专利名称：营养液自动检测装置的制作方法
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检测装置。
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。目前，一般都是根据经验或分析植物所需养分来增加新的各种养分。这种方法人为因素影响较大，不能准确地保证营养液中各种营养成分的稳定。传统检测仪表测试过程中也存在定位、电极斜率补偿、温度补偿和等电位调节操作等复杂的操作。
这就要求有一种营养液的自动检测装置，能够实现营养液浓度自动检测。并且结构简单、操作方便，设备的稳定性和可靠性好。能长期稳定的为无土栽培提供浓度有保证的营养液，为作物在最优营养环境下生长提供了保障。
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检测装置，不受人为因素影响，准确地保证营养液中各种营养成分的稳定。能够实现营养液浓度自动检测。并且结构简单、操作方便，设备的稳定性和可靠性好。能长期稳定的为无土栽培提供浓度有保证的营养液，为作物在最优营养环境下生长提供了保障。
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检测装置，包括检测槽、检测器件、信号预处理器、数据采集器与信号处理电路；信号处理电路有输入接口与输出接口；检测器件位于检测槽中检测检测槽中的营养液的参数电信号，检测器件依次连接信号预处理器、数据采集器；数据采集器通过输入接口连接信号处理电路；信号预处理器接收并处理检测器件检测的营养液的参数电信号，数据采集器采集信号预处理器处理后的营养液的参数电信号送到信号处理电路，信号处理电路处理营养液的参数电信号得出营养液的浓度参数，由输出接口输出。
所述的检测槽包括进液管、挡板、出液口与槽体；挡板位于槽体中将槽体分成进液区与测试区两部份；进液管设于进液区一边；出液口位于测试区上部的槽体侧板上；挡板下边与槽体底板间设有缝隙。
所述的检测槽的测试区设有一个或多个隔板将测试区分成两个或两个以上的独立测试区，每一个独立测试区分别设有一个出液口。
所述的检测槽的进液区设有一个或多个隔板将测试区分成两个或两个以上的独立进液区，每一个独立进液区分别设有一个进液管；独立进液区与独立测试区一一对应。
所述的多个进液管前端为分流槽，分流槽中部设有分流板将分流槽分成两部份，一部份连接有总进液管，另一部份连接所述的多个进液管；分流板下边与分流槽体底板间设有缝隙。
所述的检测器件包括离子选择电极、离子参比电极与温度传感器；离子选择电极、离子参比电极与温度传感器位于检测槽中，离子选择电极、离子参比电极与温度传感器连接信号预处理器；温度传感器还可以直接通过输入接口连接信号处理电路。
所述的信号预处理器为差动放大电路，包括三个放大器，第一级由两个一级放大器组成，离子选择电极与离子参比电极接两个一级放大器的正极，两个一级放大器的负极通过一个调整电阻串联；两个一级放大器的输出端接二极放大器的输入端，二极放大器的输出端接数据采集器。
所述的信号预处理器还包括低通滤波电路，低通滤波电路为RC网络；低通滤波电路连接于离子选择电极、离子参比电极与两个一级放大器的正极间。
所述的输出接口可连外部输出设备，包括显示器、数据记录器和/或打印机。
所述的输出接口可连外部输入设备，包括键盘、鼠标和/或数字化仪。
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检测装置由检测器件、信号预处理电路、数据采集器、信号处理电路及其外设组成，只需测量离子选择电极及其参比电极和温度传感器输出的信号就可计算出离子浓度，可以直接在线使用。减少了硬件电路和仪表体积，经一次标定后可连续使用，操作过程亦简单方便；计算过程快速准确，滞后时间短，测量速度较快，有利于在线检测及控制。能够实现营养液浓度自动检测。并且结构简单、操作方便，设备的稳定性和可靠性好。能长期稳定的为无土栽培提供浓度有保证的营养液，为作物在最优营养环境下生长提供了保障。
图1为本实用新型所述的营养液自动检测装置结构示意图；图2为本实用新型所述营养液自动检测装置的检测槽结构示意图左视图；图3为本实用新型所述营养液自动检测装置的检测槽结构示意图俯视图；图4为本实用新型所述营养液自动检测装置的分流槽结构示意图左视图；图5为本实用新型所述营养液自动检测装置的分流槽结构示意图俯视图；图6为本实用新型所述营养液自动检测装置的信号预处理器结构示意图。
具体实施方式
本实用新型所述的营养液自动检测装置，其具体实施方式
如图1所示一种营养液自动检测装置，包括检测槽1、检测器件、信号预处理器5、数据采集器6与信号处理电路7；信号处理电路7有输入接口与输出接口。检测器件依次连接信号预处理器5、数据采集器6；数据采集器6通过输入接口连接信号处理电路7；信号预处理器7接收并处理检测器件检测的营养液的参数电信号，数据采集器6采集信号预处理器5处理后的营养液的参数电信号送到信号处理电路7，信号处理电路7处理营养液的参数电信号得出营养液的浓度参数，由输出接口输出。
检测器件位于检测槽1中检测检测槽中1的营养液的参数电信号，检测器件包括离子选择电极2、离子参比电极3与温度传感器4；离子选择电极2、离子参比电极3与温度传感器4位于检测槽1中，离子选择电极2、离子参比电极3与温度传感器4连接信号预处理器5；温度传感器4还可以直接通过输入接口连接信号处理电路7。
输出接口可连外部输出设备，包括显示器9、数据记录器10和/或打印机11。
输出接入可连外部输入设备，包括键盘8、还可连接鼠标和/或数字化仪。
如图2所示所述的检测槽1包括进液管12、挡板13、出液口14与槽体15；挡板13位于槽体15中将槽体15分成进液区16与测试区17两部份；进液管12设于进液区16一边；出液口14位于测试区17上部的槽体15侧板上；挡板13下边与槽体15底板间设有缝隙。
采用这种设计的原因是，在进行在线离子浓度检测时，要求营养液是慢速流动的，一端进液，另一端出液。为了保证一定的液高，方便电极测量，出液端的出液口14应有一定高度。这种检测槽1有一个问题，就是营养液可能仅仅从液面流走，没有经过溶液的中下部。也就说，检测槽1中，中下部的液体并没有流动(或流速极慢)。这样检测电极就不能正确检测出实际液体参数的变化。为了解决这个问题，采用上述方案，在检测槽1的中间加一块挡板13，迫使营养液从检测槽1的下部流过。通过这种结构，能让检测电极检测到循环的营养液，保证检测的正确。
另外，对于不同的检测电极之间可能会存在电极间的干扰，因此，将各组检测电极分开测量是必要的。这样可以采用的检测槽1如附图3所示。测试区17设有一个或多个隔板18将测试区17分成两个或两个以上的独立测试区19，每一个独立测试区19分别设有一个出液口14。检测槽1的进液区16也可设有一个或多个隔板18将测试区16分成两个或两个以上的独立进液区20，每一个独立进液区20分别设有一个进液管12；独立进液区20与独立测试区19一一对应。这种结构，既能保证营养液的充分循环，又使各组电极分开测量，避免极间干扰。每个小格的尺寸都是5×10×15(cm3)。离子选择电极约10cm，为了保证电极的顶端处于营养液的中部，我们的出液孔开在高12cm处。这种检测槽1的结构设计有一个问题，将一个进液管13分多路进液，造成各路进液管13液体流动不一致，因此可采用如附图4与图5所示的分流槽。分流槽中部设有分流板21将分流槽分成两部份，一部份连接有总进液管22，另一部份连接所述的多个进液管12；分流板21下边与分流槽体底板间设有缝隙。由于只有一个总进液管22，故使用这种槽结构能使液分多路。通过溢出方式出液，能使水流均匀一些。但由于进液管12位于中部，在它的冲击下，会使中间的出液管12流速很快，两侧的出液管12流速较低。于是在槽的中部加分流板21，出液管12的水流相对平稳和均匀。其多路出液口12刚好对应营养液检测槽1的多个独立进液区20。
信号预处理器5如图6所示采用差动放大电路，包括三个放大器，第一级由两个一级放大器组成，离子选择电极与离子参比电极经RC网络接两个一级放大器的正极，两个一级放大器的负极通过一个调整电阻串联；两个一级放大器的输出端接二极放大器的输入端，二极放大器的输出端接数据采集器。所述的信号预处理器5还包括低通滤波电路为RC网络。
应用上述营养液自动检测装置的检测方法为首先，将信号检测器件置于标准溶液中，测得不同温度下与离子浓度有关的电极输出电压信号以及相应的温度信号，并进行常规的处理和转换，然后送入信号处理电路中，根据逐步拟合法计算温度补偿公式M＝10a′+b′t+(c′+d′t)V中的参数，并将该参数存储在信号处理电路的相应软件中、得到标定的温度补偿公式；其次，将信号检测器件的检测头置于被测溶液中，测得不同温度下与离子浓度有关的电极输出电压信号以及相应的温度信号，并进行常规的处理和转换，然后送入信号处理电路中，再根据已标定的温度补偿公式直接计算出实际的离子浓度数值，并将该离子浓度值传输到数据显示器和/或记录器、其他外部设备上。
或者首先，将已标定的参数存储在信号处理电路的相应软件中、得到标定的温度补偿公式；其次，将信号检测器件的检测头置于被测溶液中，测得不同温度下与离子浓度有关的电极输出电压信号以及相应的温度信号，并进行常规的处理和转换，然后送入信号处理电路中，根据已标定的温度补偿公式直接计算出实际的离子浓度数值，并将该离子浓度值传输到显示器和/或记录器、其他外部设备上。
离子选择电极及其参比电极插入被测溶液中，它们构成一个电化学体系(等价于化学电池)被测离子与离子选择电极的选择膜发生电化学反应形成一个与离子浓度有关的电位E，参比电极则始终保持一个稳定的电位E0，离子选择电极及其参比电极作为化学电池的两极，其输出电压V＝E-E0与被测溶液的离子浓度和温度有关。在恒定的温度下，该输出电压与被测离子浓度之间的关系符合能斯特原理，因此可以将电压信号转换成离子浓度信号；但当温度发生变化时，其输出电压与被测离子浓度之间的关系就发生了变化。
在电化学理论中，当原电池中发生的化学反应是aA+bB+…+ne cC+dD+…则能斯特方程表示式为E=E0+RTnFln[A]a[B]b...[C]c[D]d...]]>直接使用能斯特方程分析溶液中的离子浓度不但非常困难，也是不必要的，因为对方程中各个参数产生扰动的因素很多。本发明提出，将温度变量作为离子选择电极响应模型的自变量，通过建模的方法加以补偿。经过大量的实验可以得到下述结论，即离子浓度对数的系数以及电压初始值参数都可近似为关于温度的一次线性函数，由此可得到简化后的离子选择电极模型V＝a+bt+(c+dt)logM……………………(1)
式中V为电极输出电压，M为离子浓度，a、b、c和d为待定系数。若以温度和电极输出电压为自变量，离子浓度对数为因变量，则近似得到下式logM＝a′+b′t+(c′+d′t)V………………………(2)只要标定出式中a、b′、c′和d′，那么离子浓度测量模型可由下列温度补偿公式表示M＝10a′+b′t+(c′+d′t)V……………(3)在温度补偿公式中所采用的具体参数a、b′、c′和d′应根据具体被测溶液类型以及所选用的离子选择电极及其参比电极进行标定。
标定方法为取至少两份与被测离子相同的已知浓度标准溶液，在至少两种温度下测定其具体的与离子浓度和温度有关的电信号，然后通过测量得到的数据以及下列标定步骤(简称其为逐步拟合法)计算所需的温度补偿公式中的参数。
步骤一配制某浓度的标准溶液，通过改变溶液的温度，得到一组(至少两个温度点)该浓度下的电极输出电压和温度之间的关系数据，然后改变标准溶液的浓度，测出另一个浓度下标准溶液的电极输出电压和温度的关系。设一共测量了n组，并由此得到一个数据集ET。
步骤二采用最小二乘法拟合该数据集ET，得到直线集合{li|V＝ai+bit，i＝1，2，3…n.}通过上述方法建立的直线集合，我们可以得到某个温度下电极输出电压和浓度对数之间的关系。
步骤三基于离子选择电极电化学理论和实测数据分析，一次曲线簇可以很好的拟合不同温度下的浓度(对数)——电压特性。所以不同温度(设有m个温度)下的拟合曲线又构成一个直线集合{ki|D＝ei+fiV，i＝1，2，3…m}其中D为溶液离子浓度的对数值，V为离子选择电极与其参比电极的电位差(即电极输出电压，单位mV)，i为与一系列温度对应的下标。
步骤四在直线集合中每一条直线截距el和对应温度Tl构成样本对(el，Tl)以及集合中每一条直线斜率fl和对应温度Tl构成样本对(fi，Tl)，它们都呈线性关系。通过最小二乘法对它们进行拟合，拟合后即可得到公式(3)中的a、b′、c′和d′，从而确定具体标定的温度补偿公式。对于所选用的离子选择电极及其参比电极，经一次标定后即可连续使用。
具体的计算过程可通过存储在信号处理电路7中的相应软件来完成，操作者可根据具体情况、通过操作键盘10输入相应的参数或指令，使营养液自动检测系统完成相应的功能。
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1.一种营养液自动检测装置，其特征在于，包括检测槽、检测器件、信号预处理器、数据采集器与信号处理电路；信号处理电路有输入接口与输出接口；检测器件位于检测槽中检测检测槽中的营养液的参数电信号，检测器件依次连接信号预处理器、数据采集器；数据采集器通过输入接口连接信号处理电路；信号预处理器接收并处理检测器件检测的营养液的参数电信号，数据采集器采集信号预处理器处理后的营养液的参数电信号送到信号处理电路，信号处理电路处理营养液的参数电信号得出营养液的浓度参数，由输出接口输出。
2.根据权利要求1所述的营养液自动检测装置，其特征在于，所述的检测槽包括进液管、挡板、出液口与槽体；挡板位于槽体中将槽体分成进液区与测试区两部份；进液管设于进液区一边；出液口位于测试区上部的槽体侧板上；挡板下边与槽体底板间设有缝隙。
3.根据权利要求2所述的营养液自动检测装置，其特征在于，所述的检测槽的测试区设有一个或多个隔板将测试区分成两个或两个以上的独立测试区，每一个独立测试区分别设有一个出液口。
4.根据权利要求3所述的营养液自动检测装置，其特征在于，所述的检测槽的进液区设有一个或多个隔板将测试区分成两个或两个以上的独立进液区，每一个独立进液区分别设有一个进液管；独立进液区与独立测试区一一对应。
5.根据权利要求4所述的营养液自动检测装置，其特征在于，所述的多个进液管前端为分流槽，分流槽中部设有分流板将分流槽分成两部份，一部份连接有总进液管，另一部份连接所述的多个进液管；分流板下边与分流槽体底板间设有缝隙。
6.根据权利要求1所述的营养液自动检测装置，其特征在于，所述的检测器件包括离子选择电极、离子参比电极与温度传感器；离子选择电极、离子参比电极与温度传感器位于检测槽中，离子选择电极、离子参比电极与温度传感器连接信号预处理器；温度传感器还可以直接通过输入接口连接信号处理电路。
7.根据权利要求1所述的营养液自动检测装置，其特征在于，所述的信号预处理器为差动放大电路，包括三个放大器，第一级由两个一级放大器组成，离子选择电极与离子参比电极接两个一级放大器的正极，两个一级放大器的负极通过一个调整电阻串联；两个一级放大器的输出端接二极放大器的输入端，二极放大器的输出端接数据采集器。
8.根据权利要求7所述的营养液自动检测装置，其特征在于，所述的信号预处理器还包括低通滤波电路，低通滤波电路为RC网络；低通滤波电路连接于离子选择电极、离子参比电极与两个一级放大器的正极间。
9.根据权利要求1所述的营养液自动检测装置，其特征在于，所述的输出接口可连外部输出设备，包括显示器、数据记录器和/或打印机。
10.根据权利要求1所述的营养液自动检测装置，其特征在于，所述的输出接口可连外部输入设备，包括键盘、鼠标和/或数字化仪。
专利摘要本实用新型所述的营养液自动检测装置由检测器件、信号预处理电路、数据采集器、信号处理电路及其外设组成，只需测量离子选择电极及其参比电极和温度传感器输出的信号就可计算出离子浓度，可以直接在线使用。减少了硬件电路和仪表体积，经一次标定后可连续使用，操作过程亦简单方便；计算过程快速准确，滞后时间短，测量速度较快，有利于在线检测及控制。能够实现营养液浓度自动检测。并且结构简单、操作方便，设备的稳定性和可靠性好。能长期稳定的为无土栽培提供浓度有保证的营养液，为作物在最优营养环境下生长提供了保障。
文档编号A01G31/00GK2807764SQ200520110
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
发明者秦琳琳, 孙德敏, 薛美盛, 王永, 吴刚 申请人:中国科学技术大学