CN113543628A

CN113543628A - 用于vri和其他灌溉用途的锁止电磁阀激活检测的系统和方法

Info

Publication number: CN113543628A
Application number: CN202080019834.0A
Authority: CN
Inventors: 马克·莫勒
Original assignee: Valmont Industries Inc
Current assignee: Valmont Industries Inc
Priority date: 2019-04-04
Filing date: 2020-03-11
Publication date: 2021-10-22
Also published as: EP3945784A4; BR112021019307A2; US20200315111A1; WO2020205177A1; MX2021010384A; ZA202105620B; US11071264B2; AU2020253756A1; EP3945784A1; CA3129712A1

Abstract

本发明提供了一种改进的阀组件和阀控制器，以控制用于灌溉的流体的运动。根据优选实施方式，本发明教导了一种用于监测阀组件的状况并且用于为选定的施用物提供“施用证明”的系统和方法。根据另外的优选实施方式，本发明包括阀组件，该阀组件包括阀控制器，该阀控制器用于向锁止阀施加电流，从而将锁止阀从第一流动状态切换到第二流动状态。根据另外的优选实施方式，本发明的阀组件优选地还包括状态/电流检测器，该状态/电流检测器优选地测量被施加到锁止阀的有效电流并输出所测得的波形以用于分析。

Description

用于VRI和其他灌溉用途的锁止电磁阀激活检测的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年4月4日提交的美国临时申请62/829,146的优先权。

技术领域

本发明总体上涉及一种改进的阀组件和阀控制器，用于控制灌溉流体的运动。特别地，本发明涉及一种用于监测阀组件的状况并且用于为选定的施用物提供“施用证明(proof of placement)”的系统和方法。

背景技术

目前，通过灌溉系统的化学品和肥料的施用越来越多。此外，对可能无法与灌溉水同时施用的废水的土地修复要求越来越高。此外，规定要求必须记录废水的时间、地点和量(以及其他参数)来供管理当局检查，以确保废物施用在限制范围内，从而不会发生高氮径流，高氮径流可能会污染邻近的河流、湖泊或其他水域。

响应于这些发展，越来越需要验证每个灌溉系统是否正确运行，并且更重要的是，所有材料都按预期施用。由于不正确的施用会破坏具有精确指示(prescription)的目的和意图，因此这对于变量灌溉和相关的精确施用系统尤其重要。此外，关于这些材料的越来越多的规定将需要积极的控制和记录，以显示该材料是针对所有施用物在预定的时间、以正确的量并且在正确的位置施加的。这通常被称为“施用证明”。

在任何灌溉系统中，材料的正确施用最终由各种类型的电磁操作的阀控制。例如，锁止电磁阀可以用作变量灌溉喷头上的先导阀。在该施用中，喷头电磁阀将以由阀控制器确定的占空比循环地使控制阀打开和关闭。在另一示例中，电磁阀可以激活较大的控制阀，该控制阀开始将化学品(诸如氮肥、杀菌剂、除草剂或类似的农作物保护化学品)注入灌溉系统中。这通常也通过如下方式完成：操作一个或更多个电磁先导阀以互锁方式关闭或打开各种较大的控制阀以确保合规性。此外，这些电磁阀通常由阀控制器以正确的顺序进行操作。

已经开发了许多解决方案来测量单个阀的操作，诸如在阀下游添加压力传感器或流量计以测量随着阀状态改变而引起的管道压力或流量的改变。然而，这些系统存在许多缺点，包括高成本、额外的复杂性和额外的故障点(例如，流量计中的涡轮被腐蚀或对压力传感器的校准不正确)，这可能导致记录不正确的数据。现有技术的系统已经尝试提供传感器的组合以为操作员提供准确和方便的数据。然而，现有技术的系统的基本限制仍然存在。

为了克服现有技术的局限性，需要一种可靠且有效的系统以在灌溉操作期间对锁止阀/电磁阀进行监测和激活。

发明内容

为了解决现有技术中存在的缺点，本发明提供了一种改进的阀组件和阀控制器，用于控制灌溉流体的运动。根据优选的实施方式，本发明教导了一种用于监测阀组件的状况并且用于为选定的施用物提供“施用证明”的系统和方法。

根据另外的优选实施方式，本发明包括阀组件，该阀组件包括阀控制器，该阀控制器用于向锁止阀施加电流，从而将锁止阀从第一流动状态切换到第二流动状态。根据另外的优选实施方式，锁止阀的状态改变可以优选地通过向锁止阀的锁止线圈施加DC脉冲来实现。

根据另外的优选实施方式，本发明的阀组件还可以优选地包括状态/电流检测器，该状态/电流检测器优选地测量被施加到锁止阀的有效电流并且输出所测得的波形以用于分析。根据另外的优选实施方式，本发明还可以优选地包括控制器和算法，以对所测得的波形进行分析并通过锁止阀对指示改变状态的电流的减小进行识别。

根据另外的优选实施方式，本发明的系统还可以包括在灌溉期间对阀状况的跟踪和阀位置的映射。

包含在说明书中并构成说明书的一部分的随附附图示出了本发明的各种实施方式，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。

附图说明

图1示出了根据本发明的第一优选实施方式的示例性锁止阀组件。

图2示出了说明包括图1所示的阀组件的示例性系统的框图。

图3示出了根据本发明的另外的优选实施方式的框图。

图4示出了用于与本发明一起使用的示例性方法。

图5示出了与本发明一起使用的示例性方法的另外的步骤。

图6是根据本发明的优选实施方式的示例性电路的框图。

图7提供了示例性波形的图示，其显示了根据本发明的另外的优选实施方式的随时间变化的测量电流的电平。

具体实施方式

为了促进对本发明的原理的理解，现在将参考附图中所示的实施方式并且将使用特定语言对其进行描述。然而，应当理解，本发明的范围并不由此限制，并且本领域技术人员通常会想到对所示装置的这种改变和进一步修改。

如本文中所使用，术语“程序”、“计算机程序”、“软件应用程序”、“模块”等被定义为被设计用于在计算机系统上执行的指令序列。程序、计算机程序、模块或软件应用程序可以包括子例程、函数、过程、对象实现、可执行应用程序、小程序、小服务程序、源代码、对象代码、共享库、动态链接库和/或被设计用于在计算机系统上执行的其他指令序列。如本文中所定义的，数据储存装置包括许多不同类型的计算机可读介质，这些介质允许计算机从中读取数据并且保持所储存的数据以允许计算机能够再次读取数据。这种数据储存装置可以包括例如非易失性存储器，诸如ROM、快闪存储器、电池备份RAM、磁盘驱动器存储器、CD-ROM、DVD和其他永久储存介质。然而，根据本发明的不同实施方式，甚至易失性存储器，诸如RAM、缓冲器、高速缓冲存储器和网络电路，也被预期用作这种数据储存装置。

本文中所描述的系统和方法的方面可以被实现为编程到多种电路中的任何一种电路的功能，这种电路包括可编程逻辑器件(PLD)，诸如现场可编程门阵列(FPGA)、可编程阵列逻辑(PAL)器件、电可编程逻辑和存储器件和基于标准单元的器件，以及专用集成电路(ASIC)。用于实现该系统和方法的方面中的一些其他可能性包括：具有存储器的微控制器、嵌入式微处理器、固件、软件等。此外，该系统和方法的方面可以体现在以下各者中：具有基于软件的电路仿真的微处理器、离散逻辑(顺序的和组合的)、定制器件、模糊(神经网络)逻辑、量子器件以及上述任何类型的器件的混合。当然，底层器件技术可以被设置为多种部件类型，例如，如互补金属氧化物半导体(CMOS)的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)技术、如发射极耦合逻辑(ECL)的双极技术、聚合物技术(例如，硅共轭聚合物和金属共轭聚合物金属结构)、混合的模拟和数字等。

现在参考图1，现在将讨论代表控制灌溉系统的一个或更多个操作方面的功能的示例性阀组件101。如图所示，示例性阀组件101优选地包括附接到加压施用物源/管道110的锁止阀102(或类似物)。如本文中所使用，施用物优选地是指可通过灌溉系统输送的任何液体或液体混合物。此外，尽管本发明主要参考锁止阀进行讨论，但在不脱离本发明的范围的情况下可以使用许多其他阀和/或阀组合。

根据本发明，本发明的阀组件101优选地还包括阀控制器108，用于向锁止阀102施加电流以将锁止阀102从第一流动状态(即，阀打开)切换到另一流动状态(即，阀关闭)。然后锁止阀102保持在选定的流动状态，直到在相反方向上施加第二电流。根据优选实施方式，状态改变可以优选地通过向锁止线圈施加DC脉冲来实现。使DC脉冲的极性反转将使阀的状态反转(改变)。根据另外的优选实施方式，优选地以可以为10-100毫秒的脉冲来施加电流。响应于该脉冲，锁止阀102的电磁阀将衔铁112移位并固定到两个位置之一，以打开流动和/或切断施用物通过入口管110并且通过发射器(emitter)112流出的流动。

根据另外的优选实施方式，本发明的阀组件101优选地还包括状态/电流检测器104，该状态/电流检测器104优选地测量被施加到锁止阀102的有效电流。根据替代的优选实施方式，阀组件101还可以包括GPS芯片106，尽管GPS位置数据也可以从各种其他来源接收。

如图2所示，图1所示的阀组件101可以优选地在更大的灌溉系统200内使用并且与各种阀组件216、220、224和发射器218、222、226结合使用。如图2所示，阀组件216、220、224可以优选地经由硬连线电网202或经由无线传输从中央灌溉控制器/控制系统204接收电控制信号和数据。同样，中央灌溉控制器204可以优选地从各个阀组件216、220、224接收状况更新，该状态更新包括来自每个状态/电流检测器104的状态检测数据。此外，中央灌溉控制器204可以进一步优选地从灌溉系统主总线208接收数据(经由终端接口模块206等)。接收的数据可以包括关于施用物被施加的信息210以及温度/天气数据212。

优选地，各个阀组件216、220、224内的阀控制器208与控制系统204通信。通信链路可以是任何类型，诸如电力线载波、Wi-Fi、数字无线电、硬连线(以太网)等。控制单元204可以基于储存在控制单元204的存储器中的算法来对一个或更多个阀控制器208下命令。此外，控制单元204可以从灌溉机器上的各种传感器、从现场传感器、从远程传感器或数据源(诸如卫星影像、天气预报源等)接收输入。控制单元204可以以各种方式利用这些输入来调整或修改一个或更多个单独的阀控制器208的状态。

此外，控制单元204可以经由类似的通信链路与中央命令系统通信，其中中央命令系统也可以从各种数据源接收各种输入，所述数据源包括灌溉机器、供水网络、化学品注入泵、其他控制阀、气象服务、气象站、卫星影像、现场传感器等。此外，中央命令系统可以使用具有上述输入的任意数量的算法或机器学习技术以确定多个控制器的复杂改变，并且将这些指令传送到控制单元，以供各种阀控制器208实施。此外，中央命令系统和控制单元204可以采用用户接口以允许操作员(种植者、农场经理、系统操作员、作物顾问等)批准或拒绝推荐的改变并基于控制系统无法获得的信息和人类经验提供控制命令。

根据另外的优选实施方式，本发明的中央灌溉控制系统204可以优选地接收所有数据输入、对选定的数据加时间戳并且将收集的、加时间戳的数据提供给施用物证明数据库214等。具体地，数据库214可以优选地接收以及储存来自每个状态/电流检测器104的阀状况数据以及GPS和时间数据。

本发明的控制器和处理器可以包括任意数量的处理器、微控制器或其他处理系统。此外，控制器和处理器可以执行一个或更多个软件程序，该软件程序实现本文中描述的技术。

现在参考图3，现在将进一步讨论结合本发明的各方面的示例性系统300。如图所示，该系统300可以优选地附接到水源302等以在压力下向系统300供应水或施用物。另外，该系统可以优选地能够经由注射泵335等在压力下从罐或储存器334接收水或施用物336、338。如进一步所示，示例性灌溉系统300可包括阀组件318、320，该阀组件控制流向各种发射器312、314、316和端枪321的水流。此外，所示系统可以优选地包括用于监测水压的示例性换能器328、330。此外，该系统包括相应的驱动塔303、304、306以支撑和移动整个跨接件310。此外，本发明的系统300可以优选地还包括控制/枢轴面板308以及流量计332，以用于监测系统中的整体水流。

根据替代的优选实施方式，该系统还可以使用电力线载波系统或单独的有线网络来在系统元件之间传输信号。此外，本发明的优选系统可以替代地还包括安装到跨接件310的附加元件，诸如附加传感器324、325等。

现在参考图4，现在将进一步讨论本发明的另外的方面。如图4所示，本发明的示例性集成传感器套件元件400可以优选地包括集成传感器、处理器和通信芯片的组，这些组可以与较大灌溉机器的系统分开且间隔开地运行。可替代地，本发明的示例性集成传感器套件元件400可以与灌溉机器的处理器和传感器共享处理和管理功能，以便在需要时提供冗余和处理速度。

现在参考图4至图5，现在将进一步讨论与本发明的系统一起使用的示例性方法。如图4所示，如图所示由主灌溉控制器发起的示例性第一步骤402是首先轮询系统中的可用阀。然后，为了使阀阵列的状况同步，在步骤404中系统控制器可以向处于开状态的每个阀发信号以改变到关状态。然后，在下一步骤406处，系统控制器可以轮询每个阀控制器以基于每个阀组件的状态/电流检测器的测量来确认发信号的状态改变的执行。在下一步骤408处，系统控制器可以通过轮询流量计等进一步确认系统的流动状况。在下一步骤410处，系统控制器可以输入用于要灌溉的区域的GPS、映射和施用物数据。在下一步骤412处，系统控制器可以为每个单独的阀控制器对GPS和施用物映射数据进行分割。然后，在下一步骤414处，然后系统控制器可以将分割的GPS和施用物映射数据分配给单独的阀控制器。

在下一步骤416处，各个阀组件可以获得它们的GPS位置和取向。此后，在下一步骤418处，各个阀系统可以基于所储存的施用物映射数据与它们所确定的GPS位置的比较来改变它们的状态(打开或关闭)。在下一步骤420处，该系统可以优选地基于每个阀组件的状态/电流检测器的测量而通过每个阀控制器确认改变状态执行。

在下一步骤422处，该系统可以优选地将改变状态数据与GPS数据一起发送到主控制器。此后，在步骤424处，系统控制器可以优选地从(一个或更多个)流量计确认流动状况并记录改变状态状况。在步骤428处，所收集的数据还可以与机器上的阀位置、来自GPS传感器等的机器位置数据、当前时间、正在施用的材料和该特定阀的固定参数相结合，以提供“施用证明”记录，该“施用证明”记录然后可以被储存在控制单元处或传输到中央命令系统。

现在参考图6和图7，现在将讨论对锁止阀状态改变进行检测的优选方法。根据优选实施方式，通过测量衔铁移动时线圈中的电感的改变来实现对锁止阀电磁阀的打开或关闭的感测。根据另外的优选实施方式，该感测优选地通过在状态改变(例如，打开或关闭电磁操作的阀)期间经由电磁阀对电流进行监测来完成。如图6所示，可以通过对在所测得的电流的值中的所测得的下降进行检测来识别锁止阀状态的改变。具体地，如图6所示，当阀柱塞(衔铁)移动时，电流或电压波形中出现瞬时骤降600。无论柱塞运动的方向如何，都是如此。因此，使用此方法可以检测任何改变(例如开和关)。根据优选的实施方式，状态改变优选地通过识别电流值随时间变化的局部最小值600来检测。

根据优选的实施方式，可以直接或通过任何传统方法(例如测量与线圈电路并联连接的1欧姆电阻器上的电压)来监测电流并且通过标准模/数转换器发送所生成的波形。此后，局部阀控制器然后可以分析检测到的波形以识别局部最小值700从而验证阀已完成所命令的操作(打开或关闭、开或关)。此外，可以在该系统内使用来自阀的状态的数据来验证该系统正在经由本文中所述的算法或机器学习技术按预期施用材料。此外，该数据可以触发控制系统204以使机器停止或通知(一个或更多个)操作员有错误(例如，阀未按预期操作)。

现在参考图7，示出了显示示例性电流检测布置的简化图。详细地，本发明的电流传感器505可以与锁止阀502控制电路并联布置。然后电流传感器505可以提供从模拟转换为数字的输出信号510(如果需要)。经转换的信号可以优选地传送到主控制单元515以分析记录的波形。根据另外的优选实施方式，如果波形中的骤降未被检测到或是异常的，则局部阀控制器可以立即发送错误代码或在将错误代码发送到控制单元之前重新尝试激活阀预定义的次数。此外，阀控制器然后可以通知控制单元成功的状态改变。根据另外的优选实施方式，通过确保一个或更多个阀在一个或更多个其他阀被命令激活之前已完成状态改变，可以优选地对来自多个阀的状态改变指示进行组合以提供多个阀的复杂功能(例如“互锁”能力)。优选地，这可以经由在阀控制器、控制单元或中央命令系统处编程的算法来完成。

虽然以上关于本发明的描述包含很多特定性，但这些不应被解释为对范围的限制，而应被解释为示例。许多其他变化是可能的。例如，通过本发明的本发明的处理元件可以在许多不同的频率、电压、安培和总线配置上操作。此外，利用本发明提供的通信可以被设计为本质上是双工或单工的。此外，根据需要，用于向本发明传输数据和从本发明传输数据的过程可以被设计为本质上是推式的或拉式的。尽管如此，此外，可以使本发明的每个特征从遥远的监测站远程激活和访问。相应地，数据可以优选地根据需要而上传到本发明和从本发明下载。

相应地，本发明的范围不应由所示出的实施方式来确定，而应由所附权利要求及其合法等效物来确定。

Claims

1.一种用于在灌溉系统内提供感测和通信的系统，所述灌溉系统具有至少一个跨接件和用于移动所述跨接件的驱动系统，其中，所述系统包括：

锁止阀；

阀控制器，其中，所述阀控制器被配置成向所述锁止阀施加电流，从而将所述锁止阀从第一流动状态切换到第二流动状态；

GPS接收器，所述GPS接收器用于接收位置数据；

状态检测器，其中，所述状态检测器被配置成测量被施加到所述锁止阀的有效电流；另外其中，所述状态检测器被配置成输出所测得的电流随时间变化的波形；以及

灌溉控制器，其中，所述灌溉控制器被配置成接收所测得的波形；其中，所述灌溉控制器还包括算法，所述算法用于对所测得的波形进行分析并通过所述锁止阀对指示改变状态的电流的减小进行识别；

其中，所述锁止阀在第一端上功能性地连接至入口管；其中，所述锁止阀在第二端上功能性地连接至发射器；

其中，所述锁止阀包括衔铁；其中，所述衔铁能够在当所述锁止阀处于所述第一流动状态时的缩回位置与当所述锁止阀处于所述第二流动状态时的伸出位置之间移动。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述锁止阀保持在选定的流动状态，直到在相反的方向上施加第二电流。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述电流作为DC脉冲被施加到所述锁止阀的锁止线圈。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，使所述DC脉冲的极性反转将改变所述锁止阀的状态。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述电流是以具有在10毫秒至100毫秒范围内的脉冲速率的脉冲施加的。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述锁止阀被配置成响应于电流的所述脉冲而使所述衔铁在所述缩回位置与所述伸出位置之间移位和固定；其中，所述锁止阀被配置成当所述衔铁处于所述缩回位置时打开施用物通过所述锁止阀的流动。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述锁止阀被配置成当所述衔铁处于所述缩回位置时切断施用物通过所述锁止阀的流动。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述系统包括多个锁止阀组件；其中，每个锁止阀组件包括至少：阀控制器、第一状态检测器、第一锁止阀和第一发射器。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述多个锁止阀组件中的每个锁止阀组件从所述灌溉控制器接收电控制信号和数据。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述灌溉控制器从所述多个锁止阀组件中的一个或更多个锁止阀组件接收状况更新。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，至少一个状况更新包括来自每个锁止阀组件的状态检测数据。

12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述灌溉控制器被配置成从灌溉系统主总线接收灌溉数据。

13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述灌溉数据包括施用物数据。

14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述灌溉数据包括天气数据。

15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述灌溉控制器被配置成接收来自一个或更多个传感器的输入；其中，所述一个或更多个传感器选自下述传感器：灌溉机器传感器、现场传感器以及远程传感器。

16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述灌溉控制器被配置成接收卫星影像数据和天气预报数据；其中，所述灌溉控制器被配置成至少部分地基于所接收到的卫星影像数据和天气数据来修改一个或更多个阀控制器的状态。

17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述施用物数据包括化学品注入泵数据。

18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述灌溉控制器包括机器学习算法。

19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述机器学习算法被配置成确定一个或更多个系统指令的改变；另外其中，所述机器学习算法被配置成传送一个或更多个指令改变，以供所述一个或更多个阀控制器实施。

20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述系统还包括用户接口；其中，所述用户接口被配置成允许用户接受或拒绝指令改变。

21.根据权利要求20所述的系统，其中，所述灌溉控制器被配置成对选定的数据加时间戳并且将已加时间戳的数据提供给施用物证明数据库。

22.根据权利要求21所述的系统，其中，所述施用物证明数据库被配置成接收以及储存来自至少第一阀控制器的阀状况数据。

23.根据权利要求22所述的系统，其中，所述施用物证明数据库储存与所储存的阀状况数据对应的至少第一组GPS数据和第二组时间戳数据。