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日光溫室水肥一體機設計及其控制模型的建立

發布日期:2018-11-02 作者: 點擊:

日光溫室水肥一體機設計及其控制模型的建立


 引言

2015 年我國日光溫室面積已達86.67 萬hm2 以上,不僅成功解決了北方地區冬半年蔬菜供應問題,而且成為解決“三農”問題的支柱產業,產生了巨大的經濟與社會效益。然而我國日光溫室園藝作物主要采用土壤栽培模式,生產管理憑經驗,農民水肥用量過多,這種粗放的水肥施用方式不僅造成了資源的浪費,而且還造成了環境的污染。目前,國外的智能水肥一體機機已經實現了水肥的精準控制和自動化管理,但都是適用于大型連棟溫室,而國內缺乏適宜日光溫室生產應用的低成本、使用方便的小型水肥一體機,成為促進我國日光溫室園藝作物水肥精準化與標準化管理的重要限制因素。

國外的大型智能水肥一體機設備主要采用文丘里吸肥器,目前以色列和荷蘭為代表的發達國家水肥一體化技術已相當成熟,已開發應用了完善成熟的智能灌溉施肥系統,如荷蘭PRIVA公司研發的Nutri-line 系列、以色列NETAFIM 公司研發的Netajet 系列等全自動灌溉施肥機,這些施肥機水肥一體機都能對電導率和酸堿度進行實時監測,從而精確為作物提供水分和養分; 國內的許多院校和企業也進行了先進灌溉施肥機的研發和引進,但這些灌溉施肥機結構比較復雜,一般都帶有一個混肥罐,罐中沒有輔助設備進行攪拌,混肥很容易出現局部不均勻,同時價格昂貴,無法在國內普及應用,尤其針對小型的日光溫室生產方面,取得的經濟效益在短時間難以收回成本。

由于文丘里施肥裝置的調節壓力范圍有限,而且對主管流量的穩定性要求較高,系統壓力損失大,因此需要選擇較大功率的水泵,而比例吸肥器無論是管道中水量及壓力如何變化,所吸入的肥料劑量與吸肥器水量始終成比例,可使用較小功率的水泵,為此,本文設計研制了基于吸肥器的價格低廉、適宜日光溫室應用的小型灌溉水肥一體機,并試驗得出控制水肥灌溉的電導率和酸堿度模型,為日光溫室園藝作物的水肥精準管理提供技術支持。

 

1 材料與方法

1.1 實驗材料

本實驗在沈陽農業大學園藝科研基地日光溫室內進行。

水泵為南方泵業射流式自吸不銹鋼噴射離心泵,型號: SZ090BD,最大工作壓力0.6 MPa,最大吸程8 m,重量11.8 kg,且耐腐蝕;吸肥器為以色列泰豐吸肥器,型號: 2504,流量范圍: 10 ~ 2 500L/h,工作壓力: 0.02~ 0.8 MPa,重量1.8 kg。管路及管件皆為聚氯乙烯。

1.2 結構試驗設計

1.2.1 灌溉施肥機的結構設計與工作原理

灌溉施肥機主要由傳感器、執行機構、控制器和輔助設備4部分組成,其中傳感器包括電導率傳感器和酸堿度傳感器; 控制器為西門子smart200PLC 控制器; 執行機構包括吸肥器、離心水泵、電磁閥; 輔助設備包括控制箱、肥料罐、過濾器。灌溉施肥機的結構原理如圖1 所示。水肥一體機.gif

灌溉施肥機結構原理圖

1-進水口; 2-過濾器; 3-電磁閥; 4-流量計; 5-混肥裝置; 6 水泵; 7-逆止閥; 8-吸肥器; 9-軟管; 10-肥料罐; 11-壓力表; 12-電導率傳感器; 13-酸堿度傳感器; 14-球閥; 15-灌溉支路; 16-輸水主管道; 17、18、19-支路管道

圖1 灌溉施肥機結構原理圖

當進行施肥作業時,開啟系統中所有的閥門,進過水泵的脈沖式的灌溉水進入吸肥器,同時在水壓的驅動下,吸肥軟管吸取相應比率的肥料與灌溉水一起注入主管道上的特殊結構的混肥裝置中,轉化為均勻的營養液,由水泵輸送給灌溉支路,同時有一部分營養液又進入到吸肥器中,以此重復,實現混肥和灌肥同時進行,大大縮短施肥灌溉時間。為了方便,結構試驗階段均采用手動信號控制,即利用球閥開閉控制水流量。

1.2.2 吸肥器的排布試驗

本試驗設置3 個吸肥器并聯、串聯、串并聯三組排布方式,組裝如圖2 所示,測量每個吸肥器的吸肥量,3次重復。

吸肥器的排布

1.2.3 支路管道的粗度和長度試驗

通常溫室大棚的自來水管道都是一寸管道( 即DN25) ,同時為了安裝方便,本灌溉系統的主管道也設計為一寸管路,吸肥器的進出水口是六分管( 即DN20) ,由于管道中液體的流量與管道的長度、粗度以及粗糙程度有著密切的關系,為了確定支路管道的尺寸,所以本試驗設計了等長與不等長六分支路管道,以及等長一寸支路管道,如圖3 所示,并測試吸肥器吸肥量的變化,3次重復。

1.2.4 混肥裝置結構設計

混肥裝置作為灌溉系統的核心部件之一,它直接影響輸水主管道中肥料與水混合的均勻程度,本試驗設置混肥裝置外徑為53、90、125 mm 3 個處理[如圖4( a) ],施肥裝置內部進出口處安裝15 cm 一寸管件,以達到充分混肥的效果,根據圖5 所示示意圖測試出水口的電導率,3次重復,設置進水口內徑管件為15 cm,出水口0、5、10、15 cm 以及特殊處理的15 cm( 十字鉆四個漏水口,并將正面封死) [如圖4( b) ]5 個處理。測量出水口水桶內的EC 值變化情況,3次重復。

支路管道結構,混肥裝置結構

結構示意圖a2e404611fe2ffe2781d02744356c2ef_1-1P51510101TP.gif

1.3 酸度、電導率模型試驗設計

根據試驗結果,選擇最優部件,組裝最后的灌溉施肥裝置,進行混肥試驗,建立酸度、電導率模型。

根據山崎配方,配置150 倍濃縮母液,放置在兩個2 L 的燒杯內,pH= 4 的酸液配制2L 放在燒杯內。在配置營養液時,微量元素的濃度是大量元素的1%~ 4%左右,對于電導率和酸度值的影響可以忽略不計。

兩路母液以及一路酸液對應3 個吸肥器進行吸肥試驗,調節3 個支路閥門,測量各吸肥器吸肥量,以及出水口處EC、pH的變化,得出模型方程并進行驗證。


2 結果與討論

2.1 吸肥器排布方式對吸肥量的影響

如6、7、8 所示,3個吸肥器并聯情況下,吸肥量穩定時所需的時間最短,而且分別調節出水口處球閥: 全開口、半開口、1 /4開口的情況下,串聯和串并聯的吸肥器吸肥量隨著開口越小,吸肥量越大,并聯的3 個吸肥器吸肥量沒有明顯變化,表現出穩定的性能,每條支路的壓力表示數是相同的,所以吸肥器的排布試驗中將采用并聯的方式。

2.2 支路管道粗度和長度對吸肥量的影響

首先測試了六分管等長與不等長支路管道結構,測試了3個吸肥器吸肥量的變化,如圖9、10、11 所示,從圖中可知,與六分不等長結構相比,六分等長的3 個吸肥器在40 s 之后吸肥量變化幅度很小,基本趨于平穩。在等長的條件下,組裝一寸支路管道進行吸肥量的測量,與六分等長比較,結果顯示,仍是六分等長支路處理吸肥器達到穩定所用的時間最短,所以支路管道選擇六分管,3條支路管道等長結構。

2.3 混肥裝置結構設計30c7f4acd4d1b481ca047e1aa145e692_1-1P5151013332S.gif

由圖12 可知,直徑53 mm 時,EC 值在20 s 到40 s 從0.5增加到了1.3 左右,混肥速率明顯地高于其他兩個處理,如圖13 所示,混肥裝置內部特殊處理的15 cm 結構的混肥速率明顯高于其他3 個處理,其余均無顯著差異。本試驗混肥裝置的設計,將保證肥料與水的有效混合。


不同內徑處理對混肥速率的影響

2.4 酸度、電導率模型

2.4.1 酸度、電導率模型的建立

營養液的調配主要是通過EC、pH 進行監測和控制的,所以有:

EC = a1 + b1x1 + c1x2 + d1x3

pH = a2 + b2x1 + c2x2 + d2x3

式中: EC、pH 為代表電導率值和酸度值; a、b、c、d 為代表常數;

x1、x2

為代表母液吸入量; x3

為代表酸液吸入量。

將表1 結果代入公式可得方程:

EC = 0.720 67 - 0.000 121 9 x1 +

0.000 667 9 x2 + 0.000 026 1 x3

pH = 6.938 7 - 0.000 1041 7 x1 +


2.4.2 電導率、酸度模型的驗證

如表2 所示,模型預測出水口處混合營養液的EC 相對誤差的平均值為2%,最大值為4.2%,pH 的相對誤差的平均值為3%,最大值為4.7%。由于操作精度以及溫度等也會影響營養液的EC 和pH 值,因此模型不可避免地會存在一些誤差,但兩個模型的相對誤差都較小,表明所建立的模型是可行的。

多路母液加入所測得的EC/pH 值

3 結論

針對北方地區日光溫室栽培面積小以及環境變化與栽培管理的要求,本文研究設計了一種基于吸肥器的小型灌溉施肥機。首先對水肥一體機的結構進行了試驗設計研究,明確3 個吸肥器并聯排布方式最好,選擇六分管、3 條支路等長為最佳支路管道結構,混肥裝置直徑為53 mm,選擇特殊處理的15 cm 內徑管件( 十字鉆四個漏水口,并將正面封死) 為混肥裝置最佳內部結構,然后對兩路母液和一路酸液的加入量與EC、pH 值關系建立模型方程,與實測值相比,模型預測得出EC 值相對誤差的平均值為2%,最大值為4.2%,pH 的相對誤差的平均值為3%,最大值為4.7%。以上試驗結果說明,灌溉機結構設計合理,可實現營養液的精準化控制,為日光溫室蔬菜的標準化管理奠定基礎。

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關鍵詞:水肥一體機,水肥一體化,施肥機

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