CN112119885B - 一种基于声压驱动的灌溉控制装置及控制方法 - Google Patents

一种基于声压驱动的灌溉控制装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于声压驱动的灌溉控制装置及控制方法，属于灌溉控制技术领域。解决了现有灌溉控制系统成本高且不能控制送水流量的问题。它包括声压单元、灌溉主管、共振阀门和灌溉支管，所述声压单元布置在灌溉主管上，接收电信号命令发出声波并在灌溉主管内产生声压，所述灌溉支管数量为多个，多个灌溉支管沿灌溉主管的长度方向布置，每个灌溉支管均通过共振阀门与灌溉主管相连，所述共振阀门包括共振膜片、隔板和阀门管路，所述阀门管路与灌溉主管相连，所述阀门管路内设置有隔板，所述隔板内设置共振膜片。它主要用于声压驱动控制灌溉。

Description

一种基于声压驱动的灌溉控制装置及控制方法
技术领域
本发明属于灌溉控制技术领域，特别是涉及一种基于声压驱动的灌溉控制装置及控制方法。
背景技术
在大面积的农业灌溉中，各局部地区的灌溉需求不同，并且随气象和土壤条件变化，各区域灌溉需求发生动态变化。随着智慧农业的发展，土壤监测技术日渐成熟，需要一种在局部范围(1平方米内)内控制水量的精准灌溉方法。进一步说，精准灌概就是要实现每一株农作物在每一个生长阶段都能得到适合自己的灌水量。这对节约水资源和农作物生长意义重大。虽然目前可以利用电磁阀实现远程控制每一个局部区域的开关，但是一套大面积的灌溉系统所涉及管路和灌溉口的数目庞大，电磁阀的成本高且不能控制送水流量。
灌溉系统往往要涉及在一根细长的送水管道上布置多个灌溉口，由于沿程阻力使得远离送水端的灌溉口的水压不足，从而造成送水管道末端的灌溉不足。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种基于声压驱动的灌溉控制装置及控制方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于声压驱动的灌溉控制装置，它包括声压单元、灌溉主管、共振阀门和灌溉支管，所述声压单元布置在灌溉主管上，接收电信号命令发出声波并在灌溉主管内产生声压，所述灌溉支管数量为多个，多个灌溉支管沿灌溉主管的长度方向布置，每个灌溉支管均通过共振阀门与灌溉主管相连，所述共振阀门包括共振膜片、隔板和阀门管路，所述阀门管路与灌溉主管相连，所述阀门管路内设置有隔板，所述隔板内设置共振膜片。
更进一步的，所述灌溉主管上设置有消振单元。
更进一步的，所述消振单元为弯头或凹形管。
更进一步的，所述声压单元设置在凹形管端处。
更进一步的，所述共振阀门中通过隔板形成多个空腔，每个空腔内均设置有共振膜片且共振膜片的厚度不相同。
更进一步的，所述多个灌溉支管均布置在灌溉主管的最大声压处。
更进一步的，所述多个灌溉支管布置在灌溉主管的不同声压处。
更进一步的，所述多个灌溉支管中有两个灌溉支管分别设置在灌溉主管开始端的低声压处和末端的高声压处。
本发明还公开了一种基于声压驱动的灌溉控制方法，声压单元的振动膜片与灌溉主管贴紧，声压单元接收电信号命令，声压单元根据控制命令发出制定频率的声波，声波在灌溉主管中以驻波的形式传播，并在灌溉主管中产生声压信号；声压单元在灌溉主管水路中传播的声压信号传递到灌溉支管端口处，声压通过共振控制共振阀门的开关；当共振膜片静止时，受水压作用，共振膜片作为堵头限制水流的流动，当共振膜片在一定频率的驻波声压驱动下发生共振，此时共振膜片上下左右来回与隔板发生振动碰撞，振动达到一定程度时，水流从共振膜片、阀门管路以及隔板之间的缝隙中流过；通过提前实验获得水流与声压之间的关系函数Q＝f1(I)，式中Q为水流速，I为声压，函数由平缓段和激增段组成，将声压范围控制在激增段内。
更进一步的，根据公式fn＝nc/2L计算驻波波峰波谷的位置，式中L为灌溉主管的长度，c为声音在水中的传播速率1500m/s，n代表频率的阶次，fn代表管道中第n阶次频率，根据波峰波谷的出现位置设置灌溉支管。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了现有灌溉控制系统成本高且不能控制送水流量的问题。本发明的灌溉控制方法从原理上区别与现有的控制方法，可以适应不同区域的不同灌溉需求，集成化的实现远程精确灵敏控制，同时省去昂贵的电磁阀等电路元件，节约成本。可以低成本的实现局部精准灌溉和长管末端的压力补偿。
附图说明
图1为本发明所述的一种基于声压驱动的灌溉控制装置结构示意图；
图2为本发明所述的共振阀门关闭状态示意图；
图3为本发明所述的共振阀门开启状态示意图；
图4为本发明所述的具有多共振膜片的灵敏共振阀门结构示意图；
图5为本发明所述的声压与灌溉支管控制流速的关系函数示意图；
图6为本发明所述的灵敏共振阀门与普通共振阀门的函数对比示意图。
1-声压单元，2-灌溉主管，3-电信号，4-声波，5-消振单元，6-共振阀门，7-灌溉支管，8-共振膜片，9-隔板，10-阀门管路，11-水压方向，12-水流方向，13-平缓段，14-激增段，15-空腔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。
参见图1-6说明本实施方式，一种基于声压驱动的灌溉控制装置，它包括声压单元1、灌溉主管2、共振阀门6和灌溉支管7，所述声压单元1布置在灌溉主管2上，接收电信号3命令发出声波4并在灌溉主管2内产生声压，所述灌溉支管7数量为多个，多个灌溉支管7沿灌溉主管2的长度方向布置，每个灌溉支管7均通过共振阀门6与灌溉主管2相连，所述共振阀门6包括共振膜片8、隔板9和阀门管路10，所述阀门管路10与灌溉主管2相连，所述阀门管路10内设置有隔板9，所述隔板9内设置共振膜片8。
本实施例在灌溉主管2的一端或在中间设置声压单元1，声压单元1可以是简单的低频扬声器，即工业中最基础的电子器件和振动膜片组成，可以将远程的电信号3转化成不同频率的声音，市场上有成品的声压单元1可以利用，可以很容易实现无线控制。声压单元1的振动膜片与灌溉主管2贴紧，声压单元1根据远程的电信号3控制命令发出指定频率的声波4。声波4会通过水在灌溉主管2中以驻波的形式传播，并在灌溉主管2中产生声压。低频声波在水中传播的损失很小，所以一个声压单元1可以控制相当长的灌溉主管2。在不同灌溉区域的灌溉主管2之间设置消振单元5，阻隔不同区域之间的声压干扰，消振单元5可以使用弯头或凹形管，声波经过弯头或凹形管，通过碰撞抵消，从而实现控制段之间互不干扰。声压单元1可直接安装在消振凹形管端处，每个灌溉段配备独立的声压单元1，实现适应每个灌溉区域地灌溉需求进行精准灌溉。
本实施例为一种基于声压驱动的灌溉控制方法，声压单元1的振动膜片与灌溉主管2贴紧，声压单元1接收电信号3命令，声压单元1根据控制命令发出制定频率的声波4，声波4在灌溉主管2中以驻波的形式传播，并在灌溉主管2中产生声压信号；声压单元1在灌溉主管2水路中传播的声压信号传递到灌溉支管7端口处，声压通过共振控制共振阀门6的开关，实现对灌溉支管7水流的控制；当共振膜片8静止时，受水压作用，共振膜片8作为堵头限制水流的流动，如图2中水压方向11所示，从而使得阀门关闭，当共振膜片8在一定频率的驻波声压驱动下发生共振，此时共振膜片8上下左右来回与隔板9发生振动碰撞，振动达到一定程度时，水流从共振膜片8、阀门管路10以及隔板9之间的缝隙中流过，如图3中水流方向12所示；水流速的灵敏精确控制，声压单元1提供声压信号越大，共振振动越剧烈，缝隙越大，则水流速越大，从而实现声压控制水流速。
如图5所示，水流与声压之间的关系与共振膜片8材料属性有关，通过提前实验获得水流与声压之间的关系函数Q＝f1(I)，式中Q为水流速，I为声压，函数由相关性很弱的平缓段13和强相关性的激增段14组成，将声压范围控制在激增段14内，则可以实现通过声压信号精确地控制水流速。
如图6所示，所述共振阀门6中通过隔板9形成多个空腔15，每个空腔15内均设置有共振膜片8且共振膜片8的厚度不相同，形成灵敏共振阀门结构，水流可以通过并联空腔15汇聚到一起，在这些空腔15中设置厚度大小不同的共振膜片8，薄的共振膜片8可以在较低的声压下发生共振，厚的共振膜片8可以在较高的声压下发生共振，通过这种组合的方法可以拓宽f(I)函数的激增段14范围，从而实现在宽调节范围下更加灵敏的控制水流速。两种方式可以根据控制需求来选择。
由声压单元1产生的驻波在充满水的灌溉主管2传播，根据管道声学理论可以计算出灌溉主管2各处的声压，并将灌溉支管7和共振阀门6布置在灌溉主管2的最大声压处。也可以根据实际需求，将灌溉支管7和共振阀门6布置在灌溉主管2的不同声压处，例如，多个灌溉支管7中有两个灌溉支管7分别设置在灌溉主管2开始端的低声压处和末端的高声压处，灌溉主管2水流开始端的灌溉支管7安装在低声压处，而在灌溉主管2末端的灌溉支管7安装在声压高处，这样可以提高灌溉主管2末端灌溉支管7的水流速，从而解决由水流沿程损失引起的管路末端水压不足的问题。
根据公式fn＝nc/2L计算驻波波峰波谷的位置，式中L为灌溉主管2的长度，c为声音在水中的传播速率1500m/s，n代表频率的阶次，fn代表管道中第n阶次频率，根据波峰波谷的出现位置设置灌溉支管7。例如对于1km长的灌溉主管2，n＝40，fn＝30Hz，则每25m出现一次压力最大值，也就是说可以将共振阀门6分布在共振阀门6的相同声压处，这样可以实现一个声压单元1控制灌溉主管2的各灌溉支管7出水流量。同样，驻波的波谷以及其它位置也可以利用上述公式计算得到，通过驻波形状可以将灌溉支管7布置在灌溉主管2的不同声压处。
以上对本发明所提供的一种基于声压驱动的灌溉控制装置及控制方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于声压驱动的灌溉控制装置，其特征在于：它包括声压单元(1)、灌溉主管(2)、共振阀门(6)和灌溉支管(7)，所述声压单元(1)布置在灌溉主管(2)上，接收电信号(3)命令发出声波(4)并在灌溉主管(2)内产生声压，所述灌溉支管(7)数量为多个，多个灌溉支管(7)沿灌溉主管(2)的长度方向布置，每个灌溉支管(7)均通过共振阀门(6)与灌溉主管(2)相连，所述共振阀门(6)包括共振膜片(8)、隔板(9)和阀门管路(10)，所述阀门管路(10)与灌溉主管(2)相连，所述阀门管路(10)内设置有隔板(9)，所述隔板(9)内设置共振膜片(8)，所述多个灌溉支管(7)中有两个灌溉支管(7)分别设置在灌溉主管(2)开始端的低声压处和末端的高声压处。
2.根据权利要求1所述的一种基于声压驱动的灌溉控制装置，其特征在于：所述灌溉主管(2)上设置有消振单元(5)。
3.根据权利要求2所述的一种基于声压驱动的灌溉控制装置，其特征在于：所述消振单元(5)为弯头或凹形管。
4.根据权利要求3所述的一种基于声压驱动的灌溉控制装置，其特征在于：所述声压单元(1)设置在凹形管端处。
5.根据权利要求1所述的一种基于声压驱动的灌溉控制装置，其特征在于：所述共振阀门(6)中通过隔板(9)形成多个空腔(15)，每个空腔(15)内均设置有共振膜片(8)且共振膜片(8)的厚度不相同。
6.根据权利要求1所述的一种基于声压驱动的灌溉控制装置，其特征在于：所述多个灌溉支管(7)布置在灌溉主管(2)的不同声压处。
7.一种如权利要求1所述的基于声压驱动的灌溉控制装置的控制方法，其特征在于：声压单元(1)的振动膜片与灌溉主管(2)贴紧，声压单元(1)接收电信号(3)命令，声压单元(1)根据控制命令发出制定频率的声波(4)，声波(4)在灌溉主管(2)中以驻波的形式传播，并在灌溉主管(2)中产生声压信号；声压单元(1)在灌溉主管(2)水路中传播的声压信号传递到灌溉支管(7)端口处，声压通过共振控制共振阀门(6)的开关；当共振膜片(8)静止时，受水压作用，共振膜片(8)作为堵头限制水流的流动，当共振膜片(8)在一定频率的驻波声压驱动下发生共振，此时共振膜片(8)上下左右来回与隔板(9)发生振动碰撞，振动达到一定程度时，水流从共振膜片(8)、阀门管路(10)以及隔板(9)之间的缝隙中流过；通过提前实验获得水流与声压之间的关系函数Q＝f1(I)，式中Q为水流速，I为声压，函数由平缓段(13)和激增段(14)组成，将声压范围控制在激增段(14)内。
8.根据权利要求7所述的一种基于声压驱动的灌溉控制装置的控制方法，其特征在于：根据公式fn＝nc/2L计算驻波波峰波谷的位置，式中L为灌溉主管(2)的长度，c为声音在水中的传播速率1500m/s，n代表频率的阶次，fn代表管道中第n阶次频率，根据波峰波谷的出现位置设置灌溉支管(7)。
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