一种灌溉消毒一体化试验装置.pdf

本发明公开了一种灌溉消毒一体化试验装置，主要由离心泵、压力传感器、流量传感器、离子浓度传感器和控制系统等组成，具有灌溉施肥、喷滴灌负载模拟、水肥参数检测、吸肥通道参数检测和回流通道参数检测等综合功能，而且在灌溉、营养液动态调配、营养液消毒等方面，有效地结合了检测营养液养分离子浓度信息，从而很好地实现了高精度营养液动态调配和模拟灌区负载，满足了灌溉施肥系统研发过程中对试验系统的要求。本发明可用于设施农业精确灌溉和营养液精确调配技术的研究和系统的开发。

权利要求书
1.  一种灌溉消毒一体化试验装置，其特征在于：由灌溉施肥管路、余液回收消毒管路、喷滴灌负载模拟管路、水肥参数检测管路、吸肥通道参数检测管路、回流通道参数检测管路和控制系统管路组成；
灌溉施肥管路由供水泵（2）、施肥控制电磁阀（3）、混肥灌（8）、灌溉泵（9）、灌溉控制电磁阀（10)依次连接；
喷滴灌负载模拟管路由控制比例阀（16）、控制测量待测灌溉机具A(6)和控制测量待测灌溉机具B(12)、压力传感器A（22）和压力传感器B(29）依次连接；
水肥参数检测管路由待测灌溉机具（17）、流量传感器A（21）和流量传感器B（30）、压力传感器A（22）和压力传感器（29）、pH传感器A（15）和pH传感器B（27）、EC传感器A（19）和EC传感器B（26）和主要营养元素离子浓度传送变换模块依次连接（14）；
在各个电磁阀、泵驱动电机的控制回路中都直接或间接地串接入有转换开关，在灌区控制电磁阀转换开关的“手动”支路中还串接入有控制开关，使电气控制系统可以实现灌区选择、供水、注肥、营养液配制和灌溉/施肥的手动控制、自动控制及其完全切换，从而保证手动模式下也能进行分区灌溉和分区变量施肥；电气控制系统主要由各种电机断路保护装置、交流接触器、控制继电器、转换开关、熔断器、固态继电器和控制开关等组成，主要负责供水泵电机(2)、灌溉泵电机(9)、混肥控制电磁阀(4)、施肥控制电磁阀(3)、灌溉控制电磁阀(10)、灌区控制电磁阀(13)和吸肥控制电磁阀(28)的控制以及手动/自动工作模式的切换；
智能测控系统主要由微控制器及其外围接口电路组成，负责根据操作人员设定的灌溉/施肥模式和工作参数，向电气控制系统发送各种控制信号，并实时检测营养液EC值、营养液pH值和灌溉/施肥流量等各种工作状态参数，以控制灌溉/施肥过程按照设定要求自动进行。

2.  根据权利要求1所述的一种灌溉消毒一体化试验装置，其特征在于所述灌溉施肥管路具体为：水泵从实验室蓄水池给混肥罐供水，灌溉泵给灌区供水供肥，两者均采用变频调速方式控制管道压力和流量。

3.  根据权利要求1所述的一种灌溉消毒一体化试验装置，其特征在于所述余液回收消毒管路为：收集2条栽培槽的营养液余液，经过过滤、消毒，暂存入储液箱，最后通过余液添加装置加入混肥罐；通过紫外线加臭氧的消毒方式进行消毒。

4.  根据权利要求1所述的一种灌溉消毒一体化试验装置，其特征在于所述喷滴灌负载模拟管路为：通过控制比例阀，控制测量待测灌溉机具出水口压力，从而实现喷滴灌负载模拟；所述喷滴灌负载模拟功能实现对其他灌溉施肥系统的性能检测，为其他灌溉施肥系统的性能检测提供依据。

5.  根据权利要求1所述的一种灌溉消毒一体化试验装置，其特征在于：
所述水肥参数监测管路用于测量待测灌溉机具出水流量、压力、pH、EC和主要营养元素离子浓度，以提高灌溉施肥的精度性和有效性。

6.  根据权利要求1所述的一种灌溉消毒一体化试验装置，其特征在于：所述吸肥通道参数检测管路采用称重法测量母液流量。

7.  根据权利要求1所述的一种灌溉消毒一体化试验装置，其特征在于：所述回流通道参数检测管路用于测量和控制吸肥回流通道压力和流量。

8.  根据权利要求1所述的一种灌溉消毒一体化试验装置，其特征在于：所述控制系统管路的主控系统采用工控机，采集和存储各参数，提供传感器和执行机构驱动程序；开放通信协议和控制协议；防护等级为IP65。

说明书一种灌溉消毒一体化试验装置
技术领域
本发明涉及灌溉消毒一体化试验装置，属于现代农业精确灌溉领域，主要用于设施农业精确灌溉和营养液精确调配技术研究和系统开发。
背景技术
在灌溉、营养液动态调配、营养液消毒等方面，目前国外内均有商业化的技术解决方案和产品，但结合检测营养液养分离子浓度信息来实现高精度营养液动态调配、模拟灌区负载来满足灌溉施肥系统研发过程中试验系统的要求等方面国内外均没有相应的技术解决方案和产品。
灌溉施肥一体化试验装置是设施农业环境控制技术及装备研究方向的重点支撑设备，同时也是设施环境和作物生理信息检测技术及机理、设施作物生长发育和环境调控模型、设施栽培环境控制技术及装备等研究方向的基础性试验设备。
营养液灌溉施肥是设施农业中的关键技术之一，包括营养液浓度的调配和灌溉两个部分。营养液浓度的调配精度影响设施内作物的养分供应，灌溉量和灌溉时间影响作物的水份供应，直接影响作物的品质、产量、农业设施的效率和用户的经济效益。开展精确灌溉、精确施肥和营养液回收消毒等研究，对于提高设施农业效益、促进设施农业产业的发展，具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种灌溉消毒一体化试验装置，具有灌溉施肥、余液回收消毒、喷滴灌负载模拟、水肥参数检测、吸肥通道参数检测和回流通道参数检测等一体化功能，以实现设施农业精确灌溉和营养液精确调配。
为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：一种灌溉消毒一体化试验装置，其特征在于：由灌溉施肥管路、余液回收消毒管路、喷滴灌负载模拟管路、水肥参数检测管路、吸肥通道参数检测管路、回流通道参数检测管路和控制系统管路组成；
灌溉施肥管路由供水泵（2）、施肥控制电磁阀（3）、混肥灌（8）、灌溉泵（9）、灌溉控制电磁阀（10)依次连接；
喷滴灌负载模拟管路由控制比例阀（16）、控制测量待测灌溉机具A(6)和控制测量待测灌溉机具B(12)、压力传感器A（22）和压力传感器B(29）依次连接；
水肥参数检测管路由待测灌溉机具（17）、流量传感器A（21）和流量传感器B（30）、压力传感器A（22）和压力传感器（29）、pH传感器A（15）和pH传感器B（27）、EC传感器A（19）和EC传感器B（26）和主要营养元素离子浓度传送变换模块依次连接（14）；
在各个电磁阀、泵驱动电机的控制回路中都直接或间接地串接入有转换开关，在灌区控制电磁阀转换开关的“手动”支路中还串接入有控制开关，使电气控制系统可以实现灌区选择、供水、注肥、营养液配制和灌溉/施肥的手动控制、自动控制及其完全切换，从而保证手动模式下也能进行分区灌溉和分区变量施肥；电气控制系统主要由各种电机断路保护装置、交流接触器、控制继电器、转换开关、熔断器、固态继电器和控制开关等组成，主要负责供水泵电机(2)、灌溉泵电机(9)、混肥控制电磁阀(4)、施肥控制电磁阀(3)、灌溉控制电磁阀(10)、灌区控制电磁阀(13)和吸肥控制电磁阀(28)的控制以及手动/自动工作模式的切换；
智能测控系统主要由微控制器及其外围接口电路组成，负责根据操作人员设定的灌溉/施肥模式和工作参数，向电气控制系统发送各种控制信号，并实时检测营养液EC值、营养液pH值和灌溉/施肥流量等各种工作状态参数，以控制灌溉/施肥过程按照设定要求自动进行。
所述灌溉施肥管路具体为：水泵从实验室蓄水池给混肥罐供水，灌溉泵给灌区供水供肥，两者均采用变频调速方式控制管道压力和流量。
所述余液回收消毒管路为：收集2条栽培槽的营养液余液，经过过滤、消毒，暂存入储液箱，最后通过余液添加装置加入混肥罐；通过紫外线加臭氧的消毒方式进行消毒。
所述喷滴灌负载模拟管路为：通过控制比例阀，控制测量待测灌溉机具出水口压力，从而实现喷滴灌负载模拟；所述喷滴灌负载模拟功能实现对其他灌溉施肥系统的性能检测，为其他灌溉施肥系统的性能检测提供依据。
所述水肥参数监测管路用于测量待测灌溉机具出水流量、压力、pH、EC和主要营养元素离子浓度，以提高灌溉施肥的精度性和有效性。
所述吸肥通道参数检测管路采用称重法测量母液流量。
所述回流通道参数检测管路用于测量和控制吸肥回流通道压力和流量。
所述控制系统管路的主控系统采用工控机，采集和存储各参数，提供传感器和执行机构驱动程序；开放通信协议和控制协议；防护等级为IP65。
利用上述试验装置实现自动灌溉施肥机施肥环节的状态监测方法过程如下：自动灌溉施肥机施肥工作过程施肥环节的状态监测依靠流量计A（21）和流量计B（30）实现；根据灌区控制的当前设置状态，可以知道当前的施肥区域及其大小，从而推算出理论施肥流量。通过流量计A（21）和流量计B（30）检测出实际施肥流量，与理论施肥流量进行比较，如果差值超过了预定限度，则必定是施肥环节出现了故障，立即进行紧急处理，并给出报警提示；如果差值在预定限度之内，则认为施肥环节工作正常。
本发明具有有益效果：一方面，本发明在灌溉、营养液动态调配等方面，有效地结合了检测营养液养分离子浓度信息来实现高精度营养液动态调配、模拟灌区负载，从而实现更加高效的灌溉施肥；另一方面，本发明可以为其它灌溉施肥装置提供性能检测，来满足灌溉施肥系统研发过程中对试验系统的要求等。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图。
图2是本发明的系统组成框图。
图3是本发明的电气控制原理图。
图中：1.水池，2.供水泵，3.施肥控制电磁阀，4、混肥控制电磁阀，5.液位控制阀，6.待测灌溉施肥机具A，7.闸阀A，8.混肥灌，9.灌溉泵，10.灌溉控制电磁阀，11.智能控制器，12.待测灌溉施肥机具B，13.灌区控制电磁阀，14.离子浓度传感变送模块，15.pH传感器A，16.比例阀，17.灌溉机具，18.过滤器，19.EC传感器A，20.闸阀B，21.流量传感器A，22.压力传感器A，23.过滤器，24.文丘里，25.电磁阀，26.EC传感器B，27.pH传感器B，28.吸肥控制电磁阀，29.压力传感器B，30.流量传感器B，31.转子流量计，32.过滤器A，33.过滤器B，34.闸阀C。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施过程作进一步说明。
本发明主要由供水泵2、压力传感器A22和压力传感器B29、流量传感器A21和流量传感器B30、离子浓度转换模块和控制系统等组成，具有灌溉施肥、余液回收消毒、喷滴灌负载模拟、水肥参数检测、吸肥通道参数检测和回流通道参数检测等功能。主要用于设施农业精确灌溉和营养液精确调配技术研究和系统开发。
本发明的总体结构示意图如图1所示，主要由离心泵、压力传感器、流量传感器、离子浓度传感器和控制系统等组成。系统组成框图如图2所示。
灌溉施肥一体化试验装置包括灌溉施肥管路、余液回收消毒管路、喷滴灌负载模拟管路、水肥参数检测管路、吸肥通道参数检测管路、回流通道参数检测管路、控制系统管路。灌溉施肥管路包括水泵、施肥控制电磁阀、混肥灌、灌溉泵、闸阀等，并依次连通；喷滴灌负载模拟管路包括控制比例阀16、控制测量待测灌溉机具A6和待测灌溉机具B12、压力传感器A22和压力传感器B29；水肥参数检测管路包括待测灌溉机具17、流量传感器A21和流量传感器B30、压力传感器A22和压力传感器B29、pH传感器A15和pH传感器B27、EC传感器A19和EC传感器B26和主要营养元素离子浓度传送变换模块14。
本发明的电气控制原理如图3所示。电磁阀和各泵分别连接至电气控制系统，电气控制系统与智能测控系统相连，在各所述电磁阀、所述电机的控制回路中串接有控制模式转换开关，各控制模式转换开关具有手动和自动支路；灌区控制电磁阀连接固态继电器，固态继电器的输入回路中串有灌区控制模式转换开关，其自动档位支路连接智能测控系统的输出信号端、其手动支路中串接有灌区控制开关。由电磁器件控制电源、固态继电器的输入级、控制模式转换开关的自动支路和智能测控系统依次连接构成固态继电器自动控制回路；该控制回路中串接的控制模式转换开关分别是灌溉控制模式转换开关、施肥控制模式转换开关、混肥控制模式转换开关和吸肥控制模式转换开关。
由电磁器件控制电源、控制施肥泵的施肥泵启停控制继电器的线圈和施肥泵控制模式转换开关的手动支路依次连接构成施肥泵启停控制继电器的手动控制回路；由电磁器件控制电源、供水泵启停控制继电器的线圈、供水泵控制模式转换开关的自动支路和智能测控系统依次连接构成供水泵启停控制继电器的自动控制回路。
主要功能如下：灌溉施肥一体化试验装置包括灌溉施肥管路、余液回收消毒管路、喷滴灌负载模拟管路、水肥参数检测管路、吸肥通道参数检测管路、回流通道参数检测管路、控制系统管路，灌溉施肥管路包括供水泵2、施肥控制电磁阀3、混肥灌8、灌溉泵9、灌溉控制电磁阀10依次连通；
自动灌溉施肥机施肥工作过程施肥环节的状态监测主要依靠流量计A21和流量计B30实现。根据灌区控制的当前设置状态，可以知道当前的施肥区域及其大小，从而推算出理论施肥流量。通过流量计A21和流量计B30检测出实际施肥流量，与理论施肥流量进行比较，如果差值超过了预定限度，则必定是施肥环节出现了故障，立即进行紧急处理，并给出报警提示；如果差值在预定限度之内，则认为施肥环节工作正常。
本发明的灌溉施肥过程：水泵从实验室蓄水池给混肥罐供水，灌溉泵给灌区供水供肥，两者均采用变频调速方式控制管道压力和流量。
余液回收消毒部分：收集栽培槽（2条）营养液余液，经过过滤、消毒，暂存入储液箱，最后通过余液添加装置加入混肥罐。本发明中的消毒是采用紫外线加臭氧的方式。
喷滴灌负载模拟部分：通过控制比例阀，控制测量待测灌溉机具出水口压力，从而实现喷滴灌负载模拟。该灌溉施肥一体化试验装置中喷滴灌负载模拟功能可以实现对其他灌溉施肥系统的性能检测，为其他灌溉施肥系统的性能检测提供依据。
水肥参数检测部分：测量待测灌溉机具出水流量、压力、pH、EC和主要营养元素离子浓度。
吸肥通道参数检测部分：采用称重法测量母液流量。
回流通道参数检测部分：测量和控制吸肥回流通道压力和流量。
综上所述，本发明在各个电磁阀、泵驱动电机的控制回路中都直接或间接地串入了转换开关，在灌区控制电磁阀转换开关的“手动”支路中还串入了控制开关，使电气控制系统可以实现灌区选择、供水、注肥、营养液配制和灌溉/施肥的手动控制、自动控制及其完全切换，从而保证手动模式下也能进行分区灌溉和分区变量施肥。电气控制系统主要由各种电机断路保护装置、交流接触器、控制继电器、转换开关、熔断器、固态继电器和控制开关等组成，主要负责供水泵电机2灌溉泵电机9、混肥控制电磁阀4、施肥控制电磁阀3、灌溉控制电磁阀10、灌区控制电磁阀13和吸肥控制电磁阀28的控制以及手动/自动工作模式的切换；智能测控系统主要由微控制器及其外围接口电路组成，负责根据操作人员设定的灌溉/施肥模式和工作参数，向电气控制系统发送各种控制信号，并实时检测营养液EC值、营养液pH值和灌溉/施肥流量等各种工作状态参数，以控制灌溉/施肥过程按照设定要求自动进行。
在以上具体实施方式中，多个灌区控制模式转换开关可以合并到一个多节转换开关中；多个吸肥控制模式转换开关也可以合并到一个多节转换开关中；施肥控制模式转换开关和灌溉控制模式转换开关也可以合并到一个多节转换开关中。
本发明的技术方案，在灌溉、营养液动态调配、营养液消毒等方面，有效地结合了检测营养液养分离子浓度信息来实现高精度营养液动态调配、模拟灌区负载来满足灌溉施肥系统研发过程中对试验系统的要求等方面。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围之内。