PWM变量控制喷头雾化特性研究

郭一鸣，张瑞瑞，陈立平，李龙龙

(1.西北农林科技大学 机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100；2.国家农业智能装备工程技术研究中心，北京 100097)

0 引言

目前，我国食品安全状况并不乐观，农药残留、滥用食品添加剂等问题都严重威胁着人类的生命健康[1]。农药残留是食品安全问题中的一大突出问题[2]，通过采用精准施药技术减少农药喷施过量，已成为植保领域的重要研究方向[3]。

采用PWM (Pulse Width Modulation)间歇喷雾流量调节喷洒系统研究喷头的喷雾特性是当前研究变量喷洒的主要方式之一[4]。邓巍等采用开关电磁阀研究了扇形喷头的喷雾特性，发现喷头流量调节倍数可达4.17倍[5]。翟长远等通过脉宽调制变量喷雾对TEEJET AITXA空心锥形喷头建立了喷头流量模型并进行模型普适性实验，结果表明：模型流量和实际测量流量均具有很好的一致性[6]。随顺涛等使用TEEJET 11003标准扇形喷头建立了脉宽调制的变量喷药控制系统，实现了根据车速变化完成变量喷药[7]。魏新华等通过PWM间歇式变量喷施系统研究了TR80-05型圆锥雾喷头的静态雾量喷雾特性，发现PWM信号占空比与雾量沉积量近似呈正比关系[8]。

史万苹等PWM变量控制系统控制电磁阀来研究TEEJET 11003标准扇形喷头的流量情况，流量控制范围可达到4:1[9]。Lebeau等人使用TEEJET XR 11006延长范围扇形喷头设计了基于喷杆速度变化的 PWM 变量施药控制系统，发现变量系统减少了机械不必要震动对喷雾带来的影响[10]。Pierce Robert等人使用TEEJET XR8005型喷头研究不同占空比下的沉积特性，实验发现改变占空比会影响喷雾沉积均匀性[11]。国内外很多基于脉宽调制的变量喷施系统研究均相对于同一种或者同一类型喷头进行[12-20]，并未在相同测试环境下比较不同喷头的喷雾特性。

实际应用中，不同作物及其复杂的施药环境对喷头有不同的要求，且不同喷头的防治效果不同[21]。本文在脉宽调制变量喷施系统的基础上对不同喷头的喷雾效果进行了研究，改变控制高频电磁阀信号的频率和占空比，在相同条件下对不同喷头的流量和粒径进行测量，分析PWM变量施药系统对不同喷头产生的影响，从而为不同的施药环境和施药机具等提供理论基础。

1 理论依据

变量喷洒系统采用高频电磁阀为流量控制元件，通过改变电磁阀的开关量进而改变喷头的流量和压力[22]。理论上通过改变控制信号的占空比会线性地改变喷头流量L1，电磁阀因其机械特性会存在开启反应时间t1和关闭反应时间t2，信号示意图如图1所示。根据公式(1)可求得此时流量L1，即

(1)

式中L1—喷头流量；

t1—电磁阀开启反应时间；

t2—电磁阀关闭反应时间；

F—控制信号频率；

Lq—电磁阀全开喷头流量。

根据以上分析和推导过程可知，在控制信号频率F一定时，流量调节倍数η使得喷头流量L1和全开时流量仍成线性关系。

图1 信号示意图

喷头处压力越大，流量越大。对于同一喷头的变量系统的控制信号，占空比相同，而频率不同，其流量会因间歇式的压力变化而变化。图2为高频和低频下压力变化示意图。流量和到达喷头压力之间的关系为Lb=β·P2，说明高频下流量更大。

图2 高频和低频下压力变化示意图

不同类型喷头的结构和尺寸存在差别，其结构设计会直接影响到达喷嘴的压力P2，进而决定喷头的流量Lb。流量和到达喷头压力为线性关系，对于不同的喷头结构，P2与输出压力Pb之间的关系也为线性关系。所以，喷头流量为

Lb=α·β·Pb

(2)

式中Lb—喷头理论流量；

α、β—常数；

Pb—隔膜泵输出压力。

喷头压力和雾滴粒径之间呈负相关性，两者之间的关系为D=f(A/P)，即压力P越大，雾滴粒径D越小。对于脉宽调制变量系统，喷头压力会因控制信号的不同而发生变化；对于不同的喷头，因其结构不同，喷头处压力变化会对粒径变化产生不同的影响。

由以上理论分析可知：由于高频电磁阀的机械特性及不同类型喷头的结构，不同类型的喷头在相同脉宽调制变量喷洒系统的作用下会产生不同的影响，为探究和验证以上理论猜想，笔者进行了实验研究。

2 材料与方法

实验于2018年7月在国家农业智能装备工程技术研究中心航空施药喷雾检测实验室完成。

2.1 实验材料

实验使用自来水用于流量和粒径的测试，喷头选用德国LECHLER公司生产的防漂移喷头AD120-02、万能型平面扇形喷头LU120-02和空心圆锥雾喷头TR80-02。3种不同类型喷头实物图和结构图分别如图3和图4所示(从左到右依次为LU120-02型万能型扇形喷头、AD120-02型防漂移喷头、TR80-02型空心圆锥雾喷头)。

图3 3种不同喷头实物图

图4 3种不同喷头结构图

3种喷头结构的不同决定其喷雾特性也存在差异：LU万能型平面扇形喷头，通过使用大小合适的喷头及调整必要的喷雾压力可以提供特定应用范围所需的流量，实现对液滴大小的控制；AD防漂移喷头较之LU类型喷头增加了集成乳化式设计，可乳化式入流截面的特殊设计减小了不必要细粒雾滴的产生，且乳化室内压力在液体流进之前本身就会降低，从而有效降低了喷头的磨损；TR类型的空心圆锥雾喷头的喷嘴喷雾锥角80°，适用压力范围可达2MPa，流量误差≤10%，更适用于风送或无风送及循环式喷雾机[23-24]。

变量喷雾系统中使用的电磁阀为压缩天然气(Compressed Natural Gas，CNG)高频电磁阀。高频电磁阀通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。

其主要技术参数如下:

线圈电阻/Ω：3

工作电压/V：12±1.2

最高压力/MPa：0.45

关闭时间/ms：2.0±0.1

开启时间/ms：2±0.1

工作温度/℃：-20～120

最高频率/Hz：125

实验采用德国SYMPATEC公司生产的HELOS-VARIO实时喷雾激光粒度仪测量喷雾区的雾滴粒径，激光粒度仪经典的光路由发射、接受和测量窗口等3部分组成。当发射部分发射的测试光束遇到颗粒阻挡时，测量窗口区域中一部分光将发生散射现象，散射光的传播方向将与主光的传播方向形成一个夹角θ。θ角度与颗粒大小相关，通过接收窗口接收到的传播角度，测定被测颗粒大小。HELOS-VARIO实时激光粒径仪如图5所示。

图5 HELOS-VARIO实时激光粒径仪

2.2 实验方法

PWM 变量喷雾系统由12 V直流电源、电路控制模块、高频电磁阀、喷头体、计算机及串口通信模块组成，如图6所示。

1.自来水 2.药罐 3.隔膜泵 4.压力表 5.调压阀 6.高频电磁阀 7.喷头 8.接液器 9.PWM信号发生及传输模块 10.计算机

通过计算机改变控制高频电磁阀的PWM信号的频率和占空比，改变电磁阀的开关时间，从而改变通过的流量，达到变量喷洒的目的。计算机通过JTAG写入程序，将不同的PWM信号指令直接写入单片机中。变量喷洒控制模块包含电源模块、信号产生模块及信号驱动放大模块，计算机通过JTAG接口将程序写入ATmega128芯片中，芯片将实时产生固定频率和占空比的PWM信号；信号通过L298N驱动芯片产生高电平5V、低电平0V的方波信号，经由MOS管驱动电路和12V直流电源产生驱动电磁阀的PWM控制信号。

实验采用自来水作为实验液体，隔膜泵输出液体压力为0.4MPa，在喷雾系统频率分别为10、15、20、25、30 Hz，占空比25%～100%范围内每隔5%为一个测试，对3种不同类型喷头进行测试。实验测试分为流量测试和粒径测试两部分。

流量测量过程使用秒表记录1 min的喷雾时间，用万分之一天平测量1 min内液体质量，进而算得喷头流量(L/min)。每次实验重复5次，去掉最大值和最小值之后求得流量平均值。雾滴粒径测试过程采用德国SYMPATEC公司生产的HELOS-VARIO实时喷雾激光粒度仪，将喷头置于雾滴粒径分析仪的正上方50cm处。喷洒过程中，从喷雾正中心开始测量，动态水平移动喷雾喷头，测试时间为15s，测量半个喷幅内的粒径情况[25]，每次实验重复5次，去除最大值和最小值，取平均值。

3 结果与讨论

3.1 流量结果分析

测量不同控制信号下LU120-02、AD120-02和TR80-02等3种不同喷头的流量，结果表明：3种喷头流量和占空比、频率均呈正相关；在同一个频率F下，流量L与占空比x之间均呈线性变化趋势，且线性变化区间随频率增大而减小；3种喷头在10Hz和15HZ两种频率下，流量受频率变化不明显，控制信号占空比相同情况下，两种频率对应的流量值相近，即在本脉宽调制变量系统中频率10Hz和15Hz两者之间频率的变化对喷头平均压力P的影响不大，流量趋于一致。LU120-02号喷头流量和占空比变化关系如图7所示。

隔膜泵输出相同的压力0.4MPa，电磁阀开度为100%时3种喷头流量不同：AD120-02和LU120-02全开流量分别为902ml/min和899ml/min，TR80-02型号喷头全开流量为787ml/min。这说明，在测量设备和环境相同情况下，喷头流量会因不同类型喷头结构而不同。TR80-02型号流量小于LU120-02和AD120-02两种型号的喷头流量，且3种喷头流量在10Hz频率下，流量控制比例最大，如图8所示。

图7 LU120-02型喷头流量和占空比变化关系

图8 10Hz频率下3种喷头流量变化情况

由于喷头结构的差异，不同喷头会对流量调节倍数产生不同影响。流量调节倍数ε由占空比100%时每分钟的流量除以占空比为25%的流量求得。不同类型的喷头调节倍数随频率变化如图9所示。由图9可知，3种喷头流量调节倍数均随频率的增大而减小。在相同频率和测试环境下，3种类型的喷头流量调节倍数不同：AD120-02型喷头调节倍数最大且均大于其他两种类型的喷头，最大调节倍数为2.01倍；TR80-02类型喷头调节倍数最小。扇形喷头流量调节倍数均小于李龙龙等[16]实验测得流量调节倍数。对于脉宽调制变量喷雾系统，管道长度和电磁阀的反应时间均会影响到达喷头的压力。由实验原理可知，本实验电磁阀反应时间为2.5ms，大于李龙龙等[16]其使用的高频电磁阀反应时间，所以流量调节倍数变大。

图9 3种喷头流量调节倍数

3.2 雾滴粒径分析结果

在一定频率的控制信号下，3种不同类型喷头雾滴的体积中值中径VMD和占空比x呈负相关，即雾滴粒径随占空比增大而减小。在占空比一定时，AD120-02和LU120-02两种型号的喷头呈现随频率增大而粒径变小的趋势；TR80-02型喷头在高于10Hz时，受频率影响不明显；AD120-02和LU120-02两种型号的喷头在控制信号占空比达到70%之后，雾滴粒径变化不明显。LU120-02类型喷头雾滴粒径与占空比、频率之间的关系如图10所示。

图10 LU120-02型喷头雾滴粒径与占空比变化关系

3种不同的喷头均在10Hz频率下，粒径大小随控制信号占空比的变化最明显。雾滴分布相对跨度(RS)表示雾滴粒径大小的分布情况，RS越小，粒径尺寸分布越均匀，理想为0，如图11所示。在10Hz频率下，3种不同类型的喷头相对粒径谱宽度随占空比变化不明显；TR80-02雾滴分布相对跨度最小，其余两种均大于TR80-02喷头，TR80-02类型喷头的雾滴粒径变化最稳定。

图11 10Hz频率下3种喷头RS与占空比关系

3种不同的喷头在相同的变量喷洒系统作用下，因控制信号频率的不同而表现出了不同的控制比例，如图12所示。雾滴粒径变化幅度△V为占空比为100%和占空比为25%时体积中值中径之差，不同类型的喷头粒径变化幅度随着频率的增大而减小。AD120-02类型喷头在10～30Hz粒径变化幅度均较小，LU120-02型号喷头和TR80-02型号喷头分别在20～30Hz和15～30Hz时粒径幅度变化不明显。

图12 3种类型喷头雾滴粒径变化幅度与频率的关系

4 结论

1)基于高频电磁阀的 PWM 变量喷雾，在压力和频率一定时，3种不同类型喷头流量和占空比呈线性变化趋势，线性区间随频率增大逐渐减小。

2)在PWM变量喷雾系统下，AD120-02型喷头流量调节倍数均大于其余两种喷头，且AD120-02型喷头在频率为10Hz时达到最大调节倍数为2.01倍。

3)采用PWM变量喷雾，3种不同类型喷头雾滴的体积中值中径VMD会随频率和占空比的增大而变小。TR80-02型喷头在频率15～30Hz范围内控制信号占空比对粒径影响不明显。

4)PWM变量喷雾系统对3种不同类型的喷头雾滴粒径分布相对跨度和变化幅度影响不同，TR80-02号喷头雾滴分布相对跨度和粒径变化幅度均最小，即雾滴分布的稳定性和均匀性最好。