注入式水肥一體化裝置研究.pdf

2023 年 1 月 灌溉排水學報 第 42 卷 第 1 期 Jan 2023 Journal of Irrigation and Drainage No 1 Vol 42 1 專家評述 文章編號 1672 3317 2023 01 0001 07 注入式水肥一體化裝置研究 李 紅 宋秀華 陳 超 張志洋 夏華猛 江蘇大學 國家水泵及系統(tǒng)工程技術研究中心 江蘇 鎮(zhèn)江 212013 摘 要 目的 為實現(xiàn)固體肥的水肥一體化 設計運行穩(wěn)定 施肥均勻性高的水肥一體化裝置并在設計的樣機上進 行試驗 對注入式水肥一體化裝置結構及加肥部分進行設計 分析裝置運行過程參數(shù) 方法 對裝置的運行參數(shù)進 行了試驗測定 并采用控制變量法探究了裝置的工作參數(shù)對肥液濃度均勻性的影響 通過試驗探究了裝置的施肥性 能 并與壓差施肥罐進行了對比 結果 注入式水肥一體化裝置能正常工作運行 樣機的注肥流量為 300 L h 加 肥流量與步進電機轉速成正比 本裝置的攪拌速度越快 加肥流量越小 供水流量越大 肥液質量 濃度均勻性就越 高 且本裝置施用 5 kg 復合肥時 的 最 優(yōu) 攪拌速度為 400 rpm 本裝置在供水流量分別為 1 5 1 0 m3 h 和 0 5 m3 h 時 施完 10 kg 復合肥的施肥 質量濃度 偏差分別為 51 67 55 07 和 52 75 與壓差施肥罐相比 本裝置 施 完 10 kg 復 合肥 施肥質量 濃度偏差 總體小 50 出口肥液質量 濃度的穩(wěn)定性和均勻性遠高于壓差施肥罐 結論 注入式水肥一 體化裝置能有效實現(xiàn)固體肥的水肥一體化 并將溶解的肥液持續(xù)注入到管道中 與同類型施肥設備相比本裝置施肥 均勻性高 施肥速度快 具有很強的工程應用價值 關 鍵 詞 固體肥 水肥一體化 管道灌溉 施肥均勻性 中圖分類號 S257 9 文獻標志碼 A doi 10 13522 ki ggps 2022307 OSID 李紅 宋秀華 陳超 等 注入式水肥一體化裝置研究 J 灌溉排水學報 2023 42 1 1 7 LI Hong SONG Xiuhua CHEN Chao et al An Injected Fertigation Device J Journal of Irrigation and Drainage 2023 42 1 1 7 0 引 言 研究意義 近年來 水肥一體化技術在中國得 到了快速的發(fā)展 1 2 具有充分利用水肥資源 提高 經濟效益 的優(yōu)點 3 研究進展 施肥 裝置 是實現(xiàn)水 肥一體化的關鍵裝置 常見的有壓差施肥罐 4 文丘 里施肥器 5 和比例施肥泵 6 以及注肥泵 但這些傳統(tǒng) 的 裝置已很難滿足水肥一體化技術更多元的要求 集 成傳統(tǒng)施肥裝置和智能控制系統(tǒng) 構建智能施肥機已 然成為施肥裝置發(fā)展的大勢所趨 7 國外 早已將成熟 的智能施肥機產品推向市場 8 如 荷蘭 Priva 和以色 列 Eldarshany 公司 都推出了不同流量需求的施肥機 以色列 Netafim公司 的 Netajet高端機型更是在以色列 滴灌施肥中得到了廣泛的應用 9 國內智能施肥機也 在不斷發(fā)展 朱志堅等 10 研制了一種自控變頻調速式 灌溉水注肥裝置 通過壓力泵將液體肥 注入 田間 李 建平等 11 劉永華等 12 都研究了一種水肥預混合裝置 再通過注肥泵或文丘里施肥器將肥液輸出到管道 張 收稿日期 2022 06 02 基金項目 國家自然科學基金項目 51939005 江蘇省重點研發(fā)計劃 現(xiàn) 代農業(yè) 項目 BE2021340 作者簡介 李紅 1967 女 研究員 博士生導師 主要從事流體機械 及排灌機械研究 E mail hli 青等 13 設計了一種移動式灌溉施肥機 可移動至所需 灌溉區(qū)域 并實現(xiàn)遠程控制水肥灌溉 徐燦等 14 陸 紹德等 15 都 設計了一套水肥藥一體化裝備 并在樣機 上進行試驗 實現(xiàn)了節(jié)水 節(jié)肥 節(jié)藥 袁洪波等 16 研制了一種水肥一體化營養(yǎng)液調控裝備 通過 控制系 統(tǒng)對營養(yǎng)液制備過程進行精確控制 切入點 現(xiàn)有 水肥一體化裝置多采用液體肥料進行配肥 而 我國 大 田種植中多施用固體肥料 擬解決的關鍵問題 因 此 本研究開發(fā)一種施用固體肥的注入式水肥一體化 施肥裝置 試驗研究裝置的施肥性能 并與壓差施肥 罐進行對比 驗證裝置的先進性 1 注入式水肥一體化裝置設計 1 1 結構及工作原理 本研究提出了一種實現(xiàn)固體肥水肥一體化裝置 其施肥質量濃度精量可調 裝置的結構如圖 1 所示 該裝置主要由加肥部分 溶解部分 施肥部分以及控 制部分組成 加肥部分的加肥流量穩(wěn)定性及精確調控 是精量調節(jié)施肥質量濃度的關鍵 為此基于螺桿送料 構建了如圖 2 所示的加肥部分 料斗中的固體肥通過 進料管進入料筒中 步進 電機帶動料筒中的螺桿旋轉 螺桿推動料筒中的固體肥從出料板側下落 完成肥料 的添加 調節(jié)步進電機轉速或改變螺桿參數(shù)可實現(xiàn)對 灌溉排水學報 2 加肥流量的調節(jié) 溶解部分由供水泵 攪拌桶 濾網 桶 攪拌電機 攪拌器等組成 其功能是將固體肥料 與水進行充分混合 施肥部分由電導率儀 出水口及 柱塞泵依次從攪拌桶外壁延伸排列 組成 該裝置的工作原理是 固體肥料存放在儲料斗中 控制柜控制裝置運行 首先開啟電磁閥 水源通過直 流泵和進水口注入攪拌桶中 待攪拌桶中注滿水后 步進電機帶動螺旋桿轉動 肥料在螺旋桿的推動下落 入攪拌桶中 同時 直流電機和柱塞泵啟動 攪拌器在 直流電機的帶動下 加速 攪拌桶內的固體肥料 溶解 肥 液通過出水口經過柱塞泵 將混合好的肥液注入到有 壓管道中 供水流量與注肥流量保持一致是系統(tǒng)穩(wěn)定 運行的關鍵 當達到所需施肥量后 停止加肥部分工 作 直流泵與柱塞泵持續(xù)工作至電導率儀檢測值接近 于純水 系統(tǒng)停止工作 裝置內剩余液體用于清潔裝 置而后通過排污口排出 圖 1 注入式水肥一體化裝置結構示意圖 Fig 1 Structure diagram of the injected fertigation device 注 1 料斗 2 底板 3 螺栓 4 進料管 5 螺母 6 出料板 7 料筒 8 送料螺桿 9 擋板 10 螺栓 11 支架 12 步進電機 圖 2 加肥 部分 原理圖 Fig 2 Schematic diagram of the fertilizer feeding component 1 2 水肥混合 過程模型 注入式水肥一體化裝置的水肥混合過程是 一個 動態(tài)過程 供水流量與注肥流量平衡是系統(tǒng)穩(wěn)定運行 的關鍵 加肥速度的精確控制是出口肥液質量濃度穩(wěn) 定的關鍵 因此建立了水肥混合動態(tài)模型 分析注入 式水肥一體化裝置穩(wěn)定運行的關鍵參數(shù) 在裝置運行 過程中 假設攪拌桶內液體體積保持不變 混合后的 肥料溶液質量濃度 整體 均勻 則注入式水肥一體化裝 置的水肥混合過程輸入量為加肥速度 q t 與肥料的養(yǎng) 分量 C 和 供水流量 Qin t 輸出量為混合后的肥液質 量濃度 Cout t 和輸出的肥液流量 Qout t 中間過程變 量為攪拌桶體積 V t 水肥混合過程模型如圖 3 所示 攪拌桶 V t 加肥過程 q t C 供 水過程 Q in t 混合后肥液 Q out t C out t 圖 3 水肥混合過程模型 Fig 3 Model of mixed fertilizer process 當系統(tǒng)進入穩(wěn)定運行的動態(tài)平衡時 根據(jù)肥料量 守恒得到式 1 out o u t o u t d V t C t C q t Q t C tdt 1 根據(jù)攪拌桶中的肥液體積守恒得到 式 2 in o u t dV t Q t q t Q tdt 2 根據(jù)系統(tǒng)運行特點 需滿足要求輸入量與輸出量 流速相等 即 in out Q t q t Q t 3 將 式 2 和 式 3 代入式 1 得到水肥混合 過程表達式 4 即注入式水肥一體化裝置的水肥混 合動態(tài)模型 out o u t o u t d C tV t Q t C t C q tdt 4 1 3 控制 系統(tǒng) 硬件及控制流程 注入式水肥一體化裝置的運行過程是個動態(tài)平 衡過程 供水流量與注肥流量的平衡 加肥速度的精 確控制是保證系統(tǒng)工作順利進行的關鍵 為此本研究 基于單片機搭建了如圖 4 所示的控制系統(tǒng)硬件 STM32 單片機 17 發(fā)出不同頻率的 PWM 波來精確控 制步進電機的轉速 通過發(fā)送不同 PWM 波占空比給 驅動電路來精確調節(jié)直流泵的供水流量 通過內置的 程序控制電磁閥 柱塞泵 攪拌電機等各部件的啟動 停止時間 該系統(tǒng)的控制程序流程如圖 5 所示 根據(jù) 測定的裝置運行參數(shù)對本次加肥工作的加肥 流量 和 供水流量進行預設 再設置加肥的總量 隨后發(fā)出命 令驅使供水泵 電磁閥工作 待攪拌桶中水到達指定 位置 出水口 時開始加肥 同時發(fā)出指令使攪拌電 機和柱塞泵開始工作 待肥料全部添加完成 加肥部 分停止工作 至電導率儀檢測出口肥液質量濃度 接近 純水 肥液全部排出 直流泵 柱塞泵 攪拌器停 止工作 施肥作業(yè)完成 注 1 STM32 單片機 2 電磁閥 3 攪拌電機 4 驅動器 5 步進電機 6 驅動電路 7 直流 泵 8 交流接觸器 9 柱塞泵 圖 4 控制系統(tǒng)硬件 Fig 4 Hardware of the control system 李紅 等 注入式水肥一體化裝置研究 3 開始 系統(tǒng)初始化 設置施肥總量 開啟電磁閥 直流泵 水注滿攪拌桶 步進電機啟動 攪拌電機 啟動 加肥完成 停止加肥 肥液全部排出 柱塞泵 開啟 直流泵 攪拌電機 柱塞泵停止工作 結束 Y Y Y N N N 攪拌電機 柱塞泵 直流泵持續(xù)工作 圖 5 控制程序流程圖 Fig 5 Flow chart of the control program 2 材料與方法 2 1 裝置運行 參數(shù)測定 基于以上設計方案試制了如圖 6 a 所示的試驗 樣機 如圖 6 b 為 試驗樣機的示意圖 選用名磊 JET370A 型自吸泵作為供水泵 額定流量 3 m3 h 柱塞泵為威力 J2 300 0 8 型 流量 300 L h 步進電 機為步科 86HBS120 型步進電機 攪拌電機選用學誠 牌 直流電機 轉速可選 100 500 rpm 為設置裝置各 部件的運行配合時間 對注入式水肥一體化裝置的加 肥流量 和注肥流量進行測定 設置直流電機轉速為 100 rpm 測定加肥流量時 選用市場上常見的 3 種 固體 肥料 正元尿素 含 氮量 46 中化氯化 鉀 K2O 60 和 中東 復合肥 N P2O K2O 40 N18 P12 K12 將 10 kg 的 3 種肥料分別加入料 斗中 測量在不同轉速下肥料添加完的時間 測定注 肥流量時以水代替肥液 將 10 20 30 40 L 的水 經柱塞泵注入壓力分別為 0 1 0 6 MPa 的管道中 記 錄注完時間 換算出注肥流量 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 a 試驗樣機 b 示意圖 注 1 供水泵 2 電磁閥 3 流量計 4 攪拌電機 5 料斗 6 步進電機 7 濾網桶 8 攪拌器 9 柱塞泵 10 攪拌桶 圖 6 注入式水肥一體化裝置 Fig 6 The injected fertigation device 2 2 裝置 工作 參數(shù)對肥液質量濃度均勻性的影響試驗 為研究注入式水肥一體化裝置的工作參數(shù) 攪拌 速度 加肥流量 供水流量 對肥液質量濃度均勻性 的影響 在圖 6 所示的樣機上進行試驗 選擇直徑 300 mm 目數(shù) 100 目的濾網桶 設計如下單因素試 驗分別研究 3 個工作參數(shù)對肥液質量濃度的影響 保 持 10 kg h 的加肥流量以及 2 m3 h 的供水流量 將攪 拌電機的轉速分別設置為 100 200 300 400 500 rpm 供水流量設定為 2 m3 h 設定攪拌速度為 400 rpm 調節(jié)步進電機轉速使加肥流量分別為 10 12 14 16 18 kg h 設定 10 kg h 的加肥流量與 400 rpm 的攪拌速度 調節(jié)閥門使供水流量分別為 1 0 1 5 2 0 m3 h 試驗時在料斗中加入 5 kg 復合肥 同時啟 動加肥部件和供水泵 當有肥液從柱塞泵中流出時開 始計時 每隔 1 min 在 柱塞泵出口取樣測量電導率并 換算成肥液 質量 濃度 肥 料全部添加后測得 質量濃 度低于 1 g L 時試驗結束 在試驗前對復合肥溶液 質量濃度與電導率的關系進行了標定 18 其關系如 式 5 所示 C 0 784EC 0 590 5 基于相對偏差公式建立了如式 6 所示的施肥 質量濃度 偏差 F 來評價裝置的施肥均勻性 施肥質 量濃度偏差越小 施肥均勻性越高 F 1N ci cM 2 100 Ni 1 6 式中 N 為 樣本個數(shù) ci為 第 i 個樣本的肥液 質量 濃 度 g L cM 為平均肥液質量濃度 g L 2 3 裝置施肥性能試驗 為研究注入式水肥一體化裝置的 性能 在測定了 裝置 運行 參數(shù)和 試驗驗證了工作 參數(shù)對肥液質量濃度 均勻性影響的基礎上 在試制樣機上開展實際施肥性 能試驗 試驗樣機結合前文運行過程參數(shù)的設計 保 證樣機持續(xù)穩(wěn)定運行 維持出口肥液持續(xù)輸出 試驗 時向料斗中添加 10 kg 的復合肥 加肥速度設為 0 26 kg min 供水流量選取 1 5 1 0 m3 h 和 0 5 m3 h 柱塞 泵開始注肥時計時 每隔 1 min 在施肥裝置出口取樣 經過稀釋后測量樣本電導率 并換算成肥液質量 濃度 2 4 壓差施肥罐施肥性能試驗 同為施用固體肥料的水肥一體化裝置 將本研究 所設計的施肥裝置與壓差施肥罐進行對比 有利于更 好的衡量本裝置性能 壓差施肥罐的水力性能試驗裝 置及布置如圖 7 所示 試驗水源來自地下水庫 水庫 出水口接離心泵 流量 10 m3 h 揚程 70 m 用于提 供試驗所需流量和壓力 通過安裝在首部的閥門調節(jié) 進入主管路 50 mm 的水體流量 主管路和施肥 灌溉排水學報 4 管路 25 mm 的流量分別由精度為 0 3 的電磁流 量計 3 LWGY 50 9 LWGY 25 測得 在施肥罐 上 下游分別安裝壓力表 4 6 量程 0 0 6 MPa 精 度為 0 4 用于監(jiān)測通過施肥罐的壓差 施肥罐上 下游的壓差主要靠調壓閥 50 mm 實現(xiàn) 試驗采 用 50 L的壓差施肥罐 其進出口管道直徑為 15 mm 將 10 kg 復合肥與水充分溶解后加入施肥罐中 為獲 取壓差施肥罐的水力性能 在施肥罐出口設置取樣點 11 從取樣口取出的肥液 用電導率儀測定 換算成 肥液質量濃度 壓差式施肥罐的水力性能研究主要考 慮了施肥量和壓差 2 個因素 19 試驗中保持施肥罐出 口主管路上壓力 P1為 0 10 MPa 壓差分別調至 0 05 0 10 MPa 和 0 15 MPa 20 從施肥罐出口有肥液流出 時開始計時 每隔 1 min 采集 1 次樣本 當采集到的 樣本質量濃度近似于純水時 試驗結束 注 1 水泵 2 閥門 3 流量計 4 壓力表 5 調壓閥 6 壓力表 7 閥門 8 閥門 9 流量計 10 壓差施肥罐 11 采樣點 12 閥門 圖 7 壓差施肥罐性能測試試驗 示意圖 Fig 7 Schematic diagram of performance test for the pressure differential tank 3 結果與分析 3 1 注式水肥一體化裝置工作 性能參數(shù) 裝置添加 3 種肥料時的加肥流量與電機轉速如 圖 8 所示 氯化鉀添加的最快 復合肥次之 尿素最 慢 加肥流量 Q2 與電機轉速 n 呈線性關系 經過擬 合 得到加肥流量與步進電機轉速的關系如式 7 所示 3 種肥料的擬合系數(shù) a b 見圖 8 Q2 an b 7 圖 8 3 種肥料加肥流量與電機轉速的關系 Fig 8 Relationship between the fertilizer feeding rate and motor speed 不同管道壓力下裝置的注肥流量如表 1 所示 柱 塞泵的注肥流量基本不會隨著注入液體的量以及管 道壓力發(fā)生變化 取其平均值 300 L h 作為注肥流量 輸入到控制程序中 表 1 不同管道壓力下裝置的注肥流量 Table 1 Fertilizer injection flow rate of the fertigation device under different pipe pressure 注入量 L 管道壓力 MPa 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 10 305 300 297 295 296 300 20 300 305 301 295 306 303 30 299 296 303 301 299 309 40 298 300 297 303 295 295 3 2 裝置工作參數(shù)對肥液質量濃度均勻性的影響 3 2 1 攪拌速度對肥液質量濃度均勻性的影響 不同攪拌速度下裝置出肥質量濃度隨時間的變 化如圖 9 所示 攪拌速度為 400 rpm 和 500 rpm 時 肥液 質量 濃度均在 5 min時達到 4 5 g L 比 100 200 300 rpm 時分別快了 9 5 4 min 由 式 6 計算可 得攪拌速度為 100 200 300 400 500 rpm 時的肥 液質量濃度偏差分別為 44 65 33 03 25 47 19 98 19 08 故攪拌速度越快 肥液質量濃度均 勻性越高 將各攪拌速度下的肥液 質量 濃度偏差繪于 圖 10 結果表明施肥質量濃度偏差隨攪拌速度的增 加而降低 但攪拌速度越快 偏差降低的速度越慢 表明攪拌速度大時 固體肥溶解速度隨攪拌速度增加 的增量減小 當攪拌速度超過 400 rpm 后 攪拌速度 的增加對肥液 質量 濃度均勻性的提升不大 因此 本裝 置在施用 5 kg 復合肥時的最優(yōu)攪拌速度為 400 rpm 圖 9 不同攪拌速度下肥液質量濃度 變化 Fig 9 Variation of fertilizer concentration under different mixing speeds 圖 10 肥液 質量濃度 偏差與攪拌速度的關系 Fig 10 Relationship between the fertilization concentration deviation and the mixing speed 0 1 2 3 4 5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 加肥流量 Q kg mi n 1 電機轉速 n rpm 氯化鉀 Q 2 0 041 2n 0 149 R2 0 998 復合肥 Q 2 0 038n 0 053 6 R2 0 996 尿素 Q2 0 029 5n 0 123 5 R2 0 994 線性 氯化鉀 Q 2 0 041 2n 0 149 R2 0 998 線性 復合肥 Q 2 0 038n 0 053 6 R2 0 996 線性 尿素 Q 2 0 029 5n 0 123 5 R2 0 994 0 2 4 6 0 10 20 30 40 肥液質量濃度 g L 1 時間 min 攪拌速度 rpm 100 200 300 400 500 0 10 20 30 40 50 100 200 300 400 500 肥液濃度偏差 攪拌速度 rpm 李紅 等 注入式水肥一體化裝置研究 5 3 2 2 加肥流量對肥液質量濃度均勻性的影響 不同加肥流量下的肥液質量濃度如圖 11 所示 加肥流量越大 混肥桶中剛有肥液流出時測得的肥液 質量濃度越高 這是因為加肥流量大時相同時間內添 加到混肥部件中的肥料更多 5 組試驗中的肥液 質量 濃度均在 5 min 左右達到穩(wěn)定質量 濃度 表明加肥流 量對肥液達到較穩(wěn)定 質量 濃度所需的時間影響不大 由式 6 計算可得加肥流量為 10 12 14 16 18 kg h時的肥液 質量濃度偏差 分別為 19 98 41 45 61 77 89 56 和 118 48 表明加肥流量越小 肥 液 質量濃度均勻性越高 此外當肥料全部添加完成后 肥液 質量 濃度降低到 1 g L 的時間隨著加肥流量的增 大而延長 因 為加肥流量大時肥液質量濃度也高 質 量 濃度降低到 1 g L 所需降低的量也越大 所需的降低 時間也就越長 圖 11 不同加肥流量下的肥液質量 濃度變化 Fig 11 Variation of fertilizer concentration under different fertilizer feeding flow rates 3 2 3 供水流量對肥液 質量 濃度均勻性的影響 不同供水流量下的肥液 質量 濃度變化如圖 12 所 示 供水流量越大 相同時刻的肥液質量濃度 越低 肥液 質量 濃度達到穩(wěn)定階段的時間也越短 這是因為 較大的供水流量能更快地將肥料從混肥桶中置換出 來 降低肥料溶解滯后性對肥液質量濃度的影響 由 式 6 計算可得供水流量為 2 0 1 5 m3 h 和 1 0 m3 h 試驗組中的肥液質量濃度偏差 分別 為 19 98 36 64 和 57 54 供水流量為 2 m3 h 時肥液質量 濃度偏差 最小 肥液質量濃度均勻性最高 表明混肥桶中的肥 液 質量濃度均勻性隨供水流量的增大而提高 此外肥 液 質量濃度降低到 1 g L 所需時間隨供水流量的降低 而延長 因為供水流量較小時 相同時間內水置換出 的肥料少 加上質量濃度降低量大 導致需花費更長 時間才能將肥液質量濃度降低到 1 g L 3 3 注入式水肥一體化裝置的施肥性能 裝置在 3 個設定供水流量下分別施完 10 kg 復合 肥 且裝置內無肥液和固體肥料剩余 裝置出口不同 供水流量設定下 肥液 質量 濃度隨時間的變化趨勢如 圖 13 所示 可以看出 注入式水肥一體化裝置在系統(tǒng)運行的 前 10 min 內處于調整階段 而后在理想質量濃度周 邊波動但波動不大 其肥液質量濃度較穩(wěn)定 在最后 20 min 內肥液質量濃度緩慢下降 這是因為停止加肥 后 直流泵與柱塞泵持續(xù)工作至肥液全部排出 經過 式 6 計算可得 施肥裝置在供水流量分別為 1 5 1 0 0 5 m3 h 時 施完 10 kg 復合肥的施肥 質量濃度 偏差分別為 51 67 55 07 52 75 施肥質量 濃 度與平均肥液 質量 濃度的偏差較小 表明施肥均勻性 高 且當加肥速度一定時 肥液質量濃度的穩(wěn)定值會 隨著供水流量的增大而降低 圖 12 不同供水流量下裝置出肥質量濃度 變化 Fig 12 Variation of fertilizer concentration under different inlet water flow rates 圖 13 注入式水肥一體化裝置出口肥液 質量 濃度隨時間的變化 Fig 13 Variation of fertilizer concentration at the outlet with time of the injected fertigation device 3 4 與壓差施肥罐的施肥性能對比 圖 13 展示了注入式水肥一體化裝置施用 10 kg 復合肥時不同供水流量下的出口肥液質量濃度變化 將注入式水肥一體化裝置施肥性能的 部分 試驗結果 與施用 10 kg 復合肥時不同壓差下的壓差施肥罐的試 驗結果共同繪于圖 14 從質量濃度曲線可以看出 壓 差式施肥罐的出口肥液 質量 濃度呈指數(shù)型下降 21 最 大 質量濃度差達到了近 200 g L 而 注入式水肥一體化 裝置的肥液 質量 濃度差小 不超過 10g L 根據(jù)式 6 壓差施肥罐的壓差為 0 05 0 10 MPa 和 0 15 MPa 時 施肥 質量 濃度偏差分別為 99 84 101 85 110 36 壓差施肥罐出肥 質量 濃度 隨 時間變化如 圖 14 所示 表 明出肥 質量 濃度隨時間遞減 肥液質量濃度在初始的 10 min 內下降很快 之后逐漸趨于平穩(wěn) 壓差越大 出口肥液質量濃度衰減的就越快 施肥時間也越短 從出口肥液質量濃度 曲線的穩(wěn)定程度上可以看出 施 用同樣重量的固體肥料情況下 注入式水肥一體化裝 0 2 4 6 8 10 0 5 10 15 20 25 30 35 40 肥液質量濃度 g L 1 時間 min 加肥流量 kg h 1 10 12 14 16 18 0 2 4 6 8 10 12 0 5 10 15 20 25 30 35 40 肥液質量濃度 g L 1 時間 min 供水流量 m3 h 1 1 0 1 5 2 0 0 2 4 6 8 10 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 肥液質量濃度 g L 1 時間 min 供水流量 m3 h 1 1 5 1 0 0 5 灌溉排水學報 6 置的施肥 質量 濃度偏差比壓差施肥罐施肥 質量濃度 偏差小 50 則注入式水肥一體化裝置在施肥均勻 性方面要遠優(yōu)于同樣施用固體肥料的壓差施肥罐 圖 14 注入式水肥一體化裝置與壓差施肥罐的施肥性能對比 Fig 14 Fertilization performance comparison between the injected fertigation device and the pressure differential tank 4 討 論 本研究發(fā)現(xiàn) 加肥流量與電機轉速呈線性相關 在測定注肥流量時 本裝置采用了柱塞泵 試驗表明 柱塞泵的注肥流量基本不會隨著注入液體的量以及 管道壓力發(fā)生變化 這與王晶晶等 22 研究 結果相似 其通過試驗驗證了柱塞泵在 100 行程工作時 柱塞 泵流量受灌溉管道壓力波動影響很小 此外 壓差罐 的 質量濃度在最初 10 min 內隨時間迅速下降 然后 逐漸穩(wěn)定 所得結果與 Li 等 23 研究一致 施肥裝置 的施肥質量濃度偏差大于 30 這是由于肥料溶解滯 后造成的 當前施肥裝置實現(xiàn)了自動化運行 未來可 在現(xiàn)有裝置肥基礎上引入檢測反饋系統(tǒng) 提高系統(tǒng)的 精準性 實現(xiàn)智能化運行 5 結 論 1 針對施用固體肥的大田管道灌溉 研發(fā)了注 入式水肥一體化裝置 并設計了加肥部分 提高了加 肥流量的控制精度 建立了水肥混合過程模型 設計 裝置硬件及控制流程 保證裝置出口肥液持續(xù)穩(wěn)定輸 出肥液 通過控制系統(tǒng)調控各部件的配合運行 實現(xiàn) 持續(xù)地向壓力管道中注肥 2 注入式水肥一體化裝置注肥流量穩(wěn)定 能實 現(xiàn) 持續(xù)穩(wěn)定注肥 加肥流量與肥料種類有關且與步進 電機轉速呈線性關系 攪拌速度越快 肥液 質量濃度 均勻性就越高 且本裝置施用復合肥的最優(yōu)攪拌速度 為 400 rpm 加肥流量越小 肥液 質量 濃度均勻性就 越高 供水流量越大 肥液 質量 濃度均勻性就越高 3 注入式水肥一體化裝置 的施肥 質量濃度 偏差 比壓差施肥罐小 50 表明注入式水肥一體化裝置具 有更高的施肥均勻性和肥液穩(wěn)定性 參考文獻 1 趙春江 郭文忠 中國水肥一體化裝備的分類及發(fā)展方向 J 農業(yè) 工程技術 2017 37 7 10 15 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