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日光温室小型水肥一体灌溉机设计及其控制模型的建立

时间:2018-05-15 10:16来源:未知 作者:admin 点击:
日光温室小型水肥一体灌溉机设计及其控制模型的建立
李坚,刘云骥,王丹丹,孙周平
( 1.设施园艺省部共建教育部重点实验室,沈阳110866; 2.环渤海湾地区设施蔬菜优质高效生产协同创新中心,沈阳110866;3.沈阳农业大学园艺学院,沈阳110866)

0 引言
2015 年我国日光温室面积已达86.67 万hm2 以上,不仅成功解决了北方地区冬半年蔬菜供应问题,而且成为解决“三农”问题的支柱产业,产生了巨大的经济与社会效益。然而我国日光温室园艺作物主要采用土壤栽培模式,生产管理凭经验,农民水肥用量过多,这种粗放的水肥施用方式不仅造成了资源的浪费,而且还造成了环境的污染。目前,国外的智能灌溉机已经实现了水肥的精准控制和自动化管理,但都是适用于大型连栋温室,而国内缺乏适宜日光温室生产应用的低成本、使用方便的小型水肥一体化灌溉机,成为促进我国日光温室园艺作物水肥精准化与标准化管理的重要限制因素。
国外的大型智能水肥灌溉设备主要采用文丘里吸肥器,目前以色列和荷兰为代表的发达国家水肥一体化技术已相当成熟,已开发应用了完善成熟的智能灌溉施肥系统,如荷兰PRIVA公司研发的Nutri-line 系列、以色列NETAFIM 公司研发的Netajet 系列等全自动灌溉施肥机,这些施肥机都能对电导率和酸碱度进行实时监测,从而精确为作物提供水分和养分; 国内的许多院校和企业也进行了先进灌溉施肥机的研发和引进,但这些灌溉施肥机结构比较复杂,一般都带有一个混肥罐,罐中没有辅助设备进行搅拌,混肥很容易出现局部不均匀,同时价格昂贵,无法在国内普及应用,尤其针对小型的日光温室生产方面,取得的经济效益在短时间难以收回成本。
由于文丘里施肥装置的调节压力范围有限,而且对主管流量的稳定性要求较高,系统压力损失大,因此需要选择较大功率的水泵,而比例吸肥器无论是管道中水量及压力如何变化,所吸入的肥料剂量与吸肥器水量始终成比例,可使用较小功率的水泵,为此,本文设计研制了基于吸肥器的价格低廉、适宜日光温室应用的小型灌溉施肥机,并试验得出控制水肥灌溉的电导率和酸碱度模型,为日光温室园艺作物的水肥精准管理提供技术支持。
 
1 材料与方法
1.1 实验材料
本实验在沈阳农业大学园艺科研基地日光温室内进行。
水泵为粤华牌射流式自吸不锈钢喷射离心泵,型号: SZ090BD,最大工作压力0.6 MPa,最大吸程8 m,重量11.8 kg,且耐腐蚀;吸肥器为以色列泰丰吸肥器,型号: 2504,流量范围: 10 ~ 2 500L/h,工作压力: 0.02~ 0.8 MPa,重量1.8 kg。管路及管件皆为聚氯乙烯。
1.2 结构试验设计
1.2.1 灌溉施肥机的结构设计与工作原理
灌溉施肥机主要由传感器、执行机构、控制器和辅助设备4部分组成,其中传感器包括电导率传感器和酸碱度传感器; 控制器为西门子smart200PLC 控制器; 执行机构包括吸肥器、离心水泵、电磁阀; 辅助设备包括控制箱、肥料罐、过滤器。灌溉施肥机的结构原理如图1 所示。
灌溉施肥机结构原理图
1-进水口; 2-过滤器; 3-电磁阀; 4-流量计; 5-混肥装置; 6 水泵; 7-逆止阀; 8-吸肥器; 9-软管; 10-肥料罐; 11-压力表; 12-电导率传感器; 13-酸碱度传感器; 14-球阀; 15-灌溉支路; 16-输水主管道; 17、18、19-支路管道
图1 灌溉施肥机结构原理图
 
当进行施肥作业时,开启系统中所有的阀门,进过水泵的脉冲式的灌溉水进入吸肥器,同时在水压的驱动下,吸肥软管吸取相应比率的肥料与灌溉水一起注入主管道上的特殊结构的混肥装置中,转化为均匀的营养液,由水泵输送给灌溉支路,同时有一部分营养液又进入到吸肥器中,以此重复,实现混肥和灌肥同时进行,大大缩短施肥灌溉时间。为了方便,结构试验阶段均采用手动信号控制,即利用球阀开闭控制水流量。
1.2.2 吸肥器的排布试验
本试验设置3 个吸肥器并联、串联、串并联三组排布方式,组装如图2 所示,测量每个吸肥器的吸肥量,3次重复。
吸肥器的排布
1.2.3 支路管道的粗度和长度试验
通常温室大棚的自来水管道都是一寸管道( 即DN25) ,同时为了安装方便,本灌溉系统的主管道也设计为一寸管路,吸肥器的进出水口是六分管( 即DN20) ,由于管道中液体的流量与管道的长度、粗度以及粗糙程度有着密切的关系,为了确定支路管道的尺寸,所以本试验设计了等长与不等长六分支路管道,以及等长一寸支路管道,如图3 所示,并测试吸肥器吸肥量的变化,3次重复。
1.2.4 混肥装置结构设计
混肥装置作为灌溉系统的核心部件之一,它直接影响输水主管道中肥料与水混合的均匀程度,本试验设置混肥装置外径为53、90、125 mm 3 个处理[如图4( a) ],施肥装置内部进出口处安装15 cm 一寸管件,以达到充分混肥的效果,根据图5 所示示意图测试出水口的电导率,3次重复,设置进水口内径管件为15 cm,出水口0、5、10、15 cm 以及特殊处理的15 cm( 十字钻四个漏水口,并将正面封死) [如图4( b) ]5 个处理。测量出水口水桶内的EC 值变化情况,3次重复。
支路管道结构,混肥装置结构
结构示意图
1.3 酸度、电导率模型试验设计
根据试验结果,选择最优部件,组装最后的灌溉施肥装置,进行混肥试验,建立酸度、电导率模型。
根据山崎配方,配置150 倍浓缩母液,放置在两个2 L 的烧杯内,pH= 4 的酸液配制2L 放在烧杯内。在配置营养液时,微量元素的浓度是大量元素的1%~ 4%左右,对于电导率和酸度值的影响可以忽略不计。
两路母液以及一路酸液对应3 个吸肥器进行吸肥试验,调节3 个支路阀门,测量各吸肥器吸肥量,以及出水口处EC、pH的变化,得出模型方程并进行验证。
1.4 数据处理
Excel2010 软件进行试验数据处理及绘图。
(责任编辑:admin)
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