УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛИРУЕМОГО ДОЗИРОВАНИЯ ВЕЩЕСТВА Российский патент 1995 года по МПК A01G29/00 A01C23/02 

Изобретение относится к дозаторам для непрерывного дозирования веществ, конкретно к осмотическим дозаторам, и может найти применение в медицине, сельском хозяйстве, в рыборазведении, а также в других областях, где необходимо длительное непрерывное дозирование веществ.

Известные дозирующие устройства, основанные на осмотическом принципе, при наличии ряда преимуществ перед другими, например, диффузионными дозаторами, тем не менее не всегда могут быть реализованы на практике, т.к. во-первых, требуют значительного количества воды для своего запуска в тех случаях, когда время индукционного периода ограничено; и во-вторых, пригодны лишь для веществ хорошо растворимых и с высоким осмотическим давлением [1]
Известны устройства для контролируемого дозирования веществ, основанные на осмотическом принципе, в которых для уменьшения времени индукционного периода предусмотрено добавление расчетного количества воды или предварительное увлажнение загружаемой массы. При этом устройство необходимо немедленно устанавливать в среду функционирования. При промышленном выращивании растений, когда на 1 га защищенного грунта устанавливается 16-30 тысяч устройств, такая установка крайне трудоемка. При отсутствии же добавления воды функционирование устройства начинается только спустя 30-60 сут с момента установки в среду функционирования, что вызывает неудобство в эксплуатации. Подобное устройство описано, например, в авторском свидетельстве СССР N 1721871, кл. А 01 С 21/00, 1992 г. [2] Недостатком такого устройства является также неопределенность времени индукционного периода, которое зависит от состава загружаемых веществ, объема устройства, его конструктивных параметров и степени загрузки [3]
В Европейском патенте [4] описано устройство для осмотического дозирования веществ, имеющих малую растворимость или малую осмотическую активность, предусматривающее использование осмоагента. Недостатком такого устройства является то, что осмоагент занимает часть полезного объема и снижает тем самым полезную вместимость устройства.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для контролируемого дозирования веществ, содержащее корпус с отсеками, один из которых имеет в основании полупроницаемую мембрану, и выводное отверстие в корпусе [5] Один из отсеков известного устройства выполнен в виде колпачка с растворимыми стенками. В момент растворения происходит резкий выброс вещества, после чего включается в работу отсек с мембраной. Работа устройства, таким образом, происходит в цикличном режиме.

Однако, в технологии подпитки растений более предпочтительным является режим непрерывной и одновременной подачи целой гаммы компонентов, которые имеют к тому же различную растворимость, что затрудняет решение этой задачи.

Так, дозирование азота, фосфора и калия растениям в период выращивания достаточно успешно осуществляется с помощью осмотического устройства, однако с его помощью трудно решаются вопросы обеспечения кальцием и магнием. Большинство соединений кальция отличаются малой растворимостью, что препятствует их использованию в осмотических дозаторах. Добавление хорошо растворимых с достаточным осмотическим давлением солей кальция и магния к уже готовым кристалинам, содержащим азот, фосфор и калий в заданных соотношениях, приводит к изменению начальных соотношений элементов. Кроме того, не исключено химическое взаимодействие между составными частями таких смесей. Для поддержания необходимой концентрации кальция и магния в субстрате можно использовать, например, доломитовую муку, которая содержит оба элемента и имеет малую растворимость, что предотвращает от быстрого вымывания. Но последнее не дает возможность использовать осмотический дозатор для подачи в субстрат этого соединения.

Целью настоящего изобретения являются обеспечение дозирования веществ в начальный период функционирования и непрерывного дозирования малорастворимых веществ совместно с растворимыми веществами в период всего цикла работы устройства.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для контролируемого дозирования веществ, содержащем корпус с отсеками, один из которых имеет в основании полупроницаемую мембрану, и с выводным отверстием, согласно изобретению, отсеки выполнены герметично изолированными друг от друга посредством по меньшей мере одной водонепроницаемой перегородки, при этом мембрана установлена в наружной стенке своего отсека, а наружная стенка другого отсека выполнена перфорированной.

Кроме того, корпус выполнен цилиндрическим, с крышкой перфорированной в зоне второго отсека, а дно этого отсека выполнено водонепроницаемым.

Кроме того, перегородка может быть выполнена цилиндрической, при этом мембранный отсек размещен внутри перегородки, а другой отсек, имеющий кольцевую форму, снаружи.

Кроме того, выводное отверстие может быть выполнено в перегородке.

Кроме того, корпус может быть выполнен в виде усеченного конуса с перфорированной крышкой, а перегородка выполнена в виде горизонтально расположенной съемной изогнутой вставки, фиксируемой в корпусе посредством крышки.

Сущность изобретения заключается в следующем.

В каждый отсек засыпают рассчитанную дозу удобрений. В отсек (назовем его отсек А), связанный со средой функционирования группой отверстий, помещают смесь, содержащую азотные, калийные и фосфорные удобрения в виде хорошо растворимых солей, например, кристалин, а кальциевые и магниевые в виде малорастворимых солей, например, CaCO₃˙MgCO₃; CaSO₄; CaCO₃ и т.п. Количество растворимых солей (N, P, K) должно быть таким, чтобы их хватило на начальный период роста растений. В этот период влага из среды функционирования поступает через полупроницаемую мембрану в другой отсек (отсек Б), растворяет смесь, создает гидростатическое давление и из отсека Б начинается истечение раствора веществ в среду функционирования к потребителю. В дальнейшем во все время вегетации из отсека Б к растению поступают растворимые соли, содержащие азот, фосфор и калий, а из отсека А поступает кальций и магний.

Согласно изобретению предлагаемое устройство имеет два вида отсека, первый из которых представляет собой диффузионное устройство, второе диффузионно-осмотическое, причем оба вида отсека работают по отдельности и вместе, позволяя дозировать различные по растворимости и осмотическому давлению вещества.

На фиг. 1 показан вариант выполнения устройства с жестким корпусом два отсека, поперечный разрез; на фиг.2 вариант выполнения устройства с жестким цилиндрическим корпусом два отсека, поперечный разрез; на фиг.3 устройство с мягким корпусом два отсека, поперечный разрез; на фиг.4 устройство с жестким корпусом три отсека, поперечный разрез; на фиг.5 разрез В-В на фиг.4; на фиг. 6 устройство с жестким коническим корпусом, два отсека, поперечный разрез.

Ниже описаны варианты выполнения устройства и примеры его использования.

Вариант 1. Устройство (см. фиг.1) состоит из корпуса 1, представляющего собой открытый с двух сторон цилиндр, который, с одной стороны, прижимным герметизирующим кольцом 2 закрыт полупроницаемой мембраной 3, выполненной из полимерных материалов, характеризующихся значением эффективного коэффициента проницаемости в интервале 1х10^-8-1х10^-5 мл см/см² ˙час (возможны и комбинации нескольких полимерных мембран, обеспечивающих суммарную заданную проницаемость). Внутренний объем корпуса 1 разделен на два отсека А и Б, причем отсек А изолирован от отсека Б и от мембраны 3 непроницаемыми для воды перегородками 4, выполненными в виде стенок, и дном 5. В отсеке А на наружной его поверхности, отделяющей его от среды функционирования, выполнены перфорационные отверстия 6, связывающие отсек А со средой функционирования. В отсеке Б выполнено выводное отверстие 7, обеспечивающее его связь со средой функционирования.

В отсеках А и Б загружено дозируемое вещество (или смесь веществ), причем в отсек А малорастворимые или осмотически малоактивные вещества в смеси с хорошо растворимыми. В отсек Б загружают осмотически активные вещества. Верхняя часть корпуса 1, с противоположной от мембраны стороны закрыта крышкой 8, которая с внутренней стороны, обращенной во внутрь корпуса 1, имеет фиксирующий выступ, не допускающий ее вращения относительно корпуса 1. Таким образом, крышка также разделена на две части, закрывающие отсеки А и Б. В той части крышки, которая закрывает отсек А, выполнены отверстия малого диаметра, например, перфорированные, обеспечивающие связь отсека со средой функционирования. В целом крышка 8 не обеспечивает герметизацию внутреннего объема корпуса 1, а лишь не допускает прямого попадания жидкости из среды функционирования в отсек Б.

Все части устройства, кроме мембраны, могут быть изготовлены методом литья под давлением на термопласт-автоматах.

Устройство работает следующим образом. Перед установкой в среду функционирования в отсек А устройства загружают смесь, состоящую из 15 г кристалина В (соотношение N:P₂O₅:K₂O 20:16:10) и 25 г доломитовой муки. В отсек Б загружают 120 г кристалина А (соотношением N:P₂O₅:K₂O 10:5:20). После загрузки веществ устройство закрывают крышкой и устанавливают в соломенный субстрат в зону корнеобитания рассады. Влага из среды функционирования через отверстия 6 корпуса 1 поступает в отсек А, растворяет активные вещества 9, которые в виде раствора поступают наружу. Объем загрузки кристалином в отсеке А, диаметр выводных отверстий 7 и их расположение на корпусе 1 обеспечивают дозирование N, P и К в течение 40-45 сут со средней скоростью 0,014-0,016 г/ч. За это время влага через полупроницаемую мембрану 3 поступает в отсек Б к активному веществу. Внутри отсека накапливается раствор, развивается гидростатическое давление и спустя 40-45 сут (в зависимости от температуры среды функционирования) через выводное отверстие 7 раствор дозируемых веществ начинает поступать в среду функционирования со средней скоростью 0,019 г/ч, обеспечивая необходимую потребность растения в элементах питания на все время вегетации. Вместе с тем, из отсека А дозируется кальций и магний со скоростью 0,003-0,004 г/ч. Таким образом, за два культурооборота устройствами, размещенными на 1 га защищенного грунта при плотности посадки растений 1,9 р/кв.м (19000 растений на 1 га) суммарно будет сдозировано азота, фосфора и калия в виде растворенных солей 2565 кг, а кальция и магния 380 кг. В то же время при обычной технологии расхода азота, фосфора и калия в пересчете на кристалин составит 12000-20000 кг/га, а кальция и магния 1200-2500 кг/га. Общее количество солей, содержащих азот, фосфор и калий по традиционной технологии составит 3040 кг/га, а кальция и магния 1400 кг/га. Все приведенные цифры соответствуют урожаю за два оборота: по заявляемому решению 37 кг/кв.м; по традиционной технологии 32 кг/кв.м.

Вариант 2 (см. фиг.2). Устройство включает два вида отсеков А и Б. Корпус 1 выполнен в виде цилиндра с отверстиями 6 и по всей боковой поверхности. Перегородка 4 выполнена цилиндрической с диаметром меньше диаметра корпуса 1 и установлена с образованием кольцевого зазора. Выводное отверстие 7 из отсека Б выполнено на уровне мембраны 3, что позволило сократить индукционный период до 7 сут. В отсек А загружено 2,5 г кристалина с соотношением N:P₂O₅; K₂O 10:5:20 и 25 г доломитовой муки, что обеспечивает скорость дозирования в течение 7 сут солей N; P; K на уровне 0,015 г/ч и в течение 300 сут 0,0035 г/ч кальция и магния. В отсек Б загружают 130 г кристалина с соотношением N:P₂O₅; K₂O10:5:20, что обеспечивает подачу элементов питания в течение 290 сут со скоростью 0,0186 г/ч. Расходные характеристики аналогичны примеру 1.

Вариант 3. Устройство (см. фиг.3) имеет два отсека, сформованные из полиэтилена методом вакуумформовки и сваренные по основанию высокочастотной сваркой. В отсеке А выполнены перфорированные отверстия 6, связывающие внутренний объем его со средой функционирования. В отсеке Б корпуса 1 выполнена мембрана 3, с эффективным коэффициентом проницаемости 1 х 10^-8 мл.см/см² час. Выводное отверстие 7 из отсека Б выполнено в перегородке 4 и связывает этот отсек с отсеком А, а через него со средой функционирования через отверстия 6. Внутри отсеков А и Б загружены вещества 9, т.е. смеси дозируемых солей. Индукционный период составляет 30 сут. В отсек А загружают смесь кристалина с соотношением N:P₂O₅; K₂O 20:16:10 в количестве 4 г и доломитовой муки в количестве 1 г. В отсек Б загружают 5 г кристалина с тем же соотношением элементов N, P, K. После помещения в среду функционирования из отсека А со скоростью 0,0055 г/ч в течение 30-32 сут дозируется раствор кристалина, а также кальций и магний со скоростью 0,0003 г/ч. Через 30-32 сут включается отсек Б, из которого в течение 115 сут дозируется раствор кристалина, который частично разбавляется, проходя через отсек А до истечения в среду функционирования. Такая конструкция позволяет обеспечить необходимым питанием комнатные декоративные цветочные культуры в течение 150 суток. Принцип работы отсеков А и Б аналогичен варианту 1.

Вариант 4. Устройство (см. фиг.4) состоит из корпуса 1, внутренний объем которого разделен на три независимых отсека, А, Б и Г, вертикально установленными перегородками 4 с дном 5. В отсек А загружают 25 г сульфата магния, который в течение 300 сут дозируется со скоростью 0,0035 г/ч. В отсек Г загружают 10 г карбоната кальция и 5 г кристалина. Загрузка карбоната кальция обеспечивает снабжение кальцием со скоростью 0,0013 г/ч на 300 сут вегетации. Из отсека Г кристалин дозируется в течение 15 сут со скоростью 0,014 г/ч. Из отсека Б после "включения" его через 15 сут обеспечивается дозирование N, P, K, в течение 290 сут со скоростью 0,015 г/ч.

Вариант 5. Устройство (см. фиг.6) состоит из корпуса, представляющего собой открытый с двух сторон усеченный конус, в основании которого герметизирующим кольцом 2 закреплена мембрана 3. Внутренний объем корпуса 1 разделен на два отсека А и Б перегородкой 4 в виде вставки с вогнутой серединой, которая вставляется в корпус 1 после загрузки отсека Б кристалином "А". В вогнутую часть вставки загружают доломитовую муку в смеси с кристалином "В" (состав смеси 20:1 соответственно). После загрузки устройство закрывается крышкой 8, в которой выполнены отверстия 6. Через них в начальный период выводится N:P:K, а затем в течение всего времени функционирования кальций и магний. Выведение активных веществ из отсека Б осуществляется через выводное отверстие 7. Работа устройства аналогична варианту 1.

Все примеры приведены для иллюстрации возможностей заявляемой конструкции, которые не ограничены только этими вариантами.

Таким образом, совмещение в одном корпусе двух видов отсеков, функционирующих по разным механизмам (вместе и по отдельности), позволяет обеспечить дозирование веществ как в начальный период работы устройства, так и в течение длительного времени. При этом не имеет значения растворимость и осмотическая активность дозируемых веществ. Указанные преимущества позволяют сократить расход активных веществ для достижения конечного результата, избежать ошибок в дозировании, исключив дополнительные операции при внесении веществ с поливной водой. Одновременно исключаются дополнительные операции, связанные с сокращением индукционного периода добавление воды и т.п.

Все вышеизложенное позволяет рассчитывать на широкое промышленное применение заявляемых устройств в различных отраслях производства.

Использование: в контрольной технике, в частности в дозаторах, обеспечивающих непрерывное контролируемое дозирование веществ для медицинских, с/х и рыборазведенческих целей. Сущность изобретения: устройство дозатора имеет корпус 1, внутренний объем которого разделен водонепроницаемыми перегородками на отсеки. Отсек имеет полупроницаемую мембрану 3, установленную на его наружной поверхности и выводное отверстие, обеспечивающее его связь со средой функционирования. Отсек на наружной поверхности, отделяющей его от среды функционирования, имеет отверстие 6. В один отсек загружают малорастворимые или осмотически малоактивные вещества в смеси с хорошо растворимыми. В другой отсек загружают осмотически активные вещества. В начальный период влага проникает через отверстие 6 и элементы питания поступают из одного отсека. Затем включается другой отсек, из которого продолжается дозирование основных элементов питания и микроэлементов. Оба отсека работая, позволяют дозировать различные по растворимости и осмотическому давлению вещества. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛИРУЕМОГО ДОЗИРОВАНИЯ ВЕЩЕСТВА, содержащее корпус с отсеками, один из которых имеет в основании полупроницаемую мембрану, и с выводным отверстием, отличающееся тем, что отсеки выполнены герметично изолированными друг от друга посредством по меньшей мере одной водонепроницаемой перегородки, при этом мембрана установлена в наружной стенке отсека, причем наружная стенка другого отсека выполнена перфорированной. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус выполнен цилиндрическим, с крышкой, перфорированной в зоне второго отсека, дно которого выполнено водонепроницаемым. 3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что перегородки между отсеками выполнены в виде вертикальных плоских стенок. 4. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что перегородка выполнена цилиндрической, при этом мембранный отсек размещен внутри перегородки, а другой отсек, имеющий кольцевую форму, снаружи. 5. Устройство по пп.1 4, отличающееся тем, что выводное отверстие выполнено в перегородке. 6.Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус выполнен в виде усеченного конуса с перфорированной крышкой, при этом перегородка выполнена в виде горизонтально расположенной съемной изогнутой вставки, фиксированной в корпусе посредством крышки.