Устройство для автоматизированного приготовления питательного раствора в теплице Советский патент 1993 года по МПК A01G9/24 G05D11/02 

Изобретение относится к сельскому хо- зяйству, в частности к устройствам для авто- матического регулирования кислотности и концентрации питательного раствора при выращивании овощей в сооружениях эащи- 5 щенного грунта,

Цель изобретения - повышение точности регулирования концентрации компонентов питательного раствора.

На чертеже приведена структурная схе- Ю ма предлагаемого устройства.

Устройство содержит смесительную емкость 1, которая предназначена для приготовления питательного раствора, для смешивания необходимых компонентов ми- 15 нерального питания растений. В ней установлены датчик 2 кислотности, датчик 3 концентрации ионов калия, датчик 4 концентрации ионов азота, предназначенные для измерения соответствующих характе- 20 ристик раствора. Выход датчика 2 кислотности связан с первым входом первого блока 5 сравнения, предназначенного для определения рассогласования между фактической измеряемой кислотностью и ее заданным 25 значением. Выход первого блока 5 сравнения соединен со входом первого регулятора 6, предназначенного для управления кислотностью раствора по выбранному заранее закону регулирования. Его выход 30 подключен ко входу исполнительного элемента - первого насоса-дозатора 7, соединенного трубопроводом со смесительной емкостью 1 и подающего в нее кислоту,

Выход датчика 3 концентрации ионов 35 калия подключен к первому входу второго блока 8 сравнения, предназначенного для определения рассогласования между фактическим измеренным значением концентрации ионов калия в растворе и ее 40 заданным значением. Выход второго блока 8 сравнения связан со входом второго регулятора 9,предназначенного для управления по выбранному закону регулирования концентрации раствора по калию. Выход второ- 45 го регулятора 9 подключен ко входу второго насоса-дозатора 10, соединенного трубопроводом со смесительной .емкостью 1 и обеспечивающего подачу данного компонента в питательный раствор. Выход датчи- 50 ка 4 концентрации ионов азота подключен к первому входу пятого блока 11 сравнения, предназначенного для определения рассогласования между фактическим измеренным значением концентрации ионов азота и ее 55 заданным значением. Выход пятого блока 11 сравнения связан со входом третьего регулятора 12, предназначенного для управления по выбранному закону регулирования концентрации ионов азота в растворе. Выход третьего регулятора 12 подключен к входу третьего насоса-дозатора 13, соединенного трубопроводом со смесительной емкостью 1 и обеспечивающим подачу данного компонента питательного раствора.

Второй вход первого блока 5 сравнения соединен с выходом первого сумматора 14, предназначенного для определения заданного значения кислотности как суммы ее номинального заданного значения (уставки) и поправки на фактические условия работы в теплице. Один из входов первого сумматора 14 подключен к выходу задатчика 15 кислотности, предназначенного для задания номинального заданного значения кислотности, соответствующего номинальным прогнозируемым условиям работы (температура, освещенность). Другой вход первого сумматора 14 подключен к выходу первого формирователя 16 сигнала коррекции, предназначенного для определения поправки к уставке от задатчика 15 кислотности на изменение фактических условий работы.

Второй вход второго блока 8 сравнения соединен с выходом второго сумматора 17, предназначенного для определения заданного значения концентрации ионов калия, как суммы номинального заданного значения (уставки) и поправки на фактические условия работы. Один из входов второго сумматора 17 подключен к выходу задатчика 18 концентрации ионов калия, предназначенного для задания номинального заданного значения концентрации ионов калия, соответствующего номинальным прогнозируемым условиям работы. Другой вход второго сумматора 17 подключен к выходу второго формирователя 19 сигналов коррекции, предназначенного для определения поправки к уставке от задатчика 18 концентрации ионов калия на изменения фактических условий работы. Второй вход пятого блока 11 сравнения соединен с выходом третьего сумматора 20, предназначенного для определения заданного значения ионов азота, как суммы номинального заданного значения (уставки) и поправки на фактические условия работы. Один из входов третьего сумматора 20 подключен к выходу задатчика 21 концентрации ионов азота, предназначенного для задания номинального заданного значения концентрации ионов азота, соответствующего номинальным прогнозируемым условиям работы. Другой вход третьего сумматора 20 подключен в выходу третьего формирователя 22 сигналов коррекции, предназначенного для определения поправки к уставке отзадатчика 21 концентрации ионов азота

на измерение фактических условий работы.

Первые входы первого формирователя 16 сигналов коррекции, второго формирователя 19 сигналов коррекции, третьего формирователя 22 сигналов коррекции подключены к выходам третьего блока 23 сравнения, предназначенного для определения рассогласования между фактической величиной температуры воздуха в теплице и ее заданным (номинальным, прогнозируемым) значением. Соответственно первый вход третьего блока 23 сравнения подключен к выходу датчика 24 температуры, предназначенного для измерения фактической температуры воздуха. Второй вход третьего блока 23 сравнения подключен к выходу за- датчика 25 номинальной температуры в теплице, который предназначен для задания номинального прогнозируемого значения температуры воздуха. Вторые входы первого, второго, третьего формирователей 16, 19, 22 сигналов коррекции подключены к выходу четвертого блока 26 сравнения, предназначенного для определения рассогласования между фактическим значением радиации (облученностью) и его заданным (номинальным, прогнозируемым) значением. Соответственно первый вход четвертого блока 26 сравнения подключен к выходу датчика 27 (интегратора) солнечной радиации, предназначенного для измерения фактической облученности растений в течение выбранного интервала времени. Второй вход четвертого блока 26 сравнения подключен к выходу задатчика 28 номинального уровня радиации (облученности), который предназначен для задания номинального, прогнозируемого значения уровня солнечной радиации (облученности).

Выход первого формирователя 16 сигнала коррекции подключен к третьим входам второго и третьего формирователей 19,22 сигналов коррекции и выход второго формирователя 19 сигналов коррекции подключены к третьему и соответственно четвертому входам первого и третьего формирователей 16,22 сигналов коррекции, выход третьего 22 формирователя сигналов коррекции подключен к четвертым входам перво/о и второго формирователей 16, 19 сигналов коррекции.

Устройство может быть построено на известных элементах. В качестве датчика 2 кислотности может быть использован измеритель рН, типа ДМ-5М-2, в качестве датчиков 3, 4 концентрации ионов калия и азота - измерители на основе элементов ЭКОСТ. В качестве датчика 24 температуры может применяться термопреобразователь типа

ТОМ-0879-01. В устройстве может быть использован датчик 27 уровня солнечной ра диации типа РК1-2ТУ 11 ЭССР 43-86. В качестве исполнительных устройств - насо- 5 сов-дозаторов 7, 10, 13 могут применяться насосы-дозаторы типа ХМ2/25. Регулятор 6 может быть реализован на базе преобразователя типа П-201, а регуляторы 9 и 12 - на базе элементов ЭКОСТ. В качестве суммато0 ров и блоков 5, 8, 11, 14, 17, 20, 23, 26 сравнения могут использоваться операционные усилители серии К140УД2. Формирователи 16, 19, 22 сигналов коррекции могут быть реализованы на базе операционных

5 усилителей той же серии, как и блоки суммирования.

Устройство работает следующим образом.

В режиме приготовления питательного

0 раствора в смесительную емкость 1 начинает поступать вода, независимо от режима работы насос-дозаторов: если концентрация ионов кальция и азота и кислотности выше заданного, насосы-дозаторы подачи

5 калия и азота и кислоты (например, фосфорной кислоты - обозначено буквой Р) не включаются до тех пор, пока концентрация не станет равной заданному значению. Если внешние условия (температура и

0 солнечная радиация) соответствуют номинальным прогнозируемым значениям, то сигналы с выходов датчика 24 температуры и задатчика 25 номинальной температуры равны, равны также и сигналы с выходов

5 датчика 27 (интегратора) солнечной радиации и задатчика 28 номинальной радиации (облученности). Поэтому сигналы с выходов третьего и четвертого блоков 23, 26 сравнения не будут равны нулю, вследствие чего

0 будут равны нулю и сигналы на входах первого, второго и третьего формирователей 16, 19, 22 сигналов коррекции. Поэтому сигналы с выходов первого, второго и третьего сумматоров 14, 17, 20 будут равны выход5 ным сигналам задатчика 15 кислотности и задатчиков 18 и 21 концентрации ионов калия и азота соответственно. Настройка задатчиков 15, 18, 21 осуществляется так, чтобы заданные значения кислотности и

0 концентрации по соотношениям ионов калия и азота оказывались в этом случае соответствующиминоминальнымпрогнозируемым внешним условиям по температуре и освещенности.

5 Для каждого вида растений известны зависимости изменения усвоения питательных элементов в зависимости от внешних условий. Поправка или коррекция концентрации калия (АКК, азота ДКм и кислотности

ДКР может быть представлена в следующем виде:

AKP Ci At + СаДЕ;

AKk Ci At+C2 AE;

AKN Ci At + E;

где A t и А Е - изменения от заданных значений температуры и уровня солнечной радиации в теплице,

Ci, Ci , Ci , и

С2, С2 С2 - весовые коэффициенты.

Так, формулируются поправки по 1-му и 2-му входам формирователей 16, 19, 22 сигналов коррекций. Сигналы 3-х и 4-х входов этих же формирователей определяются следующими алгоритмами:

А Кр Сз AKk + СА AKw;

A Kk Сз Л KN + СА АКР;

АКгд Сз AKk + Ci ДКР; где Сз. Сз , Сз и

СА,- СА СА - коэффициенты поправок, представляющие собой крутизну соответствующих характеристик зависимостей соотношений ионов К, N и кислоты от внешних условий (температура и освещенность).

Результирующий сигнал с выходов фор- мирователей 16, 19, 22 сигналов коррекции представляет собой алгебраические суммы соответственно АКр + АКр ; AKk + Akk; АК + AK N.

Если измеренное датчиком 2 кислотно- сти фактическое значение кислотности в смесительной емкости 1 отличается (например, меньше по сравнению с заданным) от номинального заданного значения кислотности, то на выходе первого блока 5 сравне- ния возникает сигнал рассогласования, поступающий на вход первого регулятора 6, на вход первого насоса-дозатора 7 будет поступать сигнал включения до тех пор, пока подача кислоты первым насосом-дозато- ром 7 в смесительную емкость 1 не приведет к такому повышению кислотности раствора, когда сигналы, поступающие на входы первого блока 5 сравнения отдатчика 2 кислотности и первого сумматора 14 сравняются. Таким образом обеспечивается равенство значения регулируемой кислотности раствора в смесительной емкости 1 номинальному заданному значению, кислотности.

Если измеренное датчиками 3 и 4 кон- центрации ионов калия и ионов азота соответственно фактическое значение концентрации раствора в смесительной емкости 1 отличается (меньше заданного) от заданного номинального значения концен- трации, то на выходах блоков 8 и 11 сравнения соответственно возникает сигнал рассогласования, поступающий на входы второго и третьего регуляторов 9 и 12 соответственно; с выходов которых сигнал включения поступает на входы второго и третьего насосов-дозаторов 10,13 соответственно до тех пор, пока подача соответствующих компонентов вторым и третьим насосами- дозаторами 10 и 13 в смесительную емкость 1 не приведет к такому повышению (или понижению) концентрации ионов калия и азота раствора, когда сигналы, поступающие на входы второго и пятого блоков 8 и 11 сравнения от датчиков 3, 4 концентрации ионов калия и азота соответственно, сравняются с сигналами от второго и третьего сумматоров 17 и 20. Таким образом, обеспечивается равенство регулируемой концентрации ионов калия и азота раствора в смесительной емкости 1 номинальному заданному значению концентраций и соотношения данных элементов.

Если внешние условия, температура и (или) солнечная радиация, не соответствуют номинальным прогнозируемым значениям, то сигналы с выходов датчика 24 температуры воздуха в теплице и задатчика 25 номинальной температуры не будут равны так же, как не будут равны и сигналы с выходов интегратора датчика 27 солнечной радиации и задатчика 28 номинальной радиации (облученности). Поэтому на входах третьего и четвертого блоков 23, 26 сравнения возникнут сигналы, отличные от нуля, и пропор- циональныесоответственно

рассогласования между фактической измеренной и номинальной температурой, а также между фактической и номинальной облученностью. Соответственно на выходе первого формирователя 16 сигналов коррекции появляется сигнал коррекции (поправки к уставке) который вносит поправку к сигналу задатчика 15 кислотности, настроенного с учетом номинальных прогнозируемых условий работы по температуре и освещенности. Этот сигнал коррекции может формироваться, например, как взвешенная сумма рассогласований по температуре и облученности.

На выходах второго и третьего формирователей 19, 22 сигнала коррекции соответственно будет возникать сигнал коррекции (поправка к уставке), который вносит поправку по концентрации с учетом изменения соотношения к сигналам второго и третьего задатчиков 18, 21 концентрации ионов калия и азота, настроенных с учетом номинальных прогнозируемых значений температуры и радиации (облученности). Эти сигналы коррекции могут также формироваться как взвешенная сумма рассогласований по температуре и облученности, но

уже с другими соответствующими весовыми коэффициентами.

Если реальные температура и облученность отличаются от номинальных, то на вход первого блока 5 сравнения с выхода первого сумматора 14 будет поступать заданное значение кислотности с поправкой на фактические условия работы. Это значение будет отрабатываться контурами управления кислотностью, включающего первый регулятор 6 и первый насос-дозатор 7, ана- логичнотому, как происходитописанная выше отработка номинального заданного значения кислотности.

Подобно описанному, если реальные температура и солнечная радиация (освещенность) отличаются от номинальных, то на выход второго и пятого блоков 8, 11 сравнения, с выходов второго и пятого сумматоров 17 и 20 будут поступать заданные значения концентрации ионов калия и азота соответственно с поправкой на фактические условия работы. Это значение будет отрабатываться контурами управления концентрацией, включающим второй и третий регулятора 9, 12 и второй и третий насосы- дозаторы 10, 13, аналогично тому, как происходит описанная выше отработка номинальных значений концентрации ионов калия и азота.

Таким образом, при любых изменениях внешних условий (температуры и солнечной радиации) заданные значения параметров и соотношений ионов калия и азота в растворе для их регулирования будут автоматически определяться в соответствии с фактическими условиями текущего дня. Это приводит к повышению точности управления минеральным питанием, что, в своюоче- редь, повышает качество продукции и экономит минеральные удобрения.

Экономический эффект от использования описанного устройства достигается за счет снижения отбракованной продукции по причине высокого содержания вредных минеральных соединений, а также за счет экономии минеральных удобрений.

Формула изобретения Устройство для автоматизированного приготовления питательного раствора в теплице, содержащее смесительную емкость с установленным в ней датчиком кислотности и датчиком концентрации ионов калия, подключенными к первым входам первого и второго блоков сравнения, выходы которых через первый и второй регулято- ры соединены с первым и вторым насосами-дозаторами, а также последовательно включенные датчик температуры воздуха в теплице, третий блок сравнения,

первый формирователь импульсов коррекции и первый сумматор, выход которого подключен к второму входу первого блока сравнения, третий насос-дозатор и последовательно включенные датчик радиации в

теплице, четвертый блок сравнения, второй формирователь сигналов коррекции и второй сумматор, выход которого подключен к второму входу второго блока сравнения, причем к вторым входам первого и второго

сумматоров подключены соответственно за- датчик кислотности и задатчик концентрации ионов калия, а к вторым входам третьего и четвертого блоков сравнения - соответственно задатчик температуры и задатчик радиации, при этом выход третьего блока сравнения подключен к второму входу второго формирователя.сигналов коррекции, а выход четвертого блока сравнения - к второму входу первого формирователя

сигналов коррекции, отличающееся тем, что, с целью повышения точности регулирования концентрации компонентов питательного раствора, устройство снабжено последовательно включенными третьим

формирователем сигналов коррекции, третьим сумматором и пятым блоком сравнения, а также датчиком концентрации ионов азота, подключенным к пятому блоку сравнения, задатчиком концентрации

ионов азота, соединенным с вторым входом третьего сумматора, и третьим регулятором, выход которого связан с третьим насосом- дозатором, а вход - с выходом пятого блока сравнения, причем первый и второй входы

третьего формирователя сигналов коррекции соединены с выходами третьего и четвертого блоков сравнения соответственно, а третьи и четвертые входы каждого из трех формирователей сигналов коррекции соединены с выходами соответственно двух других формирователей сигналов коррекции,

Использование: в сельском-хозяйстве, в растениеводстве защищенного грунта. Цель изобретения: повышение точности регулирования концентрации компонента питательного раствора. Сущность изобретения: устройство имеет канал регулирования кислотности, состоящий из датчика 2 кислотности, блока сравнения 5 сигналов с выхода последнего и сигналов с выхода сумматора 14, исполнительного узла, подключенного к выходу блока сравнения 5 и состоящего из регулятора 6 и насоса-дозатора 7 для изменения подачи кислоты в смесительную емкость 1. На сумматор 14 подаются сигналы с выходов задатчика 15 кислотности и формирователя 16 сигналов коррекции. Работа последнего определяется двумя факторами: отклонением от заданного значения температуры в теплице, отрабатываемым блоком сравнения 23 по сигналам датчика 24 и задатчика 25 температуры, и аналогичным образом, отклонением от заданного значения уровня солнечной радиации (облученности), отрабатываемым блоком сравнения 26 по сигналам датчика 27 и задатчика 28 солнечной радиации. Аналогичным образом построены и работают два других канала регулирования - концентрации ионов калия и ионов азота в смесительной емкости. Первый из них, аналогично каналу регулирования кислотности, имеет датчик 3 содержания ионов калия в растворе, блок сравнения 8, формирователь 19 импульсов коррекции, сумматор 17 и регулятор 9 с насосом-дозатором 10, а второй - датчик 4 содержания ионов азота в растворе, блок сравнения 11, формирователь 22 импульсов коррекции, сумматор 20 и регулятор 12 с насосом-дозатором 13. 1 ил. И 00 00 ю ю Ч|