專利名稱：一種具有新型營養液供給系統的立體自控植物氣霧培養裝置的制作方法
技術領域：
本發明專利涉及科學試驗設備，涉及一種植物研究設備，特別是涉及植物栽植試驗的設備，應用于植物學、農學、林學等有關植物類利研、教學領域。
背景技術：
植物營養研究是植物生理研究和培育技術研發的重要內容，常采用盆栽或水培方式進行試驗植物的栽培。盆栽試驗由于難以掌握營養液澆灌量與灌水量，使各容器基質中水分與養分難以準確控制，不僅試驗管理難度人，試驗誤差難以排除，且根系狀況的隨時觀測亦不易實現。水培試驗可以準確控制營養液濃度，但根系必須有較充足的氧氣供給，即需要經常換水、或使營養液保持循環狀態、或向營養液中不斷加氧(加空氣)，至今尚無專用試驗
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發明內容
本發明的目的在于設計一種新型的具有新型營養液供給系統的立體自控植物氣霧培養裝置，解決上述問題。為了實現上述目的，本發明采用的技術方案如下一種具有新型營養液供給系統的立體自控植物氣霧培養裝置，包括立體栽植筒、營養液供給系統、均光旋轉系統、溫度控制系統和濕度控制系統；所述均光旋轉系統的固定端相對于地面固定設置，所述立體栽植筒固定在所述均光旋轉系統的旋轉端上；所述立體栽植筒包括至少一個用于栽植研究植株的栽植空間，所述溫度控制系統和所述濕度控制系統分別控制所述栽植空間內的溫度和濕度；所述營養液供給系統包括營養液儲存容器、力口壓設備、營養液霧化噴頭、營養液輸送管和分流防混結構，所述營養液霧化噴頭通過所述加壓設備和所述營養液輸送管與所述營養液儲存容器連通。每個所述栽植空間對應一個所述營養液儲存容器，每個所述營養液儲存容器均為以所述立體栽植筒的軸心為圓心的同心圓柱體狀，每個所述栽植空間的底部設有所述分流防混結構，所述分流防混結構包括導流嘴和阻水門檻，每個所述栽植空間的所述導流嘴對準對應的所述營養液儲存容器，每個所述栽植空間的所述阻水門檻對準對應的所述觀測門下端。所述營養液儲存容器固定于所述均光旋轉系統的所述支撐底座上，并相對于所述地面固定，所述加壓設備和所述營養液霧化噴頭位于所述立體栽植筒內并且相對于所述立體栽植筒固定，所述加壓設備的進液口通過所述營養液輸送管，穿過所述導流嘴與營養液儲存容器連通。每個所述栽植空間對應設置一套獨立的所述營養液供給系統。所述營養液供給系統還包括營養液觀測杯，所述營養液觀測杯位于所述最外側營養液儲存容器的外部，每個所述營養液儲存容器的底部與一個所述營養液觀測杯的底部連通。所述加壓設備為加壓泵，所述營養液供給系統還包括營養液供給控制系統，所述營養液供給控制系統包括濕度控制器、交流直流轉換器和集電環電刷結構，所述濕度控制器包括濕度控制器主機和濕度傳感器，所述濕度控制器主機包括濕度傳感器接入端口、交流輸入端和交流輸出端，所述濕度傳感器位于所述立體栽植筒內，通過所述集電環電刷結構連接到所述濕度傳感器接入端口，所述濕度控制器主機交流輸入端連接交流電源，所述交流直流轉換器包括交流輸入端和直流輸出端，所述交流輸入端連接所述濕度控制器主機交流輸出端，所述直流輸出端經過集電環電刷結構連接到所述加壓泵電機。所述濕度控制系統是所述營養液供給系統的控制系統，所述濕度控制系統即所述營養液供給控制系統。所述加壓泵安裝于防水盒中。
本專利針對現有盆栽和水培試驗之不足，以及目前植物研究的需要，設計了全新的專用設備。本發明中的溫、濕度控制系統由溫、濕度控制器和供電系統(集電環等)組成。功能在于控制立體栽植筒內的溫度和濕度，為植物根系生長創造適宜的溫濕度條件。如圖I、圖3所示，立體栽植筒由三個相互獨立的栽植空間組成。每一空間又由栽植穴(2)(包括定植孔、定植筐和植物固定材料)和根系生長空間組成。是試驗植物定植和生長的地方。也是根系研究觀測的地方。每一空間可栽植40株植物。如圖2所示，立體栽植筒系統由栽植筒筒體(I)、植物定植構造(2)、頂部排風(8)和下側部濕簾(18)、筒內空間隔離構造(15)、筒底營養液分流防混構造(16)及觀測門(17)共六部分組成。該立體栽植筒系統具有提供植物地上地下生長空間，根系生長空間溫度調控，不同試驗內容獨立空間隔離與營養液防混，根系隨時全貌觀測等綜合功能。栽植筒筒體(I)是試驗植物固定和生長的場所，要求可以使植物得以固定和有良好的生長環境，并便于觀測。為滿足植物固定的要求，栽植筒壁上安裝了呈向外上傾斜45°的植物定植構造(2)(定植孔和定植筐)，可以使植物停留在栽植筒壁上；筐內有固定植物的海綿或塑料泡沫材料，可以實現將植物固定在定植筐內并保持固定姿態(45°向上)。溫度控制系統包括頂部排風⑶和下側部濕簾(18)結構，為栽植筒體內植物根系生長空間溫度調節系統。通過位于栽植筒頂部的排風扇向外抽風，使筒外空氣通過濕簾進入筒內，同時帶走濕簾水分，使所通過的空氣降溫并實現筒內降溫的目的。如圖3所示，筒內空間隔離構造(15)以栽植筒長軸為圓心，縱向將筒內空間分為三個相互獨立的空間，用于不同內容的單獨試驗。在每一空間的底部(即栽植筒底部)與其相對應的營養液儲存容器位置，設計有筒底營養液分流防混構造(16)，確保同一筒內三部分獨立空間各營養液保持互不混合。主要是通過筒底的導流嘴(19)，和位于觀測門下方筒底上的阻水門檻(20)而實現。三部分獨立的營養液由位于筒頂的霧化噴頭分別噴霧至各自的封閉空間后，除部分用于濕潤植物根系提供養分水分外，多余部分則沿著筒內隔離板(15)和筒壁(包括觀測門壁(17))向下流至栽植筒底部匯集。匯集的營養液受到位于筒體邊緣門檻(20)的阻擋不能由邊緣流出筒外，便由筒底開孔(回流孔(16))向下流出。由于三個獨立空間底部在其營養液儲存容器上方均有各自的營養液回流孔，故多余營養液又返回了儲存器中。為防止由三個回流孔返回的營養液在栽植筒底部外相互混合，各回流孔均設計了導流嘴(19)，從而使回流液準確返回儲存器。觀測門是沿栽植筒豎軸方向，占各獨立空間筒壁1/2的活動筒壁。一邊通過合頁與本空間固定筒壁相連，另一邊通過鎖扣與相鄰空間固定筒壁相扣，可方便地向外開啟，以便根系觀測。如圖4所示，營養液霧化供給系統和濕度控制系統組成一個大系統，由營養液儲存容器(3)、加壓設備(泵)(4)、輸送管(29)、噴頭5和濕度控制器(10)組成。營養液儲存容器分為3個獨立部分；加壓、輸送和噴霧三功能組成的營養液霧化系統，在每一栽植筒中共有3套，相互獨立，并與相對應的營養液儲存容器相配套。在圖4中，營養液供給系統由營養液儲存容器、水泵加壓和霧化器三部分組成。營養液儲存容器是在一個大盆中由兩個不同半徑同心圓筒相隔而成的三個獨立圓柱體空間((301)、(302)、(303))。各空間通過管道分別與盆外三個向對應的營養液觀測杯(30)相連通，以便營養液濃度的檢測和儲存容器中營養液液面高低的觀察。三個加壓泵((401)、(402)、(403))分別位于栽植筒內部三個獨立空間，分別安裝在防水盒中。進水管分別通過栽植筒底部三個營養液導流嘴((1901)、·(1902)、(1903))伸入三個營養液儲存容器。霧化器為低壓霧化噴頭(5)，營養液經加壓泵加壓由出水管向上進入噴頭霧化噴出，為植物生長提供水分和營養供給并調節栽植空間內的濕度。如圖5所示，位于栽植筒⑴內的加壓水泵(4)，及位于栽植筒頂部的調溫排風扇(8)和筒內發熱體(32)的啟閉，由分別位于筒內的溫度傳感器(3101)和濕度傳感器(3102采集信號，由筒外的溫度控制器(9)和濕度控制器(10)實現自控。栽植筒轉動過程中加壓泵(4)、調溫風扇(8)及發熱體(32)的供電，溫度傳感器和濕度傳感器的信號傳遞，均分別通過位于栽植筒頂部的集電環碳刷結構((11)、(12)、(1301)、(1302)、(1401)、(1402))而實現。如圖6所示，均光旋轉系統由電動機(7)和軸承旋轉部分(6)組成。功能在于使整個栽植筒每天不定時旋轉，每次旋轉一個角度，使其上所栽植的植物每天均能得到相對均等的光照條件，確保試驗植物受光一致。圖6中(39)為筒體底部隔水筒，可防止營養液由底部下部進入壓力軸承。由圖6可見，支撐底座(27)、支撐柱(25)及壓力軸承￠)，構成了栽植筒旋轉的支撐減阻構造。栽植筒所有重量均集中在壓力軸承(6)并經支撐柱(25)傳遞至支撐底座(27)。放置于地面支撐物之上的支撐底座再經地面支撐物將壓力傳遞至地面，從而使栽植筒僅通過筒底中心小面積與壓力軸承接觸而保持直立狀態。下端固定于支撐底座(27)上的筒體旋轉軸(26)，縱向自下而上通過支撐柱(25)、壓力軸承￠)、筒底中心孔、栽植筒中心隔離管(40)及筒頂中心孔，上端露出筒頂，成為筒體旋轉的旋轉軸和頂端電機的固定軸。位于栽植筒頂部的減速電機(7)，通過固定裝置與筒體旋轉軸(26)相縱向連接，電機旋轉軸保持垂直向上狀態。電機旋轉軸(21)通過軸承連接器與筒體旋轉連接機構((22)、(23))相連接，再與栽植筒頂端(24)固定。當電機(7)通電旋轉時，通過連接機構帶動栽植筒(I)在壓力軸承(6)上繞筒體旋轉軸(26)與電機(減速電機)同步緩慢旋轉。從而實現了栽植筒上植物受光均勻的栽培要求。
本發明的工作原理如下立體栽植筒是試驗植物固定和生長的場所，要求可以使植物得以固定和有良好的生長環境，并便于觀測。為滿足植物固定的要求，栽植筒上安裝了植物定植筐，可以使植物停留在栽植筒壁上；筐內有固定植物的海綿或塑料泡沫材料，可以實現將植物固定在定植筐內并保持固定姿態。植物良好的生長環境，主要是指植物地上部分良好的光照條件和充足的生長空間；根系部分要有良好的通氣條件、充分的生長空間和良好的營養供給。為使試驗植物所生長的光照環境與自然狀態盡可能一致，又防止降雨對營養液濃度的影響，本裝置在全光溫室中使用。由于立體栽植，大大提高了試驗場地的使用效率，但也帶來了不同方向所栽試驗植物接受光照的差異。為確保試驗植物受光相對均勻，本裝置設計為栽植筒不定時旋轉型。 為滿足試驗植物根系生長對空間、氧氣、水分、養分、溫度的需要，并創造優越的條件，本裝置采用氣霧培養的方式，在為植物提供水分、養分的同時，可創造良好的氧氣供給條件，根系生長較土壤中更為旺盛，根系發達。本裝置噴霧系統由儲液容器、加壓泵、輸送管和霧化噴頭四部分組成。營養液儲存在儲液容器中，由加壓泵經輸送管將營養液由儲液容器中輸送到霧化噴頭，由噴頭霧化噴霧至根系生長空間，濕潤根系，增加筒內空氣濕度，實現供水與供養的目標。根系生長空間溫度的升降控制，分別是利用加熱體和濕簾-通風系統實現。在栽植筒頂部裝有排風扇，底部裝有濕簾。降溫時通過排風扇強制通風而使濕簾水分蒸發，達到降低筒內溫度的目的，升溫時筒內加熱體通電產熱。筒內溫度、濕度的控制，即噴霧、通風降溫與加熱的控制，由溫、濕度控制器控制加壓泵、風扇和加熱體的啟閉而實現。由于栽植筒整體為一筒三獨立空間結構，且需要旋轉，安裝在三獨立空間的各水泵(共3個)、風扇、加熱體及溫、濕度傳感器，需要在筒體旋轉的同時，得到電力供給或信號傳遞。安裝在筒體頂部的集電環與碳刷結構，實現了旋轉筒運動中的連續供電和信號傳遞。因此，本發明的有益效果如下1，本裝置是專為植物營養、根系等研究而設計，并按相應試驗布設(完全區組、正交、拉丁方)要求進行配套。不僅可以實現營養液濃度地準確控制，還可以保證參試植物生長環境的一致，減少試驗誤差；同時，可以隨時打開的活動小門設計，為根系發育的動態觀測研究，提供了便利條件。立體栽植器可以有效的節約試驗空間，亦便于試驗植物的觀測管理。可概括為立體栽植節省空間，自動控制便于管理，霧化供養降低誤差，門式植筒便于觀測。2，本裝置是專為植物營養等研究而設計，不僅可以實現植物營養液的自控霧化供給，可以實現營養液濃度地準確控制，保證參試植物生長環境的相對一致，減少試驗誤差；還可以保障植物根系空間適宜的溫度環境。可概括為自動控制便于管理，霧化供養降低誤差。3，該裝置既能提供可準確控制營養液濃度，提供植物生長的良好環境，提供優越的觀測條件和滿足“完全區組”、“正交”及“拉丁方”等試驗布設要求，高效利用試驗空間，且可自動運行。4，本發明結構簡單，實施成本低廉。


圖I為本發明整體的結構示意圖；圖2為立體栽植筒的結構示意圖；圖3為栽植筒底部平面及側面示意圖；圖4為噴霧系統結構示意圖；
圖5為供電及控制系統示意圖；圖6為均光旋轉系統示意圖。其中(I)立體栽植筒((101)、(102)、(103)分別為栽植筒內3個獨立栽植空間)；
(2)筒壁上的栽植穴；(3)營養液儲存容器((301)、(302)、(303)分別為3個獨立的儲存容器)；(4)加壓泵((401)、(402)、(403)分別為位于3個獨立空間的加壓泵)；(5)噴霧噴頭((501)、(502)、(503)分別為位于3個獨立空間中的3個噴頭)；(6)栽植筒下壓力軸承；(7)栽植筒旋轉減速電機；(8)栽植筒內降溫排風扇；(9)栽植筒內溫度控制器；(10)栽植筒內濕度(噴霧)控制器；(11)集電環碳刷結構--接溫度傳感器；(12)集電環碳刷結構一接濕度傳感器；(1301)集電環碳刷結構一接排風扇；(1302)集電環碳刷結構一接發熱體；(1401)、(1402)集電環碳刷結構一接加壓泵；(15)筒內空間隔離構造；(16)筒底營養液分流防混構造；(17)觀測門；(18)栽植筒下側部濕簾；(19)筒底的導流嘴((1901)、(1902)、(1903)分別為位于3個獨立空間底部的3個導流嘴)；(20)位于觀測門下方筒底上的阻水門檻；(21)電機旋轉軸；(22)、(23)筒體旋轉連接機構；(24)栽植筒頂蓋；(25)支撐柱；(26)筒體旋轉軸；(27)支撐底座；(28)營養液儲存容器中央隔離管(隔離營養液與支撐柱)；(29)營養液輸送管；(30)營養液觀測杯；(3101)溫度傳感器；(3102)濕度傳感器；(32)筒內發熱體；(33)筒體底部隔水筒；(34)栽植筒中心隔離管。
具體實施例方式為了使本發明所解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。如圖I至圖5所示的一種具有新型營養液供給系統的立體自控植物氣霧培養裝置，在本實施例中，包括立體栽植筒(I)、營養液供給系統、均光旋轉系統、溫度控制系統和濕度控制系統；所述均光旋轉系統的固定端相對于地面固定設置，所述立體栽植筒(I)固定在所述均光旋轉系統的旋轉端上；所述立體栽植筒(I)包括至少一個用于栽植研究植株的栽植空間，所述溫度控制系統和所述濕度控制系統分別控制所述栽植空間內的溫度和濕度；所述栽植空間包括位于所述立體栽植筒(I)內部的根系生長空間和設置在所述立體栽植筒(I)筒壁上的栽植穴(2)，所述栽植穴(2)包括定植孔、定植筐和設置在所述定植筐中的植株固定材料，所述定植筐對準所述定植孔設置；所述定植孔和所述定植筐向外向上傾斜45°角；在本實施例中，所述立體栽植筒(I)包括三個獨立的栽植空間，每個栽植空間包括40個栽植穴(2)，所述植株固定材料為海綿或塑料泡沫材料。所述立體栽植筒(I)中設有空間隔離構造(15)，所述空間隔離構造(15)以所述立體栽植筒(I)的長軸為圓心縱向將所述立體栽植筒(I)的桶內空間均等地分割成三個獨立的栽植空間；所述具有新型營養液供給系統的立體自控氣霧培植裝置設置在全光溫室中；所述營養液供給系統為營養液噴霧供給系統，所述營養液供給系統的營養液霧化噴頭(5)對準所述栽植空間；所述栽植筒上設有能夠隨時開閉的觀測門(17)。所述營養液供給系統包括營養液儲存容器(3)、加壓設備(本實施例中為加壓泵)
(4)、營養液霧化噴頭(5)、營養液輸送管(29)和分流防混結構(16)，所述營養液霧化噴頭
(5)通過所述加壓設備(4)和所述營養液輸送管(29)與所述營養液儲存容器(3)連通；每個所述栽植空間對應一個所述營養液儲存容器(3)，每個所述營養液儲存容器(3)均為以所述立體栽植筒(I)的軸心為圓心的同心圓柱體狀，每個所述栽植空間的底部設有所述分流防混結構(16)，所述分流防混結構(16)包括導流嘴(19)和阻水門檻(20)，每個所述栽植空間的所述導流嘴(19)對準對應的所述營養液儲存容器(3)，每個所述栽植空間的所述阻水門檻(20)對準對應的所述觀測門(17)下端；所述營養液儲存容器(3)固定于所述均光旋轉系統的所述支撐底座(27)上，并相對于所述地面固定，所述加壓設備(4)和所述營·養液霧化噴頭(5)位于所述立體栽植筒(I)內并且相對于所述立體栽植筒(I)固定，所述加壓設備(4)的進液口通過所述營養液輸送管(29)，穿過所述導流嘴(19)與營養液儲存容器(3)連通；每個所述栽植空間對應設置一套獨立的所述營養液供給系統；所述營養液供給系統還包括營養液觀測杯(30)，所述營養液觀測杯(30)位于所述最外側營養液儲存容器(3)的外部，每個所述營養液儲存容器(3)的底部與一個所述營養液觀測杯(30)的底部連通；所述營養液供給系統還包括營養液供給控制系統，所述營養液供給控制系統包括濕度控制器(10)、交流直流轉換器和集電環電刷結構，所述濕度控制器(10)包括濕度控制器主機和濕度傳感器(3102)，所述濕度控制器主機包括濕度傳感器接入端口、交流輸入端和交流輸出端，所述濕度傳感器(3102)位于所述立體栽植筒(I)內，通過所述集電環電刷結構連接到所述濕度傳感器接入端口，所述濕度控制器主機交流輸入端連接交流電源，所述交流直流轉換器包括交流輸入端和直流輸出端，所述交流輸入端連接所述濕度控制器主機交流輸出端，所述直流輸出端經過集電環電刷結構連接到所述加壓泵電機；所述濕度控制系統是所述營養液供給系統的控制系統，所述濕度控制系統即所述營養液供給控制系統；所述加壓泵安裝于防水盒中。以上通過具體的和優選的實施例詳細的描述了本發明，但本領域技術人員應該明白，本發明并不局限于以上所述實施例，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種具有新型營養液供給系統的立體自控植物氣霧培養裝置，包括立體栽植筒、營養液供給系統、均光旋轉系統、溫度控制系統和濕度控制系統；所述均光旋轉系統的固定端相對于地面固定設置，所述立體栽植筒固定在所述均光旋轉系統的旋轉端上；所述立體栽植筒包括至少一個用于栽植研究植株的栽植 空間，所述溫度控制系統和所述濕度控制系統分別控制所述栽植空間內的溫度和濕度；其特征在于所述營養液供給系統包括營養液儲存容器、加壓設備、營養液霧化噴頭、營養液輸送管和分流防混結構，所述營養液霧化噴頭通過所述加壓設備和所述營養液輸送管與所述營養液儲存容器連通。
2.根據權利要求I所述的具有新型營養液供給系統的立體自控植物氣霧培養裝置，其特征在于每個所述栽植空間對應一個所述營養液儲存容器，每個所述營養液儲存容器均為以所述立體栽植筒的軸心為圓心的同心圓柱體狀，每個所述栽植空間的底部設有所述分流防混結構，所述分流防混結構包括導流嘴和阻水門檻，每個所述栽植空間的所述導流嘴對準對應的所述營養液儲存容器，每個所述栽植空間的所述阻水門檻對準對應的所述觀測門下端。
3.根據權利要求I所述的具有新型營養液供給系統的立體自控植物氣霧培養裝置，其特征在于所述營養液儲存容器固定于所述均光旋轉系統的所述支撐底座上，并相對于所述地面固定，所述加壓設備和所述營養液霧化噴頭位于所述立體栽植筒內并且相對于所述立體栽植筒固定，所述加壓設備的進液口通過所述營養液輸送管，穿過所述導流嘴與營養液儲存容器連通。
4.根據權利要求I所述的具有新型營養液供給系統的立體自控植物氣霧培養裝置，其特征在于每個所述栽植空間對應設置一套獨立的所述營養液供給系統。
5.根據權利要求I所述的具有新型營養液供給系統的立體自控植物氣霧培養裝置，其特征在于所述營養液供給系統還包括營養液觀測杯，所述營養液觀測杯位于所述最外側營養液儲存容器的外部，每個所述營養液儲存容器的底部與一個所述營養液觀測杯的底部連通。
6.根據權利要求I所述的具有新型營養液供給系統的立體自控植物氣霧培養裝置，其特征在于所述加壓設備為加壓泵，所述營養液供給系統還包括營養液供給控制系統，所述營養液供給控制系統包括濕度控制器、交流直流轉換器和集電環電刷結構，所述濕度控制器包括濕度控制器主機和濕度傳感器，所述濕度控制器主機包括濕度傳感器接入端口、交流輸入端和交流輸出端，所述濕度傳感器位于所述立體栽植筒內，通過所述集電環電刷結構連接到所述濕度傳感器接入端口，所述濕度控制器主機交流輸入端連接交流電源，所述交流直流轉換器包括交流輸入端和直流輸出端，所述交流輸入端連接所述濕度控制器主機交流輸出端，所述直流輸出端經過集電環電刷結構連接到所述加壓泵電機。
7.根據權利要求I所述的具有新型營養液供給系統的立體自控植物氣霧培養裝置，其特征在于所述濕度控制系統是所述營養液供給系統的控制系統，所述濕度控制系統即所述營養液供給控制系統。
8.根據權利要求I所述的具有新型營養液供給系統的立體自控植物氣霧培養裝置，其特征在于所述加壓泵安裝于防水盒中。
全文摘要
一種具有新型營養液供給系統的立體自控植物氣霧培養裝置，所述營養液供給系統包括營養液儲存容器、加壓設備、營養液霧化噴頭、營養液輸送管和分流防混結構，所述營養液霧化噴頭通過所述加壓設備和所述營養液輸送管與所述營養液儲存容器連通。本發明可以實現植物營養液的自控霧化供給，可以實現營養液濃度地準確控制，保證參試植物生長環境的相對一致，減少試驗誤差；還可以保障植物根系空間適宜的溫度環境。可概括為自動控制便于管理，霧化供養降低誤差。
文檔編號A01G31/02GK102960229SQ20121007722
公開日2013年3月13日 申請日期2012年3月22日 優先權日2012年3月22日
發明者孫長忠 申請人:中國林業科學研究院華北林業實驗中心