朱梅，顧佳林，儲(chǔ)誠(chéng)癸，李曉樂(lè)，朱德泉

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽 合肥 230036)

施肥機(jī)是水肥一體化設(shè)備中的一個(gè)核心環(huán)節(jié)，負(fù)責(zé)將儲(chǔ)肥桶內(nèi)的肥液送入灌溉系統(tǒng)主管道中，使水溶肥隨管道內(nèi)的灌溉水流至末端噴頭、滴頭等節(jié)水部件進(jìn)入土壤[1].施肥機(jī)配合節(jié)水灌溉工程可顯著提高水肥利用率、增產(chǎn)增收、減少環(huán)境污染.經(jīng)調(diào)研，目前水肥一體化系統(tǒng)中使用的施肥設(shè)備主要采用4種方式，其中壓差式、比例泵式、文丘里式的核心原理都是使管道兩端生成一定的壓力差，令液體肥料從壓力高的地方流向壓力低的管道中，泵注式則是使用外部動(dòng)力將肥液加壓注入灌溉管道內(nèi).國(guó)內(nèi)外許多研究人員對(duì)這4種方式進(jìn)行了研究分析[2].

范軍亮等[3]對(duì)滴灌壓差施肥系統(tǒng)進(jìn)行了綜合性評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)壓差式施肥罐出口肥液相對(duì)濃度隨時(shí)間呈指數(shù)函數(shù)快速減少，且此方式的施肥均勻性受供水方式和施肥罐兩端壓差影響較大；吳錫凱等[4]對(duì)水力驅(qū)動(dòng)式比例施肥泵進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在使用中需避免出現(xiàn)較大壓差與較小施肥比例配合，以及較小壓差與較大施肥比例配合；張超等[5]使用ANSYS對(duì)文丘里施肥器進(jìn)行了水力特性研究，發(fā)現(xiàn)文丘里施肥器所產(chǎn)生的較大壓力損失，使其只適用于面積不大的灌區(qū).通過(guò)以上研究發(fā)現(xiàn)3種水力驅(qū)動(dòng)施肥設(shè)備都受到管道內(nèi)壓力限制，難以滿(mǎn)足部分工況.而泵注式使用機(jī)械驅(qū)動(dòng)克服了壓力限制，但國(guó)內(nèi)泵注式施肥大多使用增壓泵或計(jì)量泵，難以實(shí)現(xiàn)精確變量施肥.嚴(yán)海軍等[6]設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于圓形噴灌機(jī)的泵注式施肥裝置，通過(guò)泵流量率定管與儲(chǔ)肥桶構(gòu)成連通器配合柱塞泵曲柄連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了精確變量施肥，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)肥液濃度穩(wěn)定.彭炫等[7]通過(guò)對(duì)精量水肥配比控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究以及水肥混合配比濃度控制試驗(yàn)，證明可以快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地對(duì)水肥溶液進(jìn)行精確配比，故提高了水和肥料的利用率.

基于以上研究結(jié)果，文中提出一種應(yīng)用于溫室系統(tǒng)的新式施肥機(jī).通過(guò)在柱塞式注肥泵上加裝單片機(jī)、變頻器與各類(lèi)傳感器，組成一種高精度可控施肥機(jī).此施肥機(jī)可以調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率以實(shí)現(xiàn)精確變量施肥，主要工作方式有恒流模式與恒水肥配比(施肥機(jī)流量∶灌溉主管流量)模式，并通過(guò)在連棟棚內(nèi)進(jìn)行噴灌試驗(yàn)以研究施肥機(jī)的運(yùn)行參數(shù)及2種模式下的施肥均勻性[8]與管道濃度穩(wěn)定性，為水肥一體化技術(shù)推廣和應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù).

1 高精度可控施肥設(shè)備設(shè)計(jì)

1.1 總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

高精度可控施肥設(shè)備總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括柱塞泵、交流電動(dòng)機(jī)、變頻器、單片機(jī)控制模塊、壓力傳感器[9]等.其中單片機(jī)模塊集成安裝在變頻器內(nèi)，超聲波流量計(jì)[10]則安裝在主管道上.

圖1 高精度可控施肥設(shè)備總體結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括單片機(jī)控制模塊、壓力傳感器、流量計(jì)、變頻器、供電模塊、顯示模塊、按鍵模塊等.

圖2 高精度可控施肥設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

將設(shè)備出水口連接灌溉主管道，進(jìn)水口連接儲(chǔ)肥桶，同時(shí)將壓力傳感器安裝在施肥機(jī)出水口附近.設(shè)備開(kāi)啟后壓力傳感器檢測(cè)施肥機(jī)出水口壓力，超聲波流量計(jì)獲取主管道內(nèi)流量值并通過(guò)RS232串口發(fā)送給單片機(jī)[11]，單片機(jī)內(nèi)部根據(jù)采集到的壓力值與流量值，將按鍵鍵入的流量值或水肥配比轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)應(yīng)的頻率值，并經(jīng)過(guò)TTL轉(zhuǎn)RS485電路將頻率信號(hào)傳遞給變頻器.變頻器輸出相應(yīng)頻率的交流電驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作，最后通過(guò)皮帶輪帶動(dòng)柱塞泵運(yùn)轉(zhuǎn)將肥液注入主管道.

1.2 設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)采用柱塞泵與交流電動(dòng)機(jī)組合的方式，兩者之間使用皮帶輪進(jìn)行動(dòng)力傳遞.由于設(shè)備設(shè)計(jì)采用調(diào)節(jié)柱塞運(yùn)動(dòng)頻率以實(shí)現(xiàn)流量控制，所以使用的是3柱塞的臥式柱塞泵，與其他類(lèi)型相比，此型號(hào)柱塞泵出水口流量脈動(dòng)性較低，更易被測(cè)量.

1.2.2 單片機(jī)控制模塊

控制模塊可細(xì)分為3個(gè)部分：供電模塊、STC單片機(jī)模塊、感知模塊.

供電模塊用于將DC 24 V處理后輸出DC 24 V與DC 5 V供給控制模塊與各傳感器.其中DC 24 V用于給超聲波流量計(jì)供電，DC 5 V則供單片機(jī)、顯示模塊、壓力傳感器等其他部件使用.

STC單片機(jī)模塊采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為運(yùn)算核心.其中單片機(jī)與變頻器通信需要發(fā)送多個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，使用其自帶的串行口進(jìn)行通信，通信采用RS485協(xié)議[12].但由于單片機(jī)自身輸出信號(hào)為T(mén)TL電平，需要將信號(hào)經(jīng)過(guò)TTL轉(zhuǎn)RS485電路[13].而壓力傳感器與流量計(jì)都為單總線(xiàn)式，因此只需兩個(gè)I/O口就可完成與單片機(jī)的通信.

感知模塊主要包含壓力傳感器與超聲波流量計(jì).壓力傳感器選用XGZP4501型壓力變送器，其量程為0～1 MPa、供電電源DC 5 V、輸出信號(hào)DC 0.5～4.5 V.超聲波流量計(jì)則選用TD-100MB型，其量程為0～±12 m/s、供電電源24 V、精度1.0級(jí)、工作頻率1 MHz.由于超聲波流量計(jì)為RS485信號(hào)輸出，與單片機(jī)通信方式及變頻器相同.而壓力傳感器輸出為模擬信號(hào)，故需要由A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)才能將壓力數(shù)據(jù)傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)接收后將數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算得出當(dāng)前壓力.

1.3 控制系統(tǒng)工作流程

控制系統(tǒng)主程序由C語(yǔ)言編寫(xiě)，其流程如圖3所示，主要包括壓力采集子程序、流量采集子程序、狀態(tài)分析子程序、按鍵識(shí)別子程序、頻率計(jì)算子程序、數(shù)據(jù)發(fā)送子程序、OLED顯示子程序及各主要芯片初始化.其中頻率計(jì)算程序是軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，直接影響到高精度可控施肥機(jī)注肥量的精確性.

圖3 控制系統(tǒng)主程序流程

軟件主要實(shí)現(xiàn)的功能是將測(cè)得的施肥機(jī)出水口壓力或主管道流量與按鍵輸入的流量或水肥配比代入到后續(xù)試驗(yàn)總結(jié)出的關(guān)系式中，計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的變頻器頻率，檢測(cè)設(shè)備出水口的壓力、主管道的流量，并感知按鍵內(nèi)容，將檢測(cè)的內(nèi)容顯示在屏幕上.

其中狀態(tài)分析子程序負(fù)責(zé)對(duì)壓力與流量采集結(jié)果進(jìn)行數(shù)值分析，并得出當(dāng)前灌溉主管中水流情況.控制系統(tǒng)開(kāi)啟后，對(duì)壓力采集子程序所采集的每5個(gè)壓力值求平均值，并將此平均值作為當(dāng)前管道內(nèi)壓力值保存；同時(shí)用新求得的平均值與前一個(gè)平均值求差，當(dāng)差值連續(xù)出現(xiàn)3次同符號(hào)數(shù)時(shí)，判斷管道內(nèi)水流發(fā)生變化.若施肥機(jī)開(kāi)啟了恒水肥配比模式，考慮到超聲波流量計(jì)數(shù)值存在一定幅度波動(dòng)，為了避免施肥機(jī)因波動(dòng)頻繁調(diào)整轉(zhuǎn)速，同樣使用流量采集子程序所采集流量值的平均值作為當(dāng)前管道內(nèi)流量，且僅在判斷主管道內(nèi)水流發(fā)生變化時(shí)更新主管道流量值.

1.4 設(shè)備內(nèi)置頻率計(jì)算公式

施肥機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)設(shè)備為一臺(tái)三相交流異步電動(dòng)機(jī)，此類(lèi)電動(dòng)機(jī)在工作時(shí)實(shí)際轉(zhuǎn)速n滿(mǎn)足公式

n=[60f(1-S)/q]×100%，

(1)

式中：S為三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率,%；n為電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，r/min；q為電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)；f為電動(dòng)機(jī)輸入頻率，Hz.

可見(jiàn)交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響因素有3個(gè)，其中電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)為設(shè)備固有屬性，而三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率受電動(dòng)機(jī)負(fù)載直接影響[14]，與電動(dòng)機(jī)輸入頻率一起作為影響因素，直接決定當(dāng)前交流異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速.同時(shí)，柱塞泵在高壓工作時(shí)，一部分高壓液體會(huì)從活塞與缸套間的間隙泄漏，造成流量損失，因此施肥機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)具備非線(xiàn)性特性.

施肥機(jī)負(fù)載主要由設(shè)備出水口處壓力與流量組成，故通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量在不同出口壓力與輸入頻率下的流量，再由測(cè)量結(jié)果分析變頻器輸出頻率與流量和壓力的關(guān)系，并建立公式.由于往復(fù)泵出口流量呈脈動(dòng)變化，傳統(tǒng)測(cè)流量?jī)x器難以準(zhǔn)確測(cè)量，故采用容積法測(cè)施肥機(jī)流量.除自主設(shè)計(jì)搭建的基于柱塞泵與單片機(jī)的高精度可控施肥機(jī)之外，還使用一套恒壓供水系統(tǒng)，所用儀器有中國(guó)紅旗儀表有限公司的Y-60徑向壓力表.

通過(guò)使用恒壓供水控制系統(tǒng)形成水循環(huán)系統(tǒng)[15]，獲得不同的主管道壓力狀態(tài)，將恒壓供水系統(tǒng)內(nèi)水泵的進(jìn)水口接在水箱的出水口上，而系統(tǒng)的末端出水口利用水管引至水箱的頂部開(kāi)口處.

試驗(yàn)時(shí)，先將恒壓供水系統(tǒng)打開(kāi)，調(diào)節(jié)施肥機(jī)出口處壓力分別為0，0.05，0.10，0.15，0.20，0.25，0.30，0.35，0.40 MPa.隨后將施肥機(jī)開(kāi)啟手動(dòng)調(diào)節(jié)模式，通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率分別為5，10，15，20，25，30，35 Hz.待施肥機(jī)穩(wěn)定后記錄下儲(chǔ)肥桶減少100 L液體所用時(shí)間，通過(guò)計(jì)算得出當(dāng)前流量.由此得到出水口壓力、設(shè)備流量、變頻器頻率關(guān)系見(jiàn)表1；通過(guò)分析流量變化特點(diǎn)建立公式，即

(2)

式中：p為設(shè)備出水口處壓力，MPa；Q為設(shè)備出口流量，L/h；k為柱塞泵與交流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)比；q為電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù).

表1 不同壓力與變頻器頻率下流量

式(2)即為設(shè)備內(nèi)部求變頻器輸出頻率公式.設(shè)備通過(guò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)出水口壓力與設(shè)定流量，并代入式(2)計(jì)算得出預(yù)測(cè)目標(biāo)狀態(tài)下變頻器輸出頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精確設(shè)備流量.通過(guò)將同一壓力、7種流量下頻率計(jì)算值與試驗(yàn)值的差求絕對(duì)值后相加再取平均，可以得到9個(gè)出水口壓力下頻率數(shù)值解與試驗(yàn)值的平均絕對(duì)誤差σ見(jiàn)表2.數(shù)值解與現(xiàn)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均絕對(duì)誤差小于2.89%，可見(jiàn)在9種不同出口壓力下數(shù)值解與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較為接近.該頻率計(jì)算公式可以較好地預(yù)測(cè)變頻器在不同出口壓力下的輸出頻率，進(jìn)而精確控制施肥機(jī)流量.

表2 不同壓力下輸出頻率平均絕對(duì)誤差

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)場(chǎng)地

高精度可控施肥機(jī)的施肥均勻性試驗(yàn)在安徽省合肥市長(zhǎng)豐縣安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)實(shí)踐基地的連棟棚內(nèi)進(jìn)行，每棟大棚長(zhǎng)80 m、寬20 m、高3 m，棚內(nèi)噴灌管路采用32 mm PE軟管，間距5 m縱向排布，共6條PE軟管(即支管A—F)，每條軟管上噴頭間距5 m，共安裝16個(gè)噴頭[16]，如圖4所示.為了防止儲(chǔ)肥桶內(nèi)有未溶解的肥料晶體堵塞噴頭，在施肥機(jī)出水端安裝了一個(gè)網(wǎng)式過(guò)濾器.試驗(yàn)水源由恒壓供水系統(tǒng)提供，管道內(nèi)水壓可達(dá)0.30 MPa，滿(mǎn)足試驗(yàn)要求.

圖4 噴灌管道示意圖

2.2 試驗(yàn)方案

高精度可控施肥機(jī)的施肥均勻性在于噴灌施肥均勻性與支管肥料濃度的穩(wěn)定性.文中重點(diǎn)分析施肥機(jī)在恒流模式下不同流量時(shí)噴頭噴嘴的噴灑肥液濃度，與恒水肥配比模式下，不同噴灌流量變化幅度時(shí)支管內(nèi)肥液濃度變化，從而評(píng)價(jià)高精度可控施肥機(jī)的施肥效果.

2.2.1 肥液配比與濃度標(biāo)定

氯化鉀屬?gòu)?qiáng)電解質(zhì)，其水溶液的導(dǎo)電能力強(qiáng)，因此試驗(yàn)中選擇氯化鉀肥料.氯化鉀肥液質(zhì)量分?jǐn)?shù)通過(guò)電導(dǎo)率求得[17].肥液的電導(dǎo)率測(cè)定采用哈希sensION156型多功能參數(shù)測(cè)量?jī)x，儀器顯示值均為25 ℃時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)率.試驗(yàn)標(biāo)定得到了氯化鉀肥液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和電導(dǎo)率之間的擬合公式為

EC=22 441C+771.48，R2=0.999，

(3)

其中

式中：EC為電導(dǎo)率，μS/cm；C為肥液中氯化鉀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；m為肥料質(zhì)量，kg；mw為水質(zhì)量，kg.

式(3)的決定系數(shù)R2為0.999，表明氯化鉀肥液電導(dǎo)率與肥液質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.

2.2.2 高精度可控施肥機(jī)恒流施肥模式試驗(yàn)

為了研究設(shè)備不同恒定流量對(duì)施肥均勻性的影響，試驗(yàn)選取施肥機(jī)流量作為單一變量.施肥機(jī)分別選取100，200，400，600，800，1 000 L/h 6種不同輸出流量.

恒壓供水主管維持0.3 MPa壓力，同時(shí)開(kāi)啟6條噴灌支管進(jìn)行試驗(yàn).此時(shí)噴頭總流量為3 m3/h，儲(chǔ)肥桶中肥液按照氯化鉀肥料和清水的質(zhì)量比為1∶333進(jìn)行配制.

每種流量情況下試驗(yàn)時(shí)，先啟動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)再開(kāi)啟施肥機(jī)，待所有噴頭正常噴灑且系統(tǒng)壓力與流量穩(wěn)定后，再進(jìn)行施肥均勻性試驗(yàn).在6條噴灌支管上隨機(jī)選取10個(gè)噴頭作為肥液樣本采集點(diǎn)，使用量杯接收這10個(gè)噴頭的噴灑肥液各150 mL，并用多功能參數(shù)測(cè)量?jī)x測(cè)定肥液導(dǎo)電率，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示.

圖5 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

2.2.3 變頻恒水肥配比模式試驗(yàn)

為了研究設(shè)備在變頻恒水肥配比模式下噴灌肥液濃度穩(wěn)定性，設(shè)置施肥機(jī)開(kāi)啟恒水肥配比模式為試驗(yàn)組，未開(kāi)啟恒水肥配比模式為對(duì)照組；試驗(yàn)組與對(duì)照組內(nèi)設(shè)置2種噴灌流量變化幅度.水肥配比選擇1∶10，儲(chǔ)肥桶中肥液按照氯化鉀肥料和清水的質(zhì)量比1∶90.9混合后，主管內(nèi)肥液理論質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%，由式(3)得到相應(yīng)的電導(dǎo)率理論值為3 015.58 μS/cm.噴灌流量變化幅度即為連棟棚內(nèi)噴灌支管關(guān)閉數(shù)量，分別為關(guān)閉E，F(xiàn)，以及關(guān)閉C，D，E，F(xiàn)兩種情況.

每次試驗(yàn)時(shí)先啟動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)再開(kāi)啟施肥機(jī)，待所有噴頭正常噴灑且系統(tǒng)壓力與流量穩(wěn)定后，再進(jìn)行肥料濃度穩(wěn)定性試驗(yàn).在2條常開(kāi)的A和B噴灌軟管上分別選取1，7與16號(hào)噴頭作為6個(gè)肥液采集點(diǎn).由于單個(gè)噴頭噴灑量約為500 mL/min，每根支管內(nèi)可存約6 L液體，且恒壓供水系統(tǒng)內(nèi)置PID的調(diào)整時(shí)間約為60 s，故每次采集肥液100 mL，共采集6次.在改變噴灌流量前進(jìn)行第1次肥液采集，完成后關(guān)閉相應(yīng)數(shù)量的支管，隨后每間隔30 s在各采集點(diǎn)采集1次，再采集5次.

2.3 噴灌施肥均勻性評(píng)價(jià)參數(shù)

連棟棚內(nèi)噴頭的噴灑肥液濃度均勻性測(cè)定可用克里斯琴森均勻系數(shù)CU和變異系數(shù)CV表示.

1) 克里斯琴森均勻系數(shù)[18]CU：參照表征噴灌水量分布均勻性的克里斯琴森均勻系數(shù)，即

(4)

2) 變異系數(shù)CV：用于表示各量杯電導(dǎo)率(或肥液濃度)的標(biāo)準(zhǔn)偏差與算術(shù)平均值的比值.噴灌施肥均勻性越高，測(cè)得的變異系數(shù)越小.計(jì)算公式為

(5)

式中：CV為變異系數(shù)，%；S為所有量杯中肥液電導(dǎo)率(或肥液濃度)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，μS/cm.

3 結(jié)果與分析

3.1 施肥機(jī)輸出流量對(duì)噴灌施肥均勻性的影響

圖6 噴灌施肥電導(dǎo)率變化曲線(xiàn)

將不同流量下的電導(dǎo)率平均值進(jìn)行線(xiàn)性擬合，得到公式為

(6)

式中：Q為施肥機(jī)流量，L/h.

式(6)中的決定系數(shù)R2達(dá)到了0.999，表明電導(dǎo)率的平均值與施肥機(jī)流量之間具有顯著的正相關(guān)性關(guān)系，說(shuō)明施肥機(jī)在不同流量下工作都具有較高的穩(wěn)定性，這對(duì)于施肥機(jī)的變量噴灌施肥運(yùn)行非常重要.

高精度可控施肥機(jī)恒流模式下，多種流量時(shí)不同噴頭噴灑肥液電導(dǎo)率分析結(jié)果見(jiàn)表3，表中ECth為電導(dǎo)率理論值.由表中電導(dǎo)率可知，所有流量情況下所測(cè)得的電導(dǎo)率平均值均小于其質(zhì)量分?jǐn)?shù)所對(duì)應(yīng)的理論電導(dǎo)率值.造成這種差異的原因較多，例如試驗(yàn)的固體氯化鉀存在細(xì)微不溶物、溶液存在電解質(zhì)、氯化鉀溶液分層現(xiàn)象、塘水電導(dǎo)率變化、主管灌溉水流量不穩(wěn)定等.但這些差異對(duì)相同工況下測(cè)得的各噴頭電導(dǎo)率分布均勻性不會(huì)產(chǎn)生影響.

表3 電導(dǎo)率分析結(jié)果

且根據(jù)表3中CU和CV值可以看出，施肥機(jī)在不同流量下工作時(shí)的噴灌施肥均勻性的變異系數(shù)CV的最大值僅為0.75%，而克里斯琴森均勻系數(shù)CU均超過(guò)99%，表明每種流量下，噴頭噴灑肥液濃度高度一致，但根據(jù)CU和CV的變化規(guī)律可以得到大流量下的施肥機(jī)工作均勻性更好.

通過(guò)溫室噴灌施肥試驗(yàn)，有效驗(yàn)證了高精度可控施肥機(jī)在不同流量需求下與不同施肥方式下都具有較高的穩(wěn)定性與施肥均勻性，且與文丘里式施肥機(jī)和比例泵式施肥機(jī)相比，高精度可控施肥機(jī)具有更高的流量調(diào)節(jié)精度與施肥速度，實(shí)現(xiàn)了在對(duì)灌溉主管沒(méi)有造成壓力損失的同時(shí)控制管道內(nèi)肥料濃度.

3.2 恒水肥配比模式對(duì)主管道肥料濃度穩(wěn)定的效果

在2種噴灌流量變化幅度的試驗(yàn)組與對(duì)照組試驗(yàn)中測(cè)得各采集點(diǎn)所采集肥液電導(dǎo)率.為了體現(xiàn)水肥一體化支管內(nèi)肥料濃度整體情況，將試驗(yàn)組與對(duì)照組所測(cè)各量杯電導(dǎo)率取平均值，并將不同流量變化幅度的試驗(yàn)組與對(duì)照組流量繪制成點(diǎn)線(xiàn)圖分析變化趨勢(shì)，如圖7所示，圖中B為采集批次.通過(guò)分析試驗(yàn)結(jié)果，在1∶10水肥配比、關(guān)閉2條支管時(shí)，試驗(yàn)組的肥液電導(dǎo)率穩(wěn)定在2 568.4 μS/cm、對(duì)照組的肥液電導(dǎo)率穩(wěn)定在3 038.3 μS/cm；關(guān)閉4條支管時(shí)試驗(yàn)組的肥液電導(dǎo)率穩(wěn)定在2 549.4 μS/cm、對(duì)照組的肥液電導(dǎo)率穩(wěn)定在4 196.6 μS/cm.2種流量變化幅度情況下，試驗(yàn)組肥液電導(dǎo)率最終穩(wěn)定值皆與目標(biāo)值存在一定偏差，此偏差可能與超聲波流量計(jì)的精確度及施肥機(jī)流量誤差有關(guān)，但通過(guò)計(jì)算電導(dǎo)率偏差率小于4%，仍體現(xiàn)比例調(diào)節(jié)的精確性.

圖7 對(duì)照組電導(dǎo)率平均值變化曲線(xiàn)

分析圖7，試驗(yàn)組的管道內(nèi)電導(dǎo)率經(jīng)歷先增大后變小的過(guò)程.根據(jù)噴灌管道內(nèi)水力分析[19]可知，當(dāng)噴灌總流量減少后，管道內(nèi)各部件水頭損失降低，灌溉主管壓力增大，導(dǎo)致各噴頭處的壓力與流量略有上升.隨后恒壓供水控制系統(tǒng)對(duì)管道進(jìn)行調(diào)壓，噴灌總流量進(jìn)一步減小，此過(guò)程由于施肥機(jī)恒水肥比例模式存在響應(yīng)延遲，施肥機(jī)流量無(wú)法及時(shí)匹配總噴灌流量，管道內(nèi)肥液濃度緩慢上升.最終主管道內(nèi)壓力回到恒壓數(shù)值，噴灌總流量趨于穩(wěn)定，施肥機(jī)恒水肥比例模式根據(jù)此時(shí)流量調(diào)節(jié)自身流量后，管道內(nèi)肥液濃度開(kāi)始逐漸降低逼近目標(biāo)值.

通過(guò)施肥機(jī)恒水肥配比模式對(duì)灌溉主管內(nèi)肥料濃度進(jìn)行控制，雖然不能完全消除因灌溉流量變化所引起的濃度波動(dòng)，但波動(dòng)持續(xù)時(shí)間明顯降低，提高了施肥精度.與傳統(tǒng)人工調(diào)節(jié)施肥機(jī)流量相比，高精度可控施肥機(jī)響應(yīng)速度更快、精度更高、人工成本更低.

4 結(jié) 論

1) 采用單片機(jī)、壓力傳感器、超聲波流量計(jì)、柱塞泵、交流電動(dòng)機(jī)、變頻器等設(shè)計(jì)了高精度可控施肥機(jī).

2) 高精度可控施肥機(jī)可控流量范圍為60～1 200 L/h；通過(guò)調(diào)節(jié)設(shè)備流量，可適應(yīng)儲(chǔ)肥桶內(nèi)不同濃度肥液的施肥要求.

3) 高精度可控施肥機(jī)在恒流模式下，將設(shè)備流量分別恒定為100，200，400，600，800，1 000 L/h時(shí)，各噴頭噴灑肥液的電導(dǎo)率平均值與設(shè)備流量呈正相關(guān)性，且噴灌施肥均勻系數(shù)超過(guò)99%.表明改變施肥機(jī)的流量可以實(shí)現(xiàn)高均勻度變量施肥.且噴灌施肥均勻系數(shù)CU為99.33%～99.71%，變異系數(shù)CV為 0.35%～0.75%，其中施肥機(jī)流量越大，施肥的均勻性越好.

4) 高精度可控施肥機(jī)在恒水肥配比模式下，當(dāng)噴灌噴頭數(shù)發(fā)生變化時(shí)，試驗(yàn)組管道內(nèi)肥液濃度在160 s時(shí)趨于穩(wěn)定，且穩(wěn)定后肥液電導(dǎo)率值與目標(biāo)值偏差率小于4%.

5) 所設(shè)計(jì)的高精度可控施肥機(jī)在溫室施肥中具有良好的適用性.但施肥機(jī)流量調(diào)節(jié)范圍難以滿(mǎn)足大田施肥需要，如何提高設(shè)備流量仍需進(jìn)一步研究.

6) 使用自主設(shè)計(jì)的泵注式高精度可控施肥機(jī)在連棟棚內(nèi)進(jìn)行了噴灌試驗(yàn)，并在恒流模式與恒水肥配比模式下取得預(yù)期效果，為基于單片機(jī)與柱塞泵的泵注式施肥機(jī)提供了技術(shù)支持，對(duì)推動(dòng)水肥一體化發(fā)展提供了新思路.