一种螺旋钻式土壤墒情仪及土壤墒情监测和水处理方法与流程

本发明涉及土壤墒情检测及灌溉的装置及方法，尤其涉及一种螺旋钻式土壤墒情仪及土壤墒情监测和水处理方法。

背景技术：

1、现有的土壤墒情监测都是通过土壤墒情传感器静态地插入地下之后，进行固定多层监测点的土壤墒情采集监测，能够测量不同土层的水分参数，但是在实际农业和工程应用中，仍然存在以下痛点：

2、1、功能单一：仅具备“监测”功能，无法在发现土壤干旱或墒情异常时立即进行处理（如施水、施液肥）。

3、2、作业断层：用户需要先用先用螺旋钻挖掘、再插入土壤墒情传感器静态监测。记录数据后，再更换灌溉设备或人工浇水。这种“测”与“控”的分离导致人工成本高、响应滞后。

4、3、渗透效率低：在发现土壤干旱或墒情异常后，地表灌溉水分或液肥难以快速到达植物根系层，水资源利用率低。

技术实现思路

1、为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种螺旋钻式土壤墒情仪及土壤墒情监测和水处理方法，能够通过在螺旋钻杆内部中空设置散热管路，并在钻杆前端设置探测装置，解决了钻探过程中因摩擦生热导致土壤温度升高、进而影响墒情监测准确性的问题。

2、为实现上述发明目的，本发明提供一种螺旋钻式土壤墒情仪，包括钻杆、钻头、灌溉流道、散热流道和多通道流体旋转接头；

3、所述钻杆内部中空；所述钻头固定于所述钻杆的底端，且所述钻头的侧壁设有至少一个出水孔；

4、所述灌溉流道和所述散热流道相互隔离，均设置于所述钻杆的内部中空区域中；且所述散热流道包围于所述灌溉流道外侧，并靠近所述钻杆的内侧壁；

5、所述多通道流体旋转接头包括相对密封且可相对旋转的静止部和旋转部，所述旋转部固定于所述钻杆的顶端，且所述多通道流体旋转接头内部设有三条相互隔离的独立流道；

6、所述散热流道包括相连通的下行散热介质通道和上行散热介质通道；所述下行散热介质通道的入口和所述上行散热介质通道的出口，分别通过其中两条所述独立流道与外部散热循环单元的介质循环出口和介质循环入口对应连通；

7、所述灌溉流道的入口通过第三条所述独立流道与外部灌溉单元的灌溉出口连通，出口与所述出水孔密封连通。

8、根据本发明的一个技术方案，还包括土壤水分检测单元和处理控制单元；

9、所述土壤水分检测单元设置于所述钻头外侧壁或靠近所述钻头的所述钻杆底端外侧壁，用于响应于检测触发信号，采集当前的土壤含水量；

10、所述处理控制单元，用于基于预设的检测触发条件生成所述检测触发信号，并接收所述土壤含水量。

11、根据本发明的一个技术方案，所述处理控制单元，还用于将接收到的所述土壤含水量与预设的水分阈值进行比对；当所述土壤含水量低于所述预设的水分阈值时，生成灌溉控制指令并发送至外部灌溉单元，以驱动所述外部灌溉单元通过所述灌溉流道进行注水。

12、根据本发明的一个技术方案，还包括散热管和灌溉管；

13、所述散热管和灌溉管均为直管，所述散热管套设于所述灌溉管的外部；且所述灌溉管的内部空间作为灌溉流道，所述灌溉管外侧壁与所述散热管内侧壁之间的空间作为散热流道；

14、所述散热流道内设置有导流板；所述导流板用于将所述散热流道分割为下行散热介质通道和上行散热介质通道，且所述下行散热介质通道与所述上行散热介质通道在靠近钻头处相互连通。

15、根据本发明的一个技术方案，还包括灌溉管和散热盘管；

16、所述灌溉管为直管、且内部空间作为所述灌溉流道；

17、所述散热盘管包括并行的下行散热管和上行散热管，且所述下行散热管和上行散热管均螺旋盘绕于所述灌溉管的外侧壁；所述下行散热管作为所述下行散热介质通道，所述上行散热管作为所述上行散热介质通道，且所述下行散热管的底端和所述上行散热管的底端在靠近钻头处相互连通。

18、根据本发明的一个技术方案，还包括至少一个温度检测单元；

19、至少一个所述温度检测单元设置于所述钻杆和/或钻头的外侧壁，用于采集钻杆和/或钻头当前的温度；

20、所述处理控制单元，还用于将接收到的所述温度与预设的温度阈值进行比对；当所述温度高于所述预设的温度阈值时，生成散热控制指令并发送至外部散热循环单元，以驱动所述外部散热循环单元增大散热介质的输出流量，进而提高散热介质的循环流速。

21、根据本发明的一个技术方案，钻头内部设置分流腔，所述分流腔内分隔出多个相互独立的分流流道；

22、多个所述分流流道的入口均与所述灌溉流道的出口密封连通，且每一个出水孔与至少一个所述分流流道的出口连通。

23、根据本发明的一个技术方案，所述出水孔内均嵌入安装有弹簧复位单向阀；

24、所述弹簧复位单向阀，用于在自身弹簧回复力与外部土壤压力的共同作用下保持密封；以及在受到来自相应分流流道内灌溉液的液体压力、且所述液体压力与外部土壤压力的压差大于预设的开启压力差值阈值时，克服所述弹簧回复力开启。

25、本发明还提供土壤墒情监测和水处理方法，基于上述的螺旋钻式土壤墒情仪实现，步骤包括：

26、在所述钻杆向下钻进的过程中，所述处理控制单元基于不同的下钻深度生成相应的检测触发信号；土壤水分检测单元响应于所述检测触发信号，采集对应下钻深度的土壤含水量；

27、所述处理控制单元接收并记录所述土壤水分检测单元回传的各所述土壤含水量，并与相应下钻深度预设的水分阈值进行比对；当当前下钻深度的土壤含水量低于所述预设的水分阈值时，所述处理控制单元基于当前土壤含水量与预设的水分阈值的偏差值，计算理论补水参数，进而生成包含所述理论补水参数的灌溉控制指令并发送至外部灌溉单元；所述理论补水参数包括理论补水时间、理论补水总体积和理论补水流量中的至少一种；

28、所述外部灌溉单元响应于所述灌溉控制指令，根据所述理论补水参数通过所述灌溉流道在当前下钻深度处进行注水。

29、本发明还提供土壤墒情监测和水处理方法，基于上述的螺旋钻式土壤墒情仪实现，步骤包括：

30、在所述钻杆向下钻进的过程中，所述处理控制单元基于不同的下钻深度生成相应的检测触发信号；土壤水分检测单元响应于所述检测触发信号，采集对应下钻深度的土壤含水量；

31、所述处理控制单元接收并记录所述土壤水分检测单元回传的各所述土壤含水量，并与相应下钻深度预设的水分阈值进行比对；当相应下钻深度的土壤含水量低于所述预设的水分阈值时，所述处理控制单元将该下钻深度标记为待灌溉层；

32、在所述钻杆自下而上的提升过程中，所述处理控制单元实时监测所述钻头的当前提升深度；当所述当前提升深度到达当前的所述待灌溉层时，所述处理控制单元基于当前的所述待灌溉层处的土壤含水量与所述水分阈值的偏差值，计算理论补水参数，进而生成包含所述理论补水参数的灌溉控制指令并发送至外部灌溉单元；所述理论补水参数包括理论补水时间、理论补水总体积和理论补水流量中的至少一种；

33、所述外部灌溉单元响应于所述灌溉控制指令，根据所述理论补水参数通过所述灌溉流道在当前的所述待灌溉层处进行注水。

34、本发明的提供一种螺旋钻式土壤墒情仪及土壤墒情监测和水处理方法，将土壤墒情监测与墒情处理结合，具有以下有益效果：

35、1、利用了螺旋钻中空钻杆的物理特性，螺旋钻杆不仅作为结构支撑，也成为了流体输送的通道。

36、2、将灌溉、土壤墒情监测与土壤下钻相结合，在螺旋钻杆原单一的散热流道的基础上，升级为“散热+灌溉”双流道共存结构。不仅提高了螺旋钻杆的空间利用率，保持散热和出水/施肥互不干扰；且能够在下钻的过程中实时进行土壤墒情监测，并能够在发现土壤干旱或墒情异常后，直接通过螺旋钻的钻头实现补水，对土壤墒情做出快速响应。

37、3、通过螺旋钻的钻头实现“根系层”的直接补水，水利用率提高30%以上。

38、4、从“人工读数判断”升级为“传感器触发水泵”，并引入了基于土壤剖面的动态补水算法，实现了真正的智能化。