[发明专利]一种吸肥流量测控一体化装置及其控制方法

权利要求书

1.一种吸肥流量测控一体化装置，其特征在于，包括水泵（4），所述水泵（4）分别连接有压力变送器（3）、止回阀（10），所述压力变送器（3）连接有过滤器（5），过滤器（5）分别连接有灌溉电磁阀（11）、旁路阀（6）、若干个文丘里吸肥器（8），旁路阀（6）和若干个文丘里吸肥器（8）与吸肥泵（9）连接，所述吸肥泵（9）与止回阀（10）连接，每个所述文丘里吸肥器（8）依次与流量测量机构（2）、流量调节机构（1）和肥料罐（7）连接，所述流量调节机构（1）、流量测量机构（2）和压力变送器（3）与PLC流量控制单元（12）连接；

所述流量测量机构（2）包括浮子流量计（201）和脉冲流量计（202），所述浮子流量计（201）分别与流量调节机构（1）的出口端、文丘里吸肥器（8）连接，所述脉冲流量计（202）分别与流量调节机构（1）的进口端、肥料罐（7）连接；

所述流量调节机构（1）包括外壳（115），所述外壳（115）的顶端设置有步进式电机（106），所述步进式电机（106）上设置有电机输出轴（107），所述电机输出轴（107）位于外壳（115）内的一端通过联轴器（108）连接有螺纹杆（109），所述螺纹杆（109）连接有调节柱塞（105），所述调节柱塞（105）的底端设置有柱塞止水头（111），所述柱塞止水头（111）底部设置有止水橡胶片（112），所述外壳（115）的底部设置有水流进口（101），所述水流进口（101）的顶部设置有水流进口衔接段（102），所述水流进口衔接段（102）的顶部设置有空腔内水流出口（103），所述空腔内水流出口（103）位于止水橡胶片（112）的正下方，所述外壳（115）的侧壁上设置有水流出口（104），所述水流出口（104）的顶端位于水流进口衔接段（102）顶端的上方，所述水流出口（104）的底端不高于水流进口衔接段（102）顶端位置，所述水流进口（101）与浮子流量计（201）连接，所述水流出口（104）与脉冲流量计（202）连接，所述脉冲流量计（202）与PLC流量控制单元（12）连接，所述步进式电机（106）通过步进式电机驱动器与PLC流量控制单元（12）连接；

所述调节柱塞（105）通过滑块（116）与柱塞导轨槽（110）滑动连接，所述柱塞导轨槽（110）的顶部与步进式电机（106）的输出端连接；

所述电机输出轴（107）的反向延伸端设置有手动旋钮（114）；

所述水流进口衔接段（102）为喇叭形，其拐角处的收缩角为20°，所述水流进口衔接段（102）的大口径端与水流进口（101）连接，所述空腔内水流出口（103）的直径小于止水橡胶片（112）的直径。

2.一种吸肥流量控制方法，其特征在于，采用权利要求1所述的一种吸肥流量测控一体化装置，具体按照以下步骤实施：

步骤1，启动水泵（4）和吸肥泵（9），打开旁路阀（6）；

步骤2，建立脉冲流量计（202）输出的脉冲频率与实际流量的关系；

步骤2的具体过程为：

当水泵（4）变频运行，装置水压稳定，压力变送器（3）位置的压力恒定，即：

式中，h₃表示压力变送器处水头，m；ρ表示液体密度，各种肥液的密度类似，此处均以水的密度计为1×10³ kg/m³；g表示重力加速度，取9.8 m/s²；

由于式中ρ、g在装置中取值均一致，则使用水头h表示装置中压力大小，则有：

式中，h₀表示水泵出口水头，m；h_f1表示水泵出口到压力变送器间沿程水头损失，m；h_j1表示三通的局部水头损失，m；

又有：

式中，h₈₁表示1号文丘里吸肥器前水头，m；h₈₂表示2号文丘里吸肥器前水头，m；h₈₃表示3号文丘里吸肥器前水头，m；h_f2表示压力变送器到1号文丘里吸肥器间沿程水头损失，m；h_f3表示压力变送器到2号文丘里吸肥器间沿程水头损失，m；h_f4表示压力变送器到3号文丘里吸肥器间沿程水头损失，m；h_j2表示压力变送器到文丘里吸肥器间局部水头损失，m；

即对应其下游文丘里吸肥器（8）及其他两路文丘里吸肥器（8）前的压力将达到稳定且相近，同理：

式中，h_10后表示止回阀（10）后的水头，m；h_f5表示水泵出口到止回阀间沿程水头损失，m；h_j3表示三通的局部水头损失，m；表示1号文丘里吸肥器后水头，m；表示2号文丘里吸肥器后水头，m；表示3号文丘里吸肥器后水头，m；h_f6表示止回阀到1号文丘里吸肥器间沿程水头损失，m；h_f7表示止回阀到2号文丘里吸肥器间沿程水头损失，m；h_f8表示止回阀到3号文丘里吸肥器间沿程水头损失，m；h_j4表示止回阀到文丘里吸肥器间局部水头损失，m；

即对应其下游文丘里吸肥器（8）及其他两路文丘里吸肥器（8）后的压力也将达到稳定，因此，文丘里吸肥器（8）对于吸肥通道作用的负压值大小相等；

流量计算公式：

式中，Q表示通过流量调节机构的流量，m³/s；ΔP表示流量调节机构前后的压差，MPa；表示调节阀参数，用下式确定：

式中，Ar表示脉冲流量计阀座面积，与流量调节机构的开度有关，mm²；ζ表示流量调节机构的局部水头损失系数，与流量调节机构的开度有关；

采用电磁流量计作为流量标准，在0.2MPa、0.3MPa压力下，测量实际流量对应的脉冲流量计（202）输出的脉冲频率，得到脉冲流量计（202）输出的脉冲频率与实际流量的关系曲线，根据关系曲线通过回归分析，得到脉冲流量计（202）输出的脉冲频率与实际流量的关系，即：

式中，Q表示实际流量，P表示压力变送器（3）测得的压力，f表示输出脉冲频率，R表示调节阀的可调比；

步骤3，建立在不同压力下，步进式电机驱动器的输入脉冲数与实际流量的关系；

步骤3的具体过程为：分别在0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa的压力下，在PLC流量控制单元（12）中以等差递增的方式输入脉冲数，记录与输入的脉冲数对应的流量值，得到步进式电机驱动器的输入脉冲数与实际流量的关系曲线，根据关系曲线通过多项式方程拟合，得到步进式电机驱动器的输入脉冲数与实际流量的关系，即：

式中，b表示步进式电机驱动器的输入脉冲数，Q表示实际流量，Q_max表示最大流量，与压力变送器（3）测得的压力P相关，可用下式确定：

；

步骤4，将目标流量值和压力变送器（3）所采集的实时压力值作为输入，通过步骤2和步骤3得到的关系，PLC流量控制单元（12）得到达到目标流量时所需要的脉冲数，将脉冲数传输给步进式电机驱动器，由步进式电机驱动器解码控制步进式电机（106）带动电机输出轴（107），通过联轴器（108）带动螺纹杆（109）旋转驱动调节柱塞（105）沿柱塞导轨槽（110）运行，从而控制柱塞止水头（111）与空腔内水流出口（103）的距离，以调节流量的大小；

步骤5，将目标流量值与实时流量值做差，再与预设的流量调节区间对比，若目标流量值与实时流量值的差值在预设的流量调节区间内，则打开灌溉电磁阀（11），水流途经压力变送器（3）、过滤器（5）、灌溉电磁阀（11）到田间灌溉，肥料通过文丘里吸肥器（8）或旁路阀（6）、吸肥泵（9）、止回阀（10）、压力变送器（3）、过滤器（5）、灌溉电磁阀（11），进行灌溉施肥，若目标流量值与实时流量值的差值在预设的流量调节区间外，则重复步骤4-5。