混药浓度检测技术研究现状_杨亚飞.pdf

混药浓度检测技术研究现状杨亚飞，申志铮，蒋周良，林 彤，钱 志(江苏农牧科技职业学院，江苏泰州 225300)摘要混药是施药的基本操作环节，混合药液品质直接决定施药效果，发展浓度检测技术可以监控混合药液的品质。目前混药浓度的检测方法主要分为两大类:第一类，先采集喷雾样品溶液再利用仪器测量浓度，简称取样检测浓度法;第二类，在混合后喷雾前即在线混药时直接测量浓度，简称在线检测浓度法。重点阐述了这两大类国内外主流的混药浓度检测技术，并对其进行总结分析。关键词植保机械;混药浓度在线检测;在线混药中图分类号S126文献标识码A文章编号05176611(2023)07000604doi:103969/jissn05176611202307002开放科学(资源服务)标识码(OSID):esearch Status of Mixed Drug Concentration Detection TechnologyYANG Ya-fei，SHEN Zhi-zheng，JIANG Zhou-liang et al(Jiangsu Agri-animal Husbandry Vocational College，Taizhou，Jiangsu 225300)AbstractDrug mixing is the basic operation link of drug applicationThe quality of its mixed solution directly determines the applicationeffectThe development of concentration detection technology can monitor the quality of mixed solutionAt present，the detection methods ofmixed drug concentration can be divided into two main categories:first，collect the spray sample solution first，then use the instrument to meas-ure the concentrationThe second type is to measure the concentration directly before mixing，namely on-line concentrationThis paper focuseson the two mainstream mixed drug concentration detection technologies at home and abroad，and summarizes and analyzes themKey wordsPlant protection machinery;On-line detection of mixed drug concentration;On-line mixed drug基金项目江苏省高校自然科学研究面上项目(21KJB210020);江苏农牧科技职业学院院级课题(NSF2022Z11);泰州市“凤城英才”托举工程(泰科协发 2022 64 号)。作者简介杨亚飞(1989)，男，江苏泰州人，讲师，硕士，从事植保机械、农业电气化研究。收稿日期20211228;修回日期20220615病虫草害的有效防治是农业高产增收的有力保障12，利用农药防治病虫草害是目前农业植保领域最有效最常用的方法，据相关统计，目前从喷雾机械喷洒出去的农药只有1500%2000%能沉积在作物叶片上，而其中真正起到作用的仅有 003%34，大部分喷洒出去的农药都渗透到土壤里或弥漫在空气中，污染了土壤与环境，通过食物链威胁人类的健康56。为了提高农药的利用率，包括变量施药78、精确喷雾910 等在内的新施药技术正不断发展，喷雾系统对施药量的精确性要求越来越高，所以开发小型、低成本、可靠、能够用于喷雾机的混药浓度在线检测装置迫在眉睫。混药是施药的基本操作环节，混合药液的品质直接决定施药效果。目前的混合药液方式也从预混式混合药液向在线混药发展。在线混药相对于预混药的优势有1113:可以实现按目标作物的实际需求在线混合药液，节约用药量，减少成本和环境污染;避免人与药液的直接接触，减少施药人员农药中毒的可能性等。发展混药浓度在线检测技术能更好地监测混合后药液的浓度，以便在线混药时能够根据实际需要控制用药量和用水量，以此减少多余农药用量，从而提高农药利用率，并为混药器的设计提供依据。混药浓度在线检测技术还将有利于实现药液浓度的反馈，从而推进变量喷雾技术、精确喷雾技术的发展。此外，为了避免人与农药直接接触，全封闭混药技术也在不断发展1416。混药浓度在线检测技术将会为全封闭混药发展提供有力的技术支持和安全性保障。目前对于混药浓度的检测方法主要分为两大类:第一类，先采集喷雾样品溶液再利用仪器测量浓度(简称为取样检测浓度法);第二类，在混合后喷雾前即在线混药时直接测量浓度(简称在线检测浓度法)。1取样检测浓度法取样检测浓度法主要包括色谱法、光谱法、生物传感器法、分光光度计法等。11色谱法1994 年，Molina 等17 利用乙酸乙酯萃取水中的有机磷农药，用高效液相色谱法来检测有机磷农药浓度。最小检测浓度为 001 pg/L。1997 年，Juhler18 用乙酸乙酯与硫酸钠溶液萃取猪肉的有机磷农药，用高效液相色谱法来检测有机磷农药浓度。2013 年，韩莹等19 通过比较选择 390 nm 的检测波长，选择四硝基苯甲醛为衍生剂，建立了高效液相色谱测定偏二甲肼的方法。最小分辨浓度为 05 g/L，检测的相对标准偏差不大于 169%。12光谱法2005 年，王忠东等20 应用西维因农药溶液受到激发能发出荧光的原理，设计了一种利用电荷耦合器件与弱信号处理技术的浓度检测装置。并实际测量了西维因溶液浓度，试验数据表明，该装置能够检测出浓度在 0 120 g/L的西维因溶液。2008 年，赵凤芝等21 应用西维因农药受激发能够发出荧光的原理，设计出一种采用光纤传光、平场光谱仪分光，以及图像传感等技术获取农药浓度的检测系统。如图 1 所示，试验表明该系统能够对浓度在 00040100 mg/L 的西维因农药进行有效检测21。2011 年，Koller 等22 使用近红外光谱法检测了颗粒流的混合过程，检测装置如图 2 所示。其使用 FTNI 近红外光谱仪与电脑直接连接，将采集到的信息数据直接进行处理，得到混合液体的体积浓度。2010 年，陈菁菁等23 通过高光谱成像和荧光激发技术，安徽农业科学，JAnhui AgricSci 2023，51(7):69，17图 1CCD 荧光检测系统Fig1Block diagram of CCD fluorescence detection system图 2试验装置原理Fig2Schematic of the experimental setup设计了高光谱荧光成像农药浓度检测系统(图 3)。研究结果表明不同浓度的毒死蜱农药具有不同的荧光峰值。图 3高光谱荧光浓度检测系统示意Fig3Concentration detection system schematic diagram of Hy-perspectral fluorescence2012 年，殷磊等2425 应用光的漫反射特性获取叶片表面药液的近红外光谱，对叶面药液浓度进行了检测。对 3 种不同类型作物叶片进行实际测量，通过偏最小二乘法构建了叶片表面药液浓度与光谱反射率之间的数学模型，试验结果表明不同类型作物叶片对浓度检测的影响较小。13生物传感器法(酶传感器)2011 年，陈志刚等2627 使用电化学方法，根据农药对酶的抑制原理，设计了一种基于酶传感器的便携式农药浓度检测装置(图 4)。实际测量了西维因溶液浓度，试验结果表明装置能够检测出浓度在5 ng/mL 2 g/mL 的 西 维 因 溶 液，最 小 检 测 浓 度 为17 ng/mL，浓度的检出时间小于 161 s。图 4农药浓度检测装置组成Fig4Device of Pesticide concentration detection2011 年，王冲等28 根据酶的抑制原理，设计了基于 SOC单片机农药浓度检测装置(图 5)。并对西维因溶液进行了实际测量。将该装置测量结果与电化学工作站测量结果作比对，最高可分辨出 001 A 的微电流，最大误差不大于0.19 A。浓度的检出时间小于 3 min。图 5农药浓度检测装置组成Fig5Device of Pesticide concentration detection14分光光度计法2007 年，赵燕燕等29 用 3UV2550 型紫外分光光度计、50 L 的微量比色池测量血液中的百草枯浓度，选择采用=257 nm 作为检测波长，试验表明血中百草枯溶液浓度在 0055000 g/mL 呈现良好的线性关系，相关系数高达 0999 9。2013 年，王立伟等30 使用 UNICOUV2102 型紫外分光光度计对胭脂红溶液浓度进行了测量，选择采用=508 nm 作为测量波长，通过对标准浓度的胭脂红溶液进行吸光度分析，得出浓度曲线，并对其进行线性拟合，其相关系数高达0.992 9。2在线检测浓度法在线检测浓度法主要包括光散射法、高速摄像机法、电导率法、光纤传感器法、光折射法、透光法等。21光散射法1998 年，Ozkan 等31 根据光的散射原理，设计了一种可以通过检测药箱浊度来推断药箱混药均匀程度的装置(图 6)。2011 年，赵四海等32 根据乳化液浓度与混浊度的关系，利用散射检测器提出了一种测量乳化液浓度的方法，其检测原理如图 7 所示。对浓度在 25%55%的乳化液进行了试验研究。结果表明，散射检测器输出电压信号与乳化液浓度呈线性关系，可以用于在线检测乳化液浓度。751 卷 7 期杨亚飞等混药浓度检测技术研究现状图 6哈希浊度装置原理Fig6Diagram of the hach turbidity instrument图 7光学浊度检测原理Fig7The measurement principle of optical turbidity22高速摄像机法2011 年，徐幼林等33 使用淡黄色聚苯乙烯颗粒作为示踪粒子，采用 TOUBLE SHOOTE 2000 型高速相机拍摄混药器中药液和水实时混合图像，混药器是用高透光材料制成，检测系统如图 8 所示。通过实时处理拍摄的图像，分析混药均匀性与流体速度矢量的关系。注:1药箱;2出水软管;3有机玻璃管;4辅助光源;5混药器;6泵;7电动机;8试验台架;9高速摄像机;10水箱。Note:1 Medicine cabinet;2 Water outlet hose;3 Plexiglass tube;4Auxiliary light source;5 Mixer;6 Pump;7 Motor;8 Testbench;9High-speed camera;10Water tank图 8混合药液图像采集原理Fig8Principal figure of image collecting of mixing liquids2018 年，代祥等34 使用 4M180CL 型高速相机，拍摄混合脂溶性农药在线混药实时混合图像，并对混药器的药水混合图像进行处理，定量分析混药均匀性。23电导率法2006 年，Downey 等35 将电导率传感器装于直接注入喷嘴式喷雾系统，用 NaCl 溶液作为模拟农药，运用电导率原理测量 NaCl 溶液浓度，检测时间小于 67 ms。2010 年，徐溪超36 使用盐水代替农药，然后根据电导率原理测量了经过射流混药器混药后的溶液浓度。其检测方法如图 9 所示，取样装置为注射器，检测装置为电导率仪。图 9射流混合器截面浓度测量取样装置分布