Автоматизированная система микрополива Советский патент 1987 года по МПК A01G25/16 

Изобретение относится к сельскому хозяйству и- может быть использовано в качестве автоматизированной системы калельного орошения.

Цель изобретения - повышение эффективности полива.

На фиГа приведены соотношения глубины и радиуса зоны увлажнения для различных интенсивностей водопо- дачи; на фиг, 2 - конфигур ий зон увлажнения при различных интенсивнос тях и объемах водоподачи; на фиг.З - соотношения радиуса зоны увлажнения и объема водолодачи для различ- ньгх интенсивностей; на фиг. 4 - изменение относительного водопотреблеНИН растения в течение вегетационного периода; на фиг. 5 связь эвапо- транслирации с относительным значением водопотребления; на фиг, 6 - связь эвапотранслирации с радиусом зоны увлажнения; на фиг. 7 - связь радиуса зоны, увлажнения с относительным водопотреблением; на фиг. 8 - блок-схема системы микрополива; на фиг.9 - характеристика производительности водовыпусков (где ф - диаметр сечения водовыпуска, h - давление в метрах водного столба); на фиг. 10 - графики испарения с водного испарителя Е, поливных норм т, средней влажности W, интенсивности испарения е в зависимости от времени t; на фиг.11 - выходной сигнал сумматора 11; на фиг. 12 - схема из- мерителя испарившейся воды.

Конфигурация зоны увлажнения при mкpoпoливe может быть выражена глубиной фронта увлажнения Н и его радиусом h.Соотношения величин Н и R зависят как от почвенных характеристик, так и от интенсивности водолодачи (фиг.1). Это означает, что при одинаковых объемах водоподачи конфигурации зоны увлажнения будет существенно разной для разных величин интенсивности водолодачи (фиг.2).

Конфигурацию зоны увлажнения можно определить. Исходя из потребностей растения в воде в текущей фазе его вегетационного развития в.соответствии с развитием его корневой системы и кроны.

Водопотребление растения в течение вегетационного периода меняется проходя через максимум (фиг.4). На фиг. 4 в качестве меры отсчета вегетационного периода принята сумма эф5

фективных температур Т. , широко применяемая в агрономической практике. Базовой величиной для нахождения отЕ р

носительной величины j- является испаряемость Е, где Е„ - величина эвапотранспирации. Такой ход кривой водопотребления на 80-90% ол- ределяется развитием кроны дерева, точнее размерами и состоянием листьев и корневой системы (фиг.5).

Как следует из фиг.4 и 5, водопот- ребледие растения в разные фазы веге- 5 тационного периода разное, изменяясь примерно в 3-4 раза. На фиг.6 показана потребность в зоне увлажнения корневой системы для обеспечения заданного водопотребления. По кривьм 0 фиг. 4 и 5, исключив эвапотранспира- цию Е, построим зависимость радиуса зоны увлажнения-R от величины (фиг.7). Поэтому очень важно перед поливом предварительно изучить характеристики почвы и орошаемой культуры и построить графические зависимости. С помощью графиков-зависимостей на -фиг. 1-7 можно определить радиус зоны полива, объем водоподачи и время

0 полива.

Определение данных величин производится в следующей последовательности: по текущей фазе вегетационного периода развития растения опреде35 ляют о.тносительное значение водопотребления J (фиг..1); по значению j определяют радиус зоны увлажнения R (фиг.7); зaдaюt глубину увлажнения Н, например, исходя из развития кор40 невой системы дерева; по заданной конфигурации зоны увлажнения (R иН) находят по кривой фиг.1 интенсивность водоподачи q, обеспечивающую такую конфигурацию; по определенным

45 радиусу зоны увлажнения и интенсивности водоподачи q находят объем водоподачи Q (фиг.З); время полива находят как частное Q/q Т.

Автоматизированная оросительная

50 система содержит первый 1 и второй 2 водные испарители соответственно с измерителями величины испарившейся воды 3 и 4 и узлами дслива 5 и 6, первый 7, второй 8 и третий 9 блоки 55 сравнения, пусковое устройство 10, сумматор 11, блок 12 программного управления, насосную станцию с технологическим регулятором 13, датчик 14 расхода, ирригационную сеть 15 и

31333267

водовыпуска 16, датчик 17 эффективной суточной температуры с суммато

ром 18, блок 19 нелинейности (фиг.8) Водные испарители 1 и 2 выполнены с ограничителями уровней-в виде слив ньк щелей, а в качестве измерителей величины испарившейся воды 3 и 4 применены тензодатчики с усилителями, преобразующими уровни воды в вес, а затем в аналоговый электрический сигнал. Измерители испарившейся воды 3 и 4 выполнены по одинаковой схеме

Измеритель состоит из бака-испарителя 20 со сливным отверстием 21, ус тановленного на двух пассивных опорах 22 и активной 23, оказывающей давление на тензодат чик 24, Возбуждение тензодатчика осуществляется от блок 25 питания, а измерение его сопротивления - схемой 26 и усилителем 27. Выходной сигнал усилителя подается на блок 28, где храниФ- ся первоначально значение уровня и происходит получение, разностного сигнала, пропорционального измерению уровней (испарению), Долив осуществляется по трубопроводу 29.

Измерители Зи 4 дают разные показатели, из-за, того, что один из них затенен. Степень затененности зави- сит от размера кроны, следовательно, она меняется в течение вегетационного периода: практически отсутствует в начале сезона, становится максимальной в середине и уменьшается в конце. У другого испарителя, установленного вне зоны полива, испарение будет определяться только климатическими параметрами. Поэтому разность показаний измерителей 3 и 4 принята пропорциональнЬй требуемому водопотреблению растения, а следова- , и радиусу зоны увлажнения. Постоянный сигнал U добавляется к разностному для того, чтобы в начале и конце сезона, когда разностный сигнал равен О, мог осуществляться полив с определенной интенсивностью, соответствующей первоначальной величине влагозапасов или требуемой величине влагозарядки.

Входы первого блока 7 сравнения связаны с выходами измерителя 3 и уставки Uj , а выход его соединен с входом пускового устройства 10, подключенного к входу блока 12 програм много управления.

5

0

0

s

Входы второго блока 8 сравнения связаны с вьскодами измерителей 3 и 4, а его выход подключен к входу сумматора 11. На этот же сумматор подано напряжение U, устанавливающее минимальную интенсивность полива. Выход сумматора 11 подключен к управляющему входу, задающему уставку технологического регулятора 13 давления,

Датчик суммарной эффективной температуры состоит из собственно датчика 17 и сумматора 18, подсоединенного -,к нелинейному блоку 19, в котором реализуется зависимость, представленная на фиг,4,

Входы третьего блока сравнения 9 связаны с выходами нелинейного блока 19 и датчиков 14 расхода поливной воды, выход блока 9 соединен с блокирующим входом блока 12 программного управления,

Ирригационная сеть 15 выполнена 5 низконапорной, а водовыпуски 16 - импульсного действия с сифонным механизмом опорожнения гидроаккумулятора. Такие водовыпуски имеют линейные характеристики средней интенсивнос- 0 ти полива от давления в сети (фиг.9), Для обеспечения равномерности полива в конструкций водовыпуска предусмотрены специальные стабилизирующие элементы. При использовании водо- 5 вьшусков данной конструкции технологический регулятор 13 воздействует на генератор командных импульсов, определяя его частоту, а следовательно, и интенсивность полива, 0 В данной системе могут быть применены простейшие водовыпуски с различными диаметрами отверстий. Равномерность полива при эксплуатации во- довыпусков в данном случае достига- 5 ется подбором сечений водовыпусков вдоль поливного трубопровода, а регулятор 13 выполняется аналоговым с воздействием на давление, развиваемое насосной станцией. Причем расход связан .с давлением по формуле, полученной экспериментальным путем: q

13,492h° ,

где q - расход, л/ч;

h - давление, мм рт.ст.

0

5

Датчик температуры устанавливается на открытой площадке. Это может быть либо терморезистор, либо - термометр электрический транзисторный

ТЭТ-2, В микропроцессорном устройстве имеется программа опроса датчика черегз определенные интервалы времени (приняты 30 мин). По этим измерениям определяется средняя суточная температура

1

-„ - Т:

де t.

п

-температура текущего измерения;

-количество измерений за сутки

(процедура отбраковки погрешностей измервния .здесь не рассматривается). алее, в этом же микропроцессорном устройстве определяется эффективная температура

Т t°.S

где S - является функцией светового дня.

Коэффициенты S определены для регионов страны в зависимости от календаря. Эти зависимости в виде таблицы занесены в память микропроцессора. Таким образом датчик эффективных температур выполнен на базе датчика температуры и Микропроцессорного устойства.

Ежедневно данные об эффективной температуре заносятся в специально вьщеленный регистр памяти микропроцессорного устройства, суммируясь (накапливаясь там) на протяжении вегетационного сезона. Сам процесс суммирования выполняется программными средствами. Таким образом суммато- являются- специфическими средствами вычислительной техники и взаимодействуют с датчиком эффективных температур посредством соответствующих интерфейсов,

С регистра памяти в котором хранится сумма эффективных температур, данные поступают в процессор, а затем устройство вывода, В процессоре происходит преобразование величины суммы эффективных температур, путем умножения этой величины на специально .рассчитанные коэффициенты, заложенные в память процессора (с этой целью кривая фиг.4 предварительно представляется кусочно аппроксимирующей) .

Блок 19 нелинейности представляет собой совокупность ячейки памяти, процессора и устройства вывода, связанных между собой соответствующими

техническими и программр1ыми интерфейсами.

Система содержит микропроцессорное устройство с функциями программатора. Устройства имеют элементы ввода и вывода .цифровых и аналоговых сигналов и перепрограммируемый процессор. .Блок программного управления 12 выполнен на таком программаторе. Он имеет два входа и три да. Программа блока 12 (программатора) запускается по первому, входу дискретным сигналов пускового устройства 10. При этом дискретными сигналами с выхода 12 включается насосная станция 13, обнуляются показания датчика 14 и блокируется работа блока 10. Далее блок 12 переходит в режим ожидания. При появлении нулевого сигнала на втором входе 12 программа обрабатывает его следующим образом: снимается разрешающий сигнал с включения оборудования насосной станции и деблокируется блок 10.

Система работает следу ощим обра- зом.

При настройке системы задают

предполивной порог влажности и определяют максимальный объем водопода- чи (максимальную поливную норму) в течение вегетационного периода

5

где W

0

5

0

m , пользуясь уравнением водного баланса и кривойУ4 для г /л,акс

IM«KC H(WH, - W,) -p.R,

объемный вес почвогрунта; уровень.влажности, равный НВ;

предполивной уровень влажности, доли НВ; влажность почвогрунта, соответствующая его НВ, % веса почвы;

относительное значение радиуса зоны увлажнения,определенное как R

- (

R

л) Н6

Wo

- радиус зоны площади питания

5 fi

где R дерева.

По величине гп,, выставляют уровень испарения в первом испарителе Нр . Настраивают нелинейный блок 19 в. соответствии с кривой фиг.4 так, чтобы в точке Т при у - выходе был

31 Р Г -Тмс,хс

сигнал, пропорпиональный

m

мяис

тогда при любых других j нелинейный блок 19 будет, задавать, устав ку поливной нормы в соответствии с потребностями растения и конфигурации зоны увлажнения, последняя так же определяется текущими значениями у с помощью двух испарителей 1 и 2, первый из которых устанавливается вне зоны полива, а второй непосредственно под деревом, так, чтобы разви- вающаяся крона дерева затеняла поверхность испарения и уменьшила интенсивность испарения. Таким образом разностный сигнал блока 8 с добавлением постоянного сигнала Н будет пропорционален радиусу зоны увлажнения R, Коэффициент усиления регулятора 13 и характеристики водовыпус- ков 16 подбираются так, чтобы в ре- зультат е реализовалась необходимая интенсивность водоподачи в зависимости от задания конфигурации зоны увлажнения .

В момент tp (фиг.10) снижения уровня воды в испарителе 1 до уровня, определенного уставкой Н на выходе блока 7 появляется сигнал,, запускающий пусковое устройство 10, которое включает в работу блок 12 управления, который блокирует дальней- щую работу блока 10 до окончания полива (фиг.8 пунктирная линия).

Блок 12 включает насосн то станцию 13 и. сеть 15 на полив. Интенсивность

Формула изобретения ; Автоматизированная система микрополива, содержащая установленный вне зоны полива первый водный испаритель .с измерителем величины -испарившейся воды и узлом долива, первый блок сравнения, пусковое устройство, блок программного управления,-датчик суммарной эффективности температуры с

полива задается установкой Н, пропор- 35 нелинейным блоком, насосную станцию

циональнои разности уровней в испарителях 1 и 2. Поскольку во время полива идет долив обеих испарителей,сигнал на выходе 8 будет иметь вид, показанный на фиг.П, обеспечивая не только средние значения интенсивности полива (Н, Н , Hj), но и изменеН, , HJ в со 3

ние его во времени (Н, nj , ответствии с впитывающей способностью почвы.

Объем водоподачи, а следовательно, и длительность полива, задается сигналом блока 19, как только расходомером 14 будет отмерен этот объем

(фиг.10 t) через блок 9 следует ко- 50 ° блока сравнения связан с входом

манда на блокировку блока 12, который сбрасывает показания расходомера 14 и деблокирует устройство 10.

Интенсивность долива воды в испарители 1 и 2 выбрана такой, чтобы к этому моменту их уровни были предельными (что ограничивается сливньми щелями). Система готова к новому циклу работы. Очередной запуск систесумматора, подключенного к управляю щему входу технологического регулятора, входы третьего блока сравнени связаны с выходами датчика расхода 55 и нелинейного блока датчика суммарной эффективной температуры, а выход третьего блока сравнения подсое динен к блокировочному входу блока программного управления.

,- ю3267

мы зависит от интенсивности испарения и произоГщет в момент t, когда уровень воды в испарителе 1 вновь опустится до граничного значения,.а влагозапасы в почве достигнут предпо

ливного значения W. Цикл работы системы повторится, но уже с новыми значениями параметров конфигурации зоны увлажнения, поливной нормы m и интенсивности водоподачи.

Система позволяет с помощью регулятора гидромелиоративной системы выработать в ходе самого процесса по- лива -воздействия по двум каналам - объему и интенсивности водоподачи. Это приводит к повышению эффективности орошения, выражающейся в более рациональном использовании ороситель- ной воды в соответствии с потребностями растения и ее экономии (за счет исключенияизлишнего испарения и глубиной инфильтрации), а также в создании более благоприятных условий для развития корневой системы дерева.

Формула изобретения ; Автоматизированная система микрополива, содержащая установленный вне зоны полива первый водный испаритель .с измерителем величины -испарившейся воды и узлом долива, первый блок сравнения, пусковое устройство, блок программного управления,-датчик суммарной эффективности температуры с

нелинейным блоком, насосную станцию

с технологическим регулятором и датчиком расхода, ирригационную сеть и водовыпуски, отличающая- .с я тем, что, с целью повышения эф40 фективности полива, система дополни- тельно .включает второй, установлен- ный в зоне полива водный испаритель ..с измерителем величины испарившейся воды и узлом долива, второй и третий

45 блоки сравнения и сумматор, причем входы второго блока сравнения соединены с выходами измерителей величины испа рившейся воды первого и второго водных испарителей, а выход второсумматора, подключенного к управляющему входу технологического регулятора, входы третьего блока сравнения связаны с выходами датчика расхода 55 и нелинейного блока датчика суммарной эффективной температуры, а выход третьего блока сравнения подсоединен к блокировочному входу блока программного управления.

1,1 Л 1ч

3,0л 11 .Ojt/t/

5,3 л/г

10 го 30 0 so irjFfi (риз.г

fO 30 2П w 153

0 20 30 W 50 SO

ifiOKC

3SOO 7,V

Ю 20 30 ffO 50 60 70 SO 90 WO Ep % (Put. 5

Ep7.

ЮО 90 - SO 70 SO

17,5 3552.5

фиг.6

70

7fl «

52,5

35

175

tillI I

5/ 0.2 Oj3 0if 0,5 0,6 0,7 0.8 0,$ ffi Фие,7

,0мн

,2м/1 1f tfifl

21 Чл/ч

/.. -KN/,

т

W Wo

Фиг.гО

Фие. 12

Редактор М.Товтин

Составитель Л.Пантелеева Техред Л. Сердюкова

Заказ 3854/1Тираж 627Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д;4/5

Прои зводственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, А

р(/г.;/

23

Гг

. к нас о с ной станции

Корректор А.Тяско

Изобретение относится к сельскому хозяйству. Цель изобретения - повышение эффективности полива. Устройство включает водные испарители 1 и 2, установленные соответственно вне и в зоне полива. Измерители величины испарившейся воды 3 и 4 снабжены уз- лами долина 5 и 6. В систему введены блоки сравнения 7,8,9 и сумматор II. Насосная станция оснащена технологическим рег улятором 13. Ирригационная сеть 15 имеет водовыпуски 16.Датчик эффективной суточной температуры 17 с сумматором I8 совмещен с блоком нелинейности I9. Контроль расхода в системе осуществляет датчик расхода 14. Пусковое устройство 10 связано с блоком программного управления (БПУ) 12. По разностному сигналу блока сравнения 8, просуммированному в сумматоре I1 с постоянным уровнем и , задается уставка по давлению технологического регулятора 13. Интенсивность полива линейно зависит от давления. Начало полива определяется по разностному сигналу блока сравнения 7. Сигнал блока 7 вводит в работу пусковое устройство 10 и БПУ 12. Поливная норма задается блоком 19 нелинейности Останов полива производится по достижению сигнала на выходе датчика расхода 14 уставки блока 19. Разностный сигнал на выходе блока 9 блокирует БПУ и подготавл ивает систему к новому циклу работы. 12 ил. f (/ Uc - fS