CN215269854U - 一种多端监控的水肥气一体化滴灌系统 - Google Patents
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Abstract
一种多端监控的水肥气一体化滴灌系统，包括储水单元，储水单元，储水单元分别与水气耦合单元和循环水容器连通，循环水容器与施肥单元连通，循环水单元通过供水泵与滴灌单元连通；所述储水单元包括储水罐，储水罐与水源通过供水管道连通，在储水罐内设置有液位传感器，供水管道上设置有第一电磁阀和第一流量计，第一电磁阀、第一流量计和液位传感器均与PLC连接，所述供水管道还与循环水容器连通，在第一流量计与循环水容器之间的供水管道上还设置有第三电磁阀，第三电磁阀与PLC连接，循环水容器通过供水泵与滴灌装置连通，在供水泵与滴灌装置之间的管道上依次设置有第三流量计和第五电磁阀，第三流量计和第五电磁阀均与PLC连接。本实用新型根据作物不同阶段的需肥需水规律，调整水气传输的均匀性的水肥气一体化滴灌系统。
Description
技术领域
本实用新型涉及灌溉技术领域，具体地说涉及一种多端监控的水肥气一体化滴灌系统。
背景技术
中国是一个农业大国，但是目前水资源短缺和水污染严重的情况，使农业发展受到制约，实现水肥高效的灌溉技术是当前农业发展的大方向。
土壤的水、肥、气是制约作物生长发育的主要环境要素,其中任何一个单独因素的变动，都会影响作物的生长、发育，造成作物生长缓慢，停止生长甚至死亡的现象。但是在灌溉过程中，灌溉水的渗入会将土壤孔隙中的空气驱逐开来而造成根区短暂缺氧的难题，根区土壤中的通气性较差，会抑制植物根系的生长和养分的吸收，进而影响作物的产量及品质。水肥气一体化滴灌将微纳米气泡与水肥溶液混合后通过地下滴灌系统输送到作物根区，能有效改善植物根区微环境，维持根系正常的新陈代谢和呼吸功能，促进和协调植物地上和地下部分的生长发育，是一种节水省肥、提质增效的新型灌溉技术。
如何把空气与水肥溶液均匀混合，是事关水肥气耦合灌溉成败的关键问题如果掺入的空气没有与水肥溶液均匀混合，或者形成大的气泡，都有可能在管道运输当中出现水气分层的现象，影响到空气出流的均匀度，甚至出现空气难于进入土壤的情形。目前国外一般采用美国Mazzei Injector公司生产的Mazzei文丘里射流器来完成空气的注入，由于受到结构和能耗的影响其掺气率（气相与气液二相流总体积之比）一般维持在12%左右。掺气率递度试验（0、12%和19%）辣椒试验表明，作物产量随着掺气率递增而增大，因此得出结论：提高农作物灌溉掺气率，可能获得更好的作物产量。为满足不同土壤-植物系统健康持续生长对气体的需求，迫切需要研发高效率、低能耗具备更高曝气比率的新型曝气系统。
如何有效提高水气出流均匀度，是水肥气耦合灌溉应用中亟待回答的另外一个关键技术问题。Goorahoo et al（2002a）发现曝气滴灌对辣椒产量的影响主要集中在毛管的前0~150英尺范围内，辣椒的产量和毛管长度间呈极显著的二次线性关系，而普通地下滴灌毛管距离和辣椒的数量没有明显的关系，据此认为水、气出流量不均匀是导致该现象出现的主要原因。Torabi et al（2012）对水肥气耦合灌溉管道系统内水气二相流的运动以及水气出流均匀度开展了研究，结果表明滴头过水面积减少58%导致出水量和出气量分别减少了71%和37%，导致出气均匀度大大降低，其平均值不到40%。
因此，设计一种能够解决现有技术存在的掺气率较低且空气出流不均匀的关键技术难题的灌溉系统，是我们当下亟需解决的问题。
发明内容
本实用新型的目的在于针对现有技术存在的问题，提出了一种多端监控的水肥气一体化滴灌系统，能够根据实现多端监控以满足作物不同阶段的需肥需水规律，予以施肥灌溉、并设计一种高效的水肥气耦合系统，基于循环曝气技术，并根据作物不同阶段的需肥需水规律，调整水气传输的均匀性的水肥气一体化滴灌系统。
本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：
一种多端监控的水肥气一体化滴灌系统，包括储水单元，储水单元，储水单元分别与水气耦合单元和循环水容器连通，循环水容器与施肥单元连通，循环水单元通过供水泵与滴灌单元连通；所述储水单元包括储水罐，储水罐与水源通过供水管道连通，在储水罐内设置有液位传感器，供水管道上设置有第一电磁阀和第一流量计，第一电磁阀、第一流量计和液位传感器均与PLC连接，所述供水管道还与循环水容器连通，在第一流量计与循环水容器之间的供水管道上还设置有第三电磁阀，第三电磁阀与PLC连接，循环水容器通过供水泵与滴灌装置连通，在供水泵与滴灌装置之间的管道上依次设置有第三流量计和第五电磁阀，第三流量计和第五电磁阀均与PLC连接。
上述多端监控的水肥气一体化滴灌系统，所述第一电磁阀前端的供水管道内还设置有第一过滤装置。
上述多端监控的水肥气一体化滴灌系统，所述水气耦合单元包括与气源连通的供气管道，供气管道通过多级离心泵与气液分离器连通，气液分离器通过管道连通到乳化器，乳化器出液口与储水罐底部通过管道连通，多级离心泵通过管道连通到储水罐内，在多级离心泵与储水罐之间的管道上依次设置有气压表、第一手动阀和磁化器。
上述多端监控的水肥气一体化滴灌系统，所述供气管道上设置有气体流量计，气体流量计与PLC连接。
上述多端监控的水肥气一体化滴灌系统，所述多级离心泵与气液分离器之间的管道上设置有第一压力表。
上述多端监控的水肥气一体化滴灌系统，所述储水罐与循环水容器之间的管道上设置有第四电磁阀和第二背压阀，第四电磁阀和第二背压阀均与PLC连接。
上述多端监控的水肥气一体化滴灌系统，所述施肥单元包括施肥罐，施肥罐内设置有搅拌器，施肥罐与循环水容器通过施肥管道连通，在施肥管道上由施肥罐开始依次设置有第二过滤装置、施肥泵、第二流量计第一背压阀和第二手动阀，过滤装置设置在施肥管道内，施肥泵、第二流量计和第一背压阀均与PLC连接。
上述多端监控的水肥气一体化滴灌系统，在循环水容器内还设置有溶氧仪，溶氧仪与PLC连接。
上述多端监控的水肥气一体化滴灌系统，在储水罐底部设置有微纳米气泡发生器。
上述多端监控的水肥气一体化滴灌系统，还设置有田间监测单元，田间监测单元包括插设在土壤里的温湿度传感器、pH传感器和电导率测试仪，温湿度传感器、pH传感器和电导率测试仪均与PLC连接。
采用上述技术方案，本实用新型的有益效果是：
（1）、可调节的掺气率与高效的制水工艺
传统的制水工艺掺气率有限，难以满足不同作物对土壤氧气的需求，且非连续的制水工艺使得制水效率低下，而本实用新型利用多级循环泵提高单次制水效率，使滴灌用水的气液混合比率提高3-5倍，可在范围内灵活调节掺气率以适应更多种作物的不同阶段需求。同时，采用循环制水和出水灌溉连续供应的制水工艺，可满足滴灌地连续供水或间断供水的需求，实现高效制水灌溉。
（2）高性能的磁化器与循环曝气相结合
经磁化与循环曝气处理的水，其溶解度、电离度及氧的含量提高，可为农作物健康生长和新陈代谢提供有利的生存环境。因此，本实用新型在循环系统中添加磁化水部件，可通过阀门的开闭来控制磁化器的启动，经曝气的磁化混合液灌溉，实现作物增产提质。
（3）基于多端监控的水肥气智能滴灌系统
本实用新型采用在线监测单元测量灌溉水的pH、电导率、溶解氧及土壤湿度，并通过客户端将数据传输给用户，用户可通过PLC触摸屏、手机端和PC端管理平台，可对灌区墒情、用水量、设备运行状态进行实时监测，还可远程进行灌溉、定量施肥，实现多端控制灌溉的目的。
附图说明
图1为本实用新型结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。
为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
图1中各个部件名称标注如下：1、水源，2、第一过滤装置，3、第一电磁阀，4、第一流量计，5、磁化器，6、第一手动阀，7、气压表，8、气源，9、气体流量计，10、第二电磁阀，11、多级离心泵，12、第一压力表，13、气液分离器，14、乳化器，15、微纳米气泡发生器，16、液位传感器，17、施肥罐，18、搅拌器，19、第二过滤装置，20、施肥泵，21、第二流量计，22、第一背压阀，23、第二手动阀，24、第三电磁阀，25、第四电磁阀，26、第二背压阀，27、循环水容器，28、溶氧仪，29、供水泵，30、第三流量计，31、第五电磁阀，32滴灌装置，33、PLC，34、储水箱。
如图1所示，一种多端监控的水肥气一体化滴灌系统，适用于大棚作物种植，包括储水单元，储水单元，储水单元分别与水气耦合单元和循环水容器连通，循环水容器与施肥单元连通，循环水单元通过供水泵与滴灌单元连通；所述储水单元包括储水罐34，储水罐与水源1通过供水管道连通，在储水罐内设置有液位传感器16，供水管道上设置有第一电磁阀3和第一流量计4，第一电磁阀3、第一流量计4和液位传感器均与PLC33连接，所述供水管道还与循环水容器27连通，在第一流量计与循环水容器之间的供水管道上还设置有第三电磁阀24，第三电磁阀与PLC连接，循环水容器通过供水泵29与滴灌装置32连通，在供水泵与滴灌装置之间的管道上依次设置有第三流量计30和第五电磁阀31，第三流量计和第五电磁阀均与PLC连接。设定储水罐内液位为高、中、低液位，当水位达到高液位以上时，关闭进水口的第一电磁阀停止进水；当水位达到中液位以下时开始进水并停止或减少出水，使进水流量与出水流量基本上保持平衡，实现了连续进水与出水灌溉。
所述掺气比率调节，是用供水泵设定压力恒压灌水，进水、制水、出水都是以循环容器为载体，进水和出水量恒定，制水量为最大出水量的3倍。使用Fibox 4型便携式光纤微氧仪对微纳米气泡水中的DO进行监测，根据灌溉纳米水设定的溶解氧值，系统使用第三电动阀自动调节阀门开度稀释高浓度溶解氧值到设定的溶解氧值。在纳米水灌溉过程中，根据设定的压力和溶解氧值进行供水泵和第三电磁阀，完成自动连续的灌溉。
本实用新型多端监控的水肥气一体化滴灌系统，所述第一电磁阀前端的供水管道内还设置有第一过滤装置2。
本实用新型多端监控的水肥气一体化滴灌系统，所述水气耦合单元包括与气源8连通的供气管道，供气管道通过多级离心泵11与气液分离器13连通，气液分离器通过管道连通到乳化器14，乳化器出液口与储水罐底部通过管道连通，多级离心泵通过管道连通到储水罐内，在多级离心泵与储水罐之间的管道上依次设置有气压表7、第一手动阀6和磁化器5。根据作物不同生长阶段对土壤氧气的需求，设定灌溉掺气比率，当PLC发出灌溉指令，第一电磁阀开启，当储水箱液面达到高液位，自动开启进气阀，即第二电磁阀，在灌溉期间进水位根据液位高低，即液位传感器提供的数据保持水箱内的水位，实现连续制水；利用多级离心泵、乳化器将气泡充分破碎成纳米级气泡，并与水充分耦合。
在制水压力为4bar的条件下不断加气，所述的多级离心泵利用叶轮结构使气液充分混合并达到饱和，并快速切割水流，与后续的乳化器装置相配合释放出纳米级气泡，可以观察到储水罐中的水质呈浑浊白色状态。
本实用新型多端监控的水肥气一体化滴灌系统，所述供气管道上设置有气体流量计9，气体流量计与PLC连接。
本实用新型多端监控的水肥气一体化滴灌系统，所述多级离心泵与气液分离器之间的管道上设置有第一压力表12。
所述储水罐与循环水容器之间的管道上设置有第四电磁阀25和第二背压阀26，第四电磁阀和第二背压阀均与PLC连接。
本实用新型多端监控的水肥气一体化滴灌系统，所述施肥单元包括施肥罐17，施肥罐内设置有搅拌器18，施肥罐与循环水容器通过施肥管道连通，在施肥管道上由施肥罐开始依次设置有第二过滤装置19、施肥泵20、第二流量计21、第一背压阀22和第二手动阀23，过滤装置设置在施肥管道内，施肥泵20、第二流量计21和第一背压阀22均与PLC连接。根据作物的需肥规律，将一定量的水溶性肥料加入施肥罐中，利用搅拌机将其充分混合，通过施肥泵能够将肥液更加精准、稳定地注入灌溉水流中进行灌溉施肥。
本实用新型多端监控的水肥气一体化滴灌系统，在循环水容器内还设置有溶氧仪28，溶氧仪与PLC连接。
本实用新型多端监控的水肥气一体化滴灌系统，在储水罐底部设置有微纳米气泡发生器15。
本实用新型多端监控的水肥气一体化滴灌系统，还设置有田间监测单元，田间监测单元包括插设在土壤里的温湿度传感器、pH传感器和电导率测试仪，温湿度传感器、pH传感器和电导率测试仪均与PLC连接。所述温湿度传感器、pH传感器和电导率测试仪为四合一传感器。田间监测单元用于对农田的土壤墒情和养分进行实时监测，通过在田间放置四合一传感器，可以实时测得田间土壤的温度、湿度、pH和电导率。
本实用新型的PLC为触屏PLC，PLC设置有手动模式和自动模式。
手动模式，用于在田间通过PLC触摸屏对设备的制水、施肥、灌溉和参数设置等功能进行现场手动控制。
自动模式，用于通过PLC触摸屏、手机端和PC端等对设备的制水、施肥、灌溉和参数设置进行自动控制。
PLC与PC端管理平台通过通讯模块连通，PC端管理平台与若干个手机终端实现通讯连接。结合田间墒情和土壤养分的实时监测结果，系统将土壤墒情与灌溉控制上下限值进行比较，预警提示灌溉，实现控制灌溉和定量施肥，并对灌水量、设备运行状态进行实时监测。
本实用新型的技术方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种多端监控的水肥气一体化滴灌系统，包括储水单元，储水单元，其特征在于：储水单元分别与水气耦合单元和循环水容器连通，循环水容器与施肥单元连通，循环水单元通过供水泵与滴灌单元连通；所述储水单元包括储水罐（34），储水罐与水源1通过供水管道连通，在储水罐内设置有液位传感器（16），供水管道上设置有第一电磁阀（3）和第一流量计（4），第一电磁阀（3）、第一流量计（4）和液位传感器均与PLC（33）连接，所述供水管道还与循环水容器（27）连通，在第一流量计与循环水容器之间的供水管道上还设置有第三电磁阀（24），第三电磁阀与PLC连接，循环水容器通过供水泵（29）与滴灌装置（32）连通，在供水泵与滴灌装置之间的管道上依次设置有第三流量计（30）和第五电磁阀（31），第三流量计和第五电磁阀均与PLC连接。
2.根据权利要求1所述的多端监控的水肥气一体化滴灌系统，其特征在于：所述第一电磁阀前端的供水管道内还设置有第一过滤装置（2）。
3.根据权利要求2所述的多端监控的水肥气一体化滴灌系统，其特征在于：所述水气耦合单元包括与气源（8）连通的供气管道，供气管道通过多级离心泵（11）与气液分离器（13）连通，气液分离器通过管道连通到乳化器（14），乳化器出液口与储水罐底部通过管道连通，多级离心泵通过管道连通到储水罐内，在多级离心泵与储水罐之间的管道上依次设置有气压表（7）、第一手动阀（6）和磁化器（5）。
4.根据权利要求3所述的多端监控的水肥气一体化滴灌系统，其特征在于：所述供气管道上设置有气体流量计（9），气体流量计与PLC连接。
5.根据权利要求3所述的多端监控的水肥气一体化滴灌系统，其特征在于：所述多级离心泵与气液分离器之间的管道上设置有第一压力表（12）。
6.根据权利要求1所述的多端监控的水肥气一体化滴灌系统，其特征在于：所述储水罐与循环水容器之间的管道上设置有第四电磁阀（25）和第二背压阀（26），第四电磁阀和第二背压阀均与PLC连接。
7.根据权利要求1所述的多端监控的水肥气一体化滴灌系统，其特征在于：所述施肥单元包括施肥罐（17），施肥罐内设置有搅拌器（18），施肥罐与循环水容器通过施肥管道连通，在施肥管道上由施肥罐开始依次设置有第二过滤装置（19）、施肥泵（20）、第二流量计（21）第一背压阀（22）和第二手动阀（23），过滤装置设置在施肥管道内，施肥泵（20）、第二流量计（21）和第一背压阀（22）均与PLC连接。
8.根据权利要求1所述的多端监控的水肥气一体化滴灌系统，其特征在于：在循环水容器内还设置有溶氧仪（28），溶氧仪与PLC连接。
9.根据权利要求1所述的多端监控的水肥气一体化滴灌系统，其特征在于：在储水罐底部设置有微纳米气泡发生器（15）。
10.根据权利要求1所述的多端监控的水肥气一体化滴灌系统，其特征在于：还设置有田间监测单元，田间监测单元包括插设在土壤里的温湿度传感器、pH传感器和电导率测试仪，温湿度传感器、pH传感器和电导率测试仪均与PLC连接。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114667905A (zh) * | 2022-03-04 | 2022-06-28 | 王卫星 | 一种利用滴灌管道为蔬菜根系补充氧气的控制系统 |
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2021
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