專利名稱：一種痕量灌溉節水性能測試系統的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于水利設備技術領域，更具體地，涉及一種痕量灌溉節水性能測試系統。
背景技術：
我國是一個水資源極其匱乏的國家，人均水資源的占有量只有國際平均水平的1/4，但是人口高居世界首位。隨著人口的增加和工農業的發展，到2030年我國的用水量將接近水資源可開發利用量。如何解決工農業日益增多的需水量和總體水資源的減少之間的矛盾，正成為保證可持續發展的重大課題。近年來我國，尤其是北方糧食主產區和生態脆弱地區，連續遭受嚴重干旱，旱災發生的頻率和影響范圍不斷擴大，持續時間和遭受的損失持續增加，危害著我國的糧食安全和生態環境。合理利用水資源，尤其是農業水資源，推廣節水灌溉技術，已成為關系國計民生的重要策略。我國政府高度重視水利建設，從上世紀70年代開始相繼從國外引進了相關節水灌溉技術，到現在已經取得了一定的效果。滴灌技術被公認為目前效果最好的節水灌溉技術。與傳統的大水漫灌相比，滴灌節水效果十分顯著，但是還會發生一定的地表蒸發和深層滲漏損失。由于滴灌管道鋪在地表，灌溉水發生棵間蒸發；如單位時間內灌溉量超過了土壤的田間持水量，多余水分將滲漏到土壤深層。另外，滴灌技術還存在堵塞問題、成本問題和對電力依賴性大，運行效率低等問題。為了更好地實現節水效果，克服滴灌技術所存在的問題，我國學者諸鈞在中國專利申請CN200380100379.3提出了一種不同于微灌技術的新型節水灌溉技術——痕量灌溉節水技術。所謂痕量灌溉，是指在滿足植物水分需求的前提下，通過在灌水器水管內部設置控水頭來控制水流方向，相應將低壓水轉化成極細小的水流，然后以微小的速度(10-200mL/h)，均勻、不間斷地通過插入到土壤中的毛細管直接輸送到植物根系附近的土壤。痕量灌溉節水效果的實現主要在于利用了毛細管的毛細力作用。當痕量灌水器出水口的毛細管與干燥土壤相接觸時，灌水器中的水將會被土壤中的空隙自動抽出，與此同時灌水器內部所產生的抽水力迫使水流繼續經過濾膜流入到毛細管中，并再次被土壤吸走，而當土壤濕潤到一定程度后毛細管將自動停止抽水，以此方式達到了一種自動節水式灌溉的效果。鑒于痕量灌溉技術具備以上獨特的技術優勢，因此該技術近年來日益受到重視，并具備廣泛的應用前景。對于痕量灌溉的系統規劃及其控水頭設計等方面而言，痕量灌溉的水力性能都是其重要依據，并對痕量灌溉控水頭的出水量、抗堵塞結構設計具備重要的指導作用。相應地，實踐中迫切需要構建一種規范、標準的痕量灌溉節水性能測試方案，以便對其水力性能進行測量，并作為系統規劃及其控水設計的參考。然而，現有技術中的相關測試裝置大部分僅限于對微灌或滴灌灌水器水力性能的實驗研究，其測試原理及測量方式并不能較好地適應痕量灌溉場合；此外，痕量灌溉控水頭的毛細出水流量與所處環境的溫度以及濕度均有密切關系，現有的節水性能測試方式并未對這些重要影響因素予以考慮；再者，由于需要手工操作和裝置設計方面的限制，最后所獲得的灌水器指標與實際應用仍然存在偏差，而且大多數測試裝置只能檢測灌水器的壓力-流量關系。因此，相關領域中存在著以下的技術需求，即希望尋找一種可針對痕量灌溉自身特點、并且能夠更為精確、全面地獲知其水力性能的測試方案。
實用新型內容針對現有技術的缺陷和/或技術需求，本實用新型的目的在于提供一種痕量灌溉節水性能測試系統，其通過針對痕量灌溉技術自身特點來相應構建專門的測試系統，能夠精確獲知痕量灌溉控水頭的出水量與水壓之間的關系，同時實現對溫度、濕度等這些影響痕量灌溉節水效果的因素的測量和控制，并具備操作簡單、自動化程度高、能夠快速評估痕灌節水性能等優點。按照本實用新型，提供了一種痕量灌溉節水性能測試系統，該測試系統包括儲水罐、測試平臺、環境狀態檢測器、壓力傳感器、數據收集器以及控制終端，其特征在于:所述儲水罐安裝在儲水罐支架上，并通過輸水通路向設置在測試平臺上的痕灌主管路保持灌溉用水的供給，其中輸水通路配備有電磁閥，以便對所輸送的水量相應進行控制；所述測試平臺安裝在測試平臺支架上端的載重板上，并具有多個托盤分別用于承載對應的栽培槽，與痕灌主管路相連通的多個痕灌支管路分別穿過各個栽培槽底部的土壤，并通過所具備的控水頭實現痕量灌溉；所述環境狀態檢測器包括溫度傳感器和濕度傳感器，分別用于對測試平臺所處區域的環境溫度和濕度等狀態執行檢測；所述壓力傳感器放置在各個托盤的下部，用于對栽培槽及其內容物的重量變化狀況執行檢測；所述數據收集器用于獲取電磁閥的狀態信號，并對該狀態信號下環境狀態檢測器和壓力傳感器的檢測數據予以采集，并共同傳遞給控制終端；所述控制終端按照所接收的信息，相應確定控水頭在不同測試條件下的出水量，從而實現對痕量灌溉的節水性能測試。通過以上構思，由于采用壓力傳感器來測量土壤在不同痕灌條件下的吸水量，當土壤吸水時，作用在壓力傳感器上的力也相應發生變化，這樣就能以更為精確、快捷的方式獲知各個控水頭的出水量，實時反映痕量灌溉的水力性能；此外，當進行每次節水性能測試時，通過對試驗參數(不同水壓或供水量、土壤或痕灌支管等)進行調整，同時記錄在不同試驗參數下的壓力、溫度和濕度相關數據，相應可以方便地實現痕量灌溉在不同應用場合時的節水性能測試，同時能夠更為全面地考慮及評價痕量灌溉節水性能的影響因素，并作為進一步調整的依據，以便實現更優的節水效果。作為進一步優選地，所述輸水通路包括分別從儲水罐兩側引出并且沿著高度方向下降的輸水管，它們各自經由三通管與測試平臺上的痕灌主管路相連。作為進一步優選地，所述測試平臺包括由多根方形鋼管彼此搭接而成并構成正方形網格狀的底座，用于承載栽培槽的托盤通過螺栓固定在方形鋼管上并分別處于各個正方形網格內，所述壓力傳感器同樣通過螺栓固定在方形鋼管上并分別處于各個托盤的下部。[0017]作為進一步優選地，所述底座由九根方形鋼管按照四橫五縱的方式焊合搭接而成。作為進一步優選地，各個栽培槽的兩側分別開有比痕灌支管孔徑更大的通孔，痕灌支管路經由這些通孔穿過栽培槽底部的土壤，且其控水頭的出水孔位于中央位置。作為進一步優選地，所述測試平臺支架的四周分別焊接有加強板。作為進一步優選地，所述壓力傳感器為壓電式傳感器，且其量程為20KG。作為進一步優選地，所述溫度傳感器為TS-18B20型數字溫度傳感器，所述濕度傳感器為SHT15型智能濕度傳感器。總體而言，按照本實用新型的與現有技術相比，主要具備以下的技術優點:1、基于對痕量灌溉技術自身灌溉原理的研究，通過采用壓力傳感器來監控栽培槽內含水量的變化并對其設置方式進行設計，能夠以結構緊湊、便于操作的方式來獲知痕量灌溉控水頭的出水量與水壓、環境溫度和濕度之間的關系；2、由于在測試過程中考慮到溫度和濕度等環境因素對痕量灌溉節水性能的影響，能夠更為全面、準確地反映各種不同條件下的痕量灌溉水力性能，以便制訂出符合不同應用場合的痕灌系統規劃；3、按照本實用新型的痕量灌溉技術性能測試系統自動化程度高、數據易采集，便于實現對痕量灌溉節水性能的快速評價，因此無論在實驗室或各種實踐場合都能得到很好的應用。
圖1是按照本實用新型的痕量灌溉節水性能測試系統的整體結構示意圖；圖2是圖1中所示測試平臺的立體結構圖；圖3是圖1中所示設置有壓力傳感器的測試平臺的排列示意圖；圖4是按照本實用新型的測試系統的測試原理示意圖。在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中:1-儲水罐2-測試平臺3-溫度傳感器4-濕度傳感器5-壓力傳感器6_數據收集器7-控制終端11-儲水罐支架12-輸水管13-輸水管14-三通管15-三通管16-電磁閥17-電磁閥21-測試平臺支架22-承重板23-底座24-托盤25-加強板26-方形鋼管27-痕灌支管路28-痕灌主管路29-栽培槽51-數模轉換器52-單片機數據采集器
具體實施方式
為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，
以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。圖1是按照本實用新型的痕量灌溉節水性能測試系統的整體結構示意圖。如圖1中所示，按照本實用新型的痕量灌溉節水性能測試系統主要包括儲水罐1、測試平臺2、溫度傳感器3、濕度傳感器4、壓力傳感器5、數據收集器6以及控制終端7。儲水罐I安裝在儲水罐支架11上，并譬如通過分別從儲水罐I兩側引出并且沿著高度方向下降的輸水管12和13，這兩根輸水管各自經由三通管14、15與測試平臺2上的痕灌主管路28相連。輸水管12、13的接近于測試平臺的下游端分別配備有電磁閥16、17，由此通過控制電磁閥來控制住輸水管內的水壓大小，進而控制所輸送的水量。測試平臺2同樣安裝在測試平臺支架21上，該支架21的上端固定有承重板22，以便能夠承受放置其上的多個栽培槽29等。為了提高整體的強度，還可以在支架21的四周設置有加強板。具體如圖2和圖3中所示，測試平臺2包括譬如由九根方形鋼管26以四橫五縱的方式彼此搭接而成、并構成正方形網格狀的底座23，在各個正方形網格內，托盤24通過螺栓固定在方形鋼管26上，由此用于承載栽培槽29。與痕灌主管路28相連通的多個痕灌支管路27分別穿過各個栽培槽29兩側的通孔并埋在其底部的土壤中，由此通過位于其中間位置的控水頭來實現痕量灌溉。為了實現對痕量灌溉節水性能的測試，在本實用新型中設計了溫度傳感器3、濕度傳感器4和壓力傳感器5來共同組成檢測功能元件。壓力傳感器5譬如通過螺栓固定在方形鋼管26上，并處于各個托盤24的下部，由此通過對各個栽培槽及其內容物的重量變化狀況的檢測，來反映相應控水頭的出水量狀態。此外，溫度傳感器3和濕度傳感器4分別用于對測試平臺所處區域的環境溫度和濕度等環境狀態也相應予以檢測。數據收集器6用于獲取電磁閥16、17的狀態信號，并對該狀態信號下溫度傳感器、濕度傳感器和壓力傳感器的檢測數據予以采集，并共同傳遞給控制終端7。控制終端7則按照所接收的信息，相應確定控水頭在不同測試條件下的出水量，從而實現對痕量灌溉的節水性能測試。在一個優選實施例中，考慮到壓力傳感器的作用就是將容器內重量的變化轉化為電信號并傳輸給控制終端，本測試系統中的單個栽培槽的質量主要就是容器中土壤的質量，因此可以根據常規栽培槽容器的體積來相應確定適當的壓力傳感器規格。常規栽培槽的體積約13.6L, 土壤密度約為2.65KG/L，而土壤不會裝滿，因此容器的總質量不會超過20KG，在此情況下，本實用新型中的壓力傳感器為壓電式傳感器，且其量程為20KG。在另外一個優選實施例中，同樣針對本實用新型的測試系統所應用場合的特點，溫度傳感器3可以選擇成本低廉的TS-18B20型數字溫度傳感器，而濕度傳感器4選擇為SHT15型智能濕度傳感器，該智能濕度傳感器將濕度傳感器、信號調理、模/數轉換器、標定參數及I2C總線接口全部集成到傳感器內部，既提高了傳感器的性能，又降低了成本、減少了體積，同時也非常便于和微控制器接口。下面將參照圖4來具體描述按照本實用新型的痕量灌溉節水性能測試系統的工作原理及過程。實驗開始前，儲水罐裝有灌溉用水，將要測試的痕灌支管路安裝在痕灌主管路的相應位置上，在栽培槽中加入適當的土壤，保證痕灌支管路的控水頭完全埋在土壤內。在儲水罐內加入適量的清水，之后檢查控制系統正常和各處管路暢通后，打開控制終端并開啟電磁閥。通過控制電磁閥來控制住管道中的水壓的大小，每進行一種(水壓、土壤或痕灌支管)實驗結束后，控制終端都會收集每個壓力傳感器以及溫度、濕度等數據，其中壓力傳感器通過數模轉換器51和單片機數據采集器52經由總線與溫度傳感器、濕度傳感器一起將采集的信息發送至控制終端，進行數據處理與反饋。另外，控制終端還具有設定參數和管理功能。相應地，通過壓力傳感器反饋的壓力數據可以間接得到控水頭的出水量，同時考慮溫濕度等因素的影響，由此實現對痕灌支管路控水頭的出水量及其節水性能方面的測量。[0041]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
權利要求1.一種痕量灌溉節水性能測試系統，該測試系統包括儲水罐、測試平臺、環境狀態檢測器、壓力傳感器、數據收集器以及控制終端，其特征在于: 所述儲水罐安裝在儲水罐支架上，并通過輸水通路向設置在測試平臺上的痕灌主管路保持灌溉用水的供給，其中輸水通路配備有電磁閥，以便對所輸送的水量相應進行控制； 所述測試平臺安裝在測試平臺支架上端的載重板上，并具有多個托盤分別用于承載對應的栽培槽，與痕灌主管路相連通的多個痕灌支管路分別穿過各個栽培槽底部的土壤，并通過所具備的控水頭實現痕量灌溉； 所述環境狀態檢測器包括溫度傳感器和濕度傳感器，分別用于對測試平臺所處區域的環境溫度和濕度等狀態執行檢測； 所述壓力傳感器放置在各個托盤的下部，用于對栽培槽及其內容物的重量變化狀況執行檢測； 所述數據收集器用于獲取電磁閥的狀態信號，并對該狀態信號下環境狀態檢測器和壓力傳感器的檢測數據予以采集，并共同傳遞給控制終端； 所述控制終端按照所接收的信息，相應確定控水頭在不同測試條件下的出水量，從而實現對痕量灌溉的節水性能測試。
2.如權利要求1所述的測試系統，其特征在于，所述輸水通路包括分別從儲水罐兩側引出并且沿著高度方向下降的輸水管，它們各自經由三通管與測試平臺上的痕灌主管路相連。
3.如權利要求1或2所述的測試系統，其特征在于，所述測試平臺包括由多根方形鋼管彼此搭接而成并構成正方形網格狀的底座，用于承載栽培槽的所述托盤通過螺栓固定在方形鋼管上并分別處于各個正方形網格內，所述壓力傳感器同樣通過螺栓固定在方形鋼管上并分別處于各個托盤的下部。
4.如權利要求3所述的測試系統，其特征在于，所述底座由九根方形鋼管按照四橫五縱的方式焊合搭接而成。
5.如權利要求1或2所述的測試系統，其特征在于，各個栽培槽的兩側分別開有比痕灌支管孔徑更大的通孔，痕灌支管路經由這些通孔穿過栽培槽底部的土壤，且其控水頭的出水孔位于中央位置。
6.如權利要求3所述的測試系統，其特征在于，所述測試平臺支架的四周分別焊接有加強板。
7.如權利要求3所述的測試系統，其特征在于，所述壓力傳感器為壓電式傳感器，且其量程為20KG。
8.如權利要求7所述的測試系統，其特征在于，所述溫度傳感器為TS-18B20型數字溫度傳感器，所述濕度傳感器為SHT15型智能濕度傳感器。
專利摘要本實用新型公開了一種痕量灌溉節水性能測試系統，包括儲水罐、測試平臺、環境狀態檢測器、壓力傳感器、數據收集器以及控制終端，其中儲水罐通過配備有電磁閥的輸水通路用于控制灌溉出水量；測試平臺具有多個托盤用于承載栽培槽，痕灌支管路分別穿過各個栽培槽以便實現痕量灌溉；環境狀態檢測器用于檢測環境溫度和濕度，壓力傳感器用于檢測栽培槽及其內容物的重量變化；數據收集器用于獲取電磁閥的狀態信號，并對檢測數據采集及傳遞給控制終端；控制終端按照所接收的信息，相應確定控水頭在不同測試條件的出水量。通過本實用新型，能夠精確獲知痕量灌溉控水頭的出水量與水壓、環境溫度和濕度之間的關系，同時實現更全面的痕量灌溉節水性能測試。
文檔編號G01M99/00GK203011715SQ20122071004
公開日2013年6月19日 申請日期2012年12月20日 優先權日2012年12月20日
發明者劉潔, 張銳, 諸鈞, 金基石, 魏青松 申請人:華中科技大學, 北京普泉科技有限公司