沉积静电（精选3篇）
沉积静电 篇1
民机高频通信系统沉积静电科目试飞,在波音和空客的成熟机型上,均是按照咨询通告AC25-7中建议进行的。该文结合AC25-7的气象条件要求和国内民机试飞的具体情况,研究符合国内民机试飞实际的试飞方法。
1 高频沉积静电试飞科目背景
咨询通告AC25-7《运输类飞机合格审定飞行试验指南》中规定:第六章设备第一节总则170.功能和安装-25.1301条款b.程序一通信(2)HF系统(ii)应考虑沉积静电的影响。这种类型的静电通常是在高卷云、干燥的雪、沙尘暴区域中出现。
高频通信系统沉积静电科目的另外两种气象:干燥的雪、沙尘暴气象,相对来说更为罕见,因此建议使用(高)卷云作为高频通信系统沉积静电科目的气象条件。
2 高频沉积静电的原理
沉积静电是指飞机因与云中质点(水滴、雪、霰、冰雹)或尘埃等大气微粒碰撞而沉积于飞机表面的静电。其充电电流,决定于质点浓度、质点带电量、飞机速度和有效撞击面积沉积的静电最多,飞经高卷云、干燥的雪、沙尘暴时沉积的静电最多。
当飞机表面曲率半径较小的尖端突出部位及边缘达到空气击穿电压,就会发生电鳗式放电或电火花、打闪和响亮的爆炸。因空气绝缘强度随高度减小,在较高高度上空气击穿电压值减小,可在较低电压下产生电晕。
沉积静电所产生的放电产生高频电磁辐射,对机载电子设备产生干扰,严重时可使高频通信联络中断。
3 卷云气象基本信息
3.1 简介
卷云,分离散开处呈白色细丝状,或白色(或主要是白色)碎片状或窄条状的一种基本云型。如图1所示。
卷云是高云的一种,是对流层中最高的云,平均高度超过6000公尺。所以清晨当太阳还没有升到地平线上或傍晚太阳已下山后,光线都会照到这种孤悬高空而无云影的卷云上,经过散射后,显现出漂亮的红色或橘红色的霞象,在夏日的晴空中十分常见。
3.2 产生
卷云产生的高度很高,属于高云族,云底高度为4500～10000m,有时也可高达17000m或低至20000m以下。在这样的高度上,空气温度很低且水汽很少,云由细小且稀疏的冰晶组成,故比较薄而透光性较好,洁白而亮泽,常具丝缕结构。卷云因为云层太高,即使生成小水滴,下降过程中很容易蒸发,不会抵达地面,故在地面上不会感到下雨,象征一整天都会是晴朗的好天气。
3.3 类型
根据外形结构特征,卷云可分为毛卷云、密卷云、钩卷云、伪卷云四类。
卷云属于高云的一种,云的分类中并未对高卷云做出定义。由此可推断,所谓高卷云,不过是对卷云属于高云族属性的描述。高卷云也就是卷云,两者并无差异。而且广义的卷云更是卷云、卷层云、卷积云的总称,也就是高云。如表1所示。
4 机载气象雷达
机载气象雷达可提供降雨和地图显示,但并不能显示云(包括卷云等)的气象信息,机上也无其他设备可以提供实时的有关云的气象信息。以机载RTA-4118气象雷达系统为例,其主要为机组人员提供陀螺稳定的四色(绿、黄、红和洋红)降雨显示。四色用来表示递增的降雨量,洋红色表示每小时增量为2英寸或更大。气象雷达系统提供路径衰减补偿(PAC)告警,指示未知降雨量区域,并能抑制地面杂波。气象雷达系统还可提供飞机前方的地图显示。由于机载设备不能直接提供云的信息,试飞气象条件应该提前由地面气象台站实时获得。
5 地面气象台站
一般试飞气象站预报天气的几大因素为:云(云量、云状、云高)、能见度、天气现象(风、雨、雪、雾、霾等等),其他非常规预测包括气温、场温、场压(视具体情况而定)。除了每天的总体气象情况预报,还有每个小时的预测表以便观察时刻发生的气象变化。
对于云的预报格式通常为云量+云状+云高,一个典型的云的气象预报的例子为:6～9个量的卷云5～7千米。一般云量小于5个单位的晴朗天气会预报为碧空。云量大于等于6的云一般足够试飞使用,覆盖范围往往绵延几百公里。云状是指云的种类,比如说高层云、高积云、卷云等等。预报云高是基于云底高度,通常在预报卷层云和卷积云的时候,其上方也都会伴有卷云,且高云所属的各个云种(卷云、卷层云、卷积云)可以互相转化,这也是为什么每个小时都需要详细的气象预报。
统计结果表明,卷云通常在晴朗的好天气出现,而且在夏季和秋季并不少见。预报的卷层云和卷积云的天气约占所有对于云的预报的气象条件的50%左右。因此,(高)卷云的气象条件严格意义上不算是特殊气象,对于试飞沉积静电科目非常有利。
6 试飞方法综述
由于气象条件处于实时的动态变化当中,需要将高频沉积静电试飞科目作为常备科目,挂在试飞任务单上以便依据天气情况决定是否试飞。综合各方面的因素考虑,建议的试飞气象:预测为大于等于6个量的卷云(或者卷云高积云),高度大于4500m。具体操作为:飞行过程中,飞行员目击云层后,驾驶飞机穿越摩擦云层,依据预先给定的频点和工作模式进行高频通信,验证通话是否正常清晰,是否对其他电子设备无干扰。
摘要：沉积静电放电产生的高频电磁辐射会对机载电子设备尤其是高频通信系统设备产生干扰。在沉积静电环境下的机载高频通信系统科目试飞在国内民机试飞领域尚属首例,也无相关经验方法可以参考。该文通过研究咨询通告AC25-7推荐的试飞气象条件(高卷云、干燥的雪、沙尘暴),详细叙述了高频沉积静电试飞科目的背景和沉积静电的原理,介绍了高卷云气象的定义、产生和类型,结合了机载气象雷达的显示条件和地面气象台站预报的天气情况,以我国民机试飞现有条件和实际情况为出发点,摸索总结出一套符合要求而又切实可行的试飞方法,为未来民机试飞实践提供具体指导。
关键词：HF,高频,沉积静电,放电,(高)卷云,气象雷达,气象台站,试飞
参考文献
[1]百度百科卷云、沉积静电词条.
[2]张燕光.航空气象学[M].北京:中国民航出版社,2014(6):1.
[3]张培昌,杜秉玉,戴铁丕.雷达气象学[M].北京:气象出版社,2001.
[4]王天顺,刘树斌,吕朝晖.飞机静电环境特性研究[J].飞机设计,2008(6):59-65.
沉积静电 篇2
农药静电喷雾技术是近年来发展起来的一项新的植保施药技术,具有雾滴尺寸均匀、沉积性能好、飘移损失小、雾群分布均匀,尤其是在植物叶片背面也能附着雾滴等优点［１］。20 世纪40 年代,美国一些大学针对农药粉剂进行了正式的试验研究,结果表明:在静电场作用下的农药药粉,在植物上的附着率显著提高［２］。在欧美,随着农药粉剂使用量的不断减少,静电施药技术研究也转向了液体农药［３］,如美国、英国和加拿大等国都先后对液体农药静电喷雾进行了深入研究,并促使其产业化［４］。这些国家的研究结果表明:静电喷雾的确明显提高了药液在喷洒目标表面特别是目标背面的覆盖率,减少了小雾滴的飘移,喷雾效果明显提高。20 世纪80 年代末,美国佐治亚大学的S.E.Law等专家首先将静电喷雾技术应用于液体农药的实际喷洒作业中,从而成功地研制了静电喷雾系统［５］。
我国静电喷雾技术的研究始于20 世纪70 年代末［６］。首先,对手持式静电喷雾器进行了研究,并在多种作物上进行了大量喷洒分布及防治效果实验［７］;但由于这些研究只是在设备和功能上进行研究,并没有对静电喷雾进行更深入的理论性研究,因此实验效果不佳,都没有得到推广应用。随后,江苏理工大学对静电场作用下的液滴雾化展开了较为系统的研究,认为静电作用可以降低液体表面张力,减小雾化阻力,同时同性电荷间的排斥作用产生与表面张力相反的附加内外压力差,从而提高雾化程度［８］。进入到20世纪90年代后,以郑加强为代表的一些学者做了大量的研究,研究方向主要针对荷电过程、作业参数及喷雾效果试验方面的研究［９］,这些研究中所采用的静电喷头的电极结构大致相同［１０］;而传统的圆柱形电极应用圆锥雾型喷头时,由于电极内壁与喷雾边缘的距离逐渐减小,很容易在感应环末端造成积液,影响荷电效果［１１］。目前,针对其他形式的电极对荷电性能影响情况的研究较少。
为此,本文根据圆锥雾型喷头的喷雾特点,设计了一种管状空心圆锥型的充电电极,通过对搭载该充电电极的喷头进行喷雾性能试验研究,以期解决传统充电电极存在的问题,提高静电喷头的荷电性能,为实际作业过程中提高雾滴的沉积效果提供参考。
1 感应充电电极的设计
1.1 电极形状的设计
常规的圆柱充电电极环内部的雾型是呈锥形扩散的,所以在充电电极环内部,随着喷雾距离的增加,喷嘴雾化范围随之增大;而圆柱形感应环内径尺寸是固定不变的,会导致雾滴很容易喷到充电电极环内壁上而引起放电,影响雾化效果,且不利于系统安全运行［１２］。为了避免随雾化范围扩大后将雾滴喷到电极环内壁,只能增大圆柱型充电电极环的直径;但在感应荷电范围内,充电电极环直径增加,电极环同喷雾圆锥雾型边缘的距离也随之增加,电场对区域内雾滴的充电效果随之下降。
针对以上问题,本研究采用不锈钢材质设计了管式空心圆锥型电极。根据喷头的喷雾角度,将圆锥形电极开口角度设计为80°,以利于在一定距离范围内减小电极与雾型间距提高荷电效果的同时,不会产生随轴向喷雾范围增大而使雾滴喷在电极内壁的现象,有助于提高喷雾荷电效果。
1.2 电极高度的设计
电极高度的设计主要取决于雾型充电区域的大小。液体的雾化过程分为雾流、雾膜、雾滴这3 个形态过程;而充电电极的充电过程主要作用在雾滴形成前的雾膜区域［１２］。处在雾膜状态时,由于液体并没有发生雾化,或即将发生雾化,因此该状态下的雾型也是最稳定的,一旦液体开始雾化,细小雾滴会向雾型四周扩散,因而会影响静电喷雾充电效果。因此,通过高感光工业摄像机对喷头喷雾过程进行拍摄,并对雾膜区域的轴向范围进行测量,得出喷嘴下方轴向距离10mm以内的雾型最为稳定,无雾滴向周围的飘散现象,说明这段距离内喷雾处于雾膜阶段,尚未完全细化成雾滴,因此将充电电极高度设计为10mm。
1.3 电极口径的设计
电极口径的设计主要根据电极内壁与雾型边缘的距离来确定。在静电喷雾充电过程中,锥形雾膜与空心锥充电电极相当于构成了一个平行板电容器［１３］;雾型与电极内壁间的空气相当于电容器间的绝缘介质,因此雾膜上感应携带的电荷量可以用平行板电容器电荷量来计算,有
式中 εｒ—介电常数;
S—雾极正对面积;
K—静电力常量;
d—雾极间距。
由公式(1)可以看出:电荷量Q与电容和电压成正比,电容与电极正对面积成正比,与雾极间距成反比。所以,在电极正对面积一定的情况下,为了提高雾膜携带电荷量,要尽可能地减小雾极间距,即减小电极口径。但是,为了提高系统安全性,避免发生放电现象,电极最小口径要求雾滴不能喷附在电极内壁上,因此通过在喷雾边缘与雾型平行放置水敏纸,在水平方向由远到近平移水敏纸靠近雾型。当水敏纸上接收到雾滴时停止移动,并测得此时水敏纸距离雾型边缘的水平距离,通过测量得出水敏纸与雾型最小的非接触距离为8mm。 将感应环小口半径设计为8mm,通过电极角度和电极高度计算得出大口半径为16.5mm,结构如图1所示。
2 充电电压对沉积率影响试验
静电喷雾使雾滴携带了电荷,且电荷呈现出与电极相反的电性,因此在荷电雾滴下落过程中雾滴周围会产生电场。由于植物叶片含水量多,相当于导体,当雾滴下落到叶片周围时,雾滴周围的电场就会对植物叶片产生静电感应现象,使叶表感应出与雾滴极性相反的电荷,从而在雾滴和植物叶片之间产生相互吸引电场力,从而提高雾滴在叶片上的沉积能力［１４］。
决定雾滴对叶片吸附能力的关键就是雾滴携带的电荷量的多少。由公式(1)可以看出:电荷量Q与感应环上的充电电压成正比。因此,本试验主要探究沉积率随充电电压的变化规律。
2.1 试验条件
喷雾试验在实验室内进行,室内温度20℃。以水作为喷雾试验材料,充电电压调节范围0~12kV,喷头喷雾压力变化范围在0~4.0MPa。
2.2 试验设备及仪器
试验系统主要包括喷雾试验台、静电喷头及沉积率测量仪器3部分。其中,喷雾试验台为WFS-Ⅱ型综合喷雾试验台,具有测量喷雾压力、流量、角度、粒径及均匀性等功能。主要技术参数如下:
台架尺寸(长×宽×高)/mm:3 600×2 100×2 200
液体体积测量精度/mL:±2
角度的测量精度/(°):±1
单次试验时间/s:设定范围30~60,精度:±1
喷头最大喷量/L·min-1:0~4
液泵最大可测量压力/MPa:0~2.5
液泵最大可测量流量/L·min-1:0~100
水泵调速范围/r·min-1:0~960
集雾槽间距/mm:50±0.5
喷杆架上下调节距离/mm:300 ~ 800
工业黑白数字摄像头/分辨率:640×480 60FPS
定焦镜头焦/mm:8
静电喷头由圆锥雾形喷头、空心圆锥充电电极及高压静电发生器组成。其中,喷头型号为80-015,喷雾角度为80°,喷雾流量为0.15 加仑/min,高压静电发生器电压调节范围0~12kV。
测量用具包括钢尺、水敏纸、扫描仪及计算机等。
2.3 试验方法
试验时,通过在喷头下方悬空放置钢尺作为导体,在钢尺双面粘贴水敏纸模拟植物叶片正反表面接收荷电雾滴,在0.25MPa的标准喷雾压力下进行喷雾;利用静电发生器在0~13kV范围内,以1kV为增量依次改变充电电压对喷雾进行充电,每组充电电压下进行5次喷雾,取平均值。喷雾结束后,取下钢尺上的水敏纸,利用微型扫描仪对水敏纸正反两面附着的雾滴进行扫描,再利用分析软件对扫描图谱进行分析计算,以得出雾滴在水敏纸双面的沉积率。
2.4 试验结果及分析
通过表1的试验数据,得出正反面雾滴沉积率随充电电压的变化规律曲线,如图2所示。正面沉积率随充电电压的变化呈现平缓增加趋势,当充电电压达到3.5kV以后,反面水敏纸开始有液滴沉积,说明此时荷电雾滴产生电场对钢尺产生静电感应现象,影响了钢尺表面的电荷分布情况。因此,雾滴与钢尺表面存在相互吸引的电场力,且该时刻电场力能后克服雾滴下落时受到的自身重力,因而能吸附在钢尺背面的水敏纸上。
在充电电压达到8kV以后,雾滴沉积率增长趋势逐渐平缓甚至下降。这是因为随着充电电压的增大,雾滴携带的电荷量趋于饱和状态;且继续增大电压,由于极周围产生的强静电场,会对电极附近刚刚雾化后的细小液滴产生吸引力而影响荷电雾滴的沉积效果。在充电电压为8kV时,得到了本试验最佳雾滴沉积率为正面28.57%,反面8.61%。通过与充电电压为0kV的对照组相比,正面沉积率提高4.51%,反面沉积率提高8.61%。
随后,本试验以正反面沉积率之和代表作物表面雾滴总沉积率,并建立总沉积率随充电电压变化的散点图和趋势线,探究雾滴总沉积率随充电电压变化规律,如图3所示。同时,建立了雾滴沉积率与充电电压的回归方程,R２=0.922 0,说明该方程具有较高可信度。
3 喷雾压力对沉积率影响探究
喷头喷雾压力的变化能够使雾滴的物理性能发生变化(如雾滴表面张力及雾滴粒径等),而这些物理性质的变化也会接影响雾滴的荷电效果及在作物上的沉降效果。因此,本文在喷雾沉积试验系统的基础上,以8 000V对充电电极进行充电,通过改变液压泵的工作频率来改变喷头的喷雾压力,再次测量雾滴在水敏纸上的沉积率,来探究雾滴沉积率随喷雾压力的变化情况。
试验结果如表2 所示。根据试验结果绘制了目标正反面沉积率随喷雾压力的变化曲线,如图3 所示。当喷雾压力增大后,正面水敏纸上的雾滴沉积率增加明显,而背面水敏纸的沉积率在0.3MPa后趋于平稳。这是因为随着喷头喷雾压力的增大,喷头的喷雾流量也随之增大,且雾滴更加细密,因此在正面的水敏纸上的沉积率明显增加;而背面水敏纸上的雾滴沉积,主要取决于荷电雾滴的荷电数量,当充电电压不变,感应电极所产生的电场强度不变,因此雾膜上感应携带的电荷量Q不变。此时,增大喷雾压力,单位时间内会有更多液体从喷嘴喷出,虽然雾滴数量增加,且雾滴粒径变小,但是单个雾滴所携带的电荷量也随之减少,单个雾滴荷电量减少,因此背面沉积效果并没有明显增大。通过对雾滴总沉积率随喷雾压力的变化散点图绘制规律线,得出雾滴总沉积率随喷雾压力的增大呈现线性上升趋势。通过软件对趋势线分析后得出了雾滴总沉积率随喷雾压力变化的线性回归方程,R２=0.973 7,表明该回归方程具有较高的可信度。
4 正交试验
4.1 试验设计
针对安排多因素试验、寻求最优水平组合,常见的试验方法是正交试验。它是在试验因素的所有水平中挑选具有代表性的水平进行试验,通过分析试验结果,找到最优的水平组合［１５］。本文采用3因素3水平正交试验对喷雾压力、喷雾高度和充电电压进行喷雾沉积率试验分析。
通过单因素试验确定出喷雾压力的试验水平为0.2、0.25、0.3MPa。 充电电压的试验水平为6、8、10kV。根据植保喷雾操作要求确定喷雾高度的试验水平为40、50、60cm。 本文选用的L９(3４)正交试验表,如表3所示。
4.2 试验结果
根据正交试验表安排了9次试验,试验结果如表4所示。
4.3 试验结果分析
4.3.1 极差分析
极差分析结果计算表如表5所示。
表5中,K1、K2、K3的3个数分别表示试验因素充电电压U、喷雾压力P、喷雾高度H在第1、2、3水平所在试验中对应的标准偏差和;k1、k2、k3的值是各水平的平均值;极差R是在同一列中最大值与最小值的差值,它衡量各个因素的水平改变时对试验结果影响的大小。
从表5 中可以看出:3 个极差中,因素U的极差最大,说明充电电压改变时对喷雾沉积率的影响最大;其次为喷雾压力;影响最小的是喷雾高度。因素U中的3个水平中对应的沉积率分别为97.22、137.13、151.61,第3个水平最大,所以取第3 个水平U3对喷雾沉积效果最好。同理,其他两个因素中,P3和H2对喷雾沉积效果最好。
由此得出结论:对静电喷雾沉积率影响大小的因素排序为充电电压、喷雾压力、喷雾高度,并得出静电喷雾的最好方案为充电电压U为10kV、喷雾压力P=0.3MPa、喷雾高度H=50cm。
4.3.2 试验结果的方差分析
通过对试验结果的极差分析,找到了各因素对沉积率影响的主次顺序和各因素水平的最佳组合。本节将通过方差分析检验各因素下不同水平对试验结果的影响是否显著。方差分析表如表6所示。
通过表6可以看出:3 个因素对沉积率的影响均显著,且因素的显著程度排序分别为U >P>H。方差分析所得结果与上节极差分析结果一致,说明误差并没有影响试验结果的正确性。
4.4 试验验证
通过对正交试验得出的各因素的最佳水平组合,进行了验证试验。以10kV的充电电压、0.3MPa的喷雾压力、50cm的喷雾高度进行了多次试验,得出在该因素水平组合下的平均雾滴沉积率为60.12%。
5 结论
1)设计了圆锥雾型喷头充电电极,并通过理论分析和计算得到了最佳的电极结构参数,提高了静电喷雾雾滴荷电效果。
2)通过设计静电喷雾试验系统,对静电喷头的喷雾沉积性能进行了试验,结果表明:雾滴荷电后,雾滴在目标表面的沉积率随充电电压的增大呈先增大、后减小的趋势;在充电电压为8kV时,得到的最佳沉积率为37.18%。与非静电喷雾相比,其沉积率提高了13.12%。
3)当充电电压增大到3.5kV以后,目标背面开始有雾滴沉积;且随着电压的增大,目标总沉积率明显增加。与非静电体条件相比,沉积率增加效果较为显著。
4)喷头喷雾压力的增加对雾滴荷电量基本没有太大影响,因此对目标背面的雾滴沉积率的提高无明显效果;但对目标总沉积率的增加效果比较显著。
沉积静电 篇3
作物生长和保护是提高农产品生产率的一个重要组成部分。农业和农业化学农药喷洒过程中化学药品的巨大损耗和随之而来的环境污染, 常常是由于常规杀虫剂脱靶的漂移沉积造成, 通常通过带电喷雾来减少这些漂移。传统的喷雾, 有时只有20%的喷雾药液到达目标[1]。由于植保成本增加及农药对于环境污染引起民众的广泛关注, 需要一种提高常规农药喷雾效率应用方法。荷电喷雾的农业应用对液滴运输过程控制加强, 且提高沉积和减少浪费。采用静电喷洒, 应用的效率可以提高到80%, 并且减少了50%喷洒化学成分的使用[2]。静电作用对小液滴比重力更突出, 因此, 喷雾液滴的静电充电提供一种改进的沉积方式以减少漂移[3]。此外, 一些昆虫, 如棉铃虫 (瓜蚜) 一般都在植物的隐蔽侧, 如果能够使用精准定位的施药手段, 可以在灭虫工作中减少人力物力的使用[4]。另一方面, 由于气候的变化, 农林病虫草害发生情况逐步呈现扩大趋势, 病虫常常爆发性、突发性的出现。航空无人机喷雾技术可用于大型农场、草原、大面积及森林等农作物的防治工作[5], 具有全地形均可使用、作业时间短、作业面积大、对作物无伤害、使用遥控操作及降低中毒风险性等优点, 是其他植保机械无法替代的[6]。驾驶农用飞机通常用于大范围连片的土地, 而对于小范围地块的利用率较低, 效率不高, 如采用无人机的方式, 可以远程控制或基于预编程自主飞行, 可收到较好的植保效果[7]。目前在我国, 无人直升机航空施药的研究才刚刚起步, 由于在一些地方实际飞行申请较为困难, 考虑实际使用无人直升机成本与安全性, 笔者研发了一种模拟旋翼飞机喷洒沉积装置, 方便进行旋翼飞机的前期模拟研究沉积试验;同时根据静电施药原理进行了直升机静电喷洒试验, 且分析了静电施药在旋翼飞机施药上的沉积效果[8]。
1 静电施药平台的设计
1.1 旋翼飞机模拟的原理
采用工业风扇模拟旋翼飞机的向下风送过程:采用进口的一体整体4m长的无油滑轨作为移动轨道;风扇与喷头整体位于同一横杆上, 横杆的两端固定在两处滑块上, 整体可以伴随滑块的移动而沿着滑轨移动;喷头置于风扇下方, 沿着风送方向进行喷洒作业。
1.2 平台结构设计
测试平台外设置有药液箱, 可以通过进药管道接喷泵的入口, 采用12V直流供电稳压泵提供恒定压力;水泵的流出通过三组电磁阀PWM控制管路开闭[9], 进入喷头, 喷头组的上方有直径750mm的工业风扇, 下方正对第一个喷头。风扇与喷头形成一个整体, 固定在一移动杆上, 移动杆为铝型材, 两端固定在两个滑块上;两滑块分别在两条相互平行的导轨上;导轨总长4m, 整体为铝型材框架便于移动。移动杆通过同步带与轴相连, 采用伺服电机作为动力输出装置。使用可编程逻辑控制器控制移动环节与移动参数预先设置, 同时可以进行脉宽调制通过控制电磁阀的开闭控制流出流量。加有静电喷头, 可以模拟静电施药过程, 实现多种组合喷雾的模拟[10]。
如图1所示, 移动部分主要包括无油滑轨、滑块、霍尔传感器、同步带、夹块及轴。其中, 限位传感器安装在两侧, 主要是用于滑块的限位;行走部件采用伺服电机作为驱动, 行走的速度靠电机转速的改变;电机与滑块靠同步带连接, 由同轴保证两侧滑块移动同步, 因此当电机转动时可以保证药液喷施部件移动速度与预定相同;可以通过触摸屏调节速度, 也可以通过控制盒上实体按键进行控制。如图1、图2所示, 药液喷施部件主要由可调速风扇、药液箱、泵、静电喷头、药液管及药液控制电磁阀构成。喷头固定在喷头固定杆上, 喷头的位置与横向间距可以调节;药液由药液箱流出, 经过恒压泵, 到达喷头;上方的模拟旋翼的风扇产生定风场向下, 液滴在原始的液体压力与风的共同作用下加速吹向靶标;加静电环电压开启的情况下, 液滴会通过静电环中心的静电场成为带电雾滴[11]。
1.霍尔传感器2.无油滑轨1 3.进水管4.滑块1 5.铝型材杆6.药液控制电磁阀7.风扇支架8.同步带9.轴10.电机同步带11.伺服电机12.电机挡板13.可调高压静电发生器14.控制盒15.触摸屏16.地轮17.高压专用电线18.靶标19.接地线20.可调速风扇21.喷头22.直流恒压泵23.药液箱24.压力表25.荧光检测器
26.夹块27.风扇支架28.喷头支架29.轴承座
1.3 液体管路风送及控制系统设计
液体管路经药液箱连通过恒压泵, 管路上有压力经过分路后到达3个不同的电磁阀, 静电喷头固定在铝型材上。3组电喷头, 中间一组位于风扇正下方, 其余两组在其正下方垂直于无油滑轨的左右部分。整个平台主体框架采用60mm×40mm铝型材制成, 减轻了整体的质量, 更加易于移动和拆卸。铝型材上方, 滑块的移动依靠中部的夹块与同步带驱动, 同步带与轴相连, 轴上布置的齿轮与同步带相连, 由伺服电机驱动。整个系统的高压部分由高压线、0~100k V可调高压静电发生器及静电喷头共同组成, 采用12V开关电源为电磁阀, 静电发生器供电。风送系统由风扇系统构成, 风扇支架、风扇及控制盒, 控制盒中可编程逻辑控制器经过变频器调节风扇转速。控制单元示意图如图3所示。其以PLC作为其主动控制单元核心, 控制器可以控制电磁阀的开闭及药液泵的启停。风扇的启停, 还可以设置滑块的移动速度。通过电磁阀的开闭频率可以得到一个合适的占空比与开闭频率达到模拟PWM喷雾的效果。通过触摸屏或者控制盒上面的手动开关可以设置移动参数与电磁阀开闭参数。限位传感器作为一种控制器件, 当其到达该位置时停止移动。伺服电机位于型材左上方, 固定于固定板上, 通过同步带与轴相连, 轴同时在两侧, 用以定位同步带。控制盒与电磁阀相连, 通过PWM进行流量静电喷头的流量控制, 控制风扇的速度与开关, 整体喷头与风扇的行程控制与速度控制均由控制盒控制。控制盒中触摸屏可以设置行进速度, 在0~6m/s内可进行调节, 在行程的两侧均有限位开关。上面所述试验台下方有行走轮, 中控制装置由开关电源、可编程逻辑控制器及速度控制装置共同构成其控制装盒[12]。
2 喷洒测定试验
2.1 试验前准备
将6个行走轮水平置于地面的合适试验位置, 保证其在水平后将地轮锁好, 药箱加灌好药液;选用罗丹明溶液 (荧光测定剂) 与自来水 (采自北京市精准农业示范基地) 的混合溶液;以罗丹明混合溶液作为示踪剂跟踪检测各样本上中药液沉积量;使用量杯量取50m L罗丹明溶液加入5L自来水中, 倒入药液箱中, 重复2次;将10L混合溶液使用玻璃棒搅拌均匀后, 倒入药液桶作为试验药液。选用Turner Designs公司生产的Trilogy分光光度仪测定试验样品的浓度值[13]。
2.2 试验条件
2014年6月30日, 在国家农业信息化工程技术研究中心小汤山精准农业基地进行了验证试验, 环境温度28℃~30℃;环境湿度55%, 风力1~2级, 喷头行进速度1m/s喷头高度距离地面1m, 风扇风速4.7m/s。此时, 静电电压调节至30k V, 选用TXVK-6型喷头作为施药喷头。采用占空比为1的频率, 即喷头全开的情况, 液泵压力恒定为0.2MPa。试验前, 选择高压静电源的电压, 设置好喷头中静电环是否带静电 (若测试静电喷雾, 需将模拟植株与大地短接, 保证植株在试验期间不带电荷) , 调整喷头间间距位置, 在触摸屏上设置好预期移动速度、风扇转速及电磁阀频率占空比等。
2.3 水平沉积试验
风扇中心位置下方放置3个喷头, 中心的喷头位于风扇正下方, 其余两个喷头位于中心喷头两侧各距离中心喷头50cm的位置。水平沉积试验, 如图4所示。其采用直径90mm的圆形滤纸作为靶标收集装置, 固定于地面防止其翻转;第1张位于风扇中心正下方其余均分布其两侧, 间隔25cm, 总共布置11个点。由风扇开关及静电电源开关总共4种情况进行作业[14]。
植株试验:在地面喷杆经过的范围下方按照需求不同位置、不同高度放置好靶标, 靶标选用两株中心杆高60cm的拔节期玉米作为靶标, 如图5所示。直径9cm的滤纸固定在叶片表面 (正反面) 作为靶标收集喷洒出来沉积溶液的装置, 采用回形针固定于叶片中心位置, 并且每一株值选取由下向上第2、第3和第4片叶子。液滴由喷头滴落到叶面上的滤纸上, 由此作为药液收集用。植株采用导线接地, 保证植株与大地之间保持同一电势。
2.4 试验过程
开启泵电源开关启动泵, 操作人员通过遥控 (或手动) 喷雾杆启动作业后, 喷雾杆装置会在带的带动下移动, 一边移动一边进行药液喷洒。启动时, 风机、电机和电磁阀自动开启且喷药过程中会按设定的风速和移动速度而运动, 直到到达限位点后完成一次喷施作业。试验前, 植株在中间且植株中心均距离移动中心线20cm, 此时喷雾杆准备沿着一个方向移动, 经过短时间加速后达到预定工作状态;喷头在运动过程中一直向下喷洒雾滴;风扇送风模拟直升机旋翼所产生的风场, 当通过模拟植株时, 液滴洒落在区域中, 落入叶片上相应面积的液滴被滤纸所吸收;喷杆继续前进, 直至到达限位点处停止移动, 关闭风扇、泵和静电电源[15]。
3 试验结果
第1组水平沉积试验可得到在水平层次上的雾滴沉积, 分布情况如表1、表2所示, 其不同工作条件下沉积的情况如图6~图9所示, 整体的沉积平均值情况对比已由图10列出。
沉积结果:经还原后溶液荧光素浓度 (μg/L) 。
由平均值可以得出:当风扇打开时, 相对于风扇关闭时其漂移明显减少。其中, 有风无电漂移增加47.4%, 无风有电情况下增加16.8%, 有风有电情况下漂移增加36.2%。静电在无风情况下会导致雾滴粒径更小, 在无风送情况下导致漂移增大, 但是漂移情况增加并不大。当旋翼风送的情况下, 降低了11.2%的漂移量, 表明在无人机施药情况下加入静电可以显著减少漂移。
由变异系数可以看出:当加风送后, 变异系数明显降低;有风无电变异系数减少了39.8%, 无风有电情况下变异系数降低12.8%, 有风有电情况下降低28.3%。第2组植株试验中根据风送中加静电与不加静电经行对比, 两株玉米每株的三叶片按从下向上分别编号, 第一株由下向上分别为1、2、3, 第2株由下向上分别为4、5、6。由此标出植株叶片沉积分布如图6所示。
由测试结果可以得到:加静电的背面沉积大幅度提高, 普通情况下在单位面积沉积时, 背面的沉积加大, 其叶片两面的沉积更加均匀[16]。
此次试验对叶面背部沉积效果的影响静电喷雾背面沉积效果明显优于不带静电的雾滴;平均背面沉积提高162%, 背面沉积效果提升明显;叶面总体沉积率提高4%。
4 结论
1) 风送式喷雾, 特别是旋翼产生的向下的风场能够提高雾滴的穿透性且能够使得雾滴沉积更加均匀。
2) 旋翼送风由于风会造成较大的雾滴侧面漂移。
3) 静电喷洒能够提高旋翼飞机喷洒的抗漂移能力。
4) 静电喷雾能够使得旋翼飞机喷洒中植株叶片背面药液沉积显著提高。