Устройство автономного автоматического полива

 

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано в орошаемом земледелии для автономного автоматического определения сроков полива и управления этим поливом малых участков, например садов, виноградников и отдельно стоящих растений. Устройство включает блок уравновешивания и запорный орган, причем запорный орган состоит из корпуса, плунжера, соединенного с чувствительным элементом давления, и седла. Корпус дополнительно включает штуцеры ввода и вывода воды, блок уравновешивания может быть выполнен в виде спиральной пружины или сильфонного блока. Штуцер ввода воды включает в себя седло, а в качестве чувствительного элемента давления использована вялая мембрана. Изобретение обеспечивает функции автономного автоматического полива. 3 ил.

Предлагаемое изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано в орошаемом земледелии для автономного автоматического полива малых участков, например садов.

Известна система капельного орошения [1], состоящая из водозаборного и напорообразующего узлов, фильтра, устройства для приготовления и подачи удобрений в трубопроводную сеть, пульта управления, магистрального, распределительных и поливных трубопроводов, капельниц, датчика необходимости полива. управляющей арматуры и каналов связи между пультом управления и управляющей арматурой.

Недостатком известной системы является то, что она специализирована для управления водораспределением больших орошаемых земельных участков, и для реализации ее работы необходимо применение внешней энергии (электричество), что в полевых условиях представляет часто непреодолимую задачу.

Известно устройство [2] управления влажностью почвы при капельном орошении, содержащее датчики влажности почвы, подключенные через пороговые элементы к логическому блоку, связанному с блоками программного управления и аварийной сигнализации, при этом датчики влажности почвы и пороговые элементы объединены в группы, расположенные в зонах увлажнения контрольными капельницами, причем в каждой группе выходы пороговых элементов объединены по схеме И, чувствительные элементы датчиков влажности расположены на различной глубине, а пороговые элементы выполнены с возможностью изменения уставки срабатывания.

Недостатком известного устройства является то, что оно также специализировано для управления влажностью почвы больших земельных участков и также использует для своей реализации внешнюю энергию - электричество, что не позволяет использовать его в удаленных условиях.

Известно устройство [3] - тензиометр (датчик влажности почвы), содержащее корпус, пористый полый элемент, соединительную трубку, патрубок для залива жидкости с герметичной самоцентрирующейся пробкой, элемент передачи информации, состоящий из сильфонного устройства и передаточно-настроечного механизма с контактным устройством, причем пористый элемент выполнен в виде нескольких изолированных частей, а элемент передачи информации снабжен дополнительными сильфонными устройствами, соединенными между собой тягами и с передаточно-настроечным механизмом, при этом каждая часть пористого элемента автономно соединена с атмосферой.

Недостатком этого известного устройства является то, что, оно предназначено для управления влажностью почвы с использованием внешней энергии - электричества, что не позволяет использовать его в полностью автономных условиях.

Известно устройство [4] - тензиометр почвенный, содержащее герметичный объем, включающий пористый керамический полый элемент, соединительную трубку, патрубок для залива жидкости с герметичной самоцентрирующейся пробкой, чувствительный элемент давления и съемный индикатор.

Это известное техническое решение является наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому положительному эффекту и взято автором за прототип.

Недостатком этого известного устройства является то, что оно не обеспечивает функций автономного автоматического полива.

Цель настоящего изобретения - обеспечение функций автономного автоматического полива.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее герметичный объем, включающий пористый керамический полый элемент, соединительную трубку, патрубок для залива жидкости с герметичной самоцентрирующейся пробкой и чувствительный элемент давления, дополнительно содержит блок уравновешивания и запорный орган, причем запорный орган состоит из корпуса, плунжера, соединенного с чувствительным элементом давления и седла, при этом корпус включает штуцеры ввода и вывода воды, блок уравновешивания может быть выполнен в виде спиральной пружины или сильфонного блока, штуцер ввода воды включает в себя седло, а в качестве чувствительного элемента давления использована вялая мембрана.

Существенные признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, в известных технических решениях не обнаружены. Это позволяет сделать вывод о том, что заявляемое изобретение обладает существенными отличиями.

Предлагаемое техническое решение соединяет в себе датчик определения начала и окончания полива и собственно устройство полива. Реализуемые при этом функции позволяют создать полностью автономное устройство автоматического полива, которое без применения внешней энергии определяет начало полива, управляет поливом и заканчивает полив при повышении влажности почвы до наперед заданной величины.

На фиг. 1 дана схема применения предлагаемого устройства; на фиг. 2 приведен один из вариантов реализации предложенного устройства с использованием спиральной пружины сжатия как блока уравновешивания; на фиг. 3 приведен другой возможный вариант реализации предложенного устройства с использованием сильфонного блока в качестве блока уравновешивания.

Фиг. 1 включает орошаемое растение 1, поливной трубопровод 2, предлагаемое устройство автономного автоматического полива 3 с пористым керамическим полым элементом 4, опущенным в почву 5 на глубину корневой системы растения 1.

6 - локальная зона увлажнения почвы после полива.

Схема на фиг. 1 показывает, как используя предложенное устройство автономного автоматического полива 3, можно поливать растение 1. Поливной трубопровод 2 прокладывается в ряду с растениями на высоте 40-50 см (как показано на фиг. 1), или располагается в земле с выходом на поверхность у растений 1, где и соединяется с устройством автономного автоматического полива 3. Напор в поливном трубопроводе 2 создается внешней системой подачи воды на орошение. Устройство автономного автоматического полива 3 находится постоянно под напором воды в поливном трубопроводе 2. Начало полива определяется с помощью тензиометрического метода. Этот метод позволяет определить локальный вакуум (натяжение почвенной влаги) в почве, создаваемый в зоне корневых волосков растений при отсосе ими капиллярной влаги, находящейся между мелкими частицами почвы.

При определении начала полива (повышение локального вакуума до определенного предела в зоне расположения корневой системы растения) предложенное устройство 3 автоматически подает воду в корневую зону растения 1. При поливе в почве 5 накапливается гравитационная влага, которая под своим весом проникает в нижние слои почвы 5. При этом в почве 5 образуется контур увлажнения 6. Со временем эта влага достигает пористый керамический полый элемент 4 устройства полива 3. Вакуум внутри пористого керамического полого элемента 4 падает, при этом устройство полива 3 прекращает подачу воды через себя. Полив закончен. Устройство реализует все функции полива автоматически и полностью автономно.

На фиг. 2 дан один из вариантов реализации предложенного устройства автономного автоматического полива. Оно включает герметичный объем, включающий пористый керамический полый элемент 1, соединительную трубку 2, патрубок 3 для залива жидкости с герметичной самоцентрирующейся пробкой 4, чувствительный элемент давления, в качестве которого использована вялая мембрана 5, блок уравновешивания 6 и запорный орган, состоящий из корпуса 7, плунжера 8, соединенного с чувствительным элементом 5, штуцер 9 ввода воды с седлом 10 и штуцер 11 вывода воды.

Устройство работает следующим образом.

Из фиг. 1 и пояснений к нему ясно, что при понижении влагосодержания в почве в ней создается локальная зона повышения вакуума за счет деятельности корневой системы растения (отсос воды из этой локальной зоны). Это повышение вакуума воспринимается герметичным объемом устройства, а именно пористым керамическим полым элементом 1. Внутри пористого керамического полого элемента 1 залита вода (через соединительную трубку 2 и патрубок 3 для залива жидкости с герметичной самоцентрирующейся пробкой 4). В случае повышения локального вакуума в почве за счет отсоса воды корневой системой растения, уровень воды внутри пористого керамического полого элемента 1 начинает снижаться. За счет этого начинает повышаться вакуум в замкнутом герметичном объеме - внутренняя полость пористого керамического элемента 1, соединительная трубка 2 и чувствительный элемент давления - вялая мембрана 5. Вялая мембрана 5 начинает прогибаться вниз за счет разности давлений (атмосферное давление сверху через штуцер 11 выхода воды и вакуум снизу через соединительную трубку 2). При этом сила, тянущая ее вниз, уравновешивается вертикальной силой пружины сжатия 6. При дальнейшем повышении вакуума вялая мембрана 5 вместе с соединенным с ней плунжером 8 сдвигается вниз. При этом увеличивается щель между седлом 10 и плунжером 8, открывая подачу поливной воды через штуцер 9 входа воды. Так как штуцер 11 выхода воды из внутренней полости корпуса 7 постоянно свободен (открыт), то вода через него малым расходом поступает на полив. Если этого расхода воды не хватает на то, чтобы повысить влагосодержание почвы или продолжительность полива еще мала, локальный вакуум в почве еще более повышается. Мембрана 5 вместе с плунжером 8 опускается еще ниже, увеличивая расход воды на полив.

Постепенно гравитационная вода под действием сил гравитации опускается все ниже, пропитывая нижние слои почвы. При этом контур увлажнения (на фиг. 1) достигает пористый керамический полый элемент. Локальный вакуум в зоне увлажнения начинает падать.

Начинает он падать и в герметичном замкнутом объеме (фиг.2) образованным пористым керамическим полым элементом 1, соединительной трубкой 2 и вялой мембраной 5. Мембрана 5 начинает (под действием вертикальной силы пружины сжатия 6) подниматься вверх, перекрывая соединенным с ней плунжером 8 подачу воды из штуцера 9 входа поливной воды. Постепенно подача воды полностью прекращается. Полив окончен. Процесс полива проходит полностью в автоматическом режиме и полностью автономен.

На фиг. 3 дан другой вариант реализации предложенного устройства автоматического полива. Он отличается от первого тем, что в качестве блока уравновешивания в нем использован сильфонный блок 6.

Работа этого варианта аналогична работе предыдущего. В этом случае, благодаря большей поверхности сильфонного блока, работа устройства более точная и может быть использована там, где необходимо поддерживать влагосодержание почвы на более фиксированном уровне.

При практической реализации устройства его необходимо подготовить и настроить, а затем смонтировать у растения, которое собираются орошать.

Подготовка предложенного устройства к работе практически не отличается от подготовки прототипа за исключением операций настройки. Полностью собранное устройство необходимо заправить кипяченой водой и настроить срабатывание устройства на требуемую величину локального вакуума (натяжение почвенной влаги), например для плодовых 0,7...0,8 кгс/см². Для этого необходимо: - подключить к штуцеру 9 входа воды шланг с водой или сжатым воздухом под рабочим давлением приблизительно 0,01 МПа (0,1 кгс/см²). При этом вода не должна проходить через устройство (плунжер 8 полностью входит в седло 10 штуцера 9 входа воды и перекрывает подачу воды в штуцер 11 выхода воды). Если вода все-таки проходит, необходимо закрутить штуцер 9 входа воды для прекращения прохода воды (при этом плунжер 8 плотнее входит в седло 10, передвигая мембрану 5 и нагружая блок уравновешивания 6); - открутить герметичную самоцентрирующуюся пробку 4; - смонтировать устройство на стенде таким образом, чтобы пористый керамический наконечник 1 был полностью в емкости, откуда откачивается компрессором воздух; - залить кипяченую воду через патрубок 4, не допуская наличия пузырьков воздуха в замкнутом герметичном объеме устройства (по специальной технологии); - вместо герметичной самоцентрирующейся пробки 4 вкручивают вакуумметр; - включают компрессор и откачивают воздух из емкости, куда смонтирован пористый керамический полый элемент 1 устройства. При повышении вакуума до наперед заданного значения, например 0,7...0,8 кгс/см², из штуцера 11 выхода воды должна пойти вода. Срабатывание устройства настраивают откручиванием штуцера 9 входа воды и, следовательно, разгружая блок уравновешивания 6 (в нашем случае это пружина сжатия); - останавливают компрессор, постепенно снижая вакуум в емкости до нуля (атмосферное давление); - откручивают вакуумметр с патрубка для залива воды; - вместо вакуумметра медленно закрутить герметичную самоцентрирующуюся пробку 4;
- снимают устройство с проверочного стенда.

Заправленное устройство до момента установки в почву может сохранять рабочее состояние не более 10 часов. В течение этого времени необходимо с помощью специального бура (диаметр бура должен соответствовать внешнему диаметру пористого керамического полого элемента 1 устройства) пробурить скважину в почве на необходимую глубину (для только что высаженных плодовых 50. . .75 см). Из вынутой со дна скважины почвы приготовить суспензию с консистенцией соответствующей сметане и залить в скважину. После этого вставить пористый керамический полый элемент 1 устройства в скважину и присыпать почвой. На этом настройка устройства и монтаж его на рабочем месте заканчивается.

Практические полевые испытания работы предложенного устройства показали его устойчивую работы в течение всего вегетационного периода (на зиму устройство необходимо убирать из-за опасности размораживания в условиях холодной зимы).

Основные преимущества предложенного технического решения по отношению к известным:
- полностью автономная работа устройства полива;
- полностью автоматическая работа устройства от определения необходимости начала полива и подачи воды до определения необходимости его окончания и прекращения подачи воды;
- полив может происходить при повышенном содержании механических примесей в поливной воде за счет изменения кругового отверстия для подачи воды;
- процесс полива не зависит от изменения температуры окружающей среды и давления окружающей атмосферы;
- устройство можно использовать для полива как одиночных растений, так и группы растений одного сорта (с одинаковыми характеристиками водопотребления во времени);
- устройство экологически совершенно безопасно;
- устройство не критично к повышенному содержанию пыли и агрессивных сред;
- устройство не критично к повышенной влажности атмосферы и может находиться под дождем;
- устройство не требует высокой квалификации обслуживающего персонала;
- устройство может быть использовано для орошения крутых горных склонов, где использование других методов полива исключается из-за опасности смыва плодородного слоя;
- устройство может быть использовано не только для орошения, но и для подкормки растений при поливе с растворенными удобрениями за счет того, что расход воды может меняться в больших пределах и вымывать осевшие кристаллические вещества из поливного трубопровода и внутренней полости самого устройства.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ИНФОРМАЦИЯ
1. Сурин В.А. Носенко В.Ф. Механизация и автоматизация полива сельскохозяйственных культур. М.: Колос. 1981, 281 с. (Учебники и учебные пособия для с.-х. техникумов). Стр.246.

2. Авторское свидетельство СССР 1192735 А, А 01 G 25/16, 31/05/84. Издано 23.11.85. Бюл. 43.

3. Авторское свидетельство СССР 1335856 А1, G 01 N 7/04, А 01 G 25/00, 15/03/86. Издано 07.09.87. Бюл. 33.

4. Тензиометр почвенный AM 20-II. Паспорт Л 82.787.000 ПС.

Формула изобретения

Устройство автономного автоматического полива, содержащее герметичный объем, включающий пористый керамический полый элемент, соединительную трубку, патрубок для залива жидкости с герметичной самоцентрирующейся пробкой и чувствительный элемент давления, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит блок уравновешивания и запорный орган, причем запорный орган состоит из корпуса, плунжера, соединенного с чувствительным элементом давления, и седла, при этом корпус включает штуцеры ввода и вывода воды, блок уравновешивания выполнен в виде спиральной пружины или сильфонного блока, штуцер ввода воды включает в себя седло, а в качестве чувствительного элемента давления использована вялая мембрана.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3