CN108353762B - 一种利用土壤负压吸水控制灌溉水开关的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用土壤负压吸水控制灌溉水开关的装置。包括：第一盛液器、第二盛液器、第一连接管、第二连接管、第三连接管、第一悬挂绳、第二悬挂绳及第一杠杆；第一盛液器顶部低于第二盛液器底部；第一杠杆的第一端缠绕悬挂第一盛液器的第一悬挂绳；第一杠杆的第二端缠绕第二悬挂绳，第二悬挂绳悬挂第二盛液器；第二盛液器的顶部通过外部的第四连接管连通外部储水器的顶部；第一连接管一端插入到第一盛液器底部，另一端分别与第二连接管以及第三连接管连通；第二连接管的另一端与第二盛液器底部连通，形成第一连通口；第三连接管的另一端与第二盛液器底部连通，形成第二连通口；第一连通口高于第二连通口。应用本发明，可实现无能耗灌溉。

Description

一种利用土壤负压吸水控制灌溉水开关的装置

技术领域

本发明涉及低能耗农业灌溉技术，特别涉及一种利用土壤负压吸水控制灌溉水开关的装置。

背景技术

水是任何生物均需要的，农作物在生长发育过程所蒸腾掉的水分往往是其自身生物量的数百倍甚至数万倍，而土壤往往难以提供这么多水分，因此在现代生产过程中，通过灌溉给土壤补充水分继而满足农作物对水分的需求是必不可少的农事活动，一般地，给土壤补充水分的基本手段是按照某种时间间隔进行灌水，但该灌水方法，是一种脉冲式的灌水方式，在灌水过程中，土壤水分含量呈现出脉冲式的变化，土壤含水量突然跃升至饱和状态，灌水完成后，土壤含水量逐渐降低。在该灌水过程中，只有部分阶段的土壤水分条件是适合作物的。在土壤水分高含量阶段，非常容易因为土壤含水量过高而对作物产生湿害或涝害。而在土壤水分低含量阶段，又非常容易产生干旱胁迫和养分匮乏胁迫，导致减产、品质变劣，甚至死亡。以上问题在旱地上和设施农业中尤其突出。

近10多年来，针对以上传统灌溉技术存在的技术问题，提出了一种新型高效的农作物主动式负压灌溉技术，基本上克服了以上技术问题，但是主动式负压灌溉技术却又面临新的技术难题。比如，在与埋设在土壤中的灌水器相连接储水器中的灌溉水不足时，需要通过电磁阀控制外部灌溉水流入储水器，而在储水器中的灌溉水足量时，需要通过电磁阀控制外部灌溉水流入储水器的通路，以使储水器中的灌溉水被土壤基质势吸收到土壤中时形成负压，而电磁阀需要消耗大量能量，使得灌溉能耗较高，不利于节能环保。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提出一种利用土壤负压吸水控制灌溉水开关的装置，能够有效降低灌溉能耗。

为达到上述目的，本发明提供了一种利用土壤负压吸水控制灌溉水开关的装置，包括：第一盛液器、第二盛液器、第一连接管、第二连接管、第三连接管、第一悬挂绳、第二悬挂绳以及第一杠杆；其中，

在高度方向上，第一盛液器的顶部低于第二盛液器的底部；

第一杠杆的第一端缠绕第一悬挂绳，第一悬挂绳悬挂第一盛液器；

第一杠杆的第二端缠绕第二悬挂绳，第二悬挂绳悬挂第二盛液器；

第二盛液器的顶部通过外部的第四连接管连通外部储水器的顶部；

第一连接管一端插入到第一盛液器底部，另一端分别与第二连接管以及第三连接管连通；

第二连接管的另一端与第二盛液器底部连通；

第三连接管的另一端与第二盛液器底部连通；

第二连接管与第二盛液器12连通形成的第一连通口位置高于第三连接管与第二盛液器连通形成的第二连通口位置。

较佳地，所述第一连接管为n型分岔连接管，第二连接管为u型连接管，第三连接管为u型连接管，在第一连接管、第二连接管以及第三连接管的连通处，形成一管道分岔点。

较佳地，连通第一连接管和第二盛液器的第二连接管的最低点高于连通第一连接管和第二盛液器的第三连接管的最低点。

较佳地，所述第三连接管的最低点至第二连通口的高度大于第二连接管的最低点至第一连通口的高度。

较佳地，所述第二连接管以及第三连接管为具有柔韧性的连通管。

较佳地，当第二盛液器内空间气压为大气压时，第一盛液器处于低位置，第二盛液器处于高位置，管道分叉点低于第二盛液器的第二连通口，水银的液面高于管道分岔点。

较佳地，当第二盛液器内空间气压达到稳定的预设最大负压时，管道分叉点高于第二盛液器的第二连通口，水银的液面高于管道分岔点，水银存储在第三连接管中和第二盛液器的底部，该底部水银液面高度低于第一连通口。

较佳地，由第二连接管14的最低点与其在第二盛液器12内的第一连通口的高度差确定所述预设最大负压。

较佳地，所述外部负压储水桶的底部通过出水管连接到埋置在土壤中具有透水不透气功能的灌水器，所述外部负压储水桶的顶部设置有塞子，所述塞子下压密封所述外部负压储水桶，所述塞子提起，外部灌溉水流入所述外部负压储水桶，所述塞子下压和所述塞子提起由所述第一杠杆控制。

较佳地，在初始状态下，储水桶中充满了灌溉水，塞子塞住了储水桶；第一杠杆的第二端高于第一杠杆的第一端，第一盛液器处于低位置，第二盛液器12处于高位置；

在初始状态下，第一盛液器中有预定量的水，第二盛液器12中没有水；第二连接管、第三连接管中充注有水银，水银的液位漫过了管道分叉点；

当土壤干到预定程度时，土壤开始吸收储水桶内的灌溉水，储水桶中的灌溉水液面逐渐下降，储水桶顶部的空气空间逐渐变大，气压逐渐变小，形成负压；由于储水桶顶部和第二盛液器顶部通过第四连接管相连通，第二盛液器内的气压也逐渐下降，由于水银的液位漫过了管道分叉点，阻断了第二盛液器与第一盛液器的连通通路，第二盛液器内的气压与第一盛液器内的气压形成气压差；

在气压差的作用下，驱动第一盛液器中的水进入第一连接管，第一盛液器中的液位开始下降；同时，充注在第二连接管、第三连接管中的水银向第二盛液器方向移动，与第一盛液器中的水位形成总液位差，该总液位差包括水液位差和水银液位差，总液位差所产生的压强与第二盛液器中的负压相等；

随着土壤吸收的水分越来越多，储水桶顶部和第二盛液器顶部的负压越来越大，当该负压大于总液位差所产生的压强时，驱动第二连接管中的水银通过第一连通口全部流到第二盛液器底部，第二连接管成为水的自由通道，第一盛液器中的灌溉水快速地被负压吸进到第二盛液器，使得第二盛液器中水的重量快速增加，第一盛液器中水的质量快速减少，第二盛液器下沉到低位置，第一盛液器上升到高位置；

第一杠杆的第二端下降到低位置，控制将储水桶顶部的塞子提起，使得外部灌溉水流入储水桶，储水桶中的空气空间缩小，负压消失；

当储水桶、第二盛液器中的负压消失后(负压减小到零，即储水桶内空气压力为大气压)，第二盛液器中的水在重力势的驱动下，经过第二连接管快速流回到第一盛液器，同时驱动第二盛液器中的水银回流至第三连接管；

在第二盛液器中的水回流到第一盛液器中后，第一盛液器中的气压与第二盛液器中的气压相等，第二盛液器中的水银与第三连接管中的水银维持同一液面，使得水银的液位漫过管道分叉点，从而进入第二连接管，最终维持在水银的液位漫过管道分叉点的某一位置，阻断第一盛液器与第二盛液器的连通通路；

由于第一盛液器中水的重量快速增加，第二盛液器中水的重量快速减少，在增重的第一盛液器重量的拉动下，第一盛液器下沉到低位置，第二盛液器上升到高位置，第一杠杆悬挂第一盛液器的一端下沉，悬挂第二盛液器的一端上升，控制将储水桶顶部的塞子压下以密封第二储水桶，阻断外部灌溉水流入储水桶的通路，进入初始状态。

由上述的技术方案可见，本发明提供的一种利用土壤负压吸水控制灌溉水开关的装置，包括：第一盛液器、第二盛液器、第一连接管、第二连接管、第三连接管、第一悬挂绳、第二悬挂绳以及第一杠杆；其中，在高度方向上，第一盛液器的顶部低于第二盛液器的底部；第一杠杆的第一端缠绕第一悬挂绳，第一悬挂绳悬挂第一盛液器；第一杠杆的第二端缠绕第二悬挂绳，第二悬挂绳悬挂第二盛液器；第一杠杆的第二端与第二杠杆的第一端铰接；第二杠杆的第二端固定有连接杆；第二盛液器的顶部通过外部的第四连接管连通外部储水器的顶部；第一连接管一端插入到第一盛液器底部，另一端分别与第二连接管以及第三连接管连通；第二连接管的另一端与第二盛液器底部连通；第三连接管的另一端与第二盛液器底部连通；第二连接管与第二盛液器12连通形成的第一连通口位置高于第三连接管与第二盛液器连通形成的第二连通口位置。这样，利用外部储水器的负压变化，从而可以控制一定量的灌溉水在第一盛液器和第二盛液器之间循环流动，引起第一杠杆上下摆动，利用第一杠杆的上下摆动，控制储水器的塞子下压和提起，达到向储水器补充灌溉水以及密封储水器产生负压的目的，从而利用土壤吸收水分产生的能量实现灌溉水补充和负压维持，可以有效降低灌溉能耗。

附图说明

图1为本实施例利用土壤负压吸水控制灌溉水开关的装置结构示意图；

图2为本实施例实现正压和负压灌溉的系统结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。

生产经验和科学研究均表明，除了水生植物外，旱地农作物生长发育的最佳水分条件是比饱和含水量低的某个非饱和水分状态，而且当农作物吸水后会导致根系周围的水势下降，进一步引发根系周围远处的水分向根系周围移动，以图维持根系水势不下降，也就是说农作物对于维持根系周围土壤水分状态具有一定的主动性。

本实施例中，提出一种利用土壤负压吸水控制灌溉水开关的装置，以期将负压灌溉和传统灌水系统(正压灌溉)对接起来，既能够利用传统滴灌(正压灌溉)中灌溉水分布快、土壤湿润形成快等方面的优点，又能够利用负压灌溉具有作物主动性、无能耗、全自动等方面的优点，形成无能耗全自动微压-负压循环式灌水技术，促进高效节水灌溉技术的发展。

图1为本实施例利用土壤负压吸水控制灌溉水开关的装置结构示意图。如图1所示，包括：第一盛液器11、第二盛液器12、第一连接管13、第二连接管14、第三连接管15、第一悬挂绳16、第二悬挂绳17以及第一杠杆18；

本实施例中，作为一可选实施例，第一杠杆18的中点为支点。

本实施例中，第一盛液器11、第二盛液器12均具有两种稳定的位置：高位置和低位置，而且第一盛液器11的稳定位置与第二盛液器12的稳定位置具有相逆性，不能处于相同的位置，即当第一盛液器11处于高位置(相对自身的低位置)时，第二盛液器12处于低位置，当第一盛液器11处于低位置时，第二盛液器12处于高位置。

本实施例中，作为一可选实施例，第一连接管13为n型分岔连接管，第二连接管14为u型连接管，第三连接管15为u型连接管，在第一连接管13、第二连接管14以及第三连接管15的连通处，形成一管道分岔点27。

本实施例中，作为一可选实施例，连通第一连接管13和第二盛液器12的第二连接管14的最低点高于连通第一连接管13和第二盛液器12的第三连接管15的最低点。

本实施例中，作为另一可选实施例，第三连接管15的最低点至第二连通口的高度大于第二连接管14的最低点至第一连通口的高度。

本实施例中，作为一可选实施例，第二连接管14以及第三连接管15为具有柔韧性的连通管，能够承受第一盛液器11、第二盛液器12在垂直(高度)方向上发生一定程度的位移。

本实施例中，作为一可选实施例，第一连接管的顶部高于第一连通口。

本实施例中，初始状态时，第二盛液器12内预先注入有一定量的第一液体(例如，水)和一定量的第二液体(重液，例如，水银)。在稳定的高位置或低位置下，绝大部分水只能在一个盛液器中(第一盛液器11或第二盛液器12)，具体来说，当第二盛液器12内空间气压达到稳定的最大负压时，水绝大部分存储在第二盛液器12中，当第二盛液器12内空间气压为大气压(没有负压)时，水绝大部分存储在第一盛液器11中。

本实施例中，作为一可选实施例，水银存储在第一连接管13的管道分岔点处、第二连接管14内、第三连接管15内以及第二盛液器12的底部。

本实施例中，作为一可选实施例，当第二盛液器12内空间气压为大气压时，第一盛液器11处于低位置，第二盛液器12处于高位置，管道分叉点低于第二盛液器12的第二连通口，水银的液面高于管道分岔点。

当第二盛液器12内空间气压达到稳定的最大负压时，第一盛液器11处于高位置状态，第二盛液器12处于低位置状态，管道分叉点高于第二盛液器12的第二连通口，水银的液面高于管道分岔点，水银存储在第三连接管15中和第二盛液器12的底部，该底部水银液面高度低于第一连通口。

本实施例中，作为一可选实施例，第二连接管14的最低点与其在第二盛液器12内的第一连通口的高度差(H)用于控制系统最大负压，由于水柱的压力远远小于水银的压力，在忽略水柱压力的情形下，该最大负压值大约为：水银密度×重力加速度×高度差H。

本实施例中，储水桶顶部的塞子用于密封储水桶，由第一杠杆18的翘起与放落，控制提起塞子和放下塞子，从而实现了储水桶顶部开孔的“开”与“闭”。

本实施例中，作为一可选实施例，所述外部负压储水桶的底部通过出水管连接到埋置在土壤中具有透水不透气功能的灌水器，所述外部负压储水桶的顶部设置有塞子，所述塞子下压密封所述外部负压储水桶，所述塞子提起，外部灌溉水流入所述外部负压储水桶，所述塞子下压和所述塞子提起由所述第一杠杆控制。

本实施例中，作为一可选实施例，在初始状态下，储水桶中充满了灌溉水，塞子塞住了储水桶；第一杠杆的第二端高于第一杠杆的第一端，第一盛液器处于低位置，第二盛液器12处于高位置；

在初始状态下，第一盛液器中有预定量的水，第二盛液器12中没有水；第二连接管、第三连接管中充注有水银，水银的液位漫过了管道分叉点；

当土壤干到预定程度时，土壤开始吸收储水桶内的灌溉水，储水桶中的灌溉水液面逐渐下降，储水桶顶部的空气空间逐渐变大，气压逐渐变小，形成负压；由于储水桶顶部和第二盛液器顶部通过第四连接管相连通，第二盛液器内的气压也逐渐下降，由于水银的液位漫过了管道分叉点，阻断了第二盛液器与第一盛液器的连通通路，第二盛液器内的气压与第一盛液器内的气压形成气压差；

在气压差的作用下，驱动第一盛液器中的水进入第一连接管，第一盛液器中的液位开始下降；同时，充注在第二连接管、第三连接管中的水银向第二盛液器方向移动，与第一盛液器中的水位形成总液位差，该总液位差包括水液位差和水银液位差，总液位差所产生的压强与第二盛液器中的负压相等；

随着土壤吸收的水分越来越多，储水桶顶部和第二盛液器顶部的负压越来越大，当该负压大于总液位差所产生的压强时，驱动第二连接管中的水银通过第一连通口全部流到第二盛液器底部，第二连接管成为水的自由通道，第一盛液器中的灌溉水快速地被负压吸进到第二盛液器，使得第二盛液器中水的重量快速增加，第一盛液器中水的质量快速减少，第二盛液器下沉到低位置，第一盛液器上升到高位置；

第一杠杆的第二端下降到低位置，控制将储水桶顶部的塞子提起，使得外部灌溉水流入储水桶，储水桶中的空气空间缩小，负压消失；

当储水桶、第二盛液器中的负压消失后(负压减小到零，即储水桶内空气压力为大气压)，第二盛液器中的水在重力势的驱动下，经过第二连接管快速流回到第一盛液器，同时驱动第二盛液器中的水银回流至第三连接管；

在第二盛液器中的水回流到第一盛液器中后，第一盛液器中的气压与第二盛液器中的气压相等，第二盛液器中的水银与第三连接管中的水银维持同一液面，使得水银的液位漫过管道分叉点，从而进入第二连接管，最终维持在水银的液位漫过管道分叉点的某一位置，阻断第一盛液器与第二盛液器的连通通路；

由于第一盛液器中水的重量快速增加，第二盛液器中水的重量快速减少，在增重的第一盛液器重量的拉动下，第一盛液器下沉到低位置，第二盛液器上升到高位置，第一杠杆悬挂第一盛液器的一端下沉，悬挂第二盛液器的一端上升，控制将储水桶顶部的塞子压下以密封第二储水桶，阻断外部灌溉水流入储水桶的通路，进入初始状态。

本实施例中，利用土壤负压吸水控制灌溉水开关的装置利用外部储水器的负压变化，从而可以控制一定量的灌溉水在第一盛液器和第二盛液器之间循环流动，引起第一杠杆上下摆动，利用第一杠杆的上下摆动，控制储水器的塞子下压和提起，达到向储水器补充灌溉水以及密封储水器产生负压的目的，从而利用土壤吸收水分产生的能量实现灌溉水补充和负压维持，可以有效降低灌溉能耗。

图2为本实施例实现正压和负压灌溉的系统结构示意图。如图2所示，该实现正压和负压灌溉的系统包括：开关控制子系统以及灌水子系统，其中，

开关控制子系统为图1所示的利用土壤负压吸水控制灌溉水开关的装置，包括：第一盛液器11、第二盛液器12、第一连接管13、第二连接管14、第三连接管15、第一悬挂绳16、第二悬挂绳17以及第一杠杆18；

灌水子系统包括：第四连接管19、连接杆20、第二杠杆21、塞子22、第一储水桶23、第二储水桶24(图1中外部储水器)、出水管25以及灌水器26；其中，

在高度方向上，第一盛液器11的顶部低于第二盛液器12的底部；

第一杠杆18的第一端缠绕第一悬挂绳16，第一悬挂绳16悬挂第一盛液器11；

第一杠杆18的第二端缠绕第二悬挂绳17，第二悬挂绳17悬挂第二盛液器12；

第一杠杆18的第二端与第二杠杆21的第一端铰接；

第二杠杆21的第二端固定有连接杆20；

第二盛液器12的顶部通过第四连接管19连通第二储水器的顶部；

第一连接管13一端插入到第一盛液器11底部，另一端分别与第二连接管14以及第三连接管15连通；

第二连接管14的另一端与第二盛液器12底部连通；

第三连接管15的另一端与第二盛液器12底部连通；

第二连接管14与第二盛液器12连通形成的第一连通口位置高于第三连接管15与第二盛液器12连通形成的第二连通口位置；

第一储水桶23位于第二储水桶24之上，第一储水桶23的底部为第二储水桶24的顶部；

第二储水桶24顶部设置有用塞子22密封的开孔，连接杆20插入到密封开孔的塞子22中；

第二储水桶24的底部通过出水管25连接到具有透水不透气功能的灌水器26；

灌水器26埋置在土壤中。

本实施例中，作为一可选实施例，第一杠杆18和第二杠杆21的中点分别为支点。

本实施例中，作为一可选实施例，第一储水桶23与第二储水桶24为一体结构。

本实施例中，作为一可选实施例，第一储水桶23可以是开放的容器(可以有盖子)，直接暴露于大气中，可以直接连接到灌溉输水管。

本实施例中，作为一可选实施例，第一储水桶23中的灌溉水，既可以通过人工方式补充，也可以将其连接到系统外的灌溉水管，通过无能耗的浮球开关、液位开关等自动维持水位稳定。

本实施例中，灌水器26由具有亲水性的微孔材料做成，当其微孔含有一定量的水分时，水分可以凭借湿润作用通过灌水器26的管壁，而空气不能通过，即具有“透水不透气”的功能。

本实施例中，当灌水器26内部的压力是正压时，灌水器26内的灌溉水以饱和流的穿过管壁而进入土壤。

本实施例中，作为一可选实施例，灌水器26空间位置始终低于第二储水桶24的底部。

本实施例中，第二储水桶24顶部的塞子22用于密封第二储水桶，插入在塞子22中并与塞子22固连的连接杆20与第二杠杆21连接，第二杠杆21的翘起与放落可以提起塞子22和放下塞子22，从而实现了第二储水桶24顶部开孔的“开”与“闭”，即在塞子22被第二杠杆21的翘起提起时，第一储水桶23中的灌溉水流入第二储水桶24，第二储水桶24内的空气穿过第一储水桶23被排放到大气中。此时，第一储水桶23、第二储水桶24、出水管25、灌水器26组成了一个开放的负压灌溉系统。当塞子22被第二杠杆21的放落下压时，塞子22堵住了第二储水桶24顶部的开孔，阻断第一储水桶23中的灌溉水流入第二储水桶24，第二储水桶24、出水管25、灌水器26组成了一个密闭的负压灌溉系统。

下面对本实施例的实现正压和负压灌溉的系统的工作流程进行说明。

本实施例中，在初始状态下，第一储水桶23、第二储水桶24、出水管25、灌水器26中充满了灌溉水，塞子22塞住了第二储水桶24顶部的开孔；与塞子22相连的第二杠杆21的第二端低于第一端，从而撬起第一杠杆的第二端，使得第一杠杆的第二端高于第一杠杆的第一端，第一盛液器11处于低位置，第二盛液器12处于高位置；

在初始状态下，第一盛液器11中有预定量的水，第二盛液器12中没有水；第二连接管14、第三连接管15中充注有水银，水银的液位漫过了管道分叉点；本实施例中，在初始状态下，水银的液位可以高于第二连通口，但低于第一连通口。

当土壤干到一定程度时，土壤开始将灌水器26内的灌溉水吸收到土壤中，第二储水桶24中的灌溉水液面逐渐下降，使得第二储水桶24顶部的空气空间逐渐变大，气压逐渐变小，形成负压；由于第二储水桶24顶部和第二盛液器12顶部通过第四连接管19相连通，第二盛液器12内的气压也逐渐下降，且第二盛液器12内的气压等于第二储水桶24顶部的气压，由于水银的液位漫过了管道分叉点，阻断了第二盛液器12与第一盛液器11的连通通路，第二盛液器12内的气压与第一盛液器11内的气压形成气压差；

由于第二盛液器12和第一盛液器11通过第一连接管13、第二连接管14、第三连接管15相连通，在气压差的作用下，驱动第一盛液器11中的液体(水)进入第一连接管13，第一盛液器11中的液位开始下降；同时，充注在第二连接管14、第三连接管15中的水银向第二盛液器12方向移动，使得与第二盛液器12相连通的第二连接管14和第三连接管15的一端的液位开始上升，与第一盛液器11中的水位形成总液位差，该总液位差包括水液位差和水银液位差，总液位差所产生的压强与第二盛液器12中的负压相等；

随着土壤吸收的水分越来越多，第二储水桶24顶部和第二盛液器12顶部的负压越来越大，当该负压大于总液位差所产生的压强时，驱动第二连接管14中的水银通过第一连通口全部流到第二盛液器12底部，第二连接管14成为水的自由通道，第一盛液器11中的灌溉水快速地被负压吸进到第二盛液器12，使得第二盛液器12中水的重量快速增加，第一盛液器11中水的质量快速减少，导致第一杠杆18两端的平衡被打破，第一杠杆18的状态开始改变，第二盛液器12下沉到低位置；

第一杠杆18的第二端在第二盛液器12重量的拉动下，下沉到低位置，第一盛液器11上升到高位置；

由于第一杠杆18悬挂第二盛液器12的一端下沉，悬挂第一盛液器11的一端上升，进而带动第二杠杆21的状态发生改变，第二杠杆21的第二端上升到高位置，从而通过连接杆20将第二储水桶24顶部的塞子22提起，使得第一储水桶23与第二储水桶24连通，灌溉水从第一储水桶23进入第二储水桶24，第二储水桶24中的空气空间缩小，负压消失(第二储水桶24中的空气经过第一储水桶23而进入大气)；

当第二储水桶24、第二盛液器12中的负压消失后(负压减小到零，即第二储水桶24内空气压力为大气压)，第二盛液器12中的水在重力势的驱动下，经过第二连接管14快速流回到第一盛液器11，同时驱动第二盛液器12中的水银回流至第三连接管15，在第二盛液器12中的水回流到第一盛液器11中后，第一盛液器11中的气压与第二盛液器12中的气压相等，第二盛液器12中的水银与第三连接管15中的水银维持同一液面，使得水银的液位漫过管道分叉点，从而进入第二连接管14，最终维持在水银的液位漫过管道分叉点的某一位置，阻断第一盛液器11与第二盛液器12的连通通路；

由于第一盛液器11中水的重量快速增加，第二盛液器12中水的重量快速减少，在增重的第一盛液器11重量的拉动下，第一盛液器11下沉到低位置，第二盛液器12上升到高位置，第一杠杆18悬挂第一盛液器11的一端下沉，悬挂第二盛液器12的一端上升，进而带动第二杠杆21的第二端下压下沉到低位置，通过连接杆20将第二储水桶24顶部的塞子22压下，第一储水桶23与第二储水桶24之间的灌溉水通路被阻断，系统进入初始状态。

本实施例中，在第二储水桶24顶部的塞子22被提起期间，以及此塞子22被重新压下一定时间内，灌水器26内的压力(第二储水桶24内气压与第二储水桶24内水位压之和)大于大气压。此时的灌水系统是一个有压的正压灌水系统，可以驱动水分快速地通过灌水器26，并流向土壤，有效提升了土壤水分空间分布速率。

上述过程周而复始地进行，实现了“全过程无能耗全自动正压(微压)～负压灌水”，充分利用了正压灌溉和负压灌溉的优点，克服正压灌溉和负压灌溉的缺点。这样，灌溉水通过正压灌溉和负压灌溉流入土壤，在正压灌溉下，处于饱和流状态，可以充分利用土壤孔隙流、毛管流、优先流等，能够有效降低灌溉能耗、提升灌溉水在土壤水分空间分布速率，从而快速形成有效湿润体；进一步地，可减少土壤水分渗漏和土壤蒸发、实现无能耗自动灌溉、提高灌溉水利用效率；而且，第一储水桶与第二储水桶通过塞子实现连通和阻断，实现了与现有的灌溉管路(第一储水桶)对接，无需人工频繁地往第二储水桶中添加灌溉水，有效降低了人工劳动量。

本实施例中，通过将一定量的液体放置在预设规格形状的容器(第一盛液器)内，利用液体重力和由土壤吸水产生的空气负压吸力，驱动液体在两个容器(第一盛液器以及第二盛液器)内发生有规律的位移，引起系统的重心发生移动，从而对外输出动力，并利用输出动力实现对第二储水桶开关(塞子)的控制，形成开关控制子系统。

本实施例中，用具有开关功能的容器(第二储水桶)、透水不透气的微孔灌水器组成一个灌水系统。当灌水系统的开关处于打开状态(塞子被提起)时，与外界灌溉管路联通，灌溉水与大气相通，是传统的有压滴灌系统或者渗灌系统。当开关处于关闭状态(塞子被压下)时，与外界灌溉管路断开，灌溉水与外界大气隔绝，此时的灌水系统便是负压灌溉系统，形成灌水子系统。

本实施例中，将以上两部分通过连通管以及杠杆连接起来，将灌水子系统产生的空气负压通过连通管传递到开关控制子系统，将开关控制子系统产生的动力通过杠杆或拉绳等传递到灌水子系统，驱动灌水子系统的开关产生打开、关闭的动作。当开关控制子系统产生的驱动力打开灌水子系统的开关，使得灌水子系统与外界灌溉管路联通、与大气也相通，新的灌溉水自动补充到灌水子系统、并且排出上轮灌溉水中溢出的空气。并且，由于此时灌水子系统中的负压消失，控压液体(水和水银)又逐渐回流到原始位置，重心恢复到原始状态，并驱动灌水子系统中的开关闭合，系统回到负压灌溉状态。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用土壤负压吸水控制灌溉水开关的装置，其特征在于，该装置包括：第一盛液器、第二盛液器、第一连接管、第二连接管、第三连接管、第一悬挂绳、第二悬挂绳以及第一杠杆；其中，

在高度方向上，第一盛液器的顶部低于第二盛液器的底部；

第一杠杆的第一端缠绕第一悬挂绳，第一悬挂绳悬挂第一盛液器；

第一杠杆的第二端缠绕第二悬挂绳，第二悬挂绳悬挂第二盛液器；

第二盛液器的顶部通过外部的第四连接管连通外部储水器的顶部；

第一连接管一端插入到第一盛液器底部，另一端分别与第二连接管以及第三连接管连通；

第二连接管的另一端与第二盛液器底部连通；

第三连接管的另一端与第二盛液器底部连通；

第二连接管与第二盛液器连通形成的第一连通口位置高于第三连接管与第二盛液器连通形成的第二连通口位置。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一连接管为n型分岔连接管，第二连接管为u型连接管，第三连接管为u型连接管，在第一连接管、第二连接管以及第三连接管的连通处，形成一管道分岔点。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，连通第一连接管和第二盛液器的第二连接管的最低点高于连通第一连接管和第二盛液器的第三连接管的最低点。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第三连接管的最低点至第二连通口的高度大于第二连接管的最低点至第一连通口的高度。

5.如权利要求1至4任一项所述的装置，其特征在于，所述第二连接管以及第三连接管为具有柔韧性的连通管。

6.如权利要求1至4任一项所述的装置，其特征在于，当第二盛液器内空间气压为大气压时，第一盛液器处于低位置，第二盛液器处于高位置，管道分叉点低于第二盛液器的第二连通口，水银的液面高于管道分岔点。

7.如权利要求1至4任一项所述的装置，其特征在于，当第二盛液器内空间气压达到稳定的预设最大负压时，管道分叉点高于第二盛液器的第二连通口，水银的液面高于管道分岔点，水银存储在第三连接管中和第二盛液器的底部，该底部水银液面高度低于第一连通口。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，由第二连接管的最低点与其在第二盛液器内的第一连通口的高度差确定所述预设最大负压。

9.如权利要求1至4任一项所述的装置，其特征在于，所述外部负压储水桶的底部通过出水管连接到埋置在土壤中具有透水不透气功能的灌水器，所述外部负压储水桶的顶部设置有塞子，所述塞子下压密封所述外部负压储水桶，所述塞子提起，外部灌溉水流入所述外部负压储水桶，所述塞子下压和所述塞子提起由所述第一杠杆控制。

10.如权利要求1至4任一项所述的装置，其特征在于，

在初始状态下，储水桶中充满了灌溉水，塞子塞住了储水桶；第一杠杆的第二端高于第一杠杆的第一端，第一盛液器处于低位置，第二盛液器处于高位置；

在初始状态下，第一盛液器中有预定量的水，第二盛液器中没有水；第二连接管、第三连接管中充注有水银，水银的液位漫过了管道分叉点；

当土壤干到预定程度时，土壤开始吸收储水桶内的灌溉水，储水桶中的灌溉水液面逐渐下降，储水桶顶部的空气空间逐渐变大，气压逐渐变小，形成负压；由于储水桶顶部和第二盛液器顶部通过第四连接管相连通，第二盛液器内的气压也逐渐下降，由于水银的液位漫过了管道分叉点，阻断了第二盛液器与第一盛液器的连通通路，第二盛液器内的气压与第一盛液器内的气压形成气压差；

在气压差的作用下，驱动第一盛液器中的水进入第一连接管，第一盛液器中的液位开始下降；同时，充注在第二连接管、第三连接管中的水银向第二盛液器方向移动，与第一盛液器中的水位形成总液位差，该总液位差包括水液位差和水银液位差，总液位差所产生的压强与第二盛液器中的负压相等；

随着土壤吸收的水分越来越多，储水桶顶部和第二盛液器顶部的负压越来越大，当该负压大于总液位差所产生的压强时，驱动第二连接管中的水银通过第一连通口全部流到第二盛液器底部，第二连接管成为水的自由通道，第一盛液器中的灌溉水快速地被负压吸进到第二盛液器，使得第二盛液器中水的重量快速增加，第一盛液器中水的质量快速减少，第二盛液器下沉到低位置，第一盛液器上升到高位置；

第一杠杆的第二端下降到低位置，控制将储水桶顶部的塞子提起，使得外部灌溉水流入储水桶，储水桶中的空气空间缩小，负压消失；

当储水桶、第二盛液器中的负压消失后，第二盛液器中的水在重力势的驱动下，经过第二连接管快速流回到第一盛液器，同时驱动第二盛液器中的水银回流至第三连接管；

在第二盛液器中的水回流到第一盛液器中后，第一盛液器中的气压与第二盛液器中的气压相等，第二盛液器中的水银与第三连接管中的水银维持同一液面，使得水银的液位漫过管道分叉点，从而进入第二连接管，最终维持在水银的液位漫过管道分叉点的某一位置，阻断第一盛液器与第二盛液器的连通通路；

由于第一盛液器中水的重量快速增加，第二盛液器中水的重量快速减少，在增重的第一盛液器重量的拉动下，第一盛液器下沉到低位置，第二盛液器上升到高位置，第一杠杆悬挂第一盛液器的一端下沉，悬挂第二盛液器的一端上升，控制将储水桶顶部的塞子压下以密封第二储水桶，阻断外部灌溉水流入储水桶的通路，进入初始状态。

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