CN105638507B - 一种自动调控循环利用植物营养液系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自动调控循环利用植物营养液系统，主要由营养液自动循环系统、营养液离子成分在线监测调控系统和营养液在线监测硬件系统等组成，可用于植物工厂和长期植物栽培试验；亦可应用于高原、荒漠、冻土等缺水地带的作物栽培营养液循环利用，本专利结构简单，全自动实时监控，操作方便，净化效果好，能源利用率高，尤其是解决了在特殊环境下劳动力不足的问题。
Description
技术领域
本专利涉及一种自动调控循环利用植物营养液系统，可用于植物工厂和长期植物栽培试验；亦可应用于高原、荒漠、冻土等缺水地带的作物栽培营养液循环利用，本专利结构简单，全自动实时监控，操作方便，净化效果好，能源利用率高。
背景技术
由于人口增长、耕地减少、资源短缺、环境恶化等问题使得传统的粮食作物生产在产量与安全上面临巨大的挑战。为了应对这种情况，植物工厂应运而生，为了满足植物生长的营养需求，需要人为补给养分，以富含多种营养元素的营养液滴灌取代传统的水灌溉成为一种理想的选择；为了节约用水，将植物利用过的营养液导出进行净化处理再利用，就需要设计出一套高效、快捷的营养液循环处理系统，然而现在植物工厂中很多循环处理系统并不能达到理想的效果，比如灭菌不彻底，出水含有小粒径悬浮物，不能实时监控营养液各离子浓度并实现自动调控等。该自动循环利用营养液系统主要涉及到悬浮物过滤、根系分泌物去除、高效灭菌、离子浓度实时自动检测、重新调配等技术，能够高效去除影响植物生长的杂质和细菌，实现自动调控营养液离子成分，保证植物健康生长，而且能够节省大量的劳动力。
发明内容
本发明创造的目的在于提供简便操作、自动循环、高效利用的一种自动调控循环利用植物营养液系统。为达到上述目标，该自动调控循环利用营养液系统采取的是自动正压供液技术，它主要包括营养液自动循环利用系统24和营养液离子成分在线监测调控系统25两部分。
[1]营养液自动循环利用系统24由营养液池1、搅拌器4、营养液净化箱7、消毒罐8、植物栽培床17、防堵塞装置18、待处理营养液缓冲箱21、处理后营养液缓冲箱22、离子监测仪23、母液系统38、供液管道39及回流管40组成；植物栽培床17中营养液经营养液离子成分在线监测调控系统25监测不达标时，实时监测控制系统9自动打开导流阀门27将植物栽培床17中的营养液导出，流经防堵塞装置18，如无堵塞，实时监测控制系统9自动打开阀门V2，将植物使用过的营养液输送入待处理营养液缓冲箱21临时储存，在泵P2的提升下，再将其导入配置有活性炭吸附和膜过滤装置的营养液净化箱7中，去除营养液中漂浮的小颗粒杂质和植物根系所分泌的有机物质，再进入装有防水紫外灯的消毒罐8进行彻底地灭菌，流出至处理后营养液缓冲箱22，导入一小部分营养液到离子监测仪23，检测水质是否达到要求并将结果传送到实时监测控制系统9，如果达标，则自动打开阀门V3和电机M4，此时在泵P3的带动下，将处理之后的营养液通过回流管40输送至营养液池1中；如果离子监测仪离子监测仪23对处理后营养液缓冲箱22中的营养液检测未达标，实时监测控制系统9则自动打开阀门V5，再次将营养液输送回到待处理营养液缓冲箱21，如上述流程循环进行处理，直至水质监测合格；其中防堵塞装置18由透明螺纹状漏斗13、透明不带螺纹的漏斗14、漏网盘15、透明防水外罩19和感光芯片20组成，营养液中有较大的悬浮物会被拦截在漏网盘15上，当悬浮物堆积较多堵塞水流时，漏网盘15下方光照会减弱，受透明防水外罩19保护的感光芯片20会向实时监测控制系统9传送信号，关闭导流阀门27；营养液回收后，第一液位计2显示数据并实时传输至实时监测控制系统9，自动控制打开电磁阀F1放出冷凝水箱F中的冷凝水至所需配制营养液的总量值后，自动关闭电磁阀F1后打开搅拌器4，使营养液池中的各组分均匀分布，方便后续操作；此时实时监测控制系统9自动打开阀门V4和电机M5，通过泵P4将已经搅拌均匀的营养液池中的营养液输送到采样池12中，离子选择电极组11检测各个离子浓度，经过实时监测控制系统9的计算，获得营养液池1中需要补加的各营养液组分的量，反馈自动调控相应的电磁阀和流量计加入一定量的母液硝酸钙A、母液硝酸钾B、母液磷酸二氢铵C、母液硫酸镁D、酸液F或碱液H到营养液池1中，满足植物生长所需的营养要求；其中采样池12中各参数检测调控优先级顺序是：硝酸根离子、磷酸根离子、钾离子、硫酸根离子、pH值、电导率、溶氧量、温度。
[2]营养液离子成分在线监测调控系统25，主要由实时监测控制系统9、信号调控模块10和营养液在线监测硬件系统26组成；在实时监测控制系统9的调控下，营养液离子成分在线监测调控系统25会间隔若干时间后对植物栽培床17中的营养液进行监测，实时监测控制系统9自动打开阀门V6和电机M6，在泵P5的带动下植物栽培床17中的营养液被定时取样后输送至采样池12中，取样量通过第二液位计37读取控制，离子选择电极组11同时工作，分别检测营养液中各离子浓度，同时，电导电极33、pH电极34、温度传感器35、溶氧量电极36分别测定溶液中电导率、pH值、温度以及溶氧量，各电极可将浓度信号转化成电信号，信号转换接头6将其输送到信号调控模块10，经过处理后信号传输到实时监测控制系统9，根据实时监测控制系统9设定的限制判定目前植物栽培床17中的营养液是否需要重新调配，以保证植物生长所需的最佳离子浓度、pH值和温度；如果各个参数均在限制范围内，打开阀门V7，将采样池12中的营养液经回流管输送回植物栽培床17中，从而实现实时监控营养液中各种离子浓度、pH值、电导率、温度以及溶氧量；如果营养液中某种离子浓度低于所需值，实时监测控制系统9则自动调控运行营养液自动循环利用系统24，重新配制营养液。
所述营养液在线监测硬件系统26由离子选择电极组11、电导电极33、pH电极34、溶氧量电极36、温度传感器35组成；其中离子选择电极组11由硝酸根离子选择电极28、磷酸根离子选择电极29、钾离子选择电极30、硫酸根离子选择电极31和饱和甘汞参比电极32组成；营养液在线监测的离子选择电极组(11)、电导电极(33)、pH电极(34)、溶氧量电极(36)、温度传感器(35)将实时采集到的信号通过信号转换接头6和信号调控模块10传输至实时监测控制系统9。
所述母液系统38由8个装有不同溶液的不透光罐组成，它们分别为A母液硝酸钙，B母液硝酸钾，C母液磷酸二氢铵，D母液硫酸镁，E微量元素，F.冷凝水箱，G酸液，H碱液；其中装有植物营养液的母液罐由不锈钢材料构成，具有不透光的性能，又能降低微生物繁衍滋生从而污染母液的机率。
所述的供液管路为4分管，内径为15mm，外径为22mm，由聚碳酸酯构成。
附图说明
图1为本发明的系统图；
图2为防漏装置详图；
图3为漏网盘俯视图；
图4为离子选择电极组详图。
图中：1.营养液池，2.第一液位计，3.保温层，4.搅拌器，5.过滤器组，6.信号转换接头，7.营养液净化箱，8.消毒罐，9.实时监测控制系统，10.信号调控模块，11.离子选择电极组，12.采样池；13.透明螺纹状漏斗，14.透明不带螺纹的漏斗，15.漏网盘，16.漏网，17.植物栽培床，18.防堵塞装置，19.透明防水外罩，20.感光芯片，21.待处理营养液缓冲箱，22.处理后营养液缓冲箱，23.离子监测仪，24.营养液自动循环利用系统，25.营养液离子成分在线监测调控系统，26.营养液在线监测硬件系统，27.导流阀门，28.硝酸根离子选择电极，29.磷酸根离子选择电极，30.钾离子选择电极，31.硫酸根离子选择电极，32.饱和甘汞参比电极，33.电导电极，34.pH电极，35.温度传感器，36.溶氧量电极，37.第二液位计；38.母液系统，39.供液管道，40.回流管。
A.母液硝酸钙，A1.电磁阀，A2.流量计；B.母液硝酸钾，B1.电磁阀，B2.流量计；C.母液磷酸二氢铵，C1.电磁阀，C2.流量计；D.母液硫酸镁，D1.电磁阀，D2.流量计；E.微量元素，E1.电磁阀，E2.流量计；F.冷凝水箱，F1.电磁阀；G.酸液，G1.电磁阀，G2.流量计；H.碱液，H1.电磁阀，H2.流量计；V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8均为安装在管道上的系统可以自动控制开闭的电磁阀，P1、P2、P3、P4、P5均为提升水泵，M1、M2、M3、M4、M5、M6均为系统可自动控制启动停机的电机，其中M1带动搅拌机4，其余的带动水泵。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明做进一步说明。
首先，进行系统运行初期的营养液配制，实时监测控制系统9自动打开电磁阀F1，控制冷凝水箱F向营养液池1加入冷凝水，由第一液位计2读取数据控制池中的总水量，并根据所栽培植物所需的营养成分和需求量，由实时监测控制系统9自动控制各营养液母液罐，向营养液池1加营养成分，途经过滤器组5清除各个母液灌中杂质；比如添加母液罐中的母液硝酸钙A，实时监测控制系统9根据需要计算出所需要的量，然后打开电磁阀A1放出母液硝酸钙A，并通过流量计A2监测实时流量，把采集到的数据连续不断地传输到实时监测控制系统9，计算已流出的总量，当流出的母液硝酸钙A达到需求量时，自动关闭电磁阀A1；同时母液罐中的硝酸钾B、磷酸二氢铵C、硫酸镁D、微量元素E、酸液G和碱液H也通过同样的工作原理和流程向营养液池1中，保证植物生长所需的营养成分并调节pH值；当营养液成分添加完成后，电机M1带动搅拌机4将各营养成分与冷凝水充分混合均匀，根据实际环境情况需要可开启保温层3，对营养液进行一定程度的加热或保温；营养液配制好后，实时监测控制系统9自动打开阀门V1和电机M2，此时在泵P1的带动下将营养液池1中已配制好的营养液通过供液管道输送到植物栽培床17，供植物的生长需要。
其次，启动营养液离子成分在线监测调控系统25，根据所种植的植物种类以及环境温度等其他实际条件，设定一定时间间隔(例如0.1～12h)来检测经过一段时间的使用后，栽培床17中的营养液是否还符合要求。具体流程：达到设置的时间间隔后，实时监测控制系统9自动打开阀门V6和电机M6，在泵P5的带动下植物栽培床17中的营养液被定时取样(1-10L)输送至采样池12中，取样量通过第二液位计37读取控制，离子选择电极组11包括硝酸根离子选择电极28、磷酸根离子选择电极29、钾离子选择电极30、硫酸根离子选择电极31、饱和甘汞参比电极32同时工作，分别检测营养液中各离子浓度，同时，电导电极33、pH电极34、温度传感器35、溶氧量电极36分别测定溶液中电导率、pH值、温度以及溶氧量，各电极可将浓度信号转化成电信号，信号传输线6将其输送到信号调控模块10，经过转化后传输到实时监测控制系统9，根据实时监测控制系统9设定的限制(植物生长所需各种营养元素的上下限值)判定目前植物栽培床17中的营养液是否需要重新调配，以保证植物生长所需的最佳离子浓度、pH值和温度。如果各个参数均在限制范围内，打开阀门V7，将采样池12中的营养液经回流管输送回植物栽培床17中，从而实现实时监控营养液中各种离子浓度、pH值、电导率、温度以及溶氧量；如果营养液中某种离子浓度低于所需值，实时监测控制系统9则自动调控运行营养液自动循环利用系统24，重新配制营养液。
接下来，营养液自动循环利用系统24开始运行，具体步骤如下：实时监测控制系统9自动打开导流阀门27将植物栽培床17中的营养液导出，流经防堵塞装置18，营养液中有较大的悬浮物会被拦截在漏网盘15上，其上漏网16的目数可根据实际情况选择；当悬浮物堆积较多堵塞水流时，漏网盘15下方光照会减弱，受透明防水外罩19保护的感光芯片20会向控制系统9传送信号，将导流阀门27关闭，工作人员只要将螺纹状漏斗13向上旋，留出空间，伸手将漏网盘15拿出，倒掉堆积物，随后控制系统会将导流阀门27打开；同时，实时监测控制系统9打开阀门V2，将植物使用过的营养液输送入待处理营养液缓冲箱21，在泵P2的提升下，再将其导入到营养液净化箱7，营养液净化箱7中配置有生物活性炭和微滤膜装置，去除营养液中漂浮的小颗粒杂质和植物根系所分泌的有机物质，再进入消毒罐8进行彻底地灭菌，流出至处理后营养液缓冲箱22，导入一小部分营养液到离子监测仪23，检测水质是否达到要求并将结果传送到实时监测控制系统9，如果达标则自动打开阀门V3和电机M4，此时在泵P3的带动下，将处理之后的营养液通过回流管输送至营养液池1中，即实现了营养液的净化消毒和回收利用。如果离子监测仪23对处理后营养液缓冲箱22中的营养液检测未达标，实时监测控制系统9则自动打开阀门V5，再次将营养液输送回到待处理营养液缓冲箱21，如上述流程循环进行处理，直至水质监测合格，以保证出水对植物生长的无害。
最后，营养液回收后，第一液位计2显示数据并实时传输至实时监测控制系统9，自动控制打开电磁阀F1放出冷凝水箱F中的冷凝水至所需配制营养液的总量值后，自动关闭电磁阀F1；自动打开搅拌器4，使营养液池中的各组分均匀分布，方便后续操作；此时实时监测控制系统9自动打开阀门V4和电机M5，通过泵P4将已经搅拌均匀的营养液池中的营养液输送到采样池12中，采样池中配置的第二液位计37可以监测控制采样量，检测之后可打开阀门V8将采样池12中的营养液回流到营养液池1；通过离子选择电极组11检测各个离子浓度，经过实时监测控制系统9的计算，获得营养液池1中需要补加的各营养液组分的量，反馈自动调控相应的电磁阀和流量计加入一定量的母液硝酸钙A、母液硝酸钾B、母液磷酸二氢铵C、母液硫酸镁D、酸液F或碱液H到营养液池1中，满足植物生长所需的营养要求；其中采样池12中各参数检测优先级顺序是：硝酸根离子、磷酸根离子、钾离子、硫酸根离子、pH值、电导率、溶氧量、温度；例如：首先，打开硝酸根离子选择电极28测量采样池中的硝酸根浓度后，分别单独调控电磁阀A1和B1、流量计B1和B2进行滴定，按提前预设得比例滴定一定量的母液硝酸钙A和硝酸钾B进入营养液池1中后自动关闭电磁阀A1和B1；再打开磷酸根选择29，测量采样池中的磷酸离子浓度后，调控电磁阀C1和流量计C2进行滴定，滴定一定量的母液磷酸二氢铵C进入营养液池1中后自动关闭电磁阀C1；同理依次调控钙离子浓度pH值和电导率，最终完成植物栽培营养液得自动循环和调控。
Claims (3)
1.一种自动调控循环利用植物营养液系统，其特征在于包括营养液自动循环利用系统(24)和营养液离子成分在线监测调控系统(25)；营养液自动循环利用系统(24)，由营养液池(1)、搅拌器(4)、营养液净化箱(7)、消毒罐(8)、植物栽培床(17)、防堵塞装置(18)、待处理营养液缓冲箱(21)、处理后营养液缓冲箱(22)、离子监测仪(23)、母液系统(38)、供液管道(39)及回流管(40)组成；植物栽培床(17)中的营养液经营养液离子成分在线监测调控系统(25)监测不达标时，实时监测控制系统(9)自动打开导流阀门(27)将植物栽培床(17)中的营养液导出，流经防堵塞装置(18)，如无堵塞，实时监测控制系统(9)自动打开阀门V2，将植物使用过的营养液输送入待处理营养液缓冲箱(21)临时储存，在泵P2的提升下，再将其导入配置有生物活性炭和微滤膜装置的营养液净化箱(7)中，去除营养液中漂浮的小颗粒杂质和植物根系所分泌的有机物质，再进入安装有紫外灯的消毒罐(8)进行彻底地灭菌，流出至处理后营养液缓冲箱(22)，导入一小部分营养液到离子监测仪(23)，检测水质是否达到要求并将结果传送到实时监测控制系统(9)，如果达标，则自动打开阀门V3和电机M4，此时在泵P3的带动下，将处理之后的营养液通过回流管(40)输送至营养液池(1)中；如果离子监测仪(23)对处理后营养液缓冲箱(22)中的营养液检测未达标，实时监测控制系统(9)则自动打开阀门V5，再次将营养液输送回到待处理营养液缓冲箱(21)，进行循环处理直至水质监测合格；防堵塞装置(18)由透明螺纹状漏斗(13)、透明不带螺纹的漏斗(14)、漏网盘(15)、透明防水外罩(19)和感光芯片(20)组成，营养液中有较大的悬浮物会被拦截在漏网盘(15)上，当悬浮物堆积较多堵塞水流时，漏网盘(15)下方光照会减弱，受透明防水外罩(19)保护的感光芯片(20)会向实时监测控制系统(9)传送信号，关闭导流阀门(27)；营养液回收后，第一液位计(2)显示数据并实时传输至实时监测控制系统(9)，自动控制打开电磁阀F1放出冷凝水箱F中的冷凝水至所需配制营养液的总量值后，自动关闭电磁阀F1后打开搅拌器(4)，使营养液池中的各组分均匀分布，方便后续操作；此时实时监测控制系统(9)自动打开阀门V4和电机M5，通过泵P4将已经搅拌均匀的营养液池中的营养液输送到采样池(12)中，离子选择电极组(11)检测各个离子浓度，经过实时监测控制系统(9)计算，获得营养液池(1)中需要补加的各营养液组分的量，反馈自动调控相应的电磁阀和流量计加入一定量的母液硝酸钙A、母液硝酸钾B、母液磷酸二氢铵C、母液硫酸镁D、酸液F或碱液H到营养液池(1)中，满足植物生长所需的营养要求；其中采样池(12)中各参数检测调控优先级顺序是：硝酸根离子、磷酸根离子、钾离子、硫酸根离子、pH值、电导率、溶氧量、温度。
2.根据权利要求1所述的一种自动调控循环利用植物营养液系统，其特征是营养液离子成分在线监测调控系统(25)，主要由实时监测控制系统(9)、信号调控模块(10)和营养液在线监测硬件系统(26)组成；在实时监测控制系统(9)的调控下，营养液离子成分在线监测调控系统(25)会间隔若干时间后对植物栽培床(17)中的营养液进行监测，实时监测控制系统(9)自动打开阀门V6和电机M6，在泵P5的带动下植物栽培床(17)中的营养液被定时取样后输送至采样池(12)中，取样量通过第二液位计(37)读取控制，离子选择电极组(11)同时工作，分别检测营养液中各离子浓度，同时，电导电极(33)、pH电极(34)、温度传感器(35)、溶氧量电极(36)分别测定溶液中电导率、pH值、温度以及溶氧量，各电极可将浓度信号转化成电信号，信号转换接头(6)将其输送到信号调控模块(10)，经过处理后信号传输到实时监测控制系统(9)，根据实时监测控制系统(9)设定的限制判定目前植物栽培床(17)中的营养液是否需要重新调配，以保证植物生长所需的最佳离子浓度、pH值和温度；如果各个参数均在限制范围内，打开阀门V7，将采样池(12)中的营养液经回流管输送回植物栽培床(17)中，从而实现实时监控营养液中各种离子浓度、pH值、电导率、温度以及溶氧量；如果营养液中某种离子浓度低于所需值，实时监测控制系统(9)则自动调控运行营养液自动循环利用系统(24)，重新配制营养液。
3.根据权利要求2所述的一种自动调控循环利用植物营养液系统，其特征是营养液在线监测硬件系统(26)，由离子选择电极组(11)、电导电极(33)、pH电极(34)、溶氧量电极(36)、温度传感器(35)组成；其中离子选择电极组(11)由硝酸根离子选择电极(28)、磷酸根离子选择电极(29)、钾离子选择电极(30)、硫酸根离子选择电极(31)和饱和甘汞参比电极(32)组成；营养液在线监测的离子选择电极组(11)、电导电极(33)、pH电极(34)、溶氧量电极(36)、温度传感器(35)将实时采集到的信号通过信号转换接头(6)和信号调控模块(10)传输至实时监测控制系统(9)。
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