本發(fā)明涉及農業(yè)工程技術領域,尤其涉及一種用于生產(chǎn)的臭氧消毒方法以及具有PID控制功能的溫室臭氧消毒裝置。
背景技術:
設施農業(yè)作為封閉或半封閉的種植環(huán)境,通過采用現(xiàn)代化農業(yè)工程技術、機械技術和信息裝備技術,實現(xiàn)了擺脫傳統(tǒng)自然環(huán)境依賴的新型農業(yè)生產(chǎn)方式,并通過溫度、濕度、光照、CO2濃度及營養(yǎng)液含量等環(huán)境因子,以及作物生長發(fā)育各個環(huán)節(jié)的智能調控,創(chuàng)造作物最優(yōu)的生產(chǎn)條件。當前設施農業(yè)快速發(fā)展的同時,也面臨著一系列的技術瓶頸與挑戰(zhàn)。設施農業(yè)生產(chǎn)中作物“忍凍挨餓”的局面時常發(fā)生。各類溫室大棚、農業(yè)設施使用過程中存在早晚溫差大、夏熱冬涼、太陽輻射不均勻、土壤連作障礙等不利的生產(chǎn)因素,嚴重影響和阻礙了作物的正常生長。日光溫室生產(chǎn)中,由于高溫、高濕封閉的生態(tài)環(huán)境和連茬種植、蔬菜品種相對單一,為病蟲害的發(fā)生、蔓延提供了有利條件。
在病蟲害防治方面,目前國內外提倡“預防為主,綜合防治”,溫室空間消毒作為綠色、環(huán)保、經(jīng)濟的防治手段得到大量推廣和應用,常用的消毒技術有高溫悶棚、土壤藥劑消毒和溫室藥劑熏蒸消毒,但這三種消毒方法均需要人工參與、消毒周期長、消毒效果不顯著,而且消毒藥劑具有腐蝕性,對人體危害較大。
臭氧是一種氧化性極強、功能多樣化、極具開發(fā)價值的氣體,對細菌、霉菌、真菌等微生物具有極強的殺滅力,其殺菌速度較氯快300-600倍、殺菌能力是氯的2倍,被廣泛用于污水處理、空氣凈化、糧食儲藏、果蔬保鮮、食品加工、醫(yī)療衛(wèi)生、水產(chǎn)養(yǎng)殖、畜禽養(yǎng)殖及設施農業(yè)等行業(yè)和領域。另外,在一定濃度下,臭氧能與細菌、霉菌、真菌等微生物發(fā)生生化反應,用于滅菌消毒。作為一種高度不穩(wěn)定、極易分解的強氧化性氣體,臭氧無論在氣體狀態(tài),還是溶解于水的狀態(tài),都極易分解為氧氣,不產(chǎn)生二次殘留污染。但必須注意臭氧對于植株的危害,O3進入葉肉時,氣孔及葉肉組織對O3擴散具有較強的阻抗作用,同時也阻止了CO2的進入和擴散。O3能破壞葉肉柵狀組織細胞,O3本身具備破壞葉綠體的能力并阻礙光合反應中部分電子傳遞系統(tǒng);O3能損害細胞滲透性,使細胞液大量滲出,部分植物還有乙烯逸出,使植物自身早期老化等。因此,臭氧應用于設施農業(yè)時,對于臭氧濃度及作用時間的控制顯得尤為重要,如有不慎容易造成作物損傷乃至作物減產(chǎn)。
臭氧技術作為農業(yè)空間消毒的一個重要組成部分,各種類型的臭氧發(fā)生裝置日趨成熟,痕量臭氧發(fā)生裝置標準氣體發(fā)生裝置、智能型臭氧發(fā)生裝置、基于單片機控制的臭氧發(fā)生裝置、基于等離子體的水下臭氧發(fā)生裝置,分別從臭氧應用對象(空氣與水體),臭氧產(chǎn)氣量穩(wěn)定性(可控與不可控)等角度入手,通過臭氧氣源選擇(空氣與氧氣)、調理電路設計與技術方案調整,進而實現(xiàn)對臭氧的智能化管理。但面向復雜多變的設施農業(yè)使用環(huán)境,臭氧高度不穩(wěn)定的特點阻礙了其應用潛力的發(fā)揮,特別是在設施農業(yè)、溫室大棚的空間消毒與病蟲害防治方面,痕量臭氧發(fā)生裝置、智能型臭氧發(fā)生裝置在高溫高濕的環(huán)境條件下均不能發(fā)揮臭氧的最佳效能。
技術實現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的是提供一種多用途、多場合的臭氧消毒方法。其能根據(jù)臭氧使用環(huán)境建立起臭氧濃度與使用環(huán)境特征參數(shù)間的關系模型,進而自動調整臭氧使用的適宜濃度、作用時間,采用PID(Proportion-Integral-Derivative,比例-積分-微分)控制方法,進行臭氧消毒控制。
所述PID控制方法可以把收集到的數(shù)據(jù)和一個參考值進行比較,然后把這個差別用于計算新的輸入值,這個新的輸入值的目的是可以讓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)達到或者保持在參考值。和其他簡單的控制運算不同,PID控制方法可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和差別的出現(xiàn)率來調整輸入值,這樣可以使系統(tǒng)更加準確,更加穩(wěn)定。
具體而言,本發(fā)明提供了一種利用PID控制的溫室集群臭氧智能消毒方法,所述方法包括以下步驟:
(1)設定待消毒溫室環(huán)境中的適宜臭氧濃度;
(2)向所述待消毒溫室環(huán)境中通入臭氧;
(3)自所述通入臭氧時起,間歇采集環(huán)境參數(shù),獲得實際臭氧濃度;
(4)比較所述實際臭氧濃度與適宜臭氧濃度的數(shù)值大小,采用PID控制方法控制臭氧的通入,具體為:
當所述實際臭氧濃度大于適宜臭氧濃度時,停止通入臭氧;
當所述實際臭氧濃度小于適宜臭氧濃度時,繼續(xù)通入t分鐘臭氧后,停止通入臭氧;所述t由公式:C=343×t0.0166-345.6計算得到,其中,C為所述適宜臭氧濃度與實際臭氧濃度的差值,單位為mg/m3。
本發(fā)明所述步驟(1)中,所述適宜臭氧濃度可以依據(jù)溫室中所種植作物的特性等因素進行確定,在確定時可以參考溫室的實際環(huán)境進行確定。具體而言,所述適宜臭氧濃度可以為待消毒環(huán)境中的臭氧濃度最佳值C1或待消毒環(huán)境中的臭氧濃度下限值C下。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案,所述適宜臭氧濃度不小于3mg/m3,優(yōu)選為5~10mg/m3。
本發(fā)明步驟(2)中,所述通入臭氧的濃度以不小于300mg/min為宜。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案,向待消毒溫室環(huán)境中通入臭氧的速度為0.1~0.4mg·m-3·min-1,優(yōu)選為0.2~0.3mg·m-3·min-1。本發(fā)明通過大量實驗發(fā)現(xiàn),采用該適宜的速度通入臭氧,可以確保后續(xù)的通入過程能夠實現(xiàn)精確控制。
本發(fā)明步驟(3)中,所述間歇采集環(huán)境參數(shù)優(yōu)選以1~10min為間隔進行采集,更優(yōu)選以3~7min為間隔。在實際操作中,最優(yōu)選以5min為間隔進行采集。采用間歇采集的方式可以防止監(jiān)控不及時導致的使臭氧濃度過高,造成臭氧浪費或對農作物造成傷害,同時可以確保操作的便捷性。
本發(fā)明所述步驟(3)中,環(huán)境參數(shù)的采集模式可以為多種,可根據(jù)實際應用情況進行選擇。
作為本發(fā)明的一種具體方案,所述環(huán)境參數(shù)可以為臭氧濃度C0,在此情況下,實際臭氧濃度即等于C0。
作為本發(fā)明的一種具體方案,所述環(huán)境參數(shù)可以為溫度T和濕度RH;在此情況下,所述實際臭氧濃度C2通過以下公式計算得到:C2=-0.059T-0.047RH+15.701,單位為mg/m3。
本發(fā)明所述步驟(4)中,基于臭氧施用空間環(huán)境參數(shù),建立臭氧氣體濃度與作用時間的關系模型,作為PID控制的功能算法。
具體而言,為將臭氧消毒技術更好地應用于設施農業(yè)生產(chǎn)、設施蔬菜種植與設施空間消毒,一方面盡可能減少對正常設施生產(chǎn)活動的干擾、避免對設施作業(yè)人員的損傷,另一方面盡可能規(guī)避連棟溫室、日光溫室等設施作業(yè)空間白天較為復雜多變的氣候環(huán)境,更重要的是尋求設施農業(yè)適宜的臭氧釋放濃度與作用時間,降低對設施蔬菜生長生理的影響。因此,運用臭氧氣體進行設施空間消毒時,一般情況下安排在夜晚進行,同時要求臭氧濃度不能過大,也不能太小。國內外有大量研究不同環(huán)境作用下臭氧的衰減速率,但釋放時間與臭氧濃度、溫濕度高低與臭氧分解速率之間的定量關系資料報道較少。
臭氧在不同環(huán)境作用下內會自行分解與衰減,隨著臭氧釋放時間進行著一定規(guī)律的變化。本發(fā)明通過長時間大量的實驗研究,對不同釋放時間下的臭氧濃度進行擬合結果表明:臭氧濃度最高值和釋放時間有很好的非線性關系,其回歸模型擬合結果為Y=343X0.0166-345.6;其中,Y代表臭氧濃度,X代表臭氧釋放時間。
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案,所述方法包括以下步驟:
(1)設定待消毒溫室環(huán)境中的適宜臭氧濃度,所述適宜臭氧濃度不小于3mg/m3;
(2)以0.1~0.4mg·m-3·min-1、優(yōu)選以0.2~0.3mg·m-3·min-1的速度向所述待消毒溫室環(huán)境中通入臭氧;
(3)自所述通入臭氧時起,以3~7min為間隔采集環(huán)境參數(shù),獲得實際臭氧濃度;
(4)比較所述實際臭氧濃度與適宜臭氧濃度的數(shù)值大小,采用PID控制方法控制臭氧的通入,具體為:
當所述實際臭氧濃度大于適宜臭氧濃度時,停止通入臭氧;
當所述實際臭氧濃度小于適宜臭氧濃度時,繼續(xù)通入t分鐘臭氧后,停止通入臭氧;所述t由公式:C=343×t0.0166-345.6計算得到,其中,C為所述適宜臭氧濃度與實際臭氧濃度的差值,單位為mg/m3。
為了便于實際操作,確保良好、穩(wěn)定的消毒效果,本發(fā)明自步驟(2)所述通入臭氧時起進行計時,優(yōu)選總時間達到20~40min、更優(yōu)選總時間達到30min后停止消毒。
本發(fā)明進一步提供了一種具有PID控制功能的溫室集群臭氧智能消毒裝置,所述裝置包括外源供氣系統(tǒng)、臭氧發(fā)生系統(tǒng)、傳感數(shù)據(jù)采集模塊以及臭氧消毒PID控制模塊。
所述裝置中,外源供氣系統(tǒng)主要用于提供干凈、有穩(wěn)定流量的、合格的原料氣體,通過空氣壓縮機將空氣壓縮,經(jīng)過濾(水汽分離器)、干燥(干燥塔)、計量(流量計)后將臭氧氣源送入臭氧發(fā)生系統(tǒng),有效提高臭氧濃度并充分保護臭氧發(fā)生管,在臭氧發(fā)生室的中頻高壓電場內部分氧氣轉化為臭氧。
所述裝置中,臭氧發(fā)生系統(tǒng)作為臭氧發(fā)生裝置的核心部分,前端連接外源供氣系統(tǒng),臭氧發(fā)生系統(tǒng)內布置有內循環(huán)水冷散熱系統(tǒng),包括水箱、水泵。所述臭氧發(fā)生系統(tǒng)核心為臭氧放電室,其采用雙放電技術,通過一定頻率的高壓電流制造高壓電暈電場,進而激活空氣中的氧氣,致使電場內或電場周圍的氧分子發(fā)生電化學反應制造臭氧氣體。所述臭氧發(fā)生系統(tǒng)為手自動一體,可提供多種運行模式,適應于多種場合、多種工況的運行需要。由所述臭氧發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)生的臭氧可通過塑料軟管進行傳輸;作為一種具體的實施方式,可每隔1.0m均勻布置Φ2.5mm的臭氧出氣孔。
所述內循環(huán)水冷散熱系統(tǒng)可以與冷卻水系統(tǒng)相連。所述冷卻水系統(tǒng)為臭氧發(fā)生器提供合格的冷卻水,采用內循環(huán)水冷散熱系統(tǒng),無需外接水源,將臭氧產(chǎn)生過程中釋放的熱量帶走,保證了臭氧發(fā)生器的長期穩(wěn)定運行,降低發(fā)生器內的放電溫度,保持溫度穩(wěn)定,避免由于溫度升高加速臭氧分解,保證臭氧無衰減。
所述裝置還可以包括與所述臭氧發(fā)生系統(tǒng)出口相連的尾氣破壞系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以有效去除尾氣中殘留的臭氧,快速分解臭氧氣體為氧氣。按照臭氧尾氣排放規(guī)定,環(huán)境允許的臭氧濃度應小于0.1ppm。如果直接排入大氣,會造成大氣環(huán)境污染。所述尾氣破壞系統(tǒng)通過加熱分解法實現(xiàn)尾氣破壞,并配備有臭氧濃度計量儀表。
所述裝置中,所述傳感數(shù)據(jù)采集模塊用于實時采集環(huán)境參數(shù)??砂囟葌鞲衅骱蜐穸葌鞲衅?,或包括臭氧濃度傳感器。
所述裝置中,臭氧PID控制模塊主要用于量身定制農業(yè)生產(chǎn)過程所需的臭氧消毒濃度,其流程示意圖可參考圖1。具體而言,所述臭氧消毒PID控制模塊接收由所述傳感數(shù)據(jù)采集模塊傳出的環(huán)境參數(shù),采用PID控制方法控制臭氧的通入,并驅動所述外源氣體供氣系統(tǒng)為臭氧發(fā)生系統(tǒng)提供氣源。所述臭氧PID控制模塊通過固態(tài)繼電器驅動外源氣體供氣系統(tǒng),用于啟動或關閉臭氧源氣體。所述臭氧PID控制模塊配備有手動開關、定時器控制開關和自動開關,提供多種運行模式。優(yōu)選地,所述臭氧PID控制模塊可配置有RJ45接口和無線通信接口,主控程序集成有TCP/IP協(xié)議和HTTP協(xié)議,用于支持遠程通信、遠程管理的控制模式,兩者需要可根據(jù)應用現(xiàn)場特點進行定制,以達到更高的使用效率。
本發(fā)明優(yōu)選將所述各系統(tǒng)和模塊均設置于密封箱體中。具體而言,所述箱體外形不限,優(yōu)選呈長方體狀。所述箱體隔熱、防潮且可移動??紤]設施農業(yè)生產(chǎn)過程中的高濕環(huán)境,避免棚膜滴露與溫室潮濕腐蝕系統(tǒng)裝置,箱體頂端設有防雨罩;防雨罩在鉛垂方向上呈倒梯形,通過柱腳與箱體連為一體。所述箱體布置有利于移動的地腳輪。所述箱體還包括用于密封箱體柜門和箱體的環(huán)狀密封條。箱體正面設置有控制所述各系統(tǒng)和模塊的開關和/或觸摸屏,具體可包括氣閥、水泵、制臭氧、臭氧放電電流調節(jié)按鈕、空氣流量計量及調節(jié)開關、用于自控程序運行的觸摸屏等。
所述裝置在實際應用中,通過傳感數(shù)據(jù)采集模塊獲取臭氧施用空間的環(huán)境參數(shù),建立臭氧濃度變化與環(huán)境特征參數(shù)間的關系模型,校正適宜于該空間的臭氧運行參數(shù)與控制算法,實現(xiàn)外源氣體供氣系統(tǒng)與臭氧發(fā)生系統(tǒng)自動控制,進而自動調整臭氧消毒釋放濃度與作用時間;同時,可適于不同蔬菜品種、蔬菜生長不同階段的臭氧消毒濃度集成于系統(tǒng),即多功能、全范圍的使用臭氧消毒。
本發(fā)明進一步保護所述方法或所述裝置在日光溫室集群中的應用。本發(fā)明提供的具有臭氧PID控制模塊的臭氧消毒裝置可被應用到日光溫室集群,在所述裝置設置RJ45接口和無線通信接口的基礎上,基于網(wǎng)絡通信技術,可以將其作為一個個網(wǎng)絡節(jié)點,每個節(jié)點均能獨立進行設施空間作業(yè);同時也能通過連接到網(wǎng)絡到控制中心實現(xiàn)對全部節(jié)點或部分節(jié)點進行集中控制、統(tǒng)一管理,并能對其中的每個節(jié)點分別控制、單獨管理。
本發(fā)明提供的技術方案可以取得顯著效果,包括:
(1)實現(xiàn)安全高效低成本的臭氧消毒:臭氧可實現(xiàn)一施多用,同時防治多種病蟲害,而且防治費用低,與噴施農藥相比,施放臭氧更為方便、高效、安全,可大大減少農藥的使用量,避免施用高毒、高殘留農藥,從而降低用藥成本;
(2)量身定制適應性控制的臭氧消毒:本發(fā)明根據(jù)設施作物的生長特點與環(huán)境特征,確定合適的臭氧消毒濃度與作用時間,規(guī)避臭氧濃度過大對作物植株造成損傷,避免臭氧濃度過小對病蟲害不起任何作用;
(3)集群管控一體化式的臭氧消毒:本發(fā)明可以根據(jù)日光溫室集群布局、設施園區(qū)分布,通過氣體管道系統(tǒng)或滴灌系統(tǒng),實施一體化臭氧消毒,并通過接入園區(qū)網(wǎng)絡,實現(xiàn)統(tǒng)一管理、集中管控。
附圖說明
圖1為本發(fā)明所述PID控制模塊的流程示意圖。
圖2為實施例3提供的臭氧消毒裝置結構示意圖;圖中,1、氣源,2、水汽分離器,3、干燥塔,4、流量計,5、臭氧放電室,6、水泵,7、水箱,8、散熱器,9、臭氧濃度測量儀表。
具體實施方式
以下實施例用于說明本發(fā)明,但不用來限制本發(fā)明的范圍。
實施例1
選定一棟日光溫室,長度50m、跨度7m、脊高3.7m;采用如下方法進行臭氧消毒:
(1)設定待消毒溫室環(huán)境中臭氧濃度的下限值C下為6.94mg/m3;
(2)以0.26mg·m-3·min-1的速度向所述待消毒溫室環(huán)境中通入臭氧;
(3)自所述通入臭氧時起,以5min為間隔采集環(huán)境參數(shù),即實際臭氧濃度C0;
(4)比較所述實際臭氧濃度與適宜臭氧濃度的數(shù)值大小,采用PID控制方法控制臭氧的通入,具體為:
當所述C0>C下時,停止通入臭氧;
當所述C0<C下時,繼續(xù)通入t分鐘臭氧后,停止通入臭氧;所述t由公式:C=343×t0.0166-345.6計算得到,其中,C為C下與C0的差值,即C=C下-C0,單位為mg/m3;
(5)重復步驟(3)~(4);自步驟(2)所述通入臭氧時起,時間達到30min,停止消毒。
參考醫(yī)藥工業(yè)潔凈室(區(qū))沉降菌的測試方法(GB/T16294-2010),測試方法采樣沉降法,利用培養(yǎng)基平皿取樣。沿著日光溫室長度方向、跨度方向的中間點均勻布置3個采樣點,每個采樣點放置Φ90mm×15mm的培養(yǎng)皿進行采樣,取樣后利用恒溫恒濕箱進行培養(yǎng)。通過對比臭氧消毒前后的真菌、細菌總數(shù),進而計算出日光溫室臭氧消毒的殺菌率。
試驗結果表明,通過日光溫室臭氧消毒試驗,對比臭氧消毒前后的微生物生長狀況與總數(shù)變化,施用濃度為6.94mg/m3的臭氧進行消毒時,臭氧消毒對真菌的殺菌率為66.3%,對細菌的殺菌率為55.6%。
實施例2
與實施例1相比,區(qū)別僅在于:
步驟(1)中,設定最佳臭氧濃度C1為適宜臭氧濃度;
步驟(3)中,實時采集環(huán)境參數(shù)溫度T和濕度RH,采用公式C2=-0.059T-0.047RH+15.701計算實際臭氧濃度C2。
實施例3
一種具有PID控制功能的溫室臭氧消毒裝置(如圖2所示),包括密封箱體,所述密封箱體內部包含外源供氣系統(tǒng)、臭氧發(fā)生系統(tǒng)、傳感數(shù)據(jù)采集模塊以及臭氧消毒PID控制模塊;
所述箱體隔熱、防潮且可移動,其表面設有控制所述各系統(tǒng)和模塊的開關和/或觸摸屏;
所述外源供氣系統(tǒng)包括依次順序連接的氣源1、水汽分離器2、干燥塔3、流量計4;
所述臭氧發(fā)生系統(tǒng)內設置臭氧放電室5,所述臭氧放電室的入口與所述流量計的出口相連;所述臭氧放電室內產(chǎn)生的臭氧通過每隔1.0m均勻布置Φ2.5mm臭氧出氣孔的塑料軟管進行傳輸;
所述臭氧發(fā)生系統(tǒng)內還設有內循環(huán)水冷散熱系統(tǒng),由內部設置水泵6的水箱7和散熱器8相連而成;所述內循環(huán)水冷散熱系統(tǒng)與冷卻水系統(tǒng)相連;
所述臭氧發(fā)生系統(tǒng)的出口端與尾氣破壞系統(tǒng)相連,用于將尾氣中殘留的臭氧快速分解為氧氣;所述尾氣破壞系統(tǒng)設置臭氧濃度測量儀表9,用于監(jiān)測臭氧濃度;
所述傳感數(shù)據(jù)采集模塊用于實時采集環(huán)境參數(shù);該模塊包括溫度傳感器和濕度傳感器,或包括臭氧濃度傳感器;
所述臭氧消毒PID控制模塊接收由所述傳感數(shù)據(jù)采集模塊傳出的環(huán)境參數(shù),采用PID控制方法控制臭氧的通入,并驅動所述外源氣體供氣系統(tǒng)為臭氧發(fā)生系統(tǒng)提供氣源;所述臭氧消毒PID控制模塊配置有RJ45接口和無線通信接口,主控程序集成有TCP/IP協(xié)議和HTTP協(xié)議,用于支持遠程通信、遠程管理的控制模式。
采用本實施例提供的裝置可以實現(xiàn)實施例1或實施例2所述的方案。
實驗例:臭氧濃度與溫度、濕度間二元線性回歸方程的確定
綜合考慮設施農業(yè)空間夜晚的實際環(huán)境條件及臭氧氣體適宜的作用環(huán)境參數(shù),本發(fā)明選用人工氣候箱作為理想的模型試驗環(huán)境,試驗溫度選定10℃、20℃和30℃,環(huán)境濕度選為70%、80%和90%。通過獲取不同溫度、濕度的條件下,臭氧氣體濃度與釋放時間的關系模型,進而尋找適合于設施空間使用的臭氧消毒控制算法。
不同溫度梯度下的臭氧濃度與作用時間的關系式如表1所示。其中,Y代表為臭氧氣體濃度,單位為mg/m3;X代表為作用時間,單位為min。
表1:不同溫度梯度下的臭氧濃度與作用時間的關系
不同濕度梯度下的臭氧濃度與釋放時間的關系式如表2所示。式中Y代表為臭氧氣體濃度,單位為mg/m3;X代表為作用時間,單位為min。
表2:不同濕度梯度下的臭氧濃度與作用時間的關系
在此基礎上,通過對施用環(huán)境2個主要因素(溫度、濕度)進行正交試驗,得到臭氧濃度與溫度(T)、濕度(RH)之間的二元線性回歸方程Y=-0.059T-0.047RH+15.701。
雖然,上文中已經(jīng)用一般性說明、具體實施方式及試驗,對本發(fā)明作了詳盡的描述,但在本發(fā)明基礎上,可以對之作一些修改或改進,這對本領域技術人員而言是顯而易見的。因此,在不偏離本發(fā)明精神的基礎上所做的這些修改或改進,均屬于本發(fā)明要求保護的范圍。