CN106053555A - 一种肥液在线检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种肥液在线检测装置及其检测方法，属于肥液在线检测技术领域。本发明包括水肥混合缓冲箱及位于水肥混合缓冲箱内部的传感器。本发明的传感器与混合缓冲箱为一体化结构，可提升传感器的检测范围与精度；此外整个机构易于与微灌管网进行拆装互联，便于嵌于微灌管网中实现肥液的在线检测。

Description

一种肥液在线检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种肥液在线检测装置及其检测方法，属于肥液在线检测技术领域。

背景技术

灌溉施肥技术是将水与肥按一定比例混合后通过喷灌、滴灌等微灌方式直接注入作物根部的一种水肥一体化技术，它可根据作物生长需求，定时、定量、按比例将水分和营养成分直接供给作物，具有节水节肥、效率高等特点。在灌溉施肥过程中，水肥混合是一个重要环节。现有大多数微灌系统均是先通过人工将水肥按所需比例在蓄水池内混合后，再经由其灌溉管网输送至作物。人工预混肥的操作方式，费时费力、效率低下，而且其水肥混合量不易控制，过少则需再次人工混肥，过多则浪费并污染环境，此外人工混肥的操作方式相对较粗放，多凭经验进行，易造成水肥比例不精确，从而影响作物的生长。为此，当前该领域很多科技人员趋向于水肥在线自动混合装置的研究。肥液组分或浓度的在线检测是实现水肥自动混合的一个关键环节，现有方法中主要是将相应的传感器（离子选择性电极、平行板电极等）置于管道内，并根据试验选出的传感器输出信号与肥液组分或浓度信息的关系进行检测。但直接传感器置于管道内不仅容易影响管道内肥液的流态，而且其检测对象有可能未充分混合均匀，进而影响检测精度。为解决此问题，通常会在管道上增加一个水肥混合缓冲箱，并将传感器置于其中进行检测，但这又增加了整个装置的成本以及管道、传感器、缓冲箱三者在安装上的复杂性，且传感器没有与水肥混合缓冲箱固定，传感器的电容值不可调节，针对浓度或组分不同的肥液测量精度不够准确。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种肥液传感器与水肥混合缓冲箱一体化设计的肥液在线检测装置及其检测方法，易于与灌溉管网连接，便于实现在线检测且，其检测精度和范围可调。

本发明的技术方案是：一种肥液在线检测装置，包括水肥混合缓冲箱及位于水肥混合缓冲箱内部的传感器，所述水肥混合缓冲箱包括第一壳体1和第二壳体2，第一壳体1端部设有肥液入口12，第二壳体2端部设有肥液出口22，底部设有排污口23，排污口23上设有排污塞3；

所述传感器包括第一电极7和第二电极8，第一电极7和第二电极8分别通过第一电极槽51和第二电极槽52固定在第二壳体2内壁上，第一电极7和第二电极8与防水接头9一端连接，防水接头9另一端连有接口电缆4，接口电缆4穿过排污口23延伸至排污塞3外与外部电路相连；

所述第一电极7包括6个尺寸结构相同的极片10、电极引线A71和电极引线B72；所述6个极片10分别安装于第一电极槽51的6条凹槽内， 6个极片10中依次相间的3个极片10通过电极引线A71连接，其余3个极片10通过电极引线B72连接，电极引线A71和电极引线B72分别穿过第一线槽61与防水接头9连接；所述第二电极8的结构与第一电极7完全相同，其6个极片分别安装于第二电极槽52的6条凹槽内，其中依次相间的3个极片通过电极引线C81连接，其余3个极片通过电极引线D82连接，电极引线C81和电极引线D82分别穿过第二线槽62与防水接头9连接。

所述第一壳体1和第二壳体2为大小相同的圆筒结构，两者之间螺纹连接，两者的长度为其横截面直径的两倍，第一壳体1的端部通过第一收缩管11与肥液入口12相连，第二壳体2的端部通过第二收缩管21与肥液出口22相连，所述肥液入口12和肥液出口22均为圆管状，两者横截面直径是第一壳体1横截面直径的1/3，轴心线与第一壳体1的轴心线重合。

所述排污口23为圆管结构，位于第二壳体2的正下方且靠近第二收缩管21；所述排污口23的尺寸小于肥液入口12和肥液出口22。

所述极片10为扇环形铜片，环宽为16mm，厚度为2mm，扇环形所对应的中心角为60°。

所述第一电极槽51和第二电极槽52的结构相同，均由等间距平行的6条尺寸结构相同的弧形凹槽构成，位于第二壳体2内壁的弧形凸起部分的中部，弧形凸起部分与弧形凹槽二者的弧长相同，弧形凹槽弧长所对应的中心角为60°。

所述弧形凹槽的水平间距为1cm，每条凹槽宽2mm、深6mm，所述弧形凸起部分宽5mm、高于内壁6mm。

所述接口电缆4为四芯接口电缆，所述防水接头9为四芯公母对接式，接口电缆4的一端与外部电路连接，另一端分别与防水接头9的四个母头端相连，防水接头9的四个公头端分别与电极引线A71、电极引线B72、电极引线C81、电极引线D82相连。

所述肥液在线检测方法包括如下步骤：

将装置接入微润系统：肥液入口12与水肥在线混合管道的出口相连，肥液出口22与微灌管网的入口相连；

根据肥液调节传感器的输出电容：当接口电缆4的四芯线两两连接在一起作为传感器的两个输出端与外部电路相连，即使得第一电极7的两条电极引线分别与第二电极8的两条电极引线两两连接时，两个电极实现并联，其总电容值增大，当将接口电缆4中的两芯连接在一起，使第一电极7的任意一条电极引线与第二电极8的任意一条电极引线相连时，然后将接口电缆4中的另外两芯作为传感器的两个输出端与外部电路相连，则可实现两个电极的串联，其总电容值减小；

测量肥液浓度：利用外部电路将电容值转换为电压或频率，并通过试验建立肥液的浓度或组分与电压或频率的函数关系，最后通过反演算法可利用本发明的传感器间接检测出肥液的浓度或组分。

本发明的工作原理是：本发明兼具传感器与混合缓冲箱两方面的功能，第一壳体1和第二壳体2连接构成混合缓冲箱，镶嵌于第二壳体2内壁的第一电极7和第二电极8作为传感器的感应电极；第一电极7和第二电极8可分别等效于一个以肥液为待测介质、由3组平行板电容组合而成的平行板电容，当肥液的浓度或组分发生改变时，肥液介质对应的介电特性发生改变，从而使传感器输出的电容值发生改变；由两个电极的电极引线与接口电缆4的连接关系知，可通过改变接口电缆4与外部电路的连接关系，实现第一电极7和第二电极8的串/并联，当接口电缆4的四芯线两两连接在一起作为传感器的两个输出端与外部电路相连，即使得第一电极7的两条电极引线分别与第二电极8的两条电极引线两两连接时，两个电极实现并联，其总电容值增大，当将接口电缆4中的两芯连接在一起，使第一电极7的任意一条电极引线与第二电极8的任意一条电极引线相连时，然后将接口电缆4中的另外两芯作为传感器的两个输出端与外部电路相连，则可实现两个电极的串联，其总电容值减小，从而可使传感器在特定肥液的情况下其输出电容值变大或变小，进而改变肥液检测的范围和准确度；当肥液流至第二外壳2内时，肥液得到充分混合均匀，并将两个电极完全浸没，使本发明在线输出与此时肥液的浓度或组分对应的电容值，然后利用外部电路将电容值转换为电压或频率，并通过试验建立肥液的浓度或组分与电压或频率的函数关系，最后通过反演算法可利用本发明的传感器间接检测出肥液的浓度或组分。

本发明的有益效果是：本发明将电极与混合缓冲箱设计为一体化结构，使其同时具备水肥混合缓冲箱和肥液检测传感器二者的功能，混合缓冲箱设计成易于拆装的两个部分，便于电极在混合缓冲箱内的安装操作；电极的结构设计及其在混合缓冲箱中的位置布设，使得箱内安装的电极不会影响肥液的流动状态，而且无论混合缓冲箱的入口流量大小如何，都会使电极完全浸没于充分混合均匀的肥液中，并可保证电极极片间不会残留未充分溶解的杂质或沉淀物；同时可通过接口电缆4实现混合缓冲箱内两个电极的串/并联，从而可提升传感器的检测范围与精度；此外整个机构易于与微灌管网进行拆装互联，便于嵌于微灌管网中实现肥液的在线检测。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的第二壳体剖面图；

图3是本发明的第一电极槽结构示意图；

图4是本发明的第一电极结构示意图；

图5是本发明的排污塞结构示意图；

图1-5中各标号：1-第一壳体，2-第二壳体，11-第一收缩管，12-肥液入口，21-第二收缩管，22-肥液出口，23-排污口，3-排污塞，4-接口电缆，51-第一电极槽，52-第二电极槽，61-第一线槽，62-第二线槽，7-第一电极，71-电极引线A，72-电极引线B，8-第二电极，81-电极引线C, 82-电极引线D， 9-防水接头，10-极片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。

实施例1：如图1-2所示：一种肥液在线检测装置，包括水肥混合缓冲箱及位于水肥混合缓冲箱内部的传感器，所述水肥混合缓冲箱包括第一壳体1和第二壳体2，第一壳体1端部设有肥液入口12，第二壳体2端部设有肥液出口22，底部设有排污口23，排污口23上设有排污塞3；

所述传感器包括第一电极7和第二电极8，第一电极7和第二电极8分别通过第一电极槽51和第二电极槽52固定在第二壳体2内壁上，第一电极7和第二电极8与防水接头9一端连接，防水接头9另一端连有接口电缆4，接口电缆4穿过排污口23延伸至排污塞3外与外部电路相连；

所述第一壳体1为长度是其横截面直径2倍的水平放置的圆筒结构，其一端为外螺纹接口，另一端与第一收缩管11相连，第一收缩管11的另一端与肥液入口12相连，第一壳体1、第一收缩管11和肥液入口12由PVC材质一体化成型而制成，所述肥液入口12为圆管状，其横截面直径是第一壳体1横截面直径的1/3，且其轴心线与第一壳体1的轴心线重合；所述第二壳体2的一端为与第一壳体1的外螺纹接口相配套的内螺纹接口，另一端与第二收缩管21相连，第二收缩管21的另一端与肥液出口22相连，第二壳体2、第二收缩管21和肥液出口22的尺寸结构分别与第一壳体1、第一收缩管11和肥液入口12相同；所述排污口23为圆管结构，设于第二壳体2的正下方且靠近第二收缩管21；所述肥液入口12、肥液出口22和排污口23均为与现有水管尺寸规格相适应的内螺纹接口，且排污口23的尺寸规格小于肥液入口12和肥液出口22；所述第二壳体2及其上所设的所有部件由PVC材质一体化成型而制成。

如图3所示：所述第一电极槽51和第二电极槽52的结构相同，均由等间距平行设于第二外壳2内壁的6条尺寸结构相同的弧长状凹槽构成，各条凹槽均位于第二外壳2的横截面圆周上，其水平间距为1cm，每条凹槽宽2mm、深6mm，均位于一个宽5mm、高于内壁6mm的弧长型凸起部分的中部，并使凸起部分与凹槽二者的弧长相同，凹槽弧长所对应的中心角为60°，且每条凹槽的顶端均与第二外壳2的轴心线处于同一水平面上；所述第一电极槽51和第二电极槽52分别设于第二外壳2内相对的两个内壁上，第一电极槽51设于第二外壳2圆筒总长度的1/4处且靠近第二收缩管21一侧，第二电极槽52设于第二外壳2圆筒总长度的1/2处。

所述第一线槽61设于第一电极槽51底端至排污口23之间的第二外壳2的内壁上，所述第二线槽62设于第二电极槽52底端至排污口23之间的第二外壳2的内壁上。

如图4所示：第一电极7包括6个尺寸结构相同的极片10、电极引线A71和电极引线B72；所述极片10为由铜质材料制成的扇环形薄片，环宽为16mm，厚度为2mm，扇环形所对应的中心角为60°，所述6个极片10分别安装于所述第一电极槽51的6条凹槽内，而且6个极片10中依次相间的3个极片10通过电极引线A71连接在一起，其余3个极片10通过电极引线B72连接在一起，电极引线A71和电极引线B72分别通过第一线槽61并经排污口23引出；所述第二电极8的结构与第一电极7完全相同，其6个极片分别安装于所述第二电极槽52的6条凹槽内，其中依次相间的3个极片通过电极引线C81连接在一起，其余3个极片通过电极引线D82连接在一起，电极引线C81和电极引线D82分别通过第二线槽62并经排污口23引出。

如图5所示：排污塞3是由PVC材质一体化成型制成的实心体结构，包括上下两部分；上部分呈圆柱体状，圆柱体的截面直径与排污口23的内径相同，且其顶端设有与排污口23的内螺纹接口相配套的外螺纹接口；下部分呈蘑菇头状且其底面直径大于圆柱体的截面直径。

接口电缆4沿排污塞3的轴心线穿出，并与排污塞3一体化成型而成；所述接口电缆4为四芯电缆，所述防水接头9为四芯公母对接式，接口电缆4的一端与外部电路连接，另一端分别与防水接头9的四个母头端相连，防水接头9的四个公头端分别与电极引线A71、电极引线B72、电极引线C81、电极引线D82相连。

配置浓度相同的氮，磷，钾三种水溶肥液，每种水溶肥液的肥料与水的比例为1:1000，并将其依次放入，水肥混合缓冲箱内。

将接口电缆4中的两芯连接在一起，使第一电极7的任意一条电极引线与第二电极8的任意一条电极引线相连时，然后将接口电缆4中的另外两芯作为传感器的两个输出端与外部电路相连，可实现两个电极的串联，使其总电容值减小。

接口电缆4与外部电路相连（RC电路），外部电路的输入端与信号发生器相连输出端与示波器相连；信号发生器给RC电路提供一系列频率与幅值固定的正弦波，通过信号发生器对输出波形的幅值和相位进行检测，得出经过传感器后正弦波的幅频和相频特性。

根据测得的幅频和相频特性对肥液组分进行在线识别：由于水溶肥中氮，磷，钾等营养元素以离子形式存在，不同离子在外加电场作用下产生不同形式的频率响应即（幅频和相频特性），所以传感器可根据其输出的不同的频率特性对肥液的组分进行在线识别。

实施例2：本实施例其他部分与实施例1相同，其中配置的浓度相同的氮，磷，钾三种水溶肥液，每种水溶肥液的肥料与水的比例为1:2000。

实施例3：本实施例其他部分与实施例1相同，其中配置的浓度相同的氮，磷，钾三种水溶肥液，每种水溶肥液的肥料与水的比例为1:200。

将接口电缆4的四芯线两两连接在一起作为传感器的两个输出端与外部电路相连，即使得第一电极7的两条电极引线分别与第二电极8的两条电极引线两两连接，两个电极实现并联，其总电容值增大，再进行测试。

上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (8)

1.一种肥液在线检测装置，包括水肥混合缓冲箱及位于水肥混合缓冲箱内部的传感器，其特征在于：所述水肥混合缓冲箱包括第一壳体（1）和第二壳体（2），第一壳体（1）端部设有肥液入口（12），第二壳体（2）端部设有肥液出口（22），底部设有排污口（23），排污口（23）上设有排污塞（3）；

所述传感器包括第一电极（7）和第二电极（8），第一电极（7）和第二电极（8）分别通过第一电极槽（51）和第二电极槽（52）固定在第二壳体（2）内壁上，第一电极（7）和第二电极（8）与防水接头（9）一端连接，防水接头（9）另一端连有接口电缆（4），接口电缆（4）穿过排污口（23）延伸至排污塞（3）外与外部电路相连；

所述第一电极（7）包括6个尺寸结构相同的极片（10）、电极引线A（71）和电极引线B（72）；所述6个极片（10）分别安装于第一电极槽（51）的6条凹槽内， 6个极片（10）中依次相间的3个极片（10）通过电极引线A（71）连接，其余3个极片（10）通过电极引线B（72）连接，电极引线A（71）和电极引线B（72）分别穿过第一线槽（61）与防水接头（9）连接；所述第二电极（8）的结构与第一电极（7）完全相同，其6个极片分别安装于第二电极槽（52）的6条凹槽内，其中依次相间的3个极片通过电极引线C（81）连接，其余3个极片通过电极引线D（82）连接，电极引线C（81）和电极引线D（82）分别穿过第二线槽（62）与防水接头（9）连接。

2.根据权利要求1所述的肥液在线检测装置，其特征在于：所述第一壳体（1）和第二壳体（2）为大小相同的圆筒结构，两者之间螺纹连接，两者的长度为其横截面直径的两倍，第一壳体（1）的端部通过第一收缩管（11）与肥液入口（12）相连，第二壳体（2）的端部通过第二收缩管（21）与肥液出口（22）相连，所述肥液入口（12）和肥液出口（22）均为圆管状，两者横截面直径是第一壳体（1）横截面直径的1/3，轴心线与第一壳体（1）的轴心线重合。

3.根据权利要求1所述的肥液在线检测装置，其特征在于：所述排污口（23）为圆管结构，位于第二壳体（2）的正下方且靠近第二收缩管（21）；所述排污口（23）的尺寸小于肥液入口（12）和肥液出口（22）。

4.根据权利要求1所述的肥液在线检测装置，其特征在于：所述极片（10）为扇环形铜片，环宽为16mm，厚度为2mm，扇环形所对应的中心角为60°。

5.根据权利要求1所述的肥液在线检测装置，其特征在于：所述第一电极槽（51）和第二电极槽（52）的结构相同，均由等间距平行的6条尺寸结构相同的弧形凹槽构成，位于第二壳体（2）内壁的弧形凸起部分的中部，弧形凸起部分与弧形凹槽二者的弧长相同，弧形凹槽弧长所对应的中心角为60°。

6.根据权利要求5所述肥液在线检测装置：其特征在于：所述弧形凹槽的水平间距为1cm，每条凹槽宽2mm、深6mm，所述弧形凸起部分宽5mm、高于内壁6mm。

7.根据权利要求1所述的一种肥液在线检测传感器，其特征在于：所述接口电缆（4）为四芯接口电缆，所述防水接头（9）为四芯公母对接式，接口电缆（4）的一端与外部电路连接，另一端分别与防水接头（9）的四个母头端相连，防水接头（9）的四个公头端分别与电极引线A（71）、电极引线B（72）、电极引线C（81）、电极引线D（82）相连。

8.一种如权利要求1所述的肥液在线检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

将装置接入微润系统：肥液入口（12）与水肥在线混合管道的出口相连，肥液出口（22）与微灌管网的入口相连；

根据肥液调节传感器的输出电容：当接口电缆（4）的四芯线两两连接在一起作为传感器的两个输出端与外部电路相连，即使得第一电极（7）的两条电极引线分别与第二电极（8）的两条电极引线两两连接时，两个电极实现并联，其总电容值增大，当将接口电缆（4）中的两芯连接在一起，使第一电极（7）的任意一条电极引线与第二电极（8）的任意一条电极引线相连时，然后将接口电缆（4）中的另外两芯作为传感器的两个输出端与外部电路相连，则可实现两个电极的串联，其总电容值减小；

测量肥液浓度：利用外部电路将电容值转换为电压或频率，并通过试验建立肥液的浓度或组分与电压或频率的函数关系，最后通过反演算法可利用本发明的传感器间接检测出肥液的浓度或组分。