波涌灌控制閥及自控器的研制

　　波涌灌溉系統(tǒng)一般由波涌灌控制閥、自動控制器、輸水管道等設(shè)備組成，其中控制閥和自控器是整個系統(tǒng)的核心設(shè)備。目前在國外已有波涌灌控制閥投放市場。近年來我國已從國外引進(jìn)數(shù)套波涌灌溉設(shè)備，由于價(jià)格昂貴、數(shù)量有限僅用于試驗(yàn)研究�？紤]到節(jié)水灌溉和灌溉自動化是未來發(fā)展的必然趨勢，研制適合于國情的波涌灌溉設(shè)備是十分必要的。結(jié)合國家“九五”科技攻關(guān)項(xiàng)目，經(jīng)過幾年來的努力，已開發(fā)出波涌灌控制閥及自動控制器，取得初步成果。
1　波涌灌溉設(shè)備的構(gòu)成
1.1　波涌灌控制閥
考慮到灌區(qū)自動化灌溉需要，研制的波涌灌控制閥采用雙向開關(guān)結(jié)構(gòu)來切換水流推進(jìn)方向，根據(jù)自控器指令實(shí)現(xiàn)對供水過程的間歇控制。特別是在無人值守狀態(tài)下，灌溉結(jié)束后能迅速自動切斷水流，避免過量灌溉引起的浪費(fèi)�？刂崎y目前由鐵質(zhì)材料做成，主要組成構(gòu)件包括：閥體、閥門和減速.閥體結(jié)構(gòu)類似于三通，由三段直徑為200 mm(8″)的鐵管組合連接而成，一端與水源相連，兩端為出水口。閥門為帶有周邊止水墊圈的圓形閘門，其中中軸上下兩端經(jīng)止水軸承分別與閥體和減速箱連接。受減速箱控制，閘門環(huán)繞中心軸作直角旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)水流開啟和關(guān)門狀態(tài)。密閉的減速箱被固定在閥體兩側(cè)并通過中心軸與閘門相接。箱內(nèi)裝有：(1)傳動機(jī)構(gòu)，考慮到蝸桿傳動具有工作平穩(wěn)無噪聲可自鎖等優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)中采用普通圓柱蝸桿傳動及蝸輪減速；(2)驅(qū)動器，用來控制閥門啟閉的微型直流電動機(jī)；(3)定位器，由光控管和光控板組成，旨在確定閥門的啟閉狀態(tài)；(4)減速器，將高速運(yùn)轉(zhuǎn)的電動機(jī)(3 000 r/min)轉(zhuǎn)速通過兩級減速降至10 r/min左右，再驅(qū)動閥門；(5)緩沖器，防止電機(jī)過載和保證閥門的閉合狀態(tài)。
1.2　自動控制器
自控器是波涌灌溉系統(tǒng)的控制中心，控制電路板及軟件是控制器的核心部分，它接受人工輸入的參數(shù)，對波涌閥發(fā)出操作指令，實(shí)現(xiàn)閘門的交替啟閉。閘門位置由光電管定位，控制器接收到光電管信號后，決定是否啟閉電動機(jī)。自控器主要由下述部分構(gòu)成。
主控部分。采用89C518位微控制器為核心，附設(shè)鍵盤及顯示器組成。鍵盤用來設(shè)置系統(tǒng)時(shí)間、起始時(shí)間、每次灌水時(shí)間、間歇時(shí)間和波涌次數(shù)等。這些輸入?yún)?shù)被自動保存，電源關(guān)閉或掉電也不丟失。顯示器由6位LED數(shù)碼管組成，顯示參數(shù)及工作時(shí)間狀態(tài)，由于采用了掃描方式降低了功耗。系統(tǒng)時(shí)鐘為24 h制，采用后備電池，關(guān)機(jī)后時(shí)鐘仍正常工作。
電機(jī)控制部分。由74LS07驅(qū)動4組繼電器，推動左右兩閘門的電機(jī)轉(zhuǎn)動。不工作時(shí)電機(jī)兩端接地。電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，左端接+6 V，右端接地，反轉(zhuǎn)時(shí)，則左端接地，右端接+6 V。
位置傳感部分。由4組光電耦合器組成，分別指示兩個閘門的開關(guān)狀態(tài)，并將接收信號傳回主控部分。
電源部分。由太陽能電池板、4 A.h/6 V蓄電池和低壓差抗電源反接穩(wěn)壓器件LM2940組成。平日太陽能電池板對蓄電池浮充。波涌灌系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，蓄電池為設(shè)備提供電源并經(jīng)LM2940穩(wěn)壓后供給主板。考慮到非常情況，電源也配置了交流充電系統(tǒng)。
功能選擇部分.用“控制方式”按鈕選擇波涌閥運(yùn)行方式，控制器能分別控制左閥、右閥或雙閥，實(shí)現(xiàn)全關(guān)、全開，單閥交替運(yùn)行等功能。
控制器的應(yīng)用操作包括參數(shù)設(shè)置和自控運(yùn)行兩部分。自控運(yùn)行是在接受到一些基本輸入?yún)?shù)后，經(jīng)控制程序運(yùn)算，由控制中心發(fā)出指令自動完成。參數(shù)設(shè)置的操作過程如下：(1)打開電源，控制器自動將波涌閥復(fù)位――左右閥門同時(shí)關(guān)閉；(2)選擇“控制方式”，確定波涌閥的工作狀態(tài)，選項(xiàng)有左閥、右閥、雙閥；(3)選擇“系統(tǒng)時(shí)間”，用“小時(shí)/分/秒”按鈕選擇時(shí)間對象，用“+”、“-”調(diào)整系統(tǒng)時(shí)間；(4)選擇“啟始時(shí)間”，用“小時(shí)/分/秒”按鈕選擇時(shí)間對象，用“+”、“-”調(diào)整波涌灌溉事件的起始時(shí)間；(5)選擇“灌水時(shí)間”，用“小時(shí)/分/秒”按鈕選擇時(shí)間對象，用“+”、“-”確定單次波涌灌溉水流推進(jìn)時(shí)間；(6)選擇“間歇時(shí)間”，用“小時(shí)/分/秒”按鈕選擇時(shí)間對象，用“+”、“-”確定單次波涌灌溉停水時(shí)間；(7)選擇“波涌次數(shù)”，用“+”、“-”調(diào)整波涌次數(shù)，每按一次“+”在秒的數(shù)碼管上加1，最大到99，每按一次“-”在秒的數(shù)碼管上減1，最小到0。
以上設(shè)置完畢后，控制器進(jìn)入自動工作狀態(tài)。要說明的是，雙閥控制指“左開右關(guān)”或“右開左關(guān)”的交替工作狀態(tài)，當(dāng)“間歇時(shí)間”大于等于“灌水時(shí)間”時(shí)，在一個循環(huán)周期末，兩閥將同時(shí)關(guān)閉，關(guān)閉時(shí)間為“間歇時(shí)間”減去“灌水時(shí)間”，之后進(jìn)入第二輪循環(huán)工作狀態(tài)；當(dāng)“間歇時(shí)間”小于“灌水時(shí)間”時(shí)，雙閥無法同時(shí)工作，此情況下，只能單閥運(yùn)行。無論什么時(shí)候，一旦按下“系統(tǒng)復(fù)位”鍵，波涌閥左右閥門將同時(shí)關(guān)閉，本次灌水至此終止。
1.3　控制閥與自控器的連接
為使用方便，避免非法或誤操作，控制器和波涌閥的接口采用工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)，二者間的連接只需使用電纜線對插即可(惟一可插)，操作簡單安全。
2　設(shè)備性能及特點(diǎn)
開發(fā)研制的波涌灌設(shè)備具有如下工作性能和特點(diǎn)。
雙閥工作狀態(tài)下，單臺波涌閥的最大過流量Q及相應(yīng)可控制的灌溉面積S用下式估算
其中式中A為輸水管道截面積；d為輸水管道直徑；ε為流量系數(shù)；h為農(nóng)渠分水口處的壓力水頭；λ為沿程水頭損失系數(shù)；ξ為局部水頭損失系數(shù)；L為輸水管道長度；T為輪灌周期；m為灌水定額；t為每日灌水時(shí)間；η為水的有效利用系數(shù)。附表給出假定作物輪灌周期為7 d，每天灌水時(shí)間為12 h，不同輸水管道長度和壓力水頭組合下計(jì)算得到的單臺波涌閥最大過流量Q及相應(yīng)可控制的灌溉面積數(shù)量。對渠灌區(qū)而言，當(dāng)農(nóng)渠分水口處的水頭壓差為30～50 cm時(shí)，波涌灌設(shè)備控制的面積是4～6 hm2，而在井灌區(qū)，控制面積則取決于機(jī)井泵的富余水頭。
附表　單臺波涌閥最大過流量及相應(yīng)可控制灌溉面積的估算
水頭H/m 輸水管道長度L/m
L=25 m L=50 m
ε Q/m3.s-1 S/hm2 ε Q/m3.s-1 S/hm2
0.3 0.4 0.030 5 4.61 0.324 4 0.024 7 3.74
0.5 0.4 0.039 4 5.95 0.324 4 0.031 9 4.83
0.8 0.4 0.049 8 7.53 0.324 4 0.040 4 6.11
1.0 0.4 0.055 7 8.41 0.324 4 0.045 1 6.83
1.5 0.4 0.068 2 10.31 0.324 4 0.055 3 8.36
2.0 0.4 0.078 7 11.90 0.324 4 0.063 8 9.65
注：d=0.2 m；λ=0.026；∑ξ=2；m=750 m3/hm2；η=0.75。
自控器工作電壓6 V，平均工作電流2.5 A，開關(guān)時(shí)間T=3 s，蓄電池儲能為4 A.h/6 V。理論上講，工作次數(shù)為1 920次，相應(yīng)的波涌次數(shù)對雙閥而言為480次，對單閥是960次。受設(shè)備加工、安裝精度所限，實(shí)際功耗較大會降低電池一次充電后的工作次數(shù)。盡管如此，一次充電量還是能夠滿足灌溉運(yùn)行中閥門啟閉耗能的需求。
太陽能電池板的尺寸為152 mm×152 mm，相應(yīng)理論功率為1 V.A，在正常光照下平均電壓為8 V，平均充電電流為0.1 A。蓄電池完全放電后充滿所需時(shí)間約30 h，若按每天有效充電6 h計(jì)算(上午10點(diǎn)至下午4點(diǎn))，則需5 d。故建議每次使用前應(yīng)將自控器置于室外陽光下充電一周確保安全運(yùn)行。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮了一閥多用，既可作為單管系統(tǒng)使用，又能用作雙管系統(tǒng)交替換向使用，增加了設(shè)備靈活性。由于設(shè)備具有自動關(guān)斷水流功能，可實(shí)現(xiàn)無人值守和遠(yuǎn)距離控制。
控制器參數(shù)設(shè)置簡單明了，只涉及到波涌灌的最基本參數(shù)，利于農(nóng)民學(xué)習(xí)掌握，易于田間推廣應(yīng)用。
設(shè)備操作簡便，用戶只需用電纜線將自控器和波涌閥連接既可投入使用，且控制器與減速箱的接口采用防水防塵保護(hù)，適宜于野外農(nóng)田的氣候環(huán)境條件。
3　田間初步考核
開發(fā)研制的波涌灌設(shè)備已于1998年分別在井灌區(qū)和渠灌區(qū)冬小麥灌溉試驗(yàn)中進(jìn)行了初步田間考核。波涌閥進(jìn)水口采用PE軟管與低壓輸水管道出水口或農(nóng)渠分水口相連，而波涌閥的兩個出水口則由裝有眾多閘孔的田間軟管系統(tǒng)連接。軟管上的閘孔可直接放水入畦進(jìn)行灌溉。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的單寬流量是0.003 m3/s.m，畦長為150～200 m，試驗(yàn)結(jié)果表明整套設(shè)備工作運(yùn)行狀態(tài)良好，波涌閥變向啟閉正常自如，水流切換時(shí)間準(zhǔn)確無誤，閘門止水效果較佳，達(dá)到了原設(shè)計(jì)要求和性能指標(biāo)，具備較強(qiáng)的田間實(shí)用性。
考核結(jié)果也表明，這套設(shè)備能夠非常便利地在井灌區(qū)投入應(yīng)用，一方面現(xiàn)有的低壓管道出水口可以方便的與波涌閥進(jìn)水口相接，另一方面井泵的富余壓力水頭又為經(jīng)PE軟管輸水提供了足夠動力，保證了波涌灌水方法對入畦單寬流量的要求。
渠灌區(qū)內(nèi)使用波涌閥會受到兩個因素的制約。其一來自農(nóng)渠分水口處水頭壓差的限制，當(dāng)水頭一定時(shí)，輸水軟管的沿程水頭損失和波涌灌設(shè)備自身產(chǎn)生的局部水頭損失將導(dǎo)致入畦流量減少，無法滿足波涌灌水技術(shù)參數(shù)的要求。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，渠道出水口處的水頭壓差至少應(yīng)大于30 cm，波涌閥輸水管道長度也不宜太長。其二是有必要對現(xiàn)有農(nóng)渠出水口的結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)改造，以便其與波涌閥進(jìn)水口銜接。
4　結(jié)　論
研制適合國情的波涌灌設(shè)備是實(shí)現(xiàn)大面積推廣應(yīng)用這一節(jié)水灌溉方法的必要條件之一。已開發(fā)出的波涌灌控制閥及自動控制器具有一閥多用、操作簡便的特點(diǎn)。田間試驗(yàn)初步考核結(jié)果證明這套設(shè)備已達(dá)到設(shè)計(jì)要求和性能指標(biāo)，具備較強(qiáng)的田間實(shí)用性。在此基礎(chǔ)上，將進(jìn)一步提高和完善控制閥及自控器的質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)，采用輕型材料替代現(xiàn)有材質(zhì)，減輕設(shè)備自重，易于田間靈活移動。此外，還應(yīng)開發(fā)與波涌灌設(shè)備相配套的田間輸水管道和相應(yīng)的管件閘孔等，從而提供性能良好、價(jià)格適度的波涌灌溉成套系統(tǒng)。有理由相信，隨著我國波涌灌設(shè)備的成功開發(fā)和改進(jìn)完善以及波涌灌系統(tǒng)生產(chǎn)的系列化，波涌灌水技術(shù)一定能夠在我國節(jié)水灌溉事業(yè)中發(fā)揮出應(yīng)有的重要作用。
感謝蔡林根教授對本項(xiàng)工作給予悉心指導(dǎo)，本項(xiàng)目為“九五”攻關(guān)項(xiàng)目。

美國米頓羅計(jì)量泵（MiltonRoy）：GB0080、GB0180、GB0250、GB0350、GB0450、GB0500

美國哈希儀表（HACH）：sensION6、sensION7、sensION8、sensION156、sensION378：臺式PH儀