способ автоматического управления капельным поливом в теплице и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ автоматического управления капельным поливом в теплице, включающий измерение датчиками влажности почвы на контрольном участке, назначение и окончание полива при достижении влажности почвы на контрольном участке нижней и верхней границ и последующий полив участков с поливной нормой, что на контрольном участке, отличающийся тем, что на контрольном участке производят измерение влажности субстрата в посадочных емкостях растений путем протягивания используемого в качестве датчика влажности почвы и подключенного к поливной установке изолированного проводника через корнеобитаемые слои растений, а назначение и окончание капельного полива питательным раствором при достижении влажности субстрата нижней и верхней границ вокруг изолированного проводника осуществляют одновременно в посадочных емкостях на всех участках теплицы, при этом количество посадочных емкостей на контрольном участке и соответственно длину изолированного проводника определяют экспериментальным путем и рассчитывают по формуле

где n - количество посадочных емкостей;

G - среднеквадратичное отклонение влажности в посадочных емкостях;

G_xg - допустимая ошибка среднеквадратичного отклонения влажности в посадочных емкостях.

2. Устройство для автоматического управления капельным поливом в теплице, включающее датчик влажности, подключенный к генератору, пороговому блоку и реле включения поливной установки, отличающееся тем, что оно снабжено измерителем тока и трансформатором, а в качестве датчика влажности субстрата в посадочных емкостях контрольного участка использован изолированный проводник, выполненный из гибких изолированных проводов с герметизоляцией на концах и разделением в средней части на два пучка, один из которых подключен к первому выводу, а другой - ко второму выводу вторичной обмотки трансформатора, причем первичная обмотка трансформатора подключена к генератору через измеритель тока, выход которого подключен к пороговому блоку, выполненному из компаратора, соединенного вторым входом с потенциометром уставки заданной влажности и выходом - с реле времени и исполнительным механизмом поливной установки.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что коэффициент трансформации определяется по формуле

где K_n - коэффициент трансформации для посадочных емкостей контрольного участка;

K_i - коэффициент трансформации для одной посадочной емкости контрольного участка;

n - количество посадочных емкостей на контрольном участке.

Описание изобретения к патенту

Патентуемая группа изобретений относится к автоматизированным системам управления поливом, в частности капельным поливом питательным раствором субстратов в посадочных емкостях при выращивании овощных культур в теплицах. Известен способ капельного полива субстрата в посадочных емкостях при выращивании овощных культур в теплицах (см. СССР а.с. 1697628, A 01 G 9/02, 1991). В известном способе перфорированный трубопровод протягивают сверху через боковые стенки посадочных емкостей (стаканчиков) и подключают к водопроводной сети. При таком способе капельного полива будет происходить переувлажнение субстрата, а при поливе питательным раствором - засоление субстрата. К тому же будет излишне расходоваться поливная вода и минеральные удобрения.

Известен способ измерения влажности почвы орошаемого массива (см. патент РФ 1724113, A 01 G 25/16, 1992). При этом способе ниже пахотного слоя почвы прокладывают изолированный проводник, в разрыв которого подключают генератор. Проводник укладывают зигзагообрзно с шагом, равным толщине контролируемого слоя, при котором образуется коротко замкнутая линия и возникает стоячая волна.

Посредине линии находится пучность тока, максимум которого зависит от фазовой скорости волны, определяемой диэлектрической проницаемостью почвы и ее влажностью. Около проводника, в начале и в середине, устанавливают индуктивные зонды, с помощью которых определяют отношение токов в начале линии и в области мауксимума - середине линии. Это отношение и служит исходным показателем для определения влажности почвы. Способ усредняет в некоторой степени неоднородность влажности почвы и по нему можно судить о влажности почвы на момент измерения ее в орошаемом массиве. Однако данный способ не может быть использован в системе автоматического управления капельным поливом, поскольку участки имеют неоднородный состав почвы, и в этом случае надо прокладывать проводник на весь орошаемый массив, а это неэкономично и практически трудно осуществимо.

Известен способ автоматического управления поливом, взятый нами в качестве прототипа (см. СССР а.с. 1704710, A 01 G 25/16, 1992). Способ включает измерение влажности почвы в нескольких точках контрольного участка, назначение и окончание импульсного полива на контрольном участке при достижении влажности в заданных точках нижней и верхней границ и осуществление однократных выпусков воды на других участках поля на отрезок времени, длительность которого определяется в зависимости от времени достижения заданного значения влажности на контрольном участке. Известный способ автоматического управления обеспечивает полив на участках с нормой полива, которая расходуется на контрольном участке. Однако известный способ ввиду точечного измерения влажности из-за неоднородности состава почвы не может выдавать усредненный показатель влажности на орошаемых участках и обеспечивать одновременно полив на всех участках, в частности капельный полив питательным раствором субстрата при выращивании овощных культур в посадочных емкостях. Устройство для осуществления данного способа содержит датчики влажности контрольного участка, пороговый блок оценки влажности, блок памяти с кольцевым и реверсивным счетчиками для запоминания суммарной длительности импульсного полива контрольного участка до момента достижения на нем заданной влажности. Для управления блоком памяти служит генератор, а для переключения на полив остальных участков - одновибратор и логические схемы ИЛИ и И, формирователь импульсов, а также счетчик политых участков и блок управления исполнительными механизмами полива.

Устройство обеспечивает осуществление способа автоматизированного управления импульсным поливом на контрольном участке и последующий полив участков с одноразовым выпуском поливной нормы на них, что израсходовано на контрольном участке. Однако данное устройство имеет многоканальную, сложную по конструкции связь между элементами и не предназначено для одновременного капельного полива на всех участках.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является устройство управления поливом (см. СССР а.с. 1702970, A 01 G 25/16, 1992). Данное изобретение (взятое в качестве прототипа относительно устройства) предназначено для измерения влажности почвы или другой питательной среды. В качестве датчика влажности, устанавливаемого в контролируемой среде, используют плоский конденсатор. Конденсатор включен в колебательный контур, являющийся нагрузкой задающего генератора с кварцевой стабилизацией частоты. Снижение влажности контролируемой среды приводит к росту напряжения в колебательном контуре, которое поступает на исполнительный блок, выполненный в виде последовательно включенных выпрямителя, усилителя постоянного тока, порогового блока и реле. При достижении напряжения порогового значения за счет изменения емкости датчика влажности срабатывает реле, включающее поливную установку. Полив длится до восстановления первоначальной влажности среды. Недостаток этого устройства состоит в том, что используемый в нем в качестве датчика влажности конденсатор вмещает малую по объему контролируемую питательную среду, а поэтому не способен отражать среднюю влажность субстрата как в отдельной посадочной емкости, а тем более в посадочных емкостях на всей площади теплицы.

Технической задачей настоящего изобретения являлась разработка системы автоматического управления капельным поливом питательным раствором субстрата в отдельных посадочных емкостях при выращивании овощных культур в теплицах. В качестве субстрата используют торфоминеральную смесь, которой заполняют посадочные емкости (пластмассовые мешки с прорезями для посадки растений). Питательный раствор подводится по трубкам к корневым шейкам каждого растения от капельниц, устанавливаемых на поливном трубопроводе.

Необходимость разработки автоматической системы управления капельным поливом питательным раствором вызвана тем, что торфяной субстрат в посадочных емкостях имеет малый объем и обладает небольшой буферной влагоемкостью, а поэтому требуются частые капельные поливы и оперативный контроль за влажностью субстрата. Кроме того, влажность субстрата на участках теплицы неодинаковая, она зависит от однородности субстрата, неодинаковой транспирации растений, разницы давления в начале и конце поливного трубопровода, неисправности капельниц.

Техническим результатом при осуществлении изобретения относительно способа и устройства явилось создание надежной системы автоматического управления капельным поливом питательным раствором на основе усреднения показателей влажности субстрата на всей площади теплицы.

Относительно способа это достигается тем, что в отличие от прототипа (а. с. 1704710) измерение влажности субстрата на контрольном участке производят в посадочных емкостях растений путем протягивания изолированного проводника через их корнеобитаемые слои, а назначение и окончание капельного полива питательным раствором при достижении влажности субстрата нижней и верхней границ вокруг изолированного проводника осуществляют одновременно в посадочных емкостях на всех участках теплицы, при этом количество посадочных емкостей на контрольном участке и соответственно длину изолированного проводника определяют экспериментальным путем и рассчитывают по нижеприведенным формулам, исходя из величины вариации влажности в посадочных емкостях.

Использование торфяноминерального субстрата однородного состава в изолированных друг от друга посадочных емкостях для растений, протягивание изолированного проводника через их корнеобитаемые слои позволяет усреднить показатели влажности субстрата на всей площади теплицы и обеспечить полив питательным раствором в зависимости от потребности растений.

Относительно устройства это достигается тем, что в отличие от прототипа (а.с. 1702970) оно снабжено измерителем тока и трансформатором, а в качестве датчика влажности субстрата в посадочных емкостях контрольного участка использован изолированный проводник, выполненный из гибких изолированных проводов с герметизацией на концах и разделением в средней части на два пучка, один из них подключен к первому выводу, а другой - к второму выводу вторичной обмотки трансформатора, причем первичная обмотка трансформатора подключена к генератору через измеритель тока, выход которого подключен к пороговому блоку, выполненному из компаратора, соединенного вторым входом с потенциометром уставки заданной влажности и выходом - с реле времени и исполнительным механизмом поливной установки.

Кроме того, коэффициент трансформации определяется по формуле



где K_n - коэффициент трансформации для посадочных емкостей контрольного участка;

K₁ - коэффициент трансформации для одной посадочной емкости контрольного участка;

n - количество посадочных емкостей на контрольном участке.

Снабжение устройства трансформатором обеспечивает регулирование и поддержание заданного уровня напряжений и согласование в цепи между генератором и объемным протяженным датчиком влажности субстрата в посадочных емкостях на контрольном участке.

Снабжение устройства измерителем тока обеспечивает контроль за величиной тока, зависящей от влажности субстрата в цепи емкостного датчика.

Выполнение изолированного проводника из гибких изолированных проводов с герметизацией на концах и разделением в средней части на два пучка обеспечивает подачу тока в посадочные емкости и удобство при протягивании проводника через их зоны расположения корневой системы растений. Выполнения порогового блока из компаратора, соединенного вторым входом с потенциометром уставки заданной влажности и выходом - с реле времени и исполнительным механизмом поливной установки обеспечивает поддержание заданной влажности субстрата в посадочных емкостях на контрольном участке.

Заявляемая группа изобретений соответствует требованию единства изобретений, поскольку группа разнообъектных изобретений образует единый изобретательский замысел, причем один из заявленных объектов группы - устройство для автоматического управления капельным поливом в теплице предназначено для осуществления другого заявленного объекта группы - способа автоматического управления капельным поливом в теплице. При этом оба объекта группы изобретений направлены на решения одной и той же задачи - автоматического управления капельным поливом питательным раствором в зависимости от потребности растений при выращивании овощных культур в теплицах на питательных средах и субстратах. Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной группы изобретений как для объекта-способа, так и для объекта-устройства, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналоги как для способа, так и для устройства заявленной группы, характеризующиеся признаками, тождественными всем существенным признакам как способа, так и устройства заявленной группы изобретений.

Определение из перечня выявленных аналогов прототипов как для способа, так и для устройства - как наиболее близких по совокупности признаков аналогов - позволило выявить совокупность существенных по отношению к указанному выше техническому результату отличительных признаков для каждого из заявленных объектов группы изобретений, изложенных в формуле изобретения.

Таким образом, каждый из объектов группы изобретений соответствует условию "новизна". Для проверки соответствия каждого объекта заявленной группы изобретений условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений по патентным и научно-техническим источникам информации. Результаты поиска показали, что каждый объект заявленной группы изобретений по совокупности отличительных признаков не подпадает под известные технические решения и не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники. Заявленный способ автоматического управления капельным поливом в теплице включает измерение влажности только на контрольном участке субстрата в посадочных емкостях растений путем протягивания изолированного проводника через их корнеобитаемые слои, а назначение и окончание капельного полива питательным раствором при достижении влажности субстрата нижней и верхней границы осуществлять одновременно в посадочных емкостях на всех участках теплицы.

При этом количество посадочных емкостей на контрольном участке и соответственно длину изолированного проводника определяют экспериментальным путем и рассчитывают по формуле

,

где n - количество посадочных емкостей;

G - среднеквадратичное отклонение влажности в посадочных емкостях;

G_xg - допустимая ошибка среднеквадратичного отклонения влажности в посадочных емкостях.

При эксперименте оценку средней влажности субстрата проводят путем отбора образцов из различных посадочных емкостей, взвешивания и сушки каждого образца и усреднения полученных результатов.

Расчет средней влажности W_cp, среднеквадратического отклонения G и ошибки среднего G_x проводят с помощью известных формул (см. Е.А.Дмитриев. Математическая статистика в почвоведении. М.: изд. МГУ, 1995)



где n - число посадочных емкостей, из которых взяты образцы; W_i - величина влажности конкретного образца в одной посадочной емкости. Формулу (3) можно преобразовать



Формула (4) позволяет определить необходимое число посадочных емкостей n для того, чтобы при расчете средней влажности погрешность не вышла за пределы допустимой ошибки _x=G_xg, которая задается технологическими условиями в зависимости от биологических особенностей выращиваемых культур.

Ниже приведен экспериментальный опыт по определению средней влажности субстрата в посадочных емкостях с культурой перца. Отбор образцов производился в 35 посадочных емкостях теплицы, влажность определялась термостатно-весовым методом в процентах к наименьшей влагоемкости (НВ). Величина НВ торфяного субстрата составляла 590 вес.%. Результаты представлены в табл. 1.

Из полученного ряда посадочных емкостей делались группировки по 3, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35. Для каждой группы определялась средняя влажность W_cp, среднеквадратическое отклонение G и ошибка среднего G_x.

Результаты приведены в табл. 2.

Результаты показали, что минимальное значение влажности в посадочной емкости было 69,2%, а максимальное - 82,2%, разница составила 13%. При усреднении влажности среднеквадратическое отклонение G не превышало 3%. Ошибка среднего G_x отклонения уменьшилась с увеличением числа посадочных емкостей и при 10 - была менее 1%, что вполне удовлетворяло культуру перца.

Устройство для осуществления способа автоматического управления капельным поливом в теплице изображено на блок-схеме. Устройство смонтировано на контрольном участке и включает датчик влажности 1, генератор 2, измеритель тока 3, трансформатор 4. Датчик влажности выполнен из гибких изолированных проводов с герметизацией на концах и разделением в средней части на два пучка 5. Один из них подключен к первому выводу, а другой - к второму выводу вторичной обмотки 6 трансформатора. Первичная обмотка 7 трансформатора подключена к генератору через измеритель тока, выход которого подключен к пороговому блоку. Пороговый блок выполнен из компаратора 8, соединенного вторым входом с потенциометром 9 уставки заданной влажности и выходом с реле времени 10 и исполнительным механизмом 11 поливной установки. Третья обмотка 12 трансформатора подключена к цепи обратной связи 13, стабилизирующей амплитуду напряжения. Датчик влажности - проводник протаскивают на контрольном участке через корнеобитаемые слои посадочных емкостей 14 для растений. Коэффициент трансформации между генератором и датчиком влажности определяют, исходя из числа посадочных емкостей на контрольном участке.

Чем больше требуемое число посадочных емкостей n, тем больше длина и емкость датчика и меньше его емкостное сопротивление х_c=l/2fC. При изменении числа посадочных емкостей n необходимо согласование генератора с датчиком. Условие согласования заключается в неизменности нагрузки на генератор и постоянства подаваемой в нагрузку мощности.

Рассмотрим два датчика а) с одной посадочной емкостью и б) с числом посадочных емкостей.

Мощность в нагрузке:

а) P_a=U_a ²/X_a; б) P_n=U_n ²/X_n P_a=P_n U_a ²/X_a=U_n ²/X_n

Выразим напряжения U_a и U_n через напряжение первичной обмотки трансформатора U₁ и коэффициенты трансформации К_а и К_n:

U_a=U₁/K_a, U_n=U₁/K_n,

P_a=U₁ ²/K_a ²X_a=U₁ ²/K_n ²X_n=P_n,

т.к. P_a=P_n 1/K_a ²X_a=1/K_n ²X_n K_n ²=K_a ²(X_a/X_n)=K_a ²n

Поскольку сопротивление датчика обратно пропорционально количеству посадочных мест n, окончательно , т.е. коэффициент трансформации пропорционален корню квадратному из числа посадочных мест

Устройство действует следующим образом.

Высокочастотное напряжение генератора 2 через измеритель тока 3 подается на первичную обметку 4 трансформатора. На вторичной обмотке 6 наводится пониженное напряжение U₂: U₂=U₁/K_n, где K_n - коэффициент трансформации.

Напряжение U₂ подается на пучки проводников 5 датчика 1 влажности, емкостный ток проходит от проводников одного пучка к проводникам другого, частично через изоляцию проводников и частично - через окружающий субстрат. Первая составляющая постоянна по величине, а вторая зависит от влажности субстрата. Емкостные токи от всех участков датчика 1 суммируются и общий емкостный ток J₂ с учетом постоянной составляющей отражает среднюю влажность в посадочных емкостях. Его величина определяется выражением

J₂=U₂2fС

где f - частота; С - суммарная емкость всех участков датчика 1.

В первичной обмотке 7 возникает ток J₁, J₁=J₂/K_n=U₂2fC/K_n=U₁2fC/K_n ²

В первичной обмотке 7 протекает также индуктивный ток намагничивания сердечника трансформатора 4 - : =U₁/2fL₁, где L₁ - индуктивность первичной обмотки 7. Кроме того, в первичной обмотке 7 протекает ток J_a - ток активных потерь в сердечнике и обмотках трансформатора 4, в субстрате и проводнике датчика 1.

Величину тока потерь J_a рассчитать трудно, но влияние его можно уменьшить, введя обратную связь 13 для поддержания неизменной амплитуды напряжения на трансформаторе. Результирующий ток 1 в цепи измерителя тока 3 определяется векторным суммированием указанных трех составляющих токов Первая составляющая преобладает над другими.

При постоянстве напряжения U₁ величина тока J₁ пропорциональна емкости датчика 1.

Выходной сигнал измерителя тока 3 в виде постоянного напряжения, пропорционального току J₁, поступает на первый вход компаратора 8, на второй вход компаратора подается напряжение от потенциометра уставки 9. При подсыхании субстрата емкостный ток уменьшается, уменьшается ток J₁ и выходной сигнал измерителя тока 3. Если он упадет ниже заданного уровня напряжения уставки, снимаемого с потенциометра 9, включается компаратор 8, реле времени 10, исполнительный механизм 11 и начинается капельный полив в посадочных емкостях на всей площади. По мере увлажнения субстрата на контрольном участке увеличивается емкостный ток и выходной сигнал измерителя тока. Когда он достигнет уровня уставки потенциометра 9, компаратор отключится, но полив будет продолжаться еще некоторое время, определяемое выдержкой реле времени 10. Практика показала, что поливы по сигналу датчика 1 без реле времени 10 происходят слишком часто малыми дозами, что неблагоприятно сказывается на работе поливного оборудования.

При выращивании сменной овощной культуры в посадочных емкостях теплицы процесс автоматического управления капельным поливом повторяют аналогичным способом, что и с культурой перца. Определяют экспериментальным путем на контрольном участке количество посадочных емкостей 14 и соответственно длину изолированного проводника, при котором бы ошибка усредненной влажности субстрата на всей площади теплицы была меньше допустимой величины влажности, исходя из биологической особенности данной культуры. Затем в соответствии с количеством посадочных емкостей 14 на контрольном участке определяют коэффициент трансформации в цепи между датчиком влажности 1 и генератором 2. Далее измерения влажности субстрата в посадочных емкостях производят автоматически только на контрольном участке, а начало и окончание капельного полива питательным раствором осуществляют одновременно в посадочных емкостях на всех участках теплицы.