专利名称：营养液自动循环装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及农业、林业及种植业实现无土栽培技术领域，尤其涉及一种无土栽培的营养液自动循环装置。
背景技术：
20世纪70年代以来，可控环境农业得到了广泛的研究与发展，以满足对各种农业产品的质量、产量、产地、反季节、环保与可持续发展等的要求。可控环境农业的一个主要的方向就是应用植物营养液实现植物的无土栽培。无土栽培属农业高新技术的重要组成部分，与传统的土壤栽培相比，具有保护环境、节约用水、克服连茬障碍等特点。无土栽培一般不受土壤条件的限制，栽培地点选择的余地大，空闲荒地、沙滩地、盐碱地、山坡薄地均可用于无土栽培。同时，还可减轻病虫害对农作物的侵染，也防止了在土壤栽培中因施用人体排泄物带来的寄生虫卵，产品清洁卫生。
但是，目前的无土栽培技术存在一个突出的问题，就是当植物从营养液中吸收出养分后，需要加入新的各种养分，以满足植物的需求；通常的做法是取栽培床中的营养液做一下检测，根据检测结果再加入定量对应的养分。由于营养液的检测不能时时进行，只能隔一段时间进行一次，检测完成后才能加入对应的养分。这样一来就不能保证栽培床中的营养液时时都能满足植物的要求。同时这种方法护理起来也麻烦，不适应大规模的生产。
这就要求有一种营养液的自动循环装置，能够实现营养液自动控制、检测与循环。并且结构简单、操作方便，设备的稳定性和可靠性好。能长期稳定的向植物提供各种养分使作物能够正常生长并完成其整个生命周期。
发明内容
鉴于上述现有技术所存在的问题，本实用新型的目的是提供一种营养液自动循环装置，能够实现营养液自动控制、检测与循环。并且结构简单、操作方便，设备的稳定性和可靠性好。能长期稳定的向植物提供各种养分使作物能够正常生长并完成其整个生命周期。
本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的一种营养液自动循环装置，包括储液池、供液回路、检测及标定装置、配液装置及控制装置；供液回路连接储液池与应用装置；检测及标定装置连接储液池，配液装置连接储液池；控制装置控制供液回路实现营养液在储液池与应用装置间循环，控制装置控制检测及标定装置检测营养液成分的参数并根据此参数控制配液装置。
所述的供液回路包括供液管道、供液泵与回流管道；供液泵位于供液管道上将储液池中的营养液输送至应用装置，应用装置中的营养液由回流管道回流至储液池。
所述的检测及标定装置包括采样管路、营养液测量池、回液管与测量装置；采样管路接于供液管道上与储液池连通，将储液池中的营养液输送至营养液测量池，营养液测量池中的营养液通过回液管流回储液池；测量装置检测营养液测量池中的营养液成分；所述的采样管路上还可设有进液阀。
所述的测量装置包括离子选择电极及参比电极输出电路、信号处理电路、数据采集电路、数据处理电路与控制输出电路；数据处理电路根据数据采集电路采集的信号处理电路从离子选择电极及参比电极输出电路的获得的电信号，由控制输出电路输出控制信号，控制配液装置。
所述的选择离子电极及参比电极输出电路采用差动放大电路，包括三个放大器，第一级由两个放大器组成，选择电极接第一放大器的正极，参比电极接第二放大器的负极；第一放大器的负极与第二放大器的正极通过一个调整电阻串联；第一放大器的输出端接二极放大器的负极，第二放大器的输出端接二级放大器的正极；二级放大器的输出端接信号处理电路。
所述的配液装置包括供水管路与供原液管路；分别由控制装置控制向储液池中加入相应的水或物料原液。
所述的供水管路包括进水管与进水浮球阀，进水浮球阀设于进水管上，控制储液池中的水量。
所述的供原液管路包括一组进料阀门组、一个或多个进料浮球阀和原液储罐；所有进料浮球阀连接进料阀门组入口，进料阀门组出口连接储液池。
所述的进水浮球阀或进料浮球阀由控制装置控制动作，控制加入原液的量或水量。
所述的储液池中还设有搅拌器，将储液池中的营养液搅拌均匀。
由上述本实用新型提供的技术方案可以看出，本实用新型所述的营养液自动循环装置包括储液池、供液回路、检测及标定装置、配液装置及控制装置；供液回路连接储液池与应用装置；检测及标定装置连接储液池，配液装置连接储液池；控制装置控制供液回路实现营养液在储液池与应用装置间循环，控制装置控制检测及标定装置检测营养液的参数并根据此参数控制配液装置。也就是说，控制装置根据温度补偿公式以及相应的检测信号，直接计算出实际的离子浓度，并对离子浓度执行实时的控制与自动循环。能够实现营养液自动控制、检测与循环。并且结构简单、操作方便，设备的稳定性和可靠性好。能长期稳定的向植物提供各种养分使作物能够正常生长并完成其整个生命周期。
图1为本实用新型所述的营养液自动循环装置结构示意图；图2为本实用新型所述营养液自动循环装置的测量装置结构示意图；图3为本实用新型所述营养液自动循环装置的离子电极及参比电极输出电路示意图；图4为钾离子在不同温度和浓度下的电压值曲线图。
具体实施方式
本实用新型所述的营养液自动循环装置，其具体实施方式
如图1所示在无土栽培的营养液上应用时的一种营养液自动循环装置，包括储液池3、供液回路、检测及标定装置、配液装置及控制装置18；供液回路包括供液管道14、供液泵5与回流管道15；供液泵5位于供液管道14上将储液池3中的营养液输送至应用装置4，应用装置4中的营养液由回流管道15回流至储液池3。
检测及标定装置包括采样管路13、营养液测量池2、回液管16与测量装置1；采样管路13接于供液管道14上与储液池3连通，将储液池3中的营养液输送至营养液测量池2，营养液测量池2中的营养液通过回液管16流回储液池3；测量装置1检测营养液测量池2中的营养液；采样管路上还可设有进液阀6，回液管上还可设有回液阀12。
如图2所示，测量装置1包括离子选择电极及参比电极输出电路、信号处理电路、数据采集电路、数据处理电路与控制输出电路；数据处理电路根据数据采集电路采集的信号处理电路从离子选择电极及参比电极输出电路的获得的电信号，由控制输出电路输出控制信号，控制配液装置。
如图3所示，离子选择电极及参比电极输出电路采用差动放大电路，包括三个放大器，第一级由两个放大器组成，选择电极接第一放大器的正极，参比电极接第二放大器的负极；第一放大器的负极与第二放大器的正极通过一个调整电阻串联；第一放大器的输出端接二级放大器的负极，第二放大器的输出端接二级放大器的正极；二级大器的输出端接信号处理电路。
配液装置包括供水管路与供原液管路；分别由控制装置控制向储液池中加入相应的水或物料原液。供水管路包括进水管17与进水浮球阀7，进水浮球阀7设于进水管17上，控制储液池3中的水量。供原液管路包括一组进料阀门组11、一个或多个进料浮球阀8和原液储罐9；所有进料浮球阀9连接进料阀门组11入口，进料阀门组11出口连接储液池3。进水浮球阀7或进料浮球阀8由控制装置18控制动作，控制加入原液的量。
储液池3中还设有搅拌器10，将储液池3中的营养液搅拌均匀。
下面介绍一下本实用新型所述的营养液自动循环装置应用到无土栽培的营养液自动循环具体工作方式与原理营养液自动循环装置的检测及标定装置由以下两个部分组成1)营养液检测装置；2)离子选择电极自动标定装置。下面分别介绍。
1)营养液检测装置。由离子选择电极、参比电极与待测溶液所组成的测量电池可等效为一个化学原电池，它具有电动势E和内阻γ。测量其电动势是我们的目的。由于电池内阻γ存在，使得电动势不可能全部降落在外电路上。这个内阻是由离子选择电极内阻、参比电极内阻(一般≤104Ω)和溶液内阻(一般≤103Ω)所构成。其中离子选择电极敏感膜本身的体电阻(约为≤106Ω)是主要的。
为了保证测量电动势E的准确性，电池外电路电阻R值应比电极内阻γ高3个数量级以上，否则当输入阻抗仅比电极内阻高一、二个数量级时，在测量中有时就会观察到不稳现象。这是由于电极内阻和仪器输入阻抗并非一个完全稳定的常数，他们随着温度、体系和使用条件的不同会有所变化，所以仪器就不能得到一个稳定的电压值。所以我们采取了很多措施提高仪器输入电路的绝缘性能。离子选择电极的工作环境是比较恶劣的，离子选择电极和参比电极的两个输出端经常产生较大的共模干扰信号。针对这种情况我们采用三个ICL7650组成的差动放大电路，如图3所示该电路的第一级是两个对称的同相放大器，它不仅提高了输入阻抗和共模抑制比，而且变双端输入为单端输出。通过调整电阻RG的大小可改变放大倍数。由第一级放大所得到的电压信号再经过第二级放大，即可进行A/D转换，并通过计算机采集进行分析处理。上述电路即属于信号预处理电路。
在功能上，营养液检测装置可以实现对营养液中氮、钾、钙三种主要元素的离子浓度及温度、PH值、EC值的实时测定。
2)离子选择电极自动标定装置。离子选择电极和参比电极浸泡在被测溶液中组成测量电池，在实际应用中，模型中的系数会随时间缓慢变化，这与电极敏感膜在溶液中的浸泡及溶解有关。从我们的实验数据来看，电压的基线漂移所造成的误差很大，必须通过校正来改变电压的基准点才能减小检测误差，具体分析如下从图4可以看到5.6mmol和7.00mmol溶液的曲线纵坐标高度总体高了。它们是在用同一对钾离子选择电极及其参比电极在同一个实验室几乎完全相同的外界环境下测量的，使用的是同一个磁力搅拌器，转速也是一样的。溶液浓度的精度可以保证。唯一不同的是5.6mmol和7.00mmol这两个浓度是在测量后三个浓度的前一天检测的。这里涉及到了电极的稳定性和重现性问题以及不对称电压问题。电极的稳定性是指在恒温条件下，能斯特方程中的E0值可在多长时间内保持稳定。其衡量标准有两条电极漂移程度和电极的重现性。它完全由电极材料的特性和内参比电极的稳定程度决定。随着电极使用时间的增长，电极性能将下降，电极漂移程度也将逐渐变大。电极电位漂移与构成电极的敏感活性物质膜在溶液中的浸泡和溶解有关。电极的重现性指将电极从103M溶液转移到102M溶液，反复转移三次所得到电位的平均偏差。在温度为25±2℃，两溶液温差小于0.5℃的条件下，分别测量两种溶液的电极电压。连续测量三次后其最大测量电压偏差即标志了此电极重现性的好坏。它的好坏取决于电极性能和电极“记忆效应”，或者称之为滞后现象。当被测溶液浓度改变后，再回到它的原始浓度时，所测的电压与开始测得的原始浓度电压不同，这就是电极的滞后现象。如果离子选择电极的内外部溶液相同，内外参比电极相同，并且敏感膜的两边具有共同性质，则由离子选择电极，参比电极和被测溶液所组成的化学电池电动势应该为零。但是在实际测量中，总存在一个mV级的电位，称之为不对称电位。它随着时间缓慢的变化，在实际测量中发现，当电极开始测试时，以及使用一段时间后测试时，不对称电位的大小是不同的，开始时较大，后逐步趋近一个稳定值。
离子选择电极性能的优劣直接影响到建模测量的准确性。从我们所测试的数据可以看出，我们使用的江苏江分电分仪器总公司的401型钾电子选择电极，经过我们的实验分析它总的电压漂移在7mV/12h左右。从以上分析可以得出结论，我们在实际的营养液循环装置中，对于用最小二乘法得到的模型必须校正才能用它来检测营养液中的离子浓度。根据电极自身的特性，我们可以确定校准的间隔时间。最终的设计方案是在计算机的控制下采用光电自动标定仪实现营养液离子浓度的自动标定。
营养液控制装置18的工作原理与工作方式为营养储液池3储存配制好的营养液，栽培的植物固定在栽培床也就是应用装置4上，营养液周期性的流过根系，在根系表面形成一层营养液膜，根系从中吸取水分和所需的矿物质养料。控制装置18根据检测结果，按照专家给出的各变量设定值，按照相应控制算法给出各种营养母液的添加量。控制装置18控制进料阀门组11，完成营养液的添加。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式
，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
权利要求1.一种营养液自动循环装置，其特征在于，包括储液池、供液回路、检测及标定装置、配液装置及控制装置；供液回路连接储液池与应用装置；检测及标定装置连接储液池，配液装置连接储液池；控制装置控制供液回路实现营养液在储液池与应用装置间循环，控制装置控制检测及标定装置检测营养液成分的参数并根据此参数控制配液装置。
2.根据权利要求1所述的营养液自动循环装置，其特征在于，所述的供液回路包括供液管道、供液泵与回流管道；供液泵位于供液管道上将储液池中的营养液输送至应用装置，应用装置中的营养液由回流管道回流至储液池。
3.根据权利要求1所述的营养液自动循环装置，其特征在于，所述的检测及标定装置包括采样管路、营养液测量池、回液管与测量装置；采样管路接于供液管道上与储液池连通，将储液池中的营养液输送至营养液测量池，营养液测量池中的营养液通过回液管流回储液池；测量装置检测营养液测量池中的营养液成分；所述的采样管路上还可设有进液阀。
4.根据权利要求3所述的营养液自动循环装置，其特征在于，所述的测量装置包括离子选择电极及参比电极输出电路、信号处理电路、数据采集电路、数据处理电路与控制输出电路；数据处理电路根据数据采集电路采集的信号处理电路从离子选择电极及参比电极输出电路的获得的电信号，由控制输出电路输出控制信号，控制配液装置。
5.根据权利要求4所述的营养液自动循环装置，其特征在于，所述的选择离子电极及参比电极输出电路采用差动放大电路，包括三个放大器，第一级由两个放大器组成，选择电极接第一放大器的正极，参比电极接第二放大器的负极；第一放大器的负极与第二放大器的正极通过一个调整电阻串联；第一放大器的输出端接二极放大器的负极，第二放大器的输出端接二级放大器的正极；二级放大器的输出端接信号处理电路。
6.根据权利要求1所述的营养液自动循环装置，其特征在于，所述的配液装置包括供水管路与供原液管路；分别由控制装置控制向储液池中加入相应的水或物料原液。
7.根据权利要求6所述的营养液自动循环装置，其特征在于，所述的供水管路包括进水管与进水浮球阀，进水浮球阀设于进水管上，控制储液池中的水量。
8.根据权利要求6所述的营养液自动循环装置，其特征在于，所述的供原液管路包括一组进料阀门组、一个或多个进料浮球阀和原液储罐；所有进料浮球阀连接进料阀门组入口，进料阀门组出口连接储液池。
9.根据权利要求7或8所述的营养液自动循环装置，其特征在于，所述的进水浮球阀或进料浮球阀由控制装置控制动作，控制加入原液的量或水量。
10.根据权利要求1所述的营养液自动循环装置，其特征在于，所述的储液池中还设有搅拌器，将储液池中的营养液搅拌均匀。
专利摘要本实用新型所述的营养液自动循环装置包括储液池、供液回路、检测及标定装置、配液装置及控制装置；供液回路连接储液池与应用装置；检测及标定装置连接储液池，配液装置连接储液池；控制装置控制供液回路实现营养液在储液池与应用装置间循环，控制装置控制检测及标定装置检测营养液的参数并根据此参数控制配液装置。也就是说，控制装置根据温度补偿公式以及相应的检测信号，直接计算出实际的离子浓度，并对离子浓度执行实时的控制与自动循环。能够实现营养液自动控制、检测与循环。并且结构简单、操作方便，设备的稳定性和可靠性好。能长期稳定的向植物提供各种养分使作物能够正常生长并完成其整个生命周期。
文档编号A01G31/00GK2807765SQ200520110
公开日2006年8月23日 申请日期2005年6月24日 优先权日2005年6月24日
发明者王永, 薛美盛, 秦琳琳, 王俊, 吴刚 申请人:中国科学技术大学