CN102948360A

CN102948360A - 一种立体自控植物气雾培养装置

Info

Publication number: CN102948360A
Application number: CN2012100772972A
Authority: CN
Inventors: 孙长忠
Original assignee: FORESTRY EXPERIMENTAL CENTER CHINESE ACADEMY OF FORESTRY
Current assignee: FORESTRY EXPERIMENTAL CENTER CHINESE ACADEMY OF FORESTRY
Priority date: 2012-03-22
Filing date: 2012-03-22
Publication date: 2013-03-06

Abstract

一种立体自控植物气雾培养装置，包括立体栽植筒、营养液供给系统、均光旋转系统、温度控制系统和湿度控制系统；所述均光旋转系统的固定端相对于地面固定设置，所述立体栽植筒固定在所述均光旋转系统的旋转端上；所述立体栽植筒包括至少一个用于栽植研究植株的栽植空间，所述温度控制系统和所述湿度控制系统分别控制所述栽植空间内的温度和湿度。本发明可以实现营养液浓度地准确控制，还可以保证参试植物生长环境的一致，减少试验误差；同时，可以随时打开的活动小门设计，为根系发育的动态观测研究，提供了便利条件；可概括为：立体栽植节省空间，自动控制便于管理，雾化供养降低误差，门式植筒便于观测。

Description

一种立体自控植物气雾培养装置

技术领域

本发明专利涉及科学试验设备，涉及一种植物研究设备，特别是涉及植物栽植试验的设备，应用于植物学、农学、林学等有关植物类科研、教学领域。

背景技术

植物营养研究是植物生理研究和培育技术研发的重要内容，常采用盆栽或水培方式进行试验植物的栽培。盆栽试验由于难以掌握营养液浇灌量与灌水量，使各容器基质中水分与养分难以准确控制，不仅试验管理难度大，试验误差难以排除，且根系状况的随时观测亦不易实现。

水培试验可以准确控制营养液浓度，但根系必须有较充足的氧气供给，即需要经常换水、或使营养液保持循环状态、或向营养液中不断加氧(加空气)，至今尚无专用试验装置。

发明内容

本发明的目的在于设计一种新型的立体自控植物气雾培养装置，解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种立体自控植物气雾培养装置，包括立体栽植筒、营养液供给系统、均光旋转系统、温度控制系统和湿度控制系统；所述均光旋转系统的固定端相对于地面固定设置，所述立体栽植筒固定在所述均光旋转系统的旋转端上；所述立体栽植筒包括至少一个用于栽植研究植株的栽植空间，所述温度控制系统和所述湿度控制系统分别控制所述栽植空间内的温度和湿度。

所述栽植空间包括位于所述立体栽植筒内部的根系生长空间和设置在所述立体栽植筒筒壁上的栽植穴，所述栽植穴包括定植孔、定植筐和设置在所述定植筐中的植株固定材料，所述定植筐对准所述定植孔设置。

所述定植孔和所述定植筐向外向上倾斜45°角。

所述立体栽植筒包括三个独立的栽植空间，每个栽植空间包括40个栽植穴，所述植株固定材料为海绵或塑料泡沫材料。

所述立体栽植筒中设有空间隔离构造，所述空间隔离构造以所述立体栽植筒的长轴为圆心纵向将所述立体栽植筒的桶内空间均等地分割成三个独立的栽植空间。

所述立体自控植物气雾培养装置设置在全光温室中。

所述营养液供给系统为营养液喷雾供给系统，所述营养液供给系统的营养液雾化喷头对准所述栽植空间。

所述栽植筒上设有能够随时开闭的观测门。

本专利针对现有盆栽和水培试验之不足，以及目前植物研究的需要，设计了全新的专用设备。

本发明中的温、湿度控制系统：由温、湿度控制器和供电系统(集电环等)组成。功能在于控制立体栽植筒内的温度和湿度，为植物根系生长创造适宜的温湿度条件。

如图1、图3所示，立体栽植筒由三个相互独立的栽植空间组成。每一空间又由栽植穴(2)(包括定植孔、定植筐和植物固定材料)和根系生长空间组成。是试验植物定植和生长的地方。也是根系研究观测的地方。每一空间可栽植40株植物。

如图2所示，立体栽植筒系统由栽植筒筒体(1)、植物定植构造(2)、顶部排风(8)和下侧部湿帘(18)、筒内空间隔离构造(15)、筒底营养液分流防混构造(16)及观测门(17)共六部分组成。该立体栽植筒系统具有提供植物地上地下生长空间，根系生长空间温度调控，不同试验内容独立空间隔离与营养液防混，根系随时全貌观测等综合功能。

栽植筒筒体(1)是试验植物固定和生长的场所，要求可以使植物得以固定和有良好的生长环境，并便于观测。为满足植物固定的要求，栽植筒壁上安装了呈向外上倾斜45°的植物定植构造(2)(定植孔和定植筐)，可以使植物停留在栽植筒壁上；筐内有固定植物的海绵或塑料泡沫材料，可以实现将植物固定在定植筐内并保持固定姿态(45°向上)。

温度控制系统包括顶部排风(8)和下侧部湿帘(18)结构，为栽植筒体内植物根系生长空间温度调节系统。通过位于栽植筒顶部的排风扇向外抽风，使筒外空气通过湿帘进入筒内，同时带走湿帘水分，使所通过的空气降温并实现筒内降温的目的。

如图3所示，筒内空间隔离构造(15)以栽植筒长轴为圆心，纵向将筒内空间分为三个相互独立的空间，用于不同内容的单独试验。在每一空间的底部(即栽植筒底部)与其相对应的营养液储存容器位置，设计有筒底营养液分流防混构造(16)，确保同一筒内三部分独立空间各营养液保持互不混合。主要是通过筒底的导流嘴(19)，和位于观测门下方筒底上的阻水门槛(20)而实现。

三部分独立的营养液由位于筒顶的雾化喷头分别喷雾至各自的封闭空间后，除部分用于湿润植物根系提供养分水分外，多余部分则沿着筒内隔离板(15)和筒壁(包括观测门壁(17))向下流至栽植筒底部汇集。汇集的营养液受到位于筒体边缘门槛(20)的阻挡不能由边缘流出筒外，便由筒底开孔(回流孔(16))向下流出。由于三个独立空间底部在其营养液储存容器上方均有各自的营养液回流孔，故多余营养液又返回了储存器中。为防止由三个回流孔返回的营养液在栽植筒底部外相互混合，各回流孔均设计了导流嘴(19)，从而使回流液准确返回储存器。

观测门是沿栽植筒竖轴方向，占各独立空间筒壁1/2的活动筒壁。一边通过合页与本空间固定筒壁相连，另一边通过锁扣与相邻空间固定筒壁相扣，可方便地向外开启，以便根系观测。

如图4所示，营养液雾化供给系统和湿度控制系统组成一个大系统，由营养液储存容器(3)、加压设备(泵)(4)、输送管(29)、喷头(5)和湿度控制器(10)组成。营养液储存容器分为3个独立部分；加压、输送和喷雾三功能组成的营养液雾化系统，在每一栽植筒中共有3套，相互独立，并与相对应的营养液储存容器相配套。在图4中，营养液供给系统由营养液储存容器、水泵和雾化器三部分组成。营养液储存容器是在一个大盆中由两个不同半径同心圆筒相隔而成的三个独立圆柱体空间((301)、(302)、(303))。各空间通过管道分别与盆外三个相对应的营养液观测杯(30)相连通，以便营养液浓度的检测和储存容器中营养液液面高低的观察。三个加压泵((401)、(402)、(403))分别位于栽植筒内部三个独立空间，分别安装在防水盒中。进水管分别通过栽植筒底部三个营养液导流嘴((1901)、(1902)、(1903))伸入三个营养液储存容器。雾化器为低压雾化喷头(5)，营养液经加压泵加压由出水管向上进入喷头雾化喷出，为植物生长提供水分和营养供给并调节栽植空间内的湿度。

如图5所示，位于栽植筒(1)内的加压水泵(4)，及位于栽植筒顶部的调温排风扇(8)和筒内发热体(32)的启闭，由分别位于筒内的温度传感器(3101)和湿度传感器(3102)采集信号，由筒外的温度控制器(9)和湿度控制器(10)实现自控。栽植筒转动过程中加压泵(4)、调温风扇(8)及发热体(32)的供电，温度传感器和湿度传感器的信号传递，均分别通过位于栽植筒顶部的集电环碳刷结构((11)、(12)、(1301)、(1302)、(1401)、(1402))而实现。

如图6所示，均光旋转系统由电动机(7)和轴承旋转部分(6)组成。功能在于使整个栽植筒每天不定时旋转，每次旋转一个角度，使其上所栽植的植物每天均能得到相对均等的光照条件，确保试验植物受光一致。图6中(39)为筒体底部隔水筒，可防止营养液由底部下部进入压力轴承。由图6可见，支撑底座(27)、支撑柱(25)及压力轴承(6)，构成了栽植筒旋转的支撑减阻构造。栽植筒所有重量均集中在压力轴承(6)并经支撑柱(25)传递至支撑底座(27)。放置于地面支撑物之上的支撑底座再经地面支撑物将压力传递至地面，从而使栽植筒仅通过筒底中心小面积与压力轴承接触而保持直立状态。下端固定于支撑底座(27)上的筒体旋转轴(26)，纵向自下而上通过支撑柱(25)、压力轴承(6)、筒底中心孔、栽植筒中心隔离管(40)及筒顶中心孔，上端露出筒顶，成为筒体旋转的旋转轴和顶端电机的固定轴。

位于栽植筒顶部的减速电机(7)，通过固定装置与筒体旋转轴(26)相纵向连接，电机旋转轴保持垂直向上状态。电机旋转轴(21)通过轴承连接器与筒体旋转连接机构((22)、(23))相连接，再与栽植筒顶端(24)固定。当电机(7)通电旋转时，通过连接机构带动栽植筒(1)在压力轴承(6)上绕筒体旋转轴(26)与电机(减速电机)同步缓慢旋转。从而实现了栽植筒上植物受光均匀的栽培要求。

本发明的工作原理如下：

立体栽植筒是试验植物固定和生长的场所，要求可以使植物得以固定和有良好的生长环境，并便于观测。

为满足植物固定的要求，栽植筒上安装了植物定植筐，可以使植物停留在栽植筒壁上；筐内有固定植物的海绵或塑料泡沫材料，可以实现将植物固定在定植筐内并保持固定姿态。

植物良好的生长环境，主要是指植物地上部分良好的光照条件和充足的生长空间；根系部分要有良好的通气条件、充分的生长空间和良好的营养供给。

为使试验植物所生长的光照环境与自然状态尽可能一致，又防止降雨对营养液浓度的影响，本装置在全光温室中使用。由于立体栽植，大大提高了试验场地的使用效率，但也带来了不同方向所栽试验植物接受光照的差异。为确保试验植物受光相对均匀，本装置设计为栽植筒不定时旋转型。

为满足试验植物根系生长对空间、氧气、水分、养分、温度的需要，并创造优越的条件，本装置采用气雾培养的方式，在为植物提供水分、养分的同时，可创造良好的氧气供给条件，根系生长较土壤中更为旺盛，根系发达。本装置喷雾系统由储液容器、加压泵、输送管和雾化喷头四部分组成。营养液储存在储液容器中，由加压泵经输送管将营养液由储液容器中输送到雾化喷头，由喷头雾化喷雾至根系生长空间，湿润根系，增加筒内空气湿度，实现供水与供养的目标。

根系生长空间温度的升降控制，分别是利用加热体和湿帘-通风系统实现。在栽植筒顶部装有排风扇，底部装有湿帘。降温时通过排风扇强制通风而使湿帘水分蒸发，达到降低筒内温度的目的，升温时筒内加热体通电产热。

筒内温度、湿度的控制，即喷雾、通风降温与加热的控制，由温、湿度控制器控制加压泵、风扇和加热体的启闭而实现。由于栽植筒整体为一筒三独立空间结构，且需要旋转，安装在三独立空间的各水泵(共3个)、风扇、加热体及温、湿度传感器，需要在筒体旋转的同时，得到电力供给或信号传递。安装在筒体顶部的集电环与碳刷结构，实现了旋转筒运动中的连续供电和信号传递。

因此，本发明的有益效果如下：

1，本装置是专为植物营养、根系等研究而设计，并按相应试验布设(完全区组、正交、拉丁方)要求进行配套。不仅可以实现营养液浓度地准确控制，还可以保证参试植物生长环境的一致，减少试验误差；同时，可以随时打开的活动小门设计，为根系发育的动态观测研究，提供了便利条件。立体栽植器可以有效的节约试验空间，亦便于试验植物的观测管理。可概括为：立体栽植节省空间，自动控制便于管理，雾化供养降低误差，门式植筒便于观测。

2，本装置是专为植物营养等研究而设计，不仅可以实现植物营养液的自控雾化供给，可以实现营养液浓度地准确控制，保证参试植物生长环境的相对一致，减少试验误差；还可以保障植物根系空间适宜的温度环境。可概括为：自动控制便于管理，雾化供养降低误差。

3，该装置既能提供可准确控制营养液浓度，提供植物生长的良好环境，提供优越的观测条件和满足“完全区组”、“正交”及“拉丁方”等试验布设要求，高效利用试验空间，且可自动运行。

4，本发明结构简单，实施成本低廉。

附图说明

图1为本发明整体的结构示意图；

图2为立体栽植筒的结构示意图；

图3为栽植筒底部平面及侧面示意图；

图4为喷雾系统结构示意图；

图5为供电及控制系统示意图；

图6为均光旋转系统示意图。

其中：(1)立体栽植筒((101)、(102)、(103)分别为栽植筒内3个独立栽植空间)；(2)筒壁上的栽植穴；(3)营养液储存容器((301)、(302)、(303)分别为3个独立的储存容器)；(4)加压泵((401)、(402)、(403)分别为位于3个独立空间的加压泵)；(5)喷雾喷头((501)、(502)、(503)分别为位于3个独立空间中的3个喷头)；(6)栽植筒下压力轴承；(7)栽植筒旋转减速电机；(8)栽植筒内降温排风扇；(9)栽植筒内温度控制器；(10)栽植筒内湿度(喷雾)控制器；(11)集电环碳刷结构--接温度传感器；(12)集电环碳刷结构--接湿度传感器；(1301)集电环碳刷结构--接排风扇；(1302)集电环碳刷结构--接发热体；(1401)、(1402)集电环碳刷结构--接加压泵；(15)筒内空间隔离构造；(16)筒底营养液分流防混构造；(17)观测门；(18)栽植筒下侧部湿帘；(19)筒底的导流嘴((1901)、(1902)、(1903)分别为位于3个独立空间底部的3个导流嘴)；(20)位于观测门下方筒底上的阻水门槛；(21)电机旋转轴；(22)、(23)筒体旋转连接机构；(24)栽植筒顶盖；(25)支撑柱；(26)筒体旋转轴；(27)支撑底座；(28)营养液储存容器中央隔离管(隔离营养液与支撑柱)；(29)营养液输送管；(30)营养液观测杯；(3101)温度传感器；(3102)湿度传感器；(32)筒内发热体；(33)筒体底部隔水筒；(34)栽植筒中心隔离管。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1至图5所示的一种立体自控植物气雾培养装置，包括立体栽植筒(1)、营养液供给系统、均光旋转系统、温度控制系统和湿度控制系统；所述均光旋转系统的固定端相对于地面固定设置，所述立体栽植筒(1)固定在所述均光旋转系统的旋转端上；所述立体栽植筒(1)包括至少一个用于栽植研究植株的栽植空间，所述温度控制系统和所述湿度控制系统分别控制所述栽植空间内的温度和湿度；所述栽植空间包括位于所述立体栽植筒(1)内部的根系生长空间和设置在所述立体栽植筒(1)筒壁上的栽植穴(2)，所述栽植穴(2)包括定植孔、定植筐和设置在所述定植筐中的植株固定材料，所述定植筐对准所述定植孔设置；所述定植孔和所述定植筐向外向上倾斜45°角；在本实施例中，所述立体栽植筒(1)包括三个独立的栽植空间，每个栽植空间包括40个栽植穴(2)，所述植株固定材料为海绵或塑料泡沫材料。所述立体栽植筒(1)中设有空间隔离构造(15)，所述空间隔离构造(15)以所述立体栽植筒(1)的长轴为圆心纵向将所述立体栽植筒(1)的桶内空间均等地分割成三个独立的栽植空间；所述立体自控植物气雾培养装置设置在全光温室中；所述营养液供给系统为营养液喷雾供给系统，所述营养液供给系统的营养液雾化喷头(5)对准所述栽植空间；所述栽植筒上设有能够随时开闭的观测门(17)。

在本实施例中，所述均光旋转系统包括支撑柱(25)、压力轴承(6)、旋转减速电机(7)和电机控制系统，所述支撑柱(25)相对于地面固定，所述立体栽植筒(1)套设在所述支撑柱(25)的外面，所述立体栽植筒(1)的下端通过所述压力轴承(6)可旋转的支撑在所述地面上，所述立体栽植筒(1)的上端与所述旋转减速电机(7)的旋转端相连接，所述旋转减速电机(7)的静止端固定在所述支撑柱(25)上端；所述均光旋转系统还包括支撑底座(27)，所述支撑柱(25)下端固定在所述支撑底座(27)上；所述旋转减速电机(7)为交流减速电机，所述电机控制系统包括微电脑时控开关，所述微电脑时控开关包括交流输入端和交流输出端，所述交流输入端连接交流电源，所述交流输出端接到所述交流减速电机。

在本实施例中，所述营养液供给系统包括营养液储存容器(3)、加压设备(本实施例中为加压泵)(4)、营养液雾化喷头(5)、营养液输送管(29)和分流防混结构(16)，所述营养液雾化喷头(5)通过所述加压设备(4)和所述营养液输送管(29)与所述营养液储存容器(3)连通；每个所述栽植空间对应一个所述营养液储存容器(3)，每个所述营养液储存容器(3)均为以所述立体栽植筒(1)的轴心为圆心的同心圆柱体状，每个所述栽植空间的底部设有所述分流防混结构(16)，所述分流防混结构(16)包括导流嘴(19)和阻水门槛(20)，每个所述栽植空间的所述导流嘴(19)对准对应的所述营养液储存容器(3)，每个所述栽植空间的所述阻水门槛(20)对准对应的所述观测门(17)下端；所述营养液储存容器(3)固定于所述均光旋转系统的所述支撑底座(27)上，并相对于地面固定，所述加压设备(4)和所述营养液雾化喷头(5)位于所述立体栽植筒(1)内并且相对于所述立体栽植筒(1)固定，所述加压设备(4)的进液口通过所述营养液输送管(29)，穿过所述导流嘴(19)与营养液储存容器(3)连通；每个所述栽植空间对应设置一套独立的所述营养液供给系统；所述营养液供给系统还包括营养液观测杯(30)，所述营养液观测杯(30)位于所述最外侧营养液储存容器(3)的外部，每个所述营养液储存容器(3)的底部与一个所述营养液观测杯(30)的底部连通；所述营养液供给系统还包括营养液供给控制系统，所述营养液供给控制系统包括湿度控制器(10)、交流直流转换器和集电环电刷结构，所述湿度控制器(10)包括湿度控制器主机和湿度传感器(3102)，所述湿度控制器主机包括湿度传感器接入端口、交流输入端和交流输出端，所述湿度传感器(3102)位于所述立体栽植筒(1)内，通过所述集电环电刷结构连接到所述湿度传感器接入端口，所述湿度控制器主机交流输入端连接交流电源，所述交流直流转换器包括交流输入端和直流输出端，所述交流输入端连接所述湿度控制器主机交流输出端，所述直流输出端经过集电环电刷结构连接到所述加压泵电机；所述湿度控制系统是所述营养液供给系统的控制系统，所述湿度控制系统即所述营养液供给控制系统；所述加压泵安装于防水盒中。

在本实施例中，所述温度控制系统包括温度控制器(9)、风扇(8)(本实施例中为降温排风扇)和设置在所述装置空间内的湿帘(18)，所述温度控制器(9)与所述风扇(8)电连接，所述风扇(8)产生的气流流经所述湿帘(18)；所述风扇(8)为设置在所述栽植筒顶部的排风扇，所述排风扇(8)的出风口与大气连通，所述排风扇(8)的进风口连通所述栽植空间，所述栽植空间的底部设有进风口，所述湿帘(18)设置在所述进风口处；所述风扇(8)的动力为直流风扇电机，所述温度控制器(9)包括温度控制器主机、温度传感器(3101)、交流直流转换器和集电环电刷结构，所述温度控制器主机包括温度传感器接入端口、交流输入端、交流输出端1和交流输出端2，所述温度传感器(3101)位于所述立体栽植筒(1)内，经过所述集电环电刷结构连接到所述温度传感器接入端口，所述温度控制器主机交流输入端连接交流电源，所述交流直流转换器包括交流输入端和直流输出端，所述交流输入端连接所述温度控制器主机交流输出端1，所述直流输出端经过集电环电刷结构连接到所述直流风扇电机；所述温度控制系统还包括发热体(32)，所述发热体(32)位于所述栽植空间内，并且所述温度控制器主机交流输出端2经过集电环电刷结构连接到所述发热体。

以上通过具体的和优选的实施例详细的描述了本发明，但本领域技术人员应该明白，本发明并不局限于以上所述实施例，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种立体自控植物气雾培养装置，其特征在于：包括立体栽植筒、营养液供给系统、均光旋转系统、温度控制系统和湿度控制系统；所述均光旋转系统的固定端相对于地面固定设置，所述立体栽植筒固定在所述均光旋转系统的旋转端上；所述立体栽植筒包括至少一个用于栽植研究植株的栽植空间，所述温度控制系统和所述湿度控制系统分别控制所述栽植空间内的温度和湿度。

2.根据权利要求1所述的立体自控植物气雾培养装置，其特征在于：所述栽植空间包括位于所述立体栽植筒内部的根系生长空间和设置在所述立体栽植筒筒壁上的栽植穴，所述栽植穴包括定植孔、定植筐和设置在所述定植筐中的植株固定材料，所述定植筐对准所述定植孔设置。

3.根据权利要求2所述的立体自控植物气雾培养装置，其特征在于：所述定植孔和所述定植筐向外向上倾斜45°角。

4.根据权利要求2所述的立体自控植物气雾培养装置，其特征在于：所述立体栽植筒包括三个独立的栽植空间，每个栽植空间包括40个栽植穴，所述植株固定材料为海绵或塑料泡沫材料。

5.根据权利要求4所述的立体自控植物气雾培养装置，其特征在于：所述立体栽植筒中设有空间隔离构造，所述空间隔离构造以所述立体栽植筒的长轴为圆心纵向将所述立体栽植筒的桶内空间均等地分割成三个独立的栽植空间。

6.根据权利要求1所述的立体自控植物气雾培养装置，其特征在于：所述立体自控植物气雾培养装置设置在全光温室中。

7.根据权利要求1所述的立体自控植物气雾培养装置，其特征在于：所述营养液供给系统为营养液喷雾供给系统，所述营养液供给系统的营养液雾化喷头对准所述栽植空间。

8.根据权利要求1所述的立体自控植物气雾培养装置，其特征在于：所述栽植筒上设有能够随时开闭的观测门。