朱梅，顧佳林，儲誠癸，李曉樂，朱德泉

(安徽農(nóng)業(yè)大學工學院，安徽 合肥 230036)

施肥機是水肥一體化設備中的一個核心環(huán)節(jié)，負責將儲肥桶內(nèi)的肥液送入灌溉系統(tǒng)主管道中，使水溶肥隨管道內(nèi)的灌溉水流至末端噴頭、滴頭等節(jié)水部件進入土壤[1].施肥機配合節(jié)水灌溉工程可顯著提高水肥利用率、增產(chǎn)增收、減少環(huán)境污染.經(jīng)調(diào)研，目前水肥一體化系統(tǒng)中使用的施肥設備主要采用4種方式，其中壓差式、比例泵式、文丘里式的核心原理都是使管道兩端生成一定的壓力差，令液體肥料從壓力高的地方流向壓力低的管道中，泵注式則是使用外部動力將肥液加壓注入灌溉管道內(nèi).國內(nèi)外許多研究人員對這4種方式進行了研究分析[2].

范軍亮等[3]對滴灌壓差施肥系統(tǒng)進行了綜合性評價，發(fā)現(xiàn)壓差式施肥罐出口肥液相對濃度隨時間呈指數(shù)函數(shù)快速減少，且此方式的施肥均勻性受供水方式和施肥罐兩端壓差影響較大；吳錫凱等[4]對水力驅(qū)動式比例施肥泵進行了研究，發(fā)現(xiàn)在使用中需避免出現(xiàn)較大壓差與較小施肥比例配合，以及較小壓差與較大施肥比例配合；張超等[5]使用ANSYS對文丘里施肥器進行了水力特性研究，發(fā)現(xiàn)文丘里施肥器所產(chǎn)生的較大壓力損失，使其只適用于面積不大的灌區(qū).通過以上研究發(fā)現(xiàn)3種水力驅(qū)動施肥設備都受到管道內(nèi)壓力限制，難以滿足部分工況.而泵注式使用機械驅(qū)動克服了壓力限制，但國內(nèi)泵注式施肥大多使用增壓泵或計量泵，難以實現(xiàn)精確變量施肥.嚴海軍等[6]設計了一種應用于圓形噴灌機的泵注式施肥裝置，通過泵流量率定管與儲肥桶構(gòu)成連通器配合柱塞泵曲柄連桿機構(gòu)實現(xiàn)了精確變量施肥，但無法實現(xiàn)管道內(nèi)肥液濃度穩(wěn)定.彭炫等[7]通過對精量水肥配比控制系統(tǒng)進行設計和研究以及水肥混合配比濃度控制試驗，證明可以快速、準確、穩(wěn)定地對水肥溶液進行精確配比，故提高了水和肥料的利用率.

基于以上研究結(jié)果，文中提出一種應用于溫室系統(tǒng)的新式施肥機.通過在柱塞式注肥泵上加裝單片機、變頻器與各類傳感器，組成一種高精度可控施肥機.此施肥機可以調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率以實現(xiàn)精確變量施肥，主要工作方式有恒流模式與恒水肥配比(施肥機流量∶灌溉主管流量)模式，并通過在連棟棚內(nèi)進行噴灌試驗以研究施肥機的運行參數(shù)及2種模式下的施肥均勻性[8]與管道濃度穩(wěn)定性，為水肥一體化技術推廣和應用提供技術依據(jù).

1 高精度可控施肥設備設計

1.1 總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

高精度可控施肥設備總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括柱塞泵、交流電動機、變頻器、單片機控制模塊、壓力傳感器[9]等.其中單片機模塊集成安裝在變頻器內(nèi)，超聲波流量計[10]則安裝在主管道上.

圖1 高精度可控施肥設備總體結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括單片機控制模塊、壓力傳感器、流量計、變頻器、供電模塊、顯示模塊、按鍵模塊等.

圖2 高精度可控施肥設備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

將設備出水口連接灌溉主管道，進水口連接儲肥桶，同時將壓力傳感器安裝在施肥機出水口附近.設備開啟后壓力傳感器檢測施肥機出水口壓力，超聲波流量計獲取主管道內(nèi)流量值并通過RS232串口發(fā)送給單片機[11]，單片機內(nèi)部根據(jù)采集到的壓力值與流量值，將按鍵鍵入的流量值或水肥配比轉(zhuǎn)變?yōu)閷念l率值，并經(jīng)過TTL轉(zhuǎn)RS485電路將頻率信號傳遞給變頻器.變頻器輸出相應頻率的交流電驅(qū)動電動機工作，最后通過皮帶輪帶動柱塞泵運轉(zhuǎn)將肥液注入主管道.

1.2 設備運轉(zhuǎn)關鍵結(jié)構(gòu)設計

1.2.1 機械傳動結(jié)構(gòu)

機械傳動結(jié)構(gòu)采用柱塞泵與交流電動機組合的方式，兩者之間使用皮帶輪進行動力傳遞.由于設備設計采用調(diào)節(jié)柱塞運動頻率以實現(xiàn)流量控制，所以使用的是3柱塞的臥式柱塞泵，與其他類型相比，此型號柱塞泵出水口流量脈動性較低，更易被測量.

1.2.2 單片機控制模塊

控制模塊可細分為3個部分：供電模塊、STC單片機模塊、感知模塊.

供電模塊用于將DC 24 V處理后輸出DC 24 V與DC 5 V供給控制模塊與各傳感器.其中DC 24 V用于給超聲波流量計供電，DC 5 V則供單片機、顯示模塊、壓力傳感器等其他部件使用.

STC單片機模塊采用STC12C5A60S2單片機作為運算核心.其中單片機與變頻器通信需要發(fā)送多個字節(jié)數(shù)據(jù)，使用其自帶的串行口進行通信，通信采用RS485協(xié)議[12].但由于單片機自身輸出信號為TTL電平，需要將信號經(jīng)過TTL轉(zhuǎn)RS485電路[13].而壓力傳感器與流量計都為單總線式，因此只需兩個I/O口就可完成與單片機的通信.

感知模塊主要包含壓力傳感器與超聲波流量計.壓力傳感器選用XGZP4501型壓力變送器，其量程為0～1 MPa、供電電源DC 5 V、輸出信號DC 0.5～4.5 V.超聲波流量計則選用TD-100MB型，其量程為0～±12 m/s、供電電源24 V、精度1.0級、工作頻率1 MHz.由于超聲波流量計為RS485信號輸出，與單片機通信方式及變頻器相同.而壓力傳感器輸出為模擬信號，故需要由A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號才能將壓力數(shù)據(jù)傳遞給單片機，單片機接收后將數(shù)字信號進行數(shù)值計算得出當前壓力.

1.3 控制系統(tǒng)工作流程

控制系統(tǒng)主程序由C語言編寫，其流程如圖3所示，主要包括壓力采集子程序、流量采集子程序、狀態(tài)分析子程序、按鍵識別子程序、頻率計算子程序、數(shù)據(jù)發(fā)送子程序、OLED顯示子程序及各主要芯片初始化.其中頻率計算程序是軟件設計的關鍵，直接影響到高精度可控施肥機注肥量的精確性.

圖3 控制系統(tǒng)主程序流程

軟件主要實現(xiàn)的功能是將測得的施肥機出水口壓力或主管道流量與按鍵輸入的流量或水肥配比代入到后續(xù)試驗總結(jié)出的關系式中，計算得到對應的變頻器頻率，檢測設備出水口的壓力、主管道的流量，并感知按鍵內(nèi)容，將檢測的內(nèi)容顯示在屏幕上.

其中狀態(tài)分析子程序負責對壓力與流量采集結(jié)果進行數(shù)值分析，并得出當前灌溉主管中水流情況.控制系統(tǒng)開啟后，對壓力采集子程序所采集的每5個壓力值求平均值，并將此平均值作為當前管道內(nèi)壓力值保存；同時用新求得的平均值與前一個平均值求差，當差值連續(xù)出現(xiàn)3次同符號數(shù)時，判斷管道內(nèi)水流發(fā)生變化.若施肥機開啟了恒水肥配比模式，考慮到超聲波流量計數(shù)值存在一定幅度波動，為了避免施肥機因波動頻繁調(diào)整轉(zhuǎn)速，同樣使用流量采集子程序所采集流量值的平均值作為當前管道內(nèi)流量，且僅在判斷主管道內(nèi)水流發(fā)生變化時更新主管道流量值.

1.4 設備內(nèi)置頻率計算公式

施肥機動力驅(qū)動設備為一臺三相交流異步電動機，此類電動機在工作時實際轉(zhuǎn)速n滿足公式

n=[60f(1-S)/q]×100%，

(1)

式中：S為三相異步電動機轉(zhuǎn)差率,%；n為電動機實際轉(zhuǎn)速，r/min；q為電動機磁極對數(shù)；f為電動機輸入頻率，Hz.

可見交流電動機轉(zhuǎn)速的影響因素有3個，其中電動機磁極對數(shù)為設備固有屬性，而三相異步電動機轉(zhuǎn)差率受電動機負載直接影響[14]，與電動機輸入頻率一起作為影響因素，直接決定當前交流異步電動機的實際轉(zhuǎn)速.同時，柱塞泵在高壓工作時，一部分高壓液體會從活塞與缸套間的間隙泄漏，造成流量損失，因此施肥機動力系統(tǒng)具備非線性特性.

施肥機負載主要由設備出水口處壓力與流量組成，故通過試驗測量在不同出口壓力與輸入頻率下的流量，再由測量結(jié)果分析變頻器輸出頻率與流量和壓力的關系，并建立公式.由于往復泵出口流量呈脈動變化，傳統(tǒng)測流量儀器難以準確測量，故采用容積法測施肥機流量.除自主設計搭建的基于柱塞泵與單片機的高精度可控施肥機之外，還使用一套恒壓供水系統(tǒng)，所用儀器有中國紅旗儀表有限公司的Y-60徑向壓力表.

通過使用恒壓供水控制系統(tǒng)形成水循環(huán)系統(tǒng)[15]，獲得不同的主管道壓力狀態(tài)，將恒壓供水系統(tǒng)內(nèi)水泵的進水口接在水箱的出水口上，而系統(tǒng)的末端出水口利用水管引至水箱的頂部開口處.

試驗時，先將恒壓供水系統(tǒng)打開，調(diào)節(jié)施肥機出口處壓力分別為0，0.05，0.10，0.15，0.20，0.25，0.30，0.35，0.40 MPa.隨后將施肥機開啟手動調(diào)節(jié)模式，通過手動調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率分別為5，10，15，20，25，30，35 Hz.待施肥機穩(wěn)定后記錄下儲肥桶減少100 L液體所用時間，通過計算得出當前流量.由此得到出水口壓力、設備流量、變頻器頻率關系見表1；通過分析流量變化特點建立公式，即

(2)

式中：p為設備出水口處壓力，MPa；Q為設備出口流量，L/h；k為柱塞泵與交流電動機傳動比；q為電動機磁極對數(shù).

表1 不同壓力與變頻器頻率下流量

式(2)即為設備內(nèi)部求變頻器輸出頻率公式.設備通過動態(tài)監(jiān)測出水口壓力與設定流量，并代入式(2)計算得出預測目標狀態(tài)下變頻器輸出頻率，進而實現(xiàn)精確設備流量.通過將同一壓力、7種流量下頻率計算值與試驗值的差求絕對值后相加再取平均，可以得到9個出水口壓力下頻率數(shù)值解與試驗值的平均絕對誤差σ見表2.數(shù)值解與現(xiàn)有試驗數(shù)據(jù)的平均絕對誤差小于2.89%，可見在9種不同出口壓力下數(shù)值解與試驗數(shù)據(jù)相比較為接近.該頻率計算公式可以較好地預測變頻器在不同出口壓力下的輸出頻率，進而精確控制施肥機流量.

表2 不同壓力下輸出頻率平均絕對誤差

2 材料與方法

2.1 試驗場地

高精度可控施肥機的施肥均勻性試驗在安徽省合肥市長豐縣安徽農(nóng)業(yè)大學試驗實踐基地的連棟棚內(nèi)進行，每棟大棚長80 m、寬20 m、高3 m，棚內(nèi)噴灌管路采用32 mm PE軟管，間距5 m縱向排布，共6條PE軟管(即支管A—F)，每條軟管上噴頭間距5 m，共安裝16個噴頭[16]，如圖4所示.為了防止儲肥桶內(nèi)有未溶解的肥料晶體堵塞噴頭，在施肥機出水端安裝了一個網(wǎng)式過濾器.試驗水源由恒壓供水系統(tǒng)提供，管道內(nèi)水壓可達0.30 MPa，滿足試驗要求.

圖4 噴灌管道示意圖

2.2 試驗方案

高精度可控施肥機的施肥均勻性在于噴灌施肥均勻性與支管肥料濃度的穩(wěn)定性.文中重點分析施肥機在恒流模式下不同流量時噴頭噴嘴的噴灑肥液濃度，與恒水肥配比模式下，不同噴灌流量變化幅度時支管內(nèi)肥液濃度變化，從而評價高精度可控施肥機的施肥效果.

2.2.1 肥液配比與濃度標定

氯化鉀屬強電解質(zhì)，其水溶液的導電能力強，因此試驗中選擇氯化鉀肥料.氯化鉀肥液質(zhì)量分數(shù)通過電導率求得[17].肥液的電導率測定采用哈希sensION156型多功能參數(shù)測量儀，儀器顯示值均為25 ℃時的標準電導率.試驗標定得到了氯化鉀肥液質(zhì)量分數(shù)和電導率之間的擬合公式為

EC=22 441C+771.48，R2=0.999，

(3)

其中

式中：EC為電導率，μS/cm；C為肥液中氯化鉀的質(zhì)量分數(shù)，%；m為肥料質(zhì)量，kg；mw為水質(zhì)量，kg.

式(3)的決定系數(shù)R2為0.999，表明氯化鉀肥液電導率與肥液質(zhì)量分數(shù)之間差異具有統(tǒng)計學意義.

2.2.2 高精度可控施肥機恒流施肥模式試驗

為了研究設備不同恒定流量對施肥均勻性的影響，試驗選取施肥機流量作為單一變量.施肥機分別選取100，200，400，600，800，1 000 L/h 6種不同輸出流量.

恒壓供水主管維持0.3 MPa壓力，同時開啟6條噴灌支管進行試驗.此時噴頭總流量為3 m3/h，儲肥桶中肥液按照氯化鉀肥料和清水的質(zhì)量比為1∶333進行配制.

每種流量情況下試驗時，先啟動恒壓供水系統(tǒng)再開啟施肥機，待所有噴頭正常噴灑且系統(tǒng)壓力與流量穩(wěn)定后，再進行施肥均勻性試驗.在6條噴灌支管上隨機選取10個噴頭作為肥液樣本采集點，使用量杯接收這10個噴頭的噴灑肥液各150 mL，并用多功能參數(shù)測量儀測定肥液導電率，試驗現(xiàn)場如圖5所示.

圖5 試驗現(xiàn)場

2.2.3 變頻恒水肥配比模式試驗

為了研究設備在變頻恒水肥配比模式下噴灌肥液濃度穩(wěn)定性，設置施肥機開啟恒水肥配比模式為試驗組，未開啟恒水肥配比模式為對照組；試驗組與對照組內(nèi)設置2種噴灌流量變化幅度.水肥配比選擇1∶10，儲肥桶中肥液按照氯化鉀肥料和清水的質(zhì)量比1∶90.9混合后，主管內(nèi)肥液理論質(zhì)量分數(shù)為0.1%，由式(3)得到相應的電導率理論值為3 015.58 μS/cm.噴灌流量變化幅度即為連棟棚內(nèi)噴灌支管關閉數(shù)量，分別為關閉E，F(xiàn)，以及關閉C，D，E，F(xiàn)兩種情況.

每次試驗時先啟動恒壓供水系統(tǒng)再開啟施肥機，待所有噴頭正常噴灑且系統(tǒng)壓力與流量穩(wěn)定后，再進行肥料濃度穩(wěn)定性試驗.在2條常開的A和B噴灌軟管上分別選取1，7與16號噴頭作為6個肥液采集點.由于單個噴頭噴灑量約為500 mL/min，每根支管內(nèi)可存約6 L液體，且恒壓供水系統(tǒng)內(nèi)置PID的調(diào)整時間約為60 s，故每次采集肥液100 mL，共采集6次.在改變噴灌流量前進行第1次肥液采集，完成后關閉相應數(shù)量的支管，隨后每間隔30 s在各采集點采集1次，再采集5次.

2.3 噴灌施肥均勻性評價參數(shù)

連棟棚內(nèi)噴頭的噴灑肥液濃度均勻性測定可用克里斯琴森均勻系數(shù)CU和變異系數(shù)CV表示.

1) 克里斯琴森均勻系數(shù)[18]CU：參照表征噴灌水量分布均勻性的克里斯琴森均勻系數(shù)，即

(4)

2) 變異系數(shù)CV：用于表示各量杯電導率(或肥液濃度)的標準偏差與算術平均值的比值.噴灌施肥均勻性越高，測得的變異系數(shù)越小.計算公式為

(5)

式中：CV為變異系數(shù)，%；S為所有量杯中肥液電導率(或肥液濃度)的標準偏差，μS/cm.

3 結(jié)果與分析

3.1 施肥機輸出流量對噴灌施肥均勻性的影響

圖6 噴灌施肥電導率變化曲線

將不同流量下的電導率平均值進行線性擬合，得到公式為

(6)

式中：Q為施肥機流量，L/h.

式(6)中的決定系數(shù)R2達到了0.999，表明電導率的平均值與施肥機流量之間具有顯著的正相關性關系，說明施肥機在不同流量下工作都具有較高的穩(wěn)定性，這對于施肥機的變量噴灌施肥運行非常重要.

高精度可控施肥機恒流模式下，多種流量時不同噴頭噴灑肥液電導率分析結(jié)果見表3，表中ECth為電導率理論值.由表中電導率可知，所有流量情況下所測得的電導率平均值均小于其質(zhì)量分數(shù)所對應的理論電導率值.造成這種差異的原因較多，例如試驗的固體氯化鉀存在細微不溶物、溶液存在電解質(zhì)、氯化鉀溶液分層現(xiàn)象、塘水電導率變化、主管灌溉水流量不穩(wěn)定等.但這些差異對相同工況下測得的各噴頭電導率分布均勻性不會產(chǎn)生影響.

表3 電導率分析結(jié)果

且根據(jù)表3中CU和CV值可以看出，施肥機在不同流量下工作時的噴灌施肥均勻性的變異系數(shù)CV的最大值僅為0.75%，而克里斯琴森均勻系數(shù)CU均超過99%，表明每種流量下，噴頭噴灑肥液濃度高度一致，但根據(jù)CU和CV的變化規(guī)律可以得到大流量下的施肥機工作均勻性更好.

通過溫室噴灌施肥試驗，有效驗證了高精度可控施肥機在不同流量需求下與不同施肥方式下都具有較高的穩(wěn)定性與施肥均勻性，且與文丘里式施肥機和比例泵式施肥機相比，高精度可控施肥機具有更高的流量調(diào)節(jié)精度與施肥速度，實現(xiàn)了在對灌溉主管沒有造成壓力損失的同時控制管道內(nèi)肥料濃度.

3.2 恒水肥配比模式對主管道肥料濃度穩(wěn)定的效果

在2種噴灌流量變化幅度的試驗組與對照組試驗中測得各采集點所采集肥液電導率.為了體現(xiàn)水肥一體化支管內(nèi)肥料濃度整體情況，將試驗組與對照組所測各量杯電導率取平均值，并將不同流量變化幅度的試驗組與對照組流量繪制成點線圖分析變化趨勢，如圖7所示，圖中B為采集批次.通過分析試驗結(jié)果，在1∶10水肥配比、關閉2條支管時，試驗組的肥液電導率穩(wěn)定在2 568.4 μS/cm、對照組的肥液電導率穩(wěn)定在3 038.3 μS/cm；關閉4條支管時試驗組的肥液電導率穩(wěn)定在2 549.4 μS/cm、對照組的肥液電導率穩(wěn)定在4 196.6 μS/cm.2種流量變化幅度情況下，試驗組肥液電導率最終穩(wěn)定值皆與目標值存在一定偏差，此偏差可能與超聲波流量計的精確度及施肥機流量誤差有關，但通過計算電導率偏差率小于4%，仍體現(xiàn)比例調(diào)節(jié)的精確性.

圖7 對照組電導率平均值變化曲線

分析圖7，試驗組的管道內(nèi)電導率經(jīng)歷先增大后變小的過程.根據(jù)噴灌管道內(nèi)水力分析[19]可知，當噴灌總流量減少后，管道內(nèi)各部件水頭損失降低，灌溉主管壓力增大，導致各噴頭處的壓力與流量略有上升.隨后恒壓供水控制系統(tǒng)對管道進行調(diào)壓，噴灌總流量進一步減小，此過程由于施肥機恒水肥比例模式存在響應延遲，施肥機流量無法及時匹配總噴灌流量，管道內(nèi)肥液濃度緩慢上升.最終主管道內(nèi)壓力回到恒壓數(shù)值，噴灌總流量趨于穩(wěn)定，施肥機恒水肥比例模式根據(jù)此時流量調(diào)節(jié)自身流量后，管道內(nèi)肥液濃度開始逐漸降低逼近目標值.

通過施肥機恒水肥配比模式對灌溉主管內(nèi)肥料濃度進行控制，雖然不能完全消除因灌溉流量變化所引起的濃度波動，但波動持續(xù)時間明顯降低，提高了施肥精度.與傳統(tǒng)人工調(diào)節(jié)施肥機流量相比，高精度可控施肥機響應速度更快、精度更高、人工成本更低.

4 結(jié) 論

1) 采用單片機、壓力傳感器、超聲波流量計、柱塞泵、交流電動機、變頻器等設計了高精度可控施肥機.

2) 高精度可控施肥機可控流量范圍為60～1 200 L/h；通過調(diào)節(jié)設備流量，可適應儲肥桶內(nèi)不同濃度肥液的施肥要求.

3) 高精度可控施肥機在恒流模式下，將設備流量分別恒定為100，200，400，600，800，1 000 L/h時，各噴頭噴灑肥液的電導率平均值與設備流量呈正相關性，且噴灌施肥均勻系數(shù)超過99%.表明改變施肥機的流量可以實現(xiàn)高均勻度變量施肥.且噴灌施肥均勻系數(shù)CU為99.33%～99.71%，變異系數(shù)CV為 0.35%～0.75%，其中施肥機流量越大，施肥的均勻性越好.

4) 高精度可控施肥機在恒水肥配比模式下，當噴灌噴頭數(shù)發(fā)生變化時，試驗組管道內(nèi)肥液濃度在160 s時趨于穩(wěn)定，且穩(wěn)定后肥液電導率值與目標值偏差率小于4%.

5) 所設計的高精度可控施肥機在溫室施肥中具有良好的適用性.但施肥機流量調(diào)節(jié)范圍難以滿足大田施肥需要，如何提高設備流量仍需進一步研究.

6) 使用自主設計的泵注式高精度可控施肥機在連棟棚內(nèi)進行了噴灌試驗，并在恒流模式與恒水肥配比模式下取得預期效果，為基于單片機與柱塞泵的泵注式施肥機提供了技術支持，對推動水肥一體化發(fā)展提供了新思路.