实时混药实验的混药均匀性测试和提高措施

　　0、 引言

　　变量喷雾作为“低投入可持续农业”的发展方向，日益受到农业工程领域的重视。传统的大面积均匀喷施技术由于过量使用农药易引起的农药有效利用率低、农产品中农药残留超标、环境污染、作物药害、操作者中毒等负面影响。变量喷施技术能够最大程度地减小负面影响，减小环境污染，提高农药的有效利用率。当前变量喷雾主要使用预混药式，固定药液浓度，通过改变施药量来实现，主要技术有改变压力式、PWM 式等。预混药式变量喷雾是根据病情改变喷雾量的多少，而不能根据不同区域作物对药液浓度的需求实时改变药液浓度。实时混药式变量喷雾可根据作物对药液浓度需求进行实时调整药液浓度，成为变量喷雾的一个新的研究方向。

　　张文昭利用 3WY － A3 型手推式喷雾机完成了变量喷雾实时混药实验，但实时混药的均匀性不得而知。为此，本文在上述混药实验的基础上进一步研究混药均匀性测试和提高均匀性所采取的措施。

　　1、 实验装置与方法

　　完成喷雾混药试验所需要的主要设备有: 紫外分光光度计(752 型，厂家为上海舜宇恒平科学仪器有限公司) ，手推式喷雾机(3WY － A3 型，广东省梅州市风华喷雾喷灌有限公司) ，水银温度计 (量程为 0 ～100℃ ，精度为 0． 5℃ ) ，喷嘴 4 个，连接管、烧杯和试管若干。所用材料有茜红素(分子式: C14H7NaO7S "H2O，分子量: 360． 28，天津天新精细化工开发中心生产) 。

　　1． 1 多喷头试验装置

　　图 1(a) 为四喷雾头喷药装置，图 1(b) 为对应药液采集点分布图。图 1(a) 中: 1 为药箱、2 为水箱、3为液泵、4 为混药器、5 为喷头(A，B，C 和 D) ; 喷头A、B、C、D 的间隔均等，距离为 40cm，垂直朝下。图 1(b) 中: A、B、C、D 为 4 个喷头所对应的喷洒区域，中心距离为 40cm，每个喷雾头的喷洒区域均采用 5 个小杯采集喷洒的液体，1、2、3、4 号杯分布在四周，5 号放置在中间。

　　2 个入液口、前扇叶、后扇叶、出液口和混液箱。前扇叶和后扇叶分别向相反的方向倾斜，并使叶片固定不动。水和药分别从入液口流入，当混合液流过前扇叶和后扇叶时，先进行正向旋转，后进行逆向旋转，再从出液口流出，进行搅拌以提高混液均匀性。

　　1． 2 单喷头实验装置

　　如图 3(a) 所示为单喷头实验装置: 1 为药箱、2 为水箱、3 为液泵、4 为混药器、5 为喷头; 图 3(b) 中，喷头朝向水平方向，前下方均匀放置 13 个小杯，并排成一直线，相距 10cm。

　　1． 3 实验方法

　　考虑到采用真实农药进行混药实验，浪费资源且污染环境，实验过程中采用莤素红染色剂代替农药进行混药实验。利用紫外分光光度仪检测混药浓度。首先利用紫外分光光度仪对莤素红溶液浓度进行标定实验，步骤如下:

　　1) 称取茜素红 0． 037 2g 用少量水溶解，转移到50mL 容量瓶中，滴加蒸馏水至刻度，配成茜素红母液，摇匀。计算该溶液浓度为 0． 002 6mol/L。

　　2) 从母液中用移液管分别移取 2、4、6、8、10mL 溶液至 5 个 50mL 容量瓶中，用蒸馏水滴至刻度。对上述容量瓶分别编号为 1、2、3、4、5。

　　3) 用紫外分光光度法对 1、2、3、4、5 号容量瓶中溶液进行吸光度检测，实验结果如表 1 所示。

　　以莤素红溶液吸光度为横坐标，以莤素红浓度为纵坐标，获得关系(见图 4) ，并获得它们间的经验公式为y = 27． 888x － 3． 821 4 (1)其中，y 为莤素红浓度，10－ 5mol / L; x 为莤素红溶液吸光度(吸光度是指吸光物质对入射光的吸收程度) ，无量刚; 相关性 R2为 0． 994 1。利用等式(1) 通过测定未知溶液的吸光度可以计算未知溶液的浓度。在室温为 23． 3℃、水温为 23． 5℃实验室环境中完成多喷头和单喷头实验中，水箱中盛放自来水，药箱中盛放较高浓度的莤素红溶液，利用增加泵让莤素红溶液与水混合并由喷头喷出; 然后用塑料杯采集各喷头喷出的溶液，并用紫外分光光度计进行吸光度分析，并计算出浓度。

　　2、 实验结果

　　2． 1 无混合器多喷头实验

　　采用图 1(a) 的混药装置，去掉混合器 4，安装 4个喷头 A、B、C 和 D，每个喷头下方放置 5 个小杯，共20 个; 每个小杯编号分别为 A1 ～ A5、B1 ～ B5、C1 ～C5、D1 ～ D5，将小杯收集到的药液进行吸光度分析并计算出浓度(见表 2) ，考虑数据表太大，只列出以下 8组。

　　由表 2 可见，药与水通过管道、泵等装置自然混合后喷出，药液浓度平均相对误差在 ±9． 0%以内。

　　2． 2 带混合器多喷头实验

　　在 2． 1 节的实验基础上，加入混合器 4，再重复进行实验，所得的结果如表 3 所示。

　　由表 3 可知，多喷头试验中: 同一喷头不同的点药液浓度误差不完全一致; 不同喷头药液浓度差异较小，误差范围相近，所有的点平均相对误差为 ± 3． 0% 以内，据观察其它未在列表中的数据，平均相对误差为 ±3. 0% 以内。

　　2． 3 带混合器单喷头试验

　　采用图 2(a) 的喷雾结构，一个喷头水平朝右，随机控制混药浓度，13 个小杯中的药液浓度经分析结果如表 4 所示。由表4 中数据可知，单喷头喷射的药液，在不同距离处的浓度差异小，平均相对误差为 ±3． 0% 以内。

　　3、 结论

　　1) 4 个喷头时，无混合器实时混药浓度均匀性平均相对误差为 ± 9% ，带混合器实时混药浓度均匀性平均相对误差为 ±3% 。

　　2) 单喷头时，带混合器实时混药浓度均匀性平均相对误差为 ±3% 。

　　3) 无混合器时混药浓度均匀性稍差，加入混合器时，混药浓度均匀性得到明显提高，可以更好满足施药要求。

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