智能节水阀门控制元件控制机理研究

Research on the Control Mechanism of Intelligent Water-savingValve Control ElementsDU Ke， YU Guo-sheng， YUAN Xiang-Yue(School of Technology，Beijing Forestry University，Beijing 100083，China)Abstract：The working principle of intelligent water-saving valves is introduced.In view of the problem with the slow speed ofwater exchange between control elements and soil，the wet sensitivity of the control elements is improved by means of the waterexchange between the control elements and air，thereby efectively conducting irrigation operations。

Key words：inteligent water-saving value；control element，water exchan ge从国内外节水灌溉技术的发展现状可知，国外农业灌溉设备技术含量较高，成本也较高。我国的先进灌溉技术主要是由国外引进的，由于我国农业经济水平较低，目前并没有推广应用先进的自动控制灌溉系统，农民、果农还在大面积采用漫灌等原始的灌溉方式，不但浪费水源，而且应对干旱、洪涝的能力也较差。无源智能节水阀门能够实现自动控制且成本低廉，目前在国内尚无同类产品出现，而且其具有无源的特点，除了能够节省人力外还能节省电能，因此这种阀门在实验成功后将有很高的推广价值。

该智能节水阀门使用湿敏材料作为阀门的控制元件，湿敏材46-遇水膨胀失水收缩的特点，但其在土壤中失水收缩速率较慢，导致阀门在土壤含水率下降到 15%以下时还不能及时打开。本研究使湿敏材料分别与土壤和空气进收稿 日期：2013-05-06基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金(YX2013-26)；国家自然科学基金项 目(30571460)通讯作者：袁湘月，讲师，主要研究方向为林业与园林机械 ，Email：hirleyyxy2001###163.com行水分交换，通过对比发现，湿敏材料与空气的水分交换速率远远大于与土壤进行水分交换的速率。

1 无电源控制阀门的结构及工作原理智能节水阀门是利用湿敏材料吸水膨胀失水收缩的特性来控制阀门的关闭和打开，其结构如图 l所示，初始时进水口和出水口为连通状态～阀门插入土壤中，水从出水口流出进入土壤后，控制元件(即湿敏材料)吸水膨胀，阀芯在材料膨胀推力的作用下向上移动，当其锥形头部将进水口完全封住时水不再进入设备，这时即停止灌溉。土壤中的水分随着植物的吸收和图 1 智能节水阀结构示意图1.调节螺钉 ；2.底座；3.控制元件 ；4.弹簧座；5.缓冲弹簧；6.阀体；7.阀芯；8 O形密封圈；9.复位弹簧；10.出水口；11.进水口第9期 杜 珂，等：智能节水阀门控制元件控制机理研究 37蒸发会逐渐减少，根据水分平衡原理，控制元件中的水分也随之减少，湿敏材料失水后体积收缩，从而使阀芯在复位弹簧的作用下反向移动，将进水口逐渐打开，水从出水口流出。另外，还可以根据作物的需水量来调节阀门的调节螺钉，以满足不同作物在不同季节、不同质地土壤中的水分需求，进而提高作物产量。

2 实验方法2.1 实验材料通过查阅大量文献资料，确定选用粒径为 0.5mm的法国SNF保水剂作为实验材料，该保水剂属于丙烯酰胺 -丙烯酸盐共聚交联物，使用寿命较长，可维持4年左右。另外，根据前期研究结果选取粒径0-lmm的砂石与保水剂混合，以提高保水剂的吸水和失水速率。

2.2 实验装置该实验采用了如图2所示的模拟阀门代替实际阀门，该模拟阀门去除了上部的进水口、出水口、阀芯、弹簧、弹簧座部分，能够方便地插入位移传感器的滑移杆，便于测量材料膨胀高度。

图2 透明模拟阀门实验使用的土壤水分传感器是-种多点水分测量仪，共包含三个探头可同时对三个花盆里边的土壤水分进行实时监测，并随时将记录的数据传输到计算机中。

测量土壤含水率使用的是上海天平仪器厂生产的SC69-02型水分快速测量仪 (最大载荷 10g，分度值5mg，输入电压220V，加热电压 140-220V)及-台电子称(精度0.01g)。

2.3 控制元件力学性能实验(1)称取 2g保水剂和砂石(按 1：1比例)的混合物共 2份，装进事先制作好的铁丝网中(铁丝网卷成直径13mm的圆筒状，双层，下部用柱状塑料块封好，称好质量)，在混合物的上方放-个蜡块，再将铁丝网放进两个阀门中，称量阀门此时的质量并做记录，然后将阀门插人花盆的土壤中，其中-个阀门入土深度为 100mm(该深度使得湿敏材料完全进入土壤表层以下)，另-个阀门人土深度为50mm(该深度能保证有-半的湿敏材料与空气接触)。

(2)将土壤水分测量仪的探头紧靠阀门插入土壤中，保证电池可用，测量土壤含水率；同时用电子秤测量阀门的总质量，称完后还按之前的入土深度再插人土壤中；使用游标卡尺测量材料膨胀高度；记录上述实验的三种数据。

3 实验结果与分析3.1 实验结果插入深度不同的两个阀门其材料含水率及膨胀收缩高度随土壤含水率的变化见表 1。

表 1 插入深度不同的两个阀门其材料含水率及膨胀收缩高度随土壤含水率的变化SNF保水剂 SNF保水剂插入深度 /mm 50 l0o土壤含 材料含 膨胀高 土壤含 材料含 膨胀高日期 水率 水率 ，% 度 /mm 水率 ，% 水率 /% 度 /mIr2O12.6.1 20.50 87.45 55-39 l8-88 83.94 35.572012.6.2 19.04 86.34 51.82 16.47 85.85 42.072012.6.3 17.0o 83.26 35.96 l6.36 86.35 41.532012.6.4 16-36 72.68 18.16 16.19 86l33 41.5O2012.6.5 14.O5 70.50 16.66 15.66 86l36 42.582012.6.6 l3.56 67.74 14.64 15.54 86.17 42.882012.6.7 l1.27 66.50 14.20 15.O9 85.96 40.582012.6.8 10.53 65.46 13.22 15.58 85.48 39.892012.6.9 10.20 65.58 13.88 13.58 85.22 38.56根据表 1分别绘制出入土深度 50mm和 100ram两个阀门的材料含水率及膨胀收缩高度，如图3和图4所示。 堡L加婪泰l-材料含水率 翥 膨胀高度幄当渣土壤含水翠 ，%图 3 入土深度 50nun阀门其材料含水率及膨胀收缩高度随土壤含水率的变化3.2 数据分析(1)人土深度对湿敏材料含水率的影响：将材料暴露在空气中，在土壤含水率下降到 15%时，材料含水率相比最高点也下降了15%。而在材料完全不与空气接触的情况下，土壤含水率下降到 15%时，材料含水率相比最高点只下降0.88%。

l6.47 16.36 l6.19 l5.66 l .54 15.09 l . l3.58土壤含水率 ，%l 4 入土深度 100nun阀门其材料含水率及膨胀收缩高度随土壤含水率的变化2)人土深度对湿敏材料膨胀收缩高度的影响：将暴露在空气中，在土壤含水率下降到 15%时，膨胀饵比最高点下降了67.2%。而在材料完全不与空气j勺情况下，土壤含水率下降到 15%时，膨胀高度相葛点下降6.97%。

匕述分析可知，材料与空结论与建议：1)本研究通过采用使湿敏材料与空气接触的方其验测得湿敏材料分别与土壤和空气进行水分交童率，对解决阀门不能及时打开进行灌溉的问题及作用。

：2)通过实验数据可知湿敏材料与空气的水分交换速率远远大于与土壤的水分交换速率。因此后续试验中可以采用使湿敏材料暴露在空气中的方法提高阀门的灵敏度。

(3)由表 1所示的实验数据可知，阀门在入土深度为 50mm时，材料收缩 了40mm左右，而之前的研究认为，理论上材料在收缩 5ram时阀门就能打开，因此后续试验应着重研究与空气接触面积不同 (即入土深度不同)对材料膨胀高度的影响，以便找到合适的人土深度，使阀门能够及时打开进行灌溉作业。