CN102499020B - 多级分布式恒压灌溉系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多级分布式恒压灌溉系统，包括：一级恒压供水系统和用于实现二级恒压供水的恒压用水流量伺服阀，将用水压力较高的喷灌直接与恒定于喷灌最优供水压力的一级恒压供水系统连接，而将用水压力相对较低的微喷灌、滴灌分别通过出水压力恒定于微喷灌最优供水压力的恒压用水流量伺服阀和出水压力恒定于滴灌最优供水压力的恒压用水流量伺服阀后，再与一级恒压供水系统连接。充分利用了喷灌、微喷灌、滴灌存在的供水压力差别，具有投入低，可靠性高，便于管理的特点；灵活方便，可同时向有不同供水压力要求的喷灌、微喷灌、滴灌进行恒压供水，不受种植结构、规模和灌水方式的限制，非常适合以一家一户为经营单位的现行农业生产经营模式。

Description

多级分布式恒压灌溉系统

技术领域：

本发明属于农田灌溉技术领域，尤其涉及一种多级分布式恒压灌溉系统。

背景技术：

所谓恒压灌溉，是指灌溉用水压力恒定于最优的用水压力范围，不因灌溉用水流量变化而发生变化的一种灌溉供水方式。它具有灌水均匀度高、管道设备不易受破坏、省水、节能和高度自动化的特点。

恒压灌溉因其所具有的独特优势，自从1984年中国农业科学院农田灌溉研究所(水利部农田灌溉研究所)等单位，在河南郏县建成我国第一座恒压喷灌试验工程以来，得到了长足地发展。恒压灌溉的供水形式，历经气压罐式、变频调速器式、变频调速器与小型气压罐结合式，并向软启动、软关机防水锤等多功能应用和智能化控制方向发展。恒压灌溉的灌水方式，也从过去的喷灌向微喷灌、滴灌方向发展。逐步形成了灌溉系统的一个蓬勃发展的重要分支。

现有的恒压灌溉技术，一般是采用同一水源、同一灌水形式、同一用水压力、单级恒压的系统模式。因为不能适应我国农村大多数地区，以一家一户为经营单位的不同种植结构、不同经营规模、不同灌水方式、大田、温室大棚并存的现行农业生产经营模式，极大地限制了这项先进技术的推广应用。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种多级分布式恒压灌溉系统，以适应我国农村大多数地区，以一家一户为经营单位的不同种植结构、不同经营规模、不同灌水方式、大田、温室大棚并存的现行农业生产经营模式，促进恒压灌溉这项先进技术的进一步推广应用。

本发明的目的是这样实现的：

一种多级分布式恒压灌溉系统，包括：一级恒压供水系统和用于实现二级恒压供水的恒压用水流量伺服阀以及分布于不同地块的喷灌、微喷灌、滴灌，将用水压力较高的喷灌直接与恒定于喷灌最优供水压力的一级恒压供水系统连接，而将用水压力相对较低的微喷灌、滴灌分别通过出水压力恒定于微喷灌最优供水压力的恒压用水流量伺服阀和出水压力恒定于滴灌最优供水压力的恒压用水流量伺服阀后，再与一级恒压供水系统连接，恒压用水流量伺服阀，包括：阀体、隔膜，水平放置的隔膜将阀体分割成参照压力腔和用水流量感应腔两部分，参照压力腔中有，出气孔、弹簧、丝杠、滑块，丝杠的横截面是圆形中空的，上连杆穿在其中，水平放置的有圆形垂直孔的圆形滑块套于丝杠外，两者通过滑块内孔和丝杠外壁的盘旋滑道连接，中空的丝杠中上连杆的上部设有出气孔，丝杠的顶部设有临时安装调节扳手的十字豁口，水平放置的隔膜的上、下两面分别覆盖有面积相等的不锈钢板，垂直于隔膜平面，位于隔膜上、下两侧的上、下连杆连在一起，从隔膜的中心穿过与隔膜的中垂线重合，通过上、下连杆的紧固螺丝将覆盖隔膜的上、下两面的不锈钢板压紧在隔膜上，用水流量感应腔中设有出水口，用水流量感应腔的下部连接进水节流阀，进水节流阀设有过水断面为水平圆形的进水节流阀座和圆形横截面从上到下由小变大的进水节流阀芯，进水节流阀芯垂直穿过进水节流阀座的水平圆形过水断面，与进水节流阀座的水平圆形过水断面的中垂线重合，进水节流阀芯横截面大的一端，位于进水节流阀座的进水一侧，进水节流阀芯的迎水面为圆形平面，隔膜上覆盖的下不锈钢板的面积远远大于进水节流阀芯的迎水面，进水节流阀芯的上部与下连杆连接，进水节流阀的下部是圆形进水通道，进水通道设有垂直于圆形过水断面均匀布置于圆形进水通道内壁的三块导流板。

多级分布式恒压灌溉系统的工作原理如下：

一级恒压供水系统采用的是现有技术的普通恒压供水系统，例如：变频调速恒压供水系统，而与现有技术不同的是采用了特别研制的恒压用水流量伺服阀，在一级恒压供水系统对喷灌进行恒压供水的基础上，对用水压力相对较低的分布于不同地块的微喷灌、滴灌进行二级恒压供水，由此构成的多级分布式恒压灌溉系统，充分利用了喷灌、微喷灌、滴灌存在的最优供水压力差别，投入低，可靠性高，使用方便灵活，可同时向有不同供水压力要求的喷灌、微喷灌、滴灌进行恒压供水，不受种植结构、规模和灌水方式的限制，非常适合以一家一户为经营单位的现行农业生产经营模式。

恒压用水流量伺服阀的工作原理：因为隔膜上覆盖的下不锈钢板的面积远远大于节流阀芯的迎水面，通常情况下，该迎水面所承接的压力也远远小于隔膜上覆盖的下不锈钢板所承接的压力，该迎水面产生的压缩参照压力腔中的弹簧的作用力可以忽略不计。当用户停止用水时，用水流量为最小值，用水流量感应腔内的液体停止流动，动水压力为零，而静水压力为最大值(等于出水压力H_out)，此时，作用于隔膜上覆盖的下不锈钢板上的压力最大，产生的压缩参照压力腔中的弹簧的作用力最大(等于H_out×A_p，A_p为隔膜上覆盖的下不锈钢板的面积)，使进水节流阀芯向上的位移最大(等于进水节流阀芯向上的最大位移s_max，附图中有标注)；当用户开始用水后，用水流量感应腔内的液体也随之产生了流动，一部分静水压力转化为动水压力，使作用于隔膜上覆盖的下不锈钢板上的压力减少，产生的压缩参照压力腔中的弹簧的作用力也随之减少，被压缩的弹簧的弹力得到部分释放，使进水节流阀芯从向上的位移最大处向下移动；用户用水流量越大，用水流量感应腔内的液体流动的速度就越大，静水压力转化为动水压力的部分就越多，作用于隔膜上覆盖的下不锈钢板上的压力就越少，产生的压缩参照压力腔中的弹簧的作用力也越小，被压缩的弹簧的弹力得到释放的就越多，使进水节流阀芯从向上的位移最大处向下移动的距离就越大。如果用数学表达式来表示就是：

s＝f(Q)——1

即，进水节流阀芯的位移s是用户用水流量Q的函数。更具体地说，进水节流阀芯的位移s与用户用水流量Q负相关。

因为进水通道与一级恒压系统连接，进水压力H_in为恒定值，恒压用水流量伺服阀的目的是进行二级恒压，出水口与二级用水设备(用户)连接，出水压力H_out也为恒定值，恒压用水流量伺服阀的前后两端的压力差H_in-H_out也为恒定值，恒压用水流量伺服阀满足关系式：

H_in-H_out＝S_uQ²      ——2

式中，S_u为恒压用水流量伺服阀的阻力模数；Q为过阀流体的体积流量，即，用户用水流量Q。因为恒压用水流量伺服阀过水阻力的大小，主要取决于进水节流阀阻力的大小，S_u可以看成是进水节流阀的阻力模数。而进水节流阀的阻力模数S_u是进水节流阀的过水断面的面积A的函数，即：

S_u＝f(A)    ——3

更具体地说，进水节流阀的阻力模数S_u与进水节流阀的过水断面的面积A负相关。

而进水节流阀的过水断面的面积A是进水节流阀芯的位移s的函数，即：

A＝f(s)      ——4

更具体地说，进水节流阀的过水断面的面积A与进水节流阀芯的位移s负相关。

用3、4代换2式，得到下式：

H_in-H_out＝S_u(f(s))Q²    ——5

再变换为下式：

$(H_{\mathrm{in}}-H_{\mathrm{out}})\frac{1}{S_u\left(f\left(s\right)\right)}=Q^2---6$

从1式和6式可以看出：用户用水流量Q均是进水节流阀芯的位移s的函数，即，每一次用户用水流量Q的变化，均对应一个进水节流阀芯的位移s，而每一次进水节流阀芯的位移s的变化均对应一个恒压用水流量伺服阀的阻力模数S_u(f(s))。

根据6式，要使恒压用水流量伺服阀的前后两端的压力差H_in-H_out为恒定值，即，要使恒压用水流量伺服阀起到恒压作用，只需使恒压用水流量伺服阀的阻力模数S_u(f(s))与用户用水流量Q的平方呈反比关系即可。

弹簧采用下式选用：

F_max＝K×s_max+F₀＝H_out×A_p     ——7

式中，F_max为弹簧位于最大压缩点的弹力；K为弹簧的弹性模量；s_max为进水节流阀芯向上的最大位移(附图中有标注)；F₀为弹簧的初始弹力；H_out为恒压用水流量伺服阀的出水压力，即，用户用水压力恒定值；A_p为隔膜上覆盖的下不锈钢板的面积。如果所选弹簧有偏差，即，F_max出现了不等于H_out×A_p的情况，可通过调节临时安装在丝杠顶部十字豁口的调节扳手，旋转丝杠，使滑块上、下移动，压紧或放松弹簧，直到F_max等于H_out×A_p，卸下临时扳手。设置此微调装置的目的，是便于批量生产。

进水节流阀芯的从上到下由小变大的圆形横截面的变化曲线，可以根据4式和6式展开，用计算的方法获得，也可以用试验标定的方法，先获得进水节流阀芯的从上到下由小变大的圆形横截面的变化曲线的样本，再通过曲线拟合的方法，通过数控车床进行批量加工生产。

所谓试验标定的方法：是在进水通道，加上压力为H_in的变频调速器驱动的恒压源，保持H_in为恒定值，在出水口上安装一个水龙头，通过水龙头的不同开度，模拟用户用水流量的变化。每输出一个流量，通过改变与进水节流阀座水平圆形进水口齐平的进水节流阀芯的圆形横截面的半径，使所测出水压力稳定在设计的出水压力恒定值H_out上。将所获得的一系列进水节流阀芯的圆形横截面的半径作为横坐标x，对应的进水节流阀芯的纵向位移作为纵坐标y，进行作图连线，就获得了进水节流阀芯的从上到下由小变大的圆形横截面的变化曲线的样本。

本发明具有如下积极效果：

1、本发明的多级分布式恒压灌溉系统，充分利用了喷灌、微喷灌、滴灌存在的最优供水压力差别，具有投入低，可靠性高，便于管理的特点；

2、本发明的多级分布式恒压灌溉系统，使用方便灵活，可同时向有不同供水压力要求的喷灌、微喷灌、滴灌进行恒压供水，不受种植结构、规模和灌水方式的限制，非常适合以一家一户为经营单位的现行农业生产经营模式。

附图说明：

附图为恒压用水流量伺服阀示意图。

具体实施方式：

一种多级分布式恒压灌溉系统，包括：一级恒压供水系统和用于实现二级恒压供水的恒压用水流量伺服阀以及分布于不同地块的喷灌、微喷灌、滴灌，将用水压力较高的喷灌直接与恒定于喷灌最优供水压力的一级恒压供水系统连接，而将用水压力相对较低的微喷灌、滴灌分别通过出水压力恒定于微喷灌最优供水压力的恒压用水流量伺服阀和出水压力恒定于滴灌最优供水压力的恒压用水流量伺服阀后，再与一级恒压供水系统连接，恒压用水流量伺服阀，如附图所示，包括：阀体1、隔膜2，水平放置的隔膜2将阀体1分割成参照压力腔3和用水流量感应腔4两部分，参照压力腔3中有，出气孔3-1、弹簧3-2、丝杠3-3、滑块3-4，丝杠3-3的横截面是圆形中空的，上连杆8-2穿在其中，水平放置的有圆形垂直孔的圆形滑块3-4套于丝杠3-3外，两者通过滑块3-4内孔和丝杠3-3外壁的盘旋滑道连接，中空的丝杠3-3中上连杆8-2的上部设有出气孔3-3-1，丝杠3-3的顶部设有临时安装调节扳手的十字豁口3-3-2，水平放置的隔膜2的上、下两面分别覆盖有面积相等的不锈钢板2-1、2-2，垂直于隔膜2平面，位于隔膜2上、下两侧的上、下连杆8-2、8-1连在一起，从隔膜2的中心穿过与隔膜2的中垂线重合，通过上、下连杆8-2、8-1的紧固螺丝将覆盖隔膜2的上、下两面的不锈钢板2-1、2-2压紧在隔膜2上，用水流量感应腔4中设有出水口4-1，用水流量感应腔4的下部连接进水节流阀，进水节流阀设有过水断面为水平圆形的进水节流阀座6和圆形横截面从上到下由小变大的进水节流阀芯7，进水节流阀芯7垂直穿过进水节流阀座6的水平圆形过水断面，与进水节流阀座6的水平圆形过水断面的中垂线重合，进水节流阀芯7横截面大的一端，位于进水节流阀座6的进水一侧，进水节流阀芯7的迎水面7-1为圆形平面，隔膜2上覆盖的下不锈钢板2-2的面积远远大于进水节流阀芯7的迎水面7-1，进水节流阀芯7的上部与下连杆8-1连接，进水节流阀的下部是圆形进水通道5，进水通道5设有垂直于圆形过水断面均匀布置于圆形进水通道5内壁的三块导流板5-1。

多级分布式恒压灌溉系统的工作原理如下：

一级恒压供水系统采用的是现有技术的普通恒压供水系统，例如：变频调速恒压供水系统，而与现有技术不同的是采用了特别研制的恒压用水流量伺服阀，在一级恒压供水系统对喷灌进行恒压供水的基础上，对用水压力相对较低的分布于不同地块的微喷灌、滴灌进行二级恒压供水，由此构成的多级分布式恒压灌溉系统，充分利用了喷灌、微喷灌、滴灌存在的最优供水压力差别，投入低，可靠性高，使用方便灵活，可同时向有不同供水压力要求的喷灌、微喷灌、滴灌进行恒压供水，不受种植结构、规模和灌水方式的限制，非常适合以一家一户为经营单位的现行农业生产经营模式。

恒压用水流量伺服阀的工作原理：如附图所示，因为隔膜2上覆盖的下不锈钢板2-2的面积远远大于节流阀芯7的迎水面7-1，通常情况下，该迎水面7-1所承接的压力也远远小于隔膜2上覆盖的下不锈钢板2-2所承接的压力，该迎水面7-1产生的压缩参照压力腔3中的弹簧3-2的作用力可以忽略不计。当用户停止用水时，用水流量为最小值，用水流量感应腔4内的液体停止流动，动水压力为零，而静水压力为最大值(等于出水压力H_out)，此时，作用于隔膜2上覆盖的下不锈钢板2-2上的压力最大，产生的压缩参照压力腔3中的弹簧3-2的作用力最大(等于H_out×A_p，A_p为隔膜2上覆盖的下不锈钢板2-2的面积)，使进水节流阀芯7向上的位移最大(等于进水节流阀芯7向上的最大位移s_max，附图中有标注)；当用户开始用水后，用水流量感应腔4内的液体也随之产生了流动，一部分静水压力转化为动水压力，使作用于隔膜2上覆盖的下不锈钢板2-2上的压力减少，产生的压缩参照压力腔3中的弹簧3-2的作用力也随之减少，被压缩的弹簧3-2的弹力得到部分释放，使进水节流阀芯7从向上的位移最大处向下移动；用户用水流量越大，用水流量感应腔4内的液体流动的速度就越大，静水压力转化为动水压力的部分就越多，作用于隔膜2上覆盖的下不锈钢板2-2上的压力就越少，产生的压缩参照压力腔3中的弹簧3-2的作用力也越小，被压缩的弹簧3-2的弹力得到释放的就越多，使进水节流阀芯7从向上的位移最大处向下移动的距离就越大。如果用数学表达式来表示就是：

s＝f(Q)        ——1

即，进水节流阀芯7的位移s是用户用水流量Q的函数。更具体地说，进水节流阀芯7的位移s与用户用水流量Q负相关。

因为进水通道5与一级恒压系统连接，进水压力H_in为恒定值，恒压用水流量伺服阀的目的是进行二级恒压，出水口4-1与二级用水设备(用户)连接，出水压力H_out也为恒定值，恒压用水流量伺服阀的前后两端的压力差H_in-H_out也为恒定值，恒压用水流量伺服阀满足关系式：

H_in-H_out＝S_uQ²——2

式中，S_u为恒压用水流量伺服阀的阻力模数；Q为过阀流体的体积流量，即，用户用水流量Q。因为恒压用水流量伺服阀过水阻力的大小，主要取决于进水节流阀阻力的大小，S_u可以看成是进水节流阀的阻力模数。而进水节流阀的阻力模数S_u是进水节流阀的过水断面的面积A的函数，即：

S_u＝f(A)——3

更具体地说，进水节流阀的阻力模数S_u与进水节流阀的过水断面的面积A负相关。

而进水节流阀的过水断面的面积A是进水节流阀芯7的位移s的函数，即：

A＝f(s)——4

更具体地说，进水节流阀的过水断面的面积A与进水节流阀芯7的位移s负相关。

用3、4代换2式，得到下式：

H_in-H_out＝S_u(f(s))Q²——5

再变换为下式：

$(H_{\mathrm{in}}-H_{\mathrm{out}})\frac{1}{S_u\left(f\left(s\right)\right)}=Q^2---6$

从1式和6式可以看出：用户用水流量Q均是进水节流阀芯7的位移s的函数，即，每一次用户用水流量Q的变化，均对应一个进水节流阀芯7的位移s，而每一次进水节流阀芯7的位移s的变化均对应一个恒压用水流量伺服阀的阻力模数S_u(f(s))。

根据6式，要使恒压用水流量伺服阀的前后两端的压力差H_in-H_out为恒定值，即，要使恒压用水流量伺服阀起到恒压作用，只需使恒压用水流量伺服阀的阻力模数S_u(f(s))与用户用水流量Q的平方呈反比关系即可。

弹簧3-2采用下式选用：

F_max＝K×s_max+F₀＝H_out×A_p    ——7

式中，F_max为弹簧3-2位于最大压缩点的弹力；K为弹簧3-2的弹性模量；s_max为进水节流阀芯7向上的最大位移(附图中有标注)；F₀为弹簧3-2的初始弹力；H_out为恒压用水流量伺服阀的出水压力，即，用户用水压力恒定值；A_p为隔膜2上覆盖的下不锈钢板2-2的面积。如果所选弹簧有偏差，即，F_max出现了不等于H_out×A_p的情况，可通过调节临时安装在丝杠3-3顶部十字豁口3-3-2的调节扳手，旋转丝杠3-3，使滑块3-4上、下移动，压紧或放松弹簧3-2，直到F_max等于H_out×A_p，卸下临时扳手。设置此微调装置的目的，是便于批量生产。

进水节流阀芯7的从上到下由小变大的圆形横截面的变化曲线7-2，可以根据4式和6式展开，用计算的方法获得，也可以用试验标定的方法，先获得进水节流阀芯7的从上到下由小变大的圆形横截面的变化曲线7-2的样本，再通过曲线拟合的方法，通过数控车床进行批量加工生产。

所谓试验标定的方法：是在进水通道5，加上压力为H_in的变频调速器驱动的恒压源，保持H_in为恒定值，在出水口4-1上安装一个水龙头，通过水龙头的不同开度，模拟用户用水流量的变化。每输出一个流量，通过改变与进水节流阀座6水平圆形进水口齐平的进水节流阀芯7的圆形横截面的半径，使所测出水压力稳定在设计的出水压力恒定值H_out上。将所获得的一系列进水节流阀芯7的圆形横截面的半径作为横坐标x，对应的进水节流阀芯7的纵向位移作为纵坐标y，进行作图连线，就获得了进水节流阀芯7的从上到下由小变大的圆形横截面的变化曲线7-2的样本。

Claims (1)

1.一种多级分布式恒压灌溉系统，其特征在于：包括一级恒压供水系统和用于实现二级恒压供水的恒压用水流量伺服阀以及分布于不同地块的喷灌、微喷灌、滴灌，将用水压力较高的喷灌直接与恒定于喷灌最优供水压力的一级恒压供水系统连接，而将用水压力相对较低的微喷灌、滴灌分别通过出水压力恒定于微喷灌最优供水压力的恒压用水流量伺服阀和出水压力恒定于滴灌最优供水压力的恒压用水流量伺服阀后，再与一级恒压供水系统连接，恒压用水流量伺服阀包括阀体(1)、隔膜(2)，水平放置的隔膜(2)将阀体(1)分割成参照压力腔(3)和用水流量感应腔(4)两部分，参照压力腔(3)中有，出气孔(3-1)、弹簧(3-2)、丝杠(3-3)、滑块(3-4)，丝杠(3-3)的横截面是圆形中空的，上连杆(8-2)穿在其中，水平放置的有圆形垂直孔的圆形滑块(3-4)套于丝杠(3-3)外，两者通过滑块(3-4)内孔和丝杠(3-3)外壁的盘旋滑道连接，中空的丝杠(3-3)中上连杆(8-2)的上部设有出气孔(3-3-1)，丝杠(3-3)的顶部设有临时安装调节扳手的十字豁口(3-3-2)，水平放置的隔膜(2)的上、下两面分别覆盖有面积相等的不锈钢板(2-1)、(2-2)，垂直于隔膜(2)平面，位于隔膜(2)上、下两侧的上、下连杆(8-2)、(8-1)连在一起，从隔膜(2)的中心穿过与隔膜(2)的中垂线重合，通过上、下连杆(8-2)、(8-1)的紧固螺丝将覆盖隔膜(2)的上、下两面的不锈钢板(2-1)、(2-2)压紧在隔膜(2)上，用水流量感应腔(4)中设有出水口(4-1)，用水流量感应腔(4)的下部连接进水节流阀，进水节流阀设有过水断面为水平圆形的进水节流阀座(6)和圆形横截面从上到下由小变大的进水节流阀芯(7)，进水节流阀芯(7)垂直穿过进水节流阀座(6)的水平圆形过水断面，与进水节流阀座(6)的水平圆形过水断面的中垂线重合，进水节流阀芯(7)横截面大的一端，位于进水节流阀座(6)的进水一侧，进水节流阀芯(7)的迎水面(7-1)为圆形平面，隔膜(2)上覆盖的下不锈钢板(2-2)的面积远远大于进水节流阀芯(7)的迎水面(7-1)，进水节流阀芯(7)的上部与下连杆(8-1)连接，进水节流阀的下部是圆形进水通道(5)，进水通道(5)设有垂直于圆形过水断面均匀布置于圆形进水通道(5)内壁的三块导流板(5-1)。

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