CN105573356A - 一种营养液浓度控制方法及控制系统 - Google Patents

一种营养液浓度控制方法及控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种营养液浓度控制方法及控制系统，属于农业生产无土栽培技术领域。本发明控制方法包括以下步骤：设定营养液中硝态氮浓度的范围值、营养液的电导率范围值、及营养液的pH范围值；首先调节营养液中硝态氮在设定浓度值范围内，再调节营养液的电导率在设定范围值内，最后调节营养液的pH在设定范围值内。与现有技术相比，本发明利用硝态氮在植物生长过程中的重要作用和在营养液中的较高含量，引入硝态氮指标来管理营养液，本发明单独管理硝态氮浓度，以降低EC管理法无法反应营养液组分变化及非营养物质干扰的影响。

Description

一种营养液浓度控制方法及控制系统
技术领域
本发明涉及一种营养液浓度控制方法及控制系统，属于无土栽培技术领域。
背景技术
营养液栽培是属于水培种植技术的一种新型无土栽培方法，它以营养液代替天然土壤或者基质，为植物提供水分、养分和氧气，从而确保作物正常生长。营养液中各组分含量的多少影响到植物的生长状况，各营养组分的浓度在植物正常生长所需的范围内，能为植物生长提供有效的营养供给，保证植物的健康生长。
目前，广泛使用的营养液浓度管理方法是电导率值(EC)管理方法，即通过监测营养液总盐分的离子浓度来管理营养液浓度。但是，EC管理方法是对营养液状况的整体衡量，无法反应营养液组分变化、水肥变化，而且在测定电导率时，其他的具有导电性的非营养物质也会反映出来，影响电导率仪读数的准确性。大多现代化管理方法，如利用传感器进行多组分在线检测等，也是基于电导率值进行追肥。这些问题始终存在于实际生产中，不仅影响植物的生长，还会造成肥料的浪费，亟待运用更为科学、有效的方法来管理营养液浓度。
中国专利CN103499984A公布了一种营养液离子浓度控制方法及系统，系统包括：检测池、控制平台、离子浓度调控装置、传感器阵列装置、第一蠕动泵，控制平台，用于控制第一蠕动泵从营养液槽向检测池抽取营养液，检测池，用于存储从营养液槽抽取的营养液；控制平台还用于，控制传感器阵列装置启动检测；传感器阵列装置，用于检测检测池中存储的营养液中至少一种离子的浓度，并向控制平台传输检测结果；控制平台还用于，接收传感器阵列装置传输的检测结果，根据检测结果向离子浓度调控装置发送离子浓度调整指令；离子浓度调控装置，用于接收控制平台发送的离子浓度调整指令，根据离子浓度调整指令调整营养液槽中至少一种离子的浓度。能够精确控制营养液中离子的浓度。该专利公开的控制方法是以营养液中具体离子浓度为检测指标，根据具体离子浓度的变化单独的补充离子浓度，该方法能够控制一种或多种离子浓度的准确性，但是由于因为在营养液浓度的管理中，是以肥料盐来配制营养液而并非单一的营养离子，而且营养液中离子种类较多，单独调整每一种离子浓度达到平衡所需时间较长，还会影响到营养液中其它离子的平衡，控制程序复杂，难以达到预期的效果。
发明内容
本发明就是为了克服现有的EC管理方法无法反映营养液组分和水肥的变化及易受非营养物质干扰的不足，而提供一种营养液浓度控制方法及控制系统，本发明方法及系统不仅能反映营养液的主要组分，而且能降低非营养物质对测量的干扰。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种营养液浓度控制方法，包括以下步骤：
(1)设定营养液中硝态氮浓度的范围值、营养液的电导率范围值、及营养液的pH范围值；
(2)首先调节营养液中硝态氮在设定浓度值范围内，再调节营养液的电导率在设定范围值内，最后调节营养液的pH在设定范围值内。
步骤(2)具体包括以下步骤：
(21)硝态氮浓度调节：
检测营养液中硝态氮浓度，当硝态氮浓度小于硝态氮设置范围下限时，向营养液池中补充硝态氮原料，当硝氮浓度达到硝态氮设置范围上限时，停止加入硝态氮原料，营养液搅拌均匀后，再检测营养液池中的硝态氮浓度，若营养液池中的硝态氮浓度大于设置的硝态氮下限浓度时，则启动下一步EC调节程序，如果营养液池中的硝态氮浓度仍然小于设置的硝态氮下限浓度，则继续加入硝态氮原料，以下步骤则相同，直到营养液中的硝态氮浓度至少大于设置的硝态氮下限浓度；
(22)营养液的电导率调节：
在完成了硝态氮浓度的调节之后，根据营养液池电导率的检测值，如果EC的检测值低于EC设置范围下限时，向营养液中加入除了硝态氮肥料以外的大量元素肥料与微量元素肥料，并搅拌营养液，当EC值达到设置范围上限时，停止大量元素肥料与微量元素肥料的加入，营养液搅拌均匀后，再检测营养液池中的EC值，如果营养液池中的EC值大于设置的下限浓度时，则启动下一步pH调节程序，如果营养液池中的EC值仍然小于设置的EC下限浓度，则继续加入大量元素肥料与微量元素肥料，以下步骤则相同，直到营养液池中的EC值至少大于设置的EC下限浓度；
(23)营养液的酸碱度调节：
在完成了EC值的调节之后，再根据营养液池中pH值，如果pH的检测值大于设置的上限时，向营养液中加入酸液，并搅拌营养液，当pH值达到设置范围下限时，停止加入酸液，营养液搅拌均匀后，检测营养液池中的pH值，如果营养液的pH值小于设置的上限浓度时，则回到硝态氮浓度调节步骤，如果营养液池中的pH值仍然大于设置的上限浓度时，则继续加入酸液，以下步骤则相同，直到营养液池中的pH值至少小于设置的上限值。
所述的大量元素肥料包括CaCl2、NH4H2PO4、MgSO4·7H2O，所述的微量元素肥料包括Fe-EDTA、H3BO3、MnSO4.4H2O、ZnSO4·7H2O、CuSO4·5H2O、Na2MoO4·2H2O。
用于果菜类培养的营养液，硝态氮控制上限浓度为16mmol.L-1，下限浓度为14mmol.L-1，所述的硝态氮来自于硝酸钾。营养液的电导率控制上限为4.0mS/cm，下限为2.5mS/cm，其中，K:16mmol.L-1(钾离子也全部来自于硝酸钾,钾离子和硝态氮离子采用相同的浓度管理)、P:1.33mmol.L-1、Ca:2mmol.L-1、Mg:1mmol.L-1、NH4:1.33mmol.L-1，磷酸离子、钙离子、镁离子和铵态氮离子来自于CaCl2、NH4H2PO4、MgSO4·7H2O三种肥料。营养液的酸碱度(pH)控制上限为6.5，下限为5.0。
用于叶菜类培养的营养液，硝态氮控制上限浓度为12mmol.L-1，下限浓度为10mmol.L-1，所述的硝态氮来自于硝酸钾和硝酸钠，硝酸钾和硝酸钠的摩尔比为2：1。营养液的电导率控制上限为3.0mS/cm，下限为2.0mS/cm，其中，K:8mmol.L-1(钾离子来自于硝酸钾,钾离子的浓度为硝态氮的2/3)、P:1.33mmol.L-1、Ca:2mmol.L-1、Mg:1mmol.L-1、NH4:1.33mmol.L-1，磷酸离子、钙离子、镁离子和铵态氮离子来自于CaCl2、NH4H2PO4、MgSO4·7H2O三种肥料。营养液的pH控制上限为6.5，下限为5.0。
一种营养液浓度控制系统，包括
营养液池：用于容纳营养液，内部设有搅拌装置；
浓缩硝态氮肥料桶：用于向营养液中补充硝态氮；
浓缩大量元素肥料桶：用于向营养液中补充大量元素；
浓缩微量元素桶：用于向营养液中补充微量元素；
酸液桶：用于调节营养液的pH值；
所述的营养液池内设有硝态氮传感器、EC传感器、pH传感器及液温传感器，所述的营养液池内还设有液位保持阀。
所述的浓缩硝态氮肥料桶、浓缩大量元素肥料桶、浓缩微量元素桶及酸液桶均通过单独的管路与营养液池连接，在每个管路上分别设有用于输送液体的蠕动泵。
还包括一控制器，所述的控制器同时与每个管路上的蠕动泵连接，同时还与硝态氮传感器、EC传感器及pH传感器，所述的硝态氮传感器、EC传感器及pH传感器将检测数据传输给控制器，控制器根据检测数据分别控制各管路上蠕动泵的开启。
浓缩硝态氮肥料桶内含有的肥料是根据营养液中硝态氮设定浓度配制的200倍浓缩液，果菜类配方为KNO3，叶菜类配方为KNO3和NaNO3，比例为2：1；
浓缩大量元素肥料桶内含有CaCl2、NH4H2PO4、MgSO4·7H2O，里面的肥料是按照营养液配方中大量元素P、Ca、Mg、NH4浓度配置的200倍浓缩液，
浓缩微量元素桶内含有Fe-EDTA、H3BO3、MnSO4.4H2O、ZnSO4·7H2O、CuSO4·5H2O、Na2MoO4·2H2O，里面的肥料是按照营养液配方中微量元素浓度配置的3000倍浓缩液；
酸液桶内溶液为85％H3PO4。
与现有技术相比，本发明的控制方法及控制系统能够更加精准地调控营养液的浓度，所需设备较少，容易操作，而且可以运用到营养液多组分在线检测等现代化管理方法的研究中，可以促进水培植物更加健康地生长，同时减少营养液的浪费及其带来的污染问题。
本发明方法不仅能反映营养液的主要组分，而且能降低非营养物质对测量的影响，具体地，此方法按照营养液的硝态氮浓度、EC和PH值顺序逐步调节，首先保证营养液池中的硝态氮浓度不低于设置的硝态氮下限浓度，再调节EC值和PH值到合适范围，本发明创新点主要体现在：
1、利用硝态氮在植物生长过程中的重要作用和在营养液中的较高含量，引入硝态氮指标来管理营养液。
2、单独管理硝态氮浓度，以降低EC管理法无法反应营养液组分变化及非营养物质干扰的影响。
附图说明
图1为本发明的营养液浓度控制系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，一种营养液浓度控制系统，包括营养液池5、浓缩硝态氮肥料桶1、浓缩大量元素肥料桶2、浓缩微量元素桶3、酸液桶4，营养液池5用于容纳营养液6，内部设有搅拌装置9，浓缩硝态氮肥料桶1用于向营养液中补充硝态氮，浓缩大量元素肥料桶2用于向营养液中补充大量元素，浓缩微量元素桶3用于向营养液中补充微量元素，酸液桶4用于调节营养液的pH值，营养液池5内设有硝态氮传感器、EC传感器、pH传感器及液温传感器，营养液池5内还设有液位保持阀7，图中8指代设置的各种传感器。浓缩硝态氮肥料桶1、浓缩大量元素肥料桶2、浓缩微量元素桶3及酸液桶4均通过单独的管路与营养液池5连接，在每个管路上分别设有用于输送液体的蠕动泵，还包括一控制器，控制器同时与每个管路上的蠕动泵连接，同时还与硝态氮传感器、EC传感器及pH传感器，硝态氮传感器、EC传感器及pH传感器将检测数据传输给控制器，控制器根据检测数据分别控制各管路上蠕动泵的开启。
浓缩硝态氮肥料桶1内含有的肥料是根据营养液中硝态氮设定浓度配制的200倍浓缩液，果菜类配方为KNO3，叶菜类配方为KNO3和NaNO3，比例为2：1；浓缩大量元素肥料桶2内含有CaCl2、NH4H2PO4、MgSO4·7H2O，里面的肥料是按照营养液配方中大量元素P、Ca、Mg、NH4浓度配置的200倍浓缩液，浓缩微量元素桶3内含有Fe-EDTA、H3BO3、MnSO4.4H2O、ZnSO4·7H2O、CuSO4·5H2O、Na2MoO4·2H2O，里面的肥料是按照营养液配方中微量元素浓度配置的3000倍浓缩液；酸液桶4内溶液为85％H3PO4。
基于上述控制系统，进行营养液浓度控制的方法，包括以下步骤：
(1)设定营养液中硝态氮浓度的范围值、营养液的电导率范围值、及营养液的pH范围值；
(2)首先调节营养液中硝态氮在设定浓度值范围内，再调节营养液的电导率在设定范围值内，最后调节营养液的pH在设定范围值内。
步骤(2)具体包括以下步骤：
(21)硝态氮浓度调节：
检测营养液中硝态氮浓度，当硝态氮浓度小于硝态氮设置范围下限时，向营养液池中补充硝态氮原料，当硝氮浓度达到硝态氮设置范围上限时，停止加入硝态氮原料，营养液搅拌均匀后，再检测营养液池中的硝态氮浓度，若营养液池中的硝态氮浓度大于设置的硝态氮下限浓度时，则启动下一步EC调节程序，如果营养液池中的硝态氮浓度仍然小于设置的硝态氮下限浓度，则继续加入硝态氮原料，以下步骤则相同，直到营养液中的硝态氮浓度至少大于设置的硝态氮下限浓度；
(22)营养液的电导率调节：
在完成了硝态氮浓度的调节之后，根据营养液池电导率的检测值，如果EC的检测值低于EC设置范围下限时，向营养液中加入大量元素肥料与微量元素肥料，并搅拌营养液，当EC值达到设置范围上限时，停止大量元素肥料与微量元素肥料的加入，营养液搅拌均匀后，再检测营养液池中的EC值，如果营养液池中的EC值大于设置的下限浓度时，则启动下一步pH调节程序，如果营养液池中的EC值仍然小于设置的EC下限浓度，则继续加入大量元素肥料与微量元素肥料，以下步骤则相同，直到营养液池中的EC值至少大于设置的EC下限浓度；
(23)营养液的酸碱度调节：
在完成了EC值的调节之后，再根据营养液池中pH值，如果pH的检测值大于设置的上限时，向营养液中加入酸液，并搅拌营养液，当pH值达到设置范围下限时，停止加入酸液，营养液搅拌均匀后，检测营养液池中的pH值，如果营养液的pH值小于设置的上限浓度时，则回到硝态氮浓度调节步骤，如果营养液池中的pH值仍然大于设置的上限浓度时，则继续加入酸液，以下步骤则相同，直到营养液池中的pH值至少小于设置的上限值。
其中，大量元素肥料包括CaCl2、NH4H2PO4、MgSO4·7H2O，微量元素肥料包括Fe-EDTA、H3BO3、MnSO4.4H2O、ZnSO4·7H2O、CuSO4·5H2O、Na2MoO4·2H2O。
用于果菜类培养的营养液，硝态氮控制上限浓度为16mmol.L-1，下限浓度为14mmol.L-1，所述的硝态氮来自于硝酸钾。营养液的电导率控制上限为4.0mS/cm，下限为2.5mS/cm，其中，K:16mmol.L-1(钾离子也全部来自于硝酸钾，钾离子和硝态氮离子采用相同的浓度管理)、P:1.33mmol.L-1、Ca:2mmol.L-1、Mg:1mmol.L-1、NH4:1.33mmol.L-1，磷酸离子、钙离子、镁离子和铵态氮离子来自于CaCl2、NH4H2PO4、MgSO4·7H2O三种肥料。营养液的酸碱度(pH)控制上限为6.5，下限为5.0。
用于叶菜类培养的营养液，硝态氮控制上限浓度为12mmol.L-1，下限浓度为10mmol.L-1，所述的硝态氮来自于硝酸钾和硝酸钠，硝酸钾和硝酸钠的摩尔比为2：1。营养液的电导率控制上限为3.0mS/cm，下限为2.0mS/cm，其中，K:8mmol.L-1(钾离子来自于硝酸钾,钾离子的浓度为硝态氮的2/3)、P:1.33mmol.L-1、Ca:2mmol.L-1、Mg:1mmol.L-1、NH4:1.33mmol.L-1，磷酸离子、钙离子、镁离子和铵态氮离子来自于CaCl2、NH4H2PO4、MgSO4·7H2O三种肥料。营养液的pH控制上限为6.5，下限为5.0。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种营养液浓度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)设定营养液中硝态氮浓度的范围值、营养液的电导率范围值、及营养液的pH范围值；
(2)首先调节营养液中硝态氮在设定浓度值范围内，再调节营养液的电导率在设定范围值内，最后调节营养液的pH在设定范围值内。
2.根据权利要求1所述的一种营养液浓度控制方法，其特征在于，步骤(2)具体包括以下步骤：
(21)硝态氮浓度调节：
检测营养液中硝态氮浓度，当硝态氮浓度小于硝态氮设置范围下限时，向营养液池中补充硝态氮原料，当硝氮浓度达到硝态氮设置范围上限时，停止加入硝态氮原料，营养液搅拌均匀后，再检测营养液池中的硝态氮浓度，若营养液池中的硝态氮浓度大于设置的硝态氮下限浓度时，则启动下一步电导率调节程序，如果营养液池中的硝态氮浓度仍然小于设置的硝态氮下限浓度，则继续加入硝态氮原料，直到营养液中的硝态氮浓度至少大于设置的硝态氮下限浓度；
(22)营养液的电导率调节：
在完成了硝态氮浓度的调节之后，根据营养液池电导率的检测值，如果电导率的检测值低于电导率设置范围下限时，向营养液中加入除了硝态氮肥料以外的大量元素肥料与微量元素肥料，并搅拌营养液，当电导率值达到设置范围上限时，停止大量元素肥料与微量元素肥料的加入，营养液搅拌均匀后，再检测营养液池中的电导率值，如果营养液池中的电导率值大于设置的下限浓度时，则启动下一步pH调节程序，如果营养液池中的电导率值仍然小于设置的电导率下限浓度，则继续加入大量元素肥料与微量元素肥料，直到营养液池中的电导率值至少大于设置的电导率下限浓度；
(23)营养液的酸碱度调节：
在完成了电导率值的调节之后，再根据营养液池中pH值，如果pH的检测值大于设置的上限时，向营养液中加入酸液，并搅拌营养液，当pH值达到设置范围下限时，停止加入酸液，营养液搅拌均匀后，检测营养液池中的pH值，如果营养液的pH值小于设置的上限浓度时，则回到硝态氮浓度调节步骤，如果营养液池中的pH值仍然大于设置的上限浓度时，则继续加入酸液，直到营养液池中的pH值至少小于设置的上限值。
3.根据权利要求2所述的一种营养液浓度控制方法，其特征在于，所述的大量元素肥料包括CaCl2、NH4H2PO4、MgSO4·7H2O，
所述的微量元素肥料包括Fe-EDTA、H3BO3、MnSO4.4H2O、ZnSO4·7H2O、CuSO4·5H2O、Na2MoO4·2H2O。
4.根据权利要求1所述的一种营养液浓度控制方法，其特征在于，用于果菜类培养的营养液，硝态氮控制上限浓度为16mmol.L-1，下限浓度为14mmol.L-1，营养液的电导率控制上限为4.0mS/cm，下限为2.5mS/cm，营养液的pH控制上限为6.5，下限为5.0。
5.根据权利要求1所述的一种营养液浓度控制方法，其特征在于，用于叶菜类培养的营养液，硝态氮控制上限浓度为12mmol.L-1，下限浓度为10mmol.L-1，营养液的电导率控制上限为3.0mS/cm，下限为2.0mS/cm，营养液的pH控制上限为6.5，下限为5.0。
6.一种营养液浓度控制系统，其特征在于，包括
营养液池：用于容纳营养液，内部设有搅拌装置；
浓缩硝态氮肥料桶：用于向营养液中补充硝态氮；
浓缩大量元素肥料桶：用于向营养液中补充大量元素；
浓缩微量元素桶：用于向营养液中补充微量元素；
酸液桶：用于调节营养液的pH值；
所述的营养液池内设有硝态氮传感器、电导率传感器、pH传感器及液温传感器。
7.根据权利要求6所述的一种营养液浓度控制系统，其特征在于，所述的浓缩硝态氮肥料桶、浓缩大量元素肥料桶、浓缩微量元素桶及酸液桶均通过单独的管路与营养液池连接，在每个管路上分别设有用于输送液体的蠕动泵。
8.根据权利要求7所述的一种营养液浓度控制系统，其特征在于，还包括一控制器，所述的控制器同时与每个管路上的蠕动泵连接，同时还与硝态氮传感器、电导率传感器及pH传感器，所述的硝态氮传感器、电导率传感器及pH传感器将检测数据传输给控制器，控制器根据检测数据分别控制各管路上蠕动泵的开启。
9.根据权利要求6所述的一种营养液浓度控制系统，其特征在于，
浓缩硝态氮肥料桶内含有的肥料是根据营养液中硝态氮设定浓度配制的200倍浓缩液；
浓缩大量元素肥料桶内含有CaCl2、NH4H2PO4、MgSO4·7H2O，里面的肥料是按照营养液配方中大量元素P、Ca、Mg、NH4浓度配置的200倍浓缩液，
浓缩微量元素桶内含有Fe-EDTA、H3BO3、MnSO4.4H2O、ZnSO4·7H2O、CuSO4·5H2O、Na2MoO4·2H2O，里面的肥料是按照营养液配方中微量元素浓度配置的3000倍浓缩液；
酸液桶内溶液为85％H3PO4。
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