导移动装置，以及电动螺旋升降机和行程开关(4)，在该侧壁外侧设计一刻度尺(3)，电动螺旋升降机丝杆部分配置一个两端安装圆柱型导轨的横梁，并设计激光束挡板机构(18)和回水循环收集系统。本实用新型确保激光粒度仪能测量喷头喷施液滴的完整动态雾化过程，通过测试过程喷头的正、反向运动并调整喷头与激光粒度仪的距离，来减小因细小液滴通过激光束过程中速度迅速衰减而对测量结果带来的影响，从而保证激光粒度仪对液滴粒径测试结果的可靠性，并确保了操作人员的安全和喷雾介质的循环利用。

Description

一种喷头雾化三维液滴粒径谱动态测试系统

技术领域

本实用新型涉及农业测量仪器技术领域，尤其涉及喷头雾化三维液滴粒径谱动态测试系统。

背景技术

喷头雾化后的液滴粒径是影响农药有效沉积和无效飘移最主要的因素，测量液滴粒径的方式有介入式和非介入式，介入式测量时采用水敏纸等进行采样分析，非介入式大多采用先进自动装置来测量液滴粒径，使用计算机和高速照明源如激光在几秒内对上万液滴进行分析，但是喷头到激光光束的测试距离对液滴粒径测量结果有着重要影响。喷头与激光粒度仪的距离对于液滴粒径分布的影响主要是由于液滴粒径测量仪器的时空采样性。对于激光粒度仪的空间系统而言，液滴通过激光束的速度会影响测量结果。当所有液滴经喷头雾化刚离开喷头时，它在运动初始阶段的速度几乎相同，不同尺寸的液滴都具有较大的动能。然而在继续运动过程中，不断卷吸并混合外界气流，使得射流断面不断扩大，液滴的运动速度不断降低。小液滴的动能由于空气阻力作用迅速衰减，其运动速度的衰减率比大液滴快，大液滴迅速穿过用于测量的激光束，但小液滴要花更长的时间来穿过激光束，即大液滴已经沉积了，而小液滴仍悬浮在空气中，而激光粒度仪测试的是一段时间内的雾谱，如果采用静态定点的测量方式，激光粒度仪系统仅对一个较小的区域进行采样，测试了较多的小液滴，导致测量出的液滴粒径变小，降低了结果的准确性和可靠性。由于在雾化区测量截面中，大液滴分布在截面边缘，小液滴分布在截面中央，所以采用动态测量后，能有效测试整个分布截面，提高数据的准确性和可靠性。动态测量时，可以通过移动激光粒度仪来实现，也可以由喷头的运动来实现，由于激光粒度仪的移动可能会导致激光光束的发射和接收不对中或振动而产生偏差，因此由喷头的运动来对整个喷雾区域进行采样、实现动态测量整个雾化分布截面是可行的方式。

喷头安装在不同的搭载机构上，喷施不同的作物对象时，喷头的安装角度是需要调整的，以保证覆盖的区域和范围，避免出现重复喷施或漏喷的现象，如当扇形喷头进行多个喷头组合喷施时，因其冲击力较强，极易出现重复喷施的现象，因此，同方向旋转一定角度，以避免个喷头之间的相互干扰，从而确保喷雾效果，所以喷头安装角度的可调性对于研究雾化特性也很重要。

测试雾滴粒径的激光粒度仪多采用600nm左右的激光光源，属于可见光范围，其透射率高，进入操作人员眼睛时可以透过人眼屈光介质，聚积光于视网膜上，当长时间注视激光时，激光聚于感光细胞时产生过热而引起的蛋白质凝固变性是不可逆的损伤，一旦损伤以后就会造成眼睛的永久失明。利用激光粒度仪测试雾滴粒径，如果长时间观测而没有设计必要的防护装置，就会引起视网膜损害。

发明名称为“一种风送喷雾测试装置(专利号：201110359980.0)”的专利提供一种风送喷雾测试装置，可以精确调整风速大小、喷雾压力、喷头位置，能够测试不同条件下喷雾雾化特性，但是没有配合激光粒度仪测试液滴粒径的功能。

发明名称为“一种激光测试喷嘴粒度装置(专利号：201210331556.X)”所述的专利内容为喷嘴由机械台架的机械手带动进行平行移动和垂直移动，但是在测试过程中并没有保持喷头的全程动态移动。

发明名称为“一种喷雾二维分布自动测试装置和方法(专利号：201210472829.2)”所述的专利提供对不同类型喷头的喷雾二维分布情况进行测试，通过超声波传感器测试喷雾的均匀性，但是没有涉及液滴粒径尺寸的测试。

发明名称为“一种喷嘴特性的测试装置(专利号：201410034846.7)”所述的专利利用油膜法采集液滴，然后使用显微镜对液滴进行粒径测量，这种方法耗时且误差大，没有实现液滴的实时测量。

以上四个专利均没有实现喷头在测试过程中的全动态化，没有实现喷头在动态测试过程中的上下反向移动，且没有对于激光发射装置的防护设计，影响了测试数据的精度准确性和试验的安全防护性。

发表在《农业机械学报》的文章《扇形喷头雾滴粒径分布风洞试验》所描述系统将喷头安装在一个能进行三维空间移动的坐标架上，通过计算机输入指令实现三维坐标架运动并控制激光粒度仪进行测试，但是该系统没有移动过程中的行程限位开关设计，移动高度和喷头角度无法进行自动标定和调节，没有设计喷雾介质循环利用装置。在测试过程中，该系统会出现喷头沿坐标架移动过程中冲出轨道的情况，损坏试验仪器，危及操作人员人身安全，同时，移动高度和喷头角度的标定要依靠人工采用皮尺和量角器等工具测量，费力、费时、精度低，喷雾介质由喷头喷出后散落到地面等环境中，造成了测试环境的污染和喷雾介质的浪费。

发明内容

1、要解决的问题

针对上述现有技术中测试数据的准确性和可靠性等技术问题，本实用新型提供一种喷头雾化三维液滴粒径谱动态测试系统，可准确、快捷实现喷头在三维空间的匀速移动，喷头距离地面即垂直方向的高度和喷头距离激光光束即水平方向的长度都可调节，激光光束穿过液滴区，确保完整地测量整个喷雾羽流，从而使激光粒度仪能有效测试整个雾化区分布截面，观测到喷施液滴的一个动态雾化过程和三维液滴粒径谱分布。

2、技术方案

本实用新型专利是通过以下技术方案实现的：

一种喷头雾化三维液滴粒径谱动态测试系统，包括框式试验台架，激光粒度仪，激光粒度仪台架，还包括第一引导移动装置、第一电动螺旋升降机、行程开关、第一丝杆、横梁、托板、第二电动螺旋升降机、第二引导移动装置、喷头、底座、角度刻度仪和第二丝杆；所述框式试验台架两侧壁各安装一个引导移动装置，所述的引导移动装置为第一引导移动装置，所述两侧壁之一安装第一电动螺旋升降机和两个行程开关，第一丝杆联接固定于第一电动螺旋升降机上，横梁一端焊接托板，托板安装第二电动螺旋升降机，横梁安装第二电动螺旋升降机的一侧设置第二引导移动装置，第二丝杆联接固定于第二电动螺旋升降机上；喷头固定于开有螺纹孔并沿第二引导移动装置移动的底座上，底座上设置有角度刻度仪，底座安装在水平位置的第二丝杆上。

优选的，所述激光粒度仪包括发射端和接收端，所述的发射端和接收端均安装在激光粒度仪台架；激光粒度仪台架上通过螺栓和螺母联接固定有激光粒度仪托板。

优选的，系统还包括激光束挡板机构，所述激光束挡板机构包括采用两块推拉式安装于激光束挡板机构台架上的挡板，设置于激光粒度仪的发射端和接收端。

优选的，系统还包括回水收集系统、过滤装置和导管；所述的回水收集系统为广口型集水器将喷施的液滴收集到集水槽中，并通过泵将收集的喷雾介质经过滤装置沿导管导流到水箱中。

优选的，系统中框式试验台架、激光粒度仪台架和激光束挡板机构底部均安装脚轮。

优选的，第一引导移动装置为圆柱型导轨、光轴或底托；所述的第二引导移动装置为圆柱型导轨、光轴或底托。

优选的，所述的喷头设置有紧固螺钉；通过调节紧固螺钉的松紧度来调节喷头的夹角。

优选的，所述框式试验台架上安装第一电动螺旋升降机和两个行程开关的侧壁的外侧设置有一刻度尺，实现喷头高度的快速定位。

优选的，所述框式试验台架为门框式试验台架。

喷头雾化三维液滴粒径谱动态测试系统的使用方法，其步骤包括：

接通电源，在第一电动螺旋升降机和第二电动螺旋升降机的驱动下，横梁和底座可分别沿着第一引导移动装置和第二引导移动装置移动，实现喷头在竖直方向和水平方向移动，并通过脚轮调节框式试验台架的位置，来实现喷头的空间运动，同时通过调节紧固螺钉的松紧度来调节喷头的夹角，实现喷头在0-90°范围内任意角度的旋转调节，并通过角度刻度仪读取喷头所处的角度；

当横梁移动至行程开关位置处，横梁碰触到行程开关，使第一电动螺旋升降机反转，带动横梁向反方向移动，实现喷头反方向移动；

通过框式试验台架外侧壁处的刻度尺实现喷头高度的快速定位；

固定于托板上的第二电动螺旋升降机驱动联接固定于其上的第二丝杆，带动底座沿第二丝杆移动，实现喷头沿水平方向的移动，从而实现试验过程中喷头的全部雾化区域能够被激光光波穿过，完整地测量整个喷雾羽流，实现激光粒度仪对液滴粒径测试。

3、有益效果

相比于现有技术，本实用新型的有益效果为：

(1)通过电动螺旋升降机和设计为圆柱型导轨(滑块)并开有螺纹孔的底座配合，在电动机的驱动下，可实现喷头沿固定于横梁一侧的圆柱型导轨移动，从而可实现喷雾液滴粒径的动态测量。由喷头的运动来实现有效测试喷头雾化后的整个分布截面，避免了静态定点测量时激光粒度仪系统仅测试某点的液滴而难以反映整个雾化区的液滴粒径分布信息的结果，提高了数据的完整性、准确性和可靠性；

(2)只要启动固定于门框式试验台架侧壁或是横梁上的电动螺旋升降机便可实现丝杆旋转带动开有螺纹孔的横梁和设计为圆柱型导轨(滑块)并开有螺纹孔的底座上下左右移动，从而实现喷头空间位置的调节，在门框式试验台架一侧壁安装的行程开关可限定喷头的上下移动的范围，即当横梁移动至行程开关位置处时，触发行程开关向控制系统发送信号指令，控制系统作出响应使电动机螺旋升降机反转，带动横梁向反方向移动，实现喷头的反方向移动，提高了测试系统的智能化，防止喷头在移动的过程中冲出轨道，导致试验仪器的损坏，同时保证操作人员的安全；

(3)门框式试验台架一侧壁外侧的刻度尺可结合横梁上指针快速读取喷头的高度值，实现对喷头高度的快速定位，无需每次测试都进行人工标定，降低了试验的劳动强度，提高了距离测量和高度标定的准确性；在每次试验开始时，角度刻度仪实现了喷雾角度的快速标定和调节；

(4)激光粒度仪托板采用螺栓和两个螺母来进行固定，其中螺母固定于激光粒度仪试验台架上，在调节的过程中只需调节螺母的相对高度便可实现激光粒度仪托板高度的调节，易于操作，结构简单，该结构可方便实现激光粒度仪激光光束发射端和接收端对中性的调节；

(5)激光束挡板采用两块推拉式安装于激光束挡板机构台架上，且该机构分布于激光粒度仪的发射端和接收端，全方位防护激光，可保护试验人员的眼睛免受激光对于视网膜的伤害，同时可减少或避免喷施的液滴飞溅到激光束发射端镜片上，避免激光束的散射等问题，减小试验误差；

(6)回水循环收集系统固定于激光粒度仪试验台架上，可用于收集试验前调节喷雾压力到设定压力过程中及试验过程中喷施的液滴，该回水循环收集系统由广口型集水器将喷施的液滴收集到集水槽中，并通过泵将收集的喷雾介质经过滤装置沿导管重新导入水箱，减少资源的浪费，实现绿色环保、节约型测试。

附图说明

图1为喷头雾化三维液滴粒径谱动态测试系统的整体三维结构简图；

图2为不加激光束挡板机构的喷头雾化三维液滴粒径谱动态测试系统的三维结构简图；

图3为测量喷头旋转角度的角度刻度仪局部放大图；

图4为门框式试验台架侧壁刻度尺的局部放大图；

图5为激光粒度仪台架结构简图。

图1-5中：1为框式试验台架，2-1为第一圆柱型导轨，2-2为第二圆柱型导轨，3为刻度尺，4为行程开关，5-1为第一电动螺旋升降机，5-2为第二电动螺旋升降机；6-1为第一丝杆，6-2为第二丝杆，7为横梁，8为托板，9为喷头，10为底座，11为激光粒度仪托板，12为激光粒度仪台架，13为回水循环收集系统，14为脚轮，15为角度刻度仪，16为过滤装置，17为泵，18为激光束挡板机构，19为导管，20为发射端，21为接收端。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

实施例1

如图1-3所示，一种喷头雾化三维液滴粒径谱动态测试系统，包括框式试验台架1(呈门框式试验台架)、激光粒度仪、激光粒度仪台架12、第一引导移动装置、第一电动螺旋升降机5-1、行程开关4、第一丝杆6-1、横梁7、托板8、第二电动螺旋升降机5-2、第二引导移动装置、喷头9、底座10、角度刻度仪15和第二丝杆6-2；所述框式试验台架1两侧壁各安装一个引导移动装置，安装在框式试验台架1两侧壁上的引导移动装置为第一引导移动装置，两侧壁之一安装第一电动螺旋升降机5-1和两个行程开关4，第一丝杆6-1联接固定于第一电动螺旋升降机5-1，横梁7设置在两个第一引导移动装置之间，横梁7一端与第一丝杆6-1相连；横梁7一端焊接托板8，托板8安装第二电动螺旋升降机5-2，横梁7安装第二电动螺旋升降机5-2的一侧设置第二引导移动装置，第二丝杆6-2联接固定于第二电动螺旋升降机5-2上；喷头9固定于开有螺纹孔并沿第二引导移动装置移动的底座10上，底座10上设置有角度刻度仪15(如图3所示)，底座10安装在水平位置的第二丝杆6-2上。

所述的第一引导移动装置为第一圆柱型导轨2-1；所述的第二引导移动装置为圆柱型导轨2-2。系统还包括激光粒度仪托板11，激光粒度仪托板11通过螺栓和螺母联接固定于激光粒度仪台架12上；还包括激光束挡板机构18，所述激光束挡板机构18包括采用两块推拉式安装于激光束挡板机构台架上的挡板，设置于激光粒度仪的发射端20和接收端21，如图5所示；还包括回水收集系统13、过滤装置16所述的回水收集系统13为广口型集水器将喷施的液滴收集到集水槽中，并通过泵17将收集的喷雾介质经过滤装置16沿导管19导流到水箱中。

其中门框式试验台架、激光粒度仪台架12和激光束挡板机构18底部均安装脚轮14；所述的喷头9设置有紧固螺钉；通过调节紧固螺钉的松紧度来调节喷头9的夹角。如图4所示：所述框式试验台架1上安装第一电动螺旋升降机5-1和两个行程开关4的侧壁的外侧设置一刻度尺3，实现喷头9高度的快速定位。

试验前，将喷头雾化三维液滴粒径谱动态测试系统的脚轮14打开，把测试系统(框式试验台架1和激光粒度仪台架12)移动到试验指定位置，然后锁紧脚轮14，固定试验系统；并通过调节激光粒度仪托板11的高度和激光粒度仪激光发射端的左右位置来调节激光粒度仪的对中性。

试验开始时，接通第一电动螺旋升降机5-1的电源，在第一丝杆6的带动下安装有喷头9的横梁7可沿着第一圆柱型导轨2-1移动，在行程开关4的控制下，当横梁7移动至行程开关4位置处，触发行程开关4向控制系统发送信号指令，控制系统作出响应使第一电动螺旋升降机5-1反转，带动横梁7反方向移动，从而实现喷头9沿第一圆柱型导轨2-1的上下往复移动，且能确保横梁7不会冲出轨道，避免造成试验人员和试验仪器的损伤；喷头9沿第一圆柱型导轨2-1上下运动时可通过框式试验台架1侧壁的刻度尺3可快速读取其高度，对喷头9进行高度快速定位；当喷头9高度调节到预设的高度后，通过调节紧固螺钉的松紧度来调节喷头9的夹角，并通过角度刻度仪15读取喷头9的角度，调节到预设的喷雾角度后打开喷雾控制系统和喷头9，通过控制系统调节喷雾压力，待喷雾压力达到设定的参数值时，接通第二电动螺旋升降机5-2的电源，驱动第二螺旋丝杆6-2，并通过第二螺旋丝杆6-2带动设计为圆柱型导轨(滑块)并开有螺纹孔的底座10沿第二螺旋丝杆6-2移动，实现喷头9沿水平方向的第二圆柱型导轨2-2移动，从而使喷头9的全部雾化区域被激光光波穿过，确保整个喷雾羽流进行采样，并通过调整喷头9与激光粒度仪的距离，来减小因细小液滴通过激光束过程中速度迅速衰减而对测量结果带来的影响，从而保证激光粒度仪对液滴粒径测试结果的可靠性。

试验前喷雾压力的调试过程和试验过程中喷头9喷施的液滴，由回水循环收集系统13的广口型集水器收集到集水槽中，并通过泵17将收集的喷雾介质经过滤装置16沿导管19导流到试验水箱中，实现试验喷雾介质的循环利用，减少喷雾介质的使用，同时可保持试验环境的整洁。

其中激光粒度仪托板11通过在螺栓上使用上下两个螺母固定于激光粒度仪台架12上，通过调节螺母在螺栓上的位置来实现激光粒度仪托板11高度的调节，操作简单方便，便于激光光束发射端20和接收端21的对中性的调节；

两块采用推拉式的激光束挡板安装于激光束挡板机构台架上，且激光束挡板机构18分布于激光粒度仪的发射端20和接收端21，在激光束竖直平面位置留有缝隙以确保激光束无损耗地通过该挡板机构；该挡板机构在试验过程中既可减小激光束的可视范围，保护试验人员的眼睛，同时可避免喷施的液滴飞溅到激光束发射端镜片上，造成激光束的散射，使试验测得的数据误差增大；

回水循环收集系统用于收集试验前调节喷雾压力到设定压力过程中及试验过程中喷施的液滴，回水循环收集系统是由广口型集水器将喷施的液滴收集到集水槽中，并通过泵将收集的喷雾介质经过滤装置沿导管重新导入水箱，实现试验喷雾介质的循环利用，减少试验资源的不必要的浪费，同时可保持试验环境的整洁。试验结束后，用清水对测试系统进行清洗，除去试验过程中残留的介质，清洗完毕后断开电源，通过脚轮14可方便快捷地将试验台架进行移动。

实施例2

结构同实施例1，不同在于所述的第一引导移动装置为光轴；所述的第二引导移动装置为光轴。

测试方法同实施例1。

实施例3

结构同实施例1，不同在于所述的第一引导移动装置为底托；所述的第二引导移动装置为底托。还包括一控制系统，当横梁7移动至行程开关位置处，横梁碰触到行程开关，行程开关向控制系统发送信号指令，控制系统作出响应使电动螺旋升降机反转，带动横梁7向反方向移动，实现喷头反方向移动；

测试方法同实施例1。

试验采用采用激光粒度仪在静态(常规测试系统，即喷头在测试过程中始终保持静止不动)和动态(本实用新型的测试系统)两种情况下在不同压力时测试6种不同喷头，选取喷头雾化测试领域最常用的评价特征参数Dv50来进行分析评价不同测试系统的性能，Dv50：雾滴累计分布为50％的雾滴直径，即小于此雾滴直径的雾粒体积占全部雾粒体积的50％，也称为体积中径(volume median diameter)，简称VMD。相应等级遵从英国农作物保护委员会(BCPC)和美国农业工程师学会(ASABE)S572标准进行判定，数据如表1所示。从表1中可见，静态测试系统比动态测试系统测出的雾滴粒径都小，有部分喷头采用静态系统进行测试在特定压力下甚至导致所对应的等级比标准等级更加细小，因此，采用动态测试方法后，提高了数据的准确性和可靠性，得到的雾滴粒径与英国农作物保护委员会(BCPC)和美国农业工程师学会(ASABE)S572喷头粒径标准一致性更好。

表1不同喷施压力下6种喷头的雾滴粒径分布参数和等级

Claims (9)

1.一种喷头雾化三维液滴粒径谱动态测试系统，包括框式试验台架(1)，激光粒度仪，激光粒度仪台架(12)，其特征在于，还包括第一引导移动装置、第一电动螺旋升降机(5-1)、行程开关(4)、第一丝杆(6-1)、横梁(7)、托板(8)、第二电动螺旋升降机(5-2)、第二引导移动装置、喷头(9)、底座(10)、角度刻度仪(15)和第二丝杆(6-2)；所述框式试验台架(1)两侧壁各安装一个引导移动装置，所述的引导移动装置为第一引导移动装置，所述两侧壁之一安装第一电动螺旋升降机(5-1)和两个行程开关(4)；第一丝杆(6-1)联接固定于第一电动螺旋升降机(5-1)上；横梁(7)一端焊接托板(8)，托板(8)上安装第二电动螺旋升降机(5-2)，横梁(7)安装第二电动螺旋升降机(5-2)的一侧设置第二引导移动装置；第二丝杆(6-2)联接固定于第二电动螺旋升降机(5-2)上；喷头(9)固定于开有螺纹孔并沿第二引导移动装置移动的底座(10)上，底座(10)上设置有角度刻度仪(15)，底座(10)安装在水平位置的第二丝杆(6-2)上。

2.根据权利要求1所述喷头雾化三维液滴粒径谱动态测试系统，其特征在于，所述激光粒度仪包括发射端(20)和接收端(21)，所述的发射端(20)和接收端(21)均安装在激光粒度仪台架(12)上；激光粒度仪台架(12)上通过螺栓和螺母联接固定有激光粒度仪托板(11)。

3.根据权利要求2所述喷头雾化三维液滴粒径谱动态测试系统，其特征在于，还包括激光束挡板机构(18)，所述激光束挡板机构(18)包括采用两块推拉式安装于激光束挡板机构台架上的挡板，设置于激光粒度仪的发射端(20)和接收端(21)。

4.根据权利要求1或2所述喷头雾化三维液滴粒径谱动态测试系统，其特征在于，还包括回水收集系统(13)、过滤装置(16)和导管(19)；所述的回水收集系统(13)为广口型集水器将喷施的液滴收集到集水槽中，并通过泵(17)将收集的喷雾介质经过滤装置(16)沿导管(19)导流到水箱中。

5.根据权利要求3所述喷头雾化三维液滴粒径谱动态测试系统，其特征在于，所述的框式试验台架(1)、激光粒度仪台架(12)和激光束挡板机构(18)底部均安装脚轮(14)。

6.根据权利要求1所述的喷头雾化三维液滴粒径谱动态测试系统，其特征在于，所述的第一引导移动装置为圆柱型导轨、光轴或底托；所述的第二引导移动装置为圆柱型导轨、光轴或底托。

7.根据权利要求6所述的喷头雾化三维液滴粒径谱动态测试系统，其特征在于，所述的喷头(9)设置有紧固螺钉；通过调节紧固螺钉的松紧度来调节喷头(9)的夹角。

8.根据权利要求7所述的喷头雾化三维液滴粒径谱动态测试系统，其特征在于，所述框式试验台架(1)上安装第一电动螺旋升降机(5-1)和两个行程开关(4)的侧壁的外侧设置有一刻度尺(3)，实现喷头(9)高度的快速定位。

9.根据权利要求1所述的喷头雾化三维液滴粒径谱动态测试系统，其特征在于，所述框式试验台架(1)为门框式试验台架。