Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Сенсорная система учета азотно-углеродного баланса в гидропонной технологии выращивания огурцов и томатов (Разработка прототипа автоматизированной сис
.pdf
31
ниже, по отношению с портативными измерителями углекислого газа с
аналогичными возможностями.
Для работы, датчику необходимо 24 V постоянного или переменного
тока. Оснащен функцией самокалибровки ABC, которая позволяет сохранять
точность и стабильность измерений в течение пяти лет. Наличие дисплея
позволяет в режиме реального времени непосредственно в месте проведения
исследований наблюдать содержание углекислого газа. Использование
аналогового выхода и реле позволяет автоматизировать систему вентиляции,
которая потребуется при проведении определений в измерительных камерах.
Рис. 7 Датчик Sense II Disp шведской фирмы "SenseAir"
Датчик имеет следующие характеристики:
• Измеряемый газ Углекислый газ СО
2
• Измеряемый диапазон 0 – 2000ppm
• Точность ± 30 ppm ±3% от измеряемой величины
• Размеры 130 мм x 85 мм x 30 мм
• Обслуживание Не требует обслуживания
• Срок службы ˃ 15 лет
• Диапазон температурной компенсации От 0 до 50 °С
• Диапазон рабочей влажности От 0 до 95% RH (без конденсата)
32
• Питание 24 VAC/VDC
• Время отклика (T1/e) 2 мин.
• Передача информации Uart (Modbus)
• Выход №1 линейный выход От 0 до 10 V DC (СО
2
)
• Выход №2 ли
• нейный выход От 2 до 10 V DC или от 4 до 20 mA (СО
2
)
33
Глава 4. Определение месторасположения сенсоров в теплицах для
получения достоверной информации о значениях корневого углеродного
питания огурцов и томатов
Точное определение месторасположения датчиков углекислого газа,
являющихся основным элементом сенсорной системы учета азотно-
углеродного баланса в гидропонной технологии выращивания томатов и
огурцов, необходимо для расчета алгоритмов обработки полученной от
сенсоров информации и обеспечения эффективности функционирования всей
автоматизированной системы оптимизации корневого углеродного
питания огурцов и томатов тепличного комплекса.
Каркас тепличного комплекса ООО «ЮгАгроХолдинг», на примере
которого проводилось определение месторасположения сенсоров в теплицах
представляет собой многопролетную рамочную конструкцию типа "холодного
домика", поставляемую комплектно. Выбор этого тепличного комплекса
обусловлен тем, что на втором году реализации проекта именно в нем будет
работать первая система. Высота колонны 6 м, пролет - 8 м и шаг колонн - 4,5
м. Конструкция соответствует действующим СНиП 2.10.04-85 «Теплицы и
парники», СНиП II-23-81 «Стальные конструкции», СНиП 2.03.0685 «Алюминиевые конструкции». Качество остекления теплицы обеспечивает
относительную герметичность, которая позволяет поддерживать заданные
режимы микроклиматических параметров. Для остекления кровли используется
одинарное, прозрачное стекло класса М4, толщиной - 4,0 мм. Уклон ската
кровли составляет 25°. В планках конька и желобов обеспечивается 4-х
стороннее крепление стекла. Алюминиевые вентиляционные форточки
закреплены у конька крыши (см. Рис. 8).
34
Рис. 8. Тепличный комплекс ООО «ТК ЮгАгроХолдинг»
Система вентиляции состоит из вентиляционных отверстий (фрамуги),
которые открываются и закрываются с помощью системы рельсового
механизма, имеющего защиту от штормового ветра. Фрамуги устанавливаются
по обе стороны от конька крыши теплиц в шахматном порядке. Во всех
отделениях теплиц площадь открывающихся фрамуг составляет до 35%
площади кровли теплиц, что обеспечивает поступление необходимого объёма
наружного воздуха. Угол подъёма форточек до 50° и площадь вентиляционного
проема автоматически регулируется в зависимости от температуры воздуха,
скорости ветра и наличия осадков (см. Рис. 9).
35
Рис.9. Система вентиляции тепличного комплекса ООО «ТК ЮгАгроХолдинг»
При выборе участков для установки датчиков углекислого газа
учитывались условия, которые влияют на равномерность распределения по
площади тепличного блока углекислого газа. Наиболее важное из них -
восстановление концентрации углекислого газа после открытия фрамуг,
которым регулируется температурный режим в тепличных блоках. Дело в том,
что с поступлением воздуха извне концентрация углекислого газа при каждом
проветривании снижается, а после закрытия фрамуг на равномерность
распределения СО
2
требуется время.
В связи с вышеизложенным было принято решение проводить
определение углекислоты в воздухе и корневой зоне растений в ранние часы до
первого открытия фрамуг. Ориентировочное время приходится до 10ч. 50 мин
утра. Это время также было выбрано с учетом того, что после этого времени не
ограничивается перемещение рабочего персонала из коридора в блок и обратно,
а это также влияет на равномерность распределения углекислого газа по
площади тепличного блока.
Стабильность содержания углекислого газа определялась имперически -
методом регулярных (один раз в 15 минут) замеров концентрации углекислого
36
газа портативным датчиком SenseAir. Частота замеров зависела от
конфигурации тепличных блоков, расположения в них рядов с растениями и
экспозиции.
Рис 10. Расположение рядов в Рис.11 Проведение замеров
блоках томатной теплицы концентрации углекислого газа
Томатный тепличный комплекс состоит из четырех блоков. В блоках 1, 2
и 3 расположение рядов с растениями находится с одной стороны с
технологическим проходом с кари теплиц. Расположение растений в Блоке №4
находится по обе стороны с технологическим проходом посередине.
В Блоках 1,2 и 3 расположено по 105 рядов растений с 664 растениями в
каждом из них. Количество матов в ряду – 83 (см. Рис.10).
В блоке 4 с правой стороны от технологического прохода расположено
105 рядов по 608 растений в каждом из рядов. Слева расположено 46 рядов по
360 растений (46 матов).
Первые определения проходили через 1 ряд начиная с 1-го и 105-го рядов
навстречу друг другу. Точка отбора происходила в середине ряда, в районе 42
37
мата. Целью такого учета углекислоты было выявление закономерностей
изменения концентрации газа в зависимости от расположения к краям корпуса
(см. Рис.11). Со стороны 1-го ряда было выявлено, что относительно
стабильные показатели углекислого газа в блоках датчики фиксируют с 3-го
ряда.
В блоке 1 показатели колебались в пределах 430-442 ррm, в то время как
показатели с противоположной стороны стабилизировались с 100-го ряда с
показателями 427-445 ppm. В рядах 105-101 концентрация составляла 393-411
ppm. Подобное расхождение связано с тем, что первые ряды прилегают к
общему технологическому проходу между блоками, в котором поддерживается
относительно стабильный микроклимат. В противоположной стороне стенки
теплицы контачат с открытым воздухом, температура, влажность которого
периодически меняется.
В блоке 2 стабильная концентрация составляла 511-538ppm, в блоке 3 468-478 ppm. В блоке №4 была установлена та же тенденция, что и в блоке 3.
С целью определения разницы в показателях углекислого газа внутри
ряда измерения также проводились через каждые 2 мата. В результате
измерений было выявлено, что со стороны внутриблочного технологического
прохода концентрация СО
2
стабилизируется через 4 метра (4 мата), а со
стороны стенок корпуса блока №3 концентрация сохраняется равнозначной
концентрации в ряду. Это связано с тем, что два блока разделяет стеклянная
стенка. В блоках 1 и 2 крайние стенки контачат с внешним миром, вследствие
чего концентрация углекислого газа от стенок стабилизируется на 5 мате. В
блоке 4 внутренний показатель в рядах с обеих сторон внутриблочного
технологического прохода стабилизируется также с 4-го мата. Края
демонстрируют относительную равнозначность показателей, соответствующих
данным внутри ряда. Крайние стороны блока 4 контактируют с одной стороны
с блоком 2, с другой с рассадным отделением.
В связи с определением районов внутри тепличных блоков со
стабильными показателями принято решение о равномерном установлении
38
датчиков по периметру с равнозначным вхождением вглубь с каждой из сторон.
В блоках 1,2 и 3 устанавливаются по 4 датчика, которые расположены в Рядах
№ 14 - (мат № 10 и 73) и № 91 (мат №10 и 73). В блоке №4 решено установить 6
датчиков учета концентрации углекислого газа - 4 датчика с правой стороны от
технологического прохода и 2 датчика - с левой стороны. Номера рядов 14 и 91
с матами (10 и 66). Слева №10 и 36 в районе матов №23.
В результате проведенных исследований были получены следующие
результаты:
1. Результаты, не зависящие от конфигурации тепличного комплекса
(можно использовать для проведения измерений в любых тепличных
комплексах):
-определено время и отработана последовательность действий для
измерения углекислоты в воздухе и корневой зоне растений для любых
тепличных комплексов;
-показано, что для проведения учета достаточно простых средств
измерений (портативный датчик SenseAir).
2. Результаты, зависящие от конфигурации тепличного комплекса и
полученные для ООО «ТК ЮгАгроХолдинг»:
- определены временные интервалы измерений;
- определено расстояние между точками, в которых производятся
замеры;
- определено минимально необходимое количество датчиков, которое
позволяет получить достоверную информацию о содержания углекислого газа.
Необходимо также отметить, что в ходе проведения измерений было еще
раз подтверждено, что минимальное количество датчиков и места их
расположения зависят от конфигурации тепличных комплексов. Это, в свою
очередь, определяет необходимость оказания инжиниринговых услуг перед
разработкой и поставкой в тепличные комплексы сенсорной системы учета
азотно-углеродного баланса в гидропонной технологии выращивания томатов и
огурцов.
39
Глава 5. Разработка алгоритмов обработки полученной от сенсоров
информации для прототипа автоматизированной системы оптимизации
корневого углеродного питания огурцов и томатов с целью принятия
решений об оптимизации азотно-углеродного баланса в реальном режиме
времени
По ранее полученным результатам исследования (математической модели
для определения оптимальных значений азотно-углеродного баланса в
гидропонной технологии выращивания огурцов и томатов, расчетов
оптимальных значений корневого углеродного питания огурцов и томатов)
были разработаны алгоритмы обработки полученной от сенсоров информации с
целью принятия решений об оптимизации азотно-углеродного баланса в
реальном режиме времени.
Алгоритмы дифференцированы в зависимости от уровня
фотосинтетически активной радиации.
Первый алгоритм расчета оптимального азотно-углеводного баланса
рассчитан из имеющейся технической оснащенности тепличного комплекса
системой искусственной досветки с потенциалом 18 тыс. люкс и подразумевает
последовательное выполнение следующих действий:
1. Измерение стационарными датчиками, входящими в прототип
автоматизированной системы оптимизации корневого углеродного питания
огурцов и томатов, показателей углекислого газа в корневой зоне растений.
2. Передача первичной информации от сенсоров по беспроводной связи в
систему обработки данных
3. Расчет динамики показателей углекислого газа в корневой зоне
растений и определение баланса - соотношения выделенного и поглощенного
объема углекислого газа корневой системой.
4. Определение соответствия текущего значения показателей баланса
углекислого газа в корневой зоне растений ранее рассчитанному нижнему и
40
верхнему показателю, с целью определения начала и прекращения подачи
корректирующего раствора.
5. Определение объема корректирующего раствора с заранее
определенным составом и соответствующей концентрацией компонентов.
6. Получение от сенсоров и обработка информации о текущем значении
показателей баланса углекислого газа в корневой зоне растений.
Кроме того, с целью проведения корректировки раствора ежедневно на
основе информации, поступающей от сенсоров, проводится анализ дренажных
сбросов на содержание азота.
Использование представленного алгоритма обработки полученной от
сенсоров информации позволяет системе принимать решения о поддержании в
заданном интервале показателей углекислого газа в корневой зоне растений.
Алгоритм 2 расчета оптимального азотно-углеводного баланса
используется при периодически проявляющемся отклонении от
запланированной светообеспеченности растений и в обеспечении растений
углекислым газом в атмосфере теплицы. Данные отклонения тесно
взаимосвязаны. В тепличных комплексах 4-го поколения, к которым относится
ООО «ТК ЮгАгроХолдинг" повышение природной освещенности теплиц
влечет за собой как положительный эффект (увеличивается потенциал
образования пластических веществ в растениях), так и негативный (повышается
температура, что влечет необходимость ее снижения в тепличных блоках за
счет открытия фрамуг). В данном случае происходит разбавление заданной
концентрации СО
2
в помещении за счет притока свежего воздуха, что влечет за
собой необходимость компенсации органического углерода за счет подачи его в
корневую систему.
Алгоритм 2 подразумевает проведение следующих действий, что и в
Алгоритме 1 за исключением того, что случае повышения интенсивности
радиации за счет природного освещения свыше 21 тыс. люкс
автоматизированная система увеличивает подачу корректирующего раствора в
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]