CN102577920B

CN102577920B - 无土栽培用营养液循环装置

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Publication number: CN102577920B
Application number: CN2012100161593A
Authority: CN
Inventors: 王伟光
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-01-18
Filing date: 2012-01-18
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2032-01-18
Also published as: CN102577920A

Abstract

无土栽培用营养液循环装置，其母液贮罐下接补偿室和回流罐，第一常压管将母液贮罐和回流罐连通，第二常压管将母液贮罐和补偿室连通，两常压管上有截止阀；第一常压管上下端位于母液贮罐内下部、回流罐内上部，第二常压管上下端位于母液贮罐内上部、补偿室内下部；补偿室下部有入水阀和溢流管，溢流管上下端位于补偿室内上部、伸出补偿室，补偿室内有包括第一管和第二管的倒置虹吸管，虹吸管上端位于补偿室内上部且低于溢流管上端，第一管下端位于回流罐内上部且通过止水阀接有浮球，第二管下端位于补偿室内下部且低于第二常压管下端；回流罐下部通过与定时器相接的循环泵接出水阀；第一常压管管口小于入水阀入水口的开口尺寸，入水阀入水口小于虹吸管管口的开口尺寸，入水阀入水口和出水阀出水口的开口尺寸相同。本装置成本较低、使用简便。

Description

无土栽培用营养液循环装置

技术领域

本发明涉及一种液体循环装置，特别是涉及一种无土栽培用营养液循环装置。

背景技术

近年来，无土栽培技术正逐渐进入工业化应用阶段，并在诸如蔬菜和花卉生产等领域中逐渐占据主流地位。

然而，现有大型工业化无土栽培装置的自身结构设计过于复杂(如：使用单片机、传感器、探头等)，成本过高，大大限制了无土栽培技术在科研及民用领域的推广，因此，研制出一种模块化、自动化、操作简单方便、成本低廉、培养液配置规范、具有较高的营养液化学稳定能力及长期免维护特性的中小型无土栽培装置，是非常迫切的。

目前，已有一些类似专利针对此类问题提出了一系列技术解决方案，但所述专利仅考虑如何补足植物的水分需要量，对植物的养分需要量却完全不加以考虑，这在科研领域无疑是非常不可取的，即使应用在民用领域，也无法营造植物长期发育过程中所必须的养分含量适中、通气状况良好的根际环境。

另外，在植物的水培养过程中，所述专利均需通过人工方式、定时频繁地换水，费时费力，造成了巨大的人力支出及资源浪费，并无法自动、稳定地维持植物的根际环境，这样，在进行诸如重金属胁迫、有毒有害物质富集等的植物水培实验中，相关污染物质的处理成本也会大大增加。

上述缺陷严重限制了无土栽培技术在科研及民用领域的推广和应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种成本较低、使用简便的无土栽培用营养液循环装置。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种无土栽培用营养液循环装置，它包括上端设有第一加液口的母液贮罐，母液贮罐的下端接有上下叠置的补偿室和回流罐，母液贮罐和补偿室之间留有操作间隙，竖直布置的第一常压管贯穿补偿室将母液贮罐和回流罐连通，竖直布置的第二常压管将母液贮罐和补偿室连通，第一常压管、第二常压管位于操作间隙处的管体上接有同时控制两管通断的截止阀；

第一常压管的上端位于母液贮罐内的下部，第一常压管的下端位于回流罐内的上部，第二常压管的上端位于母液贮罐内的上部，第二常压管的下端位于补偿室内的下部；

补偿室的下部分别设置与其内腔相通的入水阀和溢流管，溢流管的上端位于补偿室内的上部，溢流管的下端伸出补偿室与大气相通，补偿室内设有倒置的U形虹吸管，它包括竖直布置的第一管、第二管，虹吸管的上端位于补偿室内的上部且低于溢流管的上端，第一管穿过补偿室伸进回流罐内且第一管的下端位于回流罐内的上部，第一管的下端通过止水阀接有浮球，第二管的下端位于补偿室内的下部且低于第二常压管的下端；

回流罐的下部通过与其内腔相通的循环泵接有出水阀，定时器与循环泵电连接，回流罐的侧壁上设有第二加液口；

第一常压管的管口开口尺寸小于入水阀的入水口开口尺寸，入水阀的入水口开口尺寸小于虹吸管的管口开口尺寸，入水阀的入水口开口尺寸和出水阀的出水口开口尺寸相同。

为简洁说明问题起见，以下对本发明所述无土栽培用营养液循环装置均简称为本装置。

采用以上的技术方案后，本装置内仅有三个液体容器(母液贮罐、补偿室、回流罐)、四个管道(第一常压管、第二常压管、溢流管、虹吸管)、四个阀门(截止阀、入水阀、止水阀、出水阀)、浮球、循环泵、定时器这些零部件，以致本装置的成本较低。

下面通过简单介绍使用本装置让营养液得到循环的具体步骤，来描述本装置使用简便的优点：

1)分别在母液贮罐、回流罐、补偿室内充入相应浓度的营养液，通过管线使出水阀连接无土栽培装置内的苗床的入水口，通过管线使入水阀连接苗床的出水口，并通过定时器设定循环泵的工作时间；

2)定时器开启循环泵使其持续地抽吸，向苗床泵入回流罐内的营养液，补充苗床内的植物经消耗、吸收的缺失水位，回流罐所流失的营养液采用虹吸管、止水阀、浮球，通过补偿室内的营养液不断得到补充，保证回流罐内的恒定液位；

3)当补偿室内的液面高度低于第二管的下端时，虹吸管自动断开，第二常压管的水密状态解除，母液贮罐内的高浓度营养液在大气压强及重力作用下经第一常压管流入回流罐，对回流罐内所流失的营养液进行补充；

4)当苗床的缺失水位得到补充后，来自苗床的低浓度回流营养液(经植物生长消耗后，苗床内营养液的营养物质的有效含量和溶氧量均较低)由完全打开的入水阀不断流回补偿室，补偿室内的液面得到提升，并封住第二常压管的下端，让第二常压管再次处于水密状态，使母液贮罐对回流罐的营养液补充停止；当补偿室内的液面逐渐上升至虹吸管的上端时，虹吸管又自动接通，将来自苗床的低浓度回流营养液导入回流罐内，并与之前从母液贮罐内流入的高浓度营养液混合均匀，维持营养液内各营养成分含量的相对稳定；

5)循环泵在定时器的作用下继续抽吸，使回流罐内的液面继续降低，因来自苗床并流入补偿室内的低浓度回流营养液的流量小于经虹吸管流出补偿室且进入回流罐的营养液的流量，故虹吸管再次接通后补偿室内的液面会逐渐下降；重复2)至4)的步骤，使苗床内的营养液继续得到循环更新；待定时器断电后，营养液的循环停止，补偿室内的营养液液面将维持在最高允许液面和最低允许液面之间。

这样，可达到为苗床连续而定时地自动补充营养液的目的，使营养液在苗床和本装置之间自动循环运行，苗床内营养液的营养物质及其有效含量可得到保证，且营养液的循环过程无需人工操作，省时省力，以致本装置使用简便。

所述回流罐的下侧设有与定时器电连接的加氧头。这样，可对回流罐内的营养液实施定时加氧，及时补充营养液内的氧气含量。

所述补偿室的体积小于回流罐的体积。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施方式来进一步说明本发明。

参见图1：

为进一步清楚而明确地说明问题起见，在图1中通过若干虚线和相应件号来表达相应液体容器内相应营养液的对应液面，分别具体描述如下：

a为母液贮罐2内营养液(以下均简称母液)的初始液面(即最高允许液面)，a’为母液贮罐2内母液的最低允许液面，b为补偿室6内营养液的最高允许液面，b’为补偿室6内营养液的最低允许液面(即最低警戒液面)，c为回流罐11内营养液的初始液面(即最高允许液面)。

图1中未示出所述的母液和相应的营养液。

本装置的结构为：

上端设有第一加液口1的母液贮罐2的下端通过连接筒17接有上下叠置的补偿室6和回流罐11，母液贮罐2和补偿室6之间留有操作间隙，竖直布置的第一常压管3贯穿补偿室6将母液贮罐2和回流罐11连通，竖直布置的第二常压管4将母液贮罐2和补偿室6连通，第一常压管3、第二常压管4分别与母液贮罐2和补偿室6密封配合，第一常压管3、第二常压管4位于操作间隙处的管体上接有同时控制两管通断的截止阀5，补偿室6的体积小于回流罐11的体积，这样，本装置正常运转时，回流罐11的可用体积大于补偿室6的可用体积。

第一常压管3的上端位于母液贮罐2内的下部，第一常压管3的下端位于回流罐11内的上部，第二常压管4的上端位于母液贮罐2内的上部，第二常压管4的下端位于补偿室6内的下部。

补偿室6的下部分别设置与其内腔相通的入水阀8和溢流管7，溢流管7的上端位于补偿室6内的上部，溢流管7的下端伸出补偿室6与大气相通，补偿室6内设有倒置的U形虹吸管15，它包括竖直布置的第一管15a、第二管15b，虹吸管15的上端位于补偿室6内的上部且低于溢流管7的上端，第一管15a穿过补偿室6伸进回流罐11内且第一管15a的下端位于回流罐11内的上部，第一管15a的下端通过止水阀9接有浮球10，第二管15b的下端位于补偿室6内的下部且低于第二常压管4的下端。

回流罐11的下部通过与其内腔相通的循环泵12接有出水阀13，定时器14与循环泵12电连接，回流罐11的侧壁上部设有第二加液口11a，回流罐11的下侧设有与定时器14电连接的加氧头16。

第一常压管3的管口开口尺寸小于入水阀8的入水口开口尺寸，入水阀8的入水口开口尺寸小于虹吸管15的管口开口尺寸，入水阀8的入水口开口尺寸和出水阀13的出水口开口尺寸相同。

所述的截止阀5、入水阀8、止水阀9、出水阀13、浮球10、循环泵12、定时器14、加氧头16均为市售品。定时器14的生产厂家为：慈溪市科德电器厂，型号为：科德TW-268，地址为：浙江省宁波市慈溪市横河镇东畈村，邮编为：315318，电话为：0574-63105198，63191919。

使用过程中，母液贮罐2内母液的初始液面a要低于第二常压管4的上端；母液贮罐2内母液的最低允许液面a’与第一常压管3的上端平齐；对于补偿室6内营养液的最高允许液面b而言，其高于虹吸管15的上端，其与溢流管7的上端平齐；对于补偿室6内营养液的最低允许液面b’而言，其与第二常压管4的下端平齐，其高于第二管15b的下端；回流罐11内营养液的初始液面c由止水阀9、浮球10共同决定。

初次向本装置内加入营养液的具体步骤为：

1)、通过第二加液口11a向回流罐11内充入事先配好的测试用完全营养液(如改良的Horgland氏标准液)，使其初始液面c与浮球10的球心所在平面平齐；

2)、由入水阀8向补偿室6内充入步骤1)中同样的测试用完全营养液，直至达到补偿室6内营养液的最低允许液面b’；

3)、关闭截止阀5，开启位于母液贮罐2上端的第一加液口1，向母液贮罐2内加入适量步骤1)中同样的测试用完全营养液，母液贮罐2内母液的初始液面a要低于第二常压管4的上端、高于第一常压管3的上端；

4)、由无土栽培装置内的苗床的入水口向苗床内加入步骤1)中同样的测试用完全营养液，直至苗床的出水口出现溢流，使苗床充满所述的营养液(附图中未示出所述的苗床、苗床的入水口、苗床的出水口)；

5)、关闭第一加液口1，开启截止阀5，将出水阀13连接苗床的入水口、入水阀8连接苗床的出水口；

6)、打开入水阀8、出水阀13，开启循环泵12，持续地向苗床泵入回流罐11内的营养液；

7)、来自苗床的回流营养液由入水阀8流入补偿室6内时，关闭循环泵12，使本装置与苗床之间的营养液循环停止，此时补偿室6内的液面介于最低允许液面b’和最高允许液面b之间；

8)、按照实际需要(如喜好时间、适宜工作频率等)，设定定时器14，对其一天中的具体开启时间、每次开启后的时间间隔进行设置。

使用本装置让营养液在本装置和苗床之间得到循环的具体步骤为：

1)、定时器14至设定时间后接通电路，启动本装置和苗床之间的营养液循环过程，即：开启循环泵12，营养液由循环泵12抽出，经出水阀13流向苗床，并由加氧头16补充回流罐11内的营养液中的溶解氧。因苗床内植物的生长发育需消耗营养液，苗床内的液位必然会下降，回流罐11内流出的营养液将首先补充苗床内的缺失营养液，此过程中，回流罐11内的液面持续下降，但经虹吸管15、止水阀9、浮球10，由补偿室6内的营养液不断补充，可保证回流罐11内的恒定液面。补偿室6内的营养液液位在虹吸管15的抽吸作用下不断下降，且在补偿室6内的液面尚未下降至最低允许液面b’时，第二常压管4的下端将一直浸没于补偿室6内的营养液内。由于关闭第一加液口1、开启截止阀5后，母液贮罐2内处于水密状态，而补偿室6通过溢流管7与大气相通，因此，根据大气压强原理，母液贮罐2内的母液不会流到回流罐11内。

2)、当补偿室6内的液面高度逐渐降低至最低允许液面b’以下、入水阀8尚无回流营养液补充时，随着循环泵12的持续抽吸，一则，母液贮罐2内的母液会在大气压强(通过第一常压管3、第二常压管4的共同配合)及重力作用下，经第一常压管3流入回流罐11内(母液贮罐2内的母液液面逐渐降低)，二则，导致虹吸管15因其内部液柱中断而停止对补偿室6内营养液的抽吸，补偿室6内营养液的液面维持不变；

3)、随着循环泵12的持续抽吸，从苗床回收的低浓度回流营养液开始由完全打开的入水阀8进入补偿室6内，随着补偿室6内营养液液面的逐渐上升，虹吸管15内的营养液液面也在不断升高，当补偿室6内营养液液面超过最低允许液面b’后，再次封住第二常压管4的下端，使母液贮罐2内的母液不再流向回流罐11，本装置对苗床消耗营养液的水分和养分补充停止；当补偿室6内液面达到最高允许液面b附近时，虹吸管15再次接通，将补偿室6内的低浓度回流营养液不断地补充到回流罐11内，并与经第一常压管3流入回流罐11内的母液混合均匀，完成营养液的加氧和养分更新等工作，因来自苗床并流入补偿室6内的低浓度回流营养液的流量小于经虹吸管15流出补偿室6且进入回流罐11的营养液的流量，故，一则保证补偿室6内的营养液液面在虹吸管15再次接通后逐渐下降，且所述营养液液面不会超过最高允许液面b，二则保证回流罐11内的恒定液面，保证营养液内的矿物质含量，以上为营养液的第一次循环；

4)、循环泵12持续抽吸，补偿室6内的低浓度营养液持续流向回流罐11，当补偿室6内的营养液液面低于最低允许液面b’时，虹吸管15又断开，再次重复2)至3)步骤，营养液开始第二次循环，所不同的是，由于第一次循环时苗床内缺失的水分及矿物质均已补齐，苗床的缺失液位消失，因此，本装置再向苗床的入水口补充营养液时，苗床的出水口将会同步地流出营养液，营养液第二次循环后，母液贮罐2不再向回流罐11内补充母液；定时器14继续接通，循环泵12持续工作，多次重复2)至3)步骤，可达到为苗床自动连续补充营养液的目的，补足苗床内植物生长发育所消耗的水分及矿物质，维持苗床内营养液的液位及各营养成分的相对稳定；

5)、到达设定时间后，定时器14自动关闭，本装置和苗床之间的营养液循环自动停止，待补偿室6内不再有回流营养液流入，补偿室6内的营养液液面高度处于最高允许液面b和最低允许液面b’之间。设苗床内植物生长导致的营养液水分消耗为L，矿物质消耗为D，则浓度设定完成后，母液贮罐2内的母液浓度为S时，本装置可自动维持流经苗床的营养液有效含量不变，见公式一：

S = \frac{D}{L}

公式一

因植物生长过程中要消耗可观的水分及矿物质，故苗床内水分及矿物质的定量补充是营养液每次循环时的关键因素。在实际使用中，定时器14可设定多种间隔的工作模式，适用于各种不同植物的培养。母液贮罐2内母液的各营养成分的浓度应随工作模式和植物种类的变化而改变。

采用本装置，使植物的根际环境实现自动化、稳定化维持，营造植物生长发育所需的养分含量适中、通气状况良好的根际环境，无需频繁换水，长时间免维护。

为较精确地达到维持苗床内植物生长发育所需水分及根际环境稳定这一目的，长期使用本装置时应当进行母液的浓度设定步骤。本装置充填标准营养液循环数次后，于第m次循环结束后，定时器14断开，本装置内营养液不再流动时，开始测定水分消耗量及营养液内的矿物质消耗量。

母液贮罐2内母液的浓度设定操作步骤为：

1)、营养液在本装置和苗床之间循环m次后，苗床内营养液的水分消耗量等于母液贮罐2内母液的消耗量；

2)、打开出水阀13，从回流罐11内导出适量经循环m次后的营养液，视情况选用合理有效的不同测量方法(如离子积法、电导率法等)测定营养液内的各营养成分(如矿物质、示踪剂等)的消耗量。

3)、依据计算结果得出母液贮罐2内母液的浓度。设循环前本装置或苗床内的标准测试用完全营养液的营养成分K₁的有效含量为α₁(单位为毫克，下同)、营养成分K₂的有效含量为α₂、……营养成分K_n的有效含量为α_n；循环m次后，营养成分K₁的有效含量降低为β₁，营养成分K₂的有效含量降低为β₂，……营养成分K_n的有效含量降低为β_n，并设苗床内营养液的水分消耗量为L，单位为毫升。

植物在生长发育过程中需要外界提供氮、磷、钾、硫、镁、钙等二十余种必需的营养元素，对不同营养元素的需要量也随着植物种类的差异而不同。因此，在母液贮罐2内，当某种营养成分K_n的浓度S_Kn满足公式二时，可在使用中保证该成分的浓度在营养液循环过程中基本维持不变，将相关数据代入公式二：

S_{K_{n}} = \frac{α_{n} - β_{n}}{mL}

公式二

S_Kn的单位为毫克/毫升。由于植物生长发育需要多种的营养物质，母液贮罐2内的母液的最适浓度可表述为植物所必须的各营养成分的浓度之和。设本装置母液贮罐2内充填的母液内各营养成分的总浓度为S，单位为毫克/毫升，在定时器14所设定的时间循环间隔及苗床的营养液消耗特性均已知的前提下，本装置母液贮罐2内所充填母液的最适浓度S，见公式三：

S = S_{K_{1}} + S_{K_{2}} + S_{K_{3}} + \cdot \cdot \cdot + S_{K_{n}}

公式三

4)、根据计算结果，配比相应浓度的母液，加入母液贮罐2内。

在母液贮罐2内的母液液面接近最低允许液面a’前，本装置可随时进行加液操作。母液贮罐2内母液的加液操作步骤为：

1)、关闭截止阀5，开启位于母液贮罐2上端的第一加液口1；

2)、按照母液浓度设定操作步骤所得的计算结果，向母液贮罐2内加入适量浓度的母液，且母液的初始液面a要低于第二常压管4的上端；

3)、关闭第一加液口1，打开截止阀5，使第一常压管3、第二常压管4导通。

本装置一旦完成母液的浓度测量，则无需更改其它各项设定，只需不定时添加母液即可，省时省力。

若因故(如将本装置应用在另一苗床上、更换苗床所种植物的种类或数量)，则需要变更本装置的时间循环间隔或使用设定，并需重新执行初次向本装置内加入营养液、母液浓度设定的相关操作，以确保植物的最佳水培效果。

本装置可用于中小规模的植物水培实验、住宅及公共场所绿化，具有多种定时设定模式，是一种便利的植物水培器具，与苗床配套，可实现自动化、智能化、节约化的水耕栽培体系，可适应水耕栽培的不同规格苗床的自动管理，满足人们日益增长的绿化需求。

本装置用于中小规模的植物水培实验时，能有效降低换水过程中的根际环境变化及根系损伤所导致的实验误差，并能在进行诸如重金属胁迫、有毒有害物质富集、放射性同位素示踪等植物水培实验中，有效避免污染物质的扩散。

设定定时器14、一次添加母液后，对于苗床内的植物，本装置可确保营养液一定时间周期内的自动循环补充、供应，无需人工操作，确保植物生长过程中的水分和养分需求，操作简单方便，省时省力，可显著降低频繁换水带来的重复劳动及资源浪费。

经营养液的浓度设定操作、添加适当浓度的母液后，还能长期维持苗床内营养液有效含量的相对稳定，从而充分满足植物长期生长发育过程中的营养成分需求。

本装置还具有简单卫生、无须定时维护的优点。

以上所述的仅是本发明的一种实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出显而易见的若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。比如：

母液贮罐2还可由若干互不相通的独立贮罐组成，各独立贮罐的尺寸、容量、两个常压管的内径均完全相等，分别设置在补偿室6之上。

当母液贮罐2内的母液浓度过高并导致一些营养成分产生沉淀时，或操作者在某些实验中希望单独加入示踪剂或指示剂时，可酌情使用不同的独立贮罐单独盛放，达到操作便利、降低污染、减少母液内营养成分沉淀损失的目的。

设母液贮罐2由p个独立贮罐构成，m次循环后每个独立贮罐的营养液消耗量为L，则母液贮罐2的总营养液消耗量为p×L。根据公式三可推导出每个独立贮罐内营养液的某一营养成分K_n的浓度，见公式四。

S_{K_{n}} = \frac{α_{n} - β_{n}}{mpL}

公式四

Claims

1.无土栽培用营养液循环装置，包括上端设有第一加液口的母液贮罐，其特征在于：

母液贮罐的下端接有上下叠置的补偿室和回流罐，母液贮罐和补偿室之间留有操作间隙，竖直布置的第一常压管贯穿补偿室将母液贮罐和回流罐连通，竖直布置的第二常压管将母液贮罐和补偿室连通，第一常压管、第二常压管位于操作间隙处的管体上接有同时控制两管通断的截止阀；

2.根据权利要求1所述的无土栽培用营养液循环装置，其特征在于：回流罐的下侧设有与定时器电连接的加氧头。

3.根据权利要求1或2所述的无土栽培用营养液循环装置，其特征在于：补偿室的体积小于回流罐的体积。