CN211603018U - 一种肥液组分在线检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种肥液组分在线检测装置，属于灌溉施肥智能装备技术领域，所述的肥液组分检测装置包括所述的肥液组分在线检测装置采用多段式传感器与控制器进行检查；多段式传感器包括入口、缓冲腔、出口、1~N段结构相同的感知部件（圆筒）、绝缘圈；控制器包括主控制器、1~N个从控制器、1~N个激励信号产生电路、1~N个相位检测电路、1~N个幅值检测电路、人机交互单元等，能实时在线检测混合肥液的肥料种类（即肥料组分）以及各肥料组分的浓度（即含量），为灌溉施肥系统实现在线自动混肥提供技术支撑。

Description

一种肥液组分在线检测装置

技术领域

本实用新型属于灌溉施肥智能装备技术领域，更具体的说涉及一种肥液组分检测装置。

背景技术

灌溉施肥技术是一种将灌溉技术与施肥技术结合起来的现代农业技术，也是一种水肥一体化技术，它借助压力系统（或地形自然落差），将可溶性固体或液体肥料，按土壤养分含量和作物种类的需肥规律和特点，配兑成相应比例的肥液与灌溉水一起，通过可控管道系统供水、供肥，并使水肥相融后施加于田间作物，具有水肥利用率高、节水节肥、省时省工等优点，同时还可减少对农田水土环境的不良影响。传统的灌溉施肥，都是先按照施肥配方，将各种所需肥料溶于水配兑成相应比例（浓度），再加入灌溉管网进行水肥一体化作业。随着灌溉施肥技术的发展，传统的预混肥式灌溉施肥将不再适宜，灌溉施肥过程中按比例在线自动混肥逐渐开始广泛应用，这也是灌溉施肥系统实现全自动化、智能化的关键环节。而肥液中肥料种类（肥料组分）及其浓度（含量）的实时检测，是实现在线自动混肥的关键技术。目前国内外灌溉施肥系统主要集中于肥液浓度检测，其常用方法有：取样离线分析法、基于电导率和酸碱度的肥液在线检测法、离子选择性电极法等。取样离线分析法检测肥液浓度，一般是人工采集样品后，送至实验室通过专用设备与仪器进行检测分析，检测精度高，但需要对样本进行预处理和样本管理，保证取样的均匀性以及在选取和输送过程中没有改变原来的组分和性质。电导率法和酸碱度法，分别是通过检测肥液的电导率EC值、酸碱度pH值，间接分析与反映肥液浓度，从而可通过相应的EC电极和pH电极实现肥液浓度的在线快速检测。离子选择性电极法，根据敏感渗透膜对分子态物质或离子具有选择性通过的响应特性，利用电极上电镀的敏感渗透膜，将通过敏感渗透膜的离子量转化为相应的电势，从而实现对溶液中某一种特定离子浓度的检测，进而实现肥液浓度的检测。此外，还可通过计量法实现肥液浓度的在线实时检测，即利用计量泵或流量计等，测量被泵入或吸入水肥混合箱中的肥液流量，以及进入水肥混合箱的水流量，进而计算出肥液浓度。

现有的方法存在以下不足：（1）取样离线分析法检测肥液浓度，不仅步骤冗杂，费时费力，需要专用仪器设备，检测成本高，而且不能满足肥液浓度的实时在线检测。

（2）计量法需利用计量泵或流量计等装置与仪器，它们的精度直接决定了肥液浓度的检测精度，而且该方法也只能得到肥液的整体浓度，因此也只适用于单一组分（单一肥料种类）肥液的浓度检测，无法检测出混合肥液中的各组分浓度。

发明内容

本实用新型针对现有灌溉施肥系统在进行灌溉施肥作业时，难以在线、实时地将水肥混合溶液中的各种肥料种类（肥料组分）及其含量（浓度）同时检测出来等不足，提供一种肥液组分在线检测装置，以使在水肥在线自动混合过程中，能实时在线检测混合肥液的肥料种类（即肥料组分）以及各肥料组分的浓度（即含量），为灌溉施肥系统实现在线自动混肥提供技术支撑。

为了解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：所述的肥液组分在线检测装置采用多段式传感器与控制器进行检测；多段式传感器包括入口（1）、缓冲腔（2）、出口（5）、1~N段结构相同的感知部件（圆筒）、绝缘圈；控制器包括主控制器、1~N个从控制器、1~N个激励信号产生电路、1~N个相位检测电路、1~N个幅值检测电路、人机交互单元；所述多段式传感器3由合金材料制作而成，直立安装在检测管道网络中，传感器由三个大小、形状完全相同的圆筒Ⅰ6、圆筒Ⅱ7和圆筒Ⅲ8和绝缘圈Ⅰ9和绝缘圈Ⅱ10组成。

优选的，所述圆筒Ⅰ6为合金材料制成，由内筒13与外筒14组成；内筒13和外筒14有两对相同的连接轴Ⅰ15和连接轴Ⅱ16连接，上下各一对，起到支撑连接作用；连接轴为表面光滑的PVC材料，直径为5mm，不仅能起到连接内筒13与外筒14的作用而且避免了肥液吸附在连接轴表面；所述内筒13的半径为20mm,所述外筒的半径为30mm，内外间距为10mm，这样的结构设计可以保证长期使用的前提下，在应用过程得到较大的初始电容，从而减弱了寄生电容的影响；圆筒Ⅰ6的端口均为螺纹端口，所组成的内筒13与外筒14均为空心，这样的结构不仅便于安装在灌溉管道网络中，而且能最大限度的不影响管道中，肥液流动的状态。圆筒Ⅰ6的整体长度为30mm，这种结构可使不依靠外部动力、依靠重力自流式的灌溉管道中依然可以满足充满感知元件；所述圆筒Ⅱ7由绝缘圈Ⅰ9和圆筒Ⅰ6相连，其结构设计与圆筒Ⅰ6相同，所述圆筒Ⅲ8由绝缘圈Ⅱ10和圆筒Ⅱ7相连，其结构设计与圆筒Ⅰ6相同。

优选的，所述绝缘圈Ⅰ9和绝缘圈Ⅱ10连接在三个感知元件中，绝缘圈Ⅰ9和绝缘圈Ⅱ10的端口均为螺纹端口。绝缘圈Ⅰ9连接圆筒Ⅰ6和圆筒Ⅱ7，绝缘圈Ⅱ10连接圆筒Ⅱ7和圆筒Ⅲ8，绝缘圈的作用为一方面起到连接感知元件的作用，另一方面防止相互的检测输出电容变化值干扰；

所述入口1为混合肥料的入口处，与装置中的肥液缓冲腔2相连，使液进入缓冲腔内；所述缓冲腔2与多段式传感器3中的感知元件圆筒Ⅰ6相连，缓冲腔2的结构为两个倒圆锥式结构嵌套而成，整体长度为30mm，每个倒圆锥结构为15mm，其与多段式传感器3中的感知元件圆筒Ⅰ6相连，底面圆直径为60mm，这样的结构设计可以使待测肥液流入缓冲腔2中，即使在管道内肥液快速流动的情况下，依然可以充满检测装置，并且使肥液的浓度更加均匀。当作业结束后管道内仍剩余肥液，其可以使剩余的肥料在重力的作用下返回缓冲腔2，不会长时间停留在感知元件中，避免腐蚀，影响检测结果。

本实用新型有益效果：

传感器采用内外筒的圆环结构，对管道内肥液的流动状态影响较小，具有与现有灌溉管网相匹配的螺纹接口，易于直接串接于灌溉施肥管道网络中，传感器的缓冲腔结构，可避免因水肥混合不充分均匀引起的误差。

传感器采用多段式结构设计，将多段相同结构的传感器依次串接而成，各段传感器通过标准螺纹接口相连，便于根据实际情况进行段数定制。将多段式传感器的每一段传感器分别与一种肥料组分相对应，使每段传感器仅负责一种肥料的组分辨识及其浓度检测，并为每段传感器配置独立的控制器、特征激励信息源产生电路、振幅检测电路、相位检测电路，然后采用主从控制结构，以及分组并行检测与先组分后浓度相结合的检测方法，可大幅缩短检测时间，实现肥液中多组分及各组分浓度的在线实时检测。

附图说明

图1为多段式传感器结构示意图；

图2为装置整体结构示意图；

图3为传感器剖面结构示意图；

图4为装置总体检测原理框图；

图5为部分核心电路连接图；

图6为部分核心电路连接图。

图中，入口1、缓冲腔2、多段式传感器3、控制箱4、出口5、圆筒Ⅰ6、圆筒Ⅱ7、圆筒Ⅲ8、绝缘圈Ⅰ9、绝缘圈Ⅱ10、内筒13与外筒14、连接轴Ⅰ15和连接轴Ⅱ16。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

如图1-6所示，首先，利用肥液的介电特性（即当水肥混合溶液中的肥料组分或/和各组分浓度发生变化时，肥液的介电常数则会发生相应变化，从而肥液的等效电容会发生相应变化），设计一种多段式传感器，串接于灌溉施肥管网中的水肥混合缓冲箱出口附近的管道上，用于感知肥液中肥料组分及其含量的变化，多段传感器由1~N段相同结构的感知部件依次串接而成，每一段均被分配用于检测某一特定种类的肥料组分及其含量。

其次，采用特征激励信号源响应法，建立肥液组分及其含量的检测模型，即，将多段式传感器置于一系列不同肥料组分及其含量的肥液中，观察、记录其在特征激励信号源作用下的输出响应（即特征激励信号幅值、相位的变化情况），并分析试验数据，构建多段传感器分别对各种肥料组分及其含量的检测模型；同时，为提高检测速度、减少数据运算量，需事先试验确定特征激励信号源，即将一系列不同波形、频率、幅值的激励信号分别作用于多段传感器上，观察它们对每一种肥料组分及其不同含量的输出响应，将具有显著输出响应或输出响应显著区别其它肥料组分的几个激励信号点，作为该肥料组分的特征激励信号源。

然后，设计检测装置与检测策略，实现对含有多组分的肥液的各组分及其浓度的在线实时检测。检测装置应包括微控制器、特征激励信号产生电路、用于将传感器输出响应转化为电量信号的转换电路（幅值检测电路、相位检测电路，分别用于将传感器输出响应的幅值、相位变化，转化为电压信号）等。由于用于检测每一种肥料组分的特征激励信号源可能不同，用于检测每种肥料组分浓度的特征激励信号源也可能不同，且每一组激励信号源包含多个激励信号，为提高检测的实时性，采用分组并行检测与先组分浓度相结合的检测方法与策略：先将可能会出现于待测肥液中的肥料种类分为多个组，每一种肥料种类（或含有某种主要组分的肥料）为一组，每一组对应于多段传感器中的一段感知部件，进而确定每一段传感器负责检测的肥料种类及其浓度，以及该段传感器上所需施加的特征激励信号源；然后，同时产生各段感知部件所需的特征激励信号源，对应施加在多段式传感器的各段上，进行同时检测；在对每一段进行检测时，先对多段传感器的各段感知部件施加组分辨识特征激励信号源，以辨识肥液中是否存在该段感知部件对应的肥料种类，若存在则继续在该段传感器上施加浓度检测特征激励信号，以检测该肥料种类的浓度（含量），若该种肥料不存在则无需施加浓度检测特征激励信号，到此一次检测完成；如此反复，可实现水肥自动混合过程中的各肥料种类（组分）辨识以及各肥料组分的浓度检测。

为实现分组并行检测与先组分后浓度相结合的检测方法与检测策略，检测装置采用主从控制结构，即由一个主控制器、1~N个相同的从控制器、1~N个相同的特征激励信号源产生电路组成，每一个激励信号源产生电路单独作用于一段传感器，且仅受一个从控制器单独控制，每一个从控制器对应于一段传感器，专用于与该段传感器对应的特征激励信号源产生、肥料组分及其浓度检测模型的运算等；各从控制器根据主控制器的指令进行检测，并将肥料组分的辨识结果及该组分的浓度检测结果，实时传送至主控制器，然后经由主控制器将检测结果显示于显示器上。

所述的肥液组分在线检测装置采用多段式传感器与控制器进行检测，多段式传感器包括入口1、缓冲腔2、出口5、1~N段结构相同的感知部件（圆筒）、绝缘圈；控制器包括主控制器、1~N个从控制器、1~N个激励信号产生电路、1~N个相位检测电路、1~N个幅值检测电路、人机交互单元等。

所述多段式传感器3由合金材料制作而成，直立安装在检测管道网络中，传感器由三个大小、形状完全相同的圆筒Ⅰ6、圆筒Ⅱ7和圆筒Ⅲ8和绝缘圈Ⅰ9和绝缘圈Ⅱ10组成。

所述圆筒Ⅰ6为合金材料制成，由内筒13与外筒14组成。内筒13和外筒14有两对相同的连接轴Ⅰ15和连接轴Ⅱ16连接，上下各一对，起到支撑连接作用。连接轴为表面光滑的PVC材料，直径为5mm，不仅能起到连接内筒13与外筒14的作用而且避免了肥液吸附在连接轴表面。所述内筒13的半径为20mm,所述外筒的半径为30mm，内外间距为10mm，这样的结构设计可以保证长期使用的前提下，在应用过程得到较大的初始电容，从而减弱了寄生电容的影响。圆筒Ⅰ6的端口均为螺纹端口，所组成的内筒13与外筒14均为空心，这样的结构不仅便于安装在灌溉管道网络中，而且能最大限度的不影响管道中，肥液流动的状态。圆筒Ⅰ6的整体长度为30mm，这种结构可使不依靠外部动力、依靠重力自流式的灌溉管道中依然可以满足充满感知元件。

所述圆筒Ⅱ7由绝缘圈Ⅰ9和圆筒Ⅰ6相连，其结构设计与圆筒Ⅰ6相同。这里不再叙述。

所述圆筒Ⅲ8由绝缘圈Ⅱ10和圆筒Ⅱ7相连，其结构设计与圆筒Ⅰ6相同。这里不再叙述。

所述绝缘圈Ⅰ9和绝缘圈Ⅱ10连接在三个感知元件中，绝缘圈Ⅰ9和绝缘圈Ⅱ10的端口均为螺纹端口。绝缘圈Ⅰ9连接圆筒Ⅰ6和圆筒Ⅱ7，绝缘圈Ⅱ10连接圆筒Ⅱ7和圆筒Ⅲ8，绝缘圈的作用一方面起到连接感知元件的作用，另一方面防止相互的检测输出电容变化值干扰。

所述入口1为混合肥料的入口处，与装置中的肥液缓冲腔2相连，使液进入缓冲腔内。

所述缓冲腔2与多段式传感器3中的感知元件圆筒Ⅰ6相连，缓冲腔2的结构为两个倒圆锥式结构嵌套而成，整体长度为30mm，每个倒圆锥结构为15mm，其与多段式传感器3中的感知元件圆筒Ⅰ6相连，底面圆直径为60mm，这样的结构设计可以使待测肥液流入缓冲腔2中，即使在管道内肥液快速流动的情况下，依然可以充满检测装置，并且使肥液的浓度更加均匀。当作业结束后管道内仍剩余肥液，其可以使剩余的肥料在重力的作用下返回缓冲腔2，不会长时间停留在感知元件中，避免腐蚀，影响检测结果。

所述主从控制器的型号均为MSP430F2132，每个从控制器控制一个信号发生器，同时产生激励信号。

所述信号发生器模块结合微控制器产生装置所需的特征频率，滤波器使得芯片产生的信号为可用的频率信号。

所述幅值/相位检测模块采用AD637芯片与AD8302芯片，AD637芯片进行真有效值转换结合控制器实现对肥液组分的在线检测，AD8302将测量幅度和相位的能力集中在一块集成电路内，结合控制器实现对肥液浓度的在线检测。

本实用新型工作原理：

先将本实用新型装置中的多段式传感器，竖直串接在灌溉施肥管道网络中的水肥混合缓冲箱出口附近的管道上，并通过人机交互单元进行设定，将多段式传感器的各段传感器分别与一种肥料种类相匹配、对应，以使每一段传感器负责一种肥料的种类辨识及其浓度检测，然后启动装置，采用分组并行检测与先组分后浓度相结合的策略，进行肥液组分及其浓度的在线实时检测：各从控制器接到主控器发出的检测指令后，各自控制所下辖的激励信号源产生电路，产生相应的肥料组分辨识特征激励信号源，加载于其对应的各段传感器上，并根据各段传感器的输出响应，与其组分辨识模型进行对比分析，以判断各段传感器所负责辨识的肥料种类是否存在于肥液中；若判断某肥料种类存在于肥液中，则采用与组分辨识相同的方法，将肥料组分浓度检测特征激励信号源，加载于该段传感器上进行该肥料组分浓度的检测，若不存在则该段传感器则无需再进行浓度检测。各从控制器将其肥料种类辨识与浓度检测的结果，实时发送至主控制器，主控制器实时地将检测结果传送至显示器，同时向各从控制器发送下一次检测指令，至此完成一次检测，如此反复即可实现肥液组分及其浓度的在线实时检测。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种肥液组分在线检测装置，其特征在于：所述的肥液组分在线检测装置采用多段式传感器与控制器进行检测；多段式传感器包括入口（1）、缓冲腔（2）、出口（5）、1~N段结构相同的感知部件、绝缘圈；控制器包括主控制器、1~N个从控制器、1~N个激励信号产生电路、1~N个相位检测电路、1~N个幅值检测电路、人机交互单元；所述多段式传感器（3）由合金材料制作而成，直立安装在检测管道网络中，传感器由三个大小、形状完全相同的圆筒Ⅰ（6）、圆筒Ⅱ（7）和圆筒Ⅲ（8）和绝缘圈Ⅰ（9）和绝缘圈Ⅱ（10）组成。

2.根据权利要求1所述的一种肥液组分在线检测装置，其特征在于：所述圆筒Ⅰ（6）为合金材料制成，由内筒（13）与外筒（14）组成；内筒（13）和外筒（14）有两对相同的连接轴Ⅰ（15）和连接轴Ⅱ（16）连接，上下各一对；连接轴为表面光滑的PVC材料，直径为5mm，所述内筒（13）的半径为20mm,所述外筒的半径为30mm，内外间距为10mm，圆筒Ⅰ（6）的端口均为螺纹端口，所组成的内筒（13）与外筒（14）均为空心，圆筒Ⅰ（6）的整体长度为30mm；所述圆筒Ⅱ（7）由绝缘圈Ⅰ（9）和圆筒Ⅰ（6）相连，其结构设计与圆筒Ⅰ（6）相同，所述圆筒Ⅲ（8）由绝缘圈Ⅱ（10）和圆筒Ⅱ（7）相连，其结构设计与圆筒Ⅰ（6）相同。

3.根据权利要求1所述的一种肥液组分在线检测装置，其特征在于：所述绝缘圈Ⅰ（9）和绝缘圈Ⅱ（10）连接在三个感知元件中，绝缘圈Ⅰ（9）和绝缘圈Ⅱ（10）的端口均为螺纹端口，绝缘圈Ⅰ（9）连接圆筒Ⅰ（6）和圆筒Ⅱ（7），绝缘圈Ⅱ（10）连接圆筒Ⅱ（7）和圆筒Ⅲ（8）；

所述入口（1）为混合肥料的入口处，与装置中的肥液缓冲腔（2）相连，使液进入缓冲腔内；所述缓冲腔（2）与多段式传感器（3）中的感知元件圆筒Ⅰ（6）相连，缓冲腔（2）的结构为两个倒圆锥式结构嵌套而成，整体长度为30mm，每个倒圆锥结构为15mm，其与多段式传感器（3）中的感知元件圆筒Ⅰ（6）相连，底面圆直径为60mm。

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