Система автоматического полива растений для приусадебного хозяйства

Полезная модель относится к области садоводства и поливного земледелия, более конкретно, к системам автоматического полива растений для приусадебных хозяйств и может найти применение при разведении и выращивании плодово-овощных и ягодных культур, многолетних трав, кустарниковых и декоративных насаждений для фермерского, дачного, тепличного хозяйств и ландшафтного дизайна. Решаемой задачей является создание сравнительно надежной и эффективной системы автоматического полива для приусадебного хозяйства с различными видами выращиваемых растений на открытом и закрытом грунтах с возможностью адаптивного программирования нормы расхода воды и давления в форсунках дождевальных устройств для полива с учетом конфигурации участка и факторов, связанных с изменением температуры окружающего воздуха, наличия осадков, а также степени поглощения солнечной радиации, зависящая от типа и массы растительности на участках. Дополнительно к указанной решается задача снижения энергетических затрат, уменьшения потребления воды, повышения чувствительности и надежности функционирования датчиков влажности почвенного слоя. Указанная задача решается тем, что в системе автоматического полива растений для приусадебного хозяйства, содержащей размещенные на расстоянии друг от друга средства для полива растений, соединенные трубопроводами через блок клапанного распределения с водонапорной установкой и блок управления режимами полива, снабженный, по крайней мере, одним датчиком влажности почвенного слоя, согласно полезной модели, средства для полива растений включают дождевальные устройства форсуночного типа для открытого грунта и устройства капельного орошения для закрытого грунта, соединенные трубопроводами с выходами общего блока клапанного распределения, вход которого соединен с выходом водонапорной установки, причем блок управления режимами полива выполнен с возможностью регулирования общего и локального расхода воды через указанные устройства по участкам приусадебного хозяйства с учетом показаний соответствующего термоэлектрического датчика влажности почвенного слоя, выход которого соединен через усилитель и анализатор сигналов от указанного датчика с входом блока управления режимами полива.

Кроме того, указанные устройства средств для полива могут быть выполнены с возможностью программирования нормы расхода воды, причем, по крайней мере, одно из дождевальных устройств может быть выполнено также с возможностью программирования давления во вращающейся форсунке для изменения расстояния полива по конфигурации участка открытого грунта. Кроме того, каждый из термоэлектрических датчиков влажности может быть выполнен в виде заглубляемой в почвенный слой измерительной штанги, снабженной двумя термопарами для определения разности температур воздуха вблизи поверхности и в глубине почвенного слоя, причем на выступающей части измерительной штанги над поверхностью грунта могут быть установлены указанные усилитель и анализатор сигналов. Кроме того, термопара для определения температуры в глубине почвенного слоя может быть размещена на измерительной штанге, выполненной с возможностью регулирования глубины ее погружения в диапазоне 10-40 см. Описание на 7 л., илл. 1 л.

Полезная модель относится к области садоводства и поливного земледелия, более конкретно, к системам автоматического полива растений для приусадебных хозяйств и может найти применение при разведении и выращивании плодово-овощных и ягодных культур, многолетних трав, кустарниковых и декоративных насаждений для фермерского, дачного, тепличного хозяйств и ландшафтного дизайна.

Известно устройство для автоматического внутрипочвенного полива растений, содержащем первую емкость для воды, вторую емкость для размещения земли и корневой системы растения и средства для капиллярной подачи воды из первой емкости во вторую, причем первая и вторая емкости размещены в общем корпусе, средства для капиллярной подачи воды выполнены в виде каналов, соединяющих нижнюю часть первой емкости и верхнюю часть второй емкости, упомянутые каналы заполнены волокнистым или пористым материалом, а днище второй емкости и нижняя часть общего корпуса снабжены отверстиями для аэрации корневой системы растения (см. патент РФ №66657, опубл. 27.09.2007, бюл. №27).

Недостатком известного устройства является сложность его применения в условиях приусадебного хозяйства, из-за значительных затрат на создание указанных средств автоматического полива для каждого из культурных растений.

Известна также система полуавтоматического полива растений для приусадебного хозяйства, содержащая размещенные на расстоянии друг от друга водоотводные каналы для полива растений, соединенные через распределительные вентили с водонапорным баком, снабженным трубопроводами для его заполнения от общественного или местного водопровода и устройством для автоматического регулирования подачи воды в водонапорный бак (см. Андреев A.M., Энциклопедия обустройства садовых и приусадебных участков - М.: «РИПОЛ КЛАССИК», 2001, с.525).

К недостаткам известной системы следует отнести неравномерность полива различных огородных культур из-за отсутствия соответствующих средств регулирования режимами полива, а также средств объективного контроля влажности почвенного слоя на различных участках приусадебного хозяйства.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является система автоматического полива растений для приусадебного хозяйства, содержащая размещенные на расстоянии друг от друга средства для полива растений, соединенные трубопроводами через блок клапанного распределения с водонапорной установкой и блок управления режимами полива, снабженный, по крайней мере, одним датчиком влажности почвенного слоя (Егоров Ю.В., Судницын И.И., Галицкий В.И. Способ и устройство для автоматического управления поливом растений в теплицах. - М.: ж. «Гавриш» /разд. «Конструкции и оборудование» / №3, 2004, с.23 - прототип).

Особенностью известной системы является то, что разработанная авторами система автоматического управления поливом для хозяйств с высоким уровнем агротехники обеспечивает ее функционирование при условии определения влажности одновременно в нескольких точках участка полива с помощью датчиков емкостного типа. Принцип их действия заключается в измерении суммарного высокочастотного тока, пропорционального влажности в области размещения всех датчиков.

Величина тока сравнивается с заданным значением тока для заданного значения влажности от компаратора блока управления режимами полива и, при достижении этого уровня, включается или выключается исполнительный механизм поливного устройства. Систему испытывали в производственных условиях на насыпном грунте при поливе форсунками, на малообъемном субстрате при капельном поливе и в рассадной теплице при поливе подтоплением.

Недостатком известной системы автоматического полива растений, снабженной датчиками влажности почвы емкостного типа, является невозможность дифференцированного полива на различных временных режимах и нормах расхода воды для отдельных участков приусадебного хозяйства. Это происходит, в том числе, из-за неучтенного влияния компонентов почвенного субстрата на диэлектрическую проницаемость воды, влияющей на емкость датчиков влажности и из-за принятой схемы мониторинга влажности почвенного слоя всей территории участка группой параллельно соединенных датчиков, подключенных к общему входу блока управления.

Кроме того, полив участков на одном уровне расхода воды длится вплоть до увлажнения почвы и еще некоторое дополнительное время до избыточного полива после переключения компаратора блока управления в исходное состояние за счет введенного в блок управления реле времени. При отсутствии последнего известная система часто включается и выключается, поливая растения малыми дозами, что неудобно для работы поливного оборудования.

Решаемой задачей является создание сравнительно надежной и эффективной системы автоматического полива для приусадебного хозяйства с различными видами выращиваемых растений на открытом и закрытом грунтах с возможностью адаптивного программирования нормы расхода воды и давления в форсунках дождевальных устройств для полива с учетом конфигурации участка и факторов, связанных с изменением температуры окружающего воздуха, наличия осадков, а также степени поглощения солнечной радиации, зависящая от типа и массы растительности на участках. Дополнительно к указанной решается задача снижения энергетических затрат, уменьшения потребления воды, повышения чувствительности и надежности функционирования датчиков влажности почвенного слоя.

Указанная задача решается тем, что в системе автоматического полива растений для приусадебного хозяйства, содержащей размещенные на расстоянии друг от друга средства для полива растений, соединенные трубопроводами через блок клапанного распределения с водонапорной установкой и блок управления режимами полива, снабженный, по крайней мере, одним датчиком влажности почвенного слоя, согласно полезной модели, средства для полива растений включают дождевальные устройства форсуночного типа для открытого грунта и устройства капельного орошения для закрытого грунта, соединенные трубопроводами с выходами общего блока клапанного распределения, вход которого соединен с выходом водонапорной установки, причем блок управления режимами полива выполнен с возможностью регулирования общего и локального расхода воды через указанные устройства по участкам приусадебного хозяйства с учетом показаний соответствующего термоэлектрического датчика влажности почвенного слоя, выход которого соединен через усилитель и анализатор сигналов от указанного датчика с входом блока управления режимами полива.

Кроме того, указанные устройства средств для полива могут быть выполнены с возможностью программирования нормы расхода воды, причем, по крайней мере, одно из дождевальных устройств может быть выполнено также с возможностью программирования давления во вращающейся форсунке для изменения расстояния полива по конфигурации участка открытого грунта.

Кроме того, каждый из термоэлектрических датчиков влажности может быть выполнен в виде заглубляемой в почвенный слой измерительной штанги, снабженной двумя термопарами для определения разности температур воздуха вблизи поверхности и в глубине почвенного слоя, причем на выступающей части измерительной штанги над поверхностью грунта могут быть установлены указанные усилитель и анализатор сигналов.

Кроме того, термопара для определения температуры в глубине почвенного слоя может быть размещена на измерительной штанге, выполненной с возможностью регулирования глубины ее погружения в диапазоне 10-40 см.

Такое выполнение системы автоматического полива растений для приусадебного хозяйства позволяет решить указанную задачу за счет упомянутого соединения устройств дождевального и капельного орошения, общего блока клапанного распределения и блока управления режимами полива, выполненного с возможностью регулирования общего и локального расхода воды по показаниям термоэлектрического датчика влажности почвенного слоя, содержащего две термопары для определения разности температур воздуха вблизи поверхности и в глубине почвенного слоя,

Указанные блоки клапанного распределения и управления режимами работы средств полива обеспечивают адаптивное программирование и выполнение нормы расхода воды и давления в форсунках дождевальных устройств для полива с учетом конфигурации участка и прочих внешних факторов. Эффективность системы обеспечивается также за счет указанного выполнения датчиков влажности почвенного слоя, отличающихся надежностью и стабильностью показаний, свойственных термоэлектрическим измерительным системам.

Исследования, проведенные в РГАУ-МСХА имени К.А.Тимирязева, показали, что чем ближе температура почвы к температуре надпочвенного воздуха, тем меньше относительная влажность почвы, при этом доказано, что при равенстве указанных температур влажность почвы минимальна. Пересчет показаний указанных термопар в анализаторе сигналов по соответствующему алгоритму позволяет выработать на входе блока управления данные по показателям влажности различных участков приусадебного хозяйства и выработать необходимую для настоящих условий произрастаний схему полива с учетом потребности каждой группы растений.

Указанный диапазон погружения термопары внутри почвенного слоя определен экспериментально и связан, с одной стороны, с минимальным значением глубины корневой системы ряда растений, а с другой стороны, со стабилизацией температурного режима дерново-подзолистой почвы на глубине более 40 см.

На фиг.1 приведена блок-схема предложенной системы на примере небольшого приусадебного хозяйства.

Система автоматического полива растений размещена на территории приусадебного хозяйства, которое содержит садовый дом 1, теплицу 2, размещенные на расстоянии друг от друга посадки различных садовых культур 3, в том числе, огородные и ягодные культуры, кустарники и деревья.

Система содержит средства для полива растений, включающие дождевальные устройства форсуночного типа 4 для открытого грунта и устройства капельного орошения 5 для закрытого грунта. Указанные устройства 4, 5 соединены трубопроводами 6, 7 через блок клапанного распределения 8 с водонапорной установкой 9. Блок управления 10 режимами полива снабжен четырьмя датчиками влажности 11 почвенного слоя, расположенными в зоне открытого грунта и двумя датчиками влажности 12 в теплице 2.

Блок управления режимами полива 10 выполнен с возможностью регулирования общего и локального расхода воды через указанные устройства 4, 5 по участкам 3 и в теплице 2 приусадебного хозяйства с учетом показаний соответствующих термоэлектрических датчиков влажности почвенного слоя 11, 12. Выходы датчиков влажности 11, 12 соединены через проводные кабельные линии 13, 14 через усилители и анализаторы сигналов, размещенных на датчиках (не показаны), с входом блока управления 10 режимами полива. На фиг.1 поз.15 обозначена зона полива открытого грунта с помощью дождевальных устройств форсуночного типа 4.

Устройства 4, 5 средств для полива обоих типов выполнены с возможностью программирования нормы расхода воды. Кроме того, по крайней мере, одно из дождевальных устройств 4 выполнено также с возможностью программирования давления во вращающейся форсунке для изменения расстояния полива по конфигурации участка открытого грунта (на фиг.1 две из форсунок обеспечивают эллиптическую зону полива на открытом грунте).

Каждый из термоэлектрических датчиков влажности 11, 12 выполнен в виде заглубляемой в почвенный слой измерительной штанги, снабженной двумя термопарами (не показаны) для определения разности температур воздуха вблизи поверхности и в глубине почвенного слоя, причем на выступающей части измерительной штанги над поверхностью грунта установлены указанные усилитель и анализатор сигналов (не показаны). При этом указанная термопара для определения температуры в глубине почвенного слоя может быть размещена на измерительной штанге, выполненной с возможностью регулирования глубины ее погружения в диапазоне от 10 до 40 см.

Система автоматического полива растений для приусадебного хозяйства функционирует следующим образом.

Водонапорная установка 9 обеспечивает необходимый запас воды для полива на определенный срок при рабочем давлении нагнетания в тракт системы полива. Непрерывный мониторинг состояния влажности почвенного слоя на открытых участках грунта 3 и в теплице 2 обеспечивают соответственно датчики влажности 11, 12. Каждый из указанных датчиков выполнен в виде трубчатой измерительной штанги, заглубляемой в почвенный слой на глубину в указанных пределах, например, 30 см. Термопара, размещенная на конце трубчатой измерительной штанги определяет температуру в глубине почвенного слоя, а термопара на внешней не заглубленной части измерительной штанги определяет температуру воздуха над поверхностью почвы.

Выходы обеих термопар подключены через усилитель к входу анализатора сигналов, который определяет разность напряжений и умножает ее на нормировочный коэффициент, характеризующий влажность данного типа почвенного слоя. Поскольку разные почвы обладают различными теплофизическими свойствами, и каждая почва в этом плане индивидуальна, то, используя возможность регулировки анализатора сигналов, датчики влажности 11, 12 можно настроить опытным путем, например, тарировать его термостатно-весовым способом.

В центре наблюдаемого почвенного слоя на глубине около 30 см и над его поверхностью были установлены термоизолированные термопары ТПК 011-0,5/1,5 с диаметрами электродов 0,5 мм с диапазоном измерения температур -40...+800°С Для регистрации показаний термопар использовались нормирующий усилитель НУ-02 и четырех канальный анализатор сигналов марки ИС-203.4. Питание усилителя и анализатора сигналов на измерительной штанге осуществлялось от встроенного стандартного малогабаритного аккумулятора (не показан).

Блок управления 10 режимами полива по показаниям четырех датчиков влажности 11 почвенного слоя, расположенных в зоне открытого грунта и двух датчиков влажности 12 в теплице 2 обеспечивает соответствующее открытие клапанов подачи воды в блоке клапанного распределения 8 от водонапорной установкой 9. При этом становится возможным не только регулирование общего и локального расхода воды через устройства дождевального и капельного орошения, но также адаптивное программирование по нормам расхода воды и давления в форсунках дождевальных устройств.

Благодаря этому система способна обеспечить надежный и эффективный автоматического полив одновременно или в разное время нескольких участков приусадебного хозяйства с различными видами выращиваемых растений на открытом и закрытом грунтах с возможностью адаптивного программирования норм расхода воды и давления в форсунках дождевальных устройств для полива с учетом конфигурации участка и дополнительных факторов. Как указывалось, к последним можно отнести факторы, связанные с изменением температуры окружающего воздуха, наличия или отсутствия осадков, а также степени поглощения солнечной радиации, зависящей от типа и массы растительности на участках, при одновременном снижении энергетических затрат и потребления воды.

При правильно организованной системе автоматического полива следует учитывать также ряд дополнительных факторов, связанных с понижением или повышением уровня грунтовых вод. При этом миграция влаги в почвенном профиле влияет на передвижение тепла по профилю почвы, по этой причине водный режим почв тесно связан с воздушным режимом. Изменение пределов влажности в почве, а так же уровня грунтовых вод приводит к изменению объема свободных пор заполненных воздухом, изменению воздухопроницаемости почвы и состава почвенного воздуха, вследствие диффузионного газообмена между почвой и атмосферой. При подсушивании почвы влага от поверхности грунтовых вод движется вверх, а при выпадении осадков или при поливе наблюдается процесс инфильтрации, движение почвенной влаги вниз к поверхности грунтовых вод, а снижение влажности верхних слоев почвы ведет к повышению их температуры. Возможность раннего предупреждения высыхания почвенного слоя заключается в одновременном учете указанных факторов.

На кафедре Мелиорации и геодезии РГАУ-МСХА имени К.А.Тимирязева проводились испытания предложенной системы автоматического полива растений, которые показали ее высокие надежность, работоспособность и эффективность при выращивании растений различного вида, в том числе для приусадебных хозяйств. Использование предложенной системы с помощью сравнительно простых средств позволяет осуществлять эффективный автоматический полив растений, фактически заменяя агронома.

1. Система автоматического полива растений для приусадебного хозяйства, содержащая размещенные на расстоянии друг от друга средства для полива растений, соединенные трубопроводами через блок клапанного распределения с водонапорной установкой и блок управления режимами полива, снабженный, по крайней мере, одним датчиком влажности почвенного слоя, отличающаяся тем, что средства для полива растений включают дождевальные устройства форсуночного типа для открытого грунта и устройства капельного орошения для закрытого грунта, соединенные трубопроводами с выходами общего блока клапанного распределения, вход которого соединен с выходом водонапорной установки, причем блок управления режимами полива выполнен с возможностью регулирования общего и локального расхода воды через указанные устройства по участкам приусадебного хозяйства с учетом показаний соответствующего термоэлектрического датчика влажности почвенного слоя, выход которого соединен через усилитель и анализатор сигналов от указанного датчика с входом блока управления режимами полива.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что устройства средств для полива выполнены с возможностью программирования нормы расхода воды, причем, по крайней мере, одно из дождевальных устройств выполнено также с возможностью программирования давления во вращающейся форсунке для изменения расстояния полива по конфигурации участка открытого грунта.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что каждый из термоэлектрических датчиков влажности выполнен в виде заглубляемой в почвенный слой измерительной штанги, снабженной двумя термопарами для определения разности температур воздуха вблизи поверхности и в глубине почвенного слоя, причем на выступающей части измерительной штанги над поверхностью грунта установлены указанные усилитель и анализатор сигналов.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что термопара для определения температуры в глубине почвенного слоя может быть размещена на измерительной штанге, выполненной с возможностью регулирования глубины ее погружения в диапазоне 10-40 см.