CN107683759B - 一种移动式滴灌水肥气一体机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种移动式滴灌水肥气一体机，其特征在于，该一体机包括机座以及设置在机座上的储水箱、肥液箱、储肥箱、微纳米气泡发生器、第一自吸泵、第二自吸泵、控制系统和发电机；储水箱一进水口连接供水系统，储水箱另一进水口连接微纳米气泡发生器出水口，储水箱一出水口连接微纳米气泡发生器进水口，储水箱另一出水口连接第一自吸泵进水口，第一自吸泵出水口连接肥液箱进水口，储肥箱出液口连接肥液箱进液口，肥液箱出液口连接第二自吸泵进液口，第二自吸泵出液口连接滴灌系统；微纳米气泡发生器、第一自吸泵、第二自吸泵、流量计以及各传感器和电磁阀分别电连接控制系统，本发明可广泛用于农业新型节水灌溉技术领域中。

Description

一种移动式滴灌水肥气一体机

技术领域

本发明是关于一种移动式滴灌水肥气一体机，属于农业新型节水灌溉技术领域。

背景技术

大量研究表明长期滴灌在为作物提供水分养分的同时也排除了根区孔隙中的空气，使根区出现暂时或长期的厌氧环境，从而影响作物的健康生长，因此，“加氧灌溉”这一新型节水灌溉技术概念应景而生。早年研究者们对加氧的方法做了大量的尝试，如：①向作物根区滴施过氧化氢，利用土壤过氧化氢酶分解产生氧气；②采用文丘里气体注射器，形成微小空气泡与灌溉水充分混合输送到作物根区；③采用空气压缩机将空气压缩进系统管路，为作物根区通气，但这些方法并不能有效增大气体在水中的溶解度、也不能延长气体在水中的存留时间。微纳米气泡加氧灌溉对于改善作物根区水肥气环境，提高作物对养分吸收，促进作物根系生长，增产提质具有良好效果，因此采用微纳米气泡加氧灌溉是未来功能滴灌发展的一个趋势，在此基础上，如何将微纳米气泡加氧灌溉技术与水肥一体化技术进行有机结合，实现作物根区土壤水、肥、气环境的共同调控，是众多专家学者探索的重点。

现有技术公开了一种水肥气热一体化系统，包括电热膜、比例施肥泵、微纳米曝气机和可编程控制器等部件，该系统采用微纳米曝气机向灌溉箱中曝气，再用比例施肥泵向系统中注肥，适用于温室土壤种植作物，具有节水滴灌、施肥、土壤根部增氧及作物根系加热等功效，且具有自动化运行、高度集成、水肥气一体化、提高产品产量和品质等优点。现有技术还公开了一种包括混合罐、文丘里施肥器、微纳米气泡发生装置和可编程控制器等部件的水肥气一体化滴灌系统，该系统采用文丘里施肥器向灌溉水中施肥，采用微纳米气泡发生装置向灌溉水中增氧，采用EC/pH传感器、DO传感器进行养分浓度和氧气浓度的反馈，可根据用户需求达到设定的养分和氧浓度，有针对有目的地改善根区土壤环境，以此实现精准的水肥气一体化滴灌。

基于现有的研究，不难发现目前水肥气一体化技术的应用存在以下几方面问题：①现存的灌水、施肥、加气设备均分散安装布置于系统首部，占地面积较大且运行不集中；②由于微纳米气泡发生器有一定的有效灌溉面积，因此难以供应更大面积作物种植的供氧需求，若强行用于大面积种植，会导致加氧灌溉效率低；③若为了提高加氧灌溉效率，为每块控制面积配置一台设备则成本又太高，影响加氧灌溉设备及方法的推广和实践。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种占地面积小、加氧灌溉效率高且成本低的移动式滴灌水肥气一体机。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种移动式滴灌水肥气一体机，其特征在于，该一体机包括机座以及设置在所述机座上的储水箱、肥液箱、储肥箱、微纳米气泡发生器、第一自吸泵、第二自吸泵、控制系统和发电机；所述储水箱内设置有第一水位传感器和DO传感器，所述储水箱的一进水口经第一电磁阀连接供水系统，所述储水箱的另一进水口经第二电磁阀和第一压力传感器连接所述微纳米气泡发生器的出水口，所述储水箱的一出水口连接所述微纳米气泡发生器的进水口，所述储水箱的另一出水口经第三电磁阀连接所述第一自吸泵的进水口，所述第一自吸泵的出水口连接所述肥液箱的进水口，所述肥液箱内设置有第二水位传感器、EC传感器和pH传感器，所述储肥箱的出液口经第四电磁阀和流量传感器连接所述肥液箱的进液口，所述肥液箱的出液口经第五电磁阀连接所述第二自吸泵的进液口，所述第二自吸泵的出液口经第六电磁阀、第二压力传感器、流量计、筛网过滤器和逆止阀连接滴灌系统；所述微纳米气泡发生器、第一自吸泵、第二自吸泵、流量计以及各传感器和电磁阀分别电连接所述控制系统，所述发电机用于为该一体机内的各器件进行供电。

优选地，所述微纳米气泡发生器包括离心泵、空气泵和溶气罐；所述离心泵的进口通过补压回路的末端和第三压力传感器经第七电磁阀连接所述储水箱的下部一出水口，所述离心泵的进口还通过所述补压回路的末端和第三压力传感器经第八电磁阀连接所述空气泵的出口，所述离心泵的出口经第四压力传感器、所述补压回路的始端和第五压力传感器连接所述溶气罐的进口，所述溶气罐的出口经所述第一压力传感器和第二电磁阀连接所述储水箱的下部进水口，所述补压回路上设置有第九电磁阀和第六压力传感器，所述离心泵、空气泵、溶气罐以及上述各电磁阀和压力传感器还分别电连接所述控制系统。

优选地，所述控制系统包括DO控制器、EC/pH控制器和可编程控制器；所述DO控制器电连接所述DO传感器，所述EC/pH控制器电连接所述EC传感器和pH传感器，所述DO控制器和EC/pH控制器分别电连接所述可编程控制器，所述微纳米气泡发生器、第一自吸泵、第二自吸泵、流量计以及各传感器和电磁阀分别电连接所述可编程控制器。

优选地，所述可编程控制器内设置有参数设置模块、阀门控制模块、自吸泵控制模块和微纳米气泡发生器控制模块；所述参数设置模块用于根据土壤墒情信息自动设置或根据作物属性、所处生育期和土壤性质人工设置灌溉制度的初始参数并发送至所述阀门控制模块、自吸泵控制模块和微纳米气泡发生器控制模块；所述阀门控制模块用于根据灌溉制度的初始参数以及所述第一水位传感器、第二水位传感器、DO传感器、EC传感器、pH传感器、流量传感器、流量计和第一～第六压力传感器实时采集的信息控制相应电磁阀的开启或关闭；所述自吸泵控制模块用于根据灌溉制度的初始参数和所述DO传感器、流量计实时采集的信息控制所述第一自吸泵的开启或关闭，以及根据灌溉制度的初始参数和所述第二水位传感器、流量计实时采集的信息控制所述第二自吸泵的开启或关闭；所述微纳米气泡发生器控制模块用于根据灌溉制度的初始参数以及所述第一水位传感器、DO传感器和流量计实时采集的信息控制所述离心泵、空气泵和溶气罐的开启或关闭。

优选地，所述空气泵进口处的管路采用软管。

优选地，所述机座固定设置在可移动车体上。

优选地，所述储水箱的进水口与所述供水系统之间的管路以及所述第二自吸泵的出口与所述滴灌系统之间的管路均采用快速接头进行连接。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于设置有储水箱、储肥箱、肥液箱和微纳米气泡发生器，可以将灌溉、施肥、加气功能结合起来，并连接公知滴灌系统为作物提供不同生长阶段所需的水分、养分和气体，实现了三者共同调控，以改善作物根区环境，进而实现占地面积小、加氧灌溉效率高且成本低的目的，且由于微纳米气泡的表面带电，以微纳米气泡水溶肥施肥还可促进肥料在水中的溶解和分散，同时微纳米气泡在水中的溶解度高，可为作物根区提供更充足的氧气，提高作物根系活力，促进根系对养分的吸收，进而促进作物生长，提高产量，提升品质，与此同时，微纳米气泡破裂时释放的大量能量还可起到杀菌作用，降低了管路堵塞的风险。2、本发明采用可编程控制器控制水、肥、气的加入量，同时通过设置相应的传感器实现闭环控制，与人工操作相比，采用可编程控制器的智能控制能实现更精准的灌溉、施肥和加气过程，闭环控制则能使灌溉水中气体一直保持所设定的水平，同时保证肥料施用量精准达到设定量，同时针对不同的作物可选择多元化的运行模式，以满足不同作物不同生育期的生长需求，在不同的运行模式下具有不同的工作流程和工作时间。3、本发明将各部件置于一可移动车体上，在使用过程中能满足不同地理位置设施的滴灌施肥加气需求，免于因种植规模大而购置较多的设备，从而有效降低投入成本，同时各用电设备均由发电机提供动力，使灌溉过程中不受用电限制，用于设施作物滴灌施肥加氧过程中可节省水肥用量、降低成本、低碳环保以及省力省工。4、本发明采用快速接头与供水系统和滴灌系统进行连接，可实现即接即用，本发明可以广泛应用于农业新型节水灌溉技术领域中。

附图说明

图1是本发明的电控连接示意图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是将本发明安装在可移动车体上的结构示意图；

图4是本发明采用快速接头与供水系统或滴灌系统连接的布置示意图。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1～3所示，本发明提供的移动式滴灌水肥气一体机包括机座1、储水箱2、肥液箱3、发电机4、箱体结构5、储肥箱6、微纳米气泡发生器7、第一自吸泵8、第二自吸泵9和控制系统。

机座1顶部一侧固定设置储水箱2和肥液箱3，储水箱2顶部固定设置用于放置发电机4的箱体结构5，肥液箱3顶部固定设置储肥箱6，机座1顶部另一侧固定设置微纳米气泡发生器7、第一自吸泵8和第二自吸泵9。储水箱2内设置有第一水位传感器10和DO(溶解氧)传感器11，第一水位传感器10用于实时采集储水箱2内的水位信息，DO传感器11用于实时采集储水箱2内的溶解氧浓度信息，储水箱2的上部进水口经第一电磁阀12连接外部供水系统，储水箱2的下部进水口经第二电磁阀13和第一压力传感器14连接微纳米气泡发生器7的出水口，储水箱2的下部一出水口连接微纳米气泡发生器7的进水口，储水箱2的下部另一出水口经第三电磁阀15连接第一自吸泵8的进水口；第一自吸泵8的出水口连接肥液箱3的进水口，肥液箱3内设置有第二水位传感器16、EC(电导率)传感器17和pH(酸碱度)传感器18，第二水位传感器16用于实时采集肥液箱3内的水位信息，EC传感器17用于实时采集肥液箱3内的EC值信息，pH传感器18用于实时采集肥液箱3内的pH值信息，储肥箱6的出液口经第四电磁阀19和流量传感器20连接肥液箱3的进液口，流量传感器20用于实时采集储肥箱6向肥液箱3注肥的肥料流量信息，肥液箱3的出液口经第五电磁阀21连接第二自吸泵9的进液口，第二自吸泵9的出液口依次经第六电磁阀22、第二压力传感器23、流量计24、筛网过滤器25和逆止阀26连接外部滴灌系统。

微纳米气泡发生器7、第一自吸泵8、第二自吸泵9、流量计24以及上述各传感器和电磁阀分别电连接控制系统，发电机4用于为本发明的各器件进行供电。

在一个优选的实施例中，微纳米气泡发生器7包括离心泵27、空气泵28、溶气罐29、第七～第九电磁阀30～32以及第三～第六压力传感器33～36。

离心泵27的进口通过补压回路的末端和第三压力传感器33经第七电磁阀30连接储水箱2的下部一出水口，离心泵27的进口还通过补压回路的末端和第三压力传感器33经第八电磁阀31连接空气泵28的出口，离心泵27的出口经第四压力传感器34、补压回路的始端和第五压力传感器35连接溶气罐29的进口，溶气罐29的出口经第一压力传感器14和第二电磁阀13连接储水箱2的下部进水口，补压回路上设置有第九电磁阀32和第六压力传感器36。离心泵27、空气泵28、溶气罐29、第七～第九电磁阀30～32和第三～第六压力传感器33～36还分别电连接控制系统。

在一个优选的实施例中，控制系统包括DO控制器37、EC/pH控制器38和可编程控制器39，DO控制器37电连接DO传感器11，EC/pH控制器38电连接EC传感器17和pH传感器18，DO控制器37和EC/pH控制器38还分别电连接可编程控制器39，用于实时反馈储水箱2内的溶解氧浓度信息以及肥液箱3内的EC值信息和pH值信息，微纳米气泡发生器7、第一自吸泵8、第二自吸泵9、流量计24以及各传感器和电磁阀分别电连接可编程控制器39，可编程控制器39内设置有参数设置模块、阀门控制模块、自吸泵控制模块和微纳米气泡发生器控制模块。

参数设置模块用于根据预埋在土壤中的土壤传感器反馈的土壤墒情信息自动设置或根据作物属性、所处生育期和土壤性质人工设置灌溉制度的初始参数并发送至阀门控制模块、自吸泵控制模块和微纳米气泡发生器控制模块，其中，灌溉制度的初始参数包括土壤所需的微纳米气泡水灌溉量和EC值，储水箱2的最高水位和溶解氧浓度范围，肥液箱3的最高水位、EC值范围和pH值范围，储肥箱6的肥料施肥量，第二自吸泵9的出口流量等。

阀门控制模块用于根据灌溉制度的初始参数以及第一水位传感器10、第二水位传感器16、DO传感器11、EC传感器17、pH传感器18、流量传感器20、流量计24和各压力传感器实时采集的信息控制相应电磁阀开启或关闭。

自吸泵控制模块用于根据灌溉制度的初始参数、DO传感器11和流量计24采集的信息控制第一自吸泵8开启或关闭，以及根据灌溉制度的初始参数、第二水位传感器16和流量计24采集的信息控制第二自吸泵9开启或关闭。

微纳米气泡发生器控制模块用于根据灌溉制度的初始参数以及第一水位传感器10、DO传感器11和流量计24实时采集的信息控制离心泵27、空气泵28和溶气罐29开启或关闭。

在一个优选的实施例中，机座1固定设置在采用蓄电池作为动力源的可移动车体40上。

在一个优选的实施例中，空气泵28进口处的管路采用软管。

如图4所示，储水箱2的上部进水口与供水系统之间的管路采用快速接头进行连接，第二自吸泵9的出口与滴灌系统之间的管路采用快速接头进行连接。

下面以种植于北京大棚的杭椒的苗期为具体实施例详细说明本发明移动式滴灌水肥气一体机的工作过程：

该大棚所在地的土壤质地为壤土，土壤养分含量如下表1所示，灌溉施肥加氧方案如下表2所示：

表1：种植区土壤本底值

表2：杭椒灌溉方案

注：该大棚所在地每亩施用5000kg有机肥料，杭椒的生长期间配合叶面施肥，不施用含氯化肥，且加氧水量取决于加气水量占灌溉定额的百分比，本实施例中加气水量占灌溉定额的25％。

第一阶段(即在施肥开始前的微纳米气泡水制备过程和加氧灌溉过程，兼冲洗管道和滴头流道)：

1)根据上述表2人工设置灌溉制度的初始参数，将所施用的肥料母液(尿素、硫酸钾和磷酸二氢钾)定量置入储肥箱6内，开启第一电磁阀12，向储水箱2内注水，当储水箱2内的水位信息超过最低安全水位时，开启第二电磁阀13和第七电磁阀～第九电磁阀30～32，微纳米气泡发生器7接通电源开始工作；

2)当储水箱2内的水位信息达到设置的水位(如50cm)时，关闭第一电磁阀12停止向储水箱2内注水，此时储水箱2内的水通过微纳米气泡发生器7得到微纳米气泡水；

3)与步骤2)同时，DO传感器11采集储水箱2内的溶解氧浓度信息，储水箱2内的溶解氧浓度达到设置的溶解氧浓度范围(如4～5mg/L)时，开启第三电磁阀15和第一自吸泵8，将微纳米气泡水泵入肥液箱3；

4)当肥液箱3内的水位信息达到最低安全水位时，开启第五电磁阀21和第二自吸泵9，将肥液箱3内的微纳米气泡水泵入滴灌系统，开始对大棚内杭椒的加氧灌溉过程；

5)随着加氧灌溉过程的进行，储水箱2内的水位逐渐降低，当储水箱2内的水位低于最低安全水位时，开启第一电磁阀12，同时DO传感器11不断采集储水箱2内的溶解氧浓度信息，当溶解氧浓度低于设置的溶解氧浓度范围时，关闭第三电磁阀15和第一自吸泵8，停止向肥液箱3内泵入微纳米气泡水，在此过程中微纳米气泡发生器7持续进行微纳米气泡水制备过程；

6)第三电磁阀15和第一自吸泵8关闭后，随着加氧灌溉过程的进行，肥液箱3内的水位逐渐降低，当肥液箱3内的水位低于最低安全水位时，关闭第五电磁阀21和第二自吸泵9，停止对大棚内杭椒的加氧灌溉，直至新的微纳米气泡水制备完成后开启第三电磁阀15、第五电磁阀21、第一自吸泵8和第二自吸泵9；但若肥液箱3内的水位还没有降低至最低安全水位，而储水箱1内新的微纳米气泡水已制备完成，则开启第三电磁阀15和第一自吸泵8，且第五电磁阀21和第二自吸泵9一直开启，加氧灌溉过程持续进行，当第二自吸泵9的出口流量信息达到设置的出口流量(如1.75m³)时进入下一阶段。

第二阶段(采用微纳米气泡水的溶肥施肥过程)：

7)当第二自吸泵9的出口流量信息达到设置的出口流量时，开启第四电磁阀19，预存在储肥箱6内的肥料母液注入肥液箱3，当肥液箱3内的EC值或pH值达到设置的EC值(2～3ms/cm)或设置的pH值(5.5～8.5)时，关闭第四电磁阀19，停止向肥液箱3内注肥；

8)在溶肥施肥过程中，第一阶段的微纳米气泡水制备过程和加氧灌溉过程持续进行，同时EC传感器17和pH传感器18实时采集肥液箱3内的EC值和pH值，当肥液箱3内的EC值或pH值低于设置的范围时，开启第四电磁阀19，向肥液箱3内注肥；

10)当肥料的流量信息达到设置的施肥量范围时，第四电磁阀19不再受EC传感器17反馈的数据控制，处于长关闭状态，当肥液箱3内的EC值与设置的微纳米气泡水EC值相同时进入下一阶段。

第三阶段(微纳米气泡水制备过程和加氧灌溉过程)：

11)采用与第一阶段相同的微纳米气泡水制备过程和加氧灌溉过程对作物灌溉，将本发明各管路中的残留肥液冲进作物根区，以保证施肥量；

12)当第二自吸泵9的出口流量信息达到设置的出口流量时，关闭本发明的各部件，完成灌溉过程。

从上述工作过程可以看出，微纳米气泡水中的气体含量采用溶解氧浓度表征，肥液的各项含量参数由EC值表征，肥液中的酸碱程度由pH值表征，因此DO传感器11、EC传感器17和pH传感器18均应进行定期标定，才能保持仪器本身测量的稳定性和精确度，从而保证加氧灌溉过程和溶肥施肥过程的精确度。每次灌溉时，应根据作物属性、所处生育期和土壤性质共同制定相应的灌溉制度，并将所制定的灌水、施肥、气体的数据信息输入至可编程控制器39，可编程控制器39自动进行灌溉制度初始参数的计算，实现因时因地的灌溉施肥和加氧。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (5)

1.一种移动式滴灌水肥气一体机，其特征在于，该一体机包括机座以及设置在所述机座上的储水箱、肥液箱、储肥箱、微纳米气泡发生器、第一自吸泵、第二自吸泵、控制系统和发电机；所述微纳米气泡发生器包括离心泵、空气泵和溶气罐；

所述储水箱内设置有第一水位传感器和DO传感器，所述储水箱的一进水口经第一电磁阀连接供水系统，所述储水箱的另一进水口经第二电磁阀和第一压力传感器连接所述微纳米气泡发生器的出水口，所述储水箱的一出水口连接所述微纳米气泡发生器的进水口，所述储水箱的另一出水口经第三电磁阀连接所述第一自吸泵的进水口，所述第一自吸泵的出水口连接所述肥液箱的进水口，所述肥液箱内设置有第二水位传感器、EC传感器和pH传感器，所述储肥箱的出液口经第四电磁阀和流量传感器连接所述肥液箱的进液口，所述肥液箱的出液口经第五电磁阀连接所述第二自吸泵的进液口，所述第二自吸泵的出液口经第六电磁阀、第二压力传感器、流量计、筛网过滤器和逆止阀连接滴灌系统；

所述控制系统包括DO控制器、EC/pH控制器和可编程控制器；所述DO控制器电连接所述DO传感器，所述EC/pH控制器电连接所述EC传感器和pH传感器，所述DO控制器和EC/pH控制器分别电连接所述可编程控制器，所述微纳米气泡发生器、第一自吸泵、第二自吸泵、流量计以及各传感器和电磁阀分别电连接所述可编程控制器；

所述可编程控制器内设置有参数设置模块、阀门控制模块、自吸泵控制模块和微纳米气泡发生器控制模块；

所述参数设置模块用于根据土壤墒情信息自动设置或根据作物属性、所处生育期和土壤性质人工设置灌溉制度的初始参数并发送至所述阀门控制模块、自吸泵控制模块和微纳米气泡发生器控制模块；

所述阀门控制模块用于根据灌溉制度的初始参数以及所述第一水位传感器、第二水位传感器、DO传感器、EC传感器、pH传感器、流量传感器、流量计和第一～第六压力传感器实时采集的信息控制相应电磁阀的开启或关闭；

所述自吸泵控制模块用于根据灌溉制度的初始参数和所述DO传感器、流量计实时采集的信息控制所述第一自吸泵的开启或关闭，以及根据灌溉制度的初始参数和所述第二水位传感器、流量计实时采集的信息控制所述第二自吸泵的开启或关闭；

所述微纳米气泡发生器控制模块用于根据灌溉制度的初始参数以及所述第一水位传感器、DO传感器和流量计实时采集的信息控制所述离心泵、空气泵和溶气罐的开启或关闭；

所述发电机用于为该一体机内的各器件进行供电。

2.如权利要求1所述的一种移动式滴灌水肥气一体机，其特征在于，所述离心泵的进口通过补压回路的末端和第三压力传感器经第七电磁阀连接所述储水箱的下部一出水口，所述离心泵的进口还通过所述补压回路的末端和第三压力传感器经第八电磁阀连接所述空气泵的出口，所述离心泵的出口经第四压力传感器、所述补压回路的始端和第五压力传感器连接所述溶气罐的进口，所述溶气罐的出口经所述第一压力传感器和第二电磁阀连接所述储水箱的下部进水口，所述补压回路上设置有第九电磁阀和第六压力传感器，所述离心泵、空气泵、溶气罐以及上述各电磁阀和压力传感器还分别电连接所述控制系统。

3.如权利要求1所述的一种移动式滴灌水肥气一体机，其特征在于，所述空气泵进口处的管路采用软管。

4.如权利要求1到3任一项所述的一种移动式滴灌水肥气一体机，其特征在于，所述机座固定设置在可移动车体上。

5.如权利要求1到3任一项所述的一种移动式滴灌水肥气一体机，其特征在于，所述储水箱的进水口与所述供水系统之间的管路以及所述第二自吸泵的出口与所述滴灌系统之间的管路均采用快速接头进行连接。

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