自动检测定量操作土壤调节装置设计

郑 强，金 丽，李佳宁

（山东省水利科学研究院，山东 济南 250014）

近年来，随着工农业生产的高速发展，大量农药化肥的不当施用、灌溉农业的不合理开发和工业污染的无序排放，导致我国部分地区土壤酸化与盐渍化程度呈不断加速趋势。我国的酸性土面积约 2.04×108hm2，盐碱土面积约 3.6×108hm2，分别约占全国耕地面积的21%和36%，且分布广泛，类型多样。土壤的酸化与碱化一方面对耕作层土壤的物理性状与肥力产生不良影响，甚至导致土壤退化，危害作物生长，致使作物减产甚至绝产，限制了农业生产的发展，甚至威胁粮食安全；另一方面，随着土壤酸化与碱化程度的不断加重，会造成植被减少，土地荒漠化加剧，同时影响地下水环境，加速生态环境的恶化。因此，无论从改善农业生产环境，保障粮食安全，还是从保护生态环境，促进社会经济快速发展等出发，开展土壤修复技术与装备研发都是十分必要的。

目前的土壤酸碱度改良措施，可分为化学改良、生物改良和综合改良等。其中，化学改良主要通过投加化学改良剂来调节土壤酸碱度。这首先要对土壤酸碱度进行人工检测，然后根据检测数据人工调配化学改良剂，通过人工或机械投加。但实际操作中往往通过经验或固定方案确定化学改良剂的配比和施用量，控制较为粗放，对土壤条件的适应性差、改良效果不理想。而现有的土壤酸碱度调节设备，无法对土壤的酸碱度进行测定，缺乏土壤检测、改良剂配制和投加等环节的高效联动，且实际应用中不便于控制改良剂配比，易造成配比误差较大，且设备自动化程度不高，工作效率低，无法达到对土壤酸碱度进行调和的目的。因此，研发一种能够自动进行土壤酸碱度检测，精准控制改良剂配比，自动进行改良剂配制和投加的土壤酸碱度改良装置，对于提升土壤改良装置自动化水平，提高工作效率，改善工作条件，保证工作效果具有积极意义。

1 总体设计构想

1.1 装置架构与功能

该装置采用模块化架构，由检测模块、改良剂配制模块、投加模块和控制模块组成。

1）检测模块。该模块由探针式土壤酸碱度快速检测仪、电动机、皮带轮、丝杆、螺纹块、移动杆和防护罩组成。电动机、皮带轮、丝杆、螺纹块和移动杆组成动作机构，通过其配合动作带动探针式土壤酸碱度快速检测仪上下运动，使探针插入土壤开始自动检测，并自动记录和传送检测数据至控制模块。

2）改良剂配制模块。该模块由酸液存放箱、碱液存放箱、水箱、浮球、浮杆、稳定块、固定杆、刻度线、酸液管、碱液管、电磁阀、进液管、电机、搅拌杆和叶片组成，用于精确控制将标准浓度的酸液和碱液按照既定比例配制成满足土壤改良要求的改良剂溶液。酸液和碱液存放箱用于存放标准浓度的液态酸碱改良剂；浮球、浮杆、稳定块、固定杆、刻度线等组成液位控制机构，用于观测、监测和控制各箱体内液位，并将监测数据传送至控制模块；酸液管、碱液管、电磁阀、进液管、电机、搅拌杆和叶片组成改良剂配制机构，用于精准控制改良剂配比，制备符合要求的改良剂溶液。

3）投加模块。该模块由、水泵、电磁阀、管道和喷盘组成，用于按照要求精准控制改良剂投加量。

4）控制模块。主要为小型PLC，与前述三个模块连接，用于写入数据处理和控制程序，接收和处理土壤酸碱度检测数据和各箱体液位信息，精确控制各模块电磁阀的启闭和电动机的启停等动作。

1.2 装置结构设计

装置结构设计见图1。

图1 装置结构设计图

2 设备运行原理

装置运行时，第一电机5带动第一皮带轮6转动，第一皮带轮6通过皮带带动第二皮带轮7转动，第二皮带轮7带动丝杆8转动，丝杆8带动螺纹块9移动，螺纹块9通过移动杆10带动酸碱度测试仪11移动，将酸碱度测试仪11插入至土壤内，对土壤的酸碱度进行检测，取两个酸碱度测试仪11所测试数据的平均值作为调和值，并将检测数据传送至控制模块的小型PLC，对检测数据进行计算，并按照提前写入程序中规定的相应酸碱度条件下酸液和碱液与水的配比进行改良剂配制。若土壤碱性较高时，PLC控制打开第二电磁阀22，酸性溶液通过酸液管21流入至水箱4内，酸液存放箱2中酸性溶液体积减小，此时酸液存放箱2内的浮球12下移，带动浮杆14向下移动，此时刻度线16下移，通过监测液位的变化，从而得到酸性溶液流出的容量，并将监测数据传送至PLC，直至酸性溶液排放量达到所需容量时，PLC控制关闭第二电磁阀22。若土壤酸性较高时，打开第三电磁阀24，碱性溶液通过碱液管23流入至水箱4内，与上述原理相同，直至碱性溶液排放量达到所需容量时，关闭第三电磁阀24。随后，进水管31往水箱4内注水，水箱4内的浮球12移动，带动水箱4内的浮杆14向下移动，通过监测液位变化，注水至所需要的容量，PLC控制停止注水，并启动第二电机26工作带动搅拌杆27转动，搅拌杆27带动叶片28转动，使酸性溶液与水溶液快速混合，完成改良剂配制。此后，PLC控制水泵17工作，带动第一电磁阀20，配制好的改良剂通过管道19和喷盘18向土壤进行喷洒投加，对土壤酸碱度进行调和。

3 装置的应用

该装置将土壤酸碱度自动检测、改良剂的精准配制与自动投机有机整合，自动化程度较高，可有效提高土壤酸碱度调节工作效率，提升改良效果。该装置既可以独立设备模式用于土壤酸碱度调节作业，作为一种精细农业的生产装备，较为适用于果树、蔬菜、花卉、苗木等经济作物小范围种植区域内的土壤酸碱度调节，也可经适当改装后与其他行走设备、动力设备、喷灌机及水肥一体化设备等联合构成性能更为强大的、适用于大范围生产种植和土壤改良的系统，其适用性能更广泛，作业效率更高，技术优势更明显。

目前，该装置在自动行走机构设计、动力与供电系统设计、整体小型化设计、智能化设计等方面仍有较大的升级空间。今后需积极探索将GPS定位与导航、行走机构自动控制、风光电互补、远程智能控制等先进技术应用于该装置的技术方法，真正实现该装置的全自动智能作业。