流体流动电导率调整方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及有关电子技术和传感器技术交叉应用的水肥控制装置，尤为涉及流体流动电导率调整方法及系统。本发明首先对管路设定所述管路的电导率以及采样管路中的流量，通过电导率值及流量计算出干预液输出单元的初始开关占空比，进而采样当前管路中的电导率，并对管路中的电导率进行调整，直至电导率满足电导率调整偏差区间，由此，完成一周期的电导率调整。本发明以电子技术为依托，利用传感器技术实时采样流体电导率和流速动态数据，通过控制算法计算，从而获得出当所需的干预液料配比可变占空比脉冲控制信号，实现对流体电导率调整。
【专利说明】流体流动电导率调整方法及系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及有关电子技术和传感器技术交叉应用的水肥控制装置，尤为涉及流体流动电导率调整方法及系统。
【背景技术】
[0002]电导率是衡量溶液离子浓度的一个总量参数。一般来说，溶液所含的酸、碱、盐越多，电导率就越高。水溶液的电导率，表示了溶液中可溶性盐的浓度。电导率的测量广泛应用于环境监测、工业流程控制、医药卫生、科学研究和产品质量检验过程，其中环境水质监测、电子工业用水水质评定是最为突出的应用例子。近些年，随着农业现代化的提出及不断发展，越来越多的农业生产过程中开始对农业用水的电导率检测提出了更高的要求，并且在实时性、准确度等方面提出了更高的标准。
[0003]当前，对电导率的测量主要是以人工现场取样、实验室分析为主，这种方法不但浪费人力和物力，而且时效性也差，更不利与推广。而通过电导率传感器采样技术虽能替代原始的取样分析，但是存在在检测流体流动状态下的电导率存在一定的偏差的弊端，从而制约了自动化检测方法的应用，另外在电导率调整方面无法提供有效的方法对流体的电导率进行调整。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种利用传感器技术实时采样流体电导率和流速动态数据，通过控制算法计算，从而获得出当所需的干预液料配比可变占空比脉冲控制信号，实现对流体电导率调整的流体流动电导率调整方法及系统。
[0005]为实现上述目的，本发明的技术方案是:一种流体流动电导率调整方法，包括如下步骤，
步骤S1:提供一需调整流体流动电导率的管路及一设置于该管路前端支路处的干预液输出单元，并设定所述管路的电导率；
步骤S2:等待管路运行稳定后，对管路中的流量进行采样；
步骤S3:根据所述步骤SI设定的管路的电导率以及步骤S2中采样的管路的流量，计算出单位时间内干预液输出单元的初始开关占空比:
To = (Ks * Qc) / T
其中，To是单位时间T内干预液输出单元开关开的时间，Ks是设定电导率的值，Qc是单位时间内的流速，T是单位时间；
步骤S4:采样当前管路中的电导率:
Kc = (Ic — Imin) *Kr / (Imax — Imin)
Ka = (Kcl + Kc2 H-----l.Kcn) / (T / Ti)
其中，Kc是当前采样电导率，Ic是测量的电流当前值，Imin是测量的电流最小值，Imax是测量的电流最大值，Kr是测量管路中电导率所采用的电导率测量器件的量程，Ka是单位时间内的电导率平均值，Kcl、Kc2、…、Kcn是单位时间T内间隔性电导率采样数据，Ti是每2次电导率采样的间隔时间；
步骤S5:判断当前管路中的电导率是否偏离设定值，若Ka >2Ks，即认为管路中的电导率异常，则告警，执行异常处理或人工干预；否则，执行步骤S6 ；
步骤S6:判断当前管路中的流量是否发生改变:
若Qc — Ql满足:Λ Qmin > Qc — Ql > Δ Qmax,则执行步骤S7 ;否贝lj，跳转到步骤S3，重新计算出单位时间内干预液输出单元的初始开关占空比；
其中，AQmin是一50L ；Qc是当前单位时间的采样流量；Q1是上一单位时间的采样流量；Δ Qmax 是 50L ；
步骤S7:判断当前管路中电导率是否需要微调:
若丨Kc — Ks I满足:AKmin > | Kc — Ks | > AKmax,则重新执行步骤S4?S7 ;若I Kc - Ks I连续3次不满足:AKmin > | Kc — Ks | > Λ Kmax，则跳转至步骤S8，对管路中的电导率进行微调；
其中，AKmin是最低电导率偏差；AKmax是最高电导率偏差；
步骤S8:调整干预液输出单元的开关占空比:
Tt = To±Tp ；
当 Δ Kmin = O μ S/m, Δ Kmax = 200 μ S/m 时，Tp = Os ;
当 Δ Kmin = 200 μ S/m, Δ Kmax = 400 μ S/m 时，Tp = 2s ;
当 AKmin = 400 μ S/m, Δ Kmax = 2 Ks 时，Tp = 4s ;
其中，Tt是单位时间内干预液输出单元打开电磁阀时间，Tp是单位时间内干预液输出单元电磁阀微调时间；
步骤S9:根据步骤S8的干预液输出单元的开关占空比控制干预液输出单元的开关，以调整管路中的电导率；由此，完成了一个周期的电导率调整，重复执行步骤S4?S9。
[0006]在本发明实施例中，所述单位时间T为20s。
[0007]在本发明实施例中，所述步骤S2中，对管路中的流量采样是采用超声波流量计进行流量采样。
[0008]在本发明实施例中，所述步骤S4中，所述电导率测量器件是采用量程为20000 μ S/m,输出为4?20mA电流信号的电导率传感器，即Imin = 4mA, Imax = 20mA, Kr =20000 μ S/m。
[0009]本发明还提供了一种流体流动电导率调整系统，包括一需调整流体流动电导率的管路；
一数据采样模块，该数据采样模块包括用于采样管路中流体流量的管道流量采样单元和用于采样管路中流体电导率的电导率采样单元；
一电导率调整模块，该电导率调整模块包括主控制器单元及与该主控制器单元连接的电导率设定单元、信号输出单元和显示单元；所述主控制器单元还分别连接至所述电导率采样单元和管道流量采样单元；
一控制执行模块，包括安装于所述管路前端支路处的干预液输出单元、设置于所述干预液输出单元输出口的电磁阀，设置于所述干预液输出单元输出口并用于现场检测干预液流量的浮子流量计；所述电磁阀的控制信号输入端连接至所述信号输出单元的输出端。
[0010]在本发明实施例中，所述管道流量采样单元包括设置于所述管路前端流体进口处的流量测量器件和连接至所述主控制器单元的流量采样数据信号线；所述电导率采样单元包括设置于所述管路末端流体出口处的电导率测量器件和连接至所述主控制器单元的电导率采样数据信号线。
[0011]在本发明实施例中，所述流量测量器件采用超声波流量计。
[0012]在本发明实施例中，所述电导率测量器件采用量程为20000 μ S/m，输出为Γ20πιΑ电流信号的电导率传感器。
[0013]相较于现有技术，本发明具有以下有益效果:本发明以电子技术为依托，利用传感器技术实时采样流体电导率和流速动态数据，通过控制算法计算，从而获得出当所需的干预液料配比可变占空比脉冲控制信号，实现对流体电导率调整。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本发明实施例中流体流动电导率调整系统结构图。
[0015]图2为本发明实施例中管路及各模块在管路中位置图。
[0016]图3为本发明实施例中电导率调整模块设计框图。
[0017]图4为本发明实施例中电导率调整模块电路图一。
[0018]图5为本发明实施例中电导率调整模块电路图二。
[0019]图6为本发明实施例中电导率调整模块电路图三。
[0020]图7为本发明实施例中电导率调整流程图。
[0021]图8为本发明实施例中控制信号占空比示意图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
[0023]本发明一种流体流动电导率调整方法，包括如下步骤，
步骤S1:提供一需调整流体流动电导率的管路及一设置于该管路前端支路处的干预液输出单元，并设定所述管路的电导率；
步骤S2:等待管路运行稳定后，对管路中的流量进行采样(本发明实施例中，对管路中的流量采样是采用超声波流量计进行流量采样);
步骤S3:根据所述步骤SI设定的管路的电导率以及步骤S2中采样的管路的流量，计算出单位时间内干预液输出单元的初始开关占空比:
To = (Ks * Qc) / T
其中，To是单位时间T内干预液输出单元开关开的时间，Ks是设定电导率的值，Qc是单位时间内的流速，T是单位时间(本发明实施例中取20s)；
步骤S4:采样当前管路中的电导率:
Kc = (Ic — Imin) *Kr / (Imax — Imin)
Ka = (Kcl + Kc2 H-----l.Kcn) / (T / Ti)
其中，Kc是当前采样电导率，Ic是测量的电流当前值；Imin是测量的电流最小值，Imax是测量的电流最大值，Kr是测量管路中电导率所采用的电导率测量器件的量程(本发明实施例中，所述电导率测量器件是采用量程为20000μ S/m，输出为Γ20πιΑ电流信号的电导率传感器，即Imin = 4mA, Imax = 20mA, Kr = 20000 μ S/m), Ka是单位时间内的电导率平均值，KcU Kc2、…、Kcn是单位时间T内间隔性电导率采样数据，Ti是每2次电导率采样的间隔时间；
步骤S5:判断当前管路中的电导率是否偏离设定值，若Ka >2Ks，即认为管路中的电导率异常，则告警，执行异常处理或人工干预；否则，执行步骤S6 ；
步骤S6:判断当前管路中的流量是否发生改变:
若Qc — Ql满足:Λ Qmin > Qc — Ql > Δ Qmax,则执行步骤S7 ;否贝lj，跳转到步骤S3，重新计算出单位时间内干预液输出单元的初始开关占空比；
其中，AQmin是一50L ；Qc是当前单位时间的采样流量；Q1是上一单位时间的采样流量；Δ Qmax 是 50L ；
步骤S7:判断当前管路中电导率是否需要微调:
若丨Kc — Ks I满足:AKmin > | Kc — Ks | > AKmax,则重新执行步骤S4?S7 ;若I Kc - Ks I连续3次不满足:AKmin > | Kc — Ks | > Λ Kmax，则跳转至步骤S8，对管路中的电导率进行微调；
其中，AKmin是最低电导率偏差；AKmax是最高电导率偏差；
步骤S8:调整干预液输出单元的开关占空比:
Tt = To±Tp ；
当 Δ Kmin = O μ S/m, Δ Kmax = 200 μ S/m 时，Tp = Os ;
当 Δ Kmin = 200 μ S/m, Δ Kmax = 400 μ S/m 时，Tp = 2s ;
当 AKmin = 400 μ S/m, Δ Kmax = 2 Ks 时，Tp = 4s ;
其中，Tt是单位时间内干预液输出单元打开电磁阀时间，Tp是单位时间内干预液输出单元电磁阀微调时间；
步骤S9:根据步骤S8的干预液输出单元的开关占空比控制干预液输出单元的开关，以调整管路中的电导率；由此，完成了一个周期的电导率调整，重复执行步骤S4?S9。
[0024]本发明还提供了一种流体流动电导率调整系统，包括一需调整流体流动电导率的管路；
一数据采样模块，该数据采样模块包括用于采样管路中流体流量的管道流量采样单元和用于采样管路中流体电导率的电导率采样单元；所述管道流量采样单元包括设置于所述管路前端流体进口处的流量测量器件(本发明实施例中，所述流量测量器件采用超声波流量计)和连接至所述主控制器单元的流量采样数据信号线；所述电导率采样单元包括设置于所述管路末端流体出口处的电导率测量器件(本发明实施例中，所述电导率测量器件采用量程为20000 μ S/m，输出为Γ20πιΑ电流信号的电导率传感器)和连接至所述主控制器单元的电导率采样数据信号线；
一电导率调整模块，该电导率调整模块包括主控制器单元及与该主控制器单元连接的电导率设定单元、信号输出单元和显示单元；所述主控制器单元还分别连接至所述电导率采样单元和管道流量采样单元；
一控制执行模块，包括安装于所述管路前端支路处的干预液输出单元、设置于所述干预液输出单元输出口的电磁阀，设置于所述干预液输出单元输出口并用于现场检测干预液流量的浮子流量计，该浮子流量计量程为lt/h ;所述电磁阀的控制信号输入端连接至所述信号输出单元的输出端。
[0025]以下为本发明的具体实施例。
[0026]如图1所示，本发明实施例的流体流动电导率调整系统，包括管路、数据采样模块、电导率调整模块和控制执行模块。
[0027]如图2所示，本发明实施例中，管路及各模块在管路中位置图；其中，C1、P1组成了主管路；P2是测量支路管路；C2、P3组成了干预液管路；M是电导率调整模块控制箱；S1、S2是电导率采样单元；Q1是流量采样单元；D1、D2是脉冲电磁阀；F1、F2是浮子流量计；B1、B2分别为主管路和支管路上的抽水泵；W1、W2均为文丘里管；G为温室的喷灌。
[0028]数据采样模块包含电导率采样单元和管道流量采样单元；如图3所示，电导率调整模块包含电导率设定单元、主控制器单元、信号输出单元和显示单元；控制执行模块包含干预液输出单兀(该干预液输出单兀内安装有干预液，其中，干预液是一种能够改变原有管路中电导率的液体，本发明实施例中采用的是高溶度水溶性肥料原液作为干预液，用于提高灌溉用水的电导率)、电磁阀和浮子流量计。
[0029]所述管道流量采样单元包含流量测量器件和流量采样数据信号线，所述流量测量器件连接在管路前端流体进口位置；所述电导率采样单元包含电导率测量器件和电导率采样数据信号线，所述电导率测量器件连接在管路末端流体出口位置；
如图4所示，所述流量采样数据信号线和所述主控制器单元FLOW管脚连接，所述电导率采样数据信号线和所述主控制器单元EC管脚连接，所述主控制器单元CTRL_1和CTRL_2接入所述信号输出单元；
如图5所示，所述信号输出单元的输出端和所述电磁阀控制器的控制信号输入端相连；所述显示单元 LCD_RS、LCD_DB(T7、LCD_RST、LCD_CS、LCD_SDATA、LCD_SCLK 分别和所述主控制器单元PE7?15、PEC(T3连接，组成系统输入设备；
如图 6 所示，所述电导率设定单元 BUTT0N_UP、BUTT0N_RIGHT、BUTT0N_SEL、BUTT0N_LEFT、BUTT0N_D0WN分别和所述主控制器单元PE2?PE6连接，组成系统输出设备；
所述干预液输出单元(该干预液输出单元安装有干预液)设置在所述管路前端支路位置，之后和所述浮子流量计相连，浮子流量计再和脉冲电磁阀连接后接入管路主管道；
如图7所示，本实施例中的流体流动电导率调整方法工作过程如下:
51:在所述电导率设定单元进行当前管路中电导率的设定；
52:避免由于初始管路运行给系统检测带来不确定的干扰因素，采用延时的方法等待管路运行稳定后，开始对管路中的流量进行采样，并通过所述主控制器单元中转算成流量数据；
Q = C；
其中:Q表示单位时间内的流量；C是单位时间内的脉冲个数，每个脉冲代表IL ；本实施例中所述管道流量采样单元采用的是输出为脉冲信号的超声波流量计，并结合外夹式的安装方式，减少气穴的产生。
[0030]S3:根据所述电导率设定单元中设定的电导率和所述数据采样模块中采样的管路流量数据计算出单位时间内干预液输出单元的初始开关占空比；
To = (Ks * Qc) / T ；
其中=To是单位时间T内干预液输出单元开关开的时间；Ks是设定电料率的值；Qc是单位时间内的流速；T是单位时间(20秒)；
如图8所示，本发明实施例中单位时间T下10%占空比、30%占空比和80%占空比波形时序图。
[0031]S4:开始采样管道中的电导率数据。
[0032]Kc = (Ic — Imin) *Kr / (Imax — Imin)；
Ka = (Kcl + Kc2 H-----l.Kcn) / (T / Ti)；
其中:Kc是当前采样电导率，Ic是测量的电流当前值；Imin是测量的电流最小值，Imax是测量的电流最大值；Kr是电导率传感器的量程；Ka是单位时间内的电导率平均值；Kcl、Kc2、…、Kcn是单位时间T内间隔性电导率采样数据，Ti是每2次电导率采样的间隔时间；本发明实施例中所述电导率采样单元采用的是量程为20000 μ S/m，输出为Γ20πιΑ电流信号的电导率传感器，即Imin = 4mA, Imax = 20mA, Kr = 20000 μ S/m ；
55:判断管道中的电导率是否严重偏离设定值:当Ka > 2Ks时，即被认定为管路中的电导率异常，需要跳转到SlO进行异常处理，否则执行下一步；
56:判断管道中的流量是否发生改变:
Δ Qmin > Qc — Ql > Δ Qmax ；
其中:AQmin是一 50L ； Qc是当前单位时间的采样流量；Q1是上一单位时间的采样流量；Δ Qmin 是 50L ；
如果管道中的流量差低于AQmin或者高于Λ Qmax就需要重新计算计算出单位时间内干预液输出单元的初始开关占空比，即跳转到S3 ；
57:判断管道中的电导率是否需要微调:
Δ Kmin > | Kc — Ks | > Δ Kmax ；
其中:AKmin是最低电导率偏差；Kc是当前采样的电导率；Ks是设定电料率的值；AKmax是最高电导率偏差；
Δ Kmin和Λ Kmax组成了一组调整偏差区间，如果连续3次偏差都落在调整偏差区间以外就需要跳转到S8对管路中的电导率进行微调，否则重复执行S4?S7 ；
58:调整干预液输出单元的开关占空比:
Tt = To±Tp ；
①:当Δ Kmin = O μ S/m, Δ Kmax = 200 μ S/m 时，Tp = Os ;
②:当Δ Kmin = 200 μ S/m, Δ Kmax = 400 μ S/m 时，Tp = 2s ;
③:当Δ Kmin = 400 μ S/m, Δ Kmax = 2 Ks 时，Tp = 4s;
其中，Tt是单位时间内干预液输出单元打开电磁阀时间，Tp是单位时间内干预液输出单元电磁阀微调时间；
59:控制执行模块根据步骤S8的干预液输出单元的开关占空比打开或关闭电磁阀，对管路中的电导率进行调整，到此为止一个调整周期结束，重复S4?S9步骤。
[0033]SlO:对异常情况的处理(告警，执行异常处理或人工干预)。
[0034]需特别说明的是:所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
【权利要求】
1.一种流体流动电导率调整方法，其特征在于:包括如下步骤， 步骤S1:提供一需调整流体流动电导率的管路及一设置于该管路前端支路处的干预液输出单元，并设定所述管路的电导率； 步骤S2:等待管路运行稳定后，对管路中的流量进行采样； 步骤S3:根据所述步骤SI设定的管路的电导率以及步骤S2中采样的管路的流量，计算出单位时间内干预液输出单元的初始开关占空比:
To = (Ks * Qc) / T 其中，To是单位时间T内干预液输出单元开关开的时间，Ks是设定电导率的值，Qc是单位时间内的流速，T是单位时间； 步骤S4:采样当前管路中的电导率:
Kc = (Ic — Imin) *Kr / (Imax — Imin)
Ka = (Kcl + Kc2 H-----l.Kcn) / (T / Ti) 其中，Kc是当前采样电导率，Ic是测量的电流当前值，Imin是测量的电流最小值，Imax是测量的电流最大值，Kr是测量管路中电导率所采用的电导率测量器件的量程，Ka是单位时间内的电导率平均值，Kcl、Kc2、…、Kcn是单位时间T内间隔性电导率采样数据，Ti是每2次电导率采样的间隔时间； 步骤S5:判断当前管路中的电导率是否偏离设定值，若Ka >2Ks，即认为管路中的电导率异常，则告警，执行异常处理或人工干预；否则，执行步骤S6 ； 步骤S6:判断当前管路中的流量是否发生改变: 若Qc — Ql满足:Λ Qmin > Qc — Ql > Δ Qmax,则执行步骤S7 ;否贝lj，跳转到步骤S3，重新计算出单位时间内干预液输出单元的初始开关占空比； 其中，AQmin是一50L ；Qc是当前单位时间的采样流量；Q1是上一单位时间的采样流量；Δ Qmax 是 50L ； 步骤S7:判断当前管路中电导率是否需要微调: 若丨Kc — Ks I满足:AKmin > | Kc — Ks | > AKmax,则重新执行步骤S4?S7 ;若I Kc - Ks I连续3次不满足:AKmin > | Kc — Ks | > Λ Kmax，则跳转至步骤S8，对管路中的电导率进行微调； 其中，AKmin是最低电导率偏差；AKmax是最高电导率偏差； 步骤S8:调整干预液输出单元的开关占空比:
Tt = To±Tp ；
当 Δ Kmin = O μ S/m, Δ Kmax = 200 μ S/m 时，Tp = Os ;
当 Δ Kmin = 200 μ S/m, Δ Kmax = 400 μ S/m 时，Tp = 2s ;
当 AKmin = 400 μ S/m, Δ Kmax = 2 Ks 时，Tp = 4s ; 其中，Tt是单位时间内干预液输出单元打开电磁阀时间，Tp是单位时间内干预液输出单元电磁阀微调时间； 步骤S9:根据步骤S8的干预液输出单元的开关占空比控制干预液输出单元的开关，以调整管路中的电导率；由此，完成了一个周期的电导率调整，重复执行步骤S4?S9。
2.根据权利要求1所述的流体流动电导率调整方法，其特征在于:所述单位时间T为20so
3.根据权利要求1所述的流体流动电导率调整方法，其特征在于:所述步骤S2中，对管路中的流量采样是采用超声波流量计进行流量采样。
4.根据权利要求1所述的流体流动电导率调整方法，其特征在于:所述步骤S4中，所述电导率测量器件是采用量程为20000 μ S/m，输出为Γ20πιΑ电流信号的电导率传感器，即Imin = 4mA , Imax = 20mA, Kr = 20000 μ S/m。
5.一种流体流动电导率调整系统，其特征在于:包括 一需调整流体流动电导率的管路； 一数据采样模块，该数据采样模块包括用于采样管路中流体流量的管道流量采样单元和用于采样管路中流体电导率的电导率采样单元； 一电导率调整模块，该电导率调整模块包括主控制器单元及与该主控制器单元连接的电导率设定单元、信号输出单元和显示单元；所述主控制器单元还分别连接至所述电导率采样单元和管道流量采样单元； 一控制执行模块，包括安装于所述管路前端支路处的干预液输出单元、设置于所述干预液输出单元输出口的电磁阀，设置于所述干预液输出单元输出口并用于现场检测干预液流量的浮子流量计；所述电磁阀的控制信号输入端连接至所述信号输出单元的输出端。
6.根据权利要求5所述的流体流动电导率调整系统，其特征在于:所述管道流量采样单元包括设置于所述管路前端流体进口处的流量测量器件和连接至所述主控制器单元的流量采样数据信号线；所述电导率采样单元包括设置于所述管路末端流体出口处的电导率测量器件和连接至所述主控制器单元的电导率采样数据信号线。
7.根据权利要求6所述的流体流动电导率调整系统，其特征在于:所述流量测量器件采用超声波流量计。
8.根据权利要求6所述的流体流动电导率调整系统，其特征在于:所述电导率测量器件采用量程为20000 μ S/m，输出为Γ20πιΑ电流信号的电导率传感器。
【文档编号】G05D11/13GK104166408SQ201410385515
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年8月7日 优先权日:2014年8月7日
【发明者】林凡 申请人:福建地平线信息科技有限公司