CN114436378A - 防止滴灌系统灌水器堵塞的磁化控制装置及控制方法 - Google Patents

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CN114436378A CN202111598560.8A CN202111598560A CN114436378A CN 114436378 A CN114436378 A CN 114436378A CN 202111598560 A CN202111598560 A CN 202111598560A CN 114436378 A CN114436378 A CN 114436378A
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Abstract

本发明属于农业高效节水灌溉技术领域，涉及一种防止滴灌系统灌水器堵塞的磁化控制装置及控制方法，方法包括：灌溉水由第一水泵从水源工程处抽出，经滴灌首部控制枢纽，进入水池；灌溉水由第二水泵抽出，流过第一铜阀、磁化管道；经磁化器处理后的灌溉水依次通过流速监测仪和第一阀门回到水池；当灌溉水的水质满足进入到毛管内的水质要求时，第二水泵关闭，停止循环磁化处理；第三水泵开启；经过循环磁化处理后的灌溉水由第三水泵从水池中抽出，经过网式过滤器，再通过第二阀门进入支管及毛管；灌溉水从灌水器中流出，进行灌溉。本申请有效解决滴灌系统灌水器堵塞问题，具有清洁和高效的优点；提升作物产量和品质，运行方式简单，用户操作便捷。

Description

防止滴灌系统灌水器堵塞的磁化控制装置及控制方法
技术领域
本发明属于农业高效节水灌溉技术领域，涉及一种防止滴灌系统灌水器堵塞的磁化控制装置及控制方法，尤其涉及一种防止滴灌系统灌水器堵塞和作物增产提质的磁化控制装置及控制方法。
背景技术
滴灌是目前最节水的高效灌溉技术之一，应用前景广阔，已成为现代农业实现节水和高效生产的重要途径。随着水资源紧缺的加剧，再生水、微咸水、微污染河湖库地表水和养殖废水等劣质水源也常作为滴灌水源，但这些劣质水源通常含有大量的微生物、盐分离子和藻类等，加剧了滴灌系统中关键部件灌水器的堵塞问题，使得滴灌系统的灌水均匀度大幅降低，严重时会导致整个滴灌系统的报废。因此，堵塞问题解决的好坏直接决定了滴灌工程的使用寿命和应用效益。
如何有效控制灌水器内部污垢的形成是解决灌水器堵塞问题的关键。传统加酸和加氯等化学方法虽然分别能够控制化学污垢和生物污垢，但是需要反复施用，成本高，容易导致环境污染和作物减产。此外，灌水器内部的污垢表现为生物和化学污垢的复合形式，称为：复合污垢；加酸或加氯对复合污垢的控制效果较差。磁处理技术可以集阻垢、杀菌和灭藻等多项功能于一体，在环保和降低生产投资成本等方面具有加酸和加氯等灌水器堵塞控制方法不可比拟的优势。此外，磁处理技术在促进种子萌发、提高幼苗的存活率、改良土壤以及提高作物产量和品质等方面都有明显的作用。近年来随着水资源紧缺的加剧以及环保要求的逐步提高，磁处理技术已广泛应用于给水系统、石油开采、机械制造和冶金等领域。如西安工程大学的余嵘和周欣桐公开了名称为：“一种带有杀菌除垢功能的磁化加湿器”(专利申请号为：CN201711246710.2)的专利，所述磁化加湿器具有杀菌除垢、氧化空气和保护机器的功能。又如北京中创龙源环保科技有限公司的袁媛和任全文公开了名称为：“永磁磁化装置”(专利申请号为：CN201810387159.1)的专利，所述永磁磁化装置能够提高水垢的溶解度，从而去除化学污垢。然而，目前还没有针对农业滴灌系统灌水器堵塞控制需求的磁化装备，如何将磁处理技术与农业滴灌技术融合仍不明确，更是缺少针对滴灌系统适宜的磁化技术应用模式。
基于此，本发明在现有技术和应用过程的基础上，提出了一种面向滴灌系统灌水器堵塞的磁化控制装置及其适宜的运行模式，具体是：基于滴灌系统的运行模式和水源特点，提出了滴灌系统应用的直流脉冲型磁化器的研制方法，构建了磁化设备对滴灌水源处理效果的评价体系；综合考虑灌水器堵塞控制需求和对作物生长的影响，明确了滴灌系统中磁化设备适宜的运行方法；磁化处理可使得污垢变得更为松散，易于被水流冲刷掉，结合毛管冲洗和灌水器筛选进一步控制灌水器堵塞。该方法可以有效地解决劣质水源用于农田滴灌造成的灌水器堵塞和滴灌系统运行安全等方面的问题。
发明内容
为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本发明的目的在于：提供一种防止滴灌系统灌水器堵塞的磁化控制装置及控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题，具体技术方案如下。
一种防止滴灌系统灌水器堵塞的磁化控制装置，
所述磁化控制装置用于：防止滴灌系统灌水器堵塞和作物增产提质；
所述滴灌系统包括：水源工程1、输配水管网、若干灌水器17、第一水泵2、滴灌首部控制枢纽3和磁化控制装置；
所述磁化控制装置包括：水池4、第二水泵5、第一铜阀6、磁化管道7、磁化器9、流速监测仪10、第一阀门11、传感器12和自动控制装置13；
所述输配水管网包括：第三水泵14、网式过滤器15、第二阀门16、调速装置18、若干干管37、支管38和若干毛管39；
所述水源工程1与第一水泵2的一端通过干管37连接，所述第一水泵2的另一端与滴灌首部控制枢纽3的入口通过干管37连接；所述滴灌首部控制枢纽3的出口与水池4的入口通过干管37连接；
所述水池4与第二水泵5的一端通过干管37连接，所述第二水泵5的另一端与第一铜阀6的一端通过干管37连接；所述第一铜阀6的另一端与磁化管道7的一端连接；所述磁化管道7的另一端与流速监测仪10的一端通过干管37连接，所述流速监测仪10的另一端与第一阀门11的一端通过干管37连接，所述第一阀门11的另一端与水池4通过干管37连接；
所述传感器12位于水池4中，所述自动控制装置13与传感器12、第二水泵5、第三水泵14均相连；
所述水池4的出口与第三水泵14的一端通过干管37连接，所述第三水泵14的另一端与网式过滤器15的一端通过干管37连接；所述网式过滤器15的另一端与第二阀门16的一端通过干管37连接，所述第二阀门16的另一端与支管13连接，所述支管13与若干毛管39的一端连接；所述若干毛管39的另一端与调速装置18连接；
在每根毛管39上设有若干灌水器17；
所述磁化器9包括：管道线圈和磁化发生装置；
所述管道线圈缠绕在所述磁化管道7上；
所述管道线圈的一端与磁化发生装置的一端连接，所述管道线圈的另一端与磁化发生装置的另一端连接；
所述第一铜阀6用于：调节流速变化。
在上述技术方案的基础上，所述滴灌首部控制枢纽3包括：水泵、动力机、控制设备、过滤装置、施肥装置以及测量和保护设备；
所述滴灌首部控制枢纽3用于：从水源工程1抽水加压，施入肥料液，经水质过滤后按时和按量将水肥输送到输配水管网。
在上述技术方案的基础上，所述磁化控制装置还包括：太阳能板8；
所述磁化发生装置与太阳能板8连接；
所述太阳能板8用于：为所述磁化发生装置提供电能。
在上述技术方案的基础上，所述磁化器9为：直流脉冲变频磁化器；
所述直流脉冲变频磁化器的输入电压为：220V/50Hz，输出电压为：12-36V，输出电流为：1A-6A，适用温度为：-10～55℃，可调节频率范围为：0～120kHz，有效距离为50～1000m；
所述管道线圈的线圈匝数为：20-60圈，所述磁化管道7的材质为：PVC管，所述管道线圈采用平绕方式缠绕在所述磁化管道7上；
所述PVC管的管径为：63mm～90mm。
在上述技术方案的基础上，所述磁化发生装置包括：微控制器、复位电路、显示电路、霍尔高速电流检测传感器、PWM脉冲发生电路、脉冲功率放大电路、稳压电路和直流电源模块；
所述微控制器与复位电路、显示电路、霍尔高速电流检测传感器、PWM脉冲发生电路、稳压电路均连接；
所述脉冲功率放大电路与PWM脉冲发生电路、直流电源模块、管道线圈均连接；
所述稳压电路和直流电源模块连接；
在所述管道线圈上安装有霍尔高速电流检测传感器；
所述PWM脉冲发生电路产生PWM脉冲信号；
所述脉冲功率放大电路将PWM脉冲发生电路产生的PWM脉冲信号的功率再次放大，放大后的脉冲信号通过外部的管道线圈作用到磁化管道7上；
所述显示电路能够显示磁化器9输出的频率和电流波形；
所述直流电源模块为脉冲功率放大电路、微控制器提供能源，保证设备的安全运行；
所述稳压电路起到稳固电压的作用。
在上述技术方案的基础上，所述磁化发生装置还包括：外壳、按键、脉冲线圈线接口一27、脉冲线圈线接口二28、开关键35和电源线接口36；
在所述外壳上安装所述按键、脉冲线圈线接口一27、脉冲线圈线接口二28、开关键35和电源线接口36；
所述电源线接口36将所述开关键35与外部电源连接；
所述管道线圈的一端通过脉冲线圈线接口一27与脉冲功率放大电路连接，所述管道线圈的另一端通过脉冲线圈线接口二28与脉冲功率放大电路连接；
所述直流电源模块与开关键35连接；
所述显示电路为显示屏31；
所述显示屏31能够实现触屏设置；
所述按键与微控制器连接；
所述微控制器以单片机为核心，通过设定在存储器中的软件程序来处理信息，配合显示电路与按键调整参数，高速运算处理接受到的信号，将信号处理结果输出至所述PWM脉冲发生电路；
所述霍尔高速电流检测传感器将电流波形信号传输回微控制器的单片机进行处理，同时在显示屏31上显示；
所述按键包括：向上调节键29、向下调节键30、确认键32、返回键33、模式更换键34、启动键和停止键；
所述向上调节键29用于：调大指标；
所述向下调节键30用于：调小指标。
在上述技术方案的基础上，所述单片机采用的型号为stm32f103rct6，其内核采用ARM 32位的CortexTM-M3 CPU，最高工作频率为：72MHz；存储器采用256K-512K字节的闪存程序存储器，高达64K字节的SRAM，带4个片选的静态存储器控制器；采用4～16MHz晶体振荡器；采用3个12位模数转换器，1μs转换时间(多达21个输入通道)，转换范围为0-3.6V；采用4个16位定时器，每个定时器有4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数的通道和增量编码器输入；采用5个USART接口(支持ISO7816，LIN，IrDA接口和调制解调控制)；采用3个SPI接口(18M位/秒)，CAN接口(2.0B主动)和USB 2.0全速接口。
在上述技术方案的基础上，所述显示屏31采用液晶显示及触屏输入，体现人机交互，采用5寸触屏液晶显示，分辨率800*480；亮度为900nit，可任意设置需要脉冲的输出频率，显示设置的脉冲波形，显示线圈电流实时波形及峰值电流。
在上述技术方案的基础上，所述霍尔高速电流检测传感器采用ACS578电流传感器，ACS758电流传感器将脉动电流信号转换为电压信号，经过AD623将电压信号放大，输出后与单片机的A/D转换接口连接。
在上述技术方案的基础上，所述直流电源模块采用开关电源模块，其输出电压为24V，电流最高可达15A，转换效率超过87％，纹波小于50mV；其冷却方式为：当工作在低电流时，依靠自带散热片自然冷却，当工作在大电流时，温度升高，开启风冷。
在上述技术方案的基础上，所述稳压电路为：DC/DC直流稳压电路；
所述DC/DC直流稳压电路将24V直流电源转换为单片机电路使用的低压直流电源，采用XL1509作为DC/DC直流稳压电路中的转换芯片，所述XL1509芯片的宽电源电压输入范围为：4.5-40V；低压降为：1.5V；开关频率为：150kHz；大电流负载输出为：2A；高转换效率为：87％。
在上述技术方案的基础上，所述调速装置18包括：第二铜阀19、第三阀门20、第四阀门21、流量计22和第五阀门23；
所述若干毛管39的另一端与第二铜阀19的一端连接；所述第二铜阀19的另一端与第三阀门20的一端、第四阀门21的一端均连接；所述第三阀门20的另一端与第五阀门23的一端连接，所述第四阀门21的另一端与流量计22的一端连接，所述流量计22的另一端与第五阀门23的另一端连接。
一种应用上述防止滴灌系统灌水器堵塞的磁化控制装置的控制方法，包括以下步骤：
步骤一、灌溉水由第一水泵2从水源工程1处抽出，首先经过滴灌首部控制枢纽3，然后进入水池4当中；
步骤二、灌溉水再通过第二水泵5抽出，首先流过第一铜阀6，再进入磁化管道7；
在所述磁化控制装置中，通过观察流速监测仪10显示的流速，调节第一阀门11，使得流速监测仪10显示的流速为：1.2-1.6m/s；
步骤三、经过直流脉冲变频磁化器处理后的灌溉水依次通过流速监测仪10和第一阀门11回到水池4中；
通过水池4中的传感器12监测灌溉水的菌落数、电导率、溶解氧和表面张力；
将灌溉水经过磁化控制装置的循环磁化处理，传感器12将监测的数据反馈给自动控制装置13，当灌溉水的水质满足进入到毛管39内的水质要求时，自动控制装置13将第二水泵5关闭，停止循环磁化处理；
所述循环磁化处理后灌溉水的水质要求为：菌落数应小于2×103cfu/ml，电导率小于4ds/m，溶解氧大于5.0mg/L，表面张力的范围为：25-50mN/m；
步骤四、自动控制装置13控制第三水泵14开启；
经过循环磁化处理后的灌溉水由第三水泵14从水池4中抽出，经过网式过滤器15，进一步进行过滤；
灌溉水再通过第二阀门16进入到支管38及毛管39当中；
灌溉水从灌水器17中流出，进行灌溉。
在上述技术方案的基础上，在以杀菌为主，抑制盐分离子结晶为辅的灌溉水的水质要求采用菌落数作为主要评价指标；
在以抑制盐分离子结晶为主，杀菌为辅的灌溉水的水质要求采用电导率作为主要评价指标。
在上述技术方案的基础上，所述滴灌系统的运行压力为0.07-0.12Mpa；所述滴灌系统的灌水频率为3-10d/次；
在滴灌系统运行期间，每运行50-60h进行一次冲洗；
冲洗的步骤如下：
S1、打开第二铜阀19、第四阀门21和第五阀门23，关闭第三阀门20；
S2、通过流量计22观测管路中的流速，调节第二铜阀19，使得流量计22显示的目标流速为：0.50-0.80m/s；
S3、关闭第四阀门21和第五阀门23，打开第三阀门20，采用目标流速对滴灌系统的毛管39进行5-10min冲洗。
S4、关闭第二铜阀19，提高滴灌系统运行压力至0.15-0.20MPa，对滴灌系统灌水器17进行2-3min冲洗。
在上述技术方案的基础上，所述直流脉冲变频磁化器的磁感应强度为：500-800mT，扫频频率范围为：20Hz～60kHz，扫描周期为：1.2～1.5s，载频频率为：1.0～1.2MHz；
所述管道线圈的材质为：铜线，横截面积为：0.5～1mm2；
所述网式过滤器15为150目的过滤器。
在上述技术方案的基础上，所述灌水器17的抗堵塞能力评估参数ACA不低于0.8、流量为0.5-3.0L·h-1；
所述灌水器17为：片式灌水器；
所述ACA按照公式(1)计算，
ACA＝-13.16×A1/2/L-0.33×W/D+1.57 (1)
其中，A为灌水器流道的断面面积，L为灌水器流道的长度，W为灌水器流道的宽度，D为灌水器流道的深度。
本发明的有益技术效果如下：
1.本发明申请所述防止滴灌系统灌水器堵塞的磁化控制装置可以有效地解决滴灌系统灌水器堵塞的问题，且所述磁化控制方法可防止采用传统加酸和加氯技术应用，而导致的环境污染；具有清洁和高效的优点；
2.经过循环磁化处理的灌溉水可以提升作物的产量和品质，避免因传统加酸和加氯方法应用，而导致的作物减产问题；可以提高用户的使用积极性；
3.相比于传统的加酸和加氯方法而言，本申请所述防止滴灌系统灌水器堵塞的磁化控制装置的运行方式简单，用户操作便捷。
附图说明
本发明有如下附图：
图1为本发明所述滴灌系统的整体布置示意图；
图2为本发明所述直流脉冲变频磁化器的内部电路连接示意框图；
图3为本发明所述磁化器main主程序的流程示意图；
图4为本发明所述电磁脉冲产生及测量显示的流程示意图；
图5为本发明所述液晶显示及触屏控制的流程示意图；
图6为本发明所述直流脉冲变频磁化器的立体结构示意图；
图7为本发明所述磁化控制装置对再生水杀菌的影响曲线示意图；
图8为本发明所述磁化控制装置对再生水电导率的影响曲线示意图；
图9为本发明所述磁化控制装置对再生水溶解氧的影响曲线示意图；
图10为本发明所述磁化水对灌水器内部堵塞物质干重的影响示意图；
图11为本发明所述磁化水对灌水器内部相对平均流量的影响示意图；
图12为本发明所述磁化水对番茄株高的影响曲线示意图；
图13为本发明所述磁化水对番茄茎粗的影响曲线示意图；
图14为本发明所述磁化水对番茄单果重的影响曲线示意图；
图15为本发明所述磁化水对番茄产量的影响曲线示意图。
附图标记：
1、水源工程；2、第一水泵；3、滴灌首部控制枢纽；4、水池；5、第二水泵；6、第一铜阀；7、磁化管道；8、太阳能板；9、磁化器；10、流速监测仪；11、第一阀门；12、传感器；13、自动控制装置；14、第三水泵；15、网式过滤器；16、第二阀门；17、灌水器；18、调速装置；19、第二铜阀；20、第三阀门；21、第四阀门；22、流量计；23、第五阀门；24、铜质缠绕线圈；26、磁化器参数标识区；27、脉冲线圈线接口一；28、脉冲线圈线接口二；29、向上调节键；30、向下调节键；31、显示屏；32、确认键；33、返回键；34、模式更换键；35、开关键；36、电源线接口。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，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更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
在本发明的一项宽泛实施例中，一种防止滴灌系统灌水器堵塞的磁化控制装置，所述磁化控制装置用于：防止滴灌系统灌水器堵塞和作物增产体质；所述滴灌系统包括：水源工程1、输配水管网、若干灌水器17、第一水泵2、滴灌首部控制枢纽3和磁化控制装置。
所述磁化控制装置布置在滴灌系统的干管37之间，如图1所示，磁化控制装置包括：水池4、第二水泵5、第一铜阀6、磁化管道7、太阳能板8、磁化器9、流速监测仪10、第一阀门11、传感器12和自动控制装置13。
所述水池4和磁化管道7通过第二水泵5相连，在磁化管道7和第二水泵5中间设有所述第一铜阀6，用来调节流速变化；第一铜阀6和流速监测仪10通过磁化管道7、干管37相连，磁化管道7上缠绕着磁化器9的管道线圈，流速监测仪10通过第一阀门11与水池4相连。所述传感器12位于水池4中，所述自动控制装置13与传感器12、第二水泵5均相连。所述太阳能板8与磁化器9相连。
所述输配水管网包括：第三水泵14、网式过滤器15、第二阀门16、调速装置18以及若干干管37、支管38和若干毛管39；所述自动控制装置13与第三水泵14相连；所述灌水器17位于毛管39上，所述调速装置18位于毛管39的尾部；所述调速装置18包括：第二铜阀19、第三阀门20、第四阀门21、流量计22及第五阀门23。
所述滴灌首部控制枢纽3包括：水泵、动力机、控制设备、过滤装置、施肥装置以及测量和保护设备等。
所述防止滴灌系统灌水器堵塞的磁化控制装置的控制方法如下：如图1所示，灌溉水由第一水泵2从水源工程1处抽出，首先经过滴灌首部控制枢纽3，然后进入水池4当中。灌溉水再通过第二水泵5抽出，首先流过第一铜阀6，再进入磁化管道7；在所述磁化控制装置中，通过观察流速监测仪10显示的流速，调节第一阀门11，使得流速监测仪10显示的流速为：1.2-1.6m/s；所述磁化器9的磁感应强度为：500-800mT，扫频频率范围为：20Hz～60kHz，扫描周期为：1.2～1.5s，载频频率为：1.0～1.2M Hz；管道线圈的材质为：铜线，横截面积为0.5～1mm2，管道线圈的线圈匝数为：20-60圈，采取平绕方式缠绕在所述磁化管道7上。经磁化器9处理后的灌溉水通过第一阀门11回到水池4中，并通过水池4中的传感器12监测灌溉水的菌落数、电导率、溶解氧和表面张力；经过磁化控制装置的循环磁化处理后，磁化处理后的水质的菌落数应小于2×103cfu/ml，电导率小于4ds/m,溶解氧大于5.0mg/L，表面张力的范围为：25-50mN/m；满足上述水质要求的灌溉水进入到滴灌系统的毛管39内；传感器12监测的数据反馈给自动控制装置13后，当灌溉水的水质满足进入到毛管39内的水质要求时，自动控制装置13将第二水泵5关闭，停止循环磁化处理。经过循环磁化处理后的灌溉水由第三水泵14从水池4中抽出，经过150目的网式过滤器15，进一步进行过滤，再通过第二阀门16进入到支管38及毛管39当中，灌溉水从灌水器17中流出，进行灌溉。
灌水器17选取ACA大于0.8、流量为0.5-3.0L·h-1的灌水器。滴灌系统的运行压力为：0.07-0.12MPa，在滴灌系统运行期间，每运行50h进行一次冲洗；冲洗期间，打开第二铜阀19、第四阀门21和第五阀门22，关闭第三阀门20；通过流量计22观测管路的流速，调节第二铜阀19，使得流量计22显示的目标流速为0.50-0.80m/s；随后，关闭第四阀门21和第五阀门23，打开第三阀门20，采用目标流速对滴灌系统的毛管39进行5-10min冲洗；最后关闭第二铜阀19，提高滴灌系统运行压力至0.15-0.20MPa，对滴灌系统灌水器17进行2-3min冲洗。
本发明所述的磁化器9采用：直流脉冲变频磁化器，其结构专门适宜滴灌系统，包括：磁化发生装置与管道线圈两大部分，综合考虑对滴灌系统灌水器的抑垢和对作物生长的影响，对直流脉冲变频磁化器的内部电路、软件以及管道线圈进行改进，所述管道线圈的线圈匝数为：20-60圈、磁化管道7的材质为：PVC管、管道线圈采用平绕方式缠绕在所述磁化管道7上。
如图2和图6所示，所述直流脉冲变频磁化器的硬件部分包括：微控制器、信号发生电路(即图2中的PWM脉冲发生电路)、脉冲功率放大电路、直流电源模块、稳压电路、霍尔高速电流检测传感器、显示电路、复位电路和按键等。所述微控制器以单片机为核心，通过设定在存储器中的软件程序来处理信息，配合显示电路与按键调整参数，高速运算处理接受到的信号，将信号处理结果输出至所述PWM脉冲发生电路，产生PWM脉冲信号。所述脉冲功率放大电路将PWM脉冲发生电路产生的PWM脉冲信号的功率再次放大，放大后的脉冲信号通过外部的管道线圈作用到磁化管道7上。
在所述管道线圈上安装有霍尔高速电流检测传感器，能够将电流波形信号传输回微控制器的单片机进行处理，同时在显示电路上显示。所述显示电路直接与微控制器连接，能够显示磁化器9输出的频率和电流波形。所述直流电源模块为脉冲功率放大电路、微控制器提供能源，保证设备的安全运行。所述稳压电路连接在微控制器与直流电源之间，起到稳固电压的作用。所述复位电路直接与微控制器相连。所述显示电路为显示屏31；所述按键包括：启动键和停止键等。
本发明为直流脉冲变频磁化器开发了专用软件，包括：磁化器main主程序、电磁脉冲产生电路及测量显示程序、液晶显示及触屏控制程序。图3示出了本发明中磁化器Main主程序的流程示意图，图4为本发明中的电磁脉冲产生及测量显示的流程示意图，图5为本发明中的液晶显示及触屏控制的流程示意图。
如图3所示，所述磁化器Main主程序的流程步骤简述如下：
S11、启动直流电源模块工作；
S12、初始化IO口的定时中断、彩屏串口通讯、模拟数字转换(ADC)和脉冲宽度调制(PWM)；
S13、读取设置参数；
S14、若读取设置参数成功，则通过A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，并进行显示，同时实现触屏设置；在显示屏31的屏幕上实时显示电流的峰值和波形曲线，以及进行超限报警处理；也可在显示屏31的屏幕上进行脉冲信号的调节。
如图4所示，所述电磁脉冲产生及测量显示的流程步骤简述如下：
S21、启动直流电源模块工作；
S22、按下启动键；
S23、所述磁化器9根据设定的扫频频率和扫描周期等参数启动相应的PWM脉冲信号；
S24、在磁化器9运行结束后，按下停止键，PWM脉冲信号不再发生，在显示屏31上的脉冲曲线被清除，显示检测到的电流值，并显示电流曲线。
如图5所示，所述液晶显示及触屏控制的流程步骤简述如下：
S31、启动直流电源模块工作；
S32、在显示屏31上显示上一次的参数，包括：扫频频率、显示亮度以及PWM脉冲信号启动或停止等，也可对上述参数进行调节；
S33、在收到显示屏31上的触摸键的更改数据后，按照调节后的参数进行执行，并根据设置参数，向显示屏31的液晶串口发送电流曲线数据和峰值电流数据，如果启动PWM脉冲信号，则重新更新电流曲线，若PWM脉冲信号未启动，则等待用户的按键指令。
如图6所示为本发明的直流脉冲变频磁化器，所述直流脉冲变频磁化器还包括：外壳、脉冲线圈线接口一27、脉冲线圈线接口二28、开关键35和电源线接口36；所述按键还包括：向上调节键29、向下调节键30、确认键32、返回键33和模式更换键34等；在所述外壳的正面设有磁化器参数标识区26。所述模式更换键34先通过设定固定的参数(主要是扫频频率、电流强度和扫描周期等)，然后所述直流脉冲变频磁化器按照上述设定的参数模式运行；可以同时设置几个参数模式，以方便切换。
其中，管道线圈采用铜质缠绕线圈24，均匀紧凑地缠绕在PVC管上。为保证灌溉过程中的实用性和易更换性，磁化管道7即采用灌溉中常用的PVC管，管径为63mm～90mm。
所述直流脉冲变频磁化器的主要技术参数如下：输入电压为：220V/50Hz，输出电压为：12-36V，输出电流为：1A-6A，适用温度为：-10～55℃，可调节频率范围为：0～120kHz，有效距离为50～1000m。
水质处理效果评价体系如下所述：
随着循环时间的延长，直流脉冲变频磁化器对水质的处理效果越好，综合考虑对灌水器堵塞和作物生长的影响，建立能够快速预估磁化器9对水质处理效果的评价体系，因此，本发明的直流脉冲变频磁化器对水质的处理效果可使用以下的评价体系进行评价：在灌溉水通过直流脉冲变频磁化器循环处理时，通过传感器12监测灌溉水的菌落数、电导率、杀菌率、表面张力、溶解氧和氧化还原电位，当上述指标均达到设定阈值后，传感器12反馈给自动控制装置13，并关闭第二水泵5，停止循环磁化处理，此时可通过第三水泵14抽水后，进行滴灌。
在以杀菌为主，抑制盐分离子结晶为辅的灌溉水的水质(例如再生水等滴灌水源)，要求采用菌落数作为主要评价指标，循环磁化处理后的水质的菌落数应小于2×103cfu/ml。
在以抑制盐分离子结晶为主，杀菌为辅的灌溉水的水质(例如微咸水等滴灌水源)，要求采用电导率作为主要评价指标，循环磁化处理后的水质的电导率应小于4.0ds/m。
所述灌溉水对作物生长的影响，以溶解氧和表面张力作为评价指标，溶解氧越高，表面张力越低，代表磁化器9的处理效果越好；磁化处理后灌溉水中的溶解氧应大于5.0mg/L，表面张力的范围为：25-50mN/m。
本发明的直流脉冲变频磁化器的运行模式如下：其扫频频率范围为：20Hz～60kHz，扫描周期为：1.2-1.5s，载频频率为：1.0-1.2MHz。管道线圈的材质为：铜线，横截面积为0.5～1mm2，管道线圈的线圈匝数为20-60圈，采取平绕方式缠绕在所述磁化管道7上。通过磁化器9的水流流速为1.2～1.6m/s，磁感应强度为500-800mT。
滴灌系统进口的工作压力一般设置为：0.07～0.12MPa，滴灌系统的灌水频率为3-10d/次。由于循环磁化处理能够显著地影响污垢与毛管39以及灌水器17内壁的粘附力，使得原有致密型的污垢变成松散型的污垢，因此，可通过控制毛管39和灌水器17流道内部的流速，增强壁面的流动剪切力，防止污垢在毛管39的内壁和灌水器17的内壁沉积，进而控制堵塞。适宜的冲洗频率为滴灌系统运行50-60h/次；毛管冲洗流速应控制在0.5-0.8m/s，冲洗时间为5-10min；灌水器冲洗运行压力控制在0.15-0.20MPa。灌水器17可选流量为0.5～3.0L/h的片式灌水器，并选用灌水器的抗堵塞能力评估参数ACA较大的灌水器，其值越大代表灌水器17的抗堵塞能力越强，建议其数值不低于0.8，计算公式如式(1)所示：
ACA＝-13.16×A1/2/L-0.33×W/D+1.57 (1)
式中，A为灌水器流道的断面面积，L为灌水器流道的长度，W为灌水器流道的宽度，D为灌水器流道的深度。
本发明可广泛应用于复杂水源滴灌系统堵塞控制，下面以劣质水滴灌系统灌水器堵塞控制为例，描述磁化控制装置的实施过程。
(1)直流脉冲变频磁化器的设计制造
所述的直流脉冲变频磁化器包括：磁化发生装置与管道线圈两大部分，本发明综合考虑对滴灌系统灌水器抑垢和对作物生长的影响，进行直流脉冲变频磁化器内部电路、软件以及管道线圈(线圈匝数、管道材质和线圈形状)的设计。
如图2所示，直流脉冲变频磁化器的硬件部分主要分为微控制器、信号发生电路(即图2中的PWM脉冲发生电路)、脉冲功率放大电路、直流电源模块、稳压电路、显示电路、复位电路和霍尔高速电流检测传感器等。
各部分的组成与结构如下：所述的微控制器以单片机为核心，通过设定在存储器中的软件程序来处理信息。单片机采用的型号为stm32f103rct6，其内核采用ARM 32位的CortexTM-M3 CPU，最高工作频率为：72MHz；存储器采用256K-512K字节的闪存程序存储器，高达64K字节的SRAM，带4个片选的静态存储器控制器；采用4～16MHz晶体振荡器；采用3个12位模数转换器，1μs转换时间(多达21个输入通道)，转换范围为0-3.6V；采用4个16位定时器，每个定时器有4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数的通道和增量编码器输入；采用5个USART接口(支持ISO7816，LIN，IrDA接口和调制解调控制)；采用3个SPI接口(18M位/秒)，CAN接口(2.0B主动)；USB 2.0全速接口。
微控制器配合显示电路及数据输入模块(即按键和显示屏31的触屏输入)，通过按键调整参数，高速运算处理接受到的信号，将信号处理结果输出至PWM脉冲发生电路，产生PWM脉冲信号。显示电路采用液晶显示及触屏输入，体现人机交互，采用5寸触屏液晶显示，分辨率800*480；亮度为900nit，可任意设置需要脉冲的输出频率，显示设置的脉冲波形，显示线圈电流实时波形及峰值电流。
所述脉冲功率放大电路是将PWM脉冲信号的功率放大，放大后的脉冲信号就通过管道线圈作用到磁化管道7上。管道线圈上安装有霍尔高速电流检测传感器，能够将电流波形信号传输至微控制器进行处理，同时于显示电路上显示出来。霍尔高速电流检测传感器采用ACS578电流传感器，ACS758电流传感器是基于霍尔效应的线性电流传感器，ACS758电流传感器对交流或直流电流感测，提供经济且精确的解决方案。精确的和成比例的输出电压由稳定斩波型低偏置BiCMOS霍尔IC提供。ACS758独有的集成屏幕技术提供对电流导体dV/dt信号和杂散电场的高耐受力，确保在高端和高电压应用中的低输出电压纹波和低偏置漂移。当通过用作电流感测通路的主要铜传导通路，该传导通路的内电阻通常是100μΩ，具有较低的功率损耗。ACS758电流传感器将脉动电流信号转换为电压信号，经过AD623将电压信号放大，输出后与单片机的A/D转换接口连接。
所述直流电源模块与脉冲功率放大电路、稳压电路均连接，为脉冲功率放大电路、微控制器提供能源，其采用高效的开关电源模块，其输出电压为24V，电流最高可达15A，转换效率超过87％，纹波小于50mV。其冷却方式为：当工作在低电流时，依靠自带散热片自然冷却，当工作在大电流时，温度升高，开启风冷。直流电源模块输出时，连接稳压电路，起到稳固电压的作用，再与微控制器相连。稳压电路为：DC/DC直流稳压电路；所述DC/DC直流稳压电路将24V直流电源转换为单片机电路使用的低压直流电源，本设计采用XL1509作为DC/DC直流稳压电路中的转换芯片，芯片特点如下：宽电源电压输入范围：4.5-40V；低压降：1.5V；开关频率：150kHz；大电流负载输出：2A；高转换效率：87％。
所述复位电路直接与微控制器相连接，使电路恢复到起始状态，重新进行计算。在电源上电时，只有当VCC超过4.75V，低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才会撤除，微控制器开始正常工作。
(2)磁化水对灌水器堵塞的控制
试验水源采用两种再生水和两种劣质水源，包括两种再生水和两种沼液。两种市政再生水分别为序批式曝气处理(SBWL)和循环活性污泥系统(CASS)两种处理工艺，两种沼液取自北京昌平地区的牛场和猪场沼液，分别定义为BSC和BSP，用当地地下水按照1:8的比例稀释沼液。四种水源均含有磁化和不磁化两个处理，试验总计8个处理，分别SBWL_M(M代表磁化)、SBWL、CASS_M、CASS、BSC_M、BSC、BSP_M、BSP。
(3)磁化水对作物生长的影响
本发明还对循环磁化处理后的灌溉水对水质和作物生长的影响进行了试验研究，试验自2019年9月20日起，在北京市通州区中国农业大学通州试验基地日光温室内进行1轮番茄栽培试验，本试验主要是为了探究不同磁化处理方式产生的灌溉水(简称：磁化水)对温室番茄生长效应的影响。试验探究了六种磁化模式，分别是不磁化(CK)、永磁200mT(PMF_200)、永磁500mT(PMF_500)、永磁800mT(PMF_800)、交流变频处理(ACEMF)和自主研发的直流脉冲处理(DCEMF)。
供试番茄品种为“浙粉702”，该品种为早熟无限生长型，植株生长旺盛，坐果能力强，果实高圆形，幼果淡绿色、无青肩，果面光滑，无棱沟。在番茄定植后第2次缓苗水时，施尿素5kg/亩，促果肥于第1穗果开始膨大时结合灌水追施，施磷酸二铵5kg/亩、硝酸钾6kg/亩。一般在第1穗果发白到第3穗果迅速膨大期内追肥2～3次，追施磷酸二铵10kg/亩、硝酸钾10kg/亩、三元复合肥(N\P\K)20kg/亩各1次。
试验结果显示，随着滴灌系统循环运行时间T的延长，水质发生了明显的改变，微生物菌落总量不断减小，杀菌率呈线性递增的趋势。循环2h后，如图7所示，杀菌率达到了80％以上(CK和PB分别为对照和磁化处理)。如图8所示，电导率EC降低了17.4％，如图9所示，溶解氧DO增加了5.56％。
如图10-11所示，滴灌系统运行390h和780h时磁化处理中灌水器内部堵塞物质干重比对照分别低30.8％-66.4％和20.1％-58.4％，而相对平均流量比对照分别高5.9％-43.5％和18.1％-157.9％，这表明磁化处理有效地缓解了滴灌系统灌水器堵塞。
如图12-15所示，经磁化水灌溉后的番茄株高提升了7.1％-12.7％、茎粗提升了2.4％-11.0％、单果重提升了11.5％-20.9％、产量提升了11.8％-36.9％，这表明磁化水灌溉促进了番茄的生长和产量的提升。同时，可以发现磁化强度在500mT和800mT时明显高于200mT时的番茄产量，且自主研发的直流脉冲变频磁化器取得的效果最好。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
本说明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种防止滴灌系统灌水器堵塞的磁化控制装置，其特征在于：所述磁化控制装置用于：防止滴灌系统灌水器堵塞和作物增产提质；
所述滴灌系统包括：水源工程(1)、输配水管网、若干灌水器(17)、第一水泵(2)、滴灌首部控制枢纽(3)和磁化控制装置；
所述磁化控制装置包括：水池(4)、第二水泵(5)、第一铜阀(6)、磁化管道(7)、磁化器(9)、流速监测仪(10)、第一阀门(11)、传感器(12)和自动控制装置(13)；
所述输配水管网包括：第三水泵(14)、网式过滤器(15)、第二阀门(16)、调速装置(18)、若干干管(37)、支管(38)和若干毛管(39)；
所述水源工程(1)与第一水泵(2)的一端通过干管(37)连接，所述第一水泵(2)的另一端与滴灌首部控制枢纽(3)的入口通过干管(37)连接；所述滴灌首部控制枢纽(3)的出口与水池(4)的入口通过干管(37)连接；
所述水池(4)与第二水泵(5)的一端通过干管(37)连接，所述第二水泵(5)的另一端与第一铜阀(6)的一端通过干管(37)连接；所述第一铜阀(6)的另一端与磁化管道(7)的一端连接；所述磁化管道(7)的另一端与流速监测仪(10)的一端通过干管(37)连接，所述流速监测仪(10)的另一端与第一阀门(11)的一端通过干管(37)连接，所述第一阀门(11)的另一端与水池(4)通过干管(37)连接；
所述传感器(12)位于水池(4)中，所述自动控制装置(13)与传感器(12)、第二水泵(5)、第三水泵(14)均相连；
所述水池(4)的出口与第三水泵(14)的一端通过干管(37)连接，所述第三水泵(14)的另一端与网式过滤器(15)的一端通过干管(37)连接；所述网式过滤器(15)的另一端与第二阀门(16)的一端通过干管(37)连接，所述第二阀门(16)的另一端与支管(13)连接，所述支管(13)与若干毛管(39)的一端连接；所述若干毛管(39)的另一端与调速装置(18)连接；
在每根毛管(39)上设有若干灌水器(17)；
所述磁化器(9)包括：管道线圈和磁化发生装置；
所述管道线圈缠绕在所述磁化管道(7)上；
所述管道线圈的一端与磁化发生装置的一端连接，所述管道线圈的另一端与磁化发生装置的另一端连接；
所述第一铜阀(6)用于：调节流速变化。
2.如权利要求1所述的防止滴灌系统灌水器堵塞的磁化控制装置，其特征在于：所述磁化控制装置还包括：太阳能板(8)；
所述磁化发生装置与太阳能板(8)连接；
所述太阳能板(8)用于：为所述磁化发生装置提供电能。
3.如权利要求1所述的防止滴灌系统灌水器堵塞的磁化控制装置，其特征在于：所述磁化器(9)为：直流脉冲变频磁化器；
所述直流脉冲变频磁化器的输入电压为：220V/50Hz，输出电压为：12-36V，输出电流为：1A-6A，适用温度为：-10～55℃，可调节频率范围为：0～120kHz，有效距离为50～1000m；
所述管道线圈的线圈匝数为：20-60圈，所述磁化管道(7)的材质为：PVC管，所述管道线圈采用平绕方式缠绕在所述磁化管道(7)上；
所述PVC管的管径为：63mm～90mm。
4.如权利要求1或3所述的防止滴灌系统灌水器堵塞的磁化控制装置，其特征在于：所述磁化发生装置包括：微控制器、复位电路、显示电路、霍尔高速电流检测传感器、PWM脉冲发生电路、脉冲功率放大电路、稳压电路和直流电源模块；
所述微控制器与复位电路、显示电路、霍尔高速电流检测传感器、PWM脉冲发生电路、稳压电路均连接；
所述脉冲功率放大电路与PWM脉冲发生电路、直流电源模块、管道线圈均连接；
所述稳压电路和直流电源模块连接；
在所述管道线圈上安装有霍尔高速电流检测传感器；
所述PWM脉冲发生电路产生PWM脉冲信号；
所述脉冲功率放大电路将PWM脉冲发生电路产生的PWM脉冲信号的功率再次放大，放大后的脉冲信号通过外部的管道线圈作用到磁化管道(7)上；
所述显示电路能够显示磁化器(9)输出的频率和电流波形；
所述直流电源模块为脉冲功率放大电路、微控制器提供能源，保证设备的安全运行；
所述稳压电路起到稳固电压的作用。
5.如权利要求4所述的防止滴灌系统灌水器堵塞的磁化控制装置，其特征在于：所述磁化发生装置还包括：外壳、按键、脉冲线圈线接口一(27)、脉冲线圈线接口二(28)、开关键(35)和电源线接口(36)；
在所述外壳上安装所述按键、脉冲线圈线接口一(27)、脉冲线圈线接口二(28)、开关键(35)和电源线接口(36)；
所述电源线接口(36)将所述开关键(35)与外部电源连接；
所述管道线圈的一端通过脉冲线圈线接口一(27)与脉冲功率放大电路连接，所述管道线圈的另一端通过脉冲线圈线接口二(28)与脉冲功率放大电路连接；
所述直流电源模块与开关键(35)连接；
所述显示电路为显示屏(31)；
所述显示屏(31)能够实现触屏设置；
所述按键与微控制器连接；
所述微控制器以单片机为核心，通过设定在存储器中的软件程序来处理信息，配合显示电路与按键调整参数，高速运算处理接受到的信号，将信号处理结果输出至所述PWM脉冲发生电路；
所述霍尔高速电流检测传感器将电流波形信号传输回微控制器的单片机进行处理，同时在显示屏(31)上显示；
所述按键包括：向上调节键(29)、向下调节键(30)、确认键(32)、返回键(33)、模式更换键(34)、启动键和停止键；
所述向上调节键(29)用于：调大指标；
所述向下调节键(30)用于：调小指标。
6.如权利要求1所述的防止滴灌系统灌水器堵塞的磁化控制装置，其特征在于：所述调速装置(18)包括：第二铜阀(19)、第三阀门(20)、第四阀门(21)、流量计(22)和第五阀门(23)；
所述若干毛管(39)的另一端与第二铜阀(19)的一端连接；所述第二铜阀(19)的另一端与第三阀门(20)的一端、第四阀门(21)的一端均连接；所述第三阀门(20)的另一端与第五阀门(23)的一端连接，所述第四阀门(21)的另一端与流量计(22)的一端连接，所述流量计(22)的另一端与第五阀门(23)的另一端连接。
7.一种应用权利要求1-6任一权利要求所述防止滴灌系统灌水器堵塞的磁化控制装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、灌溉水由第一水泵(2)从水源工程(1)处抽出，首先经过滴灌首部控制枢纽(3)，然后进入水池(4)当中；
步骤二、灌溉水再通过第二水泵(5)抽出，首先流过第一铜阀(6)，再进入磁化管道(7)；
在所述磁化控制装置中，通过观察流速监测仪(10)显示的流速，调节第一阀门(11)，使得流速监测仪(10)显示的流速为：1.2-1.6m/s；
步骤三、经过直流脉冲变频磁化器处理后的灌溉水依次通过流速监测仪(10)和第一阀门(11)回到水池(4)中；
通过水池(4)中的传感器(12)监测灌溉水的菌落数、电导率、溶解氧和表面张力；
将灌溉水经过磁化控制装置的循环磁化处理，传感器(12)将监测的数据反馈给自动控制装置(13)，当灌溉水的水质满足进入到毛管(39)内的水质要求时，自动控制装置(13)将第二水泵(5)关闭，停止循环磁化处理；
所述循环磁化处理后灌溉水的水质要求为：菌落数小于2×103cfu/ml，电导率小于4ds/m，溶解氧大于5.0mg/L，表面张力的范围为：25-50mN/m；
步骤四、自动控制装置(13)控制第三水泵(14)开启；
经过循环磁化处理后的灌溉水由第三水泵(14)从水池(4)中抽出，经过网式过滤器(15)，进一步进行过滤；
灌溉水再通过第二阀门(16)进入到支管(38)及毛管(39)当中；
灌溉水从灌水器(17)中流出，进行灌溉。
8.如权利要求7所述的防止滴灌系统灌水器堵塞的磁化控制装置的控制方法，其特征在于：所述滴灌系统的运行压力为0.07-0.12Mpa；所述滴灌系统的灌水频率为3-10d/次；
在滴灌系统运行期间，每运行50-60h进行一次冲洗；
冲洗的步骤如下：
S1、打开第二铜阀(19)、第四阀门(21)和第五阀门(23)，关闭第三阀门(20)；
S2、通过流量计(22)观测管路中的流速，调节第二铜阀(19)，使得流量计(22)显示的目标流速为：0.50-0.80m/s；
S3、关闭第四阀门(21)和第五阀门(23)，打开第三阀门(20)，采用目标流速对滴灌系统的毛管(39)进行5-10min冲洗；
S4、关闭第二铜阀(19)，提高滴灌系统运行压力至0.15-0.20MPa，对滴灌系统灌水器(17)进行2-3min冲洗。
9.如权利要求7所述的防止滴灌系统灌水器堵塞的磁化控制装置的控制方法，其特征在于：所述直流脉冲变频磁化器的磁感应强度为：500-800mT，扫频频率范围为：20Hz～60kHz，扫描周期为：1.2～1.5s，载频频率为：1.0～1.2MHz；
所述管道线圈的材质为：铜线，横截面积为：0.5～1mm2；
所述网式过滤器(15)为150目的过滤器。
10.如权利要求7所述的防止滴灌系统灌水器堵塞的磁化控制装置的控制方法，其特征在于：所述灌水器(17)的抗堵塞能力评估参数ACA不低于0.8、流量为0.5-3.0L·h-1；
所述灌水器(17)为：片式灌水器；
所述ACA按照公式(1)计算，
ACA＝-13.16×A1/2/L-0.33×W/D+1.57 (1)
其中，A为灌水器流道的断面面积，L为灌水器流道的长度，W为灌水器流道的宽度，D为灌水器流道的深度。
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