基于自動(dòng)控制的水肥灌溉裝置設(shè)計(jì)探究

任應(yīng)宏

（臨洮縣洮河灌區(qū)服務(wù)中心洮惠渠八里鋪所，甘肅 定西 730500）

我國(guó)耕地和水資源人均占有量都低于世界平均水平，農(nóng)業(yè)是用水量最多的產(chǎn)業(yè)之一，面臨著水資源短缺和浪費(fèi)的雙重問(wèn)題[1]。在農(nóng)田灌溉中一半以上的有效灌溉面積仍然沿用傳統(tǒng)的灌溉方式，農(nóng)田灌溉用水效率不高。加上受個(gè)人承包制的影響，大多數(shù)農(nóng)村灌溉農(nóng)田屬于小型農(nóng)田，灌溉設(shè)備的普及率很低，尤其是新型水肥一體化灌溉設(shè)備的推廣應(yīng)用更是匱乏，嚴(yán)重影響了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程[2]。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的研發(fā)也越來(lái)越受到重視，節(jié)水灌溉裝備具有投入低、耗能少、效率高等特點(diǎn)，十分適宜在農(nóng)田灌溉中推廣[3]。為有效緩解水土資源短缺問(wèn)題，提高農(nóng)田灌溉效率，減輕農(nóng)戶勞動(dòng)負(fù)擔(dān)，科學(xué)控制水肥灌溉量，研發(fā)適合中小型農(nóng)田水肥灌溉設(shè)備很有必要。

1 水肥自動(dòng)控制灌溉裝置的優(yōu)點(diǎn)

水肥是指以含氮量較高的地下水為水源所進(jìn)行的灌溉[4]。地下水中的氮素主要來(lái)源于居民點(diǎn)生活污水、糞便以及植物的枯枝落葉等有機(jī)物質(zhì)，其經(jīng)生物化學(xué)分解后，通過(guò)雨水淋溶進(jìn)入下層土壤，逐漸聚集、增濃，形成具有一定肥效的、含氮素的地下水，也被簡(jiǎn)稱肥水[5]。肥水多分布于居民點(diǎn)附近的淺層含水層中，以肥水灌溉農(nóng)田時(shí)往往采用各種灌溉裝置。采用傳統(tǒng)的水肥灌溉裝置灌溉時(shí)難以確定水肥輸送量，水肥過(guò)量施用容易引起作物枯竭[6]。因此，需要改進(jìn)水肥灌溉裝置，有效控制水肥灌溉量，提升農(nóng)作物灌溉效率。筆者設(shè)計(jì)的一種水肥灌溉自動(dòng)控制裝置，屬于水肥灌溉技術(shù)領(lǐng)域。該水肥灌溉自動(dòng)控制裝置經(jīng)由水流的流量完成對(duì)肥水量的控制，從而降低肥水過(guò)多施用導(dǎo)致作物枯竭的概率。

2 設(shè)計(jì)原理

1）組成部分：水肥灌溉自動(dòng)控制裝置包括輸出座和流量控制機(jī)構(gòu)，輸出座的上端面設(shè)防護(hù)罩，輸出座的兩端分別穿插輸水管，輸出座內(nèi)部的一端設(shè)輸水泵，輸水泵與輸出座一端的輸水管相通，輸水泵遠(yuǎn)離輸水管的一端設(shè)流量管，流量管遠(yuǎn)離輸水泵的一端連通流量控制機(jī)構(gòu)，流量控制機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)離流量管的另一端設(shè)與另一端輸水管連通的錐形口，輸出座與防護(hù)罩的連接處有檢修蓋，檢修蓋的上端面設(shè)與輸水泵和流量控制機(jī)構(gòu)連接的延展架。其中，流量控制機(jī)構(gòu)包括流量框和流量架，流量框兩端分別與流量管相通，流量框的上端面設(shè)延展筒；延展筒的內(nèi)部設(shè)流量裝置，流量裝置延伸入流量框內(nèi)的一端設(shè)兩根流量架，兩根流量架遠(yuǎn)離流量裝置的一端中部插接旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)軸的外緣面插接流量標(biāo)；延展筒延伸入檢修蓋的一端設(shè)信號(hào)輸出裝置，信號(hào)輸出裝置與流量裝置電性連接；延展架的上端面架設(shè)主控制器和主電源，延展架的一端與輸水泵電性連接；輸出座的兩側(cè)分別設(shè)并列排布的架設(shè)座，架設(shè)座的下端面均設(shè)防滑墊。水肥灌溉自動(dòng)控制裝置設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 水肥灌溉自動(dòng)控制裝置設(shè)計(jì)圖

2）技術(shù)效果：水肥灌溉自動(dòng)控制裝置由于設(shè)立了延展架，使得主控制器和主電源的整體與流量控制機(jī)構(gòu)的內(nèi)部脫離，同時(shí)由于延展架的脫離，使得流量控制機(jī)構(gòu)的內(nèi)部在泄漏后難以對(duì)主控制器和主電源造成影響，從而降低引發(fā)短路的概率。裝置中流量管的設(shè)立，經(jīng)由輸水泵帶動(dòng)的肥水通過(guò)流量管流淌入流量框的內(nèi)部，從而帶動(dòng)流量管轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)由流量管的旋轉(zhuǎn)速率轉(zhuǎn)換為信號(hào)后傳遞給信號(hào)輸出裝置，從而達(dá)到較為精確地掌控肥水流量的效果。

3 實(shí)施方式

如圖1所示，水肥灌溉自動(dòng)控制裝置包括輸出座和流量控制機(jī)構(gòu)，輸出座的上端面設(shè)防護(hù)罩，輸出座的兩端分別穿插輸水管，輸出座的兩側(cè)分別設(shè)并列排布的架設(shè)座，架設(shè)座的下端面均設(shè)防滑墊，輸出座通過(guò)架設(shè)座與地面支撐，同時(shí)架設(shè)座通過(guò)防滑墊保持與地面的摩擦力，從而降低輸出座運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)造成位移的概率。

水肥灌溉自動(dòng)控制裝置實(shí)施電路框圖如圖2所示。輸出座內(nèi)部的一端設(shè)輸水泵，輸水泵與輸出座一端的輸水管相通，輸水泵遠(yuǎn)離輸水管的一端設(shè)流量管，輸水泵通過(guò)輸水管從外部水源處汲取肥水。肥水在經(jīng)由輸水泵的輸送后轉(zhuǎn)移至流量管的內(nèi)部，通過(guò)流量管進(jìn)入流量控制機(jī)構(gòu)完成對(duì)肥水流量的測(cè)量。流量管遠(yuǎn)離輸水泵的一端連通流量控制機(jī)構(gòu)，流量控制機(jī)構(gòu)包括流量框和流量架。流量框的兩端分別與流量管相通，流量框的內(nèi)部設(shè)導(dǎo)向座，流量框的上端面設(shè)延展筒，延展筒的內(nèi)部設(shè)流量裝置，流量裝置延伸入流量框內(nèi)的一端設(shè)兩根流量架，兩根流量架遠(yuǎn)離流量裝置的一端中部插接旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)軸的外緣面插接流量標(biāo)，流量管內(nèi)的肥水流入流量控制機(jī)構(gòu)的流量框內(nèi)部，通過(guò)導(dǎo)向座完成對(duì)水流的導(dǎo)向，從而使得水流可以在內(nèi)部流過(guò)流量標(biāo)。由于流量標(biāo)采用蝶形設(shè)計(jì)，因此流量標(biāo)在水流經(jīng)過(guò)時(shí)會(huì)在水流的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸完成轉(zhuǎn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)軸與兩根流量架的連接處設(shè)電磁座，通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)完成信號(hào)流向流量裝置的傳遞，從而完成對(duì)流量的把握，流量裝置可采用LDGMIK-ZA等型號(hào)[7]。延展筒延伸入檢修蓋的一端設(shè)信號(hào)輸出裝置，信號(hào)輸出裝置與流量裝置電性連接，流量裝置傳輸?shù)碾娦盘?hào)，通過(guò)信號(hào)輸出裝置完成信號(hào)接收與輸出工作，從而完成對(duì)流量的把握，方便在流量達(dá)到設(shè)定閾值后停止，信號(hào)輸出裝置可選用ZXR10 M6000-8S Plus等型號(hào)[8]。流量控制機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)離流量管的另一端設(shè)與另一端輸水管連通的錐形口，輸出座與防護(hù)罩的連接處卡合有檢修蓋，檢修蓋的上端面設(shè)與輸水泵和流量控制機(jī)構(gòu)連接的延展架，延展架的上端面架設(shè)主控制器和主電源，延展架的一端與輸水泵電性連接，信號(hào)輸出裝置接收了流量裝置的信號(hào)后傳輸至主控制器，完成對(duì)總設(shè)定閾值的匯總。當(dāng)肥水的流量達(dá)到設(shè)定的閾值后，主控制器通過(guò)延展架將輸水泵關(guān)閉，從而完成中止輸水，主控制器可選用HH-N05S等型號(hào)[9-10]。

圖2 實(shí)施電路框圖

使用該水肥灌溉自動(dòng)控制裝置時(shí)首先將輸水管與外部水源連接，從而完成對(duì)肥水的汲取。連接后通過(guò)驅(qū)動(dòng)輸水泵，使得外部水源內(nèi)的肥水通過(guò)輸水泵注入流量管的內(nèi)部，肥水隨后進(jìn)入流量管通過(guò)流量控制機(jī)構(gòu)的內(nèi)部控制肥水流量；肥水經(jīng)由流量管進(jìn)入流量控制機(jī)構(gòu)的流量框內(nèi)部后，由于肥水在內(nèi)部會(huì)流經(jīng)流量標(biāo)，又由于流量標(biāo)采用蝶形設(shè)計(jì)，因此流量標(biāo)在水流經(jīng)過(guò)時(shí)會(huì)在水流的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸完成轉(zhuǎn)動(dòng)[11]。旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)與兩根流量架的連接處設(shè)電磁座，從而產(chǎn)生電信號(hào)，信號(hào)流隨后向流量裝置傳遞[12]；流量裝置的信號(hào)通過(guò)信號(hào)輸出裝置完成接收后再通過(guò)信號(hào)輸出裝置向主控制器傳輸，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定水流閾值時(shí)，主控制器通過(guò)延展架將輸水泵關(guān)閉，從而中止輸水。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的水肥灌溉自動(dòng)控制裝置可在一定程度上解決農(nóng)田灌溉中水肥灌溉量難以控制的問(wèn)題，能夠有效減少水肥資源浪費(fèi)，提高農(nóng)作物灌溉效率。但是還存在一定的問(wèn)題，比如流量感應(yīng)信號(hào)不準(zhǔn)確、水肥中雜質(zhì)對(duì)流量的影響等，需要繼續(xù)加大研發(fā)力度。相信通過(guò)一系列的努力，水肥灌溉自動(dòng)控制裝置會(huì)更先進(jìn)，為推進(jìn)農(nóng)田灌溉現(xiàn)代化進(jìn)程作出更大貢獻(xiàn)。