Система регулирования температуры воздуха в теплице Советский патент 1991 года по МПК A01G9/24 

котором увеличивается количество теплоносителя, направляемого на перепуск, и температура /1 теплоносителя в отопительной системе снижается, что ведет к снижению температуры t« воздуха в теплице до выполнения условия .

При понижении температуры / воздуха в еплице ниже заданной изменение температуры t теплоносителя в сторону повышения обеспечивается по команде, поступающей с первого вычислительного устройства 1 аналогично рассмотренному.

Программа суточного изменения темпеатуры воздуха в теплице обеспечивается профилем кулачка 37, который выполняется на основании экспериментальных данных о минимуме и максимуме температуры для каждой культуры с учетом продолжительности светового дня (фиг. 5). Синхронный мотор-редуктор 36 приводит кулачок 37 во вращение с частотой один оборот в сутки. В соответствии с профилем кулачка, толкаель 39 мере ролик 38 приводится в возвратно-поступательное движение и через пружины 40 и 41 производится перемещение подвижного контакта 43 резистора задатчика 7. Снимаемое с резистора напряжение U при сiабилизированном питании Ll пропорционально температуре воздуха. Значение напряжения (Л выбирается таким, чтобы при равных температурах среды датчиков 4, 6, 8, 12 и 20 их термо-ЭДС были равны (/. Сигнал V поступает на вход первого регулятора 11 основного канала регулирования, сравнивается с напряжением на выходе датчика 8. Движение толкателя при увеличении температуры t- сопровождается сжатием пружины 44, а при обратном движении сжатая пружина 44 обеспечивает перемещение толкателя 39 без отрыва от поверхности кулачка 37.

Нсли в течение суток наступает резкий расход теплоты, что требует соответственно 11овышения,температуры теплоносителя, например, при шквальном ветре или резком похолодании, логическая схема ЗАПРЕТ 17 прерывает выполнение программы. Сигнал на запрещающем входе схемы ЗАПРЕТ 17 вырабатывает второе вычислительное устройство 18 на основании информации, поступающей с выходов датчика 8 температуры воздуха в теплице, задатчика 7, датчика 20 температуры листьев растений и датчика 19 фигооблучения.

В блоке 49 (фиг. 3) происходит вычитание значения температуры воздуха в теплице из значения температуры листьев растений и полученный результат А/о вводится в блок 50, куда через второй вход с блока 51 вводится информация о§ значениях коэффициентов Ki и на основании алгоритма

pu /dA/o e ,«зй#с,(7)

гдеК| МЈФ), (E), ) - постоянные коэффициенты, определяемые экспериментально; Д/0(/л-(к) - разность температур; / -температура листьев растений;

/в - температура воздуха в теплице, вычисляется критерий j}o благоприятности фотосинтеза при установившемся режиме воздуха в теплице и информация вводится в блок 52, на второй вход которого поступает информация о фитооблучении ЕФ от датчика 19. В блоке 52 вычисляется биоэнергетический потенциал Wo растений по формуле

15

$°E(t)dt,

(8)

0

0

где (O...t) -интервал времени интегрирования;

критерий благоприятности фотосинтеза при температуре Ь ЕФ - поток фитооблучения. Полученный при решении уравнения (8) результат поступает в блок 56 сравнения, на второй вход которого поступает аналогичная информация, вырабатываемая в

5 блоках 53-55 при возмущенном состоянии объекта, что соответствует изменению температуры воздуха в теплице до значения /, а это приводит к изменению разности температуры Ь листьев и воздуха на величину Л/з, значение которой подставляет0 ся в уравнение (7) критерия (Зо благоприятности фотосинтеза, а на его основе при этом же значении фитооблучения Јф вычисляется биоэнергетический потенциал W для заданной температуры. В блоке 56 вычисляется разность биоэнергетических

5 потенциалов W uWi и результат вводится в блок 57, через второй вход которого с блока 58 вводится информация о значении коэффициента ЧФ полезного действия фотосинтеза и о площади S-i поверхности листьев

0 растений в теплице. На основании поступившей в блок 57 информации вычисляется количество энергии W, которая обеспечивает увеличение фотосинтеза с приращением температуры воздуха до { на основании алгоритма

. /ЛФ.(9)

1деД№- приращение энергии, участвующей в фотосинтезе растений; г|Ф - энергетический коэффициент полезного действия растений; S.i - площадь поверхности листьев .растений теплицы, определяемая путем замера листьев в двух измерениях и вычисляемая по формуле

S.. (0,285a& + 0,343), где a - длина листа; b - ширина листа.

Ю)

выходу датчика 5 влажности ср воздуха теплицы, при этом соответствующие входы этих блоков подключены к выходу задатчика 7 температуры Ь воздуха в теплице, первый вход блока 26 подключен к выходу датчика 3 скорости V ветра, третий вход блока 32 подключен к выходу датчика 2 солнечной радиации Јг, выход S, К блока 23 подключен к второму входу блока 22, первый вход которого соединен с выходом блока 21, а выход Wn блока 22 - с первым входом блока 33 решения уравнения теплового баланса теплицы, выход К блока 25 подключен к второму сходу блока 26, его выход kv - к первому входу блока 27, второй вход которого соединен с выходом АЬ блока 24, а выход We - с вторым входом блока 33 решения уравнения теплового баланса. Выход Ку блока 28 подключен к первому входу блока 29, второй вход /в которого соединен с выходом датчика 8 температуры воздуха теплицы, а выход Wy блока 29 подключен к третьему входу блока 33, выходы блоков 30 и 31 подключены к первому и второму входам блока 32, а его выход WE - к четвертому входу блока 33, выход W блока 33 поступает на второй вход блока 35 вычисления температуры /т теплоносителя и на вход второго вычислительного устройства 18, третьим входом блока 35 подключен к выходу датчика 12 температуры Ь теплоносителя, первый входом So, К° - к выходу блока 34, а выходом - к входу регулятора 13 корректирующего какала регулирования температуры /т теплоносителя.

Датчик 2 тепловой солнечной радиации E выполнен в виде фотоэлемента с фильтром, пропускающим оптическое излучение солнца инфракрасной области спектра. Датчик 3 скорости V ветра представляет собой чашечный анемометр с преобразователем частоты вращения вала в напряжение постоянного тока.

Датчик 4 температуры ( наружного воздуха, датчик 6 температуры Ь почвы, датчик 8 температуры / воздуха теплицы, датчик 12 температуры h теплоносителя отопительной системы 15 и датчик 20 температуры /л листьев растений выполнены в виде термопар одинаковой структуры, холодные спаи которых помещены в условия одинаковой и постоянней температуры (термостат), а горячие спаи каждой из них в ту среду, температуру которой они контролируют.

Датчик 5 влажности ср выполнен натрие- во-кадмиевым на основе фольгированного стеклотекстолита, на котором методом травления изготовлена решетка в виде полосок фольги, промежутки между которыми заполнены натриево-кадмиевым составом, проводимость которого зависит от влажности воздуха.

Задатчик 7 температуры воздуха в теплице (фиг. 8) выполнен в виде потенцио0

метра, включенного в сеть стабилизированного напряжения О, выходом которого является напряжение С/з. Первый регулятор 11 в основном канале регулирования температуры воздуха в теплице - это пороговый элемент, вырабатывающий выход при превышении заданной температуры Л над текущим значением температуры воздуха в теплице. Второй регулятор 13 в корректирующем канале регулирования температуры t- теплоносителя устроен аналогично первому регулятору 11, но вырабатывает на выходе сигнал положительной полярности при превышении величиной сигнала на выходе первого вычислительного блока 1 сигнала на

5 выходе /т датчика 12 температуры теплоносителя в отопительной системе 15.

Привод 16 задатчика 7 температуры воздуха в теплице выполнен в виде синхронного мотор-редуктора 36, частота вращения выходного вала которого равняется одному

0 обороту в сутки. На его выходном валу жестко закреплен кулачок 37. Профиль кулачка выполнен с учетом значения минимальной и максимальной температуры в ночные и дневные часы суток, а также продолжительности

5 светового дня. при этом разность максимального и минимального радиусов должна равняться длине рабочей части (величине хода подвижного контакта) потенциометра задатчика 7 температуры воздуха в теплице, а длина окружности большого и малого

0 радиусов выбираются из условия: 360° соответствует 24 ч СУТОК. Кулачок 37 через ролик 38, толкатель 39, пружины 40 и 41 соединен посредством отверстия на поводке 42 с подвижным контактом 43 потенпгомет- ра задатчика 7 Толкатель 39 поджат в сто5 рону кулачка пружиной 44.

Логическая схема ЗАПРЕТ 17 содержит второй электронный ключ 45. электромагнитный тормоз подвижного контакта 43, включающий неподвижную колодкч 46, которая жестко закреплена на корпусе системы, подвижную колодку 47, жестки зэкрепдсч- ную на хвостовике сердечника электромагнита 48. Питание на электромагнит 48 от источника U подается через второй электронный ключ 45, на управляющий вход которого

5 поступает сигнал с выхода второго вычислительного блока 18. Подвижная 47 и неподвижная 46 колодки расположены параллельно одна на другой в плоскости перемещение поводка 42 подвижного контакта 43. Д. ина колодок превышает полный ход подвижного

0 контакта 43.

Второе вычислительное стронет во 18 содержит блок 49 вычисления разности / между температчрой / воздуха в теплице и температурой /. листьев растении, первый блок 50 вычисления критерия fk благоприяг5 ности фотосинтеза, блок 51 задания коэффициентов /С,- , входящих в уравнение критерия благоприятности фотосинтеза, блок 52 вычисления биоэнергетического потенциала Wo при установившемся режиме, когда температура воздуха в теплице соответствует заданной задатчиком 7, блок 53 вычисления разности Д/ между температурой Ь листьев растений и заданной задатчиком 7 температурой Л воздуха, второй блок 54 вычисления критерия РЧ благоприятности фотосинтеза при наличии возмущающего воздействия температурой Л, блок 55 вычисления биоэнергетического потенциала W при температуре t воздуха в теплице, блок 56 вычисления разности ЛИ/ биоэнергетических потенциалов W и Wo, блок 57 вычисления энергии W4, при которой имеет место биосинтез за счет повышения температуры в соответствии с программой задатчика 7, блок 58 задания коэффициента полезного действия биосинтеза растений и площади S листьев растений и блок 59 сравнения энергии W необходимой для поддержания температуры /1 воздуха в теплице и энергии W$, используемой на приращение фотосинтеза, вызванное повышением температуры воздуха от значения t« до значения U.

При этом первый вход блока 49 подключен к выходу датчика 8 температуры А воздуха в теплице, первый вход блока 53 подключен к выходу задатчика 7 температуры Л, вторые входы блоков 49 и 53 подключены к выходу датчика 20 температуры листьев растений, вторые входы блоков 50 и 54 подключены к выходам блока 51 задания коэффициентов Ki уравнения благоприятности фотосинтеза, первый вход блока 50 подключен к выходу ДЈ блока 49, первый вход блока 54 подключен к выходу блока 53, вторые входы блоков 52 и 55 подключены к выходам датчика 19 фитооблучения ЕФ, первый вход Ро блока 52 подключен к выходу блока 50, выход W которого подключен к первому входу блока 56, первый вход блока 55 подключен к выходу блока 54, выход W которого подключен к второму входу блока 56, выход Л№ блока 56 - к первому входу блока 57, второй вход которого связан с выходом блока 58, а выход W подключен к первому входу блока 59, сигнал Wr на вход которого поступает с выхода блока 33, входящего в состав первого вычислительного устройства 1, выход блока 59, являющийся выходом второго вычислительного устройства 18 подключен к запрещающему входу логической схемы ЗАПРЕТ 17.

Датчик 19 фитооблучения ЕФ выполнен в виде фотоэлемента с фильтром, пропускающим фитопоток и отфильтровывающим инфракрасную часть спектра солнечного излучения. Ультрафиолетовая часть его от - фильтровывается остеклением теплицы, так как оконное стекло эту часть спектра не пропускает. Датчик 19 установлен в теплице на уровне расположения растений.

Система регулирования температуры воздуха в теплице работает следующим образом.

С помощью датчика 2 измеряется интенсивность солнечной радиации Јт, с помощью датчика 3 - скорость V ветра, с помощью датчика 4 - температура t« наружного воздуха, датчика 6-температура t почвы в теплице и датчика 8 - температура fr воздуха в теплице. Информация от датчиков 2-4,

6 и 8, а также от задатчика 7 температуры /з воздуха в теплице и датчика 12 температуры fr теплоносителя поступает на входы первого вычислительного устройства 1, где с учетом влажности ф, измеряемой датчиком

5 5, вырабатывается сигнал, поступающий на вход второго регулятора 13 корректирующего канала регулирования температуры tr теплоносителя отопительной системы 15. Если текущее значение температуры fr теплоносителя обеспечивает температуру /в воз0 духа в соответствии с предписанием задатчика 7, сигнал на выходе вычислительного устройства 1 равен нулю.

При неравенстве этих температур, а именно, когда , сигнал на выходе устройст5 ва 1 положительный, через второй регулятор 13 корректирующего канала он поступает на вход электронного ключа 14, последний открывается и появившимся вследствие этого сигналом на выходе первого электронного ключа 14 трехходовой перепускной клапан 10 с помощью исполнительного органа 9 перемещается в положение, при котором подача теплоносителя (горячей воды) в отопительную систему 15 увеличивается. При этом температура теплоносителя возрастает, что способствует повышению температуры

5 t« воздуха в теплице до значения, заданного задатчиком 7. При достижении температурой теплоносителя заданного значения сигнал на выходе первого вычислительного устройства 1 становится равным нулю и кла0 пан 10 остается в зафиксированном положении.

Управляющий сигнал на выходе первого вычислительного устройства 1 вырабатывается следующим образом. Информация о температуре / почвы от датчика 6 поступает

5 на вход блока 21, где сравнивается с информацией, поступающей на второй его вход от задатчика 7 температуры Ь, и на основании этих данных вычисляется разность ДЈц. Полученный результат поступает на первый вход блока 22. От блока 23, настраи0 ваемого вручную, в блок 22 вводится информация о площади S поверхности почвы теплицы и коэффициенте К теплопередачи от воздуха почве или наоборот. В блоке 22 на основании алгоритма

5И,.5пКпДЯ(1)

где Wn - теплота, передаваемая через поверхность почвы теплицы; S i - площадь поверхности теплицы;

0

13

14

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к промышленному растениеводству в сооружениях защищенного грунта. Цель изобретения - повышение эффективности процесса фотосинтеза растений и экономичности системы путем оптимизации регулирования температуры теплоносителя. В системе регулирования температуры воздуха в теплице 4 второй выход датчика 12 температуры теплоносителя соединен с восьмым входом первого вычислительного устройства 1, которым является третий вход блока вычисления температуры теплоносителя. 1 з.п. ф-лы. 6 ил.

Полученный по формуле (10) результат для всех измерений листьев одного растения суммируется и для вычисления 5л умножается на число растений в теплице.

Результат, вычисленный блоком 57, в блоке 59 сравнивается с энергозатратами Wt для поддержания температуры в соответствии с программой и на выходе блока 59 появляется сигнал положительной или отрицательной полярности. Сигнал отрицательной полярности свидетельствует о том, что энергия, затрачиваемая на поддержание заданной температуры воздуха в теплице не может быть преобразована в энергию фотосинтеза растений и повышать температуру воздуха нерационально.

Так как сигнал отрицательной полярности на выходе блока 59 является запрещающим для логической схемы ЗАПРЕТ 17, дальнейшее повышение температуры прекращается, что осуществляется следующим образом. Запрещающий сигнал на входе логической схемы ЗАПРЕТ 17 поступает на вход второго электронного ключа 45, который замыкает цепь питания U« электромагнита тормоза, в результате обмотка электромагнита 48, оказавшись под напряжением 1/п источника питания, втягивает сердечник и подвижная колодка 47, перемещаясь в сторону неподвижной колодки 46, зажимает поводок 42 подвижного контакта 43 потенциометра задатчика 7 температуры воздуха в теплице. Так как поворот кулачка 37 в этом случае не прекращается, толкатель 39, перемещаясь, сжимает пружину 40 или 41, в зависимости от направления движения. После снятия запрещающего сигнала с входа логической схемы ЗАПРЕТ 17 электромагнит 48 обесточивается, а подвижный контакт 43 потенциометра задатчика 7 перемещается в положение, которое он должен к этому времени занимать в соответствии с временем суток, под действием сжатой -пружины 40 или 41.

Такая конструкция привбда задатчика 7 обеспечивает выполнение неизменной программы задания температурного режима воздуха теплицы в оставшееся время суток и в последующие сутки. Применение системы регулирования температуры воздуха в теп- лице позволяет оптимизировать процесс фотосинтеза растений, сократить расход тепловой энергии на отоплении теплицы при высокой точности поддержания температуры воздуха теплицы.

20

Формула изобретения

эффективности процесса фотосинтеза растений и экономичности системы путем оптимизации регулирования температуры теплоносителя, восьмой вход первого вычислительного устройства связан с вторым выходом датчика температуры теплоносителя.

что третий вход блока вычисления температуры теплоносителя является восьмым входом первого вычислительного устройства.

Фиг.З

rV5

fc)

30 W

46

47

W л г-w

,

2-

Ю Ud Фиг.Ь

46

47

/

0- UC+P

О

8 12 IB Фие.5

О

4 6 8 Ю у, м/с Фиг. 6

20 r,v