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1、第30卷第3期中 国 科 学 技 术 大 学 学 报Vol.30,No.32000年6月JOURNALOFCHINAUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGYJun.2000文章编号:025322778(2000)032351205X在线检测与估计营养液成分邱雪峰,薛美盛,孙德敏,张建龙(中国科学技术大学自动化系,合肥230026)摘要:本文利用离子选择性电极实现了对设施栽培中营养液的氮、钾、钙等离子浓度以及电导率和pH值的在线检测,并根据特定作物在特定生长期、生长环境相对稳定的条件下,各种营养元素浓度与电导率、pH值之间存在相对稳定的关系,以及各营养成分之
2、间的变化关系实现了磷,硫和镁离子浓度的软测量.关键词:设施栽培;营养液;软测量中图分类号:TP274.5文献标识码:A1 引言[1]设施栽培是借助一定的硬件设施,通过对作物生长的全过程或部分阶段的环境条件进行调节,以使其尽可能满足作物生长需要的技术密集型农业生产.设施栽培中,作物生长所需营养成分全部从营养液中吸收,因此营养液管理水平的高低直接关系到作物生长状况、产量和产品品质.目前,国内外主要根据营养液的电导率(EC值)和pH值进行营养液的管[2—4]理,但EC值只能反映出营养液中总的离子浓度,不能反映营养液中各组分的相对活度.若营养液营养均衡,即作物吸收各元素的比例与营养液中各
3、元素的比例是同步的,则其EC值和pH值的变化是稳定的.虽说不存在养分绝对均衡的营养液,但如能保证较好水质,稳定环境,良好配方,那么营养液中的各营养成分随EC值和pH值的变化也是相对稳定的,所以此种条件下根据EC值和pH值管理营养液是可行的,且国外已有定型产品.但我国目前设施栽培存在很多不利因素,如设施水平低下,各地水质和营养液配方差别大,环境控制水平不高等,使得EC值在营养液管理中的价值降低,无法根据EC值和pH值的变化进行营养液的管理,需在线检测营养液中营养成分的浓度,才能及时调配营养液,使营养液始终保持养分均衡.在我国引进的大型温室中,营养液的使用几乎都是一次性的,废弃的营养
4、液富含营养,不仅造成浪费,同时也对环境造成一定程度的污染.如果能够在线检测营养液的成分,就可以实现营养液调配,循环使用营养液,降低运营成本,提高经济效益.X收稿日期:1999208205 作者简介:邱雪峰,男,1975年1月生,硕士研究生©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved. 中国科学技术大学学报 第35230卷2 营养成分的在线检测2.1 离子选择性电极[5]离子选择性电极是专门用来测量溶液中某种特定离子浓度的一种指示性电极,是电化学中
5、常用的仪器,它不仅使用方法简单,而且测量精度比较高,完全能够满足营养液管理中精度的要求.离子选择性电极的种类很多,它们的机理各不相同,但它们的作用原理大体相似.一般说来,电极膜对某种离子具有选择性.当电极插入含有该离子的溶液后,由于它和膜上的相同离子进行交换而改变两界面的电荷分布,从而在膜表面上产生膜电势.膜电势n++Φ与溶液中阳离子M的活度α的关系,可以用能斯特方程来表示,当测阳离子的选择性电极与参比电极组成电池后,两电极之间的电势差为:RT+E=Φ离-Φ参=Φ′+LnαZFΦ′中包含膜内表面的膜电势,内参电极的电极电势以及除浓度外其他对电极电势的影响因+n+n++素;α是溶液
6、中离子M的活度,当溶液中M的浓度C很小时,α=C;Z为内参电极表面发生电化学反应时转移的电荷数;R是摩尔气体常数;F是法拉第常数;T是绝对温度.根n++据上式要配制一系列M的已知浓度的标准溶液,并以测得的E值与相应的α绘制校正曲线,即可用以后的测量值来计算未知溶液浓度,测量阴离子的原理相同,在此不作赘述.2.2 数据采集6离子选择性电极的测量输出为毫伏级电压信号,但是其内阻比较大,一般达到10Ω～710Ω.测量pH值的玻璃电极内阻更大,最高达120mΩ,然而一般数据采集板的输入阻抗只6有10Ω或者更低,无法直接采样传感器输出信号.为此,我们设计了高阻抗、低漂移放大器,对传感器的输
7、出信号进行放大,其原理如图1所示.在元器件的选用上,A1、A2、A3都为高精度低漂移运算放大器,其中A1和A2两个运算放大器11要求为高输入阻抗,至少达到10Ω.我们在实际12使用中A1、A2为LF355,输入阻抗典型值为10Ω,A3为LM208A,其输入输出关系如下:R32R2Vout=[+1](V1-V-)RR1通过调节R1可以改变放大倍数.为了提高精度,电阻选用精密电阻.通过高阻抗放大器对传感器的输出信号放大后,经过A/D转换,可以采样到计算机中,再进行图1高阻抗、低漂移放
