一种负压灌溉系统及其灌溉方法技术方案

本发明专利技术公开了一种负压灌溉系统及其灌溉方法，通过补水装置向水箱注水至初始设定液面，通过真空泵使气箱中的空气形成压力差，电磁控制水阀控制灌水装置开始供水，通过气压传感器实时监测负压灌溉装置内的负压值，电磁控制气阀和真空泵控制气箱内压力值，使压力值维持在合理的变化范围内。设置液位浮球开关监测水箱液面，当水位下降至触发液位浮球开关时，启动补水装置向水箱内注水至初始设定的液面，使水位、气压均在设定范围内。本发明专利技术能够通过蠕动泵转动的圈数来计算灌水量，气压传感器实时记录装置内外的压力值，并通过真空泵与电磁控制气阀的控制使负压发生装置的负压值维持在设定的范围内，提高了灌溉控制精度与自动化程度。

A Negative Pressure Irrigation System and Its Irrigation Method

The invention discloses a negative pressure irrigation system and its irrigation method, which injects water into the water tank through a water supply device to the initial set liquid level, forms a pressure difference in the air tank through a vacuum pump, controls the water supply by an electromagnetic control water valve, monitors the negative pressure value in the negative pressure irrigation device in real time by a pressure sensor, and controls the pressure value in the gas tank by an electromagnetic control air valve and a vacuum pump. The pressure value is kept in a reasonable range. When the water level drops to trigger the water level float switch, start the water supply device to inject water into the water tank to the initial set level, so that the water level and air pressure are within the set range. The invention can calculate the irrigation amount by the number of turns of the peristaltic pump, record the pressure value inside and outside the device in real time by the pressure sensor, and maintain the negative pressure value of the negative pressure generating device within the set range by the control of the vacuum pump and the electromagnetic control valve, thus improving the irrigation control accuracy and the degree of automation.

【技术实现步骤摘要】
一种负压灌溉系统及其灌溉方法
本专利技术属于负压灌溉技术，具体涉及一种负压灌溉系统及其灌溉方法。
技术介绍
在北方干早半干旱地区农业生产，经常修建各类水窖、水池、塘坝等小水源，由于这类水源的水位往往低于作物种植面，当用传统的节水灌溉技术时，也要解决小型或微型提水加压设备问题，这无疑增加了灌溉系统的成本投资；另外，在边远经济不发达地区，动力能源的匮乏也制约了现有节水灌溉技术推广应用。于是，提出一种新型的负压自动补给灌溉系统，以便能更好地解决这些地区的农业用水问题。其基本原理是水总是从高水势自动流向低水势这一自然特性，配以一定的仪器装置自动补充根际土壤中被作物消耗的水分。自然界中的物体都具有能量，而且，普遍的趋势是自发地由能量高的状态向能量低的状态运动或转化，最终达到能量平衡的状态。经典物理认为，任一物体所具有的能量由动能和势能组成。由于水分在土壤孔隙中的运移很慢，其动能一般可忽略不计。因此土水势——土壤水分所具有的势能，在决定土壤水分的能态和运动上就变的极为重要。根据土水势热力学基础的解释，土壤中某一点处土壤水所具有的总土水势扩是五个土壤水分势之和：Ψ＝Ψg+Ψp+Ψm+Ψs+ΨT(1)在分析田间土壤水分运动时，通常溶质势和温度势都不予以考虑。若用单位重量土壤水分所具有的水势表示，水势即通常所说的水头。对于非饱和土壤水，由于土壤压力势Ψp＝0，因此，其总土水势Ψ由基质势Ψm和重力势Ψg组成，即单位重量的总土水势：Ψ＝Ψm+Ψg＝Ψm+z(2)同样，若用水头表示，上式中的总水头则由负压水头h＝Ψm和位置水头组成。为理论分析负压灌溉系统运行的能量基础，建立如图1所示灌溉系统。可以看出，整个灌溉系统包括灌水器4、水源1以及连接两者的输水管2。H为水源与灌水器之间的高程差。在图1所示的灌溉系统中，以灌水器4为原点，建立如图所示坐标系，Z轴取向上为正，H<0时，即水源低于灌水器，称之为“负压”灌溉。现在对整个灌溉系统进行能量分析。在灌水器内，水为饱和状态，在不计大气压、溶质势和温度势的情况下，由式1可知，灌水器内单位重量的水所具有的总水势由基质势Ψm和重力势Ψg组成，即由压力水头h＝Ψm和位置水头z组成，取灌水器为参考平面，则位置水头z为零，因此，灌水器内单位重量水所具有的总水势为：在灌水器外，土壤水为非饱和状态，则由式2可知单位重量水所具有的总土水势Ψout由基质势Ψm和重力势Ψg组成，取灌水器为参考平面，则位置水头z也为零，因此，灌水器外单位重量土壤水所具有的总土水势为：Ψout＝Ψm+Ψg＝Ψmo+z＝ΨmoΨmo为灌水器外接触处土壤水的基质势。根据达西定律，水流动遵循的唯一原则是指由总水势高处向总水势低处运移，因此，要使得水从水源由灌水器内流入灌水器外土壤中，灌水器内总水势必须高于灌水器外总水势，即灌水器内外总水势必须满足以下基本条件：Ψin>Ψout即H>Ψmo当H<0时，灌溉需在负压下进行，水源位置低于灌水器位置。显然，对于饱和土壤，灌溉是不能实现的，当然饱和土壤一般也是不需要灌溉的。对于非饱和土壤，土壤基质势也为负值，负压灌溉是否可行，需看灌水器内水势H是否大于灌水器外接触处水势Ψmo。灌水器内水势H受水柱的真空吸上高度的限制，其理论最小值约为-10.33m，即H的取值范围-10.33m～0m，实际上由于密封完全问题，H的取值范围要小一些。通常情况下，需要进行灌溉的土壤，其含水率一般在凋萎系数和田间持水量之间，对应土壤水基质势范围约为0.15bar～0.33bar，用水柱表示，约为-150m～-3.3m。从两者的取值范围可以看出，虽然灌水器内水势为H负值，但当土壤含水率较低(需要灌溉)时，灌水器外土壤水基质势Ψmo也较低，通过调整水源高度，改变灌水器与水源之间的高程差H，即调整灌水器内水势H，总可以使得灌水器内总水势H大于灌水器外总土水势Ψmo，灌溉得以实现。此时，灌水器处的工作压力水头为负值。这就之所以称这种情况下的灌溉方式为负压灌溉根本来由。灌水器内外的水势差(H-Ψmo)为负压灌溉系统中的水分由水源经灌水器进入土壤的唯一驱动力。综上所述，从能量角度来分析，负压作用水头H在一定范围内，也就是说，水源高程比灌水器高程低，但不超过一定范围，负压灌溉是完全可行的。因而本专利技术提出一种广泛适用于农田灌溉的恒定负压灌溉装置，通过蠕动泵和电磁阀来维持灌溉水头的恒定，从而达到持续供水并提高用水利用率的目的。目前国内外有关负压灌溉的研究较少。现有的负压灌溉试验装置有两类，一类是通过控制马氏瓶液面与灌水器之间的高差来形成负压灌溉，另一类是通过U形管以及负压调节装置来形成负压，缺点是无法实时精确监测灌水量与负压值。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术的目的是提供一种负压灌溉系统，另一个目的是基于所述系统提供一种恒定负压灌水方法。技术方案：一种负压灌溉系统，包括灌溉装置、出水管、电磁控制水阀、排气管、气密性阀门、水箱、气箱、液位浮球开关、气压传感器、负压发生装置、电磁控制气阀、隔板、气体通道、补水装置、进水管、补水箱和单片机，所述水箱和气箱通过隔板隔离，且隔板上留有气体通道，所述水箱通过进水管与补水装置，通过出水管与灌水装置水密相连，所述气箱与负压发生装置及电磁控制气阀气密连通，所述水箱内设有液位浮球开关，所述气箱内设有气压传感器，所述电磁控制水阀、液位浮球开关、负压发生装置、电磁控制气阀、气压传感器、补水装置均与单片机连接。进一步的，所述灌水装置连接出水管和排气管，所述排气管上有气密性阀门，所述出水管上布置球阀开关，所述球阀开关为控制灌水装置的开关。优选地，所述出水管上布置电磁控制水阀，并与单片机连接，当装置初始液面及负压值或持续工作中负压值在预设状态下时，启动开启电磁控制阀，保证装置始终在预定工作环境下运行；优选地，所述灌水装置为透水不透气的陶土灌水器或纤维灌水器；优选地，所述补水装置为蠕动泵，通过步进电机、交流电机、直流电机提供动力，且蠕动泵通过进水管连通补水箱和负压灌溉装置；优选地，所述进水管的管口设置在水箱底部；优选地，所述负压发生装置为真空泵，所述真空泵通过抽气孔与气箱气密性相连；优选地，所述浮球开关布置于预定液面之上，高度根据浮球开关的尺寸设定；优选地，所述水箱与气箱中间用隔板隔开，隔板上部设有锯齿状气体通道。一种恒定负压灌水方法，主要分为初始化阶段和维持运行阶段。首先设置装置压力差范围及结束条件，单片机读取液位浮球开关状态。开启状态时，蠕动泵补水，同时记录蠕动泵运行步数；关闭状态时，蠕动泵停止运行，压力传感器监测压力值并判断压力差是否达到预定范围，未达到，真空泵抽取空气，达到，则电磁控制水阀开启，灌水器灌水，系统开始持续供水。气压传感器实时监测负压灌溉装置内外的负压值，当压力值高于预定范围，启动电磁控制气阀放气，低于预设压力范围，启动真空泵抽气，直至压力值达到初始预设压力值；通过液体浮球开关监测水箱液面，当水位下降至预定水位时，启动补水装置，向水箱内注水至初始设定的液面，记录蠕动泵运行步数，并判断蠕动泵是否达到预定运行步数，若未达到，则继续监测压力值、水位状态；若达到预设步数，单片机发出指令，关闭电磁控制水阀，停止灌水。进一步的，灌水装置的灌水量根本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种负压灌溉系统，包括灌溉装置(11)、出水管(12)、电磁控制水阀(13)、排气管(14)、气密性阀门(15)、水箱(21)、气箱(22)、液位浮球开关(23)、气压传感器(24)、负压发生装置(25)、电磁控制气阀(26)、隔板(27)、气体通道(28)、补水装置(31)、进水管(32)、补水箱(41)和单片机(51)，其特征在于：所述水箱(21)与气箱(22)通过隔板(27)隔离，且隔板(27)上留有气体通道(28)，所述水箱(21)通过进水管(32)与补水装置(31)，通过出水管(12)与灌水装置(11)水密相连，所述气箱(22)与负压发生装置(25)及电磁控制气阀(26)气密连通，所述水箱(21)内设有液位浮球开关(23)，所述气箱(22)内外均设有气压传感器(24)，所述电磁控制水阀(13)、液位浮球开关(23)、负压发生装置(25)、电磁控制气阀(26)、气压传感器(24)、补水装置(31)均与单片机(51)连接。

【技术特征摘要】
1.一种负压灌溉系统，包括灌溉装置(11)、出水管(12)、电磁控制水阀(13)、排气管(14)、气密性阀门(15)、水箱(21)、气箱(22)、液位浮球开关(23)、气压传感器(24)、负压发生装置(25)、电磁控制气阀(26)、隔板(27)、气体通道(28)、补水装置(31)、进水管(32)、补水箱(41)和单片机(51)，其特征在于：所述水箱(21)与气箱(22)通过隔板(27)隔离，且隔板(27)上留有气体通道(28)，所述水箱(21)通过进水管(32)与补水装置(31)，通过出水管(12)与灌水装置(11)水密相连，所述气箱(22)与负压发生装置(25)及电磁控制气阀(26)气密连通，所述水箱(21)内设有液位浮球开关(23)，所述气箱(22)内外均设有气压传感器(24)，所述电磁控制水阀(13)、液位浮球开关(23)、负压发生装置(25)、电磁控制气阀(26)、气压传感器(24)、补水装置(31)均与单片机(51)连接。2.根据权利要求1所述的一种负压灌溉系统，其特征在于：所述灌水装置(11)连接出水管(12)和排气管(14)，所述出水管(12)上布置电磁控制水阀(13)，所述电磁控制水阀(13)为控制灌水装置(11)的开关，当系统中压力范围与水位在初始预设范围内，电磁控制水阀(13)开启，灌溉装置(11)开始供水，所述排气管(14)上有气密性阀门(15)。3.根据权利要求2所述的一种负压灌溉系统，其特征在于：所述灌水装置(11)为透水不透气的陶土灌水器或纤维灌水器。4.根据权利要求1所述的一种负压灌溉系统，其特征在于：所述补水装置(31)为蠕动泵，蠕动泵通过进水管(32)连通补水箱(41)和水箱(21)。5.根据权利要求4所述的一种负压灌溉系统，其特征在于：所述进水管(32)的管口设置在水箱(21)底部。6.根据权利要求4所述的一种负压灌溉系统，其特征在于：所述蠕动泵的电源包括直流电源或交流电源提供，通过步进电机、直流电机或交...

【专利技术属性】
技术研发人员：王可纯，王海渝，徐俊增，李亚威，吕玉平，卫琦，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32