一种营养液补充和调整的设备与方法

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一种营养液补充和调整的设备与方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及无土栽培领域中一种营养液补充和调整的设备与方法，特别涉及一种基于营养液电导率EC和酸碱度pH在线监测、能对营养液进行实时补充和调整的设备与方法。\n背景技术\n[0002] 在现代设施农业飞速发展的进程中，无土栽培的种植方式越来越得到广泛地应用。目前，美国、日本等国家的设施栽培基本普及营养液无土栽培技术；欧盟也明确规定，进入21世纪，所有欧盟国家的园艺作物要全部实现无土栽培。\n[0003] 无论是蔬菜还是花卉的无土栽培，营养液的调整和补充是营养液管理的关键技术，营养液的供给直接影响到作物的生长状况和健康状况，从而影响到产量和产品品质。\n[0004] 另外，无土栽培中的水培相对于基质栽培，对营养液管理的要求又要高，因为水培植物是直接生长在营养液中的，少了基质这一“缓冲层”。因此，在水栽培过程中实时地对营养液进行监控和调节尤为重要。\n[0005] 目前，有关营养液补充和调整存在两种极端现象：人工和全自动。以荷兰PRIVA公司和以色列ELDAR公司为代表的营养液全自动调控技术和设备，完全实现了营养液的在线检测和实时控制，保证营养液的性质稳定和系统运行可靠，但技术复杂、设备昂贵。而目前我国实际生产中广泛采用的是人工调整和补充营养液的方式：定期或不定期地用EC和pH计来检测营养液，然后人工补充肥料或调节酸碱度；当发现营养液池中的营养液不够时才去补充。这样的结果是：很难保证营养液的性质稳定和系统的可靠运行。\n[0006] 因此，实际生产迫切需要一种技术和设备简单、价格低廉、运行稳定可靠的营养液调整和补充方法与设备。\n发明内容\n[0007] 本发明的目的是针对水培过程中由于植物对营养液中养分的不断吸收和利用而引起的营养液EC和pH的变化，以及营养液总量的不断减少，提供一种适用于基质栽培过程中营养液调整和补充的设备与方法。\n[0008] 所述营养液补充和调整的设备，供水电磁阀2和电子水表3通过供水管路4安装在水源1和营养液池9之间；混液泵5、EC传感器6、pH传感器7和液位传感器8安装在营养液池9内；母液罐12安装在营养液池9旁边，计量泵10、供肥电磁阀11通过供肥管路安装在母液罐12和营养液池9之间；控制设备13用来对供水电磁阀2、电子水表3、混液泵5、EC传感器6、pH传感器7、液位传感器8、计量泵10、供肥电磁阀11进行数据监测、计算和开闭。\n[0009] 所述营养液补充和调整的方法，根据水源水质和实际采用的营养液配方、肥料，通过对营养液的储量、EC值和pH值变化的实时监控，采取相应的补肥、补酸、补水措施，来实现无土栽培过程中营养液的补充和调整，以保证营养液的正常供给。\n[0010] 所述方法的补充方案包括如下步骤：\n[0011] 1)先根据无土栽培对水质的要求和选用植物的营养需求选择水源水质、确定营养液配方，并根据配方来选用肥料种类；再用100倍母液对选择的实际水源进行滴定试验，并用硝酸或磷酸调整pH值，以得到营养液的EC和pH值随加入100倍母液量、酸液量的变化曲线；\n[0012] 2)将步骤1)选用的肥料按配方配制成营养液后，加入营养液池9进行栽培，随着栽培的进行，营养液被植物不断地吸收，营养液池9中的液位不断下降，当液位下降到高度为0.4～0.6m时，液位传感器8发出补水补肥指令；\n[0013] 3)控制设备13首先计算出营养液池9所需补充的营养液总量，营养液池9的长度和宽度已知，需补充液位高度即可计算得到，然后再根据步骤1)绘制的关系曲线，计算得到所需添加的母液量、酸液量；\n[0014] 4)控制系统将供水管上的供水电磁阀2打开给营养液池供水，电子水表3记录供水量，同时，供肥电磁阀11和计量泵10开始工作，将母液和酸液注入到营养液池9中，此时，营养液池9中的混液泵5也开始工作，将母液和酸液与水混合均匀；\n[0015] 5)当计量泵10将所需母液和酸液全部注入营养液池9后，计量泵10和供肥电磁阀11关闭；\n[0016] 6)当电子水表计量到的供水量达到所需补水量时，供水电磁阀2关闭，停止补水；\n[0017] 7)混液泵5在所有电磁阀关闭后，再运行30～50min后停止工作，至此，营养液的补充结束。\n[0018] 其中调整方案为在步骤7)中，营养液补充结束后，营养液池9中的EC传感器6和pH传感器7对营养液的EC和pH开始进行实时检测，当EC偏离2～3.5mS/cm或pH偏离\n5.8～6.2的值时，传感器会发出补肥、补酸指令，而后控制设备13计算营养液池9中的剩余营养液总量，并得到所需添加的母液量、酸液量，并通过对供水电磁阀2、电子水表3、混液泵5、计量泵10、供肥电磁阀11实施监测、调控以完成营养液EC和pH值的调整。\n[0019] 所述水源为井水、自来水、河水、湖水、雨水中的一种；所述水质为硬水或软水。\n[0020] 所述营养液配方为霍格兰-阿农配方、日本山崎配方、日本园试配方中的一种。\n[0021] 所述肥料主要包括硝酸钾、硫酸钾、磷酸二氢钾、硝酸铵、硝酸钙、硫酸镁以及螯合铁、硫酸铜、硫酸锰、硫酸锌、钼酸铵、硼酸六种微肥。\n[0022] 所述营养液池长度为2～15m，宽度为1～10m，液位高度为1～1.5m。\n[0023] 本发明的有益效果为：\n[0024] 1)本发明对水培过程中营养液的储量、EC值和pH值都进行了实时检测，并实现了相应的调节和控制，保证了整个水培过程中植物对营养液的正常需求；\n[0025] 2)本发明中所涉及的硬件系统相对国外的相关设备简单，成本低，而且效果好，具有价廉、物美、实用的优点；\n[0026] 3)对营养液的整个监控、调整过程，都是自动控制，无需繁琐的人工操作，大大地节省了劳动力。\n附图说明\n[0027] 图1为设备组成图；\n[0028] 图2为EC值与添加母液量的关系曲线；\n[0029] 图3为pH值与添加硝酸量的关系曲线。\n具体实施方式\n[0030] 如图1所示，本发明设备主要由水源1、供水电磁阀2、电子水表3、供水管路4、混液泵5、EC传感器6、pH传感器7、液位传感器8、营养液池9、计量泵10、供肥电磁阀11、母液罐12、控制设备13组成。供水电磁阀2和电子水表3通过供水管路4安装在水源1和营养液池9之间，通过供水电磁阀2的打开、关闭动作实现往营养液池9的供水与否，同时电子水表3对流过的水量进行计量；混液泵5、EC传感器6、pH传感器7和液位传感器8安装在营养液池9内，开启混液泵5，可以实现对流入营养液池9的各种肥料的混合均匀，EC传感器6、pH传感器7用来监测营养液池9中营养液的EC和pH值的动态变化，液位传感器8用来监测营养液池9中营养液液位的动态变化；母液罐12安装在营养液池9旁边，计量泵\n10、供肥电磁阀11通过供肥管路安装在母液罐12和营养液池9之间，开启计量泵10和供肥电磁阀11，可以将定量的母液供给营养液池9；控制设备13用来对供水电磁阀2、电子水表3、混液泵5、EC传感器6、pH传感器7、液位传感器8、计量泵10、供肥电磁阀11设备进行数据监测、计算和开闭。\n[0031] 下面就一次具体的水培营养液补充、调整过程，对本发明进行进一步详细说明。\n[0032] 实施例1\n[0033] 在北京市昌平区小汤山特菜基地，进行樱桃番茄的营养液栽培过程中，根据水源水质和实际采用的营养液配方、肥料种类，对营养液的补充方案实例如下：\n[0034] 1)先根据无土栽培对水质的要求和樱桃番茄对各种营养元素的需求，选择北京市昌平区小汤山特菜基地自来水、确定营养液配方为霍格兰-阿农配方(硝酸钙710克/吨，硝酸钾405克/吨，硫酸钾260克/吨，硝酸铵40克/吨，硫酸镁150克/吨，磷酸200毫升/吨，螯合铁16克/吨，硼酸3克/吨，硫酸锰2克/吨，硫酸锌0.22克/吨，硫酸铜0.08克/吨，钼酸铵0.5克/吨)，并根据配方来选用肥料种类；再用100倍母液对选择的实际水源进行滴定试验，并用硝酸或磷酸调整pH值，以得到营养液的EC和pH值随加入100倍母液量、酸液量的变化曲线，其中图2为按照霍格兰-阿农配方，北京市昌平区小汤山特菜基\n2\n地自来水的EC值与加入100倍母液之间的关系曲线：y＝-0.0071x+7.6772(R ＝0.9444)；\n图3为按照霍格兰-阿农配方，北京市昌平区小汤山特菜基地自来水的pH值与加入100倍\n2\n硝酸之间的关系曲线：y＝0.1758x+0.0923(R ＝0.9952)；\n[0035] 2)将步骤1)选用的肥料按配方配制成营养液后，加入营养液池9进行栽培，随着栽培的进行，营养液被樱桃番茄不断地吸收，营养液池9中的液位不断下降，栽培25天后，当液位下降到设定的最低高度0.5m时，液位传感器8发出补水、补肥指令；\n[0036] 3)控制设备13首先计算出营养液池9中所需补充的营养液总量，然后再根据步骤1)绘制的“EC、pH值与加入100倍母液之间的关系曲线”，计算得到所需添加的母液量、酸液量。营养液池长度为3m，宽度为1.2m，需要将营养液池中的液位由0.5m补充到1.2m，\n3\n那么补充的营养液就是2.52m，自来水EC为0.9mS/cm，营养液要求EC为2.5mS/cm，按照图\n2，需要补充母液为2.52×(2.5-0.9)/0.1758＝22.9L；自来水pH为7.2，营养液要求pH为\n6.0，按照图3，需要补充硝酸液为2.52×(6.0-7.2)/(-0.0071)＝0.43L；\n[0037] 4)控制系统将供水管上的供水电磁阀2打开给营养液池供水，电子水表3记录供水量，同时，供肥电磁阀11和计量泵10开始工作，将母液和酸液注入到营养液池9中，此时，营养液池9中的混液泵5也开始工作，将母液和酸液与水混合均匀；\n[0038] 5)当计量泵10将所需母液和酸液全部注入营养液池9后，计量泵10和供肥电磁阀11关闭；\n[0039] 6)当电子水表计量到的供水量达到所需补水量时，供水电磁阀2关闭，停止补水；\n[0040] 7)混液泵5在所有电磁阀关闭后，再运行50min后停止工作，至此，营养液的补充结束。\n[0041] 实施例2\n[0042] 在北京市昌平区小汤山特菜基地，进行樱桃番茄的营养液栽培(营养液配方为霍格兰——阿农配方)过程中，根据水源水质和实际采用的营养液配方、肥料种类，对营养液的调整方案实例如下：\n[0043] 1)步骤同实施例1；\n[0044] 2)将步骤1)选用的不同肥料按配方配制成营养液后，加入营养液池9对樱桃番茄进行栽培，营养液池9中的EC传感器和pH传感器对营养液的EC和pH进行实时检测，当EC偏离2～3.5mS/cm或pH偏离5.8～6.2的值时，传感器会发出补肥、补酸指令；\n[0045] 3)控制设备13首先计算出营养液池9中剩余的营养液总量，营养液池9的长宽已知，根据需补充液位高度即可计算得到，然后再根据步骤1绘制的关系曲线，计算得到所需添加的母液量、酸液量，营养液池长度为3m，宽度为1.2m，此时营养液池中的液位为1m，那\n3\n么营养液总量就是3.6m。现有营养液池中的营养液EC为2.0mS/cm，要求EC为2.5mS/cm，按照图2，需要补充母液为3.6×(2.5-2.0)/0.1758＝10.24L；现在营养液的pH为6.8，要求pH为6.0，按照图3，需要补充硝酸为3.6×(6.0-6.8)/(-0.0071)＝0.4L；\n[0046] 4)控制系统控制供肥电磁阀11和计量泵10开始工作，将母液和酸液注入到营养液池9中，此时，营养液池9中的混液泵5也开始工作，将母液、酸液与营养液池9中的原有营养液混合均匀；\n[0047] 5)当计量泵10将所需母液和酸液全部注入营养液池9后，计量泵10和供肥电磁阀11关闭；\n[0048] 6)混液泵5在所有电磁阀关闭后，再运行30min后停止工作。至此，营养液的EC和pH调整过程结束。