CN108519334A - 一种土壤养分自动检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土壤养分自动检测系统和土壤养分检测方法，该系统包括清洗液瓶、注射泵、储液环、混合腔、光电检测单元、试剂瓶、土壤样品瓶、废液瓶、至少两个蠕动泵、至少三个三通阀和至少三个多通道切换阀，废液瓶瓶口内设有气液分离器，各个构件通过管道连接，土壤检测方法包括抽取试剂和样品以及混合、清洗步骤。本发明能够实现土壤中的氮磷营养溶液和试剂自动进样检测，可以提高土壤养分的检测精度与效率，提高定量精度，减少人为的操作给土壤养分检测造成的误差，检测之后系统自动进行清洗，可以快速的进行下次检测。

Description

一种土壤养分自动检测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及土壤检测领域，尤其是涉及一种土壤养分自动检测系统及检测方法。

背景技术

农业是国民经济的基础，我国耕地少，人口多，长期面临着粮食供给安全的问题。粮食生长需要大量的氮磷营养元素，每年为了保证粮食的产量，农民投入大量的化肥来保证粮食产量。由于土地经营主要以散户为主，耕地规模小，为了提高粮食的产量，许多农业从业者在肥料的施用上往往存在着一些不当现象，例如对土地过量施肥，认为这样就能达到増产丰收的目的。这些片面的观点不仅不能达到增产丰收的目的，反而可能因为过量施用造成肥料大量地被浪费、土壤出现板结、投入产出比增加等现象。土壤中的氮磷营养元素变换成离子态被植物吸收，土壤中多余的养分离子易于通过地表径流、渗漏和挥发等损失掉，造成水体富营养化和污染空气环境。有很多地区因为大量施肥造成耕地周围的河流富营养化已经严重影响了水质。这样看来，农业生产环境已经因为盲目施肥受到了严重影响。化肥的不合理使用已成为农业生态环境不断恶化的重要原因之一，然而很多地区还在使用这种不科学的施肥技术，还没有意识到经济施肥、精确农业的重要性。

精准农业就是最少的投入达到更高的收入，以快速准确获取土壤质量信息作为技术支撑。合理施肥对于植物的增长具有很重要作用，施肥过少，土壤得不到应有的营养需求，会产生退化；施肥过多，不仅造成资源浪费，造成农业面源污染，从而影响生态环境。因此，土壤养分测量指导合理施肥是维持土壤质量的必经之路。传统土壤氮磷营养元素检测方法耗时、耗力，无法实现土壤氮磷等养分的快速检测。因此开发出对应的技术方案具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够提高土壤养分的检测精度与效率、减少人为的操作给土壤养分检测造成的误差的土壤养分自动检测系统及检测方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是:

一种土壤养分自动检测系统，包括清洗液瓶、注射泵、储液环、混合腔、用于检测土壤养分数据的光电检测单元、试剂瓶、土壤样品瓶、废液瓶、至少两个蠕动泵、至少三个三通阀和至少三个多通道切换阀，废液瓶瓶口内设有气液分离器，三通阀至少包括清洗三通阀、注射三通阀和排液三通阀各一个，蠕动泵至少包括上端蠕动泵和下端蠕动泵各一个，多通道切换阀至少包括过程控制切换阀、试剂切换阀和土壤样品切换阀各一个，注射三通阀的三个端口分别连接清洗液瓶、注射泵和储液环，清洗三通阀的三个端口分别连接清洗液瓶、光电检测单元和上端蠕动泵，排液三通阀的三个端口分别连接废液瓶、光电检测单元和下端蠕动泵，储液环连接过程控制切换阀，过程控制切换阀的多个通道分别连通试剂切换阀、土壤样品切换阀、混合腔、废液瓶和空气，试剂切换阀的其他通道分别连通试剂瓶、废液瓶和空气，土壤样品切换阀的其他通道分别连通废液瓶、土壤样品瓶和空气，混合腔上端连接上端蠕动泵，下端连接下端蠕动泵和过程控制切换阀；光电检测单元上设有直接连通废液瓶的管道。注射泵、各个蠕动泵、各个三通阀和各个多通道切换阀均接受控制器控制。

所述储液环由直径为小于或等于2mm的管道构成。

一种基于上述土壤养分自动检测系统的土壤养分检测方法，按照以下步骤进行：

①储液环清洗与储存：土壤养分测试开始前，注射三通阀接通清洗液瓶，注射泵抽入清洗液；然后注射三通阀接通储液环，过程控制切换阀接通废液瓶，注射泵向储液环中注入清洗液，储液环中的空气和多余的清洗液排到废液瓶；重复上述操作直到整个储液环中都充满清洗液；

②抽取土壤样品：土壤样品切换阀接通废液瓶，过程控制切换阀接通土壤样品切换阀；注射三通阀接通清洗液瓶与注射泵，吸入少量的清洗液；注射三通阀接通注射泵和储液环，注射泵将吸入的清洗液注入储液环，多余的清洗液经储液环、过程控制切换阀、土壤样品切换阀，排放到废液瓶中，使土壤样品切换阀到储液环之间的管道中充满清洗液，同时排出的清洗液清洗过程控制切换阀至土壤样品切换阀之间的管道；土壤样品切换阀接通土壤样品瓶，注射泵启动使管道中吸入足量的空气（即土壤样品切换阀至土壤样品瓶之间的管道内充满空气）后继续吸入土壤样品，使部分土壤样品经过过程控制切换阀到达储液环；过程控制切换阀接通废液瓶，注射泵将吸入的空气和样品排入废液瓶（过程控制切换阀至储液环之间的管道中保留少量空气作为隔离气泡）；此时，土壤样品瓶经过土壤样品切换阀至过程控制切换阀中的土壤溶液已经被提升到过程控制切换阀中；

接着提取定量的土壤样品：

过程控制切换阀接通土壤样品切换阀后接通土壤样品瓶，吸入过量的土壤样品进入储液环；过程控制切换阀接通混合腔，注射泵将定量的土壤样品排入混合腔中；过程控制切换阀接通废液瓶，将多余的土壤样品排入废液瓶；若样品量少于所需的量，重复上述过程，直到所需土壤样品全部排入混合腔以及过程控制切换阀至混合腔中的管道中；过程控制切换阀接通空气，吸入足量的空气；过程控制切换阀接通混合腔，注射泵排出空气，将过程控制切换阀至混合腔中的管道中的土壤样品全部推入混合腔；过程控制切换阀接通土壤样品切换阀，注射泵排出少量空气，产生一个隔离气泡，使土壤样品退回一段距离，避免交叉污染；最后，过程控制切换阀接通废液瓶，排出多余的空气；

③抽取管路清洗：土壤样品抽取并注入完成之后，过程控制切换阀切换到连通土壤样品切换阀的通道，土壤样品切换阀切换到连通废液瓶的通道，使管道中的土壤样品注入到废液瓶中并继续注入少量的清洗液进行清洗；

④抽取试剂并清洗：试剂瓶中试剂的抽取步骤与土壤样品瓶中土壤样品溶液的抽取步骤相同，抽取试剂后的抽取管路清洗步骤与抽取土壤样品后的抽取管路清洗步骤相同；

⑤混合：排液三通阀切换使下端蠕动泵与废液瓶相连，废液瓶瓶口处设置的气液分离器与大气相通，在气液分离器的下端有一个存水弯，废液经存水弯后流入废液瓶中，下端蠕动泵抽入空气对混合腔中的液体进行混合或者下端蠕动泵吸入少量混合液后快速排入混合腔形成搅拌流体使液体混合均匀；

⑥检测：排液三通阀切换使下端蠕动泵与光电检测单元相连，下端蠕动泵抽取混合腔中的液体到光电检测单元，在抽入液体时，清洗三通阀切换使上端蠕动泵与光电检测单元连接，抽取注入光电检测单元内的液体中的气泡，待气泡抽取完成后光电检测单元进行土壤养分的检测；

⑦检测管路清洗：光电检测单元检测土壤养分之后，排液三通阀切换到连通废液瓶的通道，下端蠕动泵把混合腔中的液体抽入到废液瓶中，清洗三通阀切换使上端蠕动泵连通清洗液瓶，上端蠕动泵抽取清洗液对混合腔进行清洗，同时切换排液三通阀使下端蠕动泵连通废液瓶，通过下端蠕动泵将混合腔中的清洗液抽到废液瓶中；清洗干净后，上端蠕动泵继续抽取清洗液，并切换排液三通阀连通光电检测单元对光电检测单元，清洗液流过光电检测单元至废液瓶中，上述清洗步骤至少进行两次。

至此一次的检测工作结束。

土壤养分检测时需要多种试剂，可以重复上述抽入试剂步骤，抽取定量的试剂。所述气液分离器为现有技术容易实现的。所述用于检测土壤养分数据的光电检测单元可以由一种光电检测器或者多种光电检测器组合成，且该技术和光电检测器均为现有技术或者现有技术容易实现的。

上述过程中所抽取的液体和空气的体积由注射泵确定并通过控制器控制，控制器还自动控制每个过程的进行，该技术为现有控制技术中容易实现的，故不再赘述。

本发明具有以下显著的技术效果：

土壤养分自动进样检测系统与方法能够实现土壤中的氮磷营养溶液和试剂自动进样检测，可以提高土壤养分的检测精度与效率，特别是每次抽取试剂或者样品前后均抽取一定量的空气作为阻隔，最大保证液体不互相交叉污染，提高定量精度，减少人为的操作给土壤养分检测造成的误差，检测之后系统自动进行清洗，可以快速的进行下次检测，指导农民根据作物需要进行施肥，提高农业精细化的作业水平，增加农民的经济收入。

附图说明

图1为本发明的土壤养分自动检测系统的具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，一种土壤养分自动检测系统，包括清洗液瓶1、注射泵2、储液环5、混合腔6、光电检测单元4、试剂瓶9、土壤样品瓶10、废液瓶11、两个蠕动泵、三个三通阀和三个多通道切换阀，废液瓶11瓶口内设有气液分离器，三通阀包括清洗三通阀31、注射三通阀3和排液三通阀32各一个，蠕动泵包括上端蠕动泵7和下端蠕动泵71各一个，多通道切换阀包括过程控制切换阀8、试剂切换阀81和土壤样品切换阀82各一个，储液环5由直径为2mm的管道构成，注射三通阀3的三个端口分别连接清洗液瓶1、注射泵2和储液环5，清洗三通阀31的三个端口分别连接清洗液瓶1、光电检测单元4和上端蠕动泵7，排液三通阀32的三个端口分别连接废液瓶11、光电检测单元4和下端蠕动泵71，储液环5连接过程控制切换阀8，过程控制切换阀8的多个通道分别连通试剂切换阀81、土壤样品切换阀82、混合腔6、废液瓶11和空气，试剂切换阀81的其他通道分别连通试剂瓶9、废液瓶11和空气，土壤样品切换阀82的其他通道分别连通废液瓶11、土壤样品瓶10和空气，混合腔6上端连接上端蠕动泵7，下端连接下端蠕动泵71和过程控制切换阀8；光电检测单元4上设有直接连通废液瓶11的管道。注射泵2、各个蠕动泵、各个三通阀和各个多通道切换阀均接受控制器控制。所述用于检测土壤养分数据的光电检测单元4可以由一种光电检测器或者多种光电检测器组合成，且该技术和光电检测器均为现有技术或者现有技术容易实现的

具体使用时，按照以下步骤进行：

①储液环5清洗与储存：土壤养分测试开始前，注射三通阀3接通清洗液瓶1，注射泵2抽入清洗液；然后注射三通阀3接通储液环5，过程控制切换阀8接通废液瓶11，注射泵2向储液环5中注入清洗液，储液环5中的空气和多余的清洗液排到废液瓶11；重复上述操作直到整个储液环5中都充满清洗液；

②抽取土壤样品：土壤样品切换阀82接通废液瓶11，过程控制切换阀8接通土壤样品切换阀82；注射三通阀3接通清洗液瓶1与注射泵2，吸入少量的清洗液；注射三通阀3接通注射泵2和储液环5，注射泵2将吸入的清洗液注入储液环5，多余的清洗液经储液环5、过程控制切换阀8、土壤样品切换阀82，排放到废液瓶11中，使土壤样品切换阀82到储液环5之间的管道中充满清洗液，同时排出的清洗液清洗过程控制切换阀8至土壤样品切换阀82之间的管道；土壤样品切换阀82接通土壤样品瓶10，注射泵2启动使管道中吸入足量的空气（即土壤样品切换阀82至土壤样品瓶10之间的管道内充满空气）后继续吸入土壤样品，使部分土壤样品经过过程控制切换阀8到达储液环5；过程控制切换阀8接通废液瓶11，注射泵5将吸入的空气和样品排入废液瓶11（过程控制切换阀8至储液环5之间的管道中保留少量空气作为隔离气泡）；此时，土壤样品瓶10经过土壤样品切换阀82至过程控制切换阀8中的土壤溶液已经被提升到过程控制切换阀8中；

接着提取定量的土壤样品：

过程控制切换阀8接通土壤样品切换阀82后接通土壤样品瓶10，吸入过量的土壤样品进入储液环5；过程控制切换阀8接通混合腔6，注射泵2将定量的土壤样品排入混合腔6中；过程控制切换阀8接通废液瓶11，将多余的土壤样品排入废液瓶11；若样品量少于所需的量，重复上述过程，直到所需土壤样品全部排入混合腔6以及过程控制切换阀8至混合腔6中的管道中；过程控制切换阀8接通空气，吸入足量的空气；过程控制切换阀8接通混合腔6，注射泵2排出空气，将过程控制切换阀8至混合腔6中的管道中的土壤样品全部推入混合腔6；过程控制切换阀8接通土壤样品切换阀82，注射泵2排出少量空气，产生一个隔离气泡，使土壤样品退回一段距离，避免交叉污染；最后，过程控制切换阀8接通废液瓶11，排出多余的空气；

③抽取管路清洗：土壤样品抽取并注入完成之后，过程控制切换阀8切换到连通土壤样品切换阀82的通道，土壤样品切换阀82切换到连通废液瓶11的通道，使管道中的土壤样品注入到废液瓶11中并继续注入少量的清洗液进行清洗；

④抽取试剂并清洗：试剂瓶9中试剂的抽取步骤与土壤样品瓶10中土壤样品溶液的抽取步骤相同，抽取试剂后的抽取管路清洗步骤与抽取土壤样品后的抽取管路清洗步骤相同；

⑤混合：排液三通阀切32换使下端蠕动泵71与废液瓶11相连，废液瓶11瓶口处设置的气液分离器与大气相通，气液分离器的下端有一个存水弯，废液经存水弯后流入废液瓶11中，下端蠕动泵71抽入空气对混合腔6中的液体进行混合；下端蠕动泵71也可吸入少量混合液，然后快速排入混合腔6，形成搅拌流体，使液体混合均匀；

⑥检测：排液三通阀32切换使下端蠕动泵71与光电检测单元4相连，下端蠕动泵71抽取混合腔6中的液体到光电检测单元4，在抽入液体时，清洗三通阀31切换使上端蠕动泵7与光电检测单元4连接，抽取注入光电检测单元4内的液体中的气泡，待气泡抽取完成后光电检测单元4进行土壤养分的检测；

⑦检测管路清洗：光电检测单元4检测土壤养分之后，排液三通阀32切换到连通废液瓶11的通道，下端蠕动泵71把混合腔6中的液体抽入到废液瓶11中，清洗三通阀31切换使上端蠕动泵7连通清洗液瓶1，上端蠕动泵7抽取清洗液对混合腔6进行清洗，同时切换排液三通阀32使下端蠕动泵71连通废液瓶11，通过下端蠕动泵71将混合腔6中的清洗液抽到废液瓶11中；清洗干净后，上端蠕动泵7继续抽取清洗液，并切换排液三通阀32连通光电检测单元4，清洗液流过光电检测单元4至废液瓶11中，上述清洗步骤至少进行两次。

至此一次的检测工作结束。

土壤养分检测时需要多种试剂，可以重复上述抽入试剂步骤，抽取一定量的试剂。土壤样品也可设置多种，同样重复上述抽入样品步骤。上述过程中所抽取的液体和空气的体积由注射泵2确定并通过控制器控制，控制器还自动控制每个过程的进行，该技术为现有控制技术中容易实现的，故不再赘述。本发明能够实现土壤中的氮磷营养溶液和试剂自动进样检测，可以提高土壤养分的检测精度与效率，特别是每次抽取试剂或者样品前后均抽取一定量的空气作为阻隔，最大保证液体不互相交叉污染，提高定量精度，减少人为的操作给土壤养分检测造成的误差，检测之后系统自动进行清洗，可以快速的进行下次检测，指导农民根据作物需要进行施肥，提高农业精细化的作业水平，增加农民的经济收入。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种土壤养分自动检测系统，其特征在于：包括清洗液瓶、注射泵、储液环、混合腔、用于检测土壤养分数据的光电检测单元、试剂瓶、土壤样品瓶、废液瓶、至少两个蠕动泵、至少三个三通阀和至少三个多通道切换阀，废液瓶瓶口内设有气液分离器，三通阀至少包括清洗三通阀、注射三通阀和排液三通阀各一个，蠕动泵至少包括上端蠕动泵和下端蠕动泵各一个，多通道切换阀至少包括过程控制切换阀、试剂切换阀和土壤样品切换阀各一个，注射三通阀的三个端口分别连接清洗液瓶、注射泵和储液环，清洗三通阀的三个端口分别连接清洗液瓶、光电检测单元和上端蠕动泵，排液三通阀的三个端口分别连接废液瓶、光电检测单元和下端蠕动泵，储液环连接过程控制切换阀，过程控制切换阀的多个通道分别连通试剂切换阀、土壤样品切换阀、混合腔、废液瓶和空气，试剂切换阀的其他通道分别连通试剂瓶、废液瓶和空气，土壤样品切换阀的其他通道分别连通废液瓶、土壤样品瓶和空气，混合腔上端连接上端蠕动泵，下端连接下端蠕动泵和过程控制切换阀；光电检测单元上设有直接连通废液瓶的管道。

2.注射泵、各个蠕动泵、各个三通阀和各个多通道切换阀均接受控制器控制。

3.根据权利要求1所述的一种土壤养分自动检测系统，其特征在于：所述储液环由直径为小于或等于2mm的管道构成。

4.一种基于权利要求1所述的一种土壤养分自动检测系统的土壤养分检测方法，其特征在于：按照以下步骤进行：

①储液环清洗与储存：土壤养分测试开始前，注射三通阀接通清洗液瓶，注射泵抽入清洗液；然后注射三通阀接通储液环，过程控制切换阀接通废液瓶，注射泵向储液环中注入清洗液，储液环中的空气和多余的清洗液排到废液瓶；重复上述操作直到整个储液环中都充满清洗液；

②抽取土壤样品：土壤样品切换阀接通废液瓶，过程控制切换阀接通土壤样品切换阀；注射三通阀接通清洗液瓶与注射泵，吸入少量的清洗液；注射三通阀接通注射泵和储液环，注射泵将吸入的清洗液注入储液环，多余的清洗液经储液环、过程控制切换阀、土壤样品切换阀，排放到废液瓶中，使土壤样品切换阀到储液环之间的管道中充满清洗液，同时排出的清洗液清洗过程控制切换阀至土壤样品切换阀之间的管道；土壤样品切换阀接通土壤样品瓶，注射泵启动使管道中吸入足量的空气（即土壤样品切换阀至土壤样品瓶之间的管道内充满空气）后继续吸入土壤样品，使部分土壤样品经过过程控制切换阀到达储液环；过程控制切换阀接通废液瓶，注射泵将吸入的空气和样品排入废液瓶（过程控制切换阀至储液环之间的管道中保留少量空气作为隔离气泡）；此时，土壤样品瓶经过土壤样品切换阀至过程控制切换阀中的土壤溶液已经被提升到过程控制切换阀中；

接着提取定量的土壤样品：

过程控制切换阀接通土壤样品切换阀后接通土壤样品瓶，吸入过量的土壤样品进入储液环；过程控制切换阀接通混合腔，注射泵将定量的土壤样品排入混合腔中；过程控制切换阀接通废液瓶，将多余的土壤样品排入废液瓶；若样品量少于所需的量，重复上述过程，直到所需土壤样品全部排入混合腔以及过程控制切换阀至混合腔中的管道中；过程控制切换阀接通空气，吸入足量的空气；过程控制切换阀接通混合腔，注射泵排出空气，将过程控制切换阀至混合腔中的管道中的土壤样品全部推入混合腔；过程控制切换阀接通土壤样品切换阀，注射泵排出少量空气，产生一个隔离气泡，使土壤样品退回一段距离，避免交叉污染；最后，过程控制切换阀接通废液瓶，排出多余的空气；

③抽取管路清洗：土壤样品抽取并注入完成之后，过程控制切换阀切换到连通土壤样品切换阀的通道，土壤样品切换阀切换到连通废液瓶的通道，使管道中的土壤样品注入到废液瓶中并继续注入少量的清洗液进行清洗；

④抽取试剂并清洗：试剂瓶中试剂的抽取步骤与土壤样品瓶中土壤样品溶液的抽取步骤相同，抽取试剂后的抽取管路清洗步骤与抽取土壤样品后的抽取管路清洗步骤相同；

⑤混合：排液三通阀切换使下端蠕动泵与废液瓶相连，废液瓶瓶口处设置的气液分离器与大气相通，在气液分离器的下端有一个存水弯，废液经存水弯后流入废液瓶中，下端蠕动泵抽入空气对混合腔中的液体进行混合或者下端蠕动泵吸入少量混合液后快速排入混合腔形成搅拌流体使液体混合均匀；

⑥检测：排液三通阀切换使下端蠕动泵与光电检测单元相连，下端蠕动泵抽取混合腔中的液体到光电检测单元，在抽入液体时，清洗三通阀切换使上端蠕动泵与光电检测单元连接，抽取注入光电检测单元内的液体中的气泡，待气泡抽取完成后光电检测单元进行土壤养分的检测；

⑦检测管路清洗：光电检测单元检测土壤养分之后，排液三通阀切换到连通废液瓶的通道，下端蠕动泵把混合腔中的液体抽入到废液瓶中，清洗三通阀切换使上端蠕动泵连通清洗液瓶，上端蠕动泵抽取清洗液对混合腔进行清洗，然后切换排液三通阀使下端蠕动泵连通废液瓶，通过下端蠕动泵将混合腔中的清洗液抽到废液瓶中；上端蠕动泵再次抽取清洗液后切换清洗三通阀使上端蠕动泵连通光电检测单元对光电检测单元进行清洗，清洗液流过光电检测单元至废液瓶中，上述清洗步骤至少进行两次。