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农药喷雾液滴尺寸和速度测量方法2011年5月农机化研究第5期农药喷雾液滴尺寸和速度测量方法邓巍,孟志军,陈立平,王秀,郭建华,陈天恩,徐刚,张瑞瑞(国家农业信息化工程技术研究中心,北京100097)摘要:测量和控制喷雾液滴的粒径和速度对于农业施药过程的优化和提高药液沉积率具有重要的作用.为此,概述了目前国内外已有的雾滴粒径和速度的测量方法,并从测量系统组成,测量原理和测量方法等方面,着重介绍了既可测量雾滴粒径,又可测量雾滴速度的,高测量精度的三维多普勒激光粒子动态分析仪(PhaseDopplerParticleDynamicAnalyzer,PDA)和粒子/雾滴图像分析仪(Particle/DropletImageAnalysis,PDIA).关键词:喷雾液滴;粒径;速度;测量中图分类号:S491文献标识码:A文章编号:1003188X(2011J050026050引言农业喷施涉及实现具有一定雾滴粒径和速度的喷雾.测量和控制这些参数的分布非常重要,因为这些参数是影响雾滴轨迹及其与靶标相互作用的重要因素.特定农药的效力常常取决于雾滴粒径.好的,均匀的靶标覆盖率通常是用小雾滴获得的,提高雾滴在靶体植物上沉积率的方法是减小雾滴粒径谱,同时增大雾滴速度,其中增加雾滴细度尤为重要.然而,较大雾滴可以较长时间保持其动量,因此不易受侧风的干扰,不易形成飘移.因此,一个理想的喷雾是包含较窄的雾滴谱,既没有很粗的雾滴,又没有过细的雾滴.增加或保持喷雾液滴速度以及相应的动量和动能可以减小喷雾漂移,并提高树冠渗透以及沉积率.液滴在喷孔和目标树冠间的传输时间与液滴速度成反比,缓慢移动的液滴会在喷束和庄稼外冠之间的区域运动很长时间,就像Zhu等人的研究结果,雾滴在空中停留时间增加会增加被周围的风吹走的可能性_3j.另外,液滴在目标上的沉积效率,尤其是小液滴的沉积效率,会随着液滴速度的增加而显着增加.对于我国现阶段,喷施农药时对喷雾液滴的大小,速度和数量没有严格要求,有些喷头质量较差,喷雾液滴粗大,使得单位面积用液量过大,大部分药液从靶标上流失,降低了防治效果.施药喷雾粒径和速度是决定喷雾质量的关键因素,应引起足够重视,加收稿日期:2010一O810基金项目:国家863计划项目(2010AAIOA301)作者简介:邓巍(1969),女,乌鲁木齐人,副研究员,博士,(Email).?26?大力度建设雾滴粒径和速度的测试平台.本文将概述目前国内外已有的雾滴粒径和速度的测量方法,并着重介绍既可测量雾滴粒径,又可测量雾滴速度的,高测量精度的粒子动态分析仪(DropletDynamicAnalyzer)和粒子/雾滴图像分析仪(Pani.cle/DropletImageAnalysis,PDIA).1喷雾液滴粒径和速度测量方法1.1粒径测量方法雾滴尺寸测量的准确性与雾滴采样的方法以及测量仪器的精度均有很大的关系.理想的雾滴尺寸测量方法应达到:采样和测量迅速;在整个被测范围内,能获得良好的雾滴尺寸分辨率;能适应液体雾化区和周围空气特性的变化;在测量过程中不干扰雾化过程或喷雾特性;测量方便,经济性好.目前,国内外已开发了大量的测量雾滴尺寸的方法,各有其优缺点,关键是要找到一种能满足特定领域需要的测量方法.Tayali和Bates综述了一系列可用来测量多相流体中的粒子,雾滴或气泡尺寸的光学方法;Sidahmed和Yates利用PMSFSSP探头测量农用喷头喷雾液滴尺寸分布J.LeeGDodge用6类雾滴尺寸测量仪器(包括PMS,Malvem激光粒谱仪,AerometricsPDPA,Bete雾滴分析仪等)对两类喷头进行了对比测试J.结果表明,用不同仪器测量存在的系统误差超过了同一喷头在不同时间进行测量所造成的再现性误差.目前较普遍应用的雾滴尺寸测量原理归纳起来有3类:机械方法.如将雾滴冷冻或冷却成固体颗粒进行测量,以及利用不同尺寸雾滴的运动惯性和速度差异特性来区分雾滴尺寸范围等.电气方法.2011年5月农机化研究第5期如充电线法(Chargedwire)和热线法(Hotwire).光学方法.如利用雾滴的一些物理特性(光强,相差,荧光和极化等)进行测量,高速摄影,激光全息,激光多普勒,激光图像化和扫描技术等.通常光学测量系统价格昂贵,且使用调试比较繁琐,但相对来说精度比较高.在我国的喷雾技术研究中,由于受到测量设备研发水平和经济条件的制约,除部分采用Malvern激光粒谱仪和PDA激光多普勒测粒测速仪外,两种简便的机械方法应用甚广.但这两种机械方法,雾滴采集后,通常通过光学显微镜进行雾滴尺寸测定,工作强度大,且准确性较差.1.2粒子速度测量方法喷雾速度的测量方法主要有以下几种.1)热线热膜流速仪.热线热膜流速仪(CTA)的工作原理是利用测量元件在流体(气,液)中的热损耗来测定流场的流体速度.用电流加热的热膜探头置于待测流场某点中,被流体的对流热传递所冷却,不断保持探头的平衡温度不变,检测加热电流与流速的动态对应关系,由于探头丝径为微米量级,动态响应达兆赫量级,因此灵敏度很高,能根据不同的要求测量出二维,三维流场.这种测量方法具有惯性小,测速范围广,采样频率宽,动态响应好的优点,且设备简单,使用方便,探头尺寸小,反应快,灵敏度高,可以测量平均流速和脉动流速.其最大的缺点是接触式测量,要将探头伸进流场,对流场有干扰;新系统使用前必须仔细标定;固体探头表面易快速磨损而无法重新标定.这种测速方法属于单点测速,不能判断流动方向,受气体压力,温度等参数变化的影响.2)激光多普勒测速技术.激光多普勒测速技术(LaserDopplerVelocimeter,LDV)自1964年Yeh和Cummins开始将此技术应用于测定管内的水流以来,有了很大的发展,已形成专门的技术领域,是测量流场速度的有力工具.其原理是,当激光照射到运动的喷雾粒子时将被运动的粒子散射,散射光和入射光的频率相比较,将产生一个频率差值,可以求出正比于流体速度的多普勒频移.因此,只要测出随流体一起运动的微粒对激光束散射的多普勒频移,就可以获得流场该点处的流动速度.测量时只要把光传送到测量点处,不需要将任何设备伸进流场,对流场没有任何干扰.激光可在被测速度处聚成很小的一个测量体,因此空间分辨率很高.LDV具有输出信号的频率和速度是线性关系的优点,并能覆盖一个很宽的测速范围,范围可从每秒几毫米的速度到超音速.在液体流动中多普勒信号是连续的,本质上LDV的响应没有滞后,能够跟上湍流的快速脉动.而且LDV能同时测定流速的大小和方向,不必插入探头就可以在恶劣的环境(腐蚀性液体或火焰中)下进行测量,除了有很长一段光路从热气体中通过以外,一般不必考虑温度的影响.3)PDA相位多普勒激光粒子动态分析仪.相位多普勒激光粒子动态分析仪(ParticleDynamicalAnalyzer),简称PDA.PDA的基本原理是运动粒子发出的散射光频率与照射在此粒子上的光的频率之间产生频差,这一频差正比于粒子流动速度.采用探测器接收这个频差并对其进行处理,就可得出速度量.放置多个探i贝4器,每个探测器接收相同的多普勒频差,而每个探测器之间存在相位差,这个相位差正比于粒子的直径,对相位进行处理,就可以得到粒径的信息.与LDA最大的不同在于接收光学单元有3个探测器,可以同时测量粒子直径和运动速度,这也是其最大的优点.PDA测量多维速度分量方法与LDA相同.利用激光多普勒测试技术的优点,测量时不干扰流场,不需进行温度和压力的校正,有很高的时问和空间分辨率,测量到的是粒子速度而不是速度函数,可在空间逐点测量粒子的速度.相位多普勒技术无法测量喷雾中心区存在未雾化的喷注核心区,喷束区的速度测量问题还有待进一步的研究.以上所述几种技术都属于单点测试技术,不能获取整个流场的信息.4)PIV粒子图像测速技术.PIV可以测量整个流场的信息.PIV技术的测量原理是,在流场中散布合适的示踪粒子,用激光片光源照射所测流场切面区域,通过高速摄影机拍摄两次或多次曝光的粒子运动图像,形成PIV底片;再用粒子图像相关方法逐点处理PIV底片,获得每一判读点小区中粒子图像的平均位移,由此确定流场切面上多点的二维速度.目前,PIV技术可以在一个截面上测量出瞬时100015000个二维速度矢量,其精度约为1%,可与LDV媲美.三维的流动矢量可以用三维扫描粒子图像技术获得.其优点主要表现为1:PIV技术是全流场的测量,并且得到的是瞬态流场数据,这是LDV测量方法无法实现的;PIV技术不会干扰流场;因获得的是全流场的速度场,运用流体运动方程可十分容易地提取其他物理量信息,如压力场,涡量场等;实验精度较高,可真实准确地再现流场,但PIV无法实现对单个运动粒子的速度的测量.根据本研究的研究目的和方法,需要对被测喷雾2011年5月农机化研究第5期采样一定数目的喷雾液滴,对其进行点测量,测其粒径和速度.从以上对于粒子粒径和速度的测量方法介绍可以看到,既可测量粒径又可测量粒子速度的点测量设备只有PDA(粒子动态测量分析仪),且这种测量设备精度高,属于无接触式测量,不会影响雾场.本研究中就采用PDA测量了所需的喷雾液滴粒径和速度2常用高精度喷雾测量系统2.1PDA测量系统及其原理2.1.1PDA测量系统以DanteeDynamics公司生产的三维多普勒激光粒子动态分析仪(PhaseDopplerParticleDynamicAn.alyzer)为例.激光测速测粒技术是一种非接触测量方法,由于其对所测流场没有干扰,在喷雾特性研究,多相流研究中得到了越来越广泛的应用.3DPDA测量系统的基本工作原理是,利用多普勒频移原理测速,利用多普勒相位差原理测粒径大小,它是一种非接触式的测量工具,并具有不需标定和测量精度高等特点n.粒子动态分析仪采用F.Durst教授创立的相位多普勒原理,可对粒子尺寸,一维到三维流动速度和粒子浓度进行同步测量.它可以对以超音速,几乎静止不动或环流湍流中作反向流动的粒子的特性进行测量;可进行测量的粒子尺寸范围从微米级到厘米量级;具有非常高的精度和空问分辨率,无需标定,可以有效克服机械测量探头的局限性,常用于一些高难测量环境中,是一种非接触式的绝对测量系统.Dantee公司粒子动态分析仪(PDA)主要由以下儿部分构成J引:发射光路系统(TransmittingOptics);接收光路系统(ReceivingOptics);信号处理系统(SignalProcessor);全自动一至三维位移系统(TraverseSystern);应用软件一BsAFlowandParticleSoftware,如图1所示.1)发射光路系统.PDA系统的激光光源为氩离子激光器,最大输出功率为5W,激光功率连续可调.采用60X型光纤传输光路系统.从激光器来的激光经布莱格分光器分光和频移,被分成绿,蓝,紫3色6束激光,然后通过一条20m单模,保偏,高功率光纤传送至二维发送器和一维发送器.二维发送器发送蓝光和绿光,一维发送器发送紫光.绿光测量轴方向速度,Y和z轴方向速度由蓝光和紫光组成的两对光束共同测量获得.2)接收光路系统.采用57X10型PDA接收光路系统.来自颗粒的散射光通过该系统聚集,滤波并放大,然后传送到信号处理器.该系统包括5个光电倍增管.3)信号处理器.采用58N50型PDA增强型信号处理器,可以同时实现粒径和三维速度的分析处理.该处理器采用相关处理技术来完成频率和相位的计算,这样它可以对低信噪比的信号进行处理,即使在非常恶劣的测量条件下,仍可以确保测量的可靠性和准确性.4)计算机.计算机与信号处理器的数据传输是通过高速DMA接口来完成的.此接口的最大数据传输率为170000个测量数据/秒,远远超过实际需要.计算机还可以通过坐标架控制器来控制三维自动坐标架的移动,位移精度为1m.三维自动坐标架可由计算机控制,步进电机使激光聚集点作三维移动.1)发算机-(结粱l坐标架控制器图1激光相位多晋勒测量系统(3DPDA)Fig.1Measurementsystemoflaserphasedopplerparticle(3DPDA)2.1.2PDA测量原理PDA系统测量原理是用4束激光(其中2束蓝光,2束绿光,分别位于相互垂直的平面上)在喷雾场中相交于一点,形成一椭球形测量体.蓝光与绿光分别在测量体内形成两组明暗相间的干涉条纹.当粒子穿过测量体时,引起干涉条纹变化,产生多普勒信号.多普勒信号由PDA接收镜头接收后,经光电倍增管放大,再传送到信号处理系统.信号处理系统根据多普勒信号的频率计算粒子的速度,根据在不同位置接收的多普勒信号的相位差计算粒径.因此,PDA可以同步测量粒子的速度和大小,这对于本研究中对喷雾场的测量要求非常重要.PDA系统测量范围及精度如表1所示.表1PDA系统测量范围及精度Tab.1MeasuringrangesandprecisionofPDAsystem一20I1年5月农机化研究第5期1)速度的测量.在PDA测量系统中,两束单色激光以2角相交形成测量体,并在测量体处形成平行的干涉条纹,当粒子介质以速度垂直条纹平面穿过干涉条纹时,在空间散射明暗相问的光信号,其频率与速度间的关系为:(1)式中A一激光波长;一两束激光交角的50%.2)粒径的测量.PDA系统采用3个探测器同时采集信号,不同角度接收粒子散射光时,它们接收到的信号具有相同频率,但相位不同.在图2中U,U2,U3分别是3个探测器,:是U接收光和接收光间的相位差,是,接收光和接收光问的相位差.由于两两探测器空间位置不同,接收到的多普勒信号会存在相位差和.,和都与D成线性关系,即D=0l12(2)D=a2l3(3)和的距离较近,U.和的距离较远,因此.>.:,即相位差.:和D的关系曲线斜率比相位差和D的关系曲线斜率大,如图2所示.被测粒子的直径由.和,共同决定.从刻度意义上来讲,测量精度取决于(D.,测量范围取决于.一DD图2相位差P12和l3与粒子直径D的关系Fig.2Therelationshipbetweenphasedifferences12,13andparticlediameter(D)若采用两探测器测量粒径时,当粒子直径超过一定范围,多普勒信号之间的相位差大于21T时,测出测量范围的粒径反而变小,测量精度的和范围会下降.为避免上述问题,PDA系统采用3个探测器同时采集信号.因此,PDA更适宜用于测量雾滴谱较小的喷施过程.2.2PDIA测量系统及其原理2.2.1PDIA测量系统以OxfordLasers公司生产的粒子/雾滴图像分析仪(Particle/DropletImageAnalysis,PDIA)为例.PDIA测量系统包括脉冲光源,照射装置,图像采集存储装?29?置,图像处理系统,稳压电源5个部分,如图3所示.脉冲光源可产生激光脉冲,利用激光定时器所产生的双脉冲激光可以使某时刻的雾场连续曝光2次,得到两2图像,或在一张图像中得到1个粒子的2个清楚投影.照射装置可以产生具有一定光强的脉冲光源,从背面照射到需要测量的雾场区域.图像采集存储装置主要包括摄像机和透镜,通过调节透镜焦距,从而调节测定区域.图像处理系统是PDIA测量系统的重要部分,它可实现实时图像分析,也可实现对已存储图像的分析,最终得到粒子直径,周长,速度以及形状系数等喷雾信息.稳压电源给各部组成部分提供电能.稳压电源图3粒子/雾涌图像分析测量系统(PDIA)Fig.3Measurementsystemofparticle/dropletimageanalysis2.2.2PDIA测量原理PDIA系统即可测量雾滴粒径又可测量雾滴速度.其工作原理是脉冲光源发出一束激光光束,该光束从喷场背面照亮喷雾的某一区域,图像采集装置将照亮区域的阴影图像快速采集.图像处理系统可以高达30帧/s的速度对该图像进行分析,分析系统通过雾滴的投影轮廓分析计算其尺寸,并通过分析多幅图像建立雾滴粒径分布谱.用双脉冲照射的方法,该系统可以测量雾滴粒子的速度,其原理是双脉冲照射可以在某时刻使每个粒子产生两个清楚的投影,或者在同一幅图中生成两个投影,或者在连续的两张图片中生成影像,然后利用一定算法分析其图像,即可得到雾滴速度.此测量方法的缺点是对于粒子密度较高的喷雾中心区域,容易产生粒子重叠现象,这会影响测量精度.但此问题可通过放大或减小聚焦测量体,这样就会使粒子显示距离拉大,减小重叠.喷雾图像及分析处理示意图如图4所示.3结束语喷雾液滴的粒径和速度是影响喷雾质量的重要指标,测量和控制这些参数对于优化农药喷施,提高施药沉积率,减少药液飘失以及对于喷嘴的设计和生一2011年5月农机化研究第5期产都有重要意义.本文总结了目前国内外已有的雾滴粒径和速度的测量方法,着重介绍了现阶段常用的,高测量精度的三维多普勒激光粒子动态分析仪(PhaseDopplerParticleDynamicAnalyzer,PDA)和粒子/雾滴图像分析仪(Particle/DropletImageAnalysis,PDIA).这两种方法都是既可测量雾滴粒径,又可测量雾滴速度,但用PDA测量较小雾滴时精度较高,而PDIA更适合测量具有较大粒径谱的喷施过程.图4喷雾图像及分析处理示意图Fig.4Imageshowingofsprayanalysis参考文献:1Hislop,E.C.Canweachieveoptimumpesticidedeposits?J.Asp.App1.Bio1.1987,14:153172.2TuckCR,ButlerEllisMC,MillerPCH.TechniquesformeasurementofdropletsizeandvelocitydistributionsinagriculturalspraysJ.CropProtection,1997,16(7):619628.3ZhuH,DLReichard,RDFox,eta1.SimulationofdriftofdiscretesizesofwaterdropletsfromfieldsprayersJ.TransactionsoftheASAE,1994,37(5):14011407.45ZhuH,DLReichard,RDFox,eta1.DRIFTSIM:AprogramtoestimatedriftdistancesofspraydropletsJ.AppliedEng.inAgric.,1995,11(3):365369.MillerPCH.Ha曲eldDJ.AsimulationofthespraydriftfromhydraulicnozzlesJ.J.Agile.Eng.Res.,1989,42:1351476TayaliNE,BatesCJ.Particlesizingtechniquesinmultiphaseflows:AreviewJ.FlowMeasurementInstruments,1990(1):77105.789101112131415SidahmedMM,YatesWE.MeasuringspraydropletswithPMSFSSPprobesJ.Trans.oftheASAE,1997,40(5):1237一l242.DodgeLeeG.Comparisonofperformanceofdropletsizingin-strumentsJ.AppliedOptics,1998,26(7):1328一l341.祝俊丽,俞晓梅,王良华.化工流场中的局部液体速度测量技术J.河北化工,2005(1):5759,61.LE.Drain.激光多普勒技术M.北京:清华大学出版社,1985.张仁惠,乔信起.柴油机喷雾速度场的激光相位多普勒测试J.现代车用动力,2002(1):3031,44.何旭.基于喷雾撞壁的TR燃烧系统机理研究D.大连:大连理工大学,2005.李彦,闫德中.三维激光颗粒动态分析仪在多相流测量中应注意的问题J.实验技术与管理,2003,20(5):912,17.BachaloWD.ExperimentalmethodsinmuhiphaseflowJ.Int.J.