甜樱桃设施栽培温度测控系统及其应用_张道辉.pdf

山 东 农 业 科 学 2011， 12 42 ～45 Shandong Agricultural Sciences收稿日期 2011 －05 －14基金项目 “948”计划项目 11 － Z40 ; 泰安市科技发展计划项目 20075014 ; 公益性行业 农业 科研专项项目 200903019 ; 山东省农业良种工程项目 ［ 鲁农良种字 2010 6 号 ］作者简介 张道辉 1955 － ， 男 ， 研究员 ， 主要从事果蔬贮藏保鲜与环境控制研究 。E － mail daohuizhang sina. com* 通讯作者甜樱桃设施栽培温度测控系统及其应用张道辉 ， 王甲威 ， 宗晓娟 ， 魏海蓉 ， 刘庆忠* 山东省果树研究所 /山东省果树生物技术育种重点实验室 ， 山东 泰安 271000摘 要 选择适宜的通用型电子测控仪表 ， 经电路改进后研制成甜樱桃设施栽培温度测控系统 ， 替代传统的水银柱 、红汞柱 、煤油柱玻璃棒温度计和机械感应式温度计等测温装置 ， 用于甜樱桃栽培大棚和温室的棚温遥测 ， 取得预期效果 。与传统的测温方式相比 ， 避免了频繁进出大棚观看温度 ， 降低了劳动强度 ， 提高了棚温测控精度 ， 特别是在夜间或雨雪天气 ， 也能及时准确地观测棚温 ， 适于甜樱桃设施栽培应用 。关键词 甜樱桃 ; 设施栽培 ; 温度遥测 ; 通用型仪表 ; 测控系统中图分类号 S662. 5; S624. 44 文献标识号 A 文章编号 1001 －4942 2011 12 －0042 －04Application of Temperature － controlled System forSweet Cherry Installation CultivationZHANG Dao － hui， WANG Jia － wei， ZONG Xiao － juan， WEI Hai － rong， LIU Qing － zhong* Shandong Institute of Pomology/ Shandong Provincial Key Laboratory of Fruit Tree Biotecnology， Taian 271000， ChinaAbstract A proper universal electric instrument was selected and redesigned in the electric circuit todevelop a new temperature － controlled system for sweet cherry installation cultivation． This system was used intemperature telemetry in greenhouses and could substitute the traditional thermometer， such as mercury， mer-bromin， kerosene and mechanical induction thermometers． Compared to the traditional temperature measurings， it facilitated people in avoiding entering the greenhouse hourly for temperature recording， reducedthe labor intensity and improved the accuracy of measuring， especially at night or under bad weather， so it wassuitable for protected cultivation of sweet cherry．Key words Sweet cherry; Installation cultivation; Temperature telemetry; Universal instruments;Measuring and controlling systems温度是甜樱桃设施栽培最重要的环境因子 ，栽培环境的温度检测与控制精度 ， 对其产量和质量都具有至关重要的作用［ 1］。甜樱桃设施栽培 ，年平均收入比同面积露地栽培增加 5 ～10 倍［ 2］。近几年山东省甜樱桃设施栽培面积迅速扩大 ， 泰安 、烟台 、青岛 、枣庄 、临朐等地区及部分省外的樱桃产区 ， 出现了多种类型的甜樱桃栽培大棚和温室 。但由于技术水平 、经济基础 、栽培经验等条件的限制 ， 也遇到了许多问题 ， 特别是大棚的温度检测技术和方法 ， 正处于新老技术替代阶段 ， 传统的水银柱 、红汞柱 、煤油柱玻璃棒温度计和机械感应式温度计等测温装置 ， 反应速度慢 ， 功能落后 ， 在使用过程需频繁进出大棚观看温度 ， 特别是在夜间或雨雪天气 ， 很难及时准确地检测棚温 。因此 ，这些装置正在逐步被现代电子测控仪表替代 。电子测控仪表功能强 ， 使用方便 ， 可以在棚外值班室内随时监测棚内气温和地温 ， 使棚温的管理控制更科学规范 。但是 ， 电子测控仪表属于通用型仪表［ 3］， 选用过程需要较强的专业性 ， 使用者对其主要性能和技术指标必须了解 ， 根据甜樱桃设施DOI10.14083/j.issn.1001-4942.2011.12.028栽培的特点［ 4］， 对不能满足要求的仪表性能和指标需进行电路改进 。为此 ， 笔者连续 2 年进行了电子测控仪表在甜樱桃设施栽培中的应用研究 ，确定了主要功能和技术指标的选用参数 ， 针对性地改进了仪表电路 。经选择和改进后的电子测控仪表 ， 可以完全满足甜樱桃设施栽培的使用要求 ，对甜樱桃设施栽培技术的提高和完善具有重要实用价值 。1 甜樱桃设施栽培电子测控仪表的选择1. 1 主要功能和技术指标选择用于甜樱桃设施栽培的电子测控仪表 ， 主要用于塑料大棚或日光温室内气温或地温的检测 ，属于通用型温度测控仪表 ， 选配相应的传感器 ， 也可用于湿度 、压力 、流量 、转速 、水位等指标的检测或控制 ， 不同的型号代表不同的用途和性能 ， 不同厂家生产的同类仪表遵循国内统一的型号和指标制定标准［ 5］， 因此 ， 用于甜樱桃设施栽培的温度测控仪表 ， 可以通过分析其具体型号和指标合理选配 。市面上同类仪表的型号和生产厂家非常多 ， 选择过程需要较强的专业性 ， 表 1 是使用者必须了解的 10 种同类仪表型号的主要性能和技术指标 ， 这 10 种型号的温度测控仪表 ， 是根据需要从繁多的电子测控仪表中选出的 ， 都可以用于温度测量和控制 。从表 1 中可以看出 ， XMTD －2002 型仪表的分辨率 、测控范围等主要指标 ， 都能满足甜樱桃设施栽培的需求 ， 市场调查也表明 ，其价格处于同类产品的中下游 ， 可以认为 ， 此仪表是比较适合的一种 。但是 ， 该仪表对工作环境温度的要求与另外 9 种一样 ， 都是 0 ～50℃， 而用于甜樱桃设施栽培必需经过隆冬季节 ， 仪表通常工作在大棚或温室外的值班室内 ， 不具备相应的控温措施 ， 工作环境温度随外界气温而变 ， 经常远低于 0℃［ 6］， 导致产生大幅度测量误差 。因此 ， 要完全满足甜樱桃保护地栽培的要求 ， 必需对仪表电路和个别指标进行改进 。表 1 10 种常用电子温度测控仪表型号及主要性能电子温度测控仪表名称国内统一型号配用温度传感器型号及名称主要用途分辨率 ℃工作环境温度 ℃测控范围 ℃说 明数字式温度显示仪 XMZ －101 K EU －2 热电偶 温度测量 0. 1， 0. 5 0 ～50 0 ～400 全量程显示数字式温度显示控制仪 XMTD －2002 CU50 G 铜热电阻 温度测量及调控 0. 1 0 ～50 －50 ～150全量程显示及位式单限调控数字式温度显示控制仪 XMTE －8002 Pt100 BA1 铂热电阻 温度测量及调控 0. 01， 0. 1， 1 0 ～50 －199. 9 ～199. 9全量程显示及位式单限调控数字式温度显示控制仪 XMT －113 输入电压 mV 信号 温度测量及调控 0. 1， 1 0 ～50 0 ～500mV 全量程显示超限报警数字式温度显示控制仪 XMT －12F5 输入电流 mA 信号 温度测量及调控 0. 1， 1 0 ～50 0 ～500mA 全量程显示超限报警智能型数显控制仪 XMTB －8302 Pt100 BA2 铂热电阻 温度测量及调控 0. 01， 0. 1， 1 0 ～50 －199. 9 ～199. 9全量程显示及时间比例调控智能型数显控制仪 XMTA －2603 输入电压 mV 信号 温度测量及调控 0. 01， 0. 1， 1 0 ～50 0 ～500mV全量程显示 ， 单相可控硅移相触发控制智能型数显控制仪 XMT －174 输入热电阻信号 温度测量及调控 0. 01， 0. 1， 1 0 ～50 －199. 9 ～199. 9全量程显示 ， 单相可控硅过零触发控制智能型数显控制仪 XMT185 输入电流 mA 信号 温度测量及调控 0. 01， 0. 1， 1 0 ～50 －199. 9 ～199. 9全量程显示 ， 三相可控硅过零触发控制智能型数显控制仪 XMTA －2905 输入电流 mA 信号 温度测量及调控 0. 01， 0. 1， 1 0 ～50 －199. 9 ～199. 9全量程显示及位式双限调控1. 2 仪表电路及参数的改进通过测绘和分析同类电子温度测控仪表电路发现 ， 尽管仪表外型多种多样 ， 但内部结构及采用的单元电路原理基本相同［ 7］。图 1 是 XMTD －2002 型仪表测温和显示电路原理框图 ， 可以代表其他型号的同类温度测控仪表 ， 电路中包括电源变换 、信号转换 、多级信号滤波 、信号放大和 LED显示 5 部分单元电路 ， 用零信号输入法［ 8］逐个检测各单元电路的温度漂移误差［ 9］， 确定信号转换电路是产生温度漂移误差的根源 ， 该电路主要由惠斯通电桥电路［ 10］与热电阻温度传感器匹配组成 。图 2 是原信号转换电路原理图 ， 图中 W1为 1kΩ 普通玻璃轴预调电位器 ， 温度系数为 0. 025 /℃。R1、R2、R3分别为 10 kΩ、10 kΩ、34第 12 期 张道辉等 甜樱桃设施栽培温度测控系统及其应用100 Ω 金属氧化膜固定电阻 ， 温度系数为 0. 035 /℃。Rt 为 Pt100 铂热敏电阻 。根据惠斯通电桥温度补偿和仪表温漂双相抑制原理［ 11］， 结合现场多次修正试验 ， 最终用更换低温度系数电子元件和改用基准电压源的方法取得成功 。图 3是改进后信号转换电路原理图 ， 图中 G 为集成带隙基准电压源 MC1403［ 12］。该集成电路输入 5V直流电压 ， 输出 2. 5V 基准电压 ， 本身具有防温漂功能 ， 这样 ， 信号转换电路的工作电源 ， 由 5V 改为 2. 5V。W1为 HP － 16 型 1 kΩ 精密线绕电位器 ， 温 度 系 数 为 0. 002 /℃。R1、R2、R3为RX710 － A 型精密线绕电阻器 ， 阻值分别是 5 kΩ、5 kΩ、100 Ω， 温度系数为 0. 0005 /℃。图 1 仪表测温和显示电路原理框图图 2 原信号转换电路原理图图 3 改进后信号转换电路原理图2 改进效果及应用2. 1 改进效果由自行设计的检测方法［ 12］， 检测出 XMTD －2002 仪表改进前后的温度漂移曲线如图 4 所示 ，被测温度值是稳定的 0℃ 冰水混合物 。由图 4看出 ， 当工作环境温度低于 3℃或高于 45℃时 ， 改进前仪表测量误差就开始随超出范围的增加而迅速变大 ， 笔者用同一方法检测了多种具有代表性的不同型号仪表 ， 得到基本相同的结果 ， 这与表 1中指标数据有差别 。分析其原因 ， 可能是仪表均采用塑料外壳 ， 散热性能较差 ， 长期通电工作产生的热量不能完全散尽 ， 使机壳内温度高于机壳外 ，导致实际工作环境温度指标发生上移 。改进后的XMTD －2002 型仪表 ， 对工作环境温度的适应范围明显加宽 ， 下限值增加了 22℃ 以上 ， 工作环境温度指标由 0 ～ 50℃ 改进为 － 22 ～ 50℃， 可基本满足该型仪表长期工作对环境温度的要求 。图 4 仪表改进前后温度漂移曲线2. 2 在五连栋甜樱桃栽培大棚的应用以改进后的电子温度测控仪表为主 ， 设制了五连栋甜樱桃设施栽培温度测控系统 ， 具有对棚内气温或地温的遥测和自动控制功能 ， 由于目前全自动控制研究还没达到预期效果 ， 所以只用于棚内气温或地温的监测 。该系统固定在棚外值班室墙上 ， 5 个防水温度传感器分别固定在大棚内44 山 东 农 业 科 学 2011 年具有温度代表性的 5 个位置 ， 通过三心信号电缆接入棚外值班室内的测控系统 ， 实现了棚温的带线遥测 。5 个温度值 ， 分别代表大棚内当时 5 个位置的气温或地温 ， 值班人员在北侧棚外值班室内就可随时掌握棚内温度变化情况 ， 灵活的进行升温 、降温或保温操作 ， 可以大幅度降低操作人员的劳动强度 ， 同时提高了棚温管理的科学性 ， 连续2 年采用该系统进行甜樱桃设施栽培棚温带线遥测 ， 均取得预期效果 ， 甜樱桃产量和质量均优于采用传统方法监测温度的同类大棚 ， 甜樱桃平均售价是同品种露地栽培的 7. 5 倍 。3 结论与讨论3. 1 经改进后的通用型电子测控仪表 ， 主要功能和技术指标可以满足甜樱桃设施栽培的要求 ， 可作为专业性仪表推广应用 。3. 2 用现代电子测控仪表替代传统的水银柱 、机械感应式温度计等测温装置 ， 可大幅度降低劳动强度 ， 提高科学管理水平 ， 对甜樱桃设施栽培技术的完善和发展 ， 具有重要的推动作用 。3. 3 采用电能加热升温时 ， 棚温调控可利用该测控系统的自动控制功能 ， 实现全自动控制 。但采用柴 、煤 、气等加热方式升温时 ， 考虑到成本和安全问题 ， 不提倡采用全自动控制方式 。由人工根据仪表监测值完成棚温调控 ， 更适合目前的国情 。参 考 文 献 ［ 1］ Ustenberghs H， Verbeyen J， Keulemans J. Preliminary experi-ences with superintensive protected growing of sweet cherries［ J］ . Acta Horti. ， 1993， 349 59 －61.［ 2］ 孙瑞红 ， 王 涛 ， 秦志华 ， 等 ， 山东保护地大樱桃病虫害发生动态与防治措施 ［ J］ . 落叶果树 ， 2010， 1 24 －25.［ 3］ 黄显林 ， 王 毅 ， 孙群学 . 温控系统中的测温仪表及误差补偿 ［ J］ . 哈尔滨工业大学学报 ， 1996， 28 4 48 －51.［ 4］ 沈元月 ， 郭家选 ， 高东升 . 温度与果树设施园艺 ［ J］ . 山东农业大学学报 ， 2000， 31 2 217 －220.［ 5］ 张丽梅 ， 潘海飞 ， 吴清源 . 基于 LabVIEW 和 PXI 设计通用仪器仪表检定系统 ［ J］ . 中国测试 ， 2010， 36 2 70 －73.［ 6］ 张 宁 ， 孙照渤 ， 曾 刚 . 1955 ～2005 年中国极端气温的变化 ［ J］ . 南京气象学院学报 ， 2008， 31 1 123 －128.［ 7］ 张道辉 ， 赵红军 ， 周光芳 ， 等 . 农产品贮藏设施温控仪表温度漂移控制方法 ［ J］ . 农业机械学报 ， 2010， 41 6 108 －112.［ 8］ 张道辉 ， 贾发江 ， 杨娟侠 ， 等 . 保鲜贮藏通用温控仪表的温度漂移及检测方法 ［ J］ . 落叶果树 ， 2004， 36 1 36 －38.［ 9］ 黄大勉 ， 徐学奎 . 基于函数变换原理的铂电阻传感器非线性校正方法 ［ J］ . 传感技术学报 ， 2006， 19 6 2547 －2549.［ 10］ 张道辉 ， 鲁墨森 ， 王太明 ， 等 . 电子测控仪器标准信号输出装置 ［ P］ . 中国专利 L00247521. 9， 2001 －05 －16.［ 11］ 张道辉 ， 周光芳 . 电子测控仪表温度漂移双相抑制装置［ P］ . 中国专利 ZL200820021440. 5， 2009 －1 －28.［ 12］ 陈 磊 ， 李 萌 ， 张润曦 ， 等 . 一种带输出缓冲的低温度系数带隙基准电路 ［ J］ . 电子器件 ， 2008， 31 3 櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎櫎820 －824. 上接第 41 页 处理的产量 。表 2 不同温度对鸡腿菇子实体产量的影响温度 ℃小区产量 kgⅠ Ⅱ Ⅲ小区平均产量 kg20 162. 8 152. 7 149. 5 155. 0aA15 147. 2 146. 3 138. 2 143. 9bA25 124. 7 130. 5 120. 2 125. 1cB30 121. 8 109. 5 104. 3 111. 9cdBC10 110. 8 103. 0 93. 5 102. 4deC3 讨论与结论鸡腿菇是中温偏高型菌类 ， 菌丝生长温度为10 ～35℃， 最适生长温度为 25℃。本试验发现 ，出菇温度为 10 ～ 30℃， 最适温度 20℃， 在此温度环境下 ， 子实体品质好 。低于 10℃子实体生长慢甚至会冻死 ， 超过 20℃ 易开伞 ， 且开伞后菌盖边缘液化变黑 ， 保鲜期极短 。因此 ， 出菇期温度控制在 10 ～ 30℃ 为宜 ， 遇到高温或低温天气 ， 一定要做好降温或升温工作 。本试验还发现 ， 在 20℃时 ， 子实体的产量最高 ， 显著高于其他处理 。参 考 文 献 ［ 1］ 张甫安 ， 蒋莜仙 ， 王镛涛 ． 食用菌制种指南 ［ M］ ． 上海 上海科学技术出版社 ， 1992， 92 －113．［ 2］ 米青山 ， 杜继革 ． 鸡腿菇出菇方式试验 ［ J］ ． 食用菌 ， 2004， 26 3 36 －37．［ 3］ 荣廷昭 ． 田间试验与统计分析 ［ M］ ． 北京 中国农业科技出版社 ， 1998， 213 －215．［ 4］ 杜 魏 ， 袁 静 ． 鸡腿菇覆土机理研究初报 ［ J］ ． 中国食用茵 ， 2003， 1 15 －16．［ 5］ 王兴兰 ， 孙晋祥 ， 孙发展 . 平菇废料生产鸡腿菇及其与番茄间作技术 ［ J］ . 山东农业科学 ， 2003， 6 2 －3.54第 12 期 张道辉等 甜樱桃设施栽培温度测控系统及其应用