Способ регулирования влажности почвы

 

Изобретение относится к автоматизированному орошению сельскохозяйственных культур. Цель изобретения - повышение надежности и точности регулирования влажности почвы в корневой зоне развитиярастений. Способ включает изменение объема при набухании под воздействием почвенной влаги осмотического вещества - гидрогеля. При этом изменяется его осмотический потенциал, и гидрогель, воздействуя при увеличении его объема на гибкую вставку, изменяет ее проходное сечение, изменяя водоподачу в корневую систему растени.й. При этом соотношение объема набухания при относительной влажности 100% и сухого объема должно быть 25:1-600:1, а размер пор полупроницаемой мембраны, отделяющей гидрогель от почвы, должен быть не более 0,2 мм в диаметре. Указанные конструктивные особенности устройства для реализации способа обеспечивают его высокую чувствительность и эффективность, особенно при выращивании горшечных культур. 4 ил.слс

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 А 01 G 25/16

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 2818159/15 (86) РСТ/US 79/00127 (02.03.79) (22) 31.08,79 (31) 882789 (32) 02.03.78 (33) US (46) 23.02.92. Бюл. М 7 (75) Леонард Орнстейн (US) (53) 631.347(088.8) (56) Патент США bl 3898843, кл. Е 02 B 13/00, 1973. (54) СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ (57) Изобретение относится к автоматизированному орошению сельскохозяйственных культур. Цель изобретения — повышение надежности и точности регулирования влажности почвы в корневой зоне развития

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть применено для автоматической подачи воды в корневую систему растений с учетом оптимального расхода влаги на полив, например, горшечных культур, а также в системах орошения в засушливых районах, При этом производится оптимизированная непрерывная подача воды растениям пропорционально израсходованной ими влаги и питательных веществ (минеральных удобрений), растворенных в низких концентрациях в подаваемой воде.

Цель изобретения — повышение надежности и точности регулирования влажности.

На фиг. 1 показан клапан-регулятор для реализации предлагаемого способа, основанный на пережимании при расширении водонабухающего материала, размещенного в гибкой трубке; на фиг. 2 — то же, с

„, Ж„„1715186 А3 растений. Способ включает изменение объема при набухании под воздействием почвенной влаги осмотического вещества— гидрогеля. При этом изменяется его осмотический потенциал, и гидрогель, воздействуя при увеличении его объема на гибкую вставку, изменяет ее проходное сечение, изменяя водоподачу в корневую систему растений. При этом соотношение объема набухания при относительной влажности 100 g> и сухого объема должно быть 25:1 — 600:1, а размер пор полупроницаемой мембраны, отделяющей гидрогель от почвы, должен быть не более 0,2 мм в диаметре. Указанные конструктивные особенности устройства для реализации способа обеспечивают его высокую чувствительность и эффективность, особенно при выращивании горшечных культур. 4 ил. нерегулируемым (не подстраиваемым) поршневым приводом; на фиг. 3 — то же, с регулируемым гибкой-поршнем приводом; на фиг. 4 — клапан-регулятор без гибкой трубки, выполненный в виде седельного клапана с поршневым приводом.

Почва или обычный грунт является пористой абсорбированной средой с хорошими дренажными свойствами и поэтому за исключением сильного дождя (или полива) корни растений не погружены в воду, а взаимодействуют с влажным воздухом, окружающим их и частицы почвы, причем вода является перегородкой между газовой фазой и влажным грунтом, Поэтому одним из важнейших качественных показателей орошения можно считать влажность газовой среды почвы, которая регулируется ее каркасным или осмотическим потенциалом (по1715186 следний выражается величиной давления в барах).

При изменении осмотического потенциала почвы осмотическое вещество, имеющее контакт с почвой (помещенное в почву 5 с возможностью контакта с ее газовой средой), изменяет свой объем-набухает, пропитываясь почвенной влагой или, наоборот, усыхает. Изменение объема осмотического вещества, заключенное с двух сторон про- 10 странства в замкнутый объем, приводит к перемещению третьей пространственной стороны замкнутого объема, Это перемещение и используется в известном устройстве для изменения проходного сечения гибкой 15 вставки на трубопроводе, подающем воду на орошение.

Однако известные устройства для реализации этого способа регулирования водоподачи к растениям в зависимости от 20 состояния почвенной влажности являются либо громоздкими, использующими большую массу разбухаемого материала из-за незначительного применения его объема при изменении состояния материала от су- 25

xoro до набухшего, либо недостаточно чувствительными. Кроме того, пористый элемент составлен из прокладок из ионитовых мембран, отличающихся высокой степенью набухания. Такие ионообменные 30 мембраны обычно представляют собой сетчатые полимеры типа гидрогеля из электролитических мономеров (т.е. они представляют собой полиэлектролиты), и хотя они могут набухать в дистиллирован- 35 ной воде (без ионов), в основном за счет взаимного отталкивания их фиксированных заряженных групп, степень их набухания зависит не только от количества влаги, которую они получили, но и весьма чувствитель- 40 на к количеству и типу солей, растворенных в воде. Такие соли нейтрализуют электростатические силы отталкивания. Содержание соли в почвенной влаге сильно изменяется, поэтому изменение объема 45 этих пористых ионитовых элементов зависит также от солесодержания, воды, что приводит к ошибкам выдачи поливной нормы. Кроме того, они будут необратимо связывать такие многовалентные ионы из 50 почвы, как кальций (Са ) и магний (Mg ), и постепенно терять большую часть способности к набуханию. Гидрогели (растворы полимеров) менее сетчаты и состоят из веществ (например, полиакриламид) из 55 незаряженных безионных полимеров, способность к набуханию которых не зависит от солей и набухать которые могут только в связи с изменениями влажности почвы. Полупроницаемые мембраны имеют пористость достаточно большую, чтобы позволить свободно проходить воде и солям в раствор полимера или геля. При этом необходимы достаточно малые размеры пор, чтобы удерживать растворенные очень большие молекулы полимера или геля, и, следовательно, устройства на основе гидрогелей нечувствительны к любым осмотическим давлениям, которые вызваны растворенными солями (если полунепроницаемая мембрана пропустит воду, но не пропустит соли).

Наиболее существенными факторами для обеспечения работоспособности способа являются вещество и свойства набухаемого материала. При высокой концентрации осмотический потенциал водного раствора длиннощелочных полимеров повышается (становится больше идеального) и требуемая концентрация полимера при заданном осмотическом потенциале ниже расчетной.

Поскольку водный гель с поперечной связью является одной молекулой, его мольная концентрация бесконечно мала, а мольная доля воды близка к единице независимо от весовой концентрации, Поэтому гели с поперечными связями имеют очень малое осмотическое давление при высоких уровнях поперечных связей, и чем они реже, тем более осмотическое поведение гелей приближается к поведению эквивалентного раствора длинноцепочных полимеров. Такие гели при контактировании с водой набухают, снижая осмотический потенциал значительно быстрее, чем просто за счет увеличения объема геля.

Капиллярные, поверхностные, адсорбционные и осмотические силы связ и гигроскопических веществ, например водородная связь, а также осмотический потенциал, взаимодействующий с растворенным веществом, уменьшают испарение почвенной воды в газовую фазу почвы.

Благодаря этому даже при равновесии во влажной дренированной почве при максимальной влажности относительная влажность несколько менее 100, а каркасный потенциал составляет около 0,3 бар. При высыхании почвы сначала испаряется вода из крупных капилляров (с более слабой связью), затем из мелких, при этом каркасный потенциал становится все более отрицательным, и при падении его до потенциала увядания растения могут погибнуть (потенциал на уровне от -10 до -15 бар). Для минимального напряжения и максимального роста растений каркасный потенциал влаги почвы должен быть от -0,3 до -6 бар.

Таким образом, каркасный потенциал определяет доступность воды корневой си1715186

10

35

50

55 стемы растений, поэтому при егоустановившемся оптимальном значении различные грунты (от глины до песка, например, обладающие очень низкой влагоемкостью, могут функционировать также эффективно, как высококачественные почвы, Устройство для определения относительной влажности грунта (по его каркасному потенциалу) и для регулирования по этому показателю потока воды для поддержания относительно постоянным каркасного потенциала одинаково хорошо работает как со всеми видами растений, так и во всех типах почв (грунтов), Способ, таким образом, включает регулирование относительной влажности в почве, окружающей корни растений, путем введения в эту зону датчика-регулятора или клапана . для регулирования подачи воды в эту зону для поддержания требуемого уровня влажности, а устройство для осуществления этого способа представляет собой осмотический датчик-регулятор относительной влажности, действие которого основано на изменении объема набухающего вещества, заключенного в замкнутом от внешней среды объеме и отделенном от нее водопроницаемой мембраной. Поскольку многие культуры (например, картофель) нуждаются в матричных потенциалах порядка от -0,3 до

-0,5 бар для получения хорошего урожая, материалы, использованные в известных устройствах, мал очувствител ь н ы (нап ример, нейлонполиамид, целлюлозные волокна и др.), набухают максимально на 13, Осмотическое набухание гелей, наоборот, обеспечивает очень большие изменения объема при небольших изменениях влажности и набухают, например, 25-кратно по сравнению со своим сухим объемом, когда наступает равновесие воды при 100 относительной влажности, когда гель подвергается воздействию матричного потенциала—

0,3 бар или 99,978 относительной влажности, Для изготовления малогабаритного дешевого ирригационного клапана, осуществляющего перекрытие проходного сечения при изменении объема набухающего материала, в нем должен быть применен материал, который работает от закрытого положения клапана при насыщении (матричный потенциал 0 бар) до полностью открытого положения (при — 0,5 бар) необходимо применять материал, который будет выдерживать необычное набухание между мокрым и сухим состояниями. Только осмотические растворы или гидрогели с небольшими поперечными связями могут отвечать этому требованию. Поскольку такие материалы нежесткие, их использование требует конструкций, совершенно иных по сравнению с известными, и, в частности, требует полунепроницаемых мембран между растворимым или набухаемым материалом и почвой, чтобы удержать материал внутри корпуса клапана.

Размер пор осмотических полупроницаемых мембран может изменяться от размеров молекул до микроскопических размеров (например, до 0,2 мм в диаметре), и класс полупроводимых мембран, примененных в предлагаемом устройстве, находится значительно выше пределов размеров пор для сильно перфорированных структур или для капилляров (ионитовые мембранные прокладки) и поэтому легко отличается от последних размерами и структурными особенностями, особенно способностью удерживать материал внутри корпуса клапана.

Для эффективного использования осмотических растворов и гелей во влагочувствительных клапанах весьма существенно, чтобы набухающий материал в замкнутых объемах делал это достаточно быстро. Скорость реакции в большой степени определяется скоростью диффузии воды в полупроницаемой мембране и скоростью диффузии через объем осмотического раствора или геля. Это приводит к необходимости использования таких форм набухаемого материала, которые имеют минимальную толщину. Поскольку развитие набухания пропорционально толщине, это увеличивает необходимость в сильно набухаемой среде (отличающейся от тех, которые использовались ранее), Однако чувствительность должна несколько зависеть от скорости реакции (которая изменяется обратно пропорционально квадрату толщин). Требование уменьшения толщины вытекает также из необходимости иметь компактные конструкции, которые дешевле и надежнее в работе, но требуют крайне высокой набухаемости (чувствительности).

Использование осмотических растворов с полупроницаемыми мембранами отличает предлагаемый способ от известных ранее набухаемых материалов для клапанов, чувствительных к влаге. Гидрогели с незначительными поперечными связями, которые могут набухать минимум 25 раз от их сухого объема, резко отличают их от жидких растворов и гелей, но также больше, чем в 100 раз превышают возможности большинства неионных материалов, ранее использованных для таких клапанов.

Для реализации способа регулирования относительной влажности почвы замкнутый объем воды с набухающим материалом в

1715186 датчике-регуляторе, в котором концентрация этого материала определяет относительную влажность почвы, отделяется от нее полупроницаемой мембраной, которая непроницаема для водорастворимого или водонабухающего материала, но проницаема для воды. В результате осмотического изменения объема при изменении относительной влажности почвы мембрана, воздействуя изменением давления на гибкую вставку (или секцию) в подающем воду трубопроводе, регулирует величину водного потока через трубопровод.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет регулировать относительную влажность среды на установленную величину, используя замкнутый объем водорастворимого или водонабухающего материала при заданной концентрации. Если, например, влажность в результате орошения становится выше заданного уровня, то вода через мембрану проникает в замкнутый объем, повышая внутреннее давление материала и сжимая при этом гибкую секцию или диафрагму, и уменьшая поток воды от источника орошения, Если же влажность почвы становится меньше заданной, вода осмотически подается в обратном направлении, внутреннее давление в материале падает, сжимающее усилие на гибкую секцию трубопровода снимается и увеличивается поток воды на орошение почвы. При этом скорость реакции устройства пропорциональна отношению площади наружной поверхности мембраны к изменению в объеме, необходимому для перекрытия потока воды, а также пропорциональна водопроницаемости мембраны и гидрогеля.

Поскольку оба эти показателя достаточно велики, устройство реагирует (изменяет проходное сечение гибкой вставки в подающем трубопроводе) на изменение влажности почвы достаточно быстро и при не слишком большой скорости подачи воды.

Поток воды на полив получается непрерывным и плавным.

Полупроницаемые мембраны, применяемые для ультрафильтрации и обессоливания морской воды путем обратного осмотического процесса, по своим свойствам подходят для устройства, реализующего предлагаемый способ, и пропускают около 10 л/с на каждый 1 см площади при г перепаде давления в 1 атм, причем выдерживают без разрушения давление в несколькоо атмосфер.

Набухающий раствор представляет собой смешанный гель с небольшими поперечными связями, причем набухание геля не приводит к значительному вспучиванию через поры сетки, а при возникновении относительного потока воды в устройство гель набухает внутри, что приводит к сжатию гибкой вставки (секции) трубопровода. Наибо5 лее известные гели (желатиновые, агарозовые и др.) набухают менее чем в 10 раз по сравнению с их объемом в сухом виде. Большинство других разбухаемых материалов, которые можно использовать в

10 качестве чувствительных элементов влажности почвы (дерево, кора, целлюлоза и др.), разбухают менее чем на 50o объема.

Таким образом, известные разбухающие вещества имеют недостаточную чувст15 вительность.

Известно, что способность к набуханию гелей повышается с уменьшением плотности их поперечных связей. Например, для использования в предлагаемом способе

20 подходит поперечно связанный полиакриламидный гель (с соотношением поперечных к продольным связям 1:800), который приготавливается следующим образом.

Раствор (А), включающий 0,0125, мети25 ленбисакриламида, 10,0 r акриламида, 7,0 г глицероля, 1,0 г мочевины, 0,08 мл тетраметилэтилена, растворяется в 50 мл фосфатного буфера (буферный раствор фосфата с 0,3 м, рН 7,0). Раствор затем доводится до 90 мл

30 с дальнейшей дозировкой фосфатного буфера. Раствор (Б) готовится растворением

0,140 r персульфата аммония в 10 мл воды.

Растворы (А) и (6) деагизируются в вакууме в течение, примерно, 10 мин. Затем они

35 тщательно смешиваются и быстро выливаются в форму, образованную двумя стеклянными тарелками, разнесенными одна от другой на 2 мм. Раствор принимает гелеобразную форму в течение 5 мин. Спустя 1 ч

40 форма открывается и гель, все еще находящийся на одной из тарелок формы, сушится при 40 С в течение 12 ч.

Высушенный гибкий гель снимается с тарелки, и из листа вырубаются диски на45 ружного диаметра (например 9 мм) для изобретенного ирригационного клапана, которые вставляются в изобретенный клапан.

Кусок такого высушенного геля диамет50 ром 9 мм будет иметь толщину 0,25 мм. При погружении в воду на 24 ч его размеры увеличиваются до новых равновесных величин, равных, примерно, 18 мм в диаметре и 2,5 мм по толщине, что дает увеличение объема

55 примерно в 40 раз по сравнению с сухим объемом.

Клапан-регулятор содержит корпус 1, который может быть собран из верхней 2 и нижней 3 частей (фиг. 4) и выполняется чаще всего цилиндрическим. На корпусе установ1715186

5

35

45

55 лена водопроницаемая мембрана 4 с размером пор не более 0,2 мм в диаметре, для крепления которой может быть применена жесткая сетка 5 (фиг. 2 — 4). Внутри корпуса 1 выполнена камера 6, в которой размещены водонабухающий материал (гидрогель 7) и деформируемый гибкий элемент 8 для изменения проходного сечения клапана, выполненный или в виде эластичной трубки (фиг, 1-3), или в виде круглой диафрагмы (фиг. 4), Изменение проходного сечения или гидравлического сопротивления клапана при набухании гидрогеля 7 производится надавливанием на него или самим гидрогелем на эластичную трубку (фиг. 1), или поршнем 9 (фиг. 2-4), перемещающимся в камере 6.

Поршень может иметь как выпуклую нажимающую площадку 10 (фиг. 2 и 4), так и вогнутую (фиг. 3), выполненные на вершине конуса, в которую переходит цилиндрическая направляющая поверхность поршня.

При этом опорная площадка 11, ограничивающая перемещение гибкого элемента, может быть выполнена или в виде жесткой плоской круглой пластины 12 (фиг. 2), или в виде конуса со сглаженной вершиной, переходящего в цилиндр 13 с винтовой резьбой, ввинчиваемый в нижнюю цилиндрическую часть 3 корпуса клапана (фиг. 3), или в виде конусного углубления в последний (фиг. 4).

Из остальных элементов конструкции клапана можно отметить применение ниппелей 14 для крепления как эластичной трубки, так и подводящего 15 и отводящего

16 трубопроводов(фиг. 1 — 3) или выполнение входного и выходного отверстий в нижней части корпуса (фиг. 4).

При установке в почву в зоне корневой системы растений мембрана 4, обладающая высокой проницаемостью для воды и непроницаемая для гидрогеля, свободно пропускает влагу к последнему. Гидрогель под воздействием влаги расширяется, повышая давление в замкнутом пространстве камеры. Повышение давления во внутренней полости приводит к сжатию гибкой вставки путем непосредственного воздействия на нее гидрогеля (фиг. 1) или путем перемещения поршня 9 и тем самым — к перекрытию подачи воды на орошение. Так как растение потребляет воду, относительная влажность вокруг корней уменьшается ниже 99,8ф.

При этом вода начинает поступать обратно из внутренней полости камеры 6 через мембрану в почву, давление в клапане падает, снимая сжатие гибкой вставки, и поток воды в почву восстанавливается.

Гибкая эластичная трубка или диафрагма (фиг. 4) может быть изготовлена из силиконового каучука или из других сжимающихся и инертных к воде материалов (резина, полиуретан, поливинилхлорид и др.), корпус может быть изготовлен из полипропилена, нейлона, полиэфира и других материалов, стойких к воде и обладающих достаточной механической прочностью. В качестве гидрогеля используется твердый гель, полученный, например, из полиакриламида, поливинилового спирта и др., способный к набуханию более 25 раз(по сравнению с его сухим объемом), когда он находится в равновесии с водой при влажности 100 . Полупроницаемая мембрана может быть выполнена в виде сетки из того же материала, что и корпус клапана (может быть использована также нержавеющая сталь).

Резьбовое соединение (фиг. 3) в нижней части корпуса позволяет регулировать устанавливаемое с помощью клапана-регулятора требуемое для развития растений значение влажности почвы в широких пределах.

Из-за большого отношения площади поршня к площади нажимающих площадок

10 (или опорной площадки на фиг. 3) на вершине конусов варианты конструкции (фиг. 2 и 3) значительно менее чувствительны к изменениям давления в подводящем трубопроводе. Кроме того, в этих вариантах отсутствуют элементы крепления (ниппели), которые могут быть источником отказов клапана.

Таким образом, предлагаемый способ регулирования влажности почвы не требует постоянного ухода, особенно удобен при выращивании горшечных культур и может найти широкое применение в системах орошения в засушливых районах. Способ обеспечивает непрерывную оптимальную подачу воды растениям пропорционально расходу или влаги и питательных веществ (минеральных удобрений), растворенных в воде. Кроме того, способ приемлем для регулирования влажности и другой, отличной от почвы, среды произрастания растений, Формула изобретения

Способ регулирования влажности почвы, включающий набухание под действием почвенной влаги осмотического вещества и воздействие последнего на запорный орган посредством уменьшения проходного сечения эластичной вставки в трубопроводе, причем величина воздействия осмотического вещества на запорный орган регулируется концентрацией и объемом вещества при определенной влажности по отношению к объему замкнутого пространства, в котором вещество находится, отличающийся

1715186

7Ф 7б

Фиг Z

7Z тем, что, с целью повышения надежности и точности регулирования влажности, в качестве осмотического вещества используют гидрогель с соотношением объемов набухания при влажности 100О, и сухого объема не менее 25:1 и не более 200:1, который отделяют от почвы полупроницаемой мембраной с размером пор 0,07 — 0,2 мм в диаметре.

1715186

11

ФОГТ

50

Составитель Г.Параев

Техред М.Моргентал

Корректор Л.Бескид

Редактор А.Козориз

Заказ 705 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101