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波涌灌控制阀及自控器的研制

时间:2009-5-15 16:59:48 中国废旧物资网  免费注册赢积分 编辑:小博

波涌灌溉系统一般由波涌灌控制阀、自动控制器、输水管道等设备组成,其中控制阀和自控器是整个系统的核心设备。目前在国外已有波涌灌控制阀投放市场。近年来我国已从国外引进数套波涌灌溉设备,由于价格昂贵、数量有限仅用于试验研究。考虑到节水灌溉和灌溉自动化是未来发展的必然趋势,研制适合于国情的波涌灌溉设备是十分必要的。结合国家“九五”科技攻关项目,经过几年来的努力,已开发出波涌灌控制阀及自动控制器,取得初步成果。

1 波涌灌溉设备的构成
1.1 波涌灌控制阀
考虑到灌区自动化灌溉需要,研制的波涌灌控制阀采用双向开关结构来切换水流推进方向,根据自控器指令实现对供水过程的间歇控制。特别是在无人值守状态下,灌溉结束后能迅速自动切断水流,避免过量灌溉引起的浪费。控制阀目前由铁质材料做成,主要组成构件包括:阀体、阀门和减速.阀体结构类似于三通,由三段直径为200 mm(8″)的铁管组合连接而成,一端与水源相连,两端为出水口。阀门为带有周边止水垫圈的圆形闸门,其中中轴上下两端经止水轴承分别与阀体和减速箱连接。受减速箱控制,闸门环绕中心轴作直角旋转,实现水流开启和关门状态。密闭的减速箱被固定在阀体两侧并通过中心轴与闸门相接。箱内装有:(1)传动机构,考虑到蜗杆传动具有工作平稳无噪声可自锁等优点,本设计中采用普通圆柱蜗杆传动及蜗轮减速;(2)驱动器,用来控制阀门启闭的微型直流电动机;(3)定位器,由光控管和光控板组成,旨在确定阀门的启闭状态;(4)减速器,将高速运转的电动机(3 000 r/min)转速通过两级减速降至10 r/min左右,再驱动阀门;(5)缓冲器,防止电机过载和保证阀门的闭合状态。
1.2 自动控制器
自控器是波涌灌溉系统的控制中心,控制电路板及软件是控制器的核心部分,它接受人工输入的参数,对波涌阀发出操作指令,实现闸门的交替启闭。闸门位置由光电管定位,控制器接收到光电管信号后,决定是否启闭电动机。自控器主要由下述部分构成。
主控部分。采用89C518位微控制器为核心,附设键盘及显示器组成。键盘用来设置系统时间、起始时间、每次灌水时间、间歇时间和波涌次数等。这些输入参数被自动保存,电源关闭或掉电也不丢失。显示器由6位LED数码管组成,显示参数及工作时间状态,由于采用了扫描方式降低了功耗。系统时钟为24 h制,采用后备电池,关机后时钟仍正常工作。
电机控制部分。由74LS07驱动4组继电器,推动左右两闸门的电机转动。不工作时电机两端接地。电机正转时,左端接+6 V,右端接地,反转时,则左端接地,右端接+6 V。
位置传感部分。由4组光电耦合器组成,分别指示两个闸门的开关状态,并将接收信号传回主控部分。
电源部分。由太阳能电池板、4 A.h/6 V蓄电池和低压差抗电源反接稳压器件LM2940组成。平日太阳能电池板对蓄电池浮充。波涌灌系统运行时,蓄电池为设备提供电源并经LM2940稳压后供给主板。考虑到非常情况,电源也配置了交流充电系统。
功能选择部分.用“控制方式”按钮选择波涌阀运行方式,控制器能分别控制左阀、右阀或双阀,实现全关、全开,单阀交替运行等功能。
控制器的应用操作包括参数设置和自控运行两部分。自控运行是在接受到一些基本输入参数后,经控制程序运算,由控制中心发出指令自动完成。参数设置的操作过程如下:(1)打开电源,控制器自动将波涌阀复位――左右阀门同时关闭;(2)选择“控制方式”,确定波涌阀的工作状态,选项有左阀、右阀、双阀;(3)选择“系统时间”,用“小时/分/秒”按钮选择时间对象,用“+”、“-”调整系统时间;(4)选择“启始时间”,用“小时/分/秒”按钮选择时间对象,用“+”、“-”调整波涌灌溉事件的起始时间;(5)选择“灌水时间”,用“小时/分/秒”按钮选择时间对象,用“+”、“-”确定单次波涌灌溉水流推进时间;(6)选择“间歇时间”,用“小时/分/秒”按钮选择时间对象,用“+”、“-”确定单次波涌灌溉停水时间;(7)选择“波涌次数”,用“+”、“-”调整波涌次数,每按一次“+”在秒的数码管上加1,最大到99,每按一次“-”在秒的数码管上减1,最小到0。
以上设置完毕后,控制器进入自动工作状态。要说明的是,双阀控制指“左开右关”或“右开左关”的交替工作状态,当“间歇时间”大于等于“灌水时间”时,在一个循环周期末,两阀将同时关闭,关闭时间为“间歇时间”减去“灌水时间”,之后进入第二轮循环工作状态;当“间歇时间”小于“灌水时间”时,双阀无法同时工作,此情况下,只能单阀运行。无论什么时候,一旦按下“系统复位”键,波涌阀左右阀门将同时关闭,本次灌水至此终止。
1.3 控制阀与自控器的连接
为使用方便,避免非法或误操作,控制器和波涌阀的接口采用工业化标准,二者间的连接只需使用电缆线对插即可(惟一可插),操作简单安全。
2 设备性能及特点
开发研制的波涌灌设备具有如下工作性能和特点。
双阀工作状态下,单台波涌阀的最大过流量Q及相应可控制的灌溉面积S用下式估算
其中式中A为输水管道截面积;d为输水管道直径;ε为流量系数;h为农渠分水口处的压力水头;λ为沿程水头损失系数;ξ为局部水头损失系数;L为输水管道长度;T为轮灌周期;m为灌水定额;t为每日灌水时间;η为水的有效利用系数。附表给出假定作物轮灌周期为7 d,每天灌水时间为12 h,不同输水管道长度和压力水头组合下计算得到的单台波涌阀最大过流量Q及相应可控制的灌溉面积数量。对渠灌区而言,当农渠分水口处的水头压差为30~50 cm时,波涌灌设备控制的面积是4~6 hm2,而在井灌区,控制面积则取决于机井泵的富余水头。
附表 单台波涌阀最大过流量及相应可控制灌溉面积的估算
水头H/m 输水管道长度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。
自控器工作电压6 V,平均工作电流2.5 A,开关时间T=3 s,蓄电池储能为4 A.h/6 V。理论上讲,工作次数为1 920次,相应的波涌次数对双阀而言为480次,对单阀是960次。受设备加工、安装精度所限,实际功耗较大会降低电池一次充电后的工作次数。尽管如此,一次充电量还是能够满足灌溉运行中阀门启闭耗能的需求。
太阳能电池板的尺寸为152 mm×152 mm,相应理论功率为1 V.A,在正常光照下平均电压为8 V,平均充电电流为0.1 A。蓄电池完全放电后充满所需时间约30 h,若按每天有效充电6 h计算(上午10点至下午4点),则需5 d。故建议每次使用前应将自控器置于室外阳光下充电一周确保安全运行。
结构设计考虑了一阀多用,既可作为单管系统使用,又能用作双管系统交替换向使用,增加了设备灵活性。由于设备具有自动关断水流功能,可实现无人值守和远距离控制。
控制器参数设置简单明了,只涉及到波涌灌的最基本参数,利于农民学习掌握,易于田间推广应用。
设备操作简便,用户只需用电缆线将自控器和波涌阀连接既可投入使用,且控制器与减速箱的接口采用防水防尘保护,适宜于野外农田的气候环境条件。
3 田间初步考核
开发研制的波涌灌设备已于1998年分别在井灌区和渠灌区冬小麦灌溉试验中进行了初步田间考核。波涌阀进水口采用PE软管与低压输水管道出水口或农渠分水口相连,而波涌阀的两个出水口则由装有众多闸孔的田间软管系统连接。软管上的闸孔可直接放水入畦进行灌溉。试验设计的单宽流量是0.003 m3/s.m,畦长为150~200 m,试验结果表明整套设备工作运行状态良好,波涌阀变向启闭正常自如,水流切换时间准确无误,闸门止水效果较佳,达到了原设计要求和性能指标,具备较强的田间实用性。
考核结果也表明,这套设备能够非常便利地在井灌区投入应用,一方面现有的低压管道出水口可以方便的与波涌阀进水口相接,另一方面井泵的富余压力水头又为经PE软管输水提供了足够动力,保证了波涌灌水方法对入畦单宽流量的要求。
渠灌区内使用波涌阀会受到两个因素的制约。其一来自农渠分水口处水头压差的限制,当水头一定时,输水软管的沿程水头损失和波涌灌设备自身产生的局部水头损失将导致入畦流量减少,无法满足波涌灌水技术参数的要求。根据试验结果,渠道出水口处的水头压差至少应大于30 cm,波涌阀输水管道长度也不宜太长。其二是有必要对现有农渠出水口的结构进行适当改造,以便其与波涌阀进水口衔接。
4 结 论
研制适合国情的波涌灌设备是实现大面积推广应用这一节水灌溉方法的必要条件之一。已开发出的波涌灌控制阀及自动控制器具有一阀多用、操作简便的特点。田间试验初步考核结果证明这套设备已达到设计要求和性能指标,具备较强的田间实用性。在此基础上,将进一步提高和完善控制阀及自控器的质量和标准,采用轻型材料替代现有材质,减轻设备自重,易于田间灵活移动。此外,还应开发与波涌灌设备相配套的田间输水管道和相应的管件闸孔等,从而提供性能良好、价格适度的波涌灌溉成套系统。有理由相信,随着我国波涌灌设备的成功开发和改进完善以及波涌灌系统生产的系列化,波涌灌水技术一定能够在我国节水灌溉事业中发挥出应有的重要作用。
感谢蔡林根教授对本项工作给予悉心指导,本项目为“九五”攻关项目。

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