CN103314697B - 一种水肥气一体化灌溉控制系统及控制方法 - Google Patents

一种水肥气一体化灌溉控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水肥气一体化灌溉控制系统及控制方法，控制系统它包括承压水箱（17），承压水箱（17）上设置有压力安全阀（2）、水位控制器（3）、压力控制器（4）、内循环水口（8）、空气循环口（9）、入水口（10）、排污口（16）、低位出水口（19）、导流板（20）、温度变送器（21）、溶氧控制器（22）、高位出水口（24），在承压水箱（17）外部设有施肥和加气装置；通过进出水和曝气的控制可以实现对承压水箱（17）内的流体进行自动曝气的功能，以达到所设定的水气混合比率。该系统可实现水肥气一体化灌溉，极大程度地提高作物水分和肥料的利用效率。

Description

一种水肥气一体化灌溉控制系统及控制方法
技术领域：
本发明涉及农业灌溉技术领域，具体地讲是一种水肥气一体化灌溉控制系统及控制方法。
背景技术：
随着地下滴灌技术的日臻完善和大面积推广应用，普通地下滴灌在灌溉时造成的植物根系暂时缺氧问题，影响了大田根区土壤的通气环境。利用地下滴灌系统把掺气水或者掺气水肥混合流体输送到植物根区，能有效改善植物根围的水、肥、气、热环境，达到提高水肥利用效率、增加经济产量和改善收获品质的目的。如何把空气以微小气泡的形式均匀地掺入到滴灌管道系统的水当中，是事关该方法成败的关键问题。如果掺入的空气没有与水均匀混合，或者形成大的气泡，都有可能在管道运输当中出现水气分层的现象，影响空气进入到土壤当中的均匀度，或者出现空气难于进入土壤的情形。目前国外多采用Mazzei Injector公司生产的Mazzei文丘里注射器来完成空气的掺入，Mazzei文丘里注射器的工作原理与普通文丘里一样，遵循伯努利定律：当一定压力的水流从文丘里进水端进入到喉道时，由于喉道半径变小导致水流速度变大，水的压力相应降低，当压力低于外界大气压时，空气就会通过进气口被吸进来掺入到水流当中，当高速的水气混合体从喉部流向文丘里出口端时，由于管道半径变大导致水流流速降低，动能转化为势能使压力增加，继续以有压流体的形式流入主管道，经过输移后最后经滴头入渗到土壤当中。Mazzei文丘里注射器的价格高昂，考虑到设备的造价和能量的损耗，其掺气的比率（管道内水气的体积比）有限，维持在12%左右。
发明内容：
本发明的目的是克服上述已有技术的不足，而提供一种水肥气一体化灌溉控制系统。
本发明的另一目的是提供一种水肥气一体化灌溉控制系统的控制方法。
本发明主要解决现有的普通地下滴灌在灌溉时造成的植物根系暂时缺氧及采用Mazzei文丘里射流器掺气比率有限等问题。
本发明的技术方案是：一种水肥气一体化灌溉控制系统，它包括承压水箱，其特殊之处在于空气压缩机经逆止阀与承压水箱顶端相连通；所述承压水箱上设置有压力安全阀、水位控制器、压力控制器、内循环水口、空气循环口、入水口、排污口、低位出水口、导流板、温度变送器、溶氧控制器、高位出水口；承压水箱的顶端设压力安全阀、水位控制器、压力控制器和空气循环口，水位控制器位于承压水箱内，排污口位于承压水箱的底端；内循环水口和入水口分别位于承压水箱同侧的上部和下部，低位出水口和高位出水口分别位于承压水箱同侧的上部和下部，温度变送器和溶氧控制器的位置介于低位出水口和高位出水口之间，导流板位于承压水箱内部；
所述入水口与水源入水口之间串联有空气射流器，并且在空气射流器与水源入水口之间并联有施肥器，入水电磁阀与空气射流器相串联，并位于空气射流器与施肥器之间；
所述空气循环口与空气射流器的进气嘴相连通；内循环水口与空气射流器相连通，连通位置在空气射流器与入水电磁阀之间，并在内循环水口与空气射流器连通的管路上设有增压泵和逆止阀，其中逆止阀位置靠近于空气射流器，增压泵的位置靠近于内循环水口。
进一步的，所述的水位控制器上设置有高水位、低水位和参考水位三个控制水位，其中高水位距离承压水箱顶端不小于20cm，高水位、低水位和参考水位之间的距离不小于15cm。
进一步的，所述的内循环水口和高位出水口均位于低水位的下方。
进一步的，所述的低位出水口和高位出水口上分别设有第二出水电磁阀和第一出水电磁阀。
本发明的水肥气一体化灌溉控制系统的控制方法，其特殊之处在于它包括如下步骤：
a，将水源入水口与有压供水源相连通，将低位出水口或者高位出水口与地下滴灌管道相连通，并将另外一个出水口始终保持关闭状态；
b，设置压力安全阀限值，设置压力控制器调控上限，当承压水箱内的空气压力高于所设定的压力安全阀限值时，压力安全阀自动泄气直到压力达到所设限值；
c，开启电源总开关，空气压缩机、水位控制器、压力控制器、溶氧控制器处于工作状态，并设置溶氧控制器值域，当承压水箱内的空气压力达到控制压力上限时，空气压缩机停止工作；
d，开启入水电磁阀，使其处于工作状态，水位自动检测，当检测水位低于低水位时，水位控制器触发入水电磁阀工作，开始向承压水箱供水，同时施肥器开始工作；供水过程中，由于承压水箱中被封闭的空气被压缩，承压水箱压力升高，当压力高于控制压力上限时，压力安全阀开始泄气；当水位上升到低水位时，开启增压泵进入运行状态，水肥流体通过内循环水口经空气射流器流回承压水箱形成内循环流动，在内循环流动过程中空气射流器向通过的水肥流体曝气；压力控制器对承压水箱内的封闭空气压力自动检测，并与所设定的压力上限对比，高于压力上限时，压力安全阀自动泄气直到压力达到所设值域；当水位继续上升，达到高水位时，入水电磁阀关闭；溶氧控制器处于开启状态，溶解氧自动检测；当承压水箱内的水肥溶液中的溶解氧达到设定值域时，关闭增压泵停止内循环流动和空气射流器的曝气，第一出水电磁阀（当利用高位出水口向滴灌管道供水时）或者第二出水电磁阀（当利用低位出水口向滴灌管道供水时）打开并持续向滴灌管道供水，直至水位下降至低水位线，第一出水电磁阀（当利用高位出水口向滴灌管道供水时）或者第二出水电磁阀（当利用低位出水口向滴灌管道供水时）关闭并启动入水电磁阀进水，同时施肥器开始工作，保持承压水箱内的水位在低水位线之上，如此周而复始的对水位、压力、溶解氧的监测和控制实现完整的灌溉过程。
本发明的一种水肥气一体化灌溉控制系统及控制方法与已有技术相比具有突出的实质性特点和显著进步：1、加压空气通过文丘里射流器以微气泡的形式与水肥流体均匀混掺，不会出现水气分离和分层的现象，保证混合流体随着水流均匀地输送到植物根区土壤内；2、通过加压循环曝气的形式同时结合溶氧仪对承压箱内水体的动态监测来控制空气掺入，空气掺入比例范围宽广，可根据作物根系在不同生长季节对氧气的需求情况来确定，以满足作物的氧气需求；3、本系统可实现对水位、水气混合比及施肥量等要素的自动控制，实现肥水气一体化灌溉，提高肥料的利用效率，减少对土壤和地下水的污染。
附图说明：
图1是本发明的结构示意图。
图面说明：
1空气压缩机　2压力安全阀　3水位控制器　4压力控制器　5高水位　6低水位　7参考水位　8内循环水口　9空气循环口　10入水口　11增压泵　12空气射流器　13逆止阀　14入水电磁阀　15水源入水口　16排污口　17承压水箱　18第二出水电磁阀　19低位出水口　20导流板　21温度变送器　22溶氧控制器　23第一出水电磁阀　24高位出水口　25施肥器　26逆止阀。
具体实施方式：
为了更好地理解与实施，下面结合附图给出具体实施例详细说明本发明；所举实施例只用于解释本发明，并非用于对本发明范围的限制。
实施例1，参见图1，根据设计需要加工制成承压水箱17，承压水箱17的顶端安装压力安全阀2、水位控制器3、压力控制器4和空气循环口9，水位控制器3位于承压水箱17内，水位控制器3上设置有高水位5、低水位6和参考水位7三个控制水位，其中高水位5距离承压水箱17顶端不小于20cm，高水位5、低水位6和参考水位7之间的距离不小于15cm；承压水箱17的底端有排污口16；在承压水箱17同侧的上部和下部分别开设内循环水口8和入水口10，在承压水箱17另一侧的上部和下部分别开设低位出水口19和高位出水口24，低位出水口19和高位出水口24上分别安装有第二出水电磁阀18和第一出水电磁阀23，内循环水口8和高位出水口24均位于低水位6的下方，温度变送器21和溶氧控制器22的位置介于低位出水口19和高位出水口24之间，在承压水箱17内部安装导流板20，并且相邻的两个导流板20与承压水箱1７内壁的连接和开口位置相反；将空气压缩机1经逆止阀26与承压水箱17顶端相连通；
在入水口10与水源入水口15之间串联有空气射流器12，并且在空气射流器12与水源入水口15之间并联有施肥器25，将入水电磁阀14与空气射流器12相串联并位于空气射流器12与施肥器25之间；
将空气循环口9与空气射流器12的进气嘴相连通；再将内循环水口8与空气射流器12相连通，连通位置在空气射流器12与入水电磁阀14之间，并在内循环水口8与空气射流器12连通的管路上安装增压泵11和逆止阀13，其中逆止阀13位置靠近于空气射流器12，增压泵11的位置靠近于内循环水口8。
本发明所述的一种水肥气一体化灌溉控制系统的控制方法，其步骤如下：
首先，将水源入水口与有压供水源相连通，将低位出水口或者高位出水口与地下滴灌管道相连通，并将另外一个出水口始终保持关闭状态；设置压力安全阀限值，设置压力控制器调控上限，当承压水箱内的空气压力高于所设定的压力安全阀限值时，压力安全阀自动泄气直到压力达到所设限值；
其次，开启电源总开关，空气压缩机、水位控制器、压力控制器、溶氧控制器处于工作状态，并设置溶氧控制器值域，当承压水箱内的空气压力达到控制压力上限时，空气压缩机停止工作；
再次，开启入水电磁阀，使其处于工作状态，水位自动检测，当检测水位低于低水位时，水位控制器触发入水电磁阀工作，开始向承压水箱供水，同时施肥器开始工作；供水过程中，由于承压水箱中被封闭的空气被压缩，承压水箱压力升高，当压力高于控制压力上限时，压力安全阀开始泄气；当水位上升到低水位时，开启增压泵进入运行状态，水肥流体通过内循环水口经空气射流器流回承压水箱形成内循环流动，在内循环流动过程中空气射流器向通过的水肥流体曝气；压力控制器对承压水箱内的封闭空气压力自动检测，并与所设定的压力上限对比，高于压力上限时，压力安全阀自动泄气直到压力达到所设值域；当水位继续上升，达到高水位时，入水电磁阀关闭；溶氧控制器处于开启状态，溶解氧自动检测；当承压水箱内的水肥溶液中的溶解氧达到设定值域时，关闭增压泵停止内循环流动和空气射流器的曝气，第一出水电磁阀（当利用高位出水口向滴灌管道供水时）或者第二出水电磁阀（当利用低位出水口向滴灌管道供水时）打开并持续向滴灌管道供水，直至水位下降至低水位线，第一出水电磁阀（当利用高位出水口向滴灌管道供水时）或者第二出水电磁阀（当利用低位出水口向滴灌管道供水时）关闭并启动入水电磁阀进水，同时施肥器开始工作，保持承压水箱内的水位在低水位线之上，如此周而复始的对水位、压力、溶解氧的监测和控制实现完整的灌溉过程。

Claims (5)

1.一种水肥气一体化灌溉控制系统，它包括承压水箱（17），其特征在于空气压缩机（1）经逆止阀（26）与承压水箱（17）顶端相连通；所述承压水箱（17）上设置有压力安全阀（2）、水位控制器（3）、压力控制器（4）、内循环水口（8）、空气循环口（9）、入水口（10）、排污口（16）、低位出水口（19）、导流板（20）、温度变送器（21）、溶氧控制器（22）、高位出水口（24）；承压水箱（17）的顶端设压力安全阀（2）、水位控制器（3）、压力控制器（4）和空气循环口（9），水位控制器（3）位于承压水箱（17）内，排污口（16）位于承压水箱（17）的底端；内循环水口（8）和入水口（10）分别位于承压水箱（17）同侧的上部和下部，低位出水口（19）和高位出水口（24）分别位于承压水箱（17）同侧的上部和下部，温度变送器（21）和溶氧控制器（22）的位置介于低位出水口（19）和高位出水口（24）之间，导流板（20）位于承压水箱（17）内部；
所述入水口（10）与水源入水口（15）之间串联有空气射流器（12），并且在空气射流器（12）与水源入水口（15）之间并联有施肥器（25），入水电磁阀（14）与空气射流器（12）相串联，并位于空气射流器（12）与施肥器（25）之间；
所述空气循环口（9）与空气射流器（12）的进气嘴相连通；内循环水口（8）与空气射流器（12）相连通，连通位置在空气射流器（12）与入水电磁阀（14）之间，并在内循环水口（8）与空气射流器（12）连通的管路上设有增压泵（11）和逆止阀（13），其中逆止阀（13）位置靠近于空气射流器（12），增压泵（11）的位置靠近于内循环水口（8）。
2.根据权利要求1所述的一种水肥气一体化灌溉控制系统，其特征在于所述的水位控制器（3）上设置有高水位（5）、低水位（6）和参考水位（7）三个控制水位，其中高水位（5）距离承压水箱（17）顶端不小于20cm，高水位（5）与低水位（6）之间的距离不小于15cm，低水位（6）与参考水位（7）之间的距离不小于15cm，参考水位（7）低于低水位（6）。
3.根据权利要求2所述的一种水肥气一体化灌溉控制系统，其特征在于所述的内循环水口（8）和高位出水口（24）均位于低水位（6）的下方。
4.根据权利要求1所述的一种水肥气一体化灌溉控制系统，其特征在于所述的低位出水口（19）和高位出水口（24）上分别设有第二出水电磁阀（18）和第一出水电磁阀（23）。
5.上述权利要求1－4所述的任一水肥气一体化灌溉控制系统的控制方法，其特征在于它包括如下步骤：
a，将水源入水口与有压供水源相连通，将低位出水口或者高位出水口与地下滴灌管道相连通，并将另外一个出水口始终保持关闭状态；
b，设置压力安全阀限值，设置压力控制器调控上限，当承压水箱内的空气压力高于所设定的压力安全阀限值时，压力安全阀自动泄气直到压力达到所设限值；
c，开启电源总开关，空气压缩机、水位控制器、压力控制器、溶氧控制器处于工作状态，并设置溶氧控制器值域，当承压水箱内的空气压力达到控制压力上限时，空气压缩机停止工作；
d，开启入水电磁阀，使其处于工作状态，水位自动检测，当检测水位低于低水位时，水位控制器触发入水电磁阀工作，开始向承压水箱供水，同时施肥器开始工作；供水过程中，由于承压水箱中被封闭的空气被压缩，承压水箱压力升高，当压力高于控制压力上限时，压力安全阀开始泄气；当水位上升到低水位时，开启增压泵进入运行状态，水肥流体通过内循环水口经空气射流器流回承压水箱形成内循环流动，在内循环流动过程中空气射流器向通过的水肥流体曝气；压力控制器对承压水箱内的封闭空气压力自动检测，并与所设定的压力上限对比，高于压力上限时，压力安全阀自动泄气直到压力达到所设值域；当水位继续上升，达到高水位时，入水电磁阀关闭；溶氧控制器处于开启状态，溶解氧自动检测；当承压水箱内的水肥溶液中的溶解氧达到设定值域时，关闭增压泵停止内循环流动和空气射流器的曝气，第一出水电磁阀或者第二出水电磁阀打开，并持续向滴灌管道供水，直至水位下降至低水位线，第一出水电磁阀或者第二出水电磁阀关闭，并启动入水电磁阀进水，同时施肥器开始工作，保持承压水箱内的水位在低水位线之上，如此周而复始的对水位、压力、溶解氧的监测和控制实现完整的灌溉过程。
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Inventor after: Zhang Zhenhua

Inventor after: Liu Xin

Inventor after: Zhang Liang

Inventor after: Liu Huan

Inventor before: Zhang Zhenhua

Inventor before: Lei Hongjun

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Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 264025 YANTAI, SHANDONG PROVINCE TO: 450011 ZHENGZHOU, HENAN PROVINCE

Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: ZHANG ZHENHUA LEI HONGJUN TO: LEI HONGJUN ZHANG ZHENHUA LIU XIN ZHANG LIANG LIU HUAN

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Address after: 450011 Zhengzhou Jinshui District, Henan, North Ring Road, No. 36

Applicant after: North University of Water Resource and Electric Power

Address before: 264025 School of geography and planning, Ludong University, 186 Hongqi Road, Zhifu District, Shandong, Yantai

Applicant before: Zhang Zhenhua

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Granted publication date: 20150513

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