速率控制器和脉冲宽度调制更新

关于喷涂速度控制的讨论很多，其中一项关键技术是脉宽调制喷涂系统(PWM)。虽然PWM在商业上已经有好几年了，但我们看到新产品正在进入市场。这篇文章解释了什么是PWM以及如何使它在喷涂操作中工作。

速率控制底漆

现代喷雾器，无论是自行推进的，还是拖拉机或卡车牵引的，都会经历速度的波动。操作人员根据情况的需要加速或减速。为了保持每英亩的恒定施用量，喷雾液体流量必须与行进速度成正比变化。喷雾器通过一个速率控制器来实现这一目标，这是大多数喷雾器的标准设备。

速率控制器使用四条信息来确保恒定的应用速率。

• 用户输入臂架的宽度和所需的水施用量。
• 喷雾器提供行驶速度信息(从GPS信号或雷达或基于车轮的速度计收集)和液体流速(从主喷雾器液体流线上的流量计收集)。

使用一个简单的数学公式，速率控制器计算所需的液体流量需要为任何给定的速度。典型的控制器通过调节泵的压力来改变流量。喷雾器操作员密切关注喷雾压力，以确保它不会超过喷嘴、管道或泵的能力，或者它不会产生不期望的液滴大小或喷雾模式。

速率控制选项

目前市场上大约有五种流量控制方案，除一种外，其余都在一定程度上依赖于喷雾压力来管理流量。

• 基于压力的速率控制。最常见的系统，它根据行驶速度的要求改变喷涂压力。它受到安装在喷雾器上的喷嘴的高和低流量能力以及喷雾器系统的压力限制的限制。
• 可变速率喷嘴。商用系统，如VariTarget喷嘴使用喷嘴组件中的柱塞，通过喷射压力向下推动并变形柔性喷嘴盖。更高的压力导致瓶盖的孔口变大，促进更多的流量。在相同的压力范围内，该系统能够比传统喷嘴系统更大的流量范围。
• 双吊杆系统。流量控制器的功能仍然如上所述，但当单套喷嘴无法满足流量要求时，安装了不同流量喷嘴的第二个臂架将被激活。例如，如果第二个臂架包含更大的喷嘴，一旦具有更大流量喷嘴的臂架被激活，喷雾压力就会显著下降，并且可以实现额外的速度能力。

• 双喷嘴或四喷嘴体。Arag (Seletron)、Hypro (Duo React)和许多欧洲制造商也有类似的双吊杆设计方法。这些系统利用一个单一的臂架(不需要重复的臂架)，并通过任意两个或四个(Arag Seletron)喷嘴中的一个，或同时通过两个喷嘴。使用这种方法也可以控制单个喷嘴的截面。类似于双吊臂的压力波动，需要仔细选择喷嘴流量，以避免较大的压力波动。同样的系统也可以用来手动改变从一个喷嘴到另一个条件需要。

• 脉冲宽度调制。PWM利用了传统的管道:每个位置都有一条吊杆线和一个喷嘴。通过每个喷嘴的液体流速是通过一个电动电磁阀代替弹簧负载的止回阀激活的喷嘴流量间歇短暂关闭来管理的。典型的系统脉冲为10hz(螺线管每秒关闭喷嘴10次)，喷嘴在“开”位置的持续时间称为占空比(DC)或脉冲宽度。100%直流意味着喷嘴完全打开，20%直流意味着螺线管只有20%的时间是打开的，导致喷嘴以大约20%的容量流动。控制占空比的能力被称为脉宽调制。

利与弊

基于压力的方法有两个主要特征会影响喷涂操作。

• 压力影响喷雾质量和喷雾模式。更高的压力(更快的传播速度的结果)导致更细，更容易漂移的喷雾，而较低的压力，除了产生更粗糙的喷雾外，可能会降低喷雾的风扇角度。由此产生的狭窄图案可能导致重叠较少和图案均匀性差。当行驶速度下降到定义点以下时，喷雾流量保持恒定以保持模式;这可能会导致过度使用。
• 压力不是改变流量的有效方法。正如流量与压力的平方根关系所预测的那样，将行程速度提高2倍需要4倍的压力变化。因此，当系统压力范围从低30psi到高90psi(压力变化3倍)时，流量(和运行速度)变化仅为1.73倍。1.73是根号3。

相比之下，PWM系统不依赖于压力变化来影响新的流量。相反，系统的占空比会影响喷嘴的吞吐量。在整个占空比范围内，臂架喷雾压力保持不变，因此，喷雾质量和喷雾风扇模式角度也保持不变。在实践中，最低占空比会增加液滴尺寸，并在一定程度上减小风扇角度。这些影响很小，不会影响整体性能。操作人员还可以选择调整喷射压力以获得所需的液滴大小，即使是“在运行中”，PWM系统也将保持所需的施用量。

因此，PWM系统可以将行驶速度改变大约5倍(从20 DC到100% DC)。占空比小于20%，尽管可能，但不建议使用。

请注意，PWM系统实现的实际测量流量变化与占空比没有直接关系。实际喷嘴流量比占空比计算预测的要大，特别是对于较小的喷嘴。

商用PWM系统

用于喷涂的PWM的最初发明者，加州大学戴维斯分校的Ken Giles博士，与绞盘Ag系统合作生产了绞盘同步机，这是市场上第一个PWM系统。绞盘产品后来被授权给Case IH喷雾器，并命名为AIM命令。从1998年到2016年，它是由Capstan制造的Case喷雾器的工厂选项。该系统具有一个独立的监视器，允许PWM范围从100到15%，并具有一个交替脉冲，其中每秒钟的喷嘴脉冲相同，并且交替喷嘴在180度偏移中工作。换句话说，在50%直流工作的系统中，当任何给定的喷嘴是开着的，相邻的喷嘴是关着的。这就产生了一种“混合脉冲”，将跳过的可能性降至最低。

近年来，绞盘已进入改装市场，该技术已安装在许多品牌的喷雾器在经销商层面。硬件与Case产品相同，只是软件与速率控制器的交互方式略有不同。

自2012年以来，Case提供了一个名为AIM Command Pro的增强版本(Capstan称他们的版本为Pinpoint)。该系统提供单个喷嘴截面控制以及转弯补偿。此外，增强型系统还提供单个喷嘴诊断，为喷雾器操作员提供操作细节。

2014年，瑞文公司推出了一款名为“鹰眼”的系统。该系统最初针对的是改装市场，它使用了一种与蝰蛇4监视器一起工作的ISOBUS方法。电动螺线管类似于绞盘系统上的螺线管。基本系统(Hawkeye)具有转弯补偿功能，而不是单个喷嘴分段控制。区段分辨率由监视器的限制决定，例如，Raven Viper 4上的16个虚拟区段。Hawkeye 2.0 HD于2015年12月发布，允许单独的喷嘴开关控制。鹰眼可以作为New Holland(称为IntelliSpray)， Apache, Rogator, Horsch Leeb和Case (AIM Command HD)喷雾器的工厂选项。

约翰迪尔在2016年宣布了他们的PWM版本。被称为ExactAp厚度时，系统将液体流分成两个流，分别通过两个螺线管。螺线管用于关闭流量，也可以控制液体流速，每个运行在15 Hz。阀体上有编号的进料壳体上有六个喷嘴，它们成对运行。

主体手动旋转到首选的喷嘴对。前面有较长的外壳(# 4,5和6)，它只允许从单个喷嘴流出非常高的流量。当较短的壳体旋转到前面时，该装置将只允许前面，后面或两个喷嘴操作。

它有三种主要模式。

1. 前面的长壳体具有高流量(如化肥)能力。该喷嘴可以在30赫兹脉冲通过使用两个螺线管。
2. A / B模式。驾驶室可切换喷嘴在前面，后面，或两个速率变化，喷雾质量变化或其他特殊用途。当脉冲关闭时，AB自动选择模式可根据流量需要自动切换喷嘴。其想法是在前部(a)安装一个较小的喷嘴，并通过压力变化来响应速度变化(即传统的基于压力的速率控制)。当增加的速度超过喷嘴的压力极限(由用户设定)时，机组切换到略大的后喷嘴(B)。压力立即下降，速度更快。一旦压力达到用户定义的最大压力，两个喷嘴就会开启，从而增加速度。
3. 脉冲模式。前，后，或两个喷嘴都可以脉冲。用户可以在驾驶室中切换这些喷嘴。当只有一个喷嘴从位置1、2或3发出脉冲时，频率为15hz。当两个脉冲时，有效频率将是准30hz(每个15hz在180度偏移)。

该系统还具有单独的喷嘴关闭，旋转补偿，喷嘴可编程速率，喷嘴堵塞检测和LED照明。它提供了更高的最大流量通过其螺线管(高达50美国gpa在15英里/小时)。

我们已经对ExactApply进行了深入的概述在这里．

TeeJet有一个名为DynaJet Flex 7120的系统，它使用显示器或Android平板电脑来显示压力、占空比和液滴大小。DynaJet可用于原始设备制造商和售后市场。TeeJet系统的独特之处在于能够动态选择不同的液滴尺寸，并且系统可以在很大的速度或应用速率范围内保持液滴尺寸。TeeJet系统与任何基于流量的速率控制系统兼容，并且不需要TeeJet喷雾控制。该产品可从TeeJet经销商处获得。

PWM系统也可在Agrifac (StrictSprayPlus), WEEDit方形住宅区,BBLeap．这些系统的工作频率较高，WEEDit的最高频率为50 Hz, Agrifac和BBLeap的最高频率为100 Hz。

系统功能

喷雾质量:由于PWM系统可以在不影响喷射压力的情况下改变流量，用户可以选择满足喷射质量目标的喷射压力，并期望在整个油田中，无论喷射速度如何，喷射质量都保持不变。

喷雾漂移控制:虽然PWM本身没有任何独特的能力来减少喷雾漂移，但它确实使喷雾漂移管理更容易。例如，减少喷雾漂移最容易使用的工具是通过降低喷雾压力来增加液滴尺寸。在常规系统中，喷雾压力的降低只能通过降低运行速度来实现，因为较低的喷雾压力也会降低总体流量。使用PWM，喷淋压力降低导致的流量损失可以通过增加直流来补偿。因此，如果系统中有足够的直流容量，较低的压力不需要降低运行速度。此外，PWM系统使用更大的喷嘴，自然会产生更大的液滴。

速度控制:PWM系统可用于可变速率应用。由占空比决定的喷淋量可以在其运行范围内随需要变化而不改变行驶速度。

把金额:AIM命令Pro，绞盘精确定位，乌鸦鹰眼，和约翰迪尔ExactApply功能将补偿功能。在转弯过程中，外臂比内臂移动得快，导致应用不足和过度。回转补偿系统可以向外侧输送额外的流量，减少流向回转内臂架末端的流量。在实践中，这个特性有局限性。例如，为了提供最大的灵活性，系统的平均DC需要约为60%至70%。第二，被翻转物体的直径不应该比吊杆的宽度小很多，否则内吊杆相对于外吊杆移动得太慢。系统的滞后也必须是最小的，以避免在转弯开始和结束时产生抵消效应。

分段控制:在PWM系统中，分段配置由线路和软件决定，而不是管道。在操作过程中，所有分段阀都保持开启状态，分段关闭直接在喷嘴螺线管处生效。单个喷嘴部分控制由AIM命令Pro和绞盘精确定位，以及鹰眼2.0 HD和约翰迪尔ExactApply提供。当油田边缘不直，或油田有障碍导致严重重叠时，该特性可以节省产品成本。

关闭反应:传统的喷嘴止回阀设计用于防止臂架关闭时喷嘴滴漏。然而，由于大多数臂架中存在气囊，以及导致臂架的橡胶软管具有弹性，关闭时间延迟到臂架压力达到1bar左右。这可能需要长达10秒的时间，导致意外的过度喷洒和其他安全问题。在PWM系统中，螺线管会立即关闭流向喷嘴的流量，相反，也会立即打开。当喷嘴关闭时，臂架保持完全加压，使喷射模式在流量恢复时充分发展。

喷嘴的选择

脉冲螺线管会在喷嘴体内产生持续时间较短的低压，这可能会导致一些空气诱导的喷嘴性能较差。因此，PWM制造商建议避免使用空气诱导喷嘴，而是使用前置孔喷嘴。

案例喷雾器配备了一个由Wilger Industries制造的喷嘴体，适合ComboJet喷嘴盖。本公司提供五种PWM喷嘴。按顺序，从最细到最粗:

• ComboJet呃
• ComboJet老
• ComboJet先生
• ComboJet博士
• ComboJet你

在实际应用中，在PWM系统中很少使用ER和DR。MR通常适用于较低的水量率(MR11003或MR11004达到3 US gpa至6 US gpa)，而较高的水量(6 US gpa至15 US gpa)通常使用SR喷嘴(SR11005, SR11006或SR11008，取决于平均行驶速度)。在某些情况下，当流量要求11010或110125尺寸时，使用ER喷嘴。喷嘴处的喷射压力通常为40psi。UR是一种dicamba专用喷嘴，以满足美国标签对漂移保护的要求。

威尔格的喷嘴体可以购买作为复古适合其他喷雾器。该公司还提供适配器，允许Wilger喷嘴用于tejet风格的车身，反之亦然。

PWM系统运行在TeeJet风格的车身上，由TeeJet Technologies的Turbo TeeJet喷嘴提供良好的服务。这些宽角喷嘴的尺寸可达11012，在压力范围为15至60 psi的情况下产生合适的喷雾质量。许多运营商使用Turbo TwinJet，这是另一个不错的选择，它有很多流量选择，最高可达11010。最近，TeeJet已经测试并批准了几种用于PWM的空气诱导喷嘴，其中包括AITTJ60、TTI和TTI twinji。

Hypro的Guardian和3D喷嘴非常适合PWM，但比目前的空气诱导标准更细。新的ULDM喷嘴是超粗的，虽然是空气诱导的，但也被批准用于PWM。Hypro还专门为John Deere为ExactApply生产LDM喷嘴，其喷雾质量与成熟的ULD相似。大多数其他制造商，包括Lechler, Hardi等，都有传统的前孔平扇喷嘴，也可以工作。重要的是始终选择110度的风扇，以确保实现100%的重叠，以保持混合脉冲的概念。限制是在特定型号中可用的最大流量，许多喷嘴的尺寸不能大于05或06。

Agrotop(美国绿叶)提供两种独特的PWM喷嘴。BPDF是一种不对称的双配置，具有两个改进的AirMix尖端，消除了空气诱导。更粗糙的SoftDrop喷嘴是为麦草畏市场设计的。

Arag推出了产生粗糙或非常粗糙的喷雾质量的PWM喷嘴，称为CFLD-C或CFLD-VC喷嘴。这是一个良好的喷雾质量一般使用。然而，这些型号还没有提供流量在06以上。

喷嘴选择过程

与传统的喷嘴尺寸计算方法相比，喷嘴尺寸的计算量较小喷雾校准表．按照这些步骤，或者看看这篇专题文章：

1. 在运行期间，目标占空比平均为70%±10%。这允许最好的旅行速度灵活性。假设你想以每小时15英里的速度申请10美国gpa。在常规系统中，05喷嘴尺寸可以满足40psi的流量要求。对于PWM, 06尺寸将在约83%占空比(0.5/0.6 = 0.83)下工作。假设最低直流为20%，最低行驶速度约为3.6英里/小时是可能的。08尺寸将在63% DC(0.5/0.8=0.63)下运行，允许最低速度为20% DC，即4.8英里/小时。任何一种选择都可以工作，只要操作员认识到两者的行驶速度限制。记住，实际流量的变化与占空比没有直接关系。预计会看到比计算的更高的流量，特别是对于小流量喷嘴。
2. 计算行驶速度范围。任何喷嘴选择的行程速度范围和水量都可以轻松计算。最大行驶速度受所选喷嘴的容量和100%直流压力的限制。最小行驶速度可以假设为该值的20%，在此情况下，系统将以20%直流工作。假设在上面的例子中，用户选择了08喷嘴尺寸为40 psi，则可以从传统的校准图表中读取最大行驶速度，即24 mph。最低速度是这个数字的五分之一，4.8英里/小时。绞盘有图表，显示理论旅行速度范围(假设DC和流量之间的直接关系)。对于Raven和TeeJet，图表是根据实际流量测量数据开发的。这些结果表明，实际流量比预测的要大，特别是对于较小的喷嘴。
3. 考虑螺线管上的压降。压降取决于通过螺线管的总流量，04流量为3至5 psi, 08流量为5至13 psi, Case，绞盘和Raven产品。如果目标喷涂压力为40psi，则将压力设置为40psi加上这些值。传统的喷雾图没有考虑PWM螺线管上的压降。当使用绞盘Ag系统时，总是参考从绞盘Ag系统公司的tip图表capstanag.com(或在这里)，并在使用TeeJet系统时，请参阅www.teejet.com．两者都显示了不同流量下的压降。瑞雯的小费表在他们的操作手册．

常见问题

1. 喷雾的脉动是否会在控制中产生跳绳?这种情况非常罕见，通常只有在喷嘴选择错误时才会出现。箕斗更有可能与低占空比、快速行驶、低吊杆、窄风扇角和极粗的喷雾相结合。在高速下，系统通常在高占空比下工作，除非选择了过大的喷嘴尺寸。在吊杆高度超过20英寸和中等到非常粗糙的喷雾，有足够的混合喷雾云从喷嘴到目标，以消除任何跳跃覆盖。在急转弯时，我们可以看到臂架外缘的跳线，当占空比取自拖拉机单位速度(转弯时较慢)，而臂架外缘的速度是该速度的两到三倍。传统的系统在这些条件下也会遇到类似的情况。
2. 液滴大小真的在占空比范围内保持不变吗?在低占空比时，我们看到液滴尺寸略有增加，风扇角度也略有减小。这可能是因为较长的脱相降低了喷嘴体内的内部压力，从而有效地降低了压力。这些变化的幅度并不显著。避免长时间处于最低占空比(行驶速度)仍然很重要。
3. 我能用一个喷嘴喷洒所有的水吗?PWM系统的优点是，对于任何给定的水量，在大范围的行驶速度内保持一致的压力。当移动到新的水量差异超过25 - 30%时，建议更换不同的流量喷嘴。对两个体积保持相同的喷嘴在技术上是可行的，但代价是限制了一个或两个体积的行驶速度范围。典型的PWM用户有三个喷嘴，分别用于低、中、高水量需求，假设相似的行驶速度范围。有些人选择对中等和高水量使用相同的喷嘴，假设高水量是在成熟的冠层中，因此速度会降低。
4. PWM能减少漂移吗?PWM不会以任何特殊的方式减少漂移。漂移与液滴大小有关，液滴大小由喷嘴选择和操作压力控制。传统的系统将使用低漂移喷嘴，在其压力范围内保持合理的低漂移喷雾。但在高速时，高压会被使用，这会增加漂移电位。在PWM系统中，高速不增加压力，提供更一致的漂移量。然而，即使在相同的压力下，更高的速度也会增加漂移的可能性，因为更多倾向于漂移的液滴被从喷射羽流中拉出来。一些使用PWM的用户可能会驾驶得比他们应该的更快，因为他们避免了压力峰值。从漂移的角度来看，快速旅行仍然是一种糟糕的做法。
5. 系统是否容易出现故障?PWM已经在市场上约15年的案例和绞盘，并已被证明是稳健的。螺线管本身具有良好的磨损寿命，但需要不时更换。在螺线管内部，poppet密封会随着时间的推移而磨损，需要相当便宜且容易更换。与所有电子产品一样，定期检查线束，以确保没有磨损或挤压。

额外的帮助

一个更有用的网站为PWM用户是提示向导由Wilger (www.wilger.net)．它是为Case AIM命令选择正确的喷嘴，该命令使用专有的Wilger喷嘴体和盖。该网站帮助用户选择与他们的体积、速度和液滴大小要求相匹配的喷嘴。

一旦用户了解了系统的基本原理，任何常规的校准图都可以用来确定所需的喷嘴尺寸。用户只需要选择一个流量大30 - 40%的喷嘴，就可以让系统在平均70%直流下运行。

Wilger还开发了一款名为Tip Wizard的智能手机应用程序，在选择小费方面与他们的网站提供了很多相同的功能。

绞盘(www.capstanag.com)会生成一个有用的校正表，以确定各种喷嘴的压降和压力，以及这些喷嘴在应用一定水量时的运行速度范围。

Raven Industries在其网站上提供有关鹰眼的信息(ravenprecision.com)．该公司在其youtube频道上提供了演示安装程序的有用视频。

TeeJet Technologies在其网站上有DynaJet的信息(www.teejet.com)．该网站包含有产品信息，安装和操作手册，应用速率图表，和滴尺寸信息。

故障处理与维护

PWM螺线管的主要危害是污染物。颗粒可能会滞留在凸口密封表面，降低计量精度。建议定期检查筛网，偶尔拆卸和拆卸螺线管以暴露螺线管。