2020 年6 月 June2020 第38 卷 第6 期 Vol 38 No 6 馮 瑞 玨 肥 液pH 值 和 電 導 率 測 量 儀 的 設 計 與 試 驗 馮 瑞 玨 1 王 智 東 2 李 志 鋒 1 1 華 南 理 工 大 學 廣 州 學 院 電 氣 工 程 學 院 廣 東 廣 州510800 2 華 南 理 工 大 學 電 力 學 院 智 慧 能 源 工 程 技 術 研 究 中 心 廣 東 廣 州510640 收 稿 日 期 2019 09 18 修 回 日 期 2019 11 25 網(wǎng) 絡 出 版 時 間 2020 05 27 網(wǎng) 絡 出 版 地 址 基 金 項 目 廣 東 省 自 然 科 學 基 金 博 士 科 研 啟 動 基 金 資 助 項 目 2017A03030288 華 南 理 工 大 學 廣 州 學 院 杰 出 青 年 教 師 資 助 項 目 JQ180001 第 一 作 者 簡 介 馮 瑞 玨 1985 女 廣 東 羅 定 人 講 師 674853429 主 要 從 事 電 氣 信 息 技 術 研 究 通 信 作 者 簡 介 王 智 東 1980 男 廣 東 海 豐 人 高 級 實 驗 師 博 士 zdwang 主 要 從 事 電 氣 智 能 化 研 究 摘 要 為 實 現(xiàn) 肥 液pH EC 的 快 速 在 線 檢 測 設 計 了 一 種pH EC 測 量 儀 主 要 由MSP430F2132 單 片 機 pH EC 傳 感 器 電 源 穩(wěn) 壓 模 塊 人 機 交 互 界 面 pH 信 號 調(diào) 理 電 路 EC 信 號 調(diào) 理 電 路 等 組 成 通 過 配 制9 種 不 同pH 的 溶 液 在10 40 范 圍 內(nèi) 測 試 了 溫 度 對pH 值 的 影 響 并 與 經(jīng) 驗 方 程 的 計 算 值 作 對 比 結 果 表 明 在 適 合 農(nóng) 作 物 生 長 的 土 壤 環(huán) 境 pH 值 為6 5 7 5 中 由 溫 度 引 起 的 測 量 誤 差 可 忽 略 以1 0 19 5ms cm 范 圍 內(nèi) 的195 種 不 同 電 導 率 值 溶 液 為 待 測 肥 液 試 驗 確 定 了 采 用8 檔 電 阻 分 檔 測 量 模 式 其 測 量 激 勵 信 號 為 幅 值 3 5V 頻 率4kHz 的 方 波 信 號 并 進 行 了 電 導 率 的 溫 度 補 償 對 測 量 儀 進 行 了 標 定 與 驗 證 試 驗 結 果 表 明 pH 值 測 量 的 最 大 絕 對 誤 差 為 0 04 EC 值 測 量 的 絕 對 誤 差 在 0 1ms cm 內(nèi) 能 在 農(nóng) 業(yè) 工 程 上 滿 足 要 求 關 鍵 詞 肥 液 肥 液 濃 度 pH 值 電 導 率 測 量 儀 中 圖 分 類 號 S224 21 文 獻 標 志 碼 A 文 章 編 號 1674 8530 2020 06 0643 06 Doi 10 3969 j issn 1674 8530 19 0246 開 放 科 學 資 源 服 務 標 識 碼 OSID 馮 瑞 玨 王 智 東 李 志 鋒 肥 液pH 值 和 電 導 率 測 量 儀 的 設 計 與 試 驗 J 排 灌 機 械 工 程 學 報 2020 38 6 643 648 FENGRuijue WANGZhidong LIZhifeng DesignandexperimentonfertilesolutionpHvalueandelectricalconductivitymeasuring instrument J Journalofdrainageandirrigationmachineryengineering JDIME 2020 38 6 643 648 inChinese DesignandexperimentonfertilesolutionpHvalueandelectrical conductivitymeasuringinstrument FENGRuijue 1 WANGZhidong 2 LIZhifeng 1 1 SchoolofElectricalEngineering GuangzhouCollegeofSouthChinaUniversityofTechnology Guangzhou Guangdong510800 China 2 ResearchCenterofSmartEnergyTechnology SchoolofElectricPower SouthChinaUniversityofTechnology Guangzhou Guangdong510640 China Abstract Inordertorealizerapidandon sitedetectionoffertilesolutionpH EC oneinstrumentwas designed whichwascomposedofMSP430F2132 pH ECsensor regulatedpowermodule human computerinterface pH ECsignalprocessingcircuit ECsignalprocessingcircuit etc Throughpre paring9differentpHsolutionsbetween10 40 onetestfortheeffectoftemperatureonthepH valuewasmadebycomparingwiththecalculatedvalueofempiricalequation andtheresultshowsthat inthesoilenvironment 6 5 7 5pH whichissuitableforcropgrowth themeasurementerrorby temperaturecan be neglected 195 different kinds of fertile solution were tested whose EC value rangedfrom1 0to19 5ms cm andthetestused8gradesofresistancegradingmeasurementmode whosemeasuringexcitationsignalwassquarewavesignalwithamplitude 3 5Vand4kHzfrequency andtemperaturecompensationofECwasmade Thecalibrationandverificationtestofmeasuringin 排 灌 機 械 工 程 學 報 第38 卷 strumentshowthatthemaximumabsolutemeasuredvalueerrorsofpHandECare0 04andwithin 0 1ms cm whichcanmeettherequirementsofagriculturalengineering Keywords fertilesolution fertilesolutionconcentration pHvalue electricalconductivity measuringinstrument 在 傳 統(tǒng) 農(nóng) 業(yè) 向 精 準 農(nóng) 業(yè) 轉(zhuǎn) 型 的 過 程 中 水 肥 一 體 化 自 動 灌 溉 技 術 得 到 廣 泛 關 注 并 在 實 際 農(nóng) 業(yè) 工 程 中 得 到 普 及 其 優(yōu) 勢 是 根 據(jù) 農(nóng) 作 物 在 不 同 的 生 長 階 段 所 需 的 養(yǎng) 分 不 同 精 確 調(diào) 節(jié) 肥 液 的 濃 度 促 進 農(nóng) 作 物 的 生 長 有 效 地 利 用 水 資 源 和 化 肥 資 源 水 肥 一 體 化 灌 溉 已 成 為 發(fā) 達 國 家 一 種 標 準 的 農(nóng) 業(yè) 現(xiàn) 代 化 作 業(yè) 方 式 1 2 目 前 為 實 現(xiàn) 自 動 灌 溉 系 統(tǒng) 對 肥 液 濃 度 的 實 時 在 線 檢 測 常 用 電 導 率EC 值 和pH 值 的 肥 液 濃 度 檢 測 方 法 國 內(nèi) 外 大 多 數(shù) 自 動 化 施 肥 灌 溉 系 統(tǒng) 均 采 用 此 檢 測 模 式 如 新 西 蘭 研 發(fā) 的AutogrowSystems 系 統(tǒng) 美 國 的Intellidose 系 統(tǒng) 等 李 加 念 等 3 袁 洪 波 等 4 戚 艷 艷 5 所 設 計 的 肥 液 或 營 養(yǎng) 液 在 線 自 動 混 合 灌 溉 系 統(tǒng) 中 通 過 實 時 檢 測 灌 溉 肥 液 的EC 值 和 pH 值 實 行 按 需 施 肥 達 到 高 效 精 確 灌 溉 的 目 的 當 前 對 水 肥 一 體 化 灌 溉 系 統(tǒng) 的 研 究 集 中 在 灌 溉 系 統(tǒng) 的 研 制 或 各 部 件 結 構 參 數(shù) 的 優(yōu) 化 對 肥 液 濃 度 和 pH 值 的 在 線 檢 測 的 相 關 技 術 還 較 少 提 及 為 提 高 水 肥 一 體 化 灌 溉 中 肥 液 濃 度 的 測 量 精 確 度 和 實 現(xiàn) 肥 液 濃 度 的 在 線 檢 測 文 中 設 計 一 款 肥 液pH 值 和 電 導 率 測 量 儀 并 通 過 試 驗 驗 證 其 測 量 的 準 確 性 測 量 儀 可 以 獨 立 使 用 通 過 人 機 交 互 界 面 直 觀 顯 示 數(shù) 值 也 可 通 過 串 口 將 數(shù) 據(jù) 發(fā) 送 至 自 動 化 施 肥 系 統(tǒng) 中 可 為 水 肥 一 體 化 灌 溉 系 統(tǒng) 反 饋 肥 液 濃 度 信 息 1 測 量 儀 設 計 及 原 理 1 1 總 體 設 計 方 案 測 量 儀 主 要 由 電 源 穩(wěn) 壓 模 塊 MSP430F2132 單 片 機 EC 信 號 調(diào) 理 電 路 pH 信 號 調(diào) 理 電 路 溫 度 采 集 電 路 人 機 交 互 界 面 和2 個EC pH 傳 感 器 組 成 如 圖1 所 示 采 用TI 公 司 的MSP430F2132 單 片 機 為 微 處 理 器 以6V 蓄 電 池 作 為 電 源 通 過 電 源 穩(wěn) 壓 模 塊 將 電 壓 轉(zhuǎn) 換 成 合 適 的 電 壓 為 各 模 塊 供 電 人 機 交 互 界 面 用 于 讀 取EC 值 和pH 值 同 時 配 置 按 鍵 用 于 進 行pH EC 的 標 定 pH EC 信 號 調(diào) 理 電 路 將 從pH EC 傳 感 器 采 集 到 的 信 號 傳 送 至 單 片 機 進 行 檢 測 處 理 溫 度 傳 感 器 將 所 測 肥 液 溫 度 反 饋 至 單 片 機 單 片 機 按 所 設 定 的 溫 度 補 償 公 式 對 實 時 檢 測 到 的EC 值 進 行 溫 度 補 償 串 口 傳 輸 模 塊 可 連 接 水 肥 一 體 化 灌 溉 施 肥 系 統(tǒng) 反 饋 肥 液 濃 度 信 息 圖1 測 量 儀 結 構 框 圖 Fig 1 Structuralblockdiagramofmeasuringinstrument 1 2 測 量 原 理 1 2 1 pH 值 的 測 量 原 理 測 量 儀 采 用 電 位 分 析 法 電 位 分 析 法 由 電 極 和 待 測 溶 液 構 成 原 電 池 系 統(tǒng) 將 化 學 反 應 能 量 轉(zhuǎn) 換 為 電 能 原 電 池 系 統(tǒng) 產(chǎn) 生 的 電 壓 信 號 稱 為 電 動 勢E 該 電 動 勢 與pH 值 存 在 線 性 關 系 即 在 同 一 溫 度 下 pH 的 數(shù) 值 變 化1 電 動 勢 值 改 變59mV 并 符 合 式 1 所 示 的 能 斯 特 方 程 6 E E 0 2 3062pH RT NF 1 式 中 E 0 為 標 準 電 動 勢 E 為pH 電 極 所 產(chǎn) 生 的 電 動 勢 R 為 氣 體 常 數(shù) F 為 法 拉 第 常 數(shù) T 為 絕 對 溫 度 N 為 參 加 反 應 的 得 失 電 子 數(shù) 1 2 2 pH 電 極 的 選 擇 及 其 溫 度 補 償 試 驗 基 于 肥 液 可 能 出 現(xiàn) 過 酸 或 過 堿 的 情 況 選 用 測 量 范 圍 較 寬 的 上 海 羅 素 科 技 在 線pH 玻 璃 電 極 型 號8051 根 據(jù) 式 1 溫 度T 作 為 其 中 的 變 量 使 得 溶 液 pH 值 與pH 電 極 輸 出 電 動 勢 的 對 應 關 系 受 到 一 定 的 影 響 為 了 獲 知 是 否 需 要 根 據(jù) 環(huán) 境 溫 度 對 其 進 行 相 應 的 補 償 進 行 了 溫 度 對pH 值 的 影 響 試 驗 試 驗 中 分 別 以3 13 6 86 9 18 的 標 準pH 值 緩 沖 液 鹽 酸HCl 和 水 配 制 出 不 同pH 值 的 溶 液 以25 作 為 標 準 測 量 溫 度 pH 計 雷 磁pHS 3C 型 所 測 值 作 6 4 4 第6 期 馮 瑞 玨 等 肥 液pH 值 和 電 導 率 測 量 儀 的 設 計 與 試 驗 為 準 確 值 智 能 水 浴 鍋 予 華 儀 器 有 限 責 任 公 司 生 產(chǎn) 型 號 為ZKYY 提 供 試 驗 中 所 需 要 的 溫 度 數(shù) 字 萬 用 表 型 號 為FLUKE18B 測 量pH 電 極 所 輸 出 的 電 壓 信 號 測 試 步 驟 隨 機 配 制9 種 不 同pH 的 溶 液 在10 40 范 圍 內(nèi) 以5 為 進 階 測 量 pH 電 極 所 對 應 的 電 壓 值 每 組 數(shù) 據(jù) 測 量10 次 取 其 平 均 值 作 為 最 終 值 對 比 分 析 同 一 種 溶 液 在 不 同 溫 度 下 所 對 應 電 壓 值 的 差 別 以 步 驟 中25 所 得 的E pH 關 系 式 作 為 經(jīng) 驗 方 程 配 制1 份 酸 性 溶 液 1 份 堿 性 溶 液 和1 份 中 性 溶 液 計 算 出 在 不 同 溫 度 下 按 經(jīng) 驗 方 程 所 對 應 的pH 值 對 比 分 析 誤 差 關 系 圖2 給 出 了 試 驗 中9 種 溶 液 在 不 同 溫 度t 下 電 極 輸 出 的 電 壓 值E 與pH 值 的 對 應 關 系 所 示 直 線 為 在25 數(shù) 值 趨 勢 線 所 示 方 程 為 其 經(jīng) 驗 方 程 由 圖2 可 得 不 同 溫 度 所 測 的 電 壓 值 基 本 重 合 在 直 線 上 但 也 有 不 同 程 度 的 偏 離 在 強 酸 性 溶 液 pH 值 0 3 00 中 溫 度 越 低 偏 離 直 線 值 越 大 而 在 堿 性 溶 液 中 溫 度 越 高 偏 離 直 線 越 大 表1 為 步 驟 中25 經(jīng) 驗 方 程 在1 酸 性1 堿 性1 中 性 溶 液 中 的 計 算 結 果 其 中t 為 溫 度 pH A 為 標 準 值 pH C 為 計 算 值 E A 為 絕 對 誤 差 由 表 可 得 pH 值 為4 00 的 酸 性 溶 液 在 20 以 下 時 誤 差 最 大 為0 36 而pH 值 為7 00 的 中 性 溶 液 在 整 個 溫 度 測 量 范 圍 內(nèi) 較 為 穩(wěn) 定 pH 值 為 9 18 的 堿 性 溶 液 隨 溫 度 的 增 大 誤 差 呈 變 大 趨 勢 表 1 所 呈 現(xiàn) 結 果 與 圖2 所 表 現(xiàn) 的 一 致 圖2 不 同 溫 度 下pH 值 與 電 壓 的 對 應 關 系 Fig 2 CorrespondencebetweenpHvalueandvoltage atdifferenttemperatures 由 上 述 可 得 溫 度 對 強 酸 與 強 堿 的 影 響 較 大 而 在 弱 酸 弱 堿 pH 為6 50 9 00 影 響 不 明 顯 適 合 農(nóng) 作 物 生 長 的 土 壤 環(huán) 境 一 般 為 中 性 或 弱 酸 性 弱 堿 性 為 宜 pH 值 在6 50 7 50 7 而 溫 度 對 此 范 圍 內(nèi) 的 影 響 所 造 成 的 誤 差 均 可 接 受 因 此 測 量 儀 在 進 行pH 測 量 中 忽 略 其 溫 度 補 償 表1 按 經(jīng) 驗 方 程 得 出 的 計 算 結 果 對 比 Tab 1 Comparisonsofcalculationresultsbased onempiricalequation T pH A pH C E A 4 00 4 36 0 36 10 7 00 7 01 0 01 9 18 8 89 0 29 4 00 4 34 0 34 15 7 00 7 00 0 00 9 18 9 01 0 17 4 00 4 21 0 21 20 7 00 7 00 0 00 9 18 9 05 0 13 4 00 4 08 0 08 25 7 00 7 01 0 01 9 18 8 89 0 29 4 00 4 04 0 04 30 7 00 6 99 0 01 9 18 8 86 0 32 4 00 4 02 0 02 35 7 00 7 01 0 01 9 18 8 90 0 28 4 00 4 06 0 06 40 7 00 7 02 0 02 9 18 8 91 0 27 1 2 3 電 導 率 的 測 量 原 理 肥 液 為 一 種 電 解 質(zhì) 溶 液 電 解 質(zhì) 溶 液 的 導 電 能 力 可 以 用 電 導G 電 導 率 表 示 電 導G X 是 溶 液 電 阻R X 的 倒 數(shù) 電 導 率 是 電 阻 率 的 倒 數(shù) R X 滿 足 電 阻 定 律 即 式 2 因 此 可 推 導 出 電 導 率 ms cm 計 算 公 式 3 R X L A 2 1 L A 1 R X K G X 3 式 中 L 為 電 導 電 極 兩 極 板 間 距 離 cm A 為 電 極 極 板 的 面 積 cm 2 K L A 為 電 極 常 數(shù) 電 極 結 構 確 定 電 極 常 數(shù) 不 變 因 此 可 通 過 測 量 溶 液 的 電 阻 電 導 來 確 定 電 導 率 測 量 儀 采 用 電 極 電 導 率 測 量 法 即 配 比 溶 液 法 電 阻 分 壓 原 理 來 測 量 電 導 率 1 2 4 激 勵 源 頻 率 選 擇 與 電 阻 分 檔 試 驗 電 極 電 導 率 測 量 法 的 原 理 圖 如 圖3 所 示 其 中 激 勵 源E 的 恰 當 選 擇 是 測 量 儀 精 確 測 量 的 基 礎 為 了 有 效 避 免 或 減 少 電 極 極 化 對 溶 液 電 阻 測 量 的 影 響 主 要 采 用 交 流 激 勵 源 而 激 勵 源 的 類 型 頻 率 的 高 低 幅 度 的 大 小 會 在 一 定 程 度 上 影 響 溶 液 電 阻 測 量 的 準 確 性 8 9 由 式 3 可 知 溶 液 的 電 導 率 越 高 其 等 效 電 阻 越 小 為 了 更 好 地 抑 制 極 化 效 應 電 容 效 應 和 利 于 硬 件 電 路 的 設 計 在 文 獻 3 提 出 的 6 4 5 排 灌 機 械 工 程 學 報 第38 卷 激 勵 源 幅 值 為 3 5V 方 波 的 基 礎 上 對 電 導 率1 0 19 5ms cm 范 圍 內(nèi) 的 溶 液 進 行 試 驗 分 析 以 得 出 頻 率 與 溶 液 電 阻 的 關 系 圖3 電 導 率 測 量 原 理 Fig 3 Principleofconductivitymeasurement 以SPF05 型 信 號 發(fā) 生 器 提 供 所 需 的 方 波 信 號 模 擬 測 量 激 勵 源E TektronixTDS3052B 示 波 器 監(jiān) 測 分 壓 電 阻R 兩 端 的 電 壓V 激 勵 源E 的 各 類 參 數(shù) 包 括 峰 峰 值 有 效 值 和 頻 率 等 sension156 便 攜 式 多 參 數(shù) 測 量 儀 為 測 量 電 導 率 標 準 值 儀 器 試 驗 方 法 利 用NaCl 粉 末 與 水 配 制 出 在1 0 19 5ms cm 范 圍 內(nèi) 共195 種 不 同 電 導 率 值 的 水 溶 液 每 種 以0 1 ms cm 為 步 進 如0 0 1 0 2ms cm 函 數(shù) 發(fā) 生 器 提 供 3 5V 頻 率 可 調(diào) 的 方 波 信 號 變 換 分 壓 電 阻R 的 阻 值 使 分 壓 電 阻 與 溶 液 電 阻 約 各 占 激 勵 源 電 壓 的50 記 錄 電 導 率 激 勵 源E 的 頻 率 和 分 壓 電 阻 的 有 效 值 并 通 過 分 壓 公 式 求 得 溶 液 電 阻R X 試 驗 結 果 如 圖4 所 示 圖4 激 勵 源 頻 率 與 溶 液 電 阻 關 系 圖 Fig 4 Relationshipbetween frequency of excitation sourceandsolutionresistance 由 圖4 可 得 電 導 率EC 越 大 等 效 的 電 阻R 越 小 測 量 所 需 的 頻 率f 則 越 大 從 理 論 上 而 言 變 頻 變 阻 是 準 確 測 量 電 導 率 的 條 件 但 在 試 驗 中 發(fā) 現(xiàn) 頻 率 較 低 時 低 于1kHz 電 導 電 極 的 響 應 時 間 較 慢 最 長 需 要3s 經(jīng) 過 試 驗 反 復 驗 證 綜 合 考 慮 各 項 因 素 統(tǒng) 一 采 用 高 頻 變 阻 的 方 式 進 行 測 量 頻 率 選 用4 kHz 并 在 使 用 時 通 過 標 定 的 方 式 減 小 定 頻 測 量 所 造 成 的 誤 差 根 據(jù) 試 驗 數(shù) 據(jù) 變 阻 的 擋 位 采 用8 個 等 級 即 分 壓 電 阻R X 有8 個 不 同 的 阻 值 如 表2 所 示 表2 電 導 率 分 檔 范 圍 與 所 對 應 的 分 壓 電 阻 Tab 2 Range of conductivity grade and corre spondingpiezoresistor EC ms cm 1 R X k EC ms cm 1 R X k 0 2 10 0 5 8 1 5 2 3 4 7 8 10 1 0 3 4 2 5 10 16 0 8 4 5 2 0 16 20 0 5 2 主 要 硬 件 電 路 設 計 2 1 pH 信 號 調(diào) 理 電 路 pH 電 極 產(chǎn) 生 的 電 壓 信 號 經(jīng) 由 電 壓 跟 隨 器 反 向 加 法 器 和 反 向 器3 個 部 分 組 成 的pH 信 號 調(diào) 理 電 路 如 圖5 所 示 送 至 單 片 機 內(nèi) 部 集 成 的ADC 轉(zhuǎn) 換 器 進 行 檢 測 處 理 信 號 調(diào) 理 電 路 的 前 置 級 為 由 運 算 放 大 器AD8667 構 成 的 電 壓 跟 隨 器 起 緩 沖 隔 離 作 用 信 號 調(diào) 理 電 路 的 后 級 電 路 為 由AD8667 構 成 的 反 向 加 法 器 和 反 向 器 電 路 圖5 pH 信 號 調(diào) 理 電 路 Fig 5 pHsignalconditioningcircuit 2 2 EC 信 號 調(diào) 理 電 路 EC 信 號 調(diào) 理 電 路 主 要 有 電 導 電 極 激 勵 源 發(fā) 生 電 路 參 考 文 獻 3 分 壓 電 阻 分 檔 電 路 如 圖6 所 示 圖6 分 壓 電 阻 分 檔 電 路 Fig 6 Piezoresistorgradingcircuit 根 據(jù) 表2 的 結 果 構 建 了 圖6 的 分 壓 電 阻 分 檔 電 路 主 要 由 多 路 復 用 器ADG1408 與 不 同 阻 值 的 分 壓 電 阻 構 成 當 待 測 溶 液 的 電 導 率 發(fā) 生 變 化 而 超 出 當 前 檔 位 對 應 的 范 圍 時 則 通 過 單 片 機 控 制 6 4 6 第6 期 馮 瑞 玨 等 肥 液pH 值 和 電 導 率 測 量 儀 的 設 計 與 試 驗 ADG1408 來 切 換 相 應 的 電 阻 與 電 極 串 聯(lián) 從 而 達 到 分 壓 電 阻 分 檔 的 目 的 3 軟 件 設 計 當 測 量 肥 液 的pH 與 電 導 率 時 儀 器 外 接pH 電 極 與 電 導 率 電 極 接 通 電 源 按 下 復 位 鍵 系 統(tǒng) 開 始 自 檢 和 初 始 化 然 后 進 入 按 鍵 標 定 程 序 首 次 使 用 時 需 先 對 測 量 儀 進 行 標 定 當 完 成 對 電 導 率 和pH 的 標 定 后 系 統(tǒng) 進 入 測 量 狀 態(tài) 單 片 機 啟 動 標 定 時 暫 存 的 數(shù) 據(jù) 并 讀 取A D 轉(zhuǎn) 換 器 返 回 數(shù) 值 通 過 計 算 處 理 顯 示 在 液 晶 屏 上 待 數(shù) 值 穩(wěn) 定0 5s 后 重 啟 測 量 程 序 對 溶 液 進 行 實 時 測 量 并 可 選 擇 通 過 串 口 發(fā) 送 數(shù) 據(jù) 到 施 肥 系 統(tǒng) 中 其 程 序 設 計 如 圖7 所 示 圖7 程 序 流 程 圖 Fig 7 Programflowchart 4 標 定 與 驗 證 試 驗 4 1 pH 值 的 標 定 與 驗 證 試 驗 采 用 兩 點 校 正 法 來 標 定 測 量 儀pH 值 校 正 測 量 時 選 用2 種 標 準pH 緩 沖 液 其pH 值 在25 時 分 別 為6 86 和9 18 測 量 儀 測 得 的 電 壓 值 和 標 定 的pH 值 分 別 為E 6 86 1 29V pH 6 91 E 9 18 1 04V pH 9 19 代 入 能 斯 特 方 程 1 得 電 壓 和pH 值 的 關 系 為 pH 8 942E 18 44 4 為 了 驗 證 標 定 方 程 的 準 確 性 選 取 芭 田 中 芬 大 量 元 素 水 溶 復 合 肥 溶 解 于 水 后 的 肥 液 作 為 母 液 酸 性 調(diào) 節(jié) 液 為HCl 溶 液 配 制 不 同 濃 度 的14 種 樣 品 測 量 肥 液 的pH 值 其 測 試 結 果 如 表3 所 示 pH A 為 標 準 值 pH C 為 測 量 值 E A 為 絕 對 值 誤 差 由 表3 可 得 較 大 的 誤 差 值 出 現(xiàn) 在 強 酸 性 溶 液 pH 值 為2 以 下 在pH 值 為2 以 上 時 最 大 絕 對 誤 差 為0 04 滿 足 肥 液 測 量 的 需 求 表3 肥 液pH 測 量 值 Tab 3 FertilizerpHmeasurement pH A pH C E A pH A pH C E A 1 77 1 41 0 36 3 94 3 92 0 02 1 78 1 46 0 32 4 70 4 74 0 04 1 84 1 63 0 21 5 17 5 21 0 04 2 39 2 36 0 03 6 91 6 90 0 01 2 98 2 96 0 02 7 74 7 73 0 01 3 47 3 49 0 02 8 53 8 60 0 07 3 91 3 94 0 03 8 92 8 95 0 03 4 2 電 導 率 的 標 定 與 驗 證 試 驗 電 導 電 極 的 電 極 常 數(shù) 在 出 廠 時 校 準 為K 10 由 于 測 量 溶 液 的 濃 度 和 溫 度 不 同 在 使 用 一 段 時 間 后 電 極 常 數(shù)K 會 出 現(xiàn) 變 化 應 重 新 對 電 極 常 數(shù)K 進 行 測 量 與 標 定 為 解 決 因 電 極 常 數(shù)K 的 變 化 引 起 的 誤 差 問 題 目 前 一 般 采 用 兩 點 標 定 法 經(jīng) 多 次 試 驗 發(fā) 現(xiàn) 進 行 兩 點 標 定 時 所 選 的2 種 溶 液 的 電 導 率 不 同 其 測 量 誤 差 也 有 所 不 同 圖8 為 電 導 率 測 量 儀 分 別 在 電 導 率 為1 26ms cm 和5 13ms cm 1 52ms cm 和6 45ms cm 1 67ms cm 和8 02ms cm 的3 組NaCl 溶 液 中 進 行 兩 點 標 定 后 的 測 量 誤 差 圖 中 橫 坐 標K A 為 溶 液 電 導 率 標 準 值 縱 坐 標K B 為 測 量 誤 差 其 中 對 于 每 一 組 經(jīng) 過 兩 點 標 定 后 的 電 導 率 測 量 儀 分 別 在0 10ms cm 范 圍 內(nèi) 隨 機 配 置27 個 不 同 電 導 率 的 芭 田 中 芬 大 量 元 素 水 溶 復 合 肥 溶 解 于 水 進 行 測 試 由 圖8 可 知 總 體 上 除 個 別 數(shù) 據(jù) 點 外 進 行 兩 點 標 定 時 所 選 的2 種 溶 液 的 電 導 率 相 差 越 大 電 導 率 測 量 儀 的 誤 差 就 越 小 3 組 標 定 情 況 下 的 測 量 誤 差 在 電 導 率 大 于5 0ms cm 時 均 隨 著 溶 液 電 導 率 的 增 大 而 增 大 當 溶 液 電 導 率 小 于5 0ms cm 時 采 用 電 導 率 為1 26ms cm 和5 13ms cm 的2 種 溶 液 6 4 7 排 灌 機 械 工 程 學 報 第38 卷 進 行 標 定 后 的 測 量 誤 差 在0 0 2ms cm 范 圍 內(nèi) 其 他2 組 溶 液 標 定 后 的 測 量 誤 差 小 于 0 1ms cm 由 于 一 般 農(nóng) 作 物 所 需 的 肥 料 濃 度 對 應 的 電 導 率 范 圍 為0 5 4 5ms cm 因 此 電 導 率 測 量 儀 在 進 行 肥 液 的 檢 測 誤 差 小 于 0 1ms cm 滿 足 農(nóng) 作 物 肥 液 所 允 許 的 誤 差 0 15ms cm 的 需 求 圖8 不 同 電 導 率 溶 液 標 定 時 電 導 率 測 量 儀 的 測 量 誤 差 Fig 8 Measurementerrorofconductivitymeasuring instrumentincalibrationofsolutionswithdif ferentconductivity 5 結 論 1 設 計 了 一 種pH EC 測 量 儀 能 實 現(xiàn) 肥 液pH 值 和 濃 度 的 在 線 快 速 測 量 2 在 適 合 農(nóng) 作 物 生 長 的 土 壤 環(huán) 境 pH 值 為 6 50 7 50 中 由 溫 度 引 起 的pH 值 測 量 誤 差 可 忽 略 不 計 EC 值 采 用8 檔 電 阻 分 檔 測 量 模 式 其 測 量 激 勵 信 號 為 幅 值 3 5V 頻 率4kHz 的 方 波 信 號 且 需 進 行 溫 度 補 償 3 對 測 量 儀 的 標 定 與 驗 證 試 驗 結 果 表 明 在 非 強 酸 溶 液 即pH 值 為2 00 以 上 時pH 測 量 的 最 大 絕 對 誤 差 為0 04 在 一 般 農(nóng) 作 物 所 需 肥 料 濃 度 范 圍 對 應 電 導 率 為0 5 4 5ms cm 內(nèi) EC 值 檢 測 誤 差 小 于 0 1ms cm 能 在 農(nóng) 業(yè) 工 程 上 滿 足 檢 測 肥 液 pH EC 值 的 要 求 參 考 文 獻 References 1 李 加 念 倪 慧 娜 馬 燕 等 基 于 電 導 電 極 的 肥 液 濃 在 線 檢 測 儀 設 計 與 實 現(xiàn) J 安 徽 農(nóng) 業(yè) 科 學 2014 42 12 3465 3467 LIJianian NIHuina MAYan etal Designandimple mentofanon linedetectorforfertilizersolutionconcen trationbased onconductivity electrode J Journal of Anhuiagriculturalsciences 2014 42 12 3465 3467 inChinese 2 MARGARETA C JACKIE B L PETER M et al Effectsofnutrientsolutionelectricalconductivityonthe compositionalandsensorycharacteristicsofgreenhouse tomatofruit J Postharvest biology and technology 2012 74 132 140 3 李 加 念 洪 添 勝 馮 瑞 玨 等 基 于 模 糊 控 制 的 肥 液 自 動 混 合 裝 置 設 計 與 試 驗 J 農(nóng) 業(yè) 工 程 學 報 2013 29 16 22 30 LIJianian HONGTiansheng FENGRuijue etal De signandexperimentofautomaticofautomaticmixingap paratusforliquidfertilizerbasedonfuzzycontrol J TransactionsoftheCSAE 2013 29 16 22 30 in Chinese 4 袁洪 波 李莉 王俊 衡 等 溫 室水 肥一 體 化 營 養(yǎng) 液 調(diào) 控 裝備 設 計 與 試 驗 J 農(nóng) 業(yè) 工 程 學 報 2016 32 8 27 32 YUANHongbo LILi WANGJunheng etal Design andtestofregulationandcontrolequipmentfornutrient solutionofwaterandfertilizerintegrationingreenhouse J TransactionsoftheCSAE 2016 32 8 27 32 inChinese 5 戚 艷 艷 基 于Labview 的 水 肥 耦 合 灌 溉 控 制 系 統(tǒng) 的 研 究 D 武 漢 華 中 農(nóng) 業(yè) 大 學 2011 6 陳 鳴 慰 周 杏 鵬 劉 秀 寧 基 于ATmega16 的pH 參 數(shù) 在 線 測 控 儀 設 計 J 東 南 大 學 學 報 自 然 科 學 版 2005 35 S2 75 78 CHENMingwei ZHOUXingpeng LIUXiuning Design ofATmega16basedon linemeasurementandcontrolin strumentforpHvalue J JournalofSoutheastUniver sity naturalscienceedition 2005 35 S2 75 78 inChinese 7 馬 中 昇 譚 軍 利 馬 小 福 等 不 同 種 植 年 限 對 壓 砂 地 土 壤 鹽 分 及 西 瓜 產(chǎn) 量 的 影 響 J 排 灌 機 械 工 程 學 報 2018 36 11 1200 1204 MAZhongsheng TANJunli MAXiaofu etal Effects ofplantingyearsonsoilsalinityandwatermelonyieldin gravel sandmulchedfield J Journalofdrainageand irrigationmachineryengineering 2018 36 11 1200 1204 inChinese 8 SUDDUTHKA KITCHENNR BOLLEROGA Com parisonofelectromagneticinductionanddirectsensing ofelectricalconductivity J Agronomyjournal 2003 95 3 472 482 9 范 麗 營 養(yǎng) 液 電 導 率 傳 感 器 及 測 量 系 統(tǒng) 的 設 計 D 南 京 南 京 農(nóng) 業(yè) 大 學 2016 責 任 編 輯 徐 云 峰 6 4 8