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水肥一體化 自動精準灌溉施肥設施技術的研究和實現

發布時間:2019-02-28人氣:70

1 自動精準灌溉施肥機組成及主要性能

   自動精準灌溉施肥機由電機水泵、施肥裝置、混合裝置、過濾裝置、EC/PH檢測監控反饋裝置、壓差恒定裝置、自動控制系統組成 。依據輸入條件或土壤濕度、蒸發量、降雨量和光照強度等傳感器,全自動智能調節和控制灌溉施肥。在施肥過程中,可對灌溉施肥程序進行選擇設定,并根據設定好的程序對灌區作物進行自動定時定量的灌溉和施肥;根據土壤濕度、降雨、光照等因素,實現水肥的自動調節;通過EC/PH監測系統對灌區情況實時監測,并進行精確和比例均衡的施肥 ,實現真正的精確施肥 。

1.1 施肥裝置

   由文丘里注肥器組成,包含電控閥、單向閥 、調節器、吸液軟管和管道管件。文丘里施肥器的核心部位是“文丘里管”,文丘里管為節流裝置,其工作原理是液體流經縮小過流斷面的喉部時流速加大,動態壓力增加,靜態壓力減小,喉部產生負壓,利用喉部處的負壓吸取開敞式容器中的肥液。文丘里注肥器結構見圖1。

1.2 過濾裝置

   肥料溶解性不好,因而肥液含有一些固體顆粒的雜質,需過濾出來。系統采用兩級過濾裝置,為碟片式或網式結構。肥液罐中未溶解的顆粒會沉積在罐體底部 ,在肥液入口處選用粗過濾器 ,進行第一次過濾;在灌溉主水管道中,固體顆粒會影響整個灌溉系統的工作,在肥液進入主水管道前,再進行一次過濾。

1.3 混肥裝置

   肥液在灌溉主管道中與水混合不均勻會降低檢測系統的準確性,需設置混肥裝置。混肥裝置利用液體流動中遇到管道截面的突變時產生漩渦,且漩渦對液體有一定的混合作用的原理設計,安裝在檢測裝置前,使肥液通過漩渦能夠得到充分的混合,使EC值和 PH值將會更加準確、穩定。


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2 自動精準灌溉施肥機控制系統

2.1 控制系統組成

   控制系統由灌溉水與肥液供給控制系統組成。其中,肥液供給控制系統由抽吸肥液用的文丘里施肥器、控制電磁閥、傳感器 (主要測定PH值、EC值等)和混合罐、肥料罐組成,如圖2所示。

2.2 控 制 系統原 理

   肥液罐里的高濃度肥液經過濾器后由文丘里施肥器注入到混合罐,肥料泵從混合罐抽出肥液輸送進入灌溉主管道中,同時設置支管連接注肥器,作為注肥器的進水管。設置EC測量儀檢測主水管道中的肥液濃度,將檢測得到的濃度值反饋到單片機與設定值進行比較,根據信號差值通過控制電磁閥開關脈沖寬度調節施肥量,使主管道中的肥液濃度值與設定值保持一致,酸堿度的調節與肥液濃度調節類似。

2.3 控制系統運行

   當設定條件或土壤水分探測儀探測到需灌水時,打開肥料泵使其工作,借用穩壓閥使主管道中的灌溉水恒壓流動,灌溉水經過管道l流向灌水器進行灌水作業;當需要施肥時,打開文丘里吸肥管和通往混合罐管路的電磁閥,啟動肥料泵,一部分灌溉水經過管道1和2流向管道3和4,給混合灌補水,同時灌溉水流經文丘里管產生負壓,把液肥從肥料桶吸出流向混合罐,已經混合充分的肥液在肥料泵的加壓作用下進人管道1流向灌水器進行施肥水作業。流入混合罐的水流是沿切向流入的,故液肥與混合罐中的水能夠很好地混合。混合罐安裝了液位控制閥,會在混合罐中的水位達到設定值時自動關閉混合罐與補水管道之間的通道,當混合罐中的液位下降時自動打開。為了能實時高精度地檢測混合罐中肥液的EC值和PH值,在肥料泵的出水口處引出一路水流2,同時在此檢測PH值和 EC值。單片機控制程序得到PH值和Ec值傳感器的檢測值后,根據先前設定的肥料配比,計算發出吸肥管路電磁閥開關脈沖寬度指令 ,通過控制電磁閥的開關時間,使混合液中的肥料配比保持在限定的范圍之內。

2.4 灌水總量、施肥量和肥液配比以及肥液混合控制

2.4.1 灌水總量的控制

   系統對灌水總量采用獨立控制,由于主管道內灌溉水恒壓流動,灌水總量與灌溉時問成正比,單片機通過控制閥門開關時長控制灌水總量。

2.4.2 施 肥量和肥 液配比的控制

  施肥控制必須完成兩種控制,即肥液配比控制和施肥量控制。采用時序控制的方式,即可較準確地控制施肥量和肥液配比。同樣 ,由于主管道內灌溉水恒壓流動,施肥量與灌溉時間成正比,通過控制時間來控制施肥量,即也用控制閥門開關時長控制施肥量 。

2.4.3肥液混合系統控制原理

   由于控制系統的電磁閥僅有開關兩種工作狀態,又因為混合罐中的肥液混合具有在線性,因此肥液混合系統也具有實時、延遲和不確定等特性,系統的滯后和慣性極大,采用傳遞函數的原理很難確定,所以肥液混合系統采用模糊控制法。系統采用負反饋閉環控制原理來實現模糊控制。首先,將輸入量、控制規則、決策以及判決等模塊均模糊化,輸入量模糊化后即對應于一定等級的隸屬度,然后,制定輸入變量、輸出控制變量及其論域對應不同等級模糊集中的各個語言變量的隸屬度。根據實際經驗總結得出,模糊控制規則是用語言變量形式表示的模糊條件語句,而起控制作用的模糊集則是以模糊規則為基礎的模糊決策。最后,用模糊判決方法得到輸出控制變量論域中的等級數,再經過輸出精確化,輸出控制指令。

3 水肥一體化自動精準灌溉施肥設施技術應用成效

水肥一體化自動精準灌溉施肥設施技術應用最為廣泛是在滴灌施肥方面,通過采用膜下滴灌等形式,取得以下成效 。

1)水利用系數達到0.95,高于我國《節水灌溉技術規中水利用系數0.9的規定,節水成效明顯。

2)肥液與灌溉水一起,均勻、準確地輸送到作物根部土壤,減少肥料的揮發和流失,或營養過剩。經試驗測算,精準滴灌施肥與傳統技術施肥相比節肥40% ~50%。

3)依托于先進的灌溉技術和設施,實現自動化精準灌溉施肥,二三個工人短時間就可操作完成幾百畝作物的灌溉施肥,節約勞動力成本。

4)肥料養分呈溶液狀態,可以較快地滲入土壤,被作物根系吸收,促進作物產量提高和產品質量的改善。

5)能夠有效控制灌溉施肥量,可以避免化肥澆到深層土壤,造成土地和地下水的污染,避免了土壤板結退化。

4 小結

  我國是農作物生產大國,同時也是水肥消耗大國,然而對于水肥來說,有效利用率并不十分令人滿 意。傳統的自然灌溉,水分利用率只有40%左右。大量的未被利用的水把施用的肥料帶走,嚴重浪費資源和能源,引發了農業生態環境的污染。精準的灌溉和施肥集成的水肥一體化,肥料隨適量的灌水進入作物根系附近,不會在深層流失,既提高了肥效,又使地下水免受肥料及化學藥劑的污染,在灌溉和施肥的方式上真正做到對作物所需水分與養分進行均勻、適量、準確地控制和供應。


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