一种自适应的多用户随机配水首部压力流量调控装置的制作方法

本发明涉及农业灌溉装备领域，具体为一种自适应的多用户随机配水首部压力流量调控装置。

背景技术：

我国是一个农业大国，农业用水量占总用水量的80％，其中农业用水量的绝大多数用于作物的灌溉，但是我们国家的灌溉设备，与发达国家相比差距较大。水资源短缺，严重影响了当地工业、农业的健康发展，也给当地城市生活用水安全产生了影响。近年来随着国民经济和社会的发展，灌溉水资源优化配置与调控的总体发展趋势是：由单水源、单用水部门发展到复杂的多水源、多用水部门；配置内容由单纯的水量配置发展到水量、水质统一调配；配置目标由单目标发展到多目标；由于灌区水资源下垫面与边界条件以及农业用水系统的复杂性，如何将不确定的灌区供、需水量、水管理政策、作物生长特性和经济参数等来优化配置的计算结果，用于指导灌区的实际配水还是比较困难的。

目前在灌溉配水系统中，根据地形、田块、单元、土壤质地、作物种植方式、水源特点等基本情况，设计管道系统的埋设深度、长度、灌区面积等，灌水方式可采用管道灌溉、喷灌、微喷灌、泵加压滴灌、重力滴灌、渗灌、小管出流等。对于单用户的灌区首部配水控制较为简单且比较成熟，但对于复杂多用户灌区配水控制器的设计和规划，缺乏相应成熟的理论，影响多用户灌区的优化配水；首部是灌溉配水过程中的关键部件，由于灌区首部的设计大多依据灌区的地势和用户数，特别是山地丘陵灌区管网的布置存在着一定的不规则性，且多用户的配水的随机性和不确定性，需要灌溉输水管路中的首部的压力和流量调控，在多用户配水管路中压力和流量调整的研究尚不明确。

目前，涉及多用户灌溉压力和流量调节的相关专利有：

一种基于物联网的智能灌溉管控系统(201920461466x)，该方法设置了主控中心，包括控制器与控制器点链接的无线通信装置，同时设置了第一压力传感器和水流量传感器，检测完成后由控制器并发出相应的控制指令调整稳压罐装置的动作，该方法虽然能够调节稳压罐的动作，但是受到稳压罐可调控范围的影响，并不能够完全满足多用户随机配水的需求；

灌溉控制方法及装置(2015109008978)，该装置应用于微灌系统，设置第一流量控制部件及第一压力表设置于灌溉水源后，根据土壤含水率的情况来控制第一流量部件对流量进行调整。同时利用第一压力表获取当前的压力来维持灌溉，从而保证待灌溉作物所处于土壤中的水分条件处于最佳状态，该方法对于单个用户的控制比较容易，但对于多用户随机配水的工况，很难在短时间内达到预期状态；

一种水肥一体化节水灌溉控制系统(2016204783081)，该装置包括节水灌溉系统、接收器和控制器，该装置没有设置压力和流量调控部件，因此压力和流量的可用范围比较小，因此不能满足多用户流量和压力随机变动的工况要求。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种自适应的多用户随机配水首部压力流量调控装置，设计合理，适用性好，调控范围广，适用于灌溉面积较大、多个取水用户、各用户取水随机的灌溉配水系统。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种自适应的多用户随机配水首部压力流量调控装置，包括储水箱，以及分别连接在配水管路和储水箱之间的调压支路，供水支路和调压供水支路；

所述的调压支路上设置有稳压罐；

所述的供水支路上设置有与储水箱并联的潜水泵；

所述的调压供水支路上设置有与储水箱并联的调压潜水泵；

所述的供水支路、调压供水支路和配水管路上分别设置有压力传感器和流量传感器。

优选的，所述的稳压罐罐体上连接设置启泵压力传感器，内部上方设有稳压气囊；稳压气囊为半圆形的中空橡胶体，内部连接设置停泵压力传感器，顶部与储水箱连通，底部设置有电磁阀与罐体内部连通。

进一步，所述的稳压气囊与储水箱之间的管路上安装有稳压罐调节泵；稳压罐调节泵与稳压气囊之间的连接管路采用柔性管道。

优选的，所述的供水支路上沿供水方向依次安装有水箱单向阀ii、电动阀ii、压力传感器ii、流量传感器ii和单向阀ii；所述的潜水泵连接在水箱单向阀ii和电动阀ii之间。

优选的，所述的调压供水支路上沿供水方向依次安装有水箱单向阀i、电动阀i、压力传感器i、流量传感器i和单向阀i；所述的调压潜水泵连接在水箱单向阀i和电动阀i之间。

优选的，所述的配水管路上沿供水方向在稳压罐的下游依次设置有配水压力传感器和配水流量传感器。

优选的，还包括控制柜，所述的控制柜设置有控制器和采集器；采集器的输出端连接压力传感器和流量传感器，用于实时采集供水支路、调压供水支路和配水管路的压力和流量；控制器的输出端连接调压潜水泵、潜水泵，以及设置在调压供水支路上的电动阀i和设置在供水支路上的电动阀ii。

进一步，所述的控制器中设置有变频器，分别控制调压潜水泵和潜水泵的运行频率。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过在配水管路上设置可调控的稳压罐以及设置的调压支路和调压供水支路，结合潜水泵和调压潜水泵泵组的调节；通过结合地上高水位储水箱形式和地下泵组形式的供水结合模式，不仅能够扩大首部压力和流量供应的范围，而且能够调控稳定的压力，为可调稳压罐的实时调控提供了保证，能够根据多用户随机需水的实际需求配水；同时利用两个支路的配合也能够精准的控制流量，相对于常规的调控方法压力和流量的调控范围更广，控制精度更高；最终实现压力和流量调节，可以更准确和快速的达到多用户随机配水的目标压力和流量。

进一步的，通过在可调控的稳压罐内设置稳压气囊，能够根据多用户随机配水的实际需求，通过稳压罐调节泵和电磁阀的启闭，可动态改变稳压气囊内部的气体和液体的比例，当两者的比例达到设定程度后，关闭稳压罐调节泵和电磁阀，利用稳压罐的自动稳压功能，结合电磁阀和稳压管调节泵的控制来实现首部压力和流量的调节，可以满足多用户随机配水的流量和压力需求。

进一步的，通过设置在供水支路和调压供水支路上相互配合的阀和传感器，能够实时采集反馈支路的流量和压力参数，通过控制柜进行对应开合和调节操作，满足随机配水需求。

附图说明

图1为本发明装置的总体结构示意图。

图2为本发明管路和调节部件结构示意图。

图3为本发明管路结构示意图。

图4为本发明储水箱、稳压管调节泵和稳压罐连接结构示意图。

图5为本发明稳压罐内部结构示意图。

图6为本发明稳压罐和稳压气囊剖面结构示意图。

图中：1-储水箱，2-调压潜水泵，3-潜水泵，4-水箱单向阀i，5-水箱单向阀ii，6-电动阀i，7-压力传感器i，8-流量传感器i，9-单向阀i，10-电动阀ii，11-稳压罐调节泵，12-压力传感器ii，13-流量传感器ii，14-单向阀ii，15-起泵压力传感器，16-停泵压力传感器，17-控制柜，18-稳压罐，19-配水压力传感器，20-配水流量传感器，21-配水管路，22-潜水泵单向阀i，23-潜水泵单向阀ii，24-稳压气囊，25-电磁阀。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明一种自适应的多用户随机配水首部压力流量调控装置，如图1所示，包括储水箱1，分别连接在配水管路21和储水箱1之间的调压支路，供水支路和调压供水支路，以及控制柜17；

如图1所示，所述的配水管路21上沿供水方向依次设置有配水压力传感器19和配水流量传感器20；

如图4所示，所述的调压支路上沿供水方向依次设置有稳压罐调节泵11和稳压罐18；如图5所示，所述的稳压罐18罐体上连接设置启泵压力传感器15，内部上方设有稳压气囊24；如图5和图6所示，稳压气囊24内部连接设置停泵压力传感器16，顶部与储水箱1连通，底部设置有电磁阀25；

如图3所示，所述的供水支路上沿供水方向依次设置有水箱单向阀ii5、电动阀ii10、压力传感器ii12、流量传感器ii13和单向阀ii14；潜水泵3和潜水泵单向阀ii23连接在水箱单向阀ii5和电动阀ii10之间；

如图3所示，所述的调压供水支路上沿供水方向依次设置有水箱单向阀i4、电动阀i6、压力传感器i7、流量传感器i8和单向阀i9；调压潜水泵2和调压潜水泵单向阀i22连接在水箱单向阀i4和电动阀i6之间；

其中，由储水箱1、调压潜水泵2和潜水泵3组成供水部分，由压力传感器i7、流量传感器i8、压力传感器ii12、流量传感器ii13、配水压力传感器19和配水流量传感器20组成检测部分，由电动阀i6、电动阀ii10、稳压罐18、起泵压力传感器15、停泵压力传感器16、控制柜17、稳压罐调节泵11组成调控部分，由水箱单向阀i4、水箱单向阀ii5、调压潜水泵单向阀i22、潜水泵单向阀ii23、单向阀i9、单向阀ii14和配水管路21组成管路部分；

具体的，如图1所示，水箱单向阀i4、水箱单向阀ii5一端利用管段与储水箱1相连，另一端通过管段分别与电动阀i6和电动阀ii10相连，电动阀i6和电动阀ii10的另一端通过管段分别与单向阀i9和单向阀ii14相连，单向阀i9和单向阀ii14的另一端串联成灌溉首部输出管路。压力传感器i7和流量传感器i8设置在电动阀i6和单向阀i9之间的管路上，压力传感器ii12和流量传感器ii13设置在电动阀ii10和单向阀ii14之间的管路上；

如图3所示，调压潜水泵2和潜水泵3的输出端与管道相连，管段的另一端分别与潜水泵单向阀i22和潜水泵单向阀ii23相连，潜水泵单向阀i22通过管段连接在水箱单向阀i4和电动阀i6之间的管段上，潜水泵单向阀ii23通过管段连接在水箱单向阀ii5和电动阀ii10之间的管段上；

如图1所示，配水压力传感器19、配水流量传感器20、稳压罐18设置在配水管路21上，稳压罐调节泵11的一端通过管段与储水箱1相连，另一端通过管段与稳压罐18相连，启泵压力传感器15和停泵压力传感器16设置在稳压罐18上；

如图6和图4所示所述稳压气囊24为半圆形中空橡胶体设置在稳压罐上部，柔性管道的一端设置在稳压气囊24的内部，柔性管道的另一端安装在稳压罐调节泵11的输出端；电磁阀25设置在稳压气囊24的底部；通过稳压罐调节泵和电磁阀的启闭，可动态改变稳压气囊内部的气体和液体的比例，当两者的比例达到设定程度后，关闭稳压罐调节泵和电磁阀，利用稳压罐的自动稳压功能，结合电磁阀和稳压管调节泵的控制来实现首部压力和流量的调节。

稳压气囊起稳压效果主要是其内部的气体，在配水管路21上设置的首部供水泵的增压条件下稳压气囊外部压力持续增大，气囊内部的气体体积变小压力增大，当内部的气体压力达到设定值时，可停止首部供水泵的电机工作。在首部供水泵暂时停止供水条件下，首部输出压力即稳压气囊外部的压力逐渐减小，内部空气压力也逐渐变小空气体积变大，当内部压力小于等于设置下限值时，启动首部供水泵工作增压，如此循环启停首部供水泵。

由于用户取水的随机性，随机配水要求首部压力和流量的变化范围较大，这就需要增大稳压气囊内部的体积来满足要求，但由于大体积的稳压气囊内部的气体压缩和膨胀的范围较小，因此造成稳压气囊在内部压力较小(配水系统输出压力较小的状态下)范围内的对压力的响应较慢和不够准确，由于随机配水管路的实质性和非线性，往往需要较高的鲁棒性，所以在稳压气囊24的上部通过中空柔性管道与稳压调节泵的输出相连，稳压调节泵的工作可将液体注入到稳压气囊内部，电磁阀25可将稳压气囊内部的液体从底部排出，通过稳压调节泵11和电磁阀25的注水或排水，可以改变稳压气囊内部的气体体积，从而能够适应于不同压力调控的快速响应，提高配水压力调控的控制精度。

如图5所示，所述停泵压力传感器16设置在稳压气囊24内部，启泵压力传感器15设置在稳压罐18罐体上，稳压罐18与配水管路21之间通过管路相连；

其中，所述控制柜17设置有控制器和采集器，采集器实时采集压力传感器i7、流量传感器i8、压力传感器ii12、流量传感器ii13、配水压力传感器19、配水流量传感器20、起泵压力传感器16和停泵压力传感器15的检测值，控制器与调压潜水泵2、潜水泵3、电动阀i6和电动阀ii10相连。

其中，所述控制器中设置有变频器，变频器分别控制调压潜水泵2和潜水泵3的运行频率。

本发明通过在首部设置可调稳压罐18，根据多用户的实际配水需求装置能够调控稳压罐18的启停泵压力点，然后通过潜水泵3、调压潜水泵2和储水箱1相结合的方式来供水，同时利用电动阀组调整系统首部的压力和流量供给，从而满足多用户随机配水的需求。

由于实际配水过程中，管路末端的灌水器具有一定的压力补偿功能，因此首部配水过程中压力和流量的需要不是个准确的值，对不同的工况压力和流量需要是一个范围。随机配水过程中，首部的潜水泵3和调压潜水泵2、储水箱1共同提供有压水，初始状态储水箱可以提供一定压力的灌溉水，如果储水箱提供的水头满足随机配水的压力和流量需求，则不需要潜水泵3和调压潜水泵2的增压配水，此时与储水箱相连的输出管道单独给系统提供配水，与储水箱相连的两个输水通道上设置了电动阀i6和电动阀ii10，两个单向阀控制阀门开度可以调节储水箱输出水的压力和流量，通过与其相连的压力传感器i、压力传感器ii、流量传感器i和流量传感器ii可以检测两路水的压力和流量。两路输出共同决定了首部整体的压力和流量，因此配水压力传感器是两个压力传感器的压力之和，配水流量传感器是两个流量传感器之和，调整两个单向阀的开度，就可以调节整个配水管路的输出总压力和总流量。由于储水箱的水位普遍较低且逐渐下降，所以由储水箱单独供水配水管路压力也逐渐下降，此时通过稳压气囊的调节可以实现配水压力逐渐下降过程中的降压稳压调节。

如果储水箱1单独供水并在稳压气囊降压调节过程中，可启动调压潜水泵2的工作，潜水泵是将地下水进行提取到地面增压配水的过程，启动调压潜水泵2后可以观测与其相连的压力传感器i、压力传感器ii、流量传感器i和流量传感器ii，同时调整电动阀i和电动阀ii的阀门开度，就可以调整整个配水系统输出的压力和流量大小，此时稳压气囊的作用是根据需求调节其内部的气体体积，从而能够满足该工况下配水压力的稳压调节，使潜水泵运行一段实际-暂时停止-运行一段时间的循环工作，从而达到整个系统的稳压调节。

稳压气囊的主要功能是使首部供水泵循环工作，并使整个系统的输出保持在一定的压力范围内，而电动阀门i和电动阀门ii的作用是结合储水箱的输水和潜水泵3的主动供水来调节其整个系统的输水流量。两者的结合可以实现多用户随机配水首部压力流量的综合调控，满足大范围的压力和流量需求。

上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

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