Устройство для регулирования уровня грунтовых вод в осушительно-увлажнительной системе Советский патент 1983 года по МПК G05D9/02 

Изобретение относится к области управления мелиоративными системами, а более конкретно к области регулирования уровня грунтовых вод в осушиТельно-увлажнительных системах Известно устройство для регулирования уровня грунтовых вод, содержащее подающий и сбросной каналы, участки поля между ними с коллекторными каналами, снабженными регулирующими органами Недостатком этого устройства является малая его эффективность, так как оно не обеспечивает регулирование уровня грунтовых вод с ,заданными показателями. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для регулирования уровня грунтовых вод в осушительно-увлажнительной системе, содержащее датчики уровня жидкости в коллекторных каналах с установленными в них регулирующими органами и колодец грунтовых вод, причем первый коллекторный канал соединен с прдакхцим каналом, а второй - со сбросным к налом 2j . Недостатком известного устройства является то, что оно не обесп чивает требуемую надежность и эффективность, так как требует прокладки электрических кабелей по об рабатываемым полям и использования в полевых условиях электрических устройств управления, не обеспечивающих стабильного и надежного регулирования уровня грунтовых вод. Целью изобретения является повы шение надежности устройства для ре гулирования уровня грунтовых вод в осушительно-увлажнительной систе ме. Поставленная цель достигается тем, что в устройство введены два гидравлических гравитационных логических устройства, каждое из которых выполнено с двумя входными и одним выходным каналами, идва сосуда грунтовых вод, в каждом из ко торых установлена емкость, имеющая прорезь в боковой поверхности и вы ходное отверстие в дне, через которое емкость трубопроводом соединена с первым входом соответствующего гидравлического гравитационного логического устройства, второ вход которого соединен с датчиком уровня жидкости в коллекто)ном канале, а выход - с регулирующим органом, причем сосуды грунтовых вод соединены с колодцем грунтовых вод Кроме того, емкость имеет возможность вертикального перемещения а трубопровод выполнен гибким. На фиг. 1 представлена общая сх расположения элементов предлагаемо устройства для регулирования уровн грунтовых вод в осушительнс-увлажн ельной системе; на фиг. 2 - вариант хемы при сквозном коллекторном каале, поперечный разрез; на фиг.З хема сосудов грунтовых вод, сообенных с колодцем грунтовых вод, для арианта схемы, показанного на фиг.З; а фиг. 4-6 - датчики уровня жчдкоси для работы с устройствами формиования управляющих сигналов, выолненными на гидравлических логиеских элементах гравитационного ействия; на фиг. 7-11 - схемы элеентов гравитационного действия, редназначенных для применения в предлагаемых устройствах; на фиг. 1217 - структурные схемы гидравлических гравитационных логических устрййств, предназначенных для применения в устройствах для регулирования уровня грунтовых вод; на фиг. 18 типовая схема соединения гидравлических гравитационных логических устройств в устройстве для регулирования уровня грунтовых вод между собой, с датчиками уровня и с регулирующими органами. Предлагаемое устройство (фиг.1) содержит подающий канал 1, сбросовый канал 2, дрены 3, коллекторные каналы 4 и 5 с установленными в них регулирующими органами б, колодбц 7 грунтовых вод, датчики уровня жидкости 8 9 каждом коллекторном канале и сосуд грунтовых вод 9, соединенный с указанным колодцем 7 грунтовых вод по принципу сообщакнцихся сосудов, гидравлические гравитационные логические устройства,10 с двумя входными 11 и 12 и одним выходным 13 каналами (входами и выходом). В каждом сосуде грунтовых вод (фиг. 4-6/ установлена емкость 14, имеющая прорезь 15 в боковой поверхности 16 и выходное отверстие 17 в дне 18, через которое емкость. 14 трубопроводом 19 соединена с первым входом 11 соответствующего гидравлического гравитационного логического устройства, второй вход 12 которого соединен с датчиком уровня жидкости 8 в коллекторном канале, а выход 13 - с регулирующим органом 6. Схема, показанная на фиг. , включает подающий канал 20, сбросной канал 21, коллекторный канал 22, колодец 23 грунтовых вод, датчики уровня жидкости 24, датчики уровня жидкости 25 в коллекторном канале 22, входной регулирующий орган 26 коллекторного Канала 22 и выходной регулирующий орган 27 коллекторного канала 22. . . . Колодец 23| грунтовых вод f (фиг. 3) соединен соответственно трубами 28,29 и 28,30 с установленными у конца последних сосудгили грунтовых вод 9, которые образуют с колодцем,23 систему сообщающихся

сосудов (возможно расположение соединительных труб и такое, как показано на фиг. 3 пунктирными линиями) . Уровень воды в сосудах грунтовых вод 9 при этом такой же, как и в крлодце 23. Датчики уровня жидкости 24 расположены не в колодце 23, а в сосудах грунтовых вод 9, раположенных рядом с коллекторным каналом 22 (вместо одного комплекта 25 на фиг. 2). При этом и устройства формирования управляющих сигналов выполнены отдельно для исполнительных органов 26 и 27, причем как и датчики уровня жидкости они расположены около регулирующих орга.нов, образуя с каждым из них еди- . ное устройство управления.

Показанные на фиг. 4-6 емкости 14с прорезью 15 могут бить подвешены :на 31. через блок 32, а трубопровод 19 может быть выполнен гибким. . . ..

На фиг. 7 изображена схема гидравлического гравитационного логического элемента, выполнякяцего логическую функцию НЕТ. Элемент содержит входной канал 33, выходной канал 34, канал питания 35, сосуд 36, противовес 37 и заслонку 38. В днище сосуда 36 выполнено отверстие 39 X и - соответственно входной и выходной сигналы.

Гидравлический гравитационный логичеркий элемент 10 (фиг. В) содержит, кроме , сосуд 36 с вторым входным каналом 40. Дл входных приняты обозначения X f и Хл / для выходного -Y.

Г(дравлический гравитационный логический элемент {фиг. 9) при необходимости может перенастроен с выполнения функции НЕТ на выполнение функции ДА. Он содержит канал питаОия 35, выходной канал 41 и переключатель 42.,При положении переключателя, показанном на фиг. 9 сплошными линиями, реализуется функция НЕТ, а при положении, показанном пунктирными линиями, реализуется функция ДА.

На фиг. 10 представлено каскадное соединение гидравлических Гравитационных логических элементов. Гидравлический гравитационный логический элемент 43 выполняет функцию ЗАПРЕТ и расположен в канале питания гидравлического гравитационного логического элемента 44, выпол }Я1рщего логич:ескую функцию НЕТ (V Yf соответственно сигнал запрета и входной сигнал элемента 44).

Устройство для передачи сигналов в системе гидравлических гравита1щонных логических элементов (фиг. И) содержит входной канал 45, сосуд 46 npOTHiOBec 47, соединенный тросюм 48 с сосудом 46 и тросом 49 с эас лонкой 50, канал питания 51 и выходной канал 52.

Структурные схемы гидравлических гравитационных логических устройств (фиг. 12-17) содержат гидравлический гравитационный логический элемент И 53, гидравлический гравитационный логический элемент ДА или НЕТ 54, каналы питания 55 и 56, элементы 57 и 58 ЗАПРЕТ.

0

Логические элементы 53, 54, 57 и 58 содеЕ жат соответствунмдие каналы 59-61. В логических устройствах имеется внутренний канал 62, соединяющий выходной канал элемента 54 с входным каналом элемента 53, и

5 выходной канал 63.

Типовая, схема соединения логических устройств (фиг. 18} содержит логический элемент 64.

Предлагаемое устройство (фиг. 1)

0 работает следующим образом.

Вла.годаря соединению грунтовых вод кож5Дца 7, который должен быть расположен в центральной части поля, с сосудами 9 грунтовых вод по прин5ципу сообщаклцихся сосудов, уровень грунтовых вод индицируется непосредственно около регулирующих органов 6. . Ло сигналам, поступающим к гидравлическим гравитационным логическим

0 устройствам 10 от датчиков уровня жидкости 8, расположенных в коллекторных каналах 4 и 5, и от датчиков уровня жидкости в расположенных сосудах грунтовых вод 9, логические устройст5ва JLO фОЕ 1Ируют сигналы управления, необходимые для установки в нужное положение регулирующих органов 6. При таком построении системы регулирования уровня грунтовых вод управ0ление работой регулируюп х органов производится так, чтобы в коллекторных каналах 4 и 5 поддерживались jуровни воды, обеспечивающие при : . различных условиях, например при различных погодных условиях, под- .

5 держание уровня грунтовых вод, благоприятное для растенийна рассматриваемых полевых участках. Слева и справа от участков, показанных на фиг. t, могут быть другие аналогич0tffiie участки с такими же устройствами для регулирования уровня грунтовых .вод. . , . .

По предложенной схеме могут строиться устройства для регулирования

5 уровней грунтовых вод и при любых других расположениях коллекторных каналов , отличающихся от их расположения, показанного на фиг. 1. В качестве примера на фиг. 2 и 3 предстай0лены схемы вариантов со сквозным каиалом, соединяющим прямОподающий И сбросный каналы. При этом схема на фиг 2 соответствует существующим вари нтам систекс: с электрическими кабелями на обрабатываемых полях и

5

электрическими устройствами управления, а схема на фиг. 3 - предлагаемому варианту системы.

Изображенная на фиг, 2 система работает следующим образом.

От датчиков уровня жидкости 24 и 25 поступают сигналы, являющиеся входными для устройств формирования сигналов управления, устройства 26 и 27 являются регулирующими органами предлагаемого устройства для автематического регулирования уровня грунтовых вод. В зависимости от положения уровня грунтовых вод, индицируемого в колодце 23 грунтовых вод согласно рассматриваемой схеме должн задаваться различные режимы работы коллекторного канала. - При опускании уровня грунтовых вод ниже предельного нижнего из заданных уровней воды в колодце 23, канал 22 должен переводиться на работу в режиме увлажнения почвы. Для этого регулирующий орган 26 долже.н быть полностью открыт, а регулирующий орган 27 должен перекрыть выход воды из канала 22. При достижении верхнего из задан ных уровней воды в колодце 23 канал

22должен быть переведен на работу в режиме осушения почвы. Для этого регулирующий орган 26 быть закрыт, а регулирующий орган 27 открыт. При промежуточных уровнях

воды в колодце 23 должны автоматически поддерживаться с пометцью регулирующего органа 26 при закрытом регулирующем органе 27 заданные уров ни воды в канале 22. При этом для каждого промежуточного уровня воды в колодце 23 задается свое значение уровня воды в канале 22. Например, при некоторых условиях может быть целесообразным поддержание уровня воды . в канале 22 равным уровню ее в колодце 23, или же более высокому промежуточному уровню воды.в колодце

23должен соответствовать более низкий уровень воды и канале 22 и т.д.

Требуемые условия работы осушительноувлажнитёльного устройства Moryi- быт различными в зависимости от того, как расположен канал 22 или система таких каналов - в зависимости от прогноза погоды, .состояния развития корневой системы растений (от времени, прошедшего с начала их произрастания) , а также в зависимости от других-условий.

При индификации уровня грунтовых вод непосредственно в колодце 23 (фиг. 2), помещенном в середине поля датчики 24 и 25 уровня грунтовых вод оказываются удаленными на большое расстояние от возможного места индификации уровня воды в коллекторном канале 22. При этом для передачи сип налов- к системе регулирования потре бовались «ы коммуникационные каналы волыиОй-длины, что для гидравлических каналов связи трудно реализуе-. МО и является нежелательным по соображениям обеспечения надежной работы системы. Поэтому и для предлагаемого ва жанта схемы вопрос рационального расположения на полевом участке основных узлов устройства для рех улирования уровня грунтовых вод решается аналогично тому, как было указано на фиг.. 1. Для регулирования уровня грунтовых вод необходимы специальные варианты построения гидравлических гравитационных логических устройств. Эти устройства могут строиться по различным схемам. С тем чтобы пояснить, как при этом строится предлагаемое устройство для регулирования уровня грунтовых вод, необходимо пояснить работу отдельных элементов устройства, начиная от датчиков уровня и кончая самими логическими элементами.

Для соединения в устройстве для регулирования уровня грунтовых вод с гидравлическими элементами гравитационного действия могут использоваться различные датчики уровня, например применяемые поплавковые датчики.

Датчик этого типа (фиг. 4) работает следующим образом.

При достижении свободной поверхностью воды уровня, на котором находится щель 15, вода проходит через эту щель внутрь емкости 14 и поступает из нее по трубопроводу 19 к соответствующему входному каналу блока управления. ПРИ этом способе регистрации легко может; производиться перенастройка датчика. На фиг. 5 изображен датчик уровня жидкости, настройка которого производится с помощью переброшенного через блок 32 троса 31. Настройка может быть ручной или же может производиться по сигналам, поступающим от центрального управляющего устройства. При использовании показанной на фиг. 6 группы таких датчиков может легко изменяться путем соответствующей настройки общее: их положение, а также и относительное расположение одного датчика относительно других.

Гид|равлический логический элемент гравитационного действия (фиг. 7), предназначенный к использованию при регулировании уровня грунтовых вод, работает следующим образом,

При У S О вода проходит из канала питания 35 элемента в выходной канал 34, причем получается выходной сигнал 1. При X 1 заполняется сосуд 36, который, преодолевая вес противовеса 37, перемещ ает заслонку 38. в левье положение. При этом прерывается поступление воды из канала 35 в выходной канал 34 элемента, чему отвечает выходной сигнал О. При восстановлении Значения X - О вода вытекает из сосуда 36 через отверсти 39 в его днище, и элемент возвраща,ется в исходное состояние. Этот же элемент, будучи включенным в канал питания другого активного элемента, выполняет функцию ЗАПРЕТ. При применении рассматриваемых элементов в устройстве длярегулирования уровня грунтовых вод, а также и при других их применениях может оказаться, что они размещены ниже места расположения регулирующего органа. Поэтому представляется необходимым обеспечение возможности безнапорной передачи гидравлических сиг налов от элементов, расположенных внизу, к элементам, расположенным над ними. Для такой передачи сигнало в системе гидравлических элементов гравитационного действия можно использовать устройство, показанное на фиг. 11. При поступлении воды во вхо ной канал 45 устройства заполняется сосуд 46, сила веса которого преодолеваёт силу веса противовеса 47. С тросом 48, на котЬром подвешен проти вовес 47, связан также трос 49, на к тором закреплена заслонка 50.. При гте ремещении противовеса 47 изменяется положение заслонки 50, причем прерывается поступление воды из канала питания 51 в канал 52. Схемс1ми,. изображенными на фиг. 11 18, иллюстрируются возможные варианты построения гидравлических гравита устройств, предна ционных логических наченных дляприменения в устройствах ения в устройствах для регулирования уровня грунтовых вод, и возможные варианты соединения логических устройств между собой, с датчиками уровня и регулирующими органами. . ВЬе рассматриваемые вопросы формирования сигналов управления, возникающие при регулировании уровня грУнтовЫх вод в системах мелиорации, ri другие аналогичные им вопросы, могут быть решены при использовании (для формирования сигналов управления) логических устройств, построенных в соответствии с принципиальной схемой, изображённой на фиг. 12. Основными функциональными элементами модуля являются логические элементы 53 и 54 Элемент 53 выполняет логическую функцию и.. Элемент 54 является в зав11СимЬсти от его наст &ойки элементом, выполняющим логическую функцию НЕТ или логическую функцию ДА. Переключение этого элемента с выполнения одной из указанных функций на выполнение другой производится ручным способом при первоначальной настройке логического устройства или по сигнгшу, получаемому в процессе работы от других.устройств системы упрайле-; ния. Элементы 53 и 54 являются активными. По схемной реализации логического устройства йа основе гидравлических элементов гравитационнрго действия каналы питания функциональных элементов логического устройства связаны с участком какоголибо из узлов системы, который является затопленным при всех условиях рабо-nf. В каналы питания элементов 53 и 54 встроены элементы 57 и 58, выполняющие функцию ЗАПРЕТ. Входными для логического устройства являются следующие сигналы: сигнал f , передающийся по каналу 59 на один из входов элемента 53, сигнал Y| , передающийся по каналу 60 на вход элемента 54, поступакиций- по каналу 61 сигнал Vf , по которому элементы 57 , и 58 отключают или включают питание элементов 53 и 54, сигнал f; настройки элемента 54 на выполнение одной из реализуемых им .функций. В логиче ском устройстве внутренним является канал 62, по которому сигнал, получаемый на выходе элемента 54, передается йа второй вход элемента 53. Выходным каналом логического устройства является канал 63.- Для соответствующего выходного сигнала принято обозначение Zj . При прин1|тых обозначениях входных и выходного сигналов данное логическое устройство может быть изображено так, как показано на фиг. 13. Применительно к логическому устройству, построенному на гидравлических элементах гравитационного действия« считается, что величины Xj, у, Z и V/ имеют эначение 1 при протоке вод при протоке воды соответственно в каналах 59-62 (значение MO, если протока нет) и что Uj 1 при настройке элемента 54 на выполнение функции НЕТ и I/, О, если элемент 54 настраивается на выполнение функции ДА. Бели не возникает необходимость в реализации как одной, так.и другой . из функций при решении поставленных згшач, логическое устройство может быть упрощено. На фиг. 14 приведена упрощенная схема логического устройства, в которой элементом 54 выполняется только функция НЕТ и не имеется элемента ЗАПРЕТ, встроенного в канал питания элемента 54. Для изобргцкения этогологического устройства на рассматривае шх далее схемах принимается в дальнейшем его обозначение, указанное на фиг. 15. Выполнением элементом лишь функции ДА равносиль но просто передаче сигнала по соответствукхцему каналу. В этом случае структ а логического устройства еще больше упрекается и становится такой, как показано на фиг. 16. Для такого логического устройства принято обозначение-, указанное на. фиг. 17. Для выполнения функций, указанных при рассмотрении представленной на фиг. 3 осушительно-увлажнительной системы, эти логические устройства должны соединяться между собой с учетом условий, которые рассмотрим на примере перехода в узле индикации уровня грунтовых вод (датчики 24 на фиг. 2) от каждого из промежуточных датчиков к следующему из Них, выше его расположенному. Для трех таких датчиков примем обозначения Х2 и Для крайнего нижнего уровня примем обозначение Х. С повышением уровня грунтовых вод от датчика Х должны автоматически выполняться следующие функции: должна отсекаться связь с регулирующим органом устройства логического устройства, формирующего сигнал управления (с учетом достижения уровнем грунтовых вод датчика X,) ; должен формироваться управляющий сигнал ZnCl или О) в зависимости от того, н,а каком уровне находится в канале 22 свободная поверхность воды по отношению к датчику V2 из числа датчиков 25 (как уже отмечгшось, эти последние датчики на фиг. 2 идут не в порядке увеличения высоты их расположения и существенно лишь попарное соответствие датчиков и V и других датчиков с одинаковыми номерами). При повышении уровня, грунтовых вод до датчика Х должны выполняться следующие функции: должна отсекатьс,я связь с регулирующим органом системы уже двух логических устройств, формирующих сигналы управления Z. и Zj соответственно с учетом достижений уровнем грунтовых вод датчиков Х и Xj; должен формироваться управляю щий сигнал в зависимости от того на каком уровне находится в канале 22 свободная поверхность воды по от ношению к датчику Vj. Аналогичньш об разом должно осуществляться выйолне ние отсечки всех логических устройс более низкого уровня и формирование сигнала управления при переходе к датчику Хд в системе датчиков 24. У| азанным .требованиям отвечает соединение соответствующих логических устройств,показанное на фиг.18 Здесь представлены логические .уст .ройства по типу, показанному на фиг. 15 и 18, обозначения сигналов :соответствуют указанным на этих-ри:рунках.. . . Йри двухпозиционных регулирующих органах сигналы Z, Z, Z... должн передаваться к регулирующему органу по общему каналу связи, на входе которой имеется собирательный элемент ИЛИ, НЕ ИЛИ. При использовании для,поддержания уровня воды в осушительно-увлажнительном канале (,на промежуточных этапах процесса регулирования уровня грунтовых вод регуляторов обычного типа сигналы с выхода логических устройств передаются раздельно и используются для шаговой настройки регулятора. Например, как ука.зывалось, может осуществляться при нахождении грунтовых вод на промежуточной отметке поддержание такого же уровня воды в осушительно-увлажнительном канале. Приведенные данные дают представление о возможных вариантах построения устройства для регулирования уровня грунтовых вод. Возможны-и другие варианты схем построения при условии, что будут использованы гидравлические гравитационные Логические устройства. Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения определяется тем, что отсутствуют сейчас надежные стабильно действующие устройства для регулирования уровня грунтовых вод, и необходима прокладка кабелей по обрабатываемым полям к датчикам, что практически мало приемлемо. Предлагаемое решение предусматривает автоматизацию режимов орошения и осушения на оросительно-увлажнительных системах (системах двойного регулирования) с использованием новых элементов автоматизации.. Предложенное устройство автоматизации осушительноувлажнительных комплексов отличается от известных тем, что отсутствуют кабельные коммуникации по орошаемым землям.. , -. Благодаря применению элементов индикации, соедш енных с основным колодцем для контроля уровней грунтошх вод на мелиорируемых землях и размещенных у регулирующих сооружений, сокращаются лиНии передачи сигналов между колодцем и регулирующими органами. Используются логические устройства с гравитационными элёментагьш автоматики, позволяющими регулировать уровни грунтовых вОд в широком диапазоне, при этом повышается работоспособность и надежность системы регулирования.

Ч

1.УСТЕ9ЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ УРОВНЯ ГРУНТОВЫХ ВОД В ОСУШИТЕЛЬНОУВЛАЯСНИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЕ, содержащее датчик уровня жидкости в коллекторных каналах с установленными в них регулирующими органами и колодец грунтовых вод, причем первый коллекторный канал соединен с подающим каналом, а второй - со сбросньм каналом, отличающееся тем, что, с целью повышения надежйости устройства, в него введены два гидравлических гравитационных логических устройства, каждое из которых выполнено с двумя входными ц одним выходным каналами, и два сосуда грунтовых вод, в каждом из которых установлена емкость, имеюЩс1Я прорезь в боковой поверхности и выходное/ отверстие в дне, через емкость трубопрово цом соединена с первым входом соответствующего гидравлического гравитационного логического устройства, второй вход которого соединен с датчиком уровня жидкости в коллекторном канале, а выход - с регулирующим органом, причем сосуды грунтовых вод соединены с колодцем грунтовых вод. 2: Устройство по п. 1, о т л и чающееся тем, что ёмкость установлена с возможностью вертиКсшьного перемещения, а трубопровод выполнен гибким.

/

8

/г

К

да

jy .6

Фиг.

If ,,

t

го

Л

to Фut.3 ФигЛ

Ж

Фиг. 5

Фиг. 6

39

Фиг. 7

JdL

i ,

II

II

1

J

Фиг.9

41

Фиг.

Йгг./

.4

а«

1

п

%«//