CN107036869A - 一种超声波根系清洗机及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波根系清洗机及其工作方法。其中，超声波根系清洗机，包括机身，其上方固定连接有顶部盖板，顶部盖板下方连接有清洗篮；所述机身内部设置有清洗室，清洗室包括主清洗室，主清洗室下方设置有土壤沉降室，土壤沉降室下方设置有沉积室；沉积室内设置有排泥器，排污器与驱动机构相连，驱动机构与集成控制器相连；沉积室伸出机身部分的下方还设置有排污孔；机身内侧分别相向安装有超声波发生器Ⅰ和超声波发生器Ⅱ，超声波发生器Ⅰ和超声波发生器Ⅱ分别与集成控制器相连，集成控制器用于调节超声波发生器Ⅰ和超声波发生器Ⅱ的频率和功率。它有效解决了功率和频率调节以及排除机器底部淤泥和根系损伤问题，提高了清洗机工作效率。

Description

一种超声波根系清洗机及其工作方法

技术领域

本发明属于实验机械领域，尤其涉及一种超声波根系清洗机及其工作方法。

背景技术

在农业科研实验过程中，经常需要对植物根系中的各类根进行数量、长度及生理指标分析，作为研究植物根系生长状况的必要手段。从农田取出的植物根系上粘有大量的土壤，要进行根系分析实验，首先需要将根系所粘连的大量土壤清洗掉。当前对于此类根系的清洗，主要采用人工清洗，这种方法费时费力，且严重浪费水资源。根系中包含主根、侧根和须根，这些根相互之间位置关系复杂，大量土壤都在整个根系的内部。人工清洗很难将根系内部清洗干净，且常常因力量过大导致须根和侧根断裂，不利于后续实验的进行。针对人工清洗费时费力，且无法彻底清洗干净的事实，研究人员进行了根系清洗机的开发，但由于根系较为复杂大多很难保证清洗干净。

超声波清洗技术目前被广泛应用，利用超声波空化作用可以有效的清除基体表面污垢。超声波清洗具有清洗速度快、洗净度高、且不受表面复杂程度的影响，即使是微小盲孔、细小狭缝等也都可以得到很好的清洗。但当前开发的超声波清洗机大多用于金属零件、电路板等清洗，用于植物类清洗的超声波清洗机器较少，用于植物根系清洗的更是少之又少。

申请号为201220688947.2的专利公开了一种超声波土壤根系提取机，但该发明所设计的超声波清洗机结构功能过于单一，无频率、功率调节和淤泥排放功能。如果在超声波清洗过程中选择的超声波频率和功率不合适，超声波空化作用会导致植物根系组织细胞内强烈空化、振动、膨胀、压缩和崩溃闭合，使细胞破裂。这不利于后续根系生理指标测量，因此植物类超声波清洗机应该具有合适的频率和功率。进一步，由于清洗的植物根系有所不同相应的频率和功率也应该有所差别，因此植物根系超声波清洗机应具有功率和频率调节功能。由于根系所附着土壤量非常大，相比于其它植物清洗，在清洗过程中机器下方会沉淀大量淤泥，如果不设置沉积槽和排泥装置，会给清洗机器带来较大困难。

发明内容

为了解决现有技术中清洗机的功率和频率调节不可调节，而且排除机器底部淤泥和根系损伤的问题，本发明的第一目的是提供一种超声波根系清洗机，其具有调节清洗机的功率和频率以及避免机器底部淤泥和根系损伤的效果。

本发明的一种超声波根系清洗机，包括机身，其上方固定连接有顶部盖板，顶部盖板下方连接有清洗篮，所述清洗篮用于存放需要清洗的植物根系；

所述机身内部设置有清洗室，清洗室内设有清洗液；所述清洗室包括主清洗室，其用于清洗植物根系；主清洗室下方设置有土壤沉降室，土壤沉降室下方设置有沉积室；沉积室内设置有排泥器，所述排污器与驱动机构相连，所述驱动机构与集成控制器相连；沉积室伸出机身部分的下方还设置有排污孔；

所述机身内侧分别相向安装有超声波发生器Ⅰ和超声波发生器Ⅱ，超声波发生器Ⅰ和超声波发生器Ⅱ分别与集成控制器相连，集成控制器用于调节超声波发生器Ⅰ和超声波发生器Ⅱ的频率和功率；

所述超声波发生器Ⅰ和超声波发生器Ⅱ分别与固定在主清洗室外侧的超声换能器Ⅰ和超声换能器Ⅱ相连，其分别用于将超声波发生器Ⅰ和超声波发生器Ⅱ产生的超声波信号转化为高频机械振动并传入主清洗室内，使主清洗室内清洗液中出现空化作用，从而对植物根系进行超声波清洗。

进一步的，所述土壤沉降室为倒置锥形，用于将从植物根系清洗掉的土壤沉降进入沉积室。

进一步的，所述主清洗室上设置有温度传感器，其用于实时检测主清洗室内的清洗液温度并反馈至集成控制器。

进一步的，所述顶部盖板上方固定连接有与集成控制器相连的加温装置；加温装置上固定连接有加温管，所述加温管伸入清洗室内并对清洗室内的清洗液进行升温加热。

本发明通过温度传感器实时检测主清洗室内的清洗液温度并反馈至集成控制器，再由集成控制器控制加温装置来对清洗室内的清洗液进行升温加热，能够达到为超声波清洗提供恒温环境的目的，保证了植物根系对于温度的需求，避免了清洗过程中对植物根系的损伤。

进一步的，所述顶部盖板上方固定连接有气泵，气泵上方设置有与集成控制器相连的电磁流量阀，电磁流量阀上固定连接有气管，气管下方设置有出气头，由出气头排出的气体在清洗液中产生气泡来加强超声波的空化作用。

进一步的，所述出气头出口倾斜向下排气，用于避免土壤颗粒进入气管内造成堵塞。

进一步的，所述顶部盖板上方设置有气管支架Ⅰ，主清洗室内侧设置有气管支架Ⅱ，气管支架Ⅰ和气管支架Ⅱ用于支撑气管。

进一步的，所述清洗篮包括若干根清洗篮立柱，每根清洗篮立柱上方设置有一个清洗篮挂钩，清洗篮挂钩固定于顶部盖板下方；清洗篮立柱下方连接清洗篮底网，任意两根清洗篮立柱之间设置有一张清洗篮侧网。本发明利用网状结构的清洗篮来放置需要清洗的植物根系，这样使得植物根系上的土壤颗粒在清洗过程中容易脱落和清洗，提高了整个清洗机的工作效率。

本发明的第二目的是提供一种超声波根系清洗机的工作方法。

本发明的该超声波根系清洗机的工作方法，包括：

步骤1：准备工作；

堵住排污孔，往清洗室注入清洗液，将需要清洗的植物根系放置清洗篮中；

步骤2：启动超声波发生器Ⅰ和超声波发生器Ⅱ，超声换能器Ⅰ和超声换能器Ⅱ分别将超声波发生器Ⅰ和超声波发生器Ⅱ产生的超声波信号转化为高频机械振动并传入主清洗室内，使主清洗室内清洗液中出现空化作用，从而对植物根系进行超声波清洗；

在超声波清洗过程中，集成控制器还分别对超声波发生器Ⅰ和超声波发生器Ⅱ的频率和功率进行调节以避免超声波清洗过程中对植物根系造成损伤；

步骤3：集成控制器向驱动机构发出驱动信号来控制排污器工作，打开排污孔，使得沉积室内的土壤沉降由排污孔排出超声波根系清洗机外。

进一步的，该方法还包括：

温度传感器实时检测主清洗室内的清洗液温度并反馈至集成控制器；

集成控制器控制加温装置对清洗室内的清洗液进行升温加热，以达到预设根系清洗温度。

本发明通过温度传感器实时检测主清洗室内的清洗液温度并反馈至集成控制器，再由集成控制器控制加温装置来对清洗室内的清洗液进行升温加热，能够达到为超声波清洗提供恒温环境的目的，保证了植物根系对于温度的需求，避免了清洗过程中对植物根系的损伤。

进一步的，该方法还包括：

集成控制器控制气泵工作，通过气管的出气头向清洗液内排气体以产生气泡来加强超声波的空化作用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明利用超声换能器Ⅰ和超声换能器Ⅱ分别将超声波发生器Ⅰ和超声波发生器Ⅱ产生的超声波信号转化为高频机械振动并传入主清洗室内，使主清洗室内清洗液中出现空化作用，从而对植物根系进行超声波清洗；而且在超声波清洗过程中，集成控制器还分别对超声波发生器Ⅰ和超声波发生器Ⅱ的频率和功率进行调节以避免超声波清洗过程中对植物根系造成损伤。

(2)本发明通过温度传感器实时检测主清洗室内的清洗液温度并反馈至集成控制器，再由集成控制器控制加温装置来对清洗室内的清洗液进行升温加热，能够达到为超声波清洗提供恒温环境的目的，保证了植物根系对于温度的需求，避免了清洗过程中对植物根系的损伤。

(3)本发明的集成控制器还控制气泵工作，通过气管的出气头向清洗液内排气体以产生气泡来加强超声波的空化作用。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是该实施例的整体结构示意图；

图2是该实施例的无清洗篮俯视结构示意图；

图3是该实施例清洗篮的主视结构示意图；

图4是该实施例清洗篮的俯视结构示意图；

图5是该实施例排污结系统的结构示意图；

图6是该实施例清洗篮放置位置示意图；

图7是该实施例气管局部放大示意图；

图8是该实施例控制系统框图。

其中，1-机身，2-温度传感器，3-主清洗室，4-土壤沉降室，5-沉积室，6-超声波发生器Ⅰ，7-超声换能器Ⅰ，8-超声波发生器Ⅱ，9-超声换能器Ⅱ，10-顶部盖板，11-集成控制器，12-加温装置，13-加温管，14-气泵，15-电磁流量阀，16-气管，17-气管支架Ⅰ，18-气管支架Ⅱ，19-清洗篮底网，20-排泥绞龙，21-清洗篮挂钩，22-出线孔，23-连接块，24-线槽Ⅰ，25-线槽Ⅱ，26-排污孔，27-排污盖，28-轴承端盖Ⅰ，29-轴承Ⅰ，30-轴承Ⅱ，31-电机，32-联轴器，33-电机支架，34-清洗篮立柱，35-清洗篮侧网，36-输入按键，37-显示器，38-轴承端盖Ⅱ，39-出气头。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1-7所示，机身1作为整机外壳并对各零部件起到支撑作用，机身1上方设置有顶部盖板10，通过螺栓与机身1固定连接。机器内部清洗室为整体结构，由主清洗室3、土壤沉降室4和沉积室5组成，主清洗室3设置在最上方主要用于清洗植物根系，清洗室3下方设置有土壤沉降室4，土壤沉降室4为倒置锥形，有利于清洗掉的土壤沉降进入下方沉积室5内。主清洗室3上方设置有四个连接块23，用于主清洗室3与顶部盖板10的固定连接。

机身1内侧相向固定安装有超声发生器Ⅰ6和超声波发生器Ⅱ8，用于产生超声波信号，超声发生器Ⅰ6和超声波发生器Ⅱ8均带有频率调节模块和功率调节模块。超声发生器Ⅰ6和超声波发生器Ⅱ8分别与固定安装在主清洗室3外侧的超声换能器Ⅰ7和超声换能器Ⅱ9相连接。超声换能器Ⅰ7和超声换能器Ⅱ9将超声波信号转化为高频机械振动并传入主清洗室3内，使主清洗室3内的清洗液中出现空化作用，从而对植物根系进行超声波清洗。

主清洗室3上设置有温度传感器2，温度传感器检测端位于主清洗室3内部，接线端位于主清洗室3外侧，温度传感器2用于检测反馈清洗液温度。顶部盖板10上方固定连接有集成控制器11，集成控制器11上方设置有输入按键36和显示器37。顶部盖板10上方固定连接有加温装置12，加温装置12上固定连接有加温管13，加温管13在下部水平方向分成两根，加温管13用于对清洗室内的清洗液进行升温加热。

顶部盖板10上方固定连接有气泵14，气泵14上方设置有电磁流量阀15，电磁流量阀15用于控制气体流量。电磁流量阀15上固定连接有气管16，气管16下方设置有出气头39，出气头39出口倾斜向下排气，可以避免上方清洗掉的土壤颗粒进入气管16内造成堵塞。出气头39排出的气体可以在清洗液中产生气泡，气泡能够在清洗过程中加强超声波的空化作用。顶部盖板10上方设置有气管支架Ⅰ17，主清洗室3内侧设置有气管支架Ⅱ18，气管支架Ⅰ17和气管支架Ⅱ18用于支撑气管16。

清洗篮由清洗篮底网19、清洗篮立柱34、清洗篮侧网35和清洗篮挂钩21组成，用于存放需要清洗的植物根系。清洗篮立柱34有四根，四根清洗篮立柱34下方设置有清洗篮底网19，四根清洗篮立柱34之间设置有四张清洗篮侧网35，四根清洗篮立柱34上方设置有四个清洗篮挂钩21，清洗篮挂钩21可挂放在顶部盖板10上。

其中，清洗篮可以采用其他结构，比如网状结构的编制袋或是镂空网或网状结构的其他能够盛放需要清洗植物根系的容器。

在本实施例中，排污器采用排泥绞龙来实现，也可以采用其他现有的结构来实现，此处将不再累述。而且本发明中的驱动机构采用电机来实现，也可以采用其他传动机构比如液压控制机构来进行驱动排污器工作。

在本实施例中，沉积室5内设置有排泥绞龙20，沉积室5两端设置有轴承端盖Ⅰ28和轴承端盖Ⅱ38。轴承端盖Ⅰ28和轴承端盖Ⅱ38内分别设置有轴承Ⅰ29和轴承Ⅱ30，用于支撑排泥绞龙20。机身1内部设置有电机31，电机31通过电机支架33与机身1底部固定连接。电机31通过联轴器32与排泥绞龙20连接，从而为排泥绞龙20提供动力。

沉积室5伸出机身1部分的下方设置有排污孔26，排污孔26利用排污盖27盖住。顶部盖板10上方设置有出线孔22，超声波发生器Ⅰ6、超声波发生器Ⅱ8、温度传感器2及电机31的电源线和控制线，可以通过出线孔22穿出机身1，从而与集成控制器11和外部电源连接。顶部盖板10上方设置有线槽Ⅰ24，用于放置气泵14和电磁流量阀15的控制线和电源线。顶部盖板10上方设置有线槽Ⅱ25，用于放置加温装置12的控制线和电源线。

由图8可知，集成控制器11为控制系统核心组成部分，集成控制器11可以通过输入按键36和显示器37和操作人员进行信息交互。温度传感器2检测温度后将电信号传输到集成控制器11进行识别处理，集成控制器11进一步控制加温装置12进行加温工作或停止加温工作。集成控制器11可以调节电磁流量阀15，从而控制出气头39的出气量。集成控制器11能够与频率调节模块和功率调节模块进行信息交互，从而实现频率调节和功率调节，并进行实时跟踪。超声波频率信号由集成控制器11的PWM口输出，经功率放大和阻抗匹配后驱动超声换能器Ⅰ7和超声换能器Ⅱ9激发超声波进行清洗工作。集成控制器11根据反馈信号进行频率和功率的跟踪调节。

本实施例利用超声换能器Ⅰ和超声换能器Ⅱ分别将超声波发生器Ⅰ和超声波发生器Ⅱ产生的超声波信号转化为高频机械振动并传入主清洗室内，使主清洗室内清洗液中出现空化作用，从而对植物根系进行超声波清洗；而且在超声波清洗过程中，集成控制器还分别对超声波发生器Ⅰ和超声波发生器Ⅱ的频率和功率进行调节以避免超声波清洗过程中对植物根系造成损伤。

本实施例的具体工作过程如下：

开始工作前将排污孔26下方的排污盖27盖好，防止加入的清洗液泄露。向清洗室内添加清洗液。将需要清洗的植物根系放入到清洗篮中，并利用清洗篮挂钩21将清洗篮挂放在顶部盖板10上。接通外部电源，并为集成控制器11供电开机。

打开气泵并利用集成控制器11调节电磁流量阀15，为清洗过程提供气泡辅助强化超声波空化作用。开启温度传感器2和加温装置12，监控主清洗室3内清洗液温度并进行加热升温，当温度达到要求后停止升温。温度升高清洗液的粘滞系数及表面张力系数会下降，空化作用阈值也相应下降，有利于空化作用产生。

但温度升高时清洗液产生的蒸汽压同时增大，会降低空化作用强度。因此实际应用中要兼顾温度对两方面的影响，综合考虑植物根系的生理特性，系统温度应控制在25-50℃之间。在加工过程中若主清洗室3内温度降低，温度传感器2将温度信号反馈给集成控制器11，集成控制器11控制加温装置12开启，为清洗液加温，保证整个清洗过程处于恒温状态。当主清洗室3升温结束后，集成控制器11控制超声发生器Ⅰ6和超声波发生器Ⅱ8开始工作。

根据不同根系清洗的实际经验，调节超声发生器Ⅰ6和超声波发生器Ⅱ8功率和频率，频率可调范围在24-38KHz之间，当频率低于24KHz时植物根系在空化作用下易发生损伤，造成生理成分流失，不利于后续实验指标测量。当频率高于38KHz时，植物根系清洗不彻底，容易有土壤残留。功率可调范围在0-800W之间，当功率低于380W时超声波对植物根系清洗不彻底，易有土壤残留。

当功率超过550W时植物根系在超声波空化作用下易发生损伤，造成生理成分流失，不利于后续实验指标测量。因此根据清洗植物根系种类的不同，超声波功率选择在380-550W之间为宜。集成控制器11可以对超声发生器Ⅰ6和超声波发生器Ⅱ8进行单独控制，两者可以选择不同的频率，当两者频率是两者不同时，两者之间会产生协同作用，对于超声波清洗可以起到进一步强化作用。清洗完成或淤泥量超过沉积室5高度时，应对机器内的清洗液和淤泥进行排空。将排污盖27打开，通过集成控制器11控制电机31带动排泥绞龙20将淤泥和清洗液排出机器。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种超声波根系清洗机，其特征在于，包括机身，其上方固定连接有顶部盖板，顶部盖板下方连接有清洗篮，所述清洗篮用于存放需要清洗的植物根系；

所述机身内部设置有清洗室，清洗室内设有清洗液；所述清洗室包括主清洗室，其用于清洗植物根系；主清洗室下方设置有土壤沉降室，土壤沉降室下方设置有沉积室；沉积室内设置有排泥器，所述排污器与驱动机构相连，所述驱动机构与集成控制器相连；沉积室伸出机身部分的下方还设置有排污孔；

所述机身内侧分别相向安装有超声波发生器Ⅰ和超声波发生器Ⅱ，超声波发生器Ⅰ和超声波发生器Ⅱ分别与集成控制器相连，集成控制器用于调节超声波发生器Ⅰ和超声波发生器Ⅱ的频率和功率；

所述超声波发生器Ⅰ和超声波发生器Ⅱ分别与固定在主清洗室外侧的超声换能器Ⅰ和超声换能器Ⅱ相连，其分别用于将超声波发生器Ⅰ和超声波发生器Ⅱ产生的超声波信号转化为高频机械振动并传入主清洗室内，使主清洗室内清洗液中出现空化作用，从而对植物根系进行超声波清洗。

2.如权利要求1所述的一种超声波根系清洗机，其特征在于，所述土壤沉降室为倒置锥形，用于将从植物根系清洗掉的土壤沉降进入沉积室。

3.如权利要求1所述的一种超声波根系清洗机，其特征在于，所述主清洗室上设置有温度传感器，其用于实时检测主清洗室内的清洗液温度并反馈至集成控制器。

4.如权利要求1所述的一种超声波根系清洗机，其特征在于，所述顶部盖板上方固定连接有与集成控制器相连的加温装置；加温装置上固定连接有加温管，所述加温管伸入清洗室内并对清洗室内的清洗液进行升温加热。

5.如权利要求1所述的一种超声波根系清洗机，其特征在于，所述顶部盖板上方固定连接有气泵，气泵上方设置有与集成控制器相连的电磁流量阀，电磁流量阀上固定连接有气管，气管下方设置有出气头，由出气头排出的气体在清洗液中产生气泡来加强超声波的空化作用。

6.如权利要求5所述的一种超声波根系清洗机，其特征在于，所述出气头出口倾斜向下排气，用于避免土壤颗粒进入气管内造成堵塞。

7.如权利要求5所述的一种超声波根系清洗机，其特征在于，所述顶部盖板上方设置有气管支架Ⅰ，主清洗室内侧设置有气管支架Ⅱ，气管支架Ⅰ和气管支架Ⅱ用于支撑气管。

8.如权利要求1所述的一种超声波根系清洗机，其特征在于，所述清洗篮包括若干根清洗篮立柱，每根清洗篮立柱上方设置有一个清洗篮挂钩，清洗篮挂钩固定于顶部盖板下方；清洗篮立柱下方连接清洗篮底网，任意两根清洗篮立柱之间设置有一张清洗篮侧网。

9.一种如权利要求1-8中任一项所述的超声波根系清洗机的工作方法，其特征在于，包括：

步骤1：准备工作；

堵住排污孔，往清洗室注入清洗液，将需要清洗的植物根系放置清洗篮中；

步骤2：启动超声波发生器Ⅰ和超声波发生器Ⅱ，超声换能器Ⅰ和超声换能器Ⅱ分别将超声波发生器Ⅰ和超声波发生器Ⅱ产生的超声波信号转化为高频机械振动并传入主清洗室内，使主清洗室内清洗液中出现空化作用，从而对植物根系进行超声波清洗；

在超声波清洗过程中，集成控制器还分别对超声波发生器Ⅰ和超声波发生器Ⅱ的频率和功率进行调节以避免超声波清洗过程中对植物根系造成损伤；

步骤3：集成控制器向驱动机构发出驱动信号来控制排污器工作，打开排污孔，使得沉积室内的土壤沉降由排污孔排出超声波根系清洗机外。

10.如权利要求9所述的超声波根系清洗机的工作方法，其特征在于，该方法还包括：

温度传感器实时检测主清洗室内的清洗液温度并反馈至集成控制器；

集成控制器控制加温装置对清洗室内的清洗液进行升温加热，以达到预设根系清洗温度；

或该方法还包括：

集成控制器控制气泵工作，通过气管的出气头向清洗液内排气体以产生气泡来加强超声波的空化作用。