CN108901760B - 一种差动转盘式灌溉水量自动计量控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种差动转盘式灌溉水量自动计量控制装置，属于农田水利技术领域。包括过水箱（4）、用于控制过水箱（4）进出水的水开关机构和用于检测过水箱（4）内水位是否达到标定值的水位检测机构，所述过水箱（4）安装于沟渠护坡（1）中，所述水开关机构和所述水位检测机构均安装在所述过水箱（4）中。本发明采用间歇式水量计量方法，通过累计水箱单次过水量和排水次数来计算总过水量，计量精度高于普通连续式水量计量装置。采用差动式进水和出水转轮实现间歇排水，采用浮筒触发光电耦合器的方式进行水位控制，触发动作迅速，控制精度高，单次过水量稳定性高。

Description

一种差动转盘式灌溉水量自动计量控制装置

技术领域

本发明涉及一种差动转盘式灌溉水量自动计量控制装置，属于农田水利技术领域。

背景技术

水资源是人们日益关注的重大问题，水是农业的命脉，农业用水占全国总用水量的近70%，其中的90%用于农田灌溉，灌区在提高土地生产力、提高人们生活水平和发展区域经济中具有重要作用。当今社会，农业用水是水资源消耗大户，近年来各地农业节水工程建设取得了一定成效。然而目前农业灌溉还是普遍采用粗放低效的利用形式，这在一定程度上加剧了水资源短缺程度。加之农业用水浪费严重，节约水资源和建立严格的水资源管理体制已成为当务之急。随着我国社会经济的快速发展，灌区中存在的问题也越来越突出，尤其是我国北方大型灌区中水资源较少、农田用水量大、灌溉效率低下，这造成了大力漫灌、土地盐碱化、灌溉用户节水意识差、水资源浪费等现象严重。

实践证明，建设农业用水计量设施、对农业用水进行计量收费与控制是农业可持续发展的有效措施和节水型社会建设的重要一环。农业灌溉用水的计量是成本核订和计收水费的主要依据，但由于长期以来我国农业用水的传统理念，田间灌溉水量计量装置较少，即使有也大多安装于主渠道内，而对于独立田块的灌溉用水量基本不计量，在灌溉结束后通常根据户数平摊水费，一些地区的农田灌溉用水基本是福利水，农民灌溉不交水费或水费很低、多灌少灌一个样。这些问题给农业水资源的利用控制管理带来困难，造成了农民节水意识不强、大力漫灌、水资源浪费现象严重。这就给农业水资源的控制管理带来很大的困难。作为灌区量水的重要组成部分，田间灌溉量水既是节约水资源、增加灌溉效率的有力措施，也是实行计划用水和准确配水、灌水的重要手段。作为灌区量水的重要组成部分，田间灌溉量水既是节约水资源、增加灌溉效率的有力措施，也是实行计划用水和准确配水、灌水的重要手段。因此，只有解决田间灌溉用水的计量问题，才能促使用水者节约用水，进而为灌溉用水定额管理、累进加价创造条件。

灌溉水量的计量是一项基础而又关键的技术，传统巴歇尔量水槽、U型量水槽等水量测定装置只适合于干渠、沟渠等大水量的测定，用来实现地表水灌区明渠输水的测量，但是这类装置计量精度普遍不高。而一些大型精密流量设备，如超声波流量计、红外线流量计等虽然具有较高的测量精度，但是它们投资成本较高、安装复杂且维护成本较高，会增加农民的负担。针对目前我国农业农田灌溉特点及精准灌溉目标，目前亟需一种适用于末级渠道的农田灌溉用水计量和节水控制装置，在精确计量灌溉用水的同时还能实现自动控制，且管理和维护方便，从而最大限度的节约水资源，从而实现水资源的高效利用及灌溉水量智能化管理和控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种差动转盘式灌溉水量自动计量控制装置，采用间歇转动式差动轮机构实现对连续水流的离散计量，具有结构简单、计量精确的优点，可用于对田间灌溉用水量的准确计量及自动控制，有利于实现水资源的利用效率及灌溉水量智能化控制。

为达到上述目的，本发明提供一种差动转盘式灌溉水量自动计量控制装置，包括过水箱、用于控制过水箱进出水的水开关机构和用于检测过水箱内水位是否达到标定值的水位检测机构，所述过水箱安装于沟渠护坡中，所述水开关机构和所述水位检测机构均安装在所述过水箱中。

优先地，所述水开关机构包括差动转轮机构和用于驱动所述差动转轮机构的驱动机构，所述差动转轮机构包括进水转轮、出水转轮和转轴，所述进水转轮、所述出水转轮和所述转轴均位于所述过水箱中，所述进水转轮和所述出水转轮外缘为齿轮结构，所述转轴两端横向转动连接所述过水箱左右侧壁，所述进水转轮和所述出水转轮分别套设并同轴固定连接所述转轴左右两端，所述过水箱左侧壁上开设若干个进水孔，所述过水箱右侧壁上开设若干个出水孔，所述进水转轮上开设若干个配合所述进水孔的进水通孔，所述出水转轮上开设若干个配合所述出水孔的出水通孔；所述驱动机构安装在所述过水箱上。

优先地，所述过水箱左侧壁上开设一个进水孔，所述过水箱右侧壁上开设一个出水孔，所述进水转轮和所述出水转轮上分别绕各自轴线正交开设有四个进水通孔和四个出水通孔，所述进水转轮上的进水通孔和出水转轮上的出水通孔在投影面上的相位角相差45°；所述进水孔直径等于所述进水通孔直径，所述出水通孔直径等于所述出水通孔直径。

优先地，所述驱动机构包括步进电机、驱动齿轮和控制箱，所述步进电机固定于所述过水箱内侧顶部，所述驱动齿轮同轴固定连接所述步进电机输出轴，所述驱动齿轮与进水转轮相互啮合，所述步进电机与控制箱电连接；所述驱动机构还包括太阳能板，所述太阳能板固定于过水箱顶部，所述太阳能板给所述控制箱供电。

优先地，所述水位检测机构包括浮筒、两个挡光板、两个光电耦合器和两个导向杆，两个导向杆下端固定在所述过水箱内部底壁上，所述浮筒穿于所述导向杆上并可在所述过水箱内部内上下滑动，两个所述挡光板固定设置在所述浮筒上下两端，两个所述光电耦合器对称地固定在所述过水箱内侧顶部和底部，两个所述光电耦合器位于所述浮筒上下两端，所述控制箱电连接所述光电耦合器。

优先地，所述过水箱为长方体中空箱体，所述过水箱采用PVC板拼合而成，所述过水箱顶部开设有用于调节所述过水箱内外气压平衡的排气孔，所述过水箱安装于灌溉渠道靠近农田一侧的沟渠护坡中，所述过水箱底面与渠床表面平齐。

优先地，包括挡泥板，所述挡泥板固定连接所述过水箱左侧壁底端；所述挡泥板为L形的PVC薄板，所述挡泥板宽度与过水箱宽度相同，所述挡泥板高度为20~30cm。

优先地，包括两个平键，所述进水转轮与所述出水转轮为等直径外齿轮结构，所述进水转轮与所述出水转轮材质为尼龙，所述进水转轮与所述出水转轮分别通过平键固定于所述转轴两端，所述转轴通过限位螺母水平转动连接所述过水箱左右侧壁，所述进水转轮与所述过水箱左侧壁距离、所述出水转轮与所述过水箱右侧壁均间距小于1mm。

优先地，包括两个支架和两根所述导向杆，两根所述导向杆上下两端垂直固定连接所述过水箱内部上下两端，两个所述光电耦合器分别通过一个支架固定于所述过水箱内部上表面和所述过水箱内部下表面，所述光电耦合器的发射端和接收端分别位于两根所述导向杆所在平面的两侧。

优先地，所述浮筒为椭圆柱体结构，所述浮筒材质为高密度聚氨酯泡沫，所述挡光板为长方形PVC薄板。

优先地，所述控制箱固定于过水箱顶部，所述控制箱内置脉冲计数器、步进电机控制器和蓄电池，所述步进电机控制器电连接所述步进电机，所述脉冲计数器电连接所述光电耦合器，所述蓄电池为所述步进电机和所述光电耦合器供电。

本发明所达到的有益效果：

1) 本发明采用间歇式水量计量方法，通过累计水箱单次过水量和排水次数来计算总过水量，计量精度高于普通连续式水量计量装置。

2) 采用差动式进水和出水转轮实现间歇排水，采用浮筒触发光电耦合器的方式进行水位控制，触发动作迅速，控制精度高，单次过水量稳定性高。

3) 采用数控步进电机进行转轮的间歇转动控制，转角精度高，转动误差累积量小，控制方便。且可以无极调节转动速度，以适应不同的过水量要求。

4) 本装置可预置过水量标定值，在达到设定过水量标定值时装置自动停止过水，从而实现灌溉水量的精确定量控制，并易于实现网络远程控制。

5) 所采用的间歇过水方式，可有效的稳定沟渠中的水位高度，在同一沟渠中大量使用时不会造成沟渠上游和下游出现明显的水位波动，适应性强。

6) 本装置进水侧设置的挡泥板可有效的阻挡沟渠底部泥沙进入，不易受灌溉水中携带的泥沙等杂质的影响，保证了装置的长期稳定工作，具有较好的免维护性。

7) 本发明具有结构简单，制造和维护成本低，且具有较好的便携性，即适合于农田灌溉用水量的长期运行管理，也适用于临时水量计量控制，具有较好的适应性。

附图说明

附图1是本发明中进水状态时的半剖主视图；

附图2是本发明中排水状态时的半剖主视图；

附图3是附图1的A-A向视图；

附图4是本发明中差动转轮结构的结构图；

附图5是本发明中浮筒的结构图。

附图标记含义，1-护坡；2-水面；3-挡泥板；4-过水箱；5-驱动齿轮；6-控制箱；7-步进电机；8-支架；9-光电耦合器；10-出水转轮；11-限位螺母；12-浮筒；13-进水转轮；14-转轴；15-导向杆；16-农田；17-渠床；18-进水通孔；19-平键；20-挡光板；21-太阳能板；22-排气孔；23-进水孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例一

一种差动转盘式灌溉水量自动计量控制装置，包括过水箱4、用于控制过水箱4进出水的水开关机构和用于检测过水箱4内水位是否达到标定值的水位检测机构，所述过水箱4安装于沟渠护坡1中，所述水开关机构和所述水位检测机构均安装在所述过水箱4中。

进一步地，所述水开关机构包括差动转轮机构和用于驱动所述差动转轮机构的驱动机构，所述差动转轮机构包括进水转轮13、出水转轮10和转轴14，所述进水转轮13、所述出水转轮10和所述转轴14均位于所述过水箱4中，所述进水转轮13和所述出水转轮10外缘为齿轮结构，所述转轴14两端横向转动连接所述过水箱4左右侧壁，所述进水转轮13和所述出水转轮10分别套设并同轴固定连接所述转轴14左右两端，所述过水箱4左侧壁上开设若干个进水孔23，所述过水箱4右侧壁上开设若干个出水孔，所述进水转轮13上开设若干个配合所述进水孔23的进水通孔18，所述出水转轮10上开设若干个配合所述出水孔的出水通孔；所述驱动机构安装在所述过水箱4上。

进一步地，所述过水箱4左侧壁上开设一个进水孔23，所述过水箱4右侧壁上开设一个出水孔，所述进水转轮13和所述出水转轮10上分别绕各自轴线正交开设有四个进水通孔18和四个出水通孔，所述进水转轮13上的进水通孔18和出水转轮10上的出水通孔在投影面上的相位角相差45°；所述进水孔23直径等于所述进水通孔18直径，所述出水通孔直径等于所述出水通孔直径。

进一步地，所述驱动机构包括步进电机7、驱动齿轮5和控制箱6，所述步进电机7固定于所述过水箱4内侧顶部，所述驱动齿轮5同轴固定连接所述步进电机7输出轴，所述驱动齿轮5与进水转轮13相互啮合，所述步进电机7与控制箱6电连接；所述驱动机构还包括太阳能板21，所述太阳能板21固定于过水箱4顶部，所述太阳能板21给所述控制箱6供电。

进一步地，所述水位检测机构包括浮筒12、两个挡光板20、两个光电耦合器9和若干个导向杆15，若干个导向杆15下端固定在所述过水箱4内部底壁上，所述浮筒12穿于所述导向杆15上并可在所述过水箱4内部内上下滑动，两个所述挡光板20固定设置在所述浮筒12上下两端，两个所述光电耦合器9对称地固定在所述过水箱4内侧顶部和底部，两个所述光电耦合器9位于所述浮筒12上下两端，所述控制箱6电连接所述光电耦合器9。

进一步地，所述过水箱4为长方体中空箱体，所述过水箱4采用PVC板拼合而成，所述过水箱4顶部开设有用于调节所述过水箱4内外气压平衡的排气孔22，所述过水箱4安装于灌溉渠道靠近农田一侧的沟渠护坡1中，所述过水箱4底面与渠床17表面平齐。

进一步地，包括挡泥板3，所述挡泥板3固定连接所述过水箱4左侧壁底端；所述挡泥板3为L形的PVC薄板，所述挡泥板3宽度与过水箱4宽度相同，所述挡泥板3高度为20~30cm。

进一步地，包括两个平键19，所述进水转轮13与所述出水转轮10为等直径外齿轮结构，所述进水转轮13与所述出水转轮10材质为尼龙，所述进水转轮13与所述出水转轮10分别通过平键19固定于所述转轴14两端，所述转轴14通过限位螺母11水平转动连接所述过水箱4左右侧壁，所述进水转轮13与所述过水箱4左侧壁距离、所述出水转轮10与所述过水箱4右侧壁均间距小于1mm。

进一步地，包括两个支架8和两根所述导向杆15，两根所述导向杆15上下两端垂直固定连接所述过水箱4内部上下两端，两个所述光电耦合器9分别通过一个支架8固定于所述过水箱4内部上表面和所述过水箱4内部下表面，所述光电耦合器9的发射端和接收端分别位于两根所述导向杆15所在平面的两侧。

进一步地，所述浮筒12为椭圆柱体结构，所述浮筒12材质为高密度聚氨酯泡沫，所述挡光板20为长方形PVC薄板。

进一步地，所述控制箱6固定于过水箱顶部，所述控制箱6内置脉冲计数器、步进电机控制器和蓄电池，所述步进电机控制器电连接所述步进电机7，所述脉冲计数器电连接所述光电耦合器9，所述蓄电池为所述步进电机7和所述光电耦合器9供电。

所述光电耦合器9为AQ3A2-C1-ZT12V型可控硅光电耦合器件，所述步进电机7采用42BYGH34型直流步进电机，所述脉冲计数器为JDM11-6H型电子脉冲计数器，所述步进电机控制器为TB6600型直流步进控制器。

本发明的工作原理：

当进水转轮13的进水通孔18与进水孔23重合时，沟渠中的水可通过进水孔23流入到过水箱4中。此时出水转轮10上的出水通孔与过水箱4右侧的出水孔不重合，因此过水箱4中的水不会流出。浮筒12随着箱内水位的升高而上升，当浮筒12顶部的挡光板20插入位于上部的光电耦合器9中时，光电耦合器9的发射端与接收端之间的红外光信号被挡光板20屏蔽，光电耦合器9所产生的电脉冲信号传输到控制箱6内的脉冲计数器中，脉冲计数器进行计数累加，同时还触发步进电机控制器驱动步进电机7进行定角度旋转。驱动齿轮5带动进水转轮13和出水转轮10转动45°，此时出水转轮10的出水通孔与过水箱4的出水孔重合，而过水箱4上的进水孔23被进水转轮13封闭，在此状态下沟渠中的水不能进入过水箱4中，过水箱4内的水从出水孔中流出到农田16中。

浮筒12随着过水箱4内的水位下降而下降，当浮筒12底部的挡光板20插入位于下方的光电耦合器9中时，光电耦合器9的发射端与接收端之间的红外光信号被挡光板20屏蔽，所产生的电脉冲信号传输到控制箱6内并再次驱动步进电机7定角度转动。驱动齿轮5带动进水转轮13和出水转轮10绕转轴14再次转动45°，此时过水箱4的进水孔23与进水转轮13的进水通孔18重合，而右侧出水孔被出水转轮10封闭，过水箱4再次进入到进水状态。

装置的总过水量为单次过水量与排水次数的乘积，用户可预先设置好所需过水量，当达到预置过水量时，步进电机将停止转动，从而达到定量灌溉的目的。

挡泥板3可阻挡沟渠底部的泥沙进入过水箱4中，同时还能减慢进水速度，使得过水箱4内水位上升平稳。通过调节步进电机7的转动速度可改变过水箱4的开关启频率，以适应不同的过水量要求。更换不同高度的挡光板20可调节单次过水量。

实施例二

与实施例一不同的是，本实施例中所述过水箱4左侧壁上开设四个进水孔23，所述过水箱4右侧壁上开设四个出水孔，所述进水转轮13和所述出水转轮10上分别绕各自轴线正交开设有四个进水通孔18和四个出水通孔，所述进水转轮13上的进水通孔18和出水转轮10上的出水通孔在投影面上的相位角相差45°；所述进水孔23直径小于所述进水通孔18直径，所述出水通孔直径小于所述出水通孔直径。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种差动转盘式灌溉水量自动计量控制装置，其特征在于，包括过水箱（4）、用于控制过水箱（4）进出水的水开关机构和用于检测过水箱（4）内水位是否达到标定值的水位检测机构，所述过水箱（4）安装于沟渠护坡（1）中，所述水开关机构和所述水位检测机构均安装在所述过水箱（4）中；

所述水开关机构包括差动转轮机构，所述差动转轮机构包括进水转轮（13）、出水转轮（10）和转轴（14），所述进水转轮（13）、所述出水转轮（10）和所述转轴（14）均位于所述过水箱（4）中，所述进水转轮（13）和所述出水转轮（10）外缘为齿轮结构，所述转轴（14）两端横向转动连接所述过水箱（4）左右侧壁，所述进水转轮（13）和所述出水转轮（10）分别套设并固定连接所述转轴（14）左右两端，所述过水箱（4）左侧壁上开设若干个进水孔（23），所述过水箱（4）右侧壁上开设若干个出水孔，所述进水转轮（13）上开设若干个配合所述进水孔（23）的进水通孔（18），所述出水转轮（10）上开设若干个配合所述出水孔的出水通孔。

2.根据权利要求1所述的一种差动转盘式灌溉水量自动计量控制装置，其特征在于，所述水开关机构包括用于驱动所述差动转轮机构的驱动机构，所述驱动机构安装在所述过水箱（4）上。

3.根据权利要求2所述的一种差动转盘式灌溉水量自动计量控制装置，其特征在于，所述过水箱（4）左侧壁上开设一个进水孔（23），所述过水箱（4）右侧壁上开设一个出水孔，所述进水转轮（13）和所述出水转轮（10）上分别绕各自轴线正交开设有四个进水通孔（18）和四个出水通孔，所述进水转轮（13）上的进水通孔（18）和出水转轮（10）上的出水通孔在投影面上的相位角相差45°；所述进水孔（23）直径等于所述进水通孔（18）直径，所述出水孔直径等于所述出水通孔直径。

4.根据权利要求2所述的一种差动转盘式灌溉水量自动计量控制装置，其特征在于，所述驱动机构包括步进电机（7）、驱动齿轮（5）和控制箱（6），所述步进电机（7）固定于所述过水箱（4）内侧顶部，所述驱动齿轮（5）同轴固定连接所述步进电机（7）输出轴，所述驱动齿轮（5）与进水转轮（13）相互啮合，所述步进电机（7）与控制箱（6）电连接；所述驱动机构还包括太阳能板（21），所述太阳能板（21）固定于过水箱（4）顶部，所述太阳能板（21）给所述控制箱（6）供电。

5.根据权利要求4所述的一种差动转盘式灌溉水量自动计量控制装置，其特征在于，所述水位检测机构包括浮筒（12）、两个挡光板（20）、两个光电耦合器（9）和若干个导向杆（15），若干个导向杆（15）下端固定在所述过水箱（4）内部底壁上，所述浮筒（12）穿于所述导向杆（15）上并可在所述过水箱（4）内部内上下滑动，两个所述挡光板（20）固定设置在所述浮筒（12）上下两端，两个所述光电耦合器（9）对称地固定在所述过水箱（4）内侧顶部和底部，两个所述光电耦合器（9）位于所述浮筒（12）上下两端，所述控制箱（6）电连接所述光电耦合器（9）；所述过水箱（4）为长方体中空箱体，所述过水箱（4）采用PVC板拼合而成，所述过水箱（4）顶部开设有用于调节所述过水箱（4）内外气压平衡的排气孔（22），所述过水箱（4）安装于灌溉渠道靠近农田一侧的沟渠护坡（1）中，所述过水箱（4）底面与渠床（17）表面平齐。

6.根据权利要求1所述的一种差动转盘式灌溉水量自动计量控制装置，其特征在于，包括挡泥板（3），所述挡泥板（3）固定连接所述过水箱（4）左侧壁底端；所述挡泥板（3）为L形的PVC薄板，所述挡泥板（3）宽度与过水箱（4）宽度相同，所述挡泥板（3）高度为20~30cm。

7.根据权利要求2所述的一种差动转盘式灌溉水量自动计量控制装置，其特征在于，包括两个平键（19），所述进水转轮（13）与所述出水转轮（10）为等直径外齿轮结构，所述进水转轮（13）与所述出水转轮（10）材质为尼龙，所述进水转轮（13）与所述出水转轮（10）分别通过平键（19）固定于所述转轴（14）两端，所述转轴（14）通过限位螺母（11）水平转动连接所述过水箱（4）左右侧壁，所述进水转轮（13）与所述过水箱（4）左侧壁距离小于1mm，所述出水转轮（10）与所述过水箱（4）右侧壁间距小于1mm。

8.根据权利要求5所述的一种差动转盘式灌溉水量自动计量控制装置，其特征在于，包括两个支架（8）和两根所述导向杆（15），两根所述导向杆（15）上下两端垂直固定连接所述过水箱（4）内部上下两端，两个所述光电耦合器（9）分别通过一个支架（8）固定于所述过水箱（4）内部上表面和所述过水箱（4）内部下表面，所述光电耦合器（9）的发射端和接收端分别位于两根所述导向杆（15）所在平面的两侧。

9.根据权利要求5所述的一种差动转盘式灌溉水量自动计量控制装置，其特征在于：所述浮筒（12）为椭圆柱体结构，所述浮筒（12）材质为高密度聚氨酯泡沫，所述挡光板（20）为长方形PVC薄板。

10.根据权利要求5所述的一种差动转盘式灌溉水量自动计量控制装置，其特征在于：所述控制箱（6）固定于过水箱顶部，所述控制箱（6）内置脉冲计数器、步进电机控制器和蓄电池，所述步进电机控制器电连接所述步进电机（7），所述脉冲计数器电连接所述光电耦合器（9），所述蓄电池为所述步进电机（7）和所述光电耦合器（9）供电。

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