CN111066440B - 基于非接触式电导传感器的水肥一体机配肥***及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于非接触式电导传感器的水肥一体机配肥***及其控制方法，与现有技术相比解决了无法直接原位感知水肥浓度及自动控制水肥配比、水肥液体无法直接流进传感器内部、与手动设备配套性差的缺陷。本发明的非接触式电导传感器包括传感管道，传感管道外壁涂覆有接收电极，激励电极通过连接套管安装在传感管道内且激励电极的轴向方向与传感管道的轴向方向相同，激励电极为圆柱形，激励电极外涂覆有绝缘涂层。本发明通过简单加装非接触式电导传感器的设计，实现了水肥浓度的实时监控，实现了水肥配肥***中水、肥施放量的精准控制。

Description

基于非接触式电导传感器的水肥一体机配肥***及其控制 方法

技术领域

本发明涉及水肥控制技术领域，具体来说是基于非接触式电导传感器的水肥一体机配肥***及其控制方法。

背景技术

现代农业生产中，将灌溉与施肥结合一同作用于作物根系的水肥一体化技术已逐渐成为趋势。水肥技术具有显著提高养分利用率的优势，可以避免肥料施在较干的表土层易引起的挥发损失、溶解慢，最终肥效发挥慢的问题；尤其避免了铵态和尿素态氮肥施在地表挥发损失的问题，既节约氮肥又有利于环境保护。

目前，水肥技术已广泛应用于设施农业栽培、果园栽培和棉花等大田经济作物栽培，以及经济效益较好的其他作物。一些自动化配肥的传统水肥一体机相继面世，主要包括水泵肥泵、进肥管路、进水管路、水肥出口、施肥管道、分配器阀门等。这种传统水肥一体机显著减少了人力，提升了生产效率。如图1所示，传统水肥机因无法获取水肥浓度信息，无法实现精确的水肥配比，无法实现明显的肥料减施，布置一体机所需的管路***却显著增加了成本。

近几年，更智能化的水肥一体机在传统水肥一体机上添加了水和肥料的流量传感器等用以控制水和肥料的加入比例，试图间接感知水肥浓度，从而提升肥料的利用率水平。然而，水流量传感器等间接表征水肥浓度的方法实际上无法准备获知配比各环节中具体水肥浓度，主因在于肥料溶解不充分、水肥混合不均匀导致的误差，也因肥路与主管路采用的流量传感器累积误差、腐蚀容易损坏等。因此，直接原位准确地感知配比各环节中水肥浓度，从而精确调控水和肥的比例，对显著提升肥料利用率具有重要现实意义。此外，自动水肥一体机成本高，不易与现有的手动配肥设备结合。

因此，需要开发新的方法在原位直接而准确的感知各环节配比的水肥浓度，并且易与现有水肥一体机或者人工配肥***结合使用。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中无法直接原位感知水肥浓度及自动控制水肥配比、水肥液体无法直接流进传感器内部、与手动设备配套性差的缺陷，提供一种基于非接触式电导传感器的水肥一体机配肥***及其控制方法来解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于非接触式电导传感器的水肥一体机配肥***，包括依次通过管路连接的一级批处理稀释池、二级流动稀释混合罐和三级大棚支路，一级批处理稀释池上安装有水输送管和肥料施放管，一级批处理稀释池与二级流动稀释混合罐之间的管路上安装有回流泵，二级流动稀释混合罐与三级大棚支路之间的管路上安装有电控止水阀，

所述的一级批处理稀释池、二级流动稀释混合罐和三级大棚支路上均安装有非接触式电导传感器；所述的非接触式电导传感器包括传感管道，传感管道外壁涂覆有接收电极，激励电极通过连接套管安装在传感管道内且激励电极的轴向方向与传感管道的轴向方向相同，激励电极为圆柱形，激励电极外涂覆有绝缘涂层，连接套管内穿有激励连接线，激励电极通过激励连接线经激励电路与MCU相连，接收连接线一端与接收电极相连，接收连接线另一端经接收电路与MCU相连。

所述绝缘涂层的厚度为80-100nm、材质为特氟龙材质或聚醚醚酮材质。

所述接收电极的材质为导电银浆。

所述的激励电极为圆棒型电极、材质为石墨导电材料。

所述的非接触式电导传感器分别安装在一级批处理稀释池、二级流动稀释混合罐侧部引出的分流管道回路上，非接触式电导传感器安装在三级大棚支路的支流管道上。

所述的水输送管上安装有流量计，肥料施放管上安装有送料器，回流泵、电控止水阀的控制开关均与MCU的控制信号输出端相连，流量计和送料器的信号输出端均与MCU的信号输入端相连。

基于非接触式电导传感器的水肥一体机配肥***的控制方法，包括以下步骤：

水肥电导率关系分析：根据一级批处理稀释池内的水肥混合分析出水肥电导率一次线性关系；

实际水肥混合值的分析：根据二级流动稀释混合罐内测得的电导率值，分析出二级流动稀释混合罐内的实际水肥混合值，并控制水输送管和回流泵的开闭、控制电控止水阀对作物进行水肥施放；

作物施放量的分析：根据三级大棚支路内测得的电导率值，分析出三级大棚支路内的实际水肥混合值。

所述水肥电导率关系分析包括以下步骤：

MCU实时获取水输送管和肥料施放管的施放量，肥料施放管和水输送管按水肥配比梯度进行水、肥施放；

MCU获取位于一级批处理稀释池内非接触式电导传感器的电导率值，并记录水肥配比梯度对应的电导率值；

MCU通过origin中拟合水肥配比梯度对应的电导率值，生成一次线性关系模型，R均大于0.99，R为线性相关系数；

获得水溶肥中电导率与混合肥拟合曲线和函数关系式。

所述实际水肥混合值的分析包括以下步骤：

MCU获取位于二级流动稀释混合罐内的电导率值；

MCU根据水溶肥中电导率与混合肥拟合曲线和函数关系式，分析出当前二级流动稀释混合罐内的电导率值所对应的水肥混合比例；

MCU判断当前水肥混合比例是否符合设定值；若符合，控制电控止水阀打开对作物进行水肥施放；

若不符合，控制回流泵打开将二级流动稀释混合罐吸至一级批处理稀释池内，根据当前水肥混合比例的情况，进行放水或放肥操作后，再重新从一级批处理稀释池传至二级流动稀释混合罐内；MCU判断二级流动稀释混合罐内水肥混合比例是否符合设定值后，再控制电控止水阀打开对作物进行水肥施放。

所述水肥配比梯度值为8个比例值，8个比例值为1:50、1:100、1:150、1:200、1:250、1:300、1:400、1:500。

有益效果

本发明的基于非接触式电导传感器的水肥一体机配肥***及其控制方法，与现有技术相比通过简单加装非接触式电导传感器的设计，实现了水肥浓度的实时监控，实现了水肥配肥***中水、肥施放量的精准控制，具有直接精准获取、方法简单、成本低廉的特点。

本发明的非接触式电导传感器直接耦合进入水肥流动管道中，水肥溶液从探头内部流过，能够获取到水肥的浓度值，增加了检测灵敏度，且不损坏传感器电极；同时，非接触式电导传感器能够方便加装于传统水肥设备中，具有结构简单、使用便捷的特点。

附图说明

图1为现有技术中人工配肥***原理图；

图2为本发明中水肥一体配肥***原理图；

图3为本发明中非接触式电导传感器的结构示意图；

图4为本发明中传感管道的横截面图；

图5为本发明中电路连接原理框图；

图6为本发明中控制方法的顺序图；

图7和图8为本发明中所涉及的电导率与水肥浓度一次线性拟合图。

其中，1-一级批处理稀释池、2-二级流动稀释混合罐、3-三级大棚支路、4-非接触式电导传感器、5-电控止水阀、6-水输送管、7-肥料施放管、8-回流泵、11-传感管道、12-接收电极、13-激励电极、14-连接套管、15-绝缘涂层、16-激励连接线、17-激励电路、18-MCU、19-接收连接线、20-接收电路、21-流量计、22-送料器。

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

如图2所示，本发明所述的一种基于非接触式电导传感器的水肥一体机配肥***，包括依次通过管路连接的一级批处理稀释池1、二级流动稀释混合罐2和三级大棚支路3，一级批处理稀释池1上安装有水输送管6和肥料施放管7，水输送管6用于往一级批处理稀释池1内输送水，肥料施放管7用于往一级批处理稀释池1内施放混合肥。

一级批处理稀释池1与二级流动稀释混合罐2之间的管路上安装有回流泵8，回流泵8控制一级批处理稀释池1与二级流动稀释混合罐2之间的水肥调度。二级流动稀释混合罐2与三级大棚支路3之间的管路上安装有电控止水阀5，电控止水阀5控制二级流动稀释混合罐2内的水肥混合液体进入三级大棚支路3。

一级批处理稀释池1、二级流动稀释混合罐2和三级大棚支路3上均安装有非接触式电导传感器4，其中，在一级批处理稀释池1、二级流动稀释混合罐2侧部均引出分流管道回路，将非接触式电导传感器4安装在分流管道回路上，经过分流管道回路流入非接触式电导传感器4的水肥液体经检测后还流回一级批处理稀释池1或二级流动稀释混合罐2，这样便使得一级批处理稀释池1或二级流动稀释混合罐2内的水肥液体可以流入非接触式电导传感器4(传感管道11)内，流经激励电极13，以此测得液体电导率。同理，非接触式电导传感器4安装在三级大棚支路3的支流管道上，非接触式电导传感器4直接耦合进入水肥流动管道中，水肥溶液从探头内部流过，还增加了检测灵敏度。

传统的电导率探头是一体式探头，通过三通连接进液路，流动的待测液体并未进入传感器内部，只是经过探头表面，容易形成死体积导致测量不精确；另外传统的电导率探头无法测得流动时的水肥浓度，在水肥混合不充分的情况下，测量误差较大。

如图3和图4所示，非接触式电导传感器4包括传感管道11，传感管道11外壁涂覆有接收电极12，激励电极13通过连接套管14安装在传感管道11内且激励电极13的轴向方向与传感管道11的轴向方向相同，使得水肥液体可以直接在管道方向(传感管道11内)流过激励电极13，以增加检测的准确性。激励电极13为圆柱形，可以为圆棒型电极、材质为石墨导电材料。激励电极13外涂覆有绝缘涂层15，绝缘涂层15的厚度为80-100nm、材质为特氟龙材质或聚醚醚酮材质，具有防腐蚀性。为提高灵敏度，接收电极12的材质可以为导电银浆。

连接套管14内穿有激励连接线16，激励电极13通过激励连接线16经激励电路17与MCU18相连，MCU18将激发信号传至激励电极13。接收连接线19用于连接接收电极12和接收电路20，由于接收电极12位于传感管道11外部(水肥液体从传感管道11内流过)，也可以采用传统的绝缘套管设计，绝缘套管一端安装在接收电极12上，绝缘套管内穿有接收连接线19，接收连接线19一端与接收电极12相连，接收连接线19另一端经接收电路20与MCU18相连，将信号传给MCU18。

为了能实现配肥***的自动化控制，按传统方法在水输送管6上安装流量计21，用于获取水输送管6内的水流速。按传统方法在肥料施放管7上安装送料器22，送料器22为现有的传统定量送料装置，如传统的送料盘上设有若干个送料仓，每个送料仓为统一克数(份数)的设计，随着送料盘的旋转，释放相应克数(送料仓设计的克数)的肥料，同时还可以记录施放的复合肥份数(克数)。如图5所示，回流泵8、电控止水阀5的控制开关均与MCU18的控制信号输出端相连，流量计21和送料器22的信号输出端均与MCU18的信号输入端相连，通过MCU18获取流量计21和送料器22的数据，并控制回流泵8、电控止水阀5的开闭。

如图6所示，基于非接触式电导传感器的水肥一体机配肥***的控制方法，包括以下步骤：

第一步，用户选择肥料种类，并根据需要在***内设置目标浓度与总量，***根据目标浓度进而设置一系列水肥的浓度梯度，比如默认设置肥水比的浓度梯度选用为1:50、1:100、1:150、1:200、1:250、1:300、1:400、1:500，其中1为肥料、50-500为水，具体取值根据农业灌溉技术不同农作物的氮磷钾含量标准值来定，也可以参照相关国标指导要求。

水肥电导率关系分析：根据一级批处理稀释池1内的水肥混合分析出水肥电导率一次线性关系。由于各地区水质硬度差异较大，因此，根据当地的水质环境，先建立该地区的水肥电导率一次线性关系。其具体步骤如下：

(1)MCU18实时获取水输送管6和肥料施放管7的施放量，肥料施放管7和水输送管6按水肥配比梯度进行水、肥施放。可以先放一定量水，再按一定计量值(半袋、300克或500克)每份释放混合肥。

(2)MCU18获取位于一级批处理稀释池1内非接触式电导传感器4的电导率值，并记录水肥配比梯度对应的电导率值。

(3)MCU18通过origin中拟合水肥配比梯度对应的电导率值，生成一次线性关系模型，R(线性相关系数)均大于0.99。

(4)获得水溶肥中电导率与混合肥拟合曲线和函数关系式。

水溶肥电导率与总氮、氧化钾、五氧化二磷的含量关系，拟合得到电导率-氮磷钾含量的函数关系。

如图7和图8所示，在此，以安徽合肥地区的水质环境与常用肥料为例，记录各点的电导率数值，***处理电导率对应的两种水溶肥各浓度总氮、氧化钾、五氧化二磷的含量，并拟合数据，模型呈现一次线性关系，R(线性相关系数)均大于0.99。

第一种13-6-40水溶肥：

氧化钾：y＝0.45761x-0.38704

总氮：y＝0.14408x-0.12186

五氧化二磷：y＝0.08645x-0.07312

第二种20-20-20水溶肥：

氧化钾：y＝4.388e-4-0.16842

总氮：y＝4.543e-4x-0.17437

五氧化二磷：y＝4.322e-4x-0.16586。

第二步，实际水肥混合值的分析：根据二级流动稀释混合罐2内测得的电导率值，分析出二级流动稀释混合罐2内的实际水肥混合值，并控制水输送管6和回流泵8的开闭、控制电控止水阀5对作物进行水肥施放。

(1)MCU18获取位于二级流动稀释混合罐2内的电导率值；

(2)MCU18根据水溶肥中电导率与混合肥拟合曲线和函数关系式，分析出当前二级流动稀释混合罐2内的电导率值所对应的水肥混合比例；

(3)MCU18判断当前水肥混合比例是否符合设定值；若符合，控制电控止水阀5打开对作物进行水肥施放；

若不符合，控制回流泵8打开将二级流动稀释混合罐2吸至一级批处理稀释池1内，根据当前水肥混合比例的情况，进行放水或放肥操作后，再重新从一级批处理稀释池1传至二级流动稀释混合罐2内；MCU18判断二级流动稀释混合罐2内水肥混合比例是否符合设定值后，再控制电控止水阀5打开对作物进行水肥施放。

第三步，作物施放量的分析：根据三级大棚支路3内测得的电导率值，分析出三级大棚支路3内的实际水肥混合值。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (8)

1.一种基于非接触式电导传感器的水肥一体机配肥***，包括依次通过管路连接的一级批处理稀释池（1）、二级流动稀释混合罐（2）和三级大棚支路（3），一级批处理稀释池（1）上安装有水输送管（6）和肥料施放管（7），一级批处理稀释池（1）与二级流动稀释混合罐（2）之间的管路上安装有回流泵（8），二级流动稀释混合罐（2）与三级大棚支路（3）之间的管路上安装有电控止水阀（5），其特征在于：

所述的一级批处理稀释池（1）、二级流动稀释混合罐（2）和三级大棚支路（3）上均安装有非接触式电导传感器（4）；所述的非接触式电导传感器（4）包括传感管道（11），传感管道（11）外壁涂覆有接收电极（12），激励电极（13）通过连接套管（14）安装在传感管道（11）内且激励电极（13）的轴向方向与传感管道（11）的轴向方向相同，激励电极（13）为圆柱形，激励电极（13）外涂覆有绝缘涂层（15），连接套管（14）内穿有激励连接线（16），激励电极（13）通过激励连接线（16）经激励电路（17）与MCU（18）相连，接收连接线（19）一端与接收电极（12）相连，接收连接线（19）另一端经接收电路（20）与MCU（18）相连；

所述的非接触式电导传感器（4）分别安装在一级批处理稀释池（1）、二级流动稀释混合罐（2）侧部引出的分流管道回路上，非接触式电导传感器（4）安装在三级大棚支路（3）的支流管道上；

所述的水输送管（6）上安装有流量计（21），肥料施放管（7）上安装有送料器（22），回流泵（8）、电控止水阀（5）的控制开关均与MCU（18）的控制信号输出端相连，流量计（21）和送料器（22）的信号输出端均与MCU（18）的信号输入端相连。

2.根据权利要求1所述的基于非接触式电导传感器的水肥一体机配肥***，其特征在于：所述绝缘涂层（15）的厚度为80-100nm、材质为特氟龙材质或聚醚醚酮材质。

3.根据权利要求1所述的基于非接触式电导传感器的水肥一体机配肥***，其特征在于：所述接收电极（12）的材质为导电银浆。

4.根据权利要求1所述的基于非接触式电导传感器的水肥一体机配肥***，其特征在于：所述的激励电极（13）为圆棒型电极、材质为石墨导电材料。

5.根据权利要求1所述的基于非接触式电导传感器的水肥一体机配肥***的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

51）水肥电导率关系分析：根据一级批处理稀释池（1）内的水肥混合分析出水肥电导率一次线性关系；

52）实际水肥混合值的分析：根据二级流动稀释混合罐（2）内测得的电导率值，分析出二级流动稀释混合罐（2）内的实际水肥混合值，并控制水输送管（6）和回流泵（8）的开闭、控制电控止水阀（5）对作物进行水肥施放；

53）作物施放量的分析：根据三级大棚支路（3）内测得的电导率值，分析出三级大棚支路（3）内的实际水肥混合值。

6.根据权利要求5所述的基于非接触式电导传感器的水肥一体机配肥***的控制方法，其特征在于，所述水肥电导率关系分析包括以下步骤：

61）MCU（18）实时获取水输送管（6）和肥料施放管（7）的施放量，肥料施放管（7）和水输送管（6）按水肥配比梯度进行水、肥施放；

62）MCU（18）获取位于一级批处理稀释池（1）内非接触式电导传感器（4）的电导率值，并记录水肥配比梯度对应的电导率值；

63）MCU（18）通过origin中拟合水肥配比梯度对应的电导率值，生成一次线性关系模型，R均大于0.99，R为线性相关系数；

64）获得水溶肥中电导率与混合肥拟合曲线和函数关系式。

7.根据权利要求5所述的基于非接触式电导传感器的水肥一体机配肥***的控制方法，其特征在于，所述实际水肥混合值的分析包括以下步骤：

71）MCU（18）获取位于二级流动稀释混合罐（2）内的电导率值；

72）MCU（18）根据水溶肥中电导率与混合肥拟合曲线和函数关系式，分析出当前二级流动稀释混合罐（2）内的电导率值所对应的水肥混合比例；

73）MCU（18）判断当前水肥混合比例是否符合设定值；若符合，控制电控止水阀（5）打开对作物进行水肥施放；

若不符合，控制回流泵（8）打开将二级流动稀释混合罐（2）吸至一级批处理稀释池（1）内，根据当前水肥混合比例的情况，进行放水或放肥操作后，再重新从一级批处理稀释池（1）传至二级流动稀释混合罐（2）内；MCU（18）判断二级流动稀释混合罐（2）内水肥混合比例是否符合设定值后，再控制电控止水阀（5）打开对作物进行水肥施放。

8.根据权利要求6所述的基于非接触式电导传感器的水肥一体机配肥***的控制方法，其特征在于：所述水肥配比梯度为8个比例值，8个比例值为1:50、1:100、1:150、1:200、1:250、1:300、1:400、1:500。

Images