基于自動控制的水肥灌溉裝置設計探究

任應宏

（臨洮縣洮河灌區服務中心洮惠渠八里鋪所，甘肅 定西 730500）

我國耕地和水資源人均占有量都低于世界平均水平，農業是用水量最多的產業之一，面臨著水資源短缺和浪費的雙重問題[1]。在農田灌溉中一半以上的有效灌溉面積仍然沿用傳統的灌溉方式，農田灌溉用水效率不高。加上受個人承包制的影響，大多數農村灌溉農田屬于小型農田，灌溉設備的普及率很低，尤其是新型水肥一體化灌溉設備的推廣應用更是匱乏，嚴重影響了農業現代化發展進程[2]。隨著科學技術的快速發展，農業機械產品的研發也越來越受到重視，節水灌溉裝備具有投入低、耗能少、效率高等特點，十分適宜在農田灌溉中推廣[3]。為有效緩解水土資源短缺問題，提高農田灌溉效率，減輕農戶勞動負擔，科學控制水肥灌溉量，研發適合中小型農田水肥灌溉設備很有必要。

1 水肥自動控制灌溉裝置的優點

水肥是指以含氮量較高的地下水為水源所進行的灌溉[4]。地下水中的氮素主要來源于居民點生活污水、糞便以及植物的枯枝落葉等有機物質，其經生物化學分解后，通過雨水淋溶進入下層土壤，逐漸聚集、增濃，形成具有一定肥效的、含氮素的地下水，也被簡稱肥水[5]。肥水多分布于居民點附近的淺層含水層中，以肥水灌溉農田時往往采用各種灌溉裝置。采用傳統的水肥灌溉裝置灌溉時難以確定水肥輸送量，水肥過量施用容易引起作物枯竭[6]。因此，需要改進水肥灌溉裝置，有效控制水肥灌溉量，提升農作物灌溉效率。筆者設計的一種水肥灌溉自動控制裝置，屬于水肥灌溉技術領域。該水肥灌溉自動控制裝置經由水流的流量完成對肥水量的控制，從而降低肥水過多施用導致作物枯竭的概率。

2 設計原理

1）組成部分：水肥灌溉自動控制裝置包括輸出座和流量控制機構，輸出座的上端面設防護罩，輸出座的兩端分別穿插輸水管，輸出座內部的一端設輸水泵，輸水泵與輸出座一端的輸水管相通，輸水泵遠離輸水管的一端設流量管，流量管遠離輸水泵的一端連通流量控制機構，流量控制機構遠離流量管的另一端設與另一端輸水管連通的錐形口，輸出座與防護罩的連接處有檢修蓋，檢修蓋的上端面設與輸水泵和流量控制機構連接的延展架。其中，流量控制機構包括流量框和流量架，流量框兩端分別與流量管相通，流量框的上端面設延展筒；延展筒的內部設流量裝置，流量裝置延伸入流量框內的一端設兩根流量架，兩根流量架遠離流量裝置的一端中部插接旋轉軸，旋轉軸的外緣面插接流量標；延展筒延伸入檢修蓋的一端設信號輸出裝置，信號輸出裝置與流量裝置電性連接；延展架的上端面架設主控制器和主電源，延展架的一端與輸水泵電性連接；輸出座的兩側分別設并列排布的架設座，架設座的下端面均設防滑墊。水肥灌溉自動控制裝置設計圖如圖1所示。

圖1 水肥灌溉自動控制裝置設計圖

2）技術效果：水肥灌溉自動控制裝置由于設立了延展架，使得主控制器和主電源的整體與流量控制機構的內部脫離，同時由于延展架的脫離，使得流量控制機構的內部在泄漏后難以對主控制器和主電源造成影響，從而降低引發短路的概率。裝置中流量管的設立，經由輸水泵帶動的肥水通過流量管流淌入流量框的內部，從而帶動流量管轉動，經由流量管的旋轉速率轉換為信號后傳遞給信號輸出裝置，從而達到較為精確地掌控肥水流量的效果。

3 實施方式

如圖1所示，水肥灌溉自動控制裝置包括輸出座和流量控制機構，輸出座的上端面設防護罩，輸出座的兩端分別穿插輸水管，輸出座的兩側分別設并列排布的架設座，架設座的下端面均設防滑墊，輸出座通過架設座與地面支撐，同時架設座通過防滑墊保持與地面的摩擦力，從而降低輸出座運行時產生振動造成位移的概率。

水肥灌溉自動控制裝置實施電路框圖如圖2所示。輸出座內部的一端設輸水泵，輸水泵與輸出座一端的輸水管相通，輸水泵遠離輸水管的一端設流量管，輸水泵通過輸水管從外部水源處汲取肥水。肥水在經由輸水泵的輸送后轉移至流量管的內部，通過流量管進入流量控制機構完成對肥水流量的測量。流量管遠離輸水泵的一端連通流量控制機構，流量控制機構包括流量框和流量架。流量框的兩端分別與流量管相通，流量框的內部設導向座，流量框的上端面設延展筒，延展筒的內部設流量裝置，流量裝置延伸入流量框內的一端設兩根流量架，兩根流量架遠離流量裝置的一端中部插接旋轉軸，旋轉軸的外緣面插接流量標，流量管內的肥水流入流量控制機構的流量框內部，通過導向座完成對水流的導向，從而使得水流可以在內部流過流量標。由于流量標采用蝶形設計，因此流量標在水流經過時會在水流的驅動下帶動旋轉軸完成轉動。旋轉軸與兩根流量架的連接處設電磁座，通過旋轉軸的旋轉完成信號流向流量裝置的傳遞，從而完成對流量的把握，流量裝置可采用LDGMIK-ZA等型號[7]。延展筒延伸入檢修蓋的一端設信號輸出裝置，信號輸出裝置與流量裝置電性連接，流量裝置傳輸的電信號，通過信號輸出裝置完成信號接收與輸出工作，從而完成對流量的把握，方便在流量達到設定閾值后停止，信號輸出裝置可選用ZXR10 M6000-8S Plus等型號[8]。流量控制機構遠離流量管的另一端設與另一端輸水管連通的錐形口，輸出座與防護罩的連接處卡合有檢修蓋，檢修蓋的上端面設與輸水泵和流量控制機構連接的延展架，延展架的上端面架設主控制器和主電源，延展架的一端與輸水泵電性連接，信號輸出裝置接收了流量裝置的信號后傳輸至主控制器，完成對總設定閾值的匯總。當肥水的流量達到設定的閾值后，主控制器通過延展架將輸水泵關閉，從而完成中止輸水，主控制器可選用HH-N05S等型號[9-10]。

圖2 實施電路框圖

使用該水肥灌溉自動控制裝置時首先將輸水管與外部水源連接，從而完成對肥水的汲取。連接后通過驅動輸水泵，使得外部水源內的肥水通過輸水泵注入流量管的內部，肥水隨后進入流量管通過流量控制機構的內部控制肥水流量；肥水經由流量管進入流量控制機構的流量框內部后，由于肥水在內部會流經流量標，又由于流量標采用蝶形設計，因此流量標在水流經過時會在水流的驅動下帶動旋轉軸完成轉動[11]。旋轉軸轉動時，驅動與兩根流量架的連接處設電磁座，從而產生電信號，信號流隨后向流量裝置傳遞[12]；流量裝置的信號通過信號輸出裝置完成接收后再通過信號輸出裝置向主控制器傳輸，當到達指定水流閾值時，主控制器通過延展架將輸水泵關閉，從而中止輸水。

4 結語

本文設計的水肥灌溉自動控制裝置可在一定程度上解決農田灌溉中水肥灌溉量難以控制的問題，能夠有效減少水肥資源浪費，提高農作物灌溉效率。但是還存在一定的問題，比如流量感應信號不準確、水肥中雜質對流量的影響等，需要繼續加大研發力度。相信通過一系列的努力，水肥灌溉自動控制裝置會更先進，為推進農田灌溉現代化進程作出更大貢獻。