RU2034442C1

RU2034442C1 - System for automatically controlling concentration of mineral fertilizers in fertilizer solution

Info

Publication number: RU2034442C1
Application number: RU9393020348A
Authority: RU
Inventors: Александр Павлович Лашин; Игорь Сергеевич Соколов; Анатолий Матвеевич Хребтович
Original assignee: Александр Павлович Лашин; Игорь Сергеевич Соколов; Анатолий Матвеевич Хребтович
Priority date: 1993-05-26
Filing date: 1993-05-26
Publication date: 1995-05-10

Abstract

FIELD: agriculture. SUBSTANCE: this system has fertilizer solution electric conductivity transducers at its mixing ejector outlet. Signal reproduced by transducer is compared with preset value, difference signal controls operation of electric motor to change position of variable-section piston disposed in ejector air intake connection, adjust fertilizer solution flow rate and thus regulate concentration of fertilizer solution at ejector outlet. EFFECT: more sophisticated design. 2 dwg

Description

Изобретение относится к сельскому хозяйству тепличному производству овощной продукции, а именно к системам автоматического регулирования концентрации поливочного раствора по принципу контроля электропроводимости раствора. The invention relates to agriculture, the greenhouse production of vegetable products, and in particular to systems for automatically controlling the concentration of irrigation solution according to the principle of monitoring the electrical conductivity of the solution.

Известны системы приготовления питательного поливочного раствора, содержащего растворенные минеральные удобрения заданной концентрации, путем смешения поливочной воды и высококонцентрированного раствора минеральных удобрений. Широко применяются системы приготовления питательного раствора в баке готового поливочного раствора путем подачи центробежным насосом поливочной воды из магистрального трубопровода и подачи насосом-дозатором концентрированного раствора минеральных удобрений из емкости маточного раствора, последующего их смешения в баке готового поливочного раствора и изменения подачи концентрированного раствора при отклонениях текущей электропроводимости поливочного раствора в баке готового поливочного раствора от заданной установки. Known systems for the preparation of a nutrient irrigation solution containing dissolved mineral fertilizers of a given concentration by mixing irrigation water and a highly concentrated solution of mineral fertilizers. Widely used are systems for preparing a nutrient solution in a tank of a ready-made irrigation solution by supplying a irrigation water from a main pipeline with a centrifugal pump and supplying a concentrated solution of mineral fertilizers from a tank of a mother liquor with a metering pump, then mixing them in a tank of a ready-made irrigation solution and changing the flow rate of a concentrated solution in case of deviations of the current the conductivity of the irrigation solution in the tank of the finished irrigation solution from a given installation.

Недостатками данных систем является неточное регулирование величины электропроводимости в баке готового поливочного раствора, вызванное нестабильностью давлений в гидросетях, изменением характеристик дозирующих устройств, изменением уровня маточного раствора в соответствующей емкости в основном контуре регулирования, а также двухпозиционным характером регулирования электропроводимости и инерционностью процесса по дополнительному контуру регулирования. The disadvantages of these systems are inaccurate control of the electrical conductivity in the tank of the finished irrigation solution, caused by instability of pressure in the hydraulic networks, a change in the characteristics of the metering devices, a change in the level of the mother liquor in the corresponding tank in the main control loop, as well as the two-position nature of the electrical conductivity control and the inertia of the process along the additional control loop .

Известны также инжекторы, обеспечивающие объемное смешение жидких или газообразных фракций в определенном соотношении, определяемом геометрическими размерами и конструкцией инжектора, давлениями на входе и выходе инжектора, геометрическими размерами подающего трубопровода, по которому поступает подмешиваемая фракция в основной поток. Injectors are also known that provide volumetric mixing of liquid or gaseous fractions in a certain ratio, determined by the geometric dimensions and design of the injector, the pressures at the inlet and outlet of the injector, and the geometric dimensions of the feed pipe through which the mixed fraction enters the main stream.

Недостатком инжекторов при использовании их в качестве дозирующих устройств при приготовлении поливочного раствора с заданной электропроводимостью является то, что они не обеспечивают точное поддержание заданной уставки, так как с течением времени из-за засоления поверхностей инжектора меняются его гидродинамические характеристики, изменяется уровень раствора в баке маточного раствора, подсасываемого в смесительную камеру инжектора а также присутствует нестабильность давлений на входе и выходе инжектора. The disadvantage of injectors when used as metering devices in the preparation of irrigation solution with a given electrical conductivity is that they do not provide accurate maintenance of the set point, since over time due to salinization of the injector surfaces, its hydrodynamic characteristics change, the level of the solution in the mother tank solution sucked into the mixing chamber of the injector and there is also instability of pressure at the inlet and outlet of the injector.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой системе является выбранная в качестве прототипа система автоматического регулирования электропроводимости готового питательного раствора в соответствующем баке, содержащая подающий воду насос, встроенный в магистральный трубопровод поливочной сети, емкость для маточного раствора минеральных удобрений, дозирующий насос, встроенный в подающий трубопровод, соединяющий емкость для маточного раствора с баком готового поливочного раствора, регистрирующий датчик электропроводимости готового поливочного раствора, помещенный в бак готового поливочного раствора, блок задатчика уставок минимального и максимального предела электропроводимости готового поливочного раствора, блок сравнения текущей электропроводимости готового поливочного раствора с максимальной и минимальной уставками, блок управления дозирующим насосом, причем регистрирующий датчик электропроводимости готового поливочного раствора и задатчик уставок подключены к соответствующим входам блока сравнения, а выход блока сравнения соединен с блоком управления дозирующим насосом. Система производит по основному каналу регулирования смешение воды из магистрального трубопровода и концентрированного маточного раствора в баке готового поливочного раствора в определенном объемном соотношении по основному каналу регулирования. По дополнительному каналу регулирования при превышении текущей электропроводимости готового поливочного раствора максимальной заданной уставки блок сравнения вырабатывает сигнал на блок управления дозирующего насоса, который отключает насос на подающем трубопроводе и прекращает подачу концентрированного раствора в бак готового поливочного раствора, а при снижении текущей электропроводимости величины минимальной заданной уставки, блок сравнения формирует сигнал на блок управления насосом, который открывается и обеспечивает подачу концентрированного раствора из емкости маточного раствора в бак готового поливочного раствора. Closest to the technical nature of the claimed system is a prototype system for automatically controlling the electrical conductivity of the finished nutrient solution in the corresponding tank, containing a water supply pump built into the main pipe of the irrigation network, a tank for the mother liquor of mineral fertilizers, a metering pump built into the supply pipe connecting the tank for the mother liquor with the tank of the finished irrigation solution, recording the conductivity sensor and the finished irrigation solution, placed in the tank of the finished irrigation solution, the unit for setting the minimum and maximum conductivity of the finished irrigation solution, the unit for comparing the current conductivity of the finished irrigation solution with the maximum and minimum settings, the control unit for the metering pump, the recording conductivity sensor of the finished irrigation solution and the setpoint adjuster is connected to the corresponding inputs of the comparison unit, and the output of the comparison unit is connected to the block controlling the dosing pump. The system produces through the main control channel the mixing of water from the main pipeline and the concentrated mother liquor in the tank of the finished irrigation solution in a certain volume ratio along the main control channel. By means of an additional control channel, when the current conductivity of the finished irrigation solution exceeds the maximum specified setpoint, the comparison unit generates a signal to the control unit of the metering pump, which turns off the pump in the supply pipe and stops supplying the concentrated solution to the tank of the finished irrigation solution, and when the current conductivity decreases, the minimum specified setpoint , the comparison unit generates a signal to the pump control unit, which opens and provides a flow Chu concentrated solution from the mother liquor into the tank of the finished irrigation solution.

Недостатком известной системы является следующее. При регулировании электропроводимости готового питательного раствора требуемой точности, согласно агротехническим требованиям для данного технологического процесса ± 2 мСм/см, добиться не удается в силу того, что в основном контуре регулирования объемного дозирования на подачу маточного раствора в бак готового поливочного раствора существенно влияют засоление поверхностей дозирующего насоса, что вызывает изменение его характеристик, нестабильность давлений в гидросетях, что вызывает изменение подачи воды и концентрированного раствоpа в бак готового поливочного раствора, изменения уровня в емкости маточного раствора, коррекция электропроводимости готового поливочного раствора по дополнительному контуру регулирования производится в диапазоне минимальной и максимальной уставками с запаздыванием и изменение подачи маточного раствора производится дозирующим насосом не пропорционально отклонению текущей электропроводимости от заданной уставки, а только при выходе текущей электропроводимости за границы заданного диапазона уставок. A disadvantage of the known system is the following. When adjusting the electrical conductivity of the prepared nutrient solution of the required accuracy, according to the agrotechnical requirements for this technological process, ± 2 mS / cm, it is not possible to achieve due to the fact that the salinization of the metering surfaces significantly affects the flow rate of the dosing solution into the stock of the finished irrigation solution pump, which causes a change in its characteristics, the instability of pressure in hydraulic networks, which causes a change in water supply and concentrated thief into the tank of the ready-made irrigation solution, changes in the level in the capacity of the mother liquor, the conductivity of the finished irrigation solution according to the additional control loop is adjusted in the range of the minimum and maximum settings with delay, and the supply of the mother liquor is made by the metering pump not proportionally to the deviation of the current conductivity from the specified setting, and only when the current conductivity goes beyond the limits of a given range of settings.

Цель изобретения повышение точности поддержания концентрации минеральных удобрений в готовом поливочном растворе и повышение за счет этого качества приготовления готового поливочного раствора для внесения минеральных удобрений в корневую зону растения. The purpose of the invention is to increase the accuracy of maintaining the concentration of mineral fertilizers in the finished irrigation solution and thereby increase the quality of the preparation of the finished irrigation solution for making mineral fertilizers in the root zone of the plant.

Относительно системы автоматического регулирования концентрации минеральных удобрений в поливочном растворе указанная цель достигается тем, что система, содержащая подающий воду насос, встроенный в магистральный трубопровод поливочной сети, емкость для маточного раствора минеральных удобрений, дозирующий насос, встроенный в подающий трубопровод, соединяющий емкость маточного раствора с баком готового поливочного раствора, регистрирующий датчик электропроводимости поливочного раствора, расположенного в емкости готового поливочного раствора, блок задатчика уставок максимального и минимального уровня изменения электропроводимости поливочного раствора, блок сравнения текущей электропроводимости поливочного раствора с заданными уставками, блок управления насосом-дозатором, причем выходы регистрирующего датчика электропроводимости готового поливочного раствора и задатчика уставок подключены к соответствующим входам блока сравнения, а выход блока сравнения соединен с блоком управления насосом-дозатором, встроенным в подающий трубопровод, дополнительно снабжена блоком изменения механических и гидравлических параметров инжектора, выполненного в виде дополнительного воздухозаборного патрубка с встроенным поршнем переменного сечения, кинематически связанного с выходом блока управления электропривода поршня, при этом смесительная камера инжектора сообщена с воздухозаборным патрубком и подающим трубопpоводом маточного раствора, а датчик регистрации текущей электропроводимости поливочного раствора установлен на выходе инжектора в магистральном трубопроводе. Regarding the automatic control system for the concentration of mineral fertilizers in the irrigation solution, this goal is achieved by the fact that the system contains a water supply pump integrated in the main pipeline of the irrigation network, a container for the mother liquor of mineral fertilizers, a metering pump integrated in the supply pipe connecting the mother liquor tank with the tank of the finished irrigation solution, which registers the conductivity sensor of the irrigation solution located in the tank of the finished irrigation solution, the setpoint adjuster block for the maximum and minimum level of change in the conductivity of the irrigation solution, the comparison unit for the current conductivity of the irrigation solution with the specified settings, the metering pump control unit, the outputs of the recording conductivity sensor of the finished irrigation solution and the setpoint adjuster are connected to the corresponding inputs of the comparison unit, and the output of the comparison unit is connected to the metering pump control unit integrated in the supply pipe his wife is a unit for changing the mechanical and hydraulic parameters of the injector, made in the form of an additional intake pipe with an integrated piston of variable cross section, kinematically connected with the output of the control unit of the electric drive of the piston, while the mixing chamber of the injector is in communication with the intake pipe and the supply pipe of the mother liquor, and the sensor for recording current conductivity irrigation solution installed at the outlet of the injector in the main pipeline.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая система отличается наличием новых блоков: инжектор для объемного смешения растворенного концентрированного минерального удобрения и воды в смесительной камере инжектора, блок изменения механических и гидравлических параметров инжектора, в виде дополнительного воздухозаборного патрубка с поршнем переменного сечения, кинематически связанного с выходом блока управления электроприводом поршня и их связями с остальными элементами системы. Comparative analysis with the prototype shows that the inventive system is characterized by the presence of new units: an injector for volumetric mixing of dissolved concentrated mineral fertilizer and water in the mixing chamber of the injector, a unit for changing the mechanical and hydraulic parameters of the injector, in the form of an additional air intake pipe with a piston of variable cross section, kinematically connected with the output of the control unit for the electric piston and their connections with other elements of the system.

Таким образом, научно-технический поиск показал, что заявляемые совокупности не известны из научно-технической и патентной литературы, т.е. соответствуют критерию "новизна". Thus, the scientific and technical search showed that the claimed combination is not known from the scientific, technical and patent literature, i.e. meet the criterion of "novelty."

Введение в дополнительном контуре регулирования блока изменения механических и гидравлических параметров инжектора позволяет существенно изменить схему приготовления готового поливочного раствора, приготовляя его непосредственно в магистральном трубопроводе и обеспечивая при этом заданную точность электропроводимости на выходе инжектора, причем из схемы исключаются бак готового поливочного раствора и насос-дозатор, а датчик регистрации электропроводимости готового поливочного размещен в магистральном трубопроводе на выходе инжектора. The introduction of changes in the mechanical and hydraulic parameters of the injector in the additional control loop of the injector makes it possible to substantially change the scheme for preparing the finished irrigation solution, preparing it directly in the main pipeline and ensuring the specified electrical conductivity accuracy at the injector outlet, and the tank of the finished irrigation solution and the metering pump are excluded from the circuit and the sensor for recording the conductivity of the finished irrigation is placed in the main pipeline at the output of the hector.

Таким образом, это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "изобретательский уровень", а выполнение системы из известных деталей критерию "промышленная применимость". Thus, this allows us to conclude that the technical solution meets the criterion of "inventive step", and the implementation of the system of known details to the criterion of "industrial applicability".

На фиг. 1 представлена функциональная схема автоматической системы регулирования концентрации минеральных удобрений в поливочном растворе, где приняты следующие обозначения: 1 блок задатчика уставки электропроводимости готового поливочного раствора, 2 блок сравнения текущего значения электропроводимости и величины уставки, 3 блок управления электроприводом поршня, 4 датчик регистрации электропроводимости поливочного раствора, 5 поршень переменного сечения, 6 инжектор, 7 воздухозаборный патрубок, 8 магистральный трубопровод, 9 подающий воду циркуляционный насос, 10 смесительная камера инжектора, 11 подающий трубопровод, 12 емкость маточного раствора. In FIG. 1 is a functional diagram of an automatic system for controlling the concentration of mineral fertilizers in an irrigation solution, where the following notation is adopted: 1 unit for setting the conductivity of the finished irrigation solution, 2 unit for comparing the current value of conductivity and set value, 3 piston electric drive control unit, 4 sensor for detecting the conductivity of irrigation solution 5 piston of variable cross section, 6 injector, 7 air intake pipe, 8 main pipeline, 9 qi water supply recirculation pump, 10 injector mixing chamber, 11 feed pipe, 12 mother liquor capacity.

На фиг.2, а,б,в,г представлены диаграммы изменений давления в смесительной камере инжектора от хода поршня в воздухозаборном патрубке, где а) изменение положения поршня в воздухозаборном патрубке; б) изменение площади воздухозаборного отверстия и длины поршня в патрубке; в) изменение давления в смесительной камере инжектора от хода поршня; г) изменение текущей электропроводимости на выходе инжектора. Figure 2, a, b, c, d presents diagrams of changes in pressure in the mixing chamber of the injector from the piston stroke in the air intake pipe, where a) a change in the position of the piston in the air intake pipe; b) a change in the area of the air intake hole and the length of the piston in the nozzle; c) pressure change in the mixing chamber of the injector from the piston stroke; d) a change in current conductivity at the outlet of the injector.

П р и м е р конкретной работы системы автоматического регулирования концентрации минеральных удобрений поливочного раствора. Example of a specific operation of a system for automatically controlling the concentration of mineral fertilizers in an irrigation solution.

Система, функциональная схема которой представлена на фиг.1, работает следующим образом. Циркуляционный насос 9, встроенный в магистральный трубопровод 8, подает на вход инжектора 6 под давлением воду для последующего объемного смешения воды и маточного раствора в смесительной камере 10 инжектора, причем объемное смешение определяется геометрическими характеристиками инжектора и подающего трубопровода. На соответствующие входы блока сравнения 2 поступают сигналы от датчика регистрации текущей электропроводимости 4 поливочного раствора, установленного в магистральном трубопроводе 8 поливочной сети на выходе инжектора 6, и сигнал с блока задатчика уставки электропроводимости 1. При отклонении текущего значения электропроводимости от заданной уставки в блоке сравнения 2 вырабатывается сигнал рассогласования, который поступает на вход блока управления 3 электроприводом поршня. В блоке управления 3 электроприводом поршня формируется полярный импульс, длительность которого пропорциональна времени отклонения текущей электропроводимости поливочного раствора от заданной уставки, а полярность соответствует знаку рассогласования. Полярный импульс подается на электропривод 13 и вызывает направленное поступательное движение поршня 5 в воздухозаборном патрубке 7, при этом направление движения поршня 5 определяется полярностью импульса. Перемещение поршня 5 в воздухозаборном патрубке 7 изменяет площадь воздухозаборного отверстия патрубка 7 и геометрические размеры смесительной камеры 10 инжектора, что вызывает в совокупности изменение давления в смесительной камере 10 инжектора 6. Изменение давления в инжекторе 6 приводит к изменению подачи концентрированного маточного раствора в подающем трубопроводе 11 из емкости маточного раствора 12 (фиг.2). The system, the functional diagram of which is presented in figure 1, operates as follows. The circulation pump 9, built into the main pipe 8, delivers water to the inlet of the injector 6 under pressure for subsequent volumetric mixing of water and the mother liquor in the mixing chamber 10 of the injector, the volumetric mixing being determined by the geometric characteristics of the injector and the supply pipe. The corresponding inputs of the comparison unit 2 receive signals from a sensor for recording the current conductivity 4 of the irrigation solution installed in the main pipe 8 of the irrigation network at the output of the injector 6, and a signal from the setpoint unit of the conductivity setting 1. When the current conductivity value deviates from the set value in the comparison unit 2 a mismatch signal is generated, which is fed to the input of the control unit 3 of the electric piston. A polar pulse is generated in the control unit 3 of the piston electric drive, the duration of which is proportional to the time of the deviation of the current conductivity of the irrigation solution from the set point, and the polarity corresponds to the sign of mismatch. A polar pulse is supplied to the electric drive 13 and causes a directed translational movement of the piston 5 in the air intake pipe 7, while the direction of movement of the piston 5 is determined by the polarity of the pulse. The movement of the piston 5 in the intake pipe 7 changes the area of the air intake of the pipe 7 and the geometric dimensions of the mixing chamber 10 of the injector, which together causes a change in pressure in the mixing chamber 10 of the injector 6. A change in pressure in the injector 6 leads to a change in the supply of concentrated mother liquor in the supply pipe 11 from the capacity of the mother liquor 12 (figure 2).

Экспериментальные исследования заявляемой системы автоматического регулирования концентрации минеральных удобрений в поливочном растворе показали, что по сравнению с существующим устройством регулирования концентрации точность регулирования концентрации минеральных удобрений в поливочном растворе существенно повышается во всем диапазоне допустимых заданий уставок согласно агротехническим требованиям. При этом наблюдается снижение расхода минеральных удобрений и увеличение урожайности овощных культур. Experimental studies of the inventive system for automatically controlling the concentration of mineral fertilizers in the irrigation solution showed that, compared with the existing device for controlling the concentration, the accuracy of regulating the concentration of mineral fertilizers in the irrigation solution is significantly increased over the entire range of permissible setting tasks according to agrotechnical requirements. At the same time, there is a decrease in the consumption of mineral fertilizers and an increase in the yield of vegetable crops.

Claims

AUTOMATIC CONTROL SYSTEM FOR MINERAL FERTILIZER CONCENTRATION IN THE WATERING SOLUTION, containing a water supply pump, built-in to the main pipeline of the irrigation network, a container for the mother liquor of fertilizers, a metering pump, built-in to the supply pipe, connecting the mother liquor solution tank with the registration sensor of the irrigation solution irrigation solution located in the tank of the finished irrigation solution, setpoint unit for maximum and mini settings the level of changes in the conductivity of the irrigation solution with the specified settings, the control unit for the metering pump, and the outputs of the recording conductivity sensor of the finished irrigation solution and the setpoint adjuster are connected to the corresponding inputs of the comparison unit, and the output of the comparison unit is connected to the control unit of the metering pump built into the supply pipe , characterized in that it is additionally equipped with a unit for changing the mechanical and hydraulic parameters of the injector, made in the form of additional an additional intake pipe with a built-in piston of variable cross section kinematically connected to the output of the piston electric drive control unit, the injector mixing chamber being in communication with the intake pipe and the supply solution of the mother liquor, and the sensor for detecting the current conductivity of the irrigation solution is installed at the injector outlet in the main pipeline.