CN114982453B - 智能比例施肥与测流一体化装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能比例施肥与测流一体化装置及方法，包括控制器、用于向灌溉系统中输送含有离子成分的液态肥的输肥系统、第一电导率传感器、第二电导率传感器、第三电导率传感器及电源，输肥系统与灌溉系统通过输肥管连接，控制器与输肥系统、第一、第二及第三电导率传感器电性连接。第一电导率传感器设置于输肥系统的储肥罐内，第二电导率传感器设置于输肥管的出肥口的上游，第三电导率传感器设置于输肥管的出肥口的下游，电源用于为装置整体供电。上述装置，以离子成分作为示踪物，通过采集输送肥料上下游的电导率变化及实时的肥料流量计算出灌溉系统的断面实时流量，易于实施且精度高，对农田无负面影响，且可以实现对农田比例施肥。
Description
技术领域
本发明属于农业灌溉/施肥设备技术领域，特别涉及一种智能比例施肥与测流一体化装置及方法。
背景技术
末级渠道量水是节水灌溉的重要环节，直接影响着水肥一体化灌溉等先进灌水技术的推广应用。
古老的“盐水法”测流虽然原理简单，测流精度高，但因需要依赖人工且易造成农田盐渍化而被淘汰。目前灌区末级渠道常用的测流方法是流速仪-标准断面法测流，但采用流速仪存在较大系统误差，且工作量很大，测试计算过程复杂，用水户监测难度大。除此之外还有机翼型量水槽、文丘里量水槽、仪表类流量计等新型量水设施，因费时费工、造价高、适用性不强、易受泥沙冲击及杂物缠绕等原因没有大面积推广使用。因此迫切需要开发一种造价低、精度高、适用性强、方便操作、易于自动监控、能适应先进灌水技术的量水设备，对灌区进行科学用水管理。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提出一种智能比例施肥与测流一体化装置，通过向灌溉系统中输送含有离子成分的液态肥，根据肥料稀释前后质量不变的特点，通过采集输送肥料上下游的电导率变化及实时的肥料流量，即可计算出灌溉系统的断面实时流量，易于实施且精度高，对农田没有负面影响。
本发明的另一目的是提出一种上述装置的智能比例施肥与测流方法，可以实现对灌溉系统流量的高精度测量的同时，还可以对农田进行比例施肥。
技术方案：本发明所述的智能比例施肥与测流一体化装置，包括控制器、用于向灌溉系统中输送含有离子成分的液态肥的输肥系统、第一电导率传感器、第二电导率传感器、第三电导率传感器及电源，所述输肥系统与所述灌溉系统通过输肥管连接，所述控制器与所述输肥系统、所述第一电导率传感器、所述第二电导率传感器及所述第三电导率传感器电性连接，所述第一电导率传感器设置于所述输肥系统的储肥罐内，所述第二电导率传感器设置于所述灌溉系统中所述输肥管的出肥口的上游，所述第三电导率传感器设置于所述灌溉系统中所述输肥管的出肥口的下游，所述电源用于为装置整体供电。
进一步的，所述输肥系统还包括设置于所述输肥管上的抽肥泵，所述抽肥泵为计量泵，所述抽肥泵与所述控制器电性连接。
进一步的，所述储肥罐内设置有搅拌器及肥料余量传感器，所述搅拌器及所述肥料余量传感器分别与所述控制器电性连接。
进一步的，若所述灌溉系统为渠道灌溉系统，则渠道内设水位传感器，所述水位传感器与所述控制器电性连接。
进一步的，所述输肥管包括至少一个出肥孔，所述出肥孔均匀地分布设置在灌溉系统的过流断面。
进一步的，所述控制器还与所述灌溉系统中的闸门或阀门电性连接。
进一步的，还包括物联网通讯模块，所述物联网通讯模块与所述控制器电性连接，用于将状态信息传输至远程控制中心并接受远程控制。
进一步的，还包括人机交互模块，所述人机交互模块与所述控制器电性连接。
本发明所述的智能比例施肥与测流一体化装置，包括如下步骤：
S1：控制器控制抽肥泵输出任意流量，并实时记录累积施肥量Fa；
S2：分别通过第一、第二及第三电导率传感器测量获得液态肥母液电导率EC1、灌溉系统水流背景电导率EC2及水肥混合液电导率EC3，并通过肥料余量传感器测得肥料余量L；
S3：根据测得的电导率EC1、EC2、EC3及预设于控制器中的水肥混合液的肥料浓度与电导率的对应关系c-EC计算液态肥母液浓度c肥0和出肥口上下游肥料实时浓度差△c；
S4：若出肥口上下游实时肥料浓度差△c与预设于控制器中的目标肥料浓度差△ct的差值在预设阈值V范围内，则维持出肥泵的流量不变，否则根据实时肥料浓度差△c、目标肥料浓度差△ct与抽肥泵实际施肥量Q肥计算目标施肥量Q肥t＝△ct/△c×Q肥，并控制抽肥泵以Q肥t出肥，同时根据液态肥稀释前后肥料质量不变，即c肥0×Q肥＝△c×Q水计算灌溉系统断面实时流量Q水；
S5：重复步骤S2至S4，直至累积施肥量Fa达到预设目标值，或者储肥罐中的液态肥使用完毕。
进一步的，若所述灌溉系统为渠道灌溉系统，还包括：
S6：测量渠道的实时水位H，并与对应时刻计算获得的灌溉系统的断面实时流量Q水一并记录，构建渠道的水位与流量的H-Q模型，用于后续直接根据渠道的实时水位H推算渠道的实时流量Q。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：通过向灌溉系统中输送含有离子成分的液态肥，液态肥可以作为测流示踪物的同时对农田进行施肥。通过监测输入液态肥前后的实时电导率差值结合液态肥母液的实时流量即可推算出灌溉系统的实时流量，并可根据施肥目标水肥比实时反馈调节施肥流量，保证比例施肥。本发明既克服了盐水法测流的缺点，又解决了比例施肥需要获取实时灌溉流量的问题，结构简单，易于实施。
附图说明
图1为本发明实施例的智能比例施肥与测流一体化装置的结构示意图；
图2为本发明实施例的储肥罐的结构示意图；
图3为本发明实施例的装置的智能比例施肥与测流方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
参照图1，根据本发明实施例的智能比例施肥与测流一体化装置，包括控制器7、用于向灌溉系统中输送含有离子成分的液态肥的输肥系统、第一电导率传感器4、第二电导率传感器5、第三电导率传感器6及用于为整个装置供电的电源。输肥系统通过输肥管3与灌溉系统连接，向灌溉系统输送含有离子成分的液态肥。第一电导率传感器4设置在输肥系统的储肥罐1内，用于测量液态肥母液的电导率，第二电导率传感器5设置在输肥管3的出肥口的上游，第三电导率传感器6设置在输肥管3的出肥口的下游，分别测量灌溉系统内水流原始电导率以及加入了液态肥后形成的水肥混合液的电导率。控制器7与第一电导率传感器4、第二电导率传感器5、第三电导率传感器6电性连接和输肥系统电性连接，以液态肥中的离子成分作为示踪物，根据测得的电导率及输肥系统的输出流量计算灌溉系统断面的实时流量，并根据推算的实时流量调整输肥系统的输出流量实现比例施肥。
上述智能比例施肥与测流一体化装置，由于电导率与离子浓度正相关，且液态肥料稀释过程前后质量不变，离子成分总量不变，所以可以以液态肥中的离子成分作为示踪物，根据输入液态肥前后的电导率差值结合电导率与浓度的关系得到浓度差，再结合液态肥料稀释前后质量不变以及输肥系统输出的流量即可推算出灌溉系统断面的流量，并可以根据推算的灌溉系统断面流量结合用户目标施肥浓度再反过来调整输肥系统的流量，保持混合后的水肥混合液的水肥比恒定，实现比例施肥。上述装置可以在实现比例施肥的同时准确地测算灌溉系统流量，仅需设置几个电导率传感器，易于实施且准确性可靠，也不会对农田造成负面影响。
参照图1及图2，输肥系统包括储肥罐1及抽肥泵2，储肥罐1用于存储液态肥，并由抽肥泵2泵出，并通过输肥管3输送到灌溉系统中，抽肥泵2设置在输肥管3上，与控制器7电性连接且受控制器7控制。同时为了保证肥料出肥均匀，防止肥料沉淀于储肥罐1底部，储肥罐1内设置有搅拌器8，搅拌器8也受控制器7控制。为了保证肥料与灌溉系统中的水流混合均匀，输肥管3的出肥口可以设置多个，多个出肥口均匀地安装在灌溉系统的过流断面，同时第三电导率传感器6应与输肥管3放置断面保持一定距离。此外，储肥罐1内还设置有肥料余量传感器10，检测储肥罐1内的液态肥余量并反馈给控制器7。肥料余量传感器10宜选用不受液体密度影响的液位传感器，如超声波液位传感器、磁翻板式液位传感器或者浮球式液位传感器。抽肥泵2可采用直流调速或者变频调速的转速与流量关系恒定的隔膜泵，以实现流量的无级调整，便于快速调节出肥量，快速调节至维持水肥比稳定所需要的出肥量。
控制器7还可以与灌溉系统的闸门或者阀门电性连接，当检测到累积施肥量达到施肥目标或者储肥罐1内的液态肥用完时，关闭灌溉系统的闸门或者阀门，停止灌溉。控制器7也可以与物联网通讯模块连接，通过与远程控制中心交互实现远程控制，也可以与触摸屏等人机交互模块连接，用于现场手动控制及控制参数的设置。
若灌溉系统为渠道灌溉系统，则可以在渠道内设置水位传感器9，水位传感器9将实时水位数据与同一时刻根据上下游电导率差值计算的渠道流量一并记录，形成水位-流量的H-Q模型。在不需要施肥的时候可以根据水位传感器9测量获得渠道水位，从而获得对应的渠道流量。
参照图3，根据本发明实施例的智能比例施肥与测流一体化装置，通过如下方法实现智能比例施肥与测流：
S1：控制器7控制抽肥泵2输出任意流量，并实时记录累积施肥量Fa；
S2：分别通过第一、第二及第三电导率传感器测量获得液态肥母液电导率EC1、灌溉系统水流背景电导率EC2及水肥混合液电导率EC3，并通过肥料余量传感器10测得肥料余量L；
S3：根据测得的电导率EC1、EC2、EC3及预设于控制器7中的水肥混合液的肥料浓度与电导率的对应关系c-EC计算液态肥母液浓度c肥0和出肥口上下游实时肥料浓度差△c；
S4：若出肥口上下游实时肥料浓度差△c与预设于控制器中的目标肥料浓度差△ct的差值在预设阈值V范围内，则维持出肥泵2的流量不变；否则根据实时肥料浓度差△c、目标肥料浓度差△ct与抽肥泵实际施肥量Q肥计算目标施肥量Q肥t＝△ct/△c×Q肥，并控制抽肥泵2以Q肥t出肥，同时根据液态肥稀释前后肥料质量不变，即c肥0×Q肥＝△c×Q水计算灌溉系统断面实时流量Q水；
S5：重复步骤S2至S4，直至累积施肥量Fa达到预设目标值，或者储肥罐1中的液态肥使用完毕，即当累积施肥量Fa≥目标施肥量Ft或肥料余量传感器10检测到的液位高度L≤0时，关闭渠道闸门和抽肥泵2阀门，结束施肥。其中累积施肥量Fa的更新要跟随抽肥泵2的实时流量更新。
若灌溉系统为渠道灌溉系统，则可以在将同一时刻推算的渠道流量Q水与水位传感器9测量的水位一并记录，建立渠道的H-Q模型，在不需要施肥时，可以通过定期采集渠道的水位H，通过H-Q模型推演实时的渠道流量Q。
Claims (9)
1.一种智能比例施肥与测流方法，其特征在于，使用一种智能比例施肥与测流一体化装置，所述智能比例施肥与测流一体化装置包括控制器、用于向灌溉系统中输送含有离子成分的液态肥的输肥系统、第一电导率传感器、第二电导率传感器、第三电导率传感器及电源，所述输肥系统与所述灌溉系统通过输肥管连接，所述控制器与所述输肥系统、所述第一电导率传感器、所述第二电导率传感器及所述第三电导率传感器电性连接，所述第一电导率传感器设置于所述输肥系统的储肥罐内，所述第二电导率传感器设置于所述灌溉系统中所述输肥管的出肥口的上游，所述第三电导率传感器设置于所述灌溉系统中所述输肥管的出肥口的下游，所述电源用于为装置整体供电；
所述智能比例施肥与测流方法包括如下步骤：
S1：控制器控制抽肥泵输出任意流量，并实时记录累积施肥量Fa；
S2：分别通过第一、第二及第三电导率传感器测量获得液态肥母液电导率EC1、灌溉系统水流背景电导率EC2及水肥混合液电导率EC3，并通过肥料余量传感器测得肥料余量L；
S3：根据测得的电导率EC1、EC2、EC3及预设于控制器中的水肥混合液的肥料浓度与电导率的对应关系c-EC计算液态肥母液浓度c肥0和出肥口上下游实时肥料浓度差△c；
S4：若出肥口上下游实时肥料浓度差△c与预设于控制器中的目标肥料浓度差△ct的差值在预设阈值V范围内，则维持出肥泵的流量不变，否则根据实时肥料浓度差△c、目标肥料浓度差△ct与抽肥泵实际施肥量Q肥计算目标施肥量Q肥t＝△ct/△c×Q肥，并控制抽肥泵以Q肥t出肥，同时根据液态肥稀释前后肥料质量不变，即c肥0×Q肥＝△c×Q水计算灌溉系统断面实时流量Q水；
S5：重复步骤S2至S4，直至累积施肥量Fa达到预设目标值，或者储肥罐中的液态肥使用完毕。
2.根据权利要求1所述的智能比例施肥与测流方法，其特征在于，所述智能比例施肥与测流一体化装置的输肥系统还包括设置于所述输肥管上的抽肥泵，所述抽肥泵为计量泵，所述抽肥泵与所述控制器电性连接。
3.根据权利要求1所述的智能比例施肥与测流方法，其特征在于，所述智能比例施肥与测流一体化装置的储肥罐内设置有搅拌器及肥料余量传感器，所述搅拌器及所述肥料余量传感器分别与所述控制器电性连接。
4.根据权利要求1所述的智能比例施肥与测流方法，其特征在于，所述智能比例施肥与测流一体化装置的灌溉系统为渠道灌溉系统，渠道内设水位传感器，所述水位传感器与所述控制器电性连接。
5.根据权利要求1所述的智能比例施肥与测流方法，其特征在于，所述智能比例施肥与测流一体化装置的输肥管包括至少一个出肥孔，所述出肥孔均匀地分布设置在灌溉系统的过流断面。
6.根据权利要求1所述的智能比例施肥与测流方法，其特征在于，所述智能比例施肥与测流一体化装置的控制器还与所述灌溉系统中的闸门或阀门电性连接。
7.根据权利要求1所述的智能比例施肥与测流方法，其特征在于，所述智能比例施肥与测流一体化装置还包括物联网通讯模块，所述物联网通讯模块与所述控制器电性连接，用于将状态信息传输至远程控制中心并接受远程控制。
8.根据权利要求1所述的智能比例施肥与测流方法，其特征在于，所述智能比例施肥与测流一体化装置还包括人机交互模块，所述人机交互模块与所述控制器电性连接。
9.根据权利要求1所述的一种智能比例施肥与测流方法，其特征在于，所述灌溉系统为渠道灌溉系统，还包括：
S6：测量渠道的实时水位H，并与对应时刻计算获得的灌溉系统的断面实时流量Q水一并记录，构建渠道的水位与流量的H-Q模型，用于后续直接根据渠道的实时水位H推算渠道的实时流量Q。
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| Title |
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| 模糊与PI分段调控肥液EC的优化设计与试验;王海华;付强;孟繁佳;梅树立;王俊衡;李莉;;农业工程学报(15);全文 * |
| 王海华 ; 付强 ; 孟繁佳 ; 梅树立 ; 王俊衡 ; 李莉 ; .模糊与PI分段调控肥液EC的优化设计与试验.农业工程学报.2016,(15),全文. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114982453A (zh) | 2022-09-02 |
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Legal Events
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