CN101848634B - 灌溉控制系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于确定土壤的基质势的张力计，其包括：水入口；水力耦合器，其包括多孔材料以便在进入入口的水和土壤之间提供水力耦合；以及隔板，其抵抗空气经由多孔材料的侵入而密封进入入口的水。

Description

灌溉控制系统
相关申请 
本申请要求享有2007年8月20日提交的美国临时申请60/935,571的在35U.S.C.119(e)下的权益，该申请的公开内容在此通过引用并入。 
领域 
本发明涉及用于控制灌溉系统的系统和装置。 
发明背景 
经过灌溉管道网络对植物输送经常包含植物营养物、杀虫剂和/或药物的水的灌溉系统是众所周知的。在一些灌溉系统中，外部喷洒器、发射器或滴注器(dripper)被连接到灌溉管道，以便将水从管道分流并将水输送到植物。在很多这样的灌溉网络中，来自管道的水通过被安装在灌溉管道上或者“集成”在灌溉管道内的发射器或滴注器输送到植物。为了方便，用于灌溉系统中以将水从系统中的灌溉管道分流并将分流的水输送到植物的各种类型的装置中的任一种通常被称为发射器。发射器之间的间距以及发射器特性经常被设置成响应使用灌溉系统灌溉的植物的不同的灌溉需要。 
对于给定构造的灌溉管道和发射器，由灌溉系统输送的水的量可以通过控制各种水流量控制装置比如水泵、流量阀以及止回阀，和/或本领域已知的流量控制装置的组合中的任何一种而被控制。流量控制装置可以操作以控制来自源的水，或者控制来自灌溉系统中的单个发射器的水，该源对灌溉系统中的灌溉管道的全部或者一部分提供水。 
2006年8月17日提交的题为“Irrigation Pipe(灌溉管道)”的以色列专利申请177552，其公开内容在此通过引用并入本文，描述了一种具有灌溉管道的灌溉系统，灌溉管道包括具有不同的压力阈值的集成的发射器，发射器在这些压力阈值时打开以从管道输送水。其中打开以便输送水的发射器是通过改变灌溉管道中的压力来控制的。美国专利5,113,888，“Pneumatic Moisture Sensitive Valve(气动水分敏感阀)”，其公开内容在此通过引用并入本文，描述了具有其自有的阀的喷淋装置(spray device)，该阀打开和关闭以控制装置喷洒在植物上的水的量。 
各种自动和/或手动方法和系统被用于确定什么时候对由灌溉系统灌溉的植物提供水以及提供多少水并相应地控制系统中的水流装置。上文提到的美国专利5,113,888响应于土壤水分而控制专利中描述的喷淋装置中的水流量阀。该喷淋装置包括定位在土壤中的具有孔的元件，当土壤水水分在预定量以上时，这些孔被阻塞，而当土壤水分在预定量以下时，这些孔被打开。当孔被打开时，空气被从阀中的室释放，从而减轻了保持流量阀关闭的压力，以允许阀打开以及允许水流动并且从喷淋装置喷洒。美国专利6,978,794描述了响应于由定位在土壤中的至少一个时域反射计量传感器(time domain reflectometry sensor)(“TDRS”)确定的土壤水分而控制灌溉系统，该专利的公开内容在此通过引用并入。该专利描述了使用多个TDRS在不同的土壤深度提供土壤水分含量的测量。US 6,314,340描述了响应于昼间的高温和低温控制水，其公开内容在此通过引用并入。 
对于很多农业和科学应用，土壤水基质势被用作测量土壤水分含量以及土壤状况对于植物生长的适合度，且灌溉系统经常响应于土壤基质势的测量结果而被控制。通常用“ψ”表示的水基质势为散粒土物质吸引水以粘附到散粒表面有多么强的测量。土壤越干，土壤散粒吸引水并将水保持到它们的表面的力就越强，并且水基质势就越大。随着土壤的基质势增加，植物从土壤中吸取水越困难。当土壤变得干到使得植物不能从土壤吸取水时，植物蒸腾作用停止并且植物枯萎。 
具有压力单位的基质势一般地为负的，并且通常使用张力计测量。张力计通常包括多孔材料，该多孔材料由气密密封件连接到填充有水的密封 储存器。多孔材料被放置成与土壤接触，土壤的基质势以及因而水分含量将被确定，并且多孔材料起作用，以便将储存器耦合到土壤以允许水而不是空气穿过储存器和土壤之间。将水吸引到土壤散粒的力牵引水从储存器穿过多孔材料并在储存器中产生真空。土壤越干，将水从储存器牵引穿过多孔材料的力就越大，并且真空就越强，即真空压力的降低越大。随着土壤水分增加，将水吸引到土壤散粒的力降低，并且水从土壤被牵引穿过多孔材料进入储存器，并且真空压力增加。随着土壤的水含量分别地减小或增加，真空增加(压力减小)或减小(压力增加)。合适的压力监测器被用于确定真空的压力并从而提供土壤基质势的测量。 
张力计中的多孔材料通常为陶瓷，并且经常被形成为具有杯状或测试管状形状。然而，美国专利4,068,525提到，多孔材料“可以由包括陶瓷的多种材料中的任何一种形成，唯一的要求是‘发泡压力(bubblingpressure)’，在该‘发泡压力’以下的压力下，空气将不能穿过材料的打湿的孔，该‘发泡压力’必须大于正常大气压力，以防止空气的气泡进入仪器”，该专利的公开内容在此通过引用并入。应提到，发泡压力通常只在多孔材料被水饱和时才被保持。 
另外，多孔材料应在土壤和水储存器之间提供良好的水力接触。关于土壤接触的后者约束一般要求多孔材料与土壤颗粒相对紧密的机械接触。尽管这些接触通常可以由陶瓷的表面提供，但是对于粗的土壤或砾石，这些机械接触以及由此引起的水力接触可能是使用陶瓷材料难以得到的。Gee等人在Soil Sci Soc.Am.J.54：1498-1500(1990)的题为“A WickTensiometer to Measure Low Tensions in Coarse Soils(测量粗糙土壤中的低张力的农场张力计)”的文献中描述了在粗质土壤中使用的张力计，其中多孔材料“由纸巾纸或被紧密地轧制成筒的其它可比较的毛细材料(wicking material)构造(～0.7cm直径以及～7cm长)。”作者提到，当打湿时，对紧密地轧制的毛细材料进行了合适的发泡压力的压力测试。 
美国专利5,156,179描述了响应于水基质势而使用张力计控制的灌溉系统，该专利的公开内容在此通过引用并入。该系统包括“流量控制器装置”，该“流量控制器装置”包括与张力计连接以“提供用于灌溉的水流 的自动控制”的阀组件。张力计中压力的改变移动阀中的柱塞，以便“依据土壤对于水的基质张力”来提供穿过阀组件的“流动速度的可变控制”。 
发明概述 
本发明的一些实施方式的一方面涉及提供一种用于测量土壤的基质势的张力计，该张力计的提供与土壤的水力接触以及密封水储存器的功能由张力计的不同部件提供，其中水储存器和张力计一起使用或者被包含在张力计中，以抵抗空气通过水力接触的侵入。 
依据本发明的一些实施方式的一方面，在下文中称为“密封隔板(sealing septum)”的隔板使张力计水储存器与张力计的由多孔材料形成的部件面接，该多孔材料在张力计储存器和土壤之间提供水力接触，并且当变湿时实质上密封储存器以抵抗空气穿过多孔材料的侵入。为了表述的方便，由多孔材料形成的部件被称为“水力耦合器(hydraulic coupler)”。 
在本发明的实施方式中，因为密封隔板实质上提供水储存器的恰当的密封，所以当变湿而具有大于将使用张力计的土壤的最小基质势的绝对值的发泡压力时一般不需要水力耦合器的多孔材料。(如上文提到的，基质势通常为负压力，并且最小基质势为具有最大绝对值的负压力。一般地在材料被恰当地打湿的时候，材料的发泡压力为最小基质势的负值，在该最小基质势时空气将不能穿过材料)。通过实质上将提供与土壤的水力接触的功能与抵抗空气穿过的密封的功能分开，相对地宽泛的材料范围可以被用于水力耦合器，并且张力计可以有优势地被设置成用于特定的农业用途，同时也提供相对改进的与土壤的水力接触。 
例如，依据本发明的一些实施方式的一方面，水力耦合器包括多孔材料，其中植物的根能够相对容易地在多孔材料中生长。可选择地，多孔材料包括编织的和/或非编织的土工织物和/或玻璃纤维。然而，本发明的实践不被限制到这些材料，并且依据本发明的实施方式的张力计可以，例如包括以合适的孔隙度为特征的任何亲水性材料，并且当然可以包括相对硬的材料比如陶瓷。 
已提到，很多植物的根能够产生等于大约15个大气压的水压，以便从土壤中吸取水。这样的压力可在土壤水分中引起相对陡的梯度，因此植物的根附近区域中的土壤实质上比附近区域以外的土壤干。由于植物生长和健康一般对于邻近于它们的根的土壤环境相对敏感，所以植物的根能够在其的水力耦合器内部生长的张力计可响应于植物的根附近的土壤条件而有优势地提供水基质势测量。这些测量在控制对植物提供水的灌溉系统中的使用可能特别有优势。 
本发明的一些实施方式的一方面涉及提供一种相对便宜并且容易制作和使用的张力计。 
在本发明的实施方式中，张力计包括外壳，该外壳具有第一外壳部分以及第二外壳部分，第一外壳部分形成为具有用于与密封的水储存器相通的入口孔口，第二外壳部分形成为与第一部分匹配。匹配的部分被组装成将密封隔板夹在孔口和多孔水力耦合材料的第一区域之间，当张力计被组装时，该第一区域被定位在张力计外壳中。水力耦合材料的第二区域被定位在组装的外壳外面，并且提供张力计到土壤的水力耦合，张力计将对该土壤提供基质势测量。可选择地，第一外壳部分和第二外壳部分由注射模制塑料形成。可选择地，密封隔板由市场上容易得到的材料比如塑料、陶瓷或特征为具有合适的均匀度的孔隙率以及孔尺寸的烧结金属形成。可选择地，孔尺寸具有特征尺度，该特征尺度具有大约0.5微米到1微米之间的平均值。可选择地，该水力耦合材料包括土工织物。张力计可以通过本领域已知的任何各种方法比如超声焊接、胶粘或将第一外壳部分和第二外壳部分搭扣锁定在一起而被迅速地组装。 
本发明的一些实施方式的一方面涉及提供一种张力计的构造，该张力计响应于相对较大区域上的水基质势条件而提供水基质势的测量。 
依据本发明的一些实施方式的一方面，多个张力计被分布在该区域上方，并且这多个张力计被耦合到相同的共用水储存器。共用储存器中的部分真空压力对应于多个张力计中的一个张力计所处的每个位置的水基质势。在平衡时，共用水储存器中的部分真空压力提供该区域中的水基质势的测量，下文中为“有代表性的基质势”，其处于由张力计提供的水基质 势的最高值和最低值之间。合适的压力计量器或真空计量器被用于提供储存器中压力的测量，并从而提供有代表性的基质势的测量。 
本发明的一些实施方式的一方面涉及提供一种用于响应于水基质势而控制田地的灌溉的改进的水管理算法。 
在本发明的实施方式中，由该算法定义的灌溉循环包括主动灌溉时段，在该时段的过程中，算法控制灌溉系统以响应于田地中的水基质势的测量而对田地提供水的脉冲。可选择地，该循环为昼间循环。可选择地，响应于将水基质势的测量与校准水基质势测量比较而提供水的脉冲。在本发明的实施方式中，在主动灌溉时段之前，在田地中的植物具有相对较小的水需求时获得校准水势测量。一般地，植物在夜间，经常在拂晓早期的几小时中呈现最小的水需求，并且正是这几个小时中可选择地获得校准基质势测量。可选择地，使用张力计得到水基质势测量。 
在本发明的实施方式中，算法控制灌溉系统，以便在主动灌溉时段中连续地对田地提供水。主动灌溉时段的持续时间响应于田地的水基质势的测量和校准水基质势的比较而由算法确定。 
因此，依据本发明的实施方式提供了一种用于确定土壤的基质势的张力计，其包括：水入口；水力耦合器，其包括多孔材料以便在进入入口的水和土壤之间提供水力耦合；以及隔板，其抵抗空气经由多孔材料的侵入而密封进入入口的水。可选择地，多孔材料包括土工织物。另外地或可选择地，多孔材料适合于使植物的根能够在其中生长。 
在本发明的一些实施方式中，隔板包括隔板表面，隔板表面的至少一部分与进入入口的水接触。可选择地，张力计包括具有挡板的水迷宫(water labyrinth)。可选择地，隔板表面的一部分与挡板接触。 
在本发明的一些实施方式中，隔板包括膜，并且隔板表面为膜的表面。可选择地，该膜包括多个层。可选择地，这些层包括第一层，该第一层的发泡压力大于使用张力计的土壤的基质势的大约最大绝对值。可选择地，第一层由至少一个支撑层支撑。可选择地，该第一层被夹在两个支撑层之间。 
在本发明的一些实施方式中，隔板的发泡压力大于使用张力计的土壤的基质势的大约最大绝对值。 
在本发明的一些实施方式中，发泡压力大约等于一个大气压。 
在本发明的一些实施方式中，张力计包括弹性构件，该弹性构件有弹力地将多孔材料按压到隔板。 
在本发明的一些实施方式中，张力计包括耦合到水入口的水储存器。 
在本发明的一些实施方式中，张力计包括提供压力测量的装置，该提供压力测量的装置用于提供水储存器中压力的测量。 
依据本发明的实施方式还提供了一种灌溉系统，其包括：灌溉管道，其具有至少一个输出孔口以便从管道输出水；至少一个张力计，其依据本发明的实施方式所述，该至少一个张力计耦合到灌溉管道，使得从至少一个孔口中的孔口输出的水被限制为实质上直接地从孔口通过水力耦合器。可选择地，灌溉管道包括至少一个发射器，且输出孔口为至少一个发射器的孔口。另外地或可选择地，该至少一个发射器为集成的发射器。另外地或可选择地，该至少一个发射器包括多个发射器。 
在本发明的一些实施方式中，至少一个张力计中的每一个被耦合到相同的水储存器。 
依据本发明的实施方式还提供了用于确定土壤的基质势的装置，其包括：多个张力计；以及相同的水储存器，所有的张力计水力地耦合到相同的水储存器。可选择地，多个张力计包括依据本发明的实施方式的张力计。另外地或可选择地，该装置包括阀，该阀适合于将灌溉系统连接到水源，并且可操作以使水能从水源进入储存器并从储存器移除空气。 
依据本发明的实施方式，还提供了一种灌溉系统，其包括：灌溉管道，其具有至少一个输出孔口以便从管道输出水；至少一个张力计，其包括水力耦合器，该水力耦合器用于将张力计耦合到由灌溉系统灌溉的土壤；以及阀，其适合于将灌溉系统连接到水源，并且可操作以使水从水源进入至少一个张力计并从张力计和耦合器冲走空气。 
依据本发明的实施方式，还提供了一种用于确定土壤的基质势的张力 计，其包括：水入口；水力耦合器，其包括多孔材料以便在进入入口的水和土壤之间提供水力耦合；阀，其适合于将张力计连接到水源，并且可操作以使水能从水源进入张力计并冲洗水力耦合器。 
依据本发明的实施方式，还提供了一种灌溉田地的方法，该方法包括：获得对于田地的校准水基质势；以及响应于校准基质势的值而用适量的水灌溉田地。可选择地，灌溉田地的步骤包括循环地实施灌溉。可选择地，循环地灌溉田地的步骤包括在昼间循环中灌溉田地。可选择地，获得校准水基质势的步骤包括至少每天一次获得校准水基质势。 
在本发明的一些实施方式中，田地包括植物，并且获得校准水基质势的步骤包括在植物呈现相对较小的水需求时获得基质势。 
在本发明的一些实施方式中，提供适量的水的步骤包括提供水的脉冲。可选择地，提供适量的水的步骤包括获得除校准水基质势之外的田地的水基质势测量，将附加的水基质势测量和校准水基质势比较，以及响应于该比较而提供适量的水。可选择地，将附加的水基质和校准基质势比较的步骤包括确定它们的差。可选择地，提供水的脉冲的步骤包括响应于该差提供脉冲。 
在本发明的一些实施方式中，提供水的步骤包括连续地提供水。可选择地，连续地提供水的步骤包括响应于校准水基质势而确定灌溉时段并为所确定的灌溉时段连续地提供水。可选择地，确定灌溉时段的步骤包括响应于校准水基质和先前确定的校准水基质之间的差而确定灌溉时段。 
依据本发明的实施方式，还提供了一种灌溉系统，该灌溉系统包括：灌溉管道，其具有至少一个输出孔口以便从管道输出液体；至少一个水力耦合器，其耦合到灌溉管道，使得从至少一个孔口中的孔口输出的液体通过水力耦合器；以及至少一个感测装置，其耦合到水力耦合器以感测与水力耦合器中的液体相关联的性质，水经由至少一个孔口的输出响应于该性质而被控制。可选择地，所感测的性质包括基质势。另外地或可选择地，所感测的性质包括水力耦合器的水分含量。 
可选择地，灌溉系统包括控制器，该控制器响应于所感测的性质而控 制经由至少一个孔口的水的输出。 
附图简述 
下文参照附到本文并列举如下的附图描述本发明的实施方式的非限制性的例子。在多于一幅图中出现的相同的结构、元件或部分在它们出现的所有的图中一般地用相同的数字标出。为了方便以及陈述清楚，部件的尺度以及附图中示出的特征被选定并且未必按比例绘制示出。 
图1A图解地示出了依据本发明的实施方式的张力计的分解图； 
图1B图解地示出了依据本发明的实施方式的图1A中示出的张力计的顶部外壳部分的细节； 
图1C图解地示出了依据本发明的实施方式的图1B中示出的顶部外壳部分的平面视图； 
图1D图解地示出了依据本发明的实施方式的图1A中示出的张力计的底部外壳部分的透视图； 
图2图解地示出了依据本发明的实施方式的图1A-1B中示出的张力计的组装视图； 
图3图解地示出了依据本发明的实施方式的图1A和图2中示出的连接到密封的水储存器的张力计的侧截面视图； 
图4图解地示出了依据本发明的实施方式的分布在植物在其中生长的农业田地的土壤中的张力计的构造； 
图5A和图5B示出了依据本发明的实施方式的用于响应于水基质势而控制田地的灌溉的算法的流程图；以及 
图6示出了依据本发明的实施方式的用于响应于水基质势而控制田地的灌溉的另一种算法的流程图。 
详述 
图1A图解地示出了依据本发明的实施方式的用于测量土壤中的水基质势的张力计20的分解图。图1B-1D图解地示出了图1A中示出的张力计20的部件的放大视图。图2图解地示出了张力计20的组装视图。为了便于陈述，把装置20称为张力计，即使如图1A-1D中示出的，其可选择地不包括水储存器和用于提供储存器中压力的测量的装置。 
张力计20可选择地包括外壳22、密封隔板60、由多孔材料形成的土壤水力耦合器70以及弹性元件80，该外壳22具有第一外壳部分30和第二外壳部分50，为了方便，在下文中称为外壳顶部30和外壳底部50。 
水力耦合器70被形成为具有土壤耦合区域72，当张力计20被组装时(图2)，该土壤耦合区域72延伸到外壳22的外面，并且该土壤耦合区域72为张力计20的与土壤接触的一部分，张力计对该土壤提供水基质势测量，并且水力耦合器70将张力计水力地耦合到土壤。可选择地，土壤耦合区域72随着离开张力计外壳22的距离的增加而加大。水力耦合器70可选择地包括颈部区域74以及下文将讨论的并且定位在外壳22内的可选择的圆形储存器耦合区域76。水力耦合器70可选择地由柔性多孔材料形成，并且可选择地使得将在即将使用张力计20监测水基质势的土壤中生长的植物可以挤入它们的根。可选择地，水力耦合器70由包括土工织物的材料形成。 
外壳顶部30包括管状杆31，该管状杆31具有用于将张力计20连接到密封的张力计水储存器的腔，并且外壳顶部30被形成为具有隔板凹槽33，如图1B中第一外壳部分30的从与杆31对置的一侧的透视图所示，该隔板凹槽33安置密封隔板60。隔板凹槽33的底部表面34被形成为具有入口孔35，如图1C中的外壳顶部30的平面图中清楚地示出的，来自连接到杆31的储存器的水穿过该入口孔35进入张力计20。隔板凹槽33的底部表面34可选择地形成为具有水流迷宫36，该水流迷宫36包括入口、覆盖入口孔35的部分的“迂回路”挡板37以及多个升高的圆柱形挡板38。迂回路挡板37可选择地为“海星形状”，其包括五个有角度地、均等地间隔开的臂39。迷宫36被无迷宫部件的环形的、可选择的平面表面40包围。外壳顶部30可选择地包括形成为具有用于接收水力耦合器 70的颈部区域74的通道42的颈部41，并且可选择地包括组装脊(assemblyridge)44，以便将外壳顶部30安装到外壳底部50。 
密封隔板60可选择地包括由环形隔板框架62支撑的多孔隔板膜61，该环形隔板框架62可选择地伸出到隔板膜的平面的任一侧上。当张力计20被组装时，环形隔板框架安置在底部表面34的环形区域40上，并且隔板膜61可选择地搁置在迂回路挡板37和圆柱形挡板38上并由迂回路挡板37和圆柱形挡板38支撑。 
隔板膜61传送水，但其特征为发泡压力，下文称为“操作的发泡压力”，当湿度等于最大水基质势时，一般地在大约-0.2巴到大约-0.7巴之间，预期在将要使用张力计20的土壤中将遇到这样的最大水基质势。可选择地，多孔膜61的操作的发泡压力等于大约1个大气压。因此，水可以相对容易地穿过膜61，但是对于从膜的一边到另一边的小于或等于使用张力计20的土壤中的大约最大水基质势的压力差，膜61对于空气实质上是不可渗透的。可选择地，如图1A中的插图66图解地示出的，膜61为分层结构，并且可选择地包括多孔层63，该多孔层63传送水，但是当对于小于合适的操作的发泡压力的压力，湿度对于空气不可渗透时，该多孔层63夹在两个支撑层64之间。可选择地，作为例子，多孔层63由陶瓷和/或烧结金属和/或具有合适的孔隙率的合适的编织或非编织织物形成。支撑层64可选择地为由任何合适的刚性和坚固材料形成的网状或者筛状层。可选择地，多孔层63以从大约0.5微米到大约1微米的平均孔尺寸为特征。可选择地，支撑层由金属和/或塑料形成。 
外壳底部50被形成为与外壳顶部30匹配，并且可选择地被形成为具有匹配脊51，该匹配脊51匹配地配合在形成在外壳顶部30中的凹槽33(图1B)内，使得其与外壳顶部和底部对准。匹配脊51界定安置水力耦合器70的储存器耦合区域76(图1A)的凹槽52的边界的一部分。外壳底部也包括颈部54，该颈部54形成为具有分别与外壳顶部30的颈部41和通道42匹配的通道55。凹槽52的底部表面56可选择地形成为具有空腔57，以便接收弹性元件80，该弹性元件80可选择地为由弹性材料形成的球体形状。外部的可选择的平面外围边界58围绕匹配脊51以及通道55。 
当张力计20被组装时，外壳顶部30的组装脊44与外壳底部50的外围边界58接触并结合到外壳底部50的外围边界58，并且匹配脊51将环形隔板框架62压到外壳顶部30的环形表面40，以便将隔板60固定在外壳顶部的隔板凹槽33中。弹性球体80被轻微地压缩并且推动水力耦合器70的储存器耦合区域以弹力地压在隔板膜61上并且将隔板膜牢固地安置在水迷宫挡板37和38上。因为隔板膜61和迷宫挡板37和38之间的牢固接触，所以进入张力计20的水被实质上均等地分布在隔板膜61的与迷宫挡板接触的表面上。海星迂回路挡板37操作以便将进入入口孔35的水的实质上均等的部分引导至在由海星隔板臂39界定的五个不同的扇区中的每一个中径向地流动。圆柱形挡板38按方位地分散径向地流动的水。因此，穿过入口孔35进入张力计20的水实质上均等地打湿隔板膜61的所有区域，并且膜对于其所预期的发泡压力变得对空气的通过实质上不可渗透。 
图3图解地示出了依据本发明的实施方式的图1A和图2中示出的连接到密封的水储存器100的张力计20的侧截面视图，密封的水储存器100部分地填充有水120并且被用于确定土壤区域130的水基质势ψ的值。应注意到，尽管水储存器100被显示为在土壤区域130的表面上方，但是在实践中，水储存器一般地被定位在使用张力计测量水基质势的土壤的表面下方。 
张力计20被定位在土壤区域130中，使得水力耦合器70的土壤耦合区域72与土壤区域中的土壤接触。压力计量器102被耦合到水储存器100，以测量储存器中的压力。在图3中，作为例子，压力计量器被展示为压力表，该压力表的左手分支103耦合到水储存器100，而右手分支104暴露于大气压。压力表被采用成包括作为压力表流体的汞125，并且汞和储存器100中的水120之间的左手分支103被填充有水。尽管在图3中压力计量器102被展示为压力表，但在实践中可以使用本领域已知的任何合适的压力计量器或感测器，以提供储存器100中压力的测量。 
水力耦合器70通过水力耦合器的储存器耦合区域76(图1A)和密 封隔板60之间的接触来提供土壤区域130中的土壤和水储存器100中的水之间的水力耦合。根据土壤区域130的水基质势是大于还是小于水储存器100中的压力，土壤经由水力耦合器从水储存器100抽出水或者将水引入水储存器100。当储存器中的压力等于土壤水基质势时，建立了其中实质上没有来自储存器或进入储存器的水流的平衡。因为基质势几乎总是负的，所以储存器100中在储存器中水120的水位线121以上有真空。在图3中，压力表的连接到水储存器100的左手分支103中的汞125高于压力表的暴露于大气压的右手分支104中的汞。左手分支和右手分支中的汞高度之间的差提供水容器100中部分真空的测量，并从而提供基质势ψ的测量。 
为了可靠地操作，有优势地，隔板膜恰当地保持被打湿，并且没有空气被俘获在其孔中。然而，在操作过程中，空气可能穿过水力耦合器70漏出或者穿过水120渗出，并且被膜俘获或者被俘获在迷宫36的挡板37和38之间的空间中。为了将隔板61和/或迷宫36中可能被俘获的空气排净，可选择地将排净阀105连接到储存器100。排净阀105被连接到合适的水源(未示出)，并且依据本发明的实施方式，排净阀105被周期性地打开，以将来自水源的水冲洗通过储存器、隔板膜61以及迷宫36以排净可能被俘获在隔板和迷宫的空气。有优势地，水位线121以上的空间实质上为真空，并且经由排净阀105提供的水被用于从储存器100去除空气。 
在本发明的实施方式中，为了在田地区域中提供基质势ψ的测量，可选择地如图1A-3所示类型的多个张力计被定位在该田地的不同位置的土壤中，并且被耦合到共用的密封的水储存器。共用水储存器中的压力提供田地中的水基质势的测量，即“有代表性的基质势”，该“有代表性的基质势”介于由张力计提供的水基质势的最高值和最低值之间。可选择地，田地为用于植物生长的农业田地，并且多个张力计以及有代表性的基质势被用于控制田地中植物的灌溉。 
图4图解地示出了依据本发明的实施方式的分布在种有植物242的农业田地240的土壤中的张力计200的构造。张力计被连接到相同的水储存器202，该水储存器202连接到压力计量器204，该压力计量器204用于 提供储存器中部分真空的测量并从而提供农业田地240的定位有张力计的区域的有代表性的基质势的测量。 
作为例子，在图4中使用灌溉管道210灌溉植物242，该灌溉管道210包括集成的发射器212，且张力计200为如图1A-3所示的具有水力耦合器70的类型，该水力耦合器70由土工织物形成，植物242的根244能够生长到水力耦合器70中。依据本发明的实施方式，耦合到水储存器202的每个张力计200被定位在植物242附近，并且使其水力耦合器70围绕包裹灌溉管道210的发射器212定位的区域。植物242的一些根244被展示为生长进入张力计200的水力耦合器70的土工织物中。因为发射器212和植物的根244紧密邻近水力耦合器70，所以每个张力计200对植物242相对地敏感的土壤水基质势做出响应，并对由发射器212发射的水产生的基质势的变化做出响应。 
在本发明的实施方式中，由压力计量器204提供的储存器202中的压力变化的测量，以及由此田地240的有代表性的水基质势的变化的测量被用于控制由发射器212发射的水。当由压力计量器204提供的有代表性的水基质势落到想要的水基质势的下阈值以下时，发射器212被控制以便将水释放到土壤。当有代表性的水基质势升高到想要的上阈值以上时，发射器被防止将水输送到土壤。 
可选择地，发射器212只在灌溉管道210中的压力升高到释放水阈值压力以上之后将水释放到土壤区域240，并且由发射器212释放的水通过控制灌溉管道中的压力而被控制。在本发明的一些实施方式中，通过灌溉管道210中的脉冲压力在发射器阈值压力以上来控制水释放。在本发明的一些实施方式中，压力脉冲是周期性的，并且其特征为脉冲宽度。压力脉冲的周期和脉冲宽度可选择地响应于土壤区域240中的土壤的“水合作用”松弛时间而被确定，该“水合作用”松弛时间的特征是在压力脉冲的过程中在由发射器212将某一量的水释放到土壤之后使土壤达到极限水基质势的时间。依据本发明的实施方式，通过响应于土壤水合作用松弛时间的脉冲水压力控制水的释放在提供灌溉的相对精确的控制中可以是有优势的。例如，其在防止植物242的过量灌溉中可以是有优势的。 
本发明的实施方式的发明人已经执行了灌溉试验，在灌溉试验中，响应于依据本发明的实施方式中的有代表性的基质势来灌溉植物。发明人发现，他们能够使用和普通地提供给植物的水量相比相对较小量的水实现相对提高的作物产量。 
在一些情况下，由依据本发明的实施方式的多个张力计提供的有代表性的水基质势实质上等于由这些张力计提供的测量的平均。例如，假设在“第i”个张力计200的位置，为了方便用“Ti”代表，在土壤区域240中，水基质势为ψi。在平衡时，水储存器202中的部分真空稳定到等于有代表性的基质势“ψ0”的压力的压力。在该有代表性的基质势时，在基质势ψi＞ψ0的位置处从张力计Ti进入水储存器202的水和在基质势ψi＜ψ0的位置处从张力计Ti离开水储存器202的水同样多。假设流进或流出张力计Ti的水和(ψi-ψ0)/R成正比，这里R为对于土壤区域240中的土壤的水输送的阻力，该R对于所有位置的张力计Ti是相同的，并且独立于(ψi-ψ0)。然后在平衡时， 
Figure DEST_PATH_GSB00000413542600041
并且 
Figure DEST_PATH_GSB00000413542600042
使得ψ0为所有ψi的平均。然而，一般地期望R将不仅对于土壤区域130的所有位置不相同，而且也将取决于(ψi-ψ0)。因此，期望给定的有代表性的水基质势将一般是每个张力计200的位置的基质势的某种加权平均。 
在本发明的一些实施方式中，由灌溉系统对农业田地比如农业田地240提供水以及由提供土壤水基质势ψ的测量的图4中所示的灌溉系统提供水依据具有类似于图5A和图5B所示的流程图的算法300而被控制。流程图描绘了可选择的昼间水提供循环，其中灌溉系统对受到下文描写的某些主要的“触发”条件的田地提供水的脉冲。 
在方框301中，确定控制水提供循环T校准、T差、T开始以及T结束的参数的可选择的值。T校准为在昼间循环过程中的时间，在该时间中，灌溉系统校准水基质势测量，并获得校准水基质势测量M0。M0可选择地在一段时间后在夜间获得，在该段时间中，未提供灌溉并且田地中的植物的水需求最小。可选择地，T校准为大约05:00。T差为算法300允许的在向田地240提供水的脉冲之间的可选择地固定的最大时间间隔。可选择地，T差等于大约5小时。T开始为跟随着时间T校准的时间，在时间T开始时，灌溉系统 开始一段时间的“主动灌溉”，在“主动灌溉”中，当触发条件发生时灌溉系统对田地240提供水的脉冲。T结束为主动灌溉时段结束的时间。可选择地，T开始比T校准晚大约一小时，而T结束大约为傍晚时间，例如大约17:00。 
在步骤302中，算法300检验系统时钟(未示出)以获得时间的读数，“T时钟”。在决策方框303中，检验时间T时钟以看其是否大约等于T校准。如果不等于，则算法返回方框302以获得对于T时钟的新读数。如果另一方面T时钟大约等于T校准，则算法300前进到方框304并获得土壤基质势ψ的校准读数M0。然后，算法继续前进以在方框305中获得系统时钟的另一读数T时钟，之后继续前进到决策方框306。在决策方框306中，算法300确定T时钟是否大于或等于田地240的主动灌溉将开始的时间T开始。如果T时钟小于T开始，则算法返回到方框305以获得对于T时钟的另一读数。如果另一方面T时钟大于或大约等于T开始，则算法300前进到方框307并且设置等于T时钟的可变的时间参数T参数，以及在方框308中，可选择地设置等于(T时钟-T参数)的ΔT，其将该ΔT初始化到零。 
可选择地，在决策方框309中，算法300确定ΔT是否大于T差。如果不是，(情况是在紧接着初始化之后的阶段)算法300可选择地跳到方框313。在方框313中，算法300可选择地响应于来自张力计200(图4)的读数获得田地240的水基质势的测量MI，并且继续前进以便在决策方框314中确定|MI|的绝对值是否大于在方框304中获得的绝对值|Mo|。如果|MI|大于|Mo|，则算法300可选择地继续前进到方框315并且控制灌溉系统以对田地240提供水的脉冲。 
在本发明的一些实施方式中，由灌溉系统提供的水的脉冲被确定以对每平方米的田地240提供大约0.6升的水。发明人已经确定，如果脉冲之间的时间大于或大约等于0.5小时，则前文提到的每次脉冲的水的量一般是便于保持适当的灌溉的。在本发明的一些实施方式中，如果脉冲之间的时间降低到小于大约0.5小时，则算法300增加由灌溉脉冲提供的水的量。例如，如果灌溉算法300“发现”|MI|相对地快速地增加，指示对于每0.25小时的灌溉脉冲的需要，则可选择地，算法增加由灌溉脉冲提供的水的量。可选择地，如果其发现对于灌溉脉冲的需要达到每小时大约4脉冲的速 度，则算法将由脉冲提供的水增加到大约0.9升/平方米。 
在提供水的脉冲之后，算法300继续前进到方框316并获得对于T时钟的新的读数，并且在方框317中将T参数重新设置到T时钟。应注意到，在决策方框314中，如果|MI|小于|Mo|，则算法300跳过方框315-317，不提供水的脉冲，并直接地前往图5B中示出的决策方框318。 
返回到方框309，如果ΔT大于T差，则算法300不跳到测量MI的方框313，而是可选择地，继续前进到方框310并对田地240提供灌溉水的脉冲。其后，算法继续前进到方框311，获得对于T时钟的新的读数，并在方框312中将T参数重新设置到T时钟。随后，算法继续前进到方框313以测量MI，并经过方框315-317最终到达决策方框318。 
在决策方框318中，算法300确定T时钟是否大于或等于T结束，该T结束为方框301中的时间设置，在时间T结束时，主动灌溉时段结束并且新的灌溉循环开始。如果T时钟小于T结束，则算法300返回到方框308并且重新设置ΔT，否则，算法返回到方框302以再次开始循环。 
在本发明的一些实施方式中，依据具有如图6中所示的流程图的算法400灌溉农业田地，比如田地240(图4)。算法400控制灌溉系统，以便在主动灌溉时段中连续地对农业田地240提供水而不是通过脉冲水提供。 
在算法400的方框401中，可选择地，设置参数T开始、T结束、T差、T 灌溉、T校准和M差。与在算法300中一样，T开始和T结束是主动灌溉的开始时间和结束时间，而T校准为校准时间。T灌溉为主动灌溉时段的持续时间的初始值，而T差为对于T灌溉的调整，其中算法400服从田地240的某些水基质势条件。M差为水基质势的可选择地固定的最大变化，对于该M差，算法400不调整T灌溉。方框401中的参数设置对算法400的决策的影响在下文被澄清。在本发明的一些实施方式中，T灌溉和T差的值分别等于大约3小时和0.2小时。M差可选择地为正数，该正数的值等于一分数，该分数小于对于使用灌溉系统灌溉的田地的典型的基质势中的一个。可选择地，M差等于对于田地获得的校准基质势的大约5％。可选择地，对于给定的一天，M差等于先前一天的校准基质势的5％。 
在方框402中，算法400获得T时钟的值，并且可选择地，在决策方框403中确定T时钟是否等于T校准。如果不等于，则算法400返回到方框402以获得T时钟的新值。另一方面，如果T时钟等于T校准，则算法继续前进到方框404并获得对于田地240的水基质势ψ的读数“Mn”。下标“n”指的是“第n”天，假设对田地240提供水的灌溉系统操作的当前天。在方框404中，算法400将Mn的值储存在合适的存储器里。在方框405中，算法可选择地对ΔM指定一值，该值等于水基质势的当前读数Mn的值和对于当前天之前一天获得的水基质势的读数Mn-1的值之间的差。 
在决策方框406中，算法400确定ΔM的绝对值是否大于或等于M 差。如果是，则算法继续前进到决策方框407以确定ΔM是否大于或等于零。如果ΔM大于零，则算法从方框407继续前进到方框408，在方框408处，算法使T灌溉减少量T差并随后继续前进到方框410以获得时间T 时钟。如果ΔM小于零，则算法从方框407继续前进到方框409，在方框409处，算法使T灌溉增加量T差并随后继续前进到方框410以获得时间T 时钟。 
如果在决策方框406中ΔM的绝对值小于M差，则算法400从方框406跳过方框407、408、409直接地到达方框410以获得T时钟。 
算法从方框410继续前进到决策方框411。在决策方框411中，算法400确定在方框410中获得的T时钟是否大于或等于主动灌溉开始时间T开始。如果不是，则算法返回到方框410以获得T时钟的新值并随后返回到方框411以测试新的T时钟。如果在方框411中算法确定T时钟大于或等于T开始，则算法继续前进到方框412并开始田地240的连续灌溉。 
算法从方框412继续到达方框413以获得T时钟的新值，并且在决策方框414中确定(T时钟-T开始)是否大于或等于T灌溉。如果不是，则算法返回到方框412以继续连续灌溉田地240。如果另一方面，(T时钟-T开始)＞T灌溉，则算法结束连续灌溉并返回到方框403。 
在本申请的描述和权利要求中，每个动词“包括(comprise)”、“包括(include)”以及“具有”及其词形变化被用于指示这些动词的宾语并非必然地为该动词的主语的构件、部件、元件或部分的完整列举。 
已经参照本发明的实施方式描述了本发明，这些实施方式是通过例子提供的并且不是要限制本发明的范围。描述的实施方式包括不同的特征，不是本发明的所有实施方式都需要所有的特征。本发明的一些实施方式只利用一些特征或者这些特征的可能的组合。本领域技术人员应能想到已描述的本发明的实施方式以及本发明的包括除在已描述的实施方式中提到特征以外的特征的不同组合的实施方式的变化形式。本发明的范围仅由所附权利要求限制。 

Claims (14)

1.一种用于确定土壤的基质势的张力计，包括：
水入口；
水力耦合器，其包括多孔材料以便在进入所述水入口的水和土壤之间提供水力耦合；以及
隔板，其包括膜，所述膜允许水穿过其中并且抵抗空气经由所述多孔材料的侵入而密封进入所述水入口的水。
2.如权利要求1所述的张力计，其中，所述多孔材料包括土工织物。
3.如权利要求1或权利要求2所述的张力计，其中，所述多孔材料适合于使植物的根能够在其中生长。
4.如权利要求1或2所述的张力计，其中，所述隔板包括隔板表面，所述隔板表面的至少一部分与进入所述水入口的水接触。
5.如权利要求4所述的张力计，其中，所述张力计包括水迷宫，所述水迷宫具有挡板，所述隔板表面的一部分与所述挡板接触。
6.如权利要求5所述的张力计，其中，所述隔板包括膜，并且所述隔板表面为所述膜的表面。
7.如权利要求6所述的张力计，其中，所述膜包括多个层。
8.如权利要求7所述的张力计，其中，所述层包括第一层，所述第一层的发泡压力大于使用所述张力计的土壤的基质势的大约最大绝对值。
9.如权利要求8所述的张力计，其中，所述第一层由至少一个支撑层支撑。
10.如权利要求9所述的张力计，其中，所述第一层被夹在两个支撑层之间。
11.如权利要求1或2所述的张力计，其中，所述隔板的发泡压力大于使用所述张力计的土壤的基质势的大约最大绝对值。
12.如权利要求8所述的张力计，其中，所述发泡压力大约等于一个大气压。
13.如权利要求1或2所述的张力计，包括弹性构件，所述弹性构件有弹力地将所述多孔材料按压到所述隔板。
14.如权利要求1或2所述的张力计，包括耦合到所述水入口的水储存器以及提供压力测量的装置，所述提供压力测量的装置用于提供所述水储存器中的压力的测量。
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