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水肥一体化自动灌溉施肥设施技术

水肥一体化自动灌溉施肥设施技术

发布日期:2018-05-14 作者: 点击:

  水肥一体化准确灌溉施肥技术是将施肥与灌溉结合在一起的一项精准农业新技术,它借助灌溉系统,将由固体肥料或液体肥料配兑而成的肥液一起均匀、准确输入到作物根部土壤,有效控制灌溉水量和施肥量,提高水肥利用效率。本文论述了水肥一体化准确灌溉施肥基本构成以及应用成效,自动准确滴灌施肥机的工作原理、技术性能。对施肥装置、混合装置、过滤装置、EC/PH检测监控反馈装置、准确灌溉施肥模糊控制技术进行探索研究,提出了实现水肥一体化自动准确灌溉施肥主要技术途径。

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前言

  水肥一体化准确灌溉施肥技术是将灌溉与施肥融为一体进行准确灌溉施肥的农业新技术。该技术借助压力灌溉系统,将可溶性固体肥料或液体肥料配兑而成的肥液与灌溉水一起,均匀、准确地输送到作物根部土壤,并可按照作物生长需求,进行全生育期水分和养分定量、定时,按比例供应。

  实现水肥一体化准确灌溉施肥技术需要相应的供水、供肥、自动准确灌溉施肥、灌溉管网等设施,其关键核心装置是自动准确灌溉施肥设备。该设备可在现场编程或外接气象站的控制器控制,并通过实时监测EC(电导率)/PH(酸碱度)值,由注肥器准确地把肥料养分注入灌溉主管网中,执行准确的灌溉施肥。

1、灌溉施肥装置

自动准确灌溉施肥机组成及主要性能自动准确灌溉施肥机由电机水泵、施肥装置、混合装置、过滤装置、EC/PH检测监控反馈装置、压差恒定装置、自动控制系统组成。依据输入条件或土壤湿度、蒸发量、降雨量和光照强度等传感器,全自动智能调节和控制灌溉施肥。在施肥过程中,可对灌溉施肥程序进行选择设定,并根据设定好的程序对灌区作物进行自动定时定量的灌溉和施肥;

根据土壤湿度、降雨、光照等因素,实现水肥的自动调节;通过EC/PH监测系统对灌区情况实时监测,并进行准确和比例均衡的施肥,实现真正的准确施肥。

1.1施肥装置

由文丘里注肥器组成,包含电控阀、单向阀、调节器、吸液软管和管道管件。文丘里施肥器的核心部位是“文丘里管”,文丘里管为节流装置,其工作原理是液体流经缩小过流断面的喉部时流速加大,动态压力增加,静态压力减小,喉部产生负压,利用喉部处的负压吸取开敞式容器中的肥液。

文丘里注肥器结构见图

1.2过滤装置

肥料溶解性不好,因而肥液含有一些固体颗粒的杂质,需过滤出来。系统采用两级过滤装置,为碟片式或网式结构。肥液罐中未溶解的颗粒会沉积。

在罐体底部,在肥液入口处选用粗过滤器,进行第一次过滤;在灌溉主水管道中,固体颗粒会影响整个灌溉系统的工作,在肥液进入主水管道前,再进行一次过滤。

1.3混肥装置

肥液在灌溉主管道中与水混合不均匀会降低检测系统的准确性,需设置混肥装置。混肥装置利用液体流动中遇到管道截面的突变时产生漩涡,且漩涡对液体有一定的混合作用的原理设计,安装在检测装置前,使肥液通过漩涡能够得到充分的混合,使EC值和PH值将会更加准确、稳定。

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2.自动准确灌溉施肥机控制系统

2.1控制系统组成

控制系统由灌溉水与肥液供给控制系统组成。其中,肥液供给控制系统由抽吸肥液用的文丘里施肥器、控制电磁阀、传感器(主要测定PH值、EC值等)和混合罐、肥料罐组成,如图2所示。

2.2控制系统原理

肥液罐里的高浓度肥液经过滤器后由文丘里施肥器注入到混合罐,肥料泵从混合罐抽出肥液输送进入灌溉主管道中,同时设置支管连接注肥器,作为注肥器的进水管。设置EC测量仪检测主水管道

中的肥液浓度,将检测得到的浓度值反馈到单片机与设定值进行比较,根据信号差值通过控制电磁阀开关脉冲宽度调节施肥量,使主管道中的肥液浓度值与设定值保持一致,酸碱度的调节与肥液浓度调节类似。

2.3控制系统运行

  当设定条件或土壤水分探测仪探测到需灌水时,打开肥料泵使其工作,借用稳压阀使主管道中的灌溉水恒压流动,灌溉水经过管道1流向灌水器进行灌水作业;当需要施肥时,打开文丘里吸肥管和通往混合罐管路的电磁阀,启动肥料泵,一部分灌溉水经过管道1和2流向管道3和4,给混合灌补水,同时灌溉水流经文丘里管产生负压,把液肥从肥料桶吸出流向混合罐,已经混合充分的肥液在肥料泵的加压作用下进入管道1流向灌水器进行施肥水作业。流入混合罐的水流是沿切向流入的,故液肥与混合罐中的水能够很好地混合。混合罐安装了液位控制阀,会在混合罐中的水位达到设定值时自动关闭混合罐与补水管道之间的通道,当混合罐中的液位下降时自动打开。

  为了能实时高精度地检测混合罐中肥液的EC值和PH值,在肥料泵的出水口处引出一路水流2,同时在此检测PH值和EC值。单片机控制程序得到PH值和EC值传感器的检测值后,根据先前设定的肥料配比,计算发出吸肥管路电磁阀开关脉冲宽度指令,通过控制电磁阀的开关时间,使混合液中的肥料配比保持在限定的范围之内。

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2.4灌水总量、施肥量和肥液配比以及肥液混合控制

2.4.1灌水总量的控制

系统对灌水总量采用独立控制,由于主管道内灌溉水恒压流动,灌水总量与灌溉时间成正比,单片机通过控制阀门开关时长控制灌水总量。

2.4.2施肥量和肥液配比的控制

  施肥控制必须完成两种控制,即肥液配比控制和施肥量控制。采用时序控制的方式,即可较准确地控制施肥量和肥液配比。同样,由于主管道内灌溉水恒压流动,施肥量与灌溉时间成正比,通过控制时间来控制施肥量,即也用控制阀门开关时长控制施肥量。

2.4.3肥液混合系统控制原理

  由于控制系统的电磁阀仅有开关两种工作状态,又因为混合罐中的肥液混合具有在线性,因此肥液混合系统也具有实时、延迟和不确定等特性,系统的滞后和惯性极大,采用传递函数的原理很难确定,所以肥液混合系统采用模糊控制法。

  系统采用负反馈闭环控制原理来实现模糊控制。首先,将输入量、控制规则、决策以及判决等模块均模糊化,输入量模糊化后即对应于一定等级的隶属度,然后,制定输入变量、输出控制变量及其论域对应不同等级模糊集中的各个语言变量的隶属度。根据实际经验总结得出,模糊控制规则是用语言变量形式表示的模糊条件语句,而起控制作用的模糊集则是以模糊规则为基础的模糊决策。最后,用模糊判决方法得到输出控制变量论域中的等级数,再经过输出准确化,输出控制指令。

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3、水肥一体化自动准确灌溉施肥设施技术应用成效

水肥一体化自动准确灌溉施肥设施技术应用最为广泛是在滴灌施肥方面,通过采用膜下滴灌等形式,取得以下成效。

1>水利用系数达到o.9s,高于我国栉水灌溉技术规褂中水利用系数0.9的规定,节水成效明显。

2>肥液与灌溉水一起,均匀、准确地输送到作物根部土壤,减少肥料的挥发和流失,或营养过剩。经试验测算,准确滴灌施肥与传统技术施肥相比节肥40%一50% o

3)依托于先进的灌溉技术和设施,实现自动化准确灌溉施肥,二三个工人短时间就可操作完成几百亩作物的灌溉施肥,节约劳动力成本。

4)肥料养分呈溶液状态,可以较快地渗入土壤,被作物根系吸收,促进作物产量提高和产品质量的改善。

5)能够有效控制灌溉施肥量,可以避免化肥浇到深层土壤,造成土地和地下水的污染,避免了土壤板结退化。

4、小结

  我国是农作物生产大国,同时也是水肥消耗大国,然而对于水肥来说,有效利用率并不十分令人满意。传统的自然灌溉,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带走,严重浪费资源和能源,引发了农业生态环境的污染。准确的灌溉和施肥集成的水肥一体化,肥料随适量的灌水进入作物根系附近,不会在深层流失,既提高了肥效,又使地下水免受肥料及化学药剂的污染,在灌溉和施肥的方式上真正做到对作物所需水分与养分进行均匀、适量、准确地控制和供应。


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