專利名稱：一種痕量灌溉節(jié)水性能測試系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水利設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種痕量灌溉節(jié)水性能測試系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
我國是一個水資源極其匱乏的國家，人均水資源的占有量只有國際平均水平的1/4，但是人口高居世界首位。隨著人口的增加和工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，到2030年我國的用水量將接近水資源可開發(fā)利用量。如何解決工農(nóng)業(yè)日益增多的需水量和總體水資源的減少之間的矛盾，正成為保證可持續(xù)發(fā)展的重大課題。近年來我國，尤其是北方糧食主產(chǎn)區(qū)和生態(tài)脆弱地區(qū)，連續(xù)遭受嚴(yán)重干旱，旱災(zāi)發(fā)生的頻率和影響范圍不斷擴(kuò)大，持續(xù)時間和遭受的損失持續(xù)增加，危害著我國的糧食安全和生態(tài)環(huán)境。合理利用水資源，尤其是農(nóng)業(yè)水資源，推廣節(jié)水灌溉技術(shù)，已成為關(guān)系國計民生的重要策略。我國政府高度重視水利建設(shè)，從上世紀(jì)70年代開始相繼從國外引進(jìn)了相關(guān)節(jié)水灌溉技術(shù)，到現(xiàn)在已經(jīng)取得了一定的效果。滴灌技術(shù)被公認(rèn)為目前效果最好的節(jié)水灌溉技術(shù)。與傳統(tǒng)的大水漫灌相比，滴灌節(jié)水效果十分顯著，但是還會發(fā)生一定的地表蒸發(fā)和深層滲漏損失。由于滴灌管道鋪在地表，灌溉水發(fā)生棵間蒸發(fā)；如單位時間內(nèi)灌溉量超過了土壤的田間持水量，多余水分將滲漏到土壤深層。另外，滴灌技術(shù)還存在堵塞問題、成本問題和對電力依賴性大，運(yùn)行效率低等問題。為了更好地實(shí)現(xiàn)節(jié)水效果，克服滴灌技術(shù)所存在的問題，我國學(xué)者諸鈞在中國專利申請CN200380100379.3提出了一種不同于微灌技術(shù)的新型節(jié)水灌溉技術(shù)——痕量灌溉節(jié)水技術(shù)。所謂痕量灌溉，是指在滿足植物水分需求的前提下，通過在灌水器水管內(nèi)部設(shè)置控水頭來控制水流方向，相應(yīng)將低壓水轉(zhuǎn)化成極細(xì)小的水流，然后以微小的速度(10-200mL/h)，均勻、不間斷地通過插入到土壤中的毛細(xì)管直接輸送到植物根系附近的土壤。痕量灌溉節(jié)水效果的實(shí)現(xiàn)主要在于利用了毛細(xì)管的毛細(xì)力作用。當(dāng)痕量灌水器出水口的毛細(xì)管與干燥土壤相接觸時 ，灌水器中的水將會被土壤中的空隙自動抽出，與此同時灌水器內(nèi)部所產(chǎn)生的抽水力迫使水流繼續(xù)經(jīng)過濾膜流入到毛細(xì)管中，并再次被土壤吸走，而當(dāng)土壤濕潤到一定程度后毛細(xì)管將自動停止抽水，以此方式達(dá)到了一種自動節(jié)水式灌溉的效果。鑒于痕量灌溉技術(shù)具備以上獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，因此該技術(shù)近年來日益受到重視，并具備廣泛的應(yīng)用前景。對于痕量灌溉的系統(tǒng)規(guī)劃及其控水頭設(shè)計等方面而言，痕量灌溉的水力性能都是其重要依據(jù)，并對痕量灌溉控水頭的出水量、抗堵塞結(jié)構(gòu)設(shè)計具備重要的指導(dǎo)作用。相應(yīng)地，實(shí)踐中迫切需要構(gòu)建一種規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的痕量灌溉節(jié)水性能測試方案，以便對其水力性能進(jìn)行測量，并作為系統(tǒng)規(guī)劃及其控水設(shè)計的參考。然而，現(xiàn)有技術(shù)中的相關(guān)測試裝置大部分僅限于對微灌或滴灌灌水器水力性能的實(shí)驗(yàn)研究，其測試原理及測量方式并不能較好地適應(yīng)痕量灌溉場合；此外，痕量灌溉控水頭的毛細(xì)出水流量與所處環(huán)境的溫度以及濕度均有密切關(guān)系，現(xiàn)有的節(jié)水性能測試方式并未對這些重要影響因素予以考慮；再者，由于需要手工操作和裝置設(shè)計方面的限制，最后所獲得的灌水器指標(biāo)與實(shí)際應(yīng)用仍然存在偏差，而且大多數(shù)測試裝置只能檢測灌水器的壓力-流量關(guān)系。因此，相關(guān)領(lǐng)域中存在著以下的技術(shù)需求，即希望尋找一種可針對痕量灌溉自身特點(diǎn)、并且能夠更為精確、全面地獲知其水力性能的測試方案。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和/或技術(shù)需求，本發(fā)明的目的在于提供一種痕量灌溉節(jié)水性能測試系統(tǒng)，其通過針對痕量灌溉技術(shù)自身特點(diǎn)來相應(yīng)構(gòu)建專門的測試系統(tǒng)，能夠精確獲知痕量灌溉控水頭的出水量與水壓之間的關(guān)系，同時實(shí)現(xiàn)對溫度、濕度等這些影響痕量灌溉節(jié)水效果的因素的測量和控制，并具備操作簡單、自動化程度高、能夠快速評估痕灌節(jié)水性能等優(yōu)點(diǎn)。按照本發(fā)明，提供了一種痕量灌溉節(jié)水性能測試系統(tǒng)，該測試系統(tǒng)包括儲水罐、測試平臺、環(huán)境狀態(tài)檢測器、壓力傳感器、數(shù)據(jù)收集器以及控制終端，其特征在于所述儲水罐安裝在儲水罐支架上，并通過輸水通路向設(shè)置在測試平臺上的痕灌主管路保持灌溉用水的供給，其中輸水通路配備有電磁閥，以便對所輸送的水量相應(yīng)進(jìn)行控制；所述測試平臺安裝在測試平臺支架上端的載重板上，并具有多個托盤分別用于承載對應(yīng)的栽培槽，與痕灌主管路相連通的多個痕灌支管路分別穿過各個栽培槽底部的土壤，并通過所具備的控水頭實(shí)現(xiàn)痕量灌溉；所述環(huán)境狀態(tài)檢測器包括溫度傳感器和濕度傳感器，分別用于對測試平臺所處區(qū)域的環(huán)境溫度和濕度等狀態(tài)執(zhí)行檢測；所述壓力傳感器放置在各個托盤的下部，用于對栽培槽及其內(nèi)容物的重量變化狀況執(zhí)行檢測；所述數(shù)據(jù)收集器用于獲取電磁閥的狀態(tài)信號，并對該狀態(tài)信號下環(huán)境狀態(tài)檢測器和壓力傳感器的檢測數(shù)據(jù)予以采集，并共同傳遞給控制終端；所述控制終端按照所接收的信息，相應(yīng)確定控水頭在不同測試條件下的出水量，從而實(shí)現(xiàn)對痕量灌溉的節(jié)水性能測試。通過以上構(gòu)思，由于采用壓力傳感器來測量土壤在不同痕灌條件下的吸水量，當(dāng)土壤吸水時，作用在壓力傳感器上的力也相應(yīng)發(fā)生變化，這樣就能以更為精確、快捷的方式獲知各個控水頭的出水量，實(shí)時反映痕量灌溉的水力性能；此外，當(dāng)進(jìn)行每次節(jié)水性能測試時，通過對試驗(yàn)參數(shù)(不同水壓或供水量、土壤或痕灌支管等)進(jìn)行調(diào)整，同時記錄在不同試驗(yàn)參數(shù)下的壓力、溫度和濕度相關(guān)數(shù)據(jù)，相應(yīng)可以方便地實(shí)現(xiàn)痕量灌溉在不同應(yīng)用場合時的節(jié)水性能測試，同時能夠更為全面地考慮及評價痕量灌溉節(jié)水性能的影響因素，并作為進(jìn)一步調(diào)整的依據(jù)，以便實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的節(jié)水效果。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述輸水通路包括分別從儲水罐兩側(cè)引出并且沿著高度方向下降的輸水管，它們各自經(jīng)由三通管與測試平臺上的痕灌主管路相連。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述測 試平臺包括由多根方形鋼管彼此搭接而成并構(gòu)成正方形網(wǎng)格狀的底座，用于承載栽培槽的托盤通過螺栓固定在方形鋼管上并分別處于各個正方形網(wǎng)格內(nèi)，所述壓力傳感器同樣通過螺栓固定在方形鋼管上并分別處于各個托盤的下部。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述底座由九根方形鋼管按照四橫五縱的方式焊合搭接而成。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，各個栽培槽的兩側(cè)分別開有比痕灌支管孔徑稍大的通孔，痕灌支管路經(jīng)由這些通孔穿過栽培槽底部的土壤，且其控水頭的出水孔位于中央位置。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述測試平臺支架的四周分別焊接有加強(qiáng)板。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述壓力傳感器為壓電式傳感器，且其量程為20KG。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述溫度傳感器為TS-18B20型數(shù)字溫度傳感器，所述濕度傳感器為SHT15型智能濕度傳感器?？傮w而言，按照本發(fā)明的與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)1、基于對痕量灌溉技術(shù)自身灌溉原理的研究，通過采用壓力傳感器來監(jiān)控栽培槽內(nèi)含水量的變化并對其設(shè)置方式進(jìn)行設(shè)計，能夠以結(jié)構(gòu)緊湊、便于操作的方式來獲知痕量灌溉控水頭的出水量與水壓、環(huán)境溫度和濕度之間的關(guān)系；2、由于在測試過程中考慮到溫度和濕度等環(huán)境因素對痕量灌溉節(jié)水性能的影響，能夠更為全面、準(zhǔn)確地反映各種不同條件下的痕量灌溉水力性能，以便制訂出符合不同應(yīng)用場合的痕灌系統(tǒng)規(guī)劃；3、按照本發(fā)明的痕量灌溉技術(shù)性能測試系統(tǒng)自動化程度高、數(shù)據(jù)易采集，便于實(shí)現(xiàn)對痕量灌溉節(jié)水 性能的快速評價，因此無論在實(shí)驗(yàn)室或各種實(shí)踐場合都能得到很好的應(yīng)用。


圖1是按照本發(fā)明的痕量灌溉節(jié)水性能測試系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1中所示測試平臺的立體結(jié)構(gòu)圖；圖3是圖1中所示設(shè)置有壓力傳感器的測試平臺的排列示意圖；圖4是按照本發(fā)明的測試系統(tǒng)的測試原理示意圖。在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中1-儲水罐 2-測試平臺 3-溫度傳感器 4-濕度傳感器 5-壓力傳感器6-數(shù)據(jù)收集器7-控制終端11-儲水罐支架12-輸水管13-輸水管14-三通管15-三通管16-電磁閥17-電磁閥21-測試平臺支架22-承重板23-底座24-托盤25-加強(qiáng)板26-方形鋼管27-痕灌支管路28-痕灌主管路29-栽培槽51-數(shù)模轉(zhuǎn)換器52-單片機(jī)數(shù)據(jù)采集器
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。圖1是按照本發(fā)明的痕量灌溉節(jié)水性能測試系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1中所示，按照本發(fā)明的痕量灌溉節(jié)水性能測試系統(tǒng)主要包括儲水罐1、測試平臺2、溫度傳感器
3、濕度傳感器4、壓力傳感器5、數(shù)據(jù)收集器6以及控制終端7。儲水罐I安裝在儲水罐支架11上，并譬如通過分別從儲水罐I兩側(cè)引出并且沿著高度方向下降的輸水管12和13，這兩根輸水管各自經(jīng)由三通管14、15與測試平臺2上的痕灌主管路28相連。輸水管12、13的接近于測試平臺的下游端分別配備有電磁閥16、17，由此通過控制電磁閥來控制住輸水管內(nèi)的水壓大小，進(jìn)而控制所輸送的水量。測試平臺2同樣安裝在測試平臺支架21上，該支架21的上端固定有承重板22，以便能夠承受放置其上的多個栽培槽29等。為了提高整體的強(qiáng)度，還可以在支架21的四周設(shè)置有加強(qiáng)板。具體如圖2和圖3中所示，測試平臺2包括譬如由九根方形鋼管26以四橫五縱的方式彼此搭接而成、并構(gòu)成正方形網(wǎng)格狀的底座23，在各個正方形網(wǎng)格內(nèi)，托盤24通過螺栓固定在方形鋼管26上，由此用于承載栽培槽29。與痕灌主管路28相連通的多個痕灌支管路27分別穿過各個栽培槽29兩側(cè)的通孔并埋在其底部的土壤中，由此通過位于其中間位置的控水頭來實(shí)現(xiàn)痕量灌溉。為了實(shí)現(xiàn)對痕量灌溉節(jié)水性能的測試，在本發(fā)明中設(shè)計了溫度傳感器3、濕度傳感器4和壓力傳感器5來共同組成檢測功能元件。壓力傳感器5譬如通過螺栓固定在方形鋼管26上，并處于各個托盤24的下部，由此通過對各個栽培槽及其內(nèi)容物的重量變化狀況的檢測，來反映相應(yīng)控水頭的出水量狀態(tài)。此外，溫度傳感器3和濕度傳感器4分別用于對測試平臺所處區(qū)域的環(huán)境溫度和濕度等環(huán)境狀態(tài)也相應(yīng)予以檢測。數(shù)據(jù)收集器6用于獲取電磁閥16、17的狀態(tài)信號，并對該狀態(tài)信號下溫度傳感器、濕度傳感器和壓力傳感器的檢測數(shù)據(jù)予以采集，并共同傳遞給控制終端7?？刂平K端7則按照所接收的信息，相應(yīng)確定控水頭在不同測試條件下的出水量，從而實(shí)現(xiàn)對痕量灌溉的節(jié)水性能測試。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，考慮到壓力傳感器的作用就是將容器內(nèi)重量的變化轉(zhuǎn)化為電信號并傳輸給控制終端，本測試系統(tǒng)中的單個栽培槽的質(zhì)量主要就是容器中土壤的質(zhì)量，因此可以根據(jù)常規(guī)栽培槽容器的體積來相應(yīng)確定適當(dāng)?shù)膲毫鞲衅饕?guī)格。常規(guī)栽培槽的體積約13. 6L, 土壤密度約為2. 65KG/L，而土壤不會裝滿，因此容器的總質(zhì)量不會超過20KG，在此情況下，本發(fā)明中的壓力傳感器為壓電式傳感器，且其量程為20KG。在另外一個優(yōu)選實(shí)施例中，同樣針對對本發(fā)明的測試系統(tǒng)所應(yīng)用場合的特點(diǎn)，溫度傳感器3可以選擇成本低廉的TS-18B20型數(shù)字 溫度傳感器，而濕度傳感器4選擇為SHT15型智能濕度傳感器，該智能濕度傳感器將濕度傳感器、信號調(diào)理、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、標(biāo)定參數(shù)及I2C總線接口全部集成到傳感器內(nèi)部，既提高了傳感器的性能，又降低了成本、減少了體積，同時也非常便于和微控制器接口。下面將參照圖4來具體描述按照本發(fā)明的痕量灌溉節(jié)水性能測試系統(tǒng)的工作原理及過程。實(shí)驗(yàn)開始前，儲水罐裝有清水，將要測試的痕灌支管路安裝在痕灌主管路的相應(yīng)位置上，在栽培槽中加入適當(dāng)?shù)耐寥溃ＷC痕灌支管路的控水頭完全埋在土壤內(nèi)。在儲水罐內(nèi)加入適量的灌溉用水，之后檢查控制系統(tǒng)正常和各處管路暢通后，打開控制終端并開啟電磁閥。通過控制電磁閥來控制住管道中的水壓的大小，每進(jìn)行一種(水壓、土壤或痕灌支管)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，控制終端都會收集每個壓力傳感器以及溫度、濕度等數(shù)據(jù)，其中壓力傳感器通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器51和單片機(jī)數(shù)據(jù)采集器52經(jīng)由總線與溫度傳感器、濕度傳感器一起將采集的信息發(fā)送至控制終端，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與反饋。另外，控制終端還具有設(shè)定參數(shù)和管理功能。相應(yīng)地，通過壓力傳感器反饋的壓力數(shù)據(jù)可以間接得到控水頭的出水量，同時考慮溫濕度等因素的影響，由此實(shí)現(xiàn)對痕灌支管路控水頭的出水量及其節(jié)水性能方面的測量。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍 之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種痕量灌溉節(jié)水性能測試系統(tǒng)，該測試系統(tǒng)包括儲水罐、測試平臺、環(huán)境狀態(tài)檢測器、壓カ傳感器、數(shù)據(jù)收集器以及控制終端，其特征在于 所述儲水罐安裝在儲水罐支架上，并通過輸水通路向設(shè)置在測試平臺上的痕灌主管路保持灌溉用水的供給，其中輸水通路配備有電磁閥，以便對所輸送的水量相應(yīng)進(jìn)行控制； 所述測試平臺安裝在測試平臺支架上端的載重板上，并具有多個托盤分別用于承載對應(yīng)的栽培槽，與痕灌主管路相連通的多個痕灌支管路分別穿過各個栽培槽底部的土壌，并通過所具備的控水頭實(shí)現(xiàn)痕量灌溉； 所述環(huán)境狀態(tài)檢測器包括溫度傳感器和濕度傳感器，分別用于對測試平臺所處區(qū)域的環(huán)境溫度和濕度等狀態(tài)執(zhí)行檢測； 所述壓カ傳感器放置在各個托盤的下部，用于對栽培槽及其內(nèi)容物的重量變化狀況執(zhí)行檢測； 所述數(shù)據(jù)收集器用于獲取電磁閥的狀態(tài)信號，并對該狀態(tài)信號下環(huán)境狀態(tài)檢測器和壓カ傳感器的檢測數(shù)據(jù)予以采集，并共同傳遞給控制終端； 所述控制終端按照所接收的信息，相應(yīng)確定控水頭在不同測試條件下的出水量，從而實(shí)現(xiàn)對痕量灌溉的節(jié)水性能測試。
2.如權(quán)利要求1所述的測試系統(tǒng)，其特征在于，所述輸水通路包括分別從儲水罐兩側(cè)引出并且沿著高度方向下降的輸水管，它們各自經(jīng)由三通管與測試平臺上的痕灌主管路相連。
3.如權(quán)利要求1或2所述的測試系統(tǒng)，其特征在于，所述測試平臺包括由多根方形鋼管彼此搭接而成并構(gòu)成正方形網(wǎng)格狀的底座，用于承載栽培槽的托盤通過螺栓固定在方形鋼管上井分別處于各個正方形網(wǎng)格內(nèi)，所述壓カ傳感器同樣通過螺栓固定在方形鋼管上井分別處于各個托盤的下部。
4.如權(quán)利要求3所述的測試系統(tǒng)，其特征在于，所述底座譬如由九根方形鋼管按照四橫五縱的方式焊合搭接而成。
5.如權(quán)利要求1-4任意ー項(xiàng)所述的測試系統(tǒng)，其特征在于，各個栽培槽的兩側(cè)分別開有比痕灌支管孔徑稍大的通孔，痕灌支管路經(jīng)由這些通孔穿過栽培槽底部的土壌，且其控水頭的出水孔位于中央位置。
6.如權(quán)利要求1-5任意ー項(xiàng)所述的測試系統(tǒng)，其特征在于，所述測試平臺支架的四周分別焊接有加強(qiáng)板。
7.如權(quán)利要求3所述的測試系統(tǒng)，其特征在于，所述壓カ傳感器為壓電式傳感器，且其量程為20KG。
8.如權(quán)利要求7所述的測試系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度傳感器為TS-18B20型數(shù)字溫度傳感器，所述濕度傳感器為SHT15型智能濕度傳感器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種痕量灌溉節(jié)水性能測試系統(tǒng)，包括儲水罐、測試平臺、環(huán)境狀態(tài)檢測器、壓力傳感器、數(shù)據(jù)收集器以及控制終端，其中儲水罐通過配備有電磁閥的輸水通路用于控制灌溉出水量；測試平臺具有多個托盤用于承載栽培槽，痕灌支管路分別穿過各個栽培槽以便實(shí)現(xiàn)痕量灌溉；環(huán)境狀態(tài)檢測器用于檢測環(huán)境溫度和濕度，壓力傳感器用于檢測栽培槽及其內(nèi)容物的重量變化；數(shù)據(jù)收集器用于獲取電磁閥的狀態(tài)信號，并對各類檢測數(shù)據(jù)予以采集及傳遞給控制終端；控制終端按照所接收的信息，相應(yīng)確定控水頭在不同測試條件的出水量。通過本發(fā)明，能夠精確獲知痕量灌溉控水頭的出水量與水壓、環(huán)境溫度和濕度之間的關(guān)系，同時實(shí)現(xiàn)更全面的痕量灌溉節(jié)水性能測試。
文檔編號A01G25/16GK103039325SQ20121055820
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月20日
發(fā)明者劉潔, 張銳, 諸鈞, 金基石, 魏青松 申請人:華中科技大學(xué), 北京普泉科技有限公司