水肥一体机施肥泵保护控制方法与流程

本发明涉及水肥一体机，尤其涉及一种水肥一体机施肥泵保护控制方法。

背景技术：

1、旁路式水肥一体机已在水肥灌溉中广泛使用，它能够满足多路肥料液体独立或共同吸肥输入，然后和灌溉水混合后对农作物进行灌溉。水肥一体机工作时先打开和主管道连接的灌溉泵，利用灌溉泵为主管道提供压力、流量，流量稳定后再进行吸肥工作：打开旁路管道中的施肥泵后水会从主管道混合段末端吸入旁路管道，然后再经文丘里管、施肥泵、旁路管道又回到主管道混合段初端，旁路管道水流量远小于主管道流量，随着进入文丘里管进口水流量增加，据文丘里原理，文丘里管喉部(连接吸肥口)压力将会下降，当小于肥料桶液体液面压力时，肥料桶的液体就会经吸肥口进入文丘里管，进行一次混合，再通过施肥泵、旁路管道进入主管道混合段初端进行二次混合，混合后的水肥液体大部分通过主管道出口输出实现对农作物灌溉。

2、由于肥料桶通常是敞开式放置在地面，在吸肥过程随着桶内液面的高度下降，液面可能会低于文丘里管喉部高度，所以吸肥过程一般要求文丘里管喉部处于负压状态以便能够持续吸肥。

3、文丘里管的结构如附图1所示，其流量和压力间关系参考公式(1-1)，流量q和进口、喉部的压差根呈正向比例。同时文丘里管工作过程，会产生压损(文丘里管进出口压差)，进出的压差和流速(量)关系参考公式(1-2)，呈正向比例。旁路管道中的施肥泵就是提供文丘里管工作的动力源，为其提供流量和补偿压损；

4、公式(1-1)：

5、公式(1-2)：δp＝kρv2/2；

6、其中k为文丘里管阻力系数；ρ为流体密度；s1为入口段管道截面积，v1为入口段流体流速，p1为入口段流体压力；s2为喉口段管道截面积，v2为喉口段流体流速；p2为喉口段流体压力；

7、由于灌溉场所中果园、林地的地势是有高低落差的，当灌溉不同区域时，水肥一体机要根据地势调整主管的管道压力，以满足灌溉扬程要求，达到更好的施肥效果，避免低处灌溉压力过大、高处灌溉压力过小。在实际使用中，一般要求灌溉主管道压力可在0.10～0.3mpa范围内调节。

8、从公式(1-1)可以看出，当文丘里管进口压力(灌溉主管道压力)增大时，要保持使文丘里管喉口处压力不变时(保持吸肥量不变)，则文丘里管进口、喉部的压差根也随之增大，即对应的文丘里管流量(速)也要增大，依据公式(1-2)可知，压损也要增大(流速增大)，所以此时施肥泵的流量和补偿压损也将增大，故施肥泵参数选型就是根据所有文丘里管打开时灌溉主管道工作最大工作压力时吸肥量能达到最大要求时设计的。

9、水肥一体机在工作过程中降低灌溉主管道压力时，文丘里的喉口压力也随之降低，这样文丘里管吸肥量会增加，经过施肥泵的流量也会增加，根据水泵特性(流量、扬程呈反比)，此时施肥泵的扬程会降低，这会减少从主管进入旁路管道(文丘里管进口)的流量，即经自适应调节，最终流经施肥泵的流量几乎不变，扬程也不变，即施肥泵的工作点几乎不变。但是随着主管道压力进一步减少，文丘里管的喉口压力值会越来越低，最终喉口可能会出现接近绝对真空(-0.1mpa)状态。参见文献《排灌机械工程学报》2014年第十期《文丘里施肥器空化过程高速摄像分析》(严海军、王子君、陈燕等著)，当文丘里管喉口负压达到一定值时易出现空化，严重时会磨损内部流道表面，最终影响吸肥流量；更严重的是，施肥泵的进口是连接文丘里管扩散段后半段，施肥泵进口也易受文丘里管影响导致空化，产生空化的过程中，气泡破坏了水流的正常流动规律，致使施肥泵性能恶化，气泡溃灭时，流道内会产生强烈的局部水锤，瞬间局部冲击压力可达几十甚至几百兆帕，在巨大的冲击压力持续作用下，叶轮和泵壳金属表面产生疲劳破损和表面空蚀。

10、如果不对空化作相应控制，施肥泵将处于不正常、不稳定的工作状态，会造成安全、使用等隐患：施肥泵经常工作在不正常工作特性曲线区间，流量、扬程和效率等性能迅速下降、能耗上升；工作时容易产生振动与噪音，以及产生气蚀，不仅影响施肥泵的使用寿命和可靠性，而且对周边造成噪音污染。严重时会使泵中液体中断，不能正常工作，进而使得水肥一体机失去吸肥功能。

11、因此需要对施肥泵的工作过程进行监测和保护控制，避免出现空化现象，进而有效保护施肥泵。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种水肥一体机施肥泵保护控制方法，通过在水肥一体中配置相应的检测仪器和控制系统，在正式灌溉工作前先试验获得主管道在不同工作压力时对应的施肥泵上限工作频率值的参数表，正常工作时依据参数表为施肥泵提供上限工作频率，控制施肥泵工作频率不高于参数表中的上限工作频率，以保证施肥泵在工作时入口端的压力不会过低、不出现空化，能够有效保护施肥泵。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、水肥一体机施肥泵保护控制方法，包括主灌溉管、主灌溉泵、文丘里管和施肥泵，所述主灌溉泵连接有恒压控制装置，所述主灌溉管的出水口端设有主流量计和主压力传感器，所述主灌溉管出水口端设有输入旁路管道与所述文丘里管的进口端相连，所述文丘里管的出口端设有输出旁路管道与所述施肥泵入口相连，所述施肥泵出口再与所述主灌溉管进水口端相连，所述输出旁路管道上设有旁路压力传感器，所述文丘里管的吸肥口连接有肥料流量计，所述肥料流量计通过吸肥管道与肥料容器相连，所述主流量计、主压力传感器和旁路压力传感器与控制器相连，所述施肥泵经过变频器再与控制器相连；施肥泵保护控制方法包括如下步骤：

4、一、参数表测试：

5、s1、启动设备，经恒压控制装置控制主灌溉泵工作，检测所述主灌溉管中主压力传感器、主流量计的测量值是否达到灌溉施肥工作所需的最高压力值及正常灌溉量，达到且稳定后，开启所述文丘里管，启动所述施肥泵，再通过控制器及变频器逐渐增加所述施肥泵工作频率，测量所述肥料流量计的流量达到工作所需要最大流量值时，记录此时所述主压力传感器的测量压力值和对应的所述施肥泵的工作频率值(上限)；

6、s2、通过恒压控制装置控制主灌溉泵开始按设定的压力降幅降低主灌溉管出水口端的压力，所述文丘里管吸肥口的吸肥量将跟随逐步增大、所述施肥泵入口端的压力逐渐降低，当旁路压力传感器测量到的压力降低至压力安全值时，再通过控制器及变频器逐渐降低施肥泵工作频率以减少流经所述文丘里管的流量，跟踪测量所述肥料流量计的流量降回到工作所需要最大流量值时，记录此时所述主压力传感器的测量压力值和对应的所述施肥泵的工作频率值(上限)；

7、s3、重复步骤s2，继续按设定的压力降幅降低主灌溉管出水口端的压力，直到主灌溉管出水口端的主压力传感器检测的压力降到满足灌溉施肥工作所需的最低压力值时停止测试，将上述对应测量到的所述主压力传感器的测量压力值与施肥泵的工作频率值(上限)的系列数据形成区间参数表存入控制器内；

8、二、工作保护：

9、水肥一体机进入正常工作状态，控制器实时采集所述主压力传感器的测量值与上述区间参数表中的数据进行比较，在不同的测量压力值区间，通过控制器及变频器控制所述施肥泵工作频率不高于上述区间参数表中对应的工作频率值(上限)。

10、进一步的，所述施肥泵入口端的压力安全值为施肥泵空化参数乘以安全系数。

11、进一步的，所述输出旁路管道为透明管，透明管用于观测管道内流体工况。

12、进一步的，所述输出旁路管道上连接有观测镜头，观测镜头与监测屏相连。

13、进一步的，灌溉施肥工作时主灌溉管出水口端中的最高压力值、最低压力值根据灌溉场地施肥工作时的最高扬程、最低扬程确定。

14、进一步的，所述文丘里管包括一个、两个或两个以上，两个或两个以上的所述文丘里管并联设置，每个所述文丘里管的吸肥口都连接有肥料流量计，每个所述肥料流量计通过吸肥管道与不同的肥料容器相连。

15、进一步的，所述文丘里管为两个或两个以上时，步骤s1中首先开启其中一个所述文丘里管，然后在步骤s3执行完后再开启两个所述文丘里管重复步骤s1～s3，依次操作直至开启所有的所述文丘里管完成测试；将对应开启的所述文丘里管的数量、测量到的所述主压力传感器的测量压力值与施肥泵的工作频率值(上限)的系列数据形成区间参数表存入控制器内。

16、进一步的，所述参数测试采用手动测试，手动测试时所述肥料流量计采用浮子流量计。

17、进一步的，所述参数测试采用自动测试；自动测试时所述肥料流量计采用流量变送器，所述肥料流量计和恒压控制装置一同与控制器相连，控制器中输入灌溉施肥工作时主灌溉管所需压力的最高压力值、最低压力值和压力降幅、施肥泵入口端的压力安全值和肥料流量计的最大流量值，控制器中设定自动测试程序进行自动测试，自动测量得到对应的开启不同数量的文丘里管时所述主压力传感器测量压力值与施肥泵工作频率值(上限)的系列数据形成区间参数表存入控制器内。

18、本发明具有如下有益效果：

19、1、本发明通过在水肥一体中配置相应的检测仪器和控制系统，在正式灌溉工作前先试验获得主管道在不同工作压力时对应的施肥泵上限工作频率值形成区间参数表，正常工作时依据区间参数表压力区间为施肥泵提供上限工作频率，控制施肥泵工作频率不高于区间参数表中的上限工作频率，以保证施肥泵在工作时入口端的压力不会过低、不出现空化，能够有效保护施肥泵。

20、2、本发明参数测试根据灌溉场地施肥工作所需的最高扬程和最低扬程进行匹配，能够根据需要采用手动测试或自动测试，通过按照程序设定的压力降幅逐步降低主灌溉管出水口端的压力的方法，逐步测量出不同工作压力时施肥泵工作频率值和主压力传感器的测量压力值形成对应区间参数表，测试过程通过施肥泵入口压力传感器值或入口透明管观察确保在施肥泵不出现空化、气蚀，从而实现施肥泵的可靠保护。