Misurare Spray Dimensione Goccia dagli ugelli agricole con laser diffrazione
Summary
Presentiamo protocolli da utilizzare nella misurazione di dimensioni prodotto a goccia da ugelli agricoli utilizzati per entrambe le applicazioni basate agrochimici aeree e di terra. Questi metodi presentati sono stati sviluppati per fornire dati coerenti e ripetibili dimensione delle gocce sia inter e intra-laboratorio, quando si utilizzano sistemi di diffrazione laser.
Abstract
Quando si effettua una richiesta di qualsiasi materiale di protezione delle colture, come un erbicidi o pesticidi, l'applicatore utilizza una varietà di competenze e informazioni per prendere una applicazione in modo che il materiale raggiunge il sito di destinazione (ad esempio, impianti). Informazioni fondamentali in questo processo è la dimensione delle gocce che un particolare ugello, pressione di spruzzatura, e la combinazione soluzione spray genera, come dimensione delle gocce influenza notevolmente l'efficacia del prodotto e come le spruzzo si muove attraverso l'ambiente. I ricercatori e produttori di prodotti comunemente usano apparecchiature diffrazione laser per misurare la dimensione di prodotto a goccia in galleria del vento di laboratorio. Il lavoro qui presentato descrive i metodi utilizzati nella fabbricazione di misurazione delle dimensioni delle gocce a spruzzo con attrezzature diffrazione laser per gli scenari sia a terra e l'applicazione aerea che possono essere utilizzati per garantire inter- e intra-laboratorio di precisione, riducendo al minimo errori di campionamento associato a sistemi di diffrazione laser. Il mantenimento di critica la misura diprese di posizione e il flusso d'aria simultaneo in tutto il processo di test è la chiave per questa precisione. analisi della qualità dei dati in tempo reale è anche fondamentale per prevenire l'eccesso variazione dei dati o l'inclusione estranei di dati errati. Alcuni limiti di questo metodo includono ugelli atipici, soluzioni spray o condizioni di applicazione che si traducono in corsi d'acqua a spruzzo che non atomizzano completamente entro le distanze di misura discussi. adattamento di successo di questo metodo può fornire un metodo molto efficiente per la valutazione delle prestazioni di agrochimiche ugelli applicazione a spruzzo sotto una varietà di impostazioni operative. Anche discusso sono potenziali considerazioni di progettazione sperimentali che possono essere inclusi per migliorare la funzionalità dei dati raccolti.
Introduction
Quando si effettua qualsiasi applicazione a spruzzo agrochimico, le preoccupazioni principali sono garantire la massima efficacia biologica, riducendo al minimo qualsiasi movimento off-target e associato un impatto ambientale negativo o altri danni biologici non bersaglio. Uno dei fattori principali da considerare quando si imposta qualsiasi spruzzatore, prima di un'applicazione, è dimensione delle gocce, che è stato da tempo riconosciuto come uno dei parametri principali che influenzano complessiva deposizione a spruzzo, l'efficacia, e la deriva. Mentre ci sono un certo numero di altri fattori che influiscono potenzialmente deposizione spray e deriva, dimensione delle gocce è uno dei più facili da cambiare per adattarsi alle esigenze di un dato scenario applicativo. La dimensione delle goccioline da ogni ugello agricola è influenzato da una serie di fattori tra cui, ma non limitato a, tipo di ugello, ugello dimensioni dell'orifizio, pressione di spruzzatura e soluzione spray proprietà fisiche. Con le applicazioni aeree, l'influenza supplementare di taglio dell'aria derivante dalla velocità del velivolo edell'ugello orientamento relativo a tale airshear, provoca rottura secondaria degli spruzzi lasciando gli ugelli 1. Con tutti questi fattori, applicatori si trovano ad affrontare il difficile compito di fare selezione ugello corretto e le decisioni di impostazione operative che assicurano che tutti i prodotti di pesticidi etichette siano soddisfatte e che la dimensione di prodotto a goccia risultante è tale che la deposizione on-target e l'efficacia biologica sono mantenuti riducendo al minimo il movimento fuori bersaglio. L'obiettivo di questo metodo è quello di fornire informazioni chiare e concise sulla dimensione delle gocce risultanti dalle varie combinazioni che influenzano i fattori a supporto delle decisioni operative di un applicatore.
Mentre ci sono un certo numero di strumenti disponibili per la misurazione della dimensione delle gocce di spray, misurazioni da ugelli chimici per l'agricoltura sono in genere o diffrazione laser, le immagini, o doppler fase di base 2. I metodi basati immaginario e la fase doppler sono metodi singoli contatori di particelle,il che significa che le aree più piccole all'interno della nuvola di spruzzi si concentrano su, con singole particelle da misurare 3. Considerando metodi di diffrazione laser prendere una misurazione complesso, cioè la distribuzione di un gruppo di particelle sta rapidamente misurata 3. Mentre questi metodi differiscono in linea di principio, con la corretta installazione e utilizzo, risultati comparabili si possono ottenere 4. metodi di diffrazione laser sono stati ampiamente adottato dalla comunità applicazione agricola a causa della facilità d'uso, capacità di rapido di misura ad alta densità numero spray e la vasta gamma di misura dinamica. Come misura insieme è fatto, una sola traslazione di un pennacchio spruzzo attraverso la linea di misurazione è tutto ciò che serve per una dimensione delle gocce composita dell'intera spruzzo. Ciò consente valutazioni efficienti di dimensione delle gocce da un gran numero di ugelli e combinazioni di parametri operativi. In confronto, i singoli metodi contatore di particelle necessariamente concentrarsi su aree molto più piccolo ingegnohin una nuvola spruzzo al fine di catturare le particelle individuali, il che significa che più posizioni di misura devono essere valutati e combinati per restituire un risultato composito. Questo richiede molto più tempo, sforzo e soluzione spray per valutare un unico pennacchio spruzzo di metodi basati diffrazione laser. Il volume dello spruzzo aumento richiesto può presentare un problema significativo se prodotti reali antiparassitari sono testati come risultato di un aumento dei costi del materiale utilizzato ed i costi di smaltimento. Tuttavia, i singoli metodi contatori di particelle offrono il vantaggio di fornire un campione temporale, in quella di misurare il numero di goccioline per unità di tempo che passano attraverso un volume del campione, mentre diffrazione laser fornisce un campione spaziale della misurazione è proporzionale al numero di goccioline all'interno un dato volume 5. Sono state tutte le velocità delle gocce all'interno di un dato spruzzare lo stesso, i metodi potrebbero fornire risultati identici. Tuttavia, per la maggior parte dei sistemi a spruzzo le velocità delle goccioline sono correlatia Dimensione Goccia, con un conseguente pregiudizio con metodi di campionamento spaziale 6.
Il superamento di questa distorsione spaziale da misure di diffrazione laser attraverso una metodologia di test appropriata è una parte fondamentale della valutazione spruzzo dimensione delle gocce da ugelli spruzzatori agricoli 4. La polarizzazione spaziale viene ridotta quando si verifica ugelli in una corrente d'aria concomitante di 13 m / sec e con la posizione di misura in una opportuna distanza dall'ugello, come la combinazione di questi due parametri sono risultati in velocità goccioline omogenee in tutto lo spray nube 4. Inoltre, la polarizzazione spaziale è piccola (5% o meno) per il test ugello aerea a causa delle alte velocità relative simultanee valutati 7,8. Per determinare il metodo di prova ottimale per ridurre il bias spaziale con i nostri a bassa e ad alta velocità Servizi in galleria del vento in corso, la serie di ugelli di riferimento utilizzato per determinare le classificazioni dimensioni spruzzo agricola 9 sono stati valutati per la dimensione delle gocce ucantare sia diffrazione laser e metodi di imaging 10. valutazioni dimensionamento sono state condotte sotto molteplici combinazioni di velocità dell'aria simultaneo e distanza di misurazione (la distanza dall'uscita dell'ugello al punto di misurazione), rappresentativa della gamma operativa degli impianti esistenti. misure di diffrazione laser sono stati confrontati con i risultati imagery per determinare il potenziale di polarizzazione spaziale e la combinazione ottimale di distanza di misurazione e velocità concomitante è stato selezionato come procedura operativa standard. A distanza di misura di 30,5 cm e una velocità concomitante di 6,7 m / sec per la valutazione di ugelli spruzzatori terreno nel tunnel a bassa velocità del vento ridotti polarizzazione spaziale al 5% o meno 10. Distorsioni spaziali di 3% o meno sono stati ottenuti per valutazioni ugelli aeree in tunnel ad alta velocità, per tutte le velocità testati, con una distanza di misurazione del 45,7 cm 10. L'utilizzo di questi metodi standard, gli autori sono stati in grado di dimostrare che laboratorio per variabi laboratoriolità potrebbe essere ridotto al minimo, fornendo per i dati dimensione delle gocce interlaboratorio coerenti 11.
Tutti i test dimensione delle gocce dimostrato come parte di questo lavoro è stato condotto al centro di ricerca a spruzzo atomizzazione Unità USDA-ARS-aerea Application Technology Research di. Un sistema di diffrazione laser è posizionata a valle dell'ugello alle distanze specificate nella sezione Protocollo. Per il test degli ugelli a terra, il sistema di diffrazione laser è stato configurato, seguendo le istruzioni del produttore, di avere una gamma di dimensioni dinamica di 18-3,500 micron in 31 scomparti 12. Allo stesso modo per l'ugello aerea testare il sistema è stato configurato con una gamma dinamica di dimensioni 9 a 1.750 micron, anche in 31 scomparti 12. valutazioni ugelli spray a base aeree sono state condotte in aria ad alta velocità per simulare le condizioni di applicazione aeree. ugelli spruzzatori a terra sono stati testati in una sezione galleria del vento più grande, con una sola velocità simultaneo di ridurre al minimo la spaTIAL pregiudizi da diffrazione laser. Ugelli testati sono stati posizionati a monte del sistema di diffrazione laser le distanze indicate nella sezione Protocollo. Ugelli sono stati montati su una traversa lineare, permettendo il pennacchio spray per muovere verticalmente attraverso la zona di misura durante un dato ciclo di misura. Il protocollo per il test degli ugelli a terra descrive un esperimento esaminando tre ugelli tipici a due pressioni di spruzzatura mentre il test ugello aerea descrive un esperimento esaminando due ugelli spruzzatori tipici a due pressioni a spruzzo e tre le velocità. Entrambi gli scenari di test usano una soluzione "attivo in bianco" a spruzzo, piuttosto che solo acqua, per simulare gli effetti di soluzioni spray mondo reale.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ci sono un certo numero di passaggi critici da seguire durante l'applicazione di questo metodo. Con entrambe le valutazioni ugelli aeree e di terra, la distanza dall'uscita dell'ugello alla linea di misura deve essere verificata prima di ogni misurazione. Qualsiasi variazione in tale distanza può avere un impatto significativo sui risultati. Allo stesso modo, la velocità concomitante utilizzato in fase di test degli ugelli a terra deve essere verificata e regolata per il 6,7 m / sec consigliato. Le differenze di velocità rispetto alle raccomandazioni influenzano significativamente i risultati a causa di campionamento problemi di polarizzazione a velocità inferiori, e potenzialmente aumentare la rottura secondaria a velocità più elevate. Inoltre, il corretto allineamento dei componenti del sistema di diffrazione laser è critica per assicurare che il sistema operativo alla specifica accuratezza e precisione certificata dal produttore. l'installazione corretta e l'allineamento degli ugelli rispetto al flusso d'aria concomitante è fondamentale per garantire dati di qualità, come anche lievedisallineamenti di pochi gradi nel posizionamento ugelli possono causare impatti significativi sui dati di dimensione delle gocce risultanti.
I metodi presentati possono essere applicati a qualsiasi configurazione ugello o soluzione spray sia per terra e sistema di antenna. Con spruzzatori terra, variazioni spruzzo dimensioni delle gocce sono tipicamente una funzione del tipo di ugello e dimensione, pressione di spruzzo e tipo soluzione spray. Con spruzzatore aerea ruolo aggiuntivo di variazioni di velocità e l'orientamento dell'ugello airstream circostante sono fondamentali per la dimensione delle gocce risultante. Questo metodo può essere utilizzato per valutare l'effetto combinato di questi fattori sulla dimensione finale delle gocce. Tuttavia ci sono casi rari, quando sono richieste alcune modifiche ai metodi consigliati. In particolare, le soluzioni spruzzo o gli ugelli che richiedono distanze maggiori dalla bocchetta per la completa rottura di spray in particelle discrete richiedono la regolazione della distanza tra ugello e poin di misurat. Fino ad oggi, gli unici trattamenti soluzione ugello / spruzzo che hanno richiesto questo tipo di regolazione sono stati ugelli flusso diritto a tutte le impostazioni operative e ugelli a ventaglio piatto angolo stretto con additivi spray che aumentano la viscosità di soluzioni, se misurati in condizioni di prova dell'applicazione aeree. Il sistema diffrazione laser restituirà ancora dati di dimensioni droplet in caso di rottura incompleta della nube spruzzo, ma i dati risultanti sarà tipicamente orientato alla dimensioni delle goccioline molto più grandi a causa dei legamenti spruzzo essere misurati dal sistema. Mentre questi legamenti non sono immediatamente evidenti ad occhio nudo, la loro presenza tipicamente mostra visivamente nella trama di distribuzione come un picco secondario all'estremità superiore della scala dimensione delle gocce (Figura 3). Anche se si consiglia cautela nel supporre che questo picco secondario è il risultato della presenza di legamenti, come vibrazioni esterne o altre interferenze con il sistema di diffrazione laser può causareuna risposta simile. Con l'aumentare del livello di esperienza di un utente, rendendo la distinzione tra i due sulla base di errori diventa più facile. Nel caso in cui spruzzo atomizzazione è incompleta, abbiamo trovato che l'estensione della distanza di campionamento a 1,8 m (per ugelli spruzzatori aeree) risolve i dati di qualità di emissione e di ritorni. Questa distanza 1,8 m è infatti la distanza standard a cui il nostro gruppo valuta tutti gli ugelli flusso diritto in condizioni di applicazione aerea. Quando si lavora con ugelli spruzzatori terra, ci sono una classe di disegni ugelli che utilizzano una doppia, piatta uscita del ventilatore orifizio può richiedere modifiche all'ugello configurazione di montaggio per assicurare l'intero pennacchio spruzzo passa attraverso l'area campionamento senza incrostazioni lenti del sistema diffrazione laser .
Mentre questo metodo è progettato per minimizzare la distorsione campionamento causa distorsioni spaziali associati ai sistemi di diffrazione laser, esso non li elimina completamente, il che significa che i valori di dimensione delle gocce Return non può essere preso come "assoluto". diffrazione laser non fornisce un mezzo per misurare e regolare, i dati di formato gocciolina risultanti per le velocità gocciolina non omogenei fra le diverse dimensioni delle gocce nella nube spruzzo composito. Questo diventa critica quando insiemi di dati interlaboratorio sono confrontati, con particolare riguardo alla ugelli terra. Il metodo attualmente accettato per standardizzare i risultati e consentire confronti tra laboratori utilizza una serie di altamente calibrate ugelli di riferimento, le cui goccioline dimensione dei dati vengono utilizzati per stabilire una serie di categorie di classificazione. La valutazione di questi ugelli dovrebbe essere condotta come parte di ogni valutazione dimensionamento delle gocce. Ulteriori dettagli sui ugelli e le definizioni di classificazione possono essere trovati in American Society of Agricultural Engineers e Biologiche (ASABE) "Spray Classificazione ugello da Droplet Spectra" Standard Internazionale (ASAE / ANSI, 2009).
Come discusso nel Introduzione, ci sono altri sistemi di gocce di dimensionamento oltre a diffrazione laser. Dove diffrazione laser fornisce una misura composita di dimensione delle gocce sull'intera pennacchio spruzzo, questi metodi si concentrano in una piccola area della nuvola spruzzo, il campionamento solo una piccola porzione della nube complessiva spruzzo. Ottenere un campione rappresentativo dell'intero pennacchio di questi altri metodi richiede molto più rigoroso, e richiede tempo, traverse multi-cordale di area della sezione trasversale del pennacchio di spruzzo, risultando in un gran numero di sotto-campioni che devono essere combinati per generare una risultato composito. Questo richiede molto più tempo rispetto all'utilizzo diffrazione laser.
Una volta che questo metodo è stato integrato con successo in un programma di ricerca e le tecniche masterizzato dagli utenti, la prossima sfida sta conducendo esperimenti ben strutturati volti a comprendere il ruolo ciascuno dei fattori influenza giocare rispetto alla formazione di dimensione delle gocce. Questo è un bigger sfida di quello che sembra dato la combinazione apparentemente infinita di tipo di ugello, configurazione ugello e fattori operativi, velocità e posizione dell'ugello (aerea) e miscele estemporanee del mondo reale utilizzato dall'industria applicazioni agricole. Ancora più di una sfida è trovare un modo in cui le marche tali informazioni a disposizione degli applicatori in un formato che è facilmente utilizzabile. Un'opzione nostro gruppo ha utilizzato con successo è una classe di disegni sperimentali chiamati superfici di risposta che consentono lo sviluppo di modelli predittivi dimensioni droplet basata su un numero limitato di trattamenti sperimentali che consentano una valutazione estremamente efficiente di molteplici ugelli e soluzioni 14 a spruzzo, 15. Questo metodo di progettazione strutturata è stato utilizzato per sviluppare una serie di modelli di dimensione delle goccioline per il più comunemente usato aerei e di terra di 11 ugelli 16 utilizzati da applicatori agricoli.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This study was supported in part by a grant from the Deployed War-Fighter Protection (DWFP) Research Program, funded by the U.S. Department of Defense through the Armed Forces Pest Management Board (AFPMB). Mention of trade names or commercial products in this publication is solely for the purpose of providing specific information and does not imply recommendation or endorsement by the U.S. Department of Agriculture. USDA is an equal opportunity employer.
Materials
| 90% Non-ionic surfactant | Wilbur-Ellis | R11 | R11 is the trade name of Wilbur-Ellis non-ionic surfactant. |
| HELOS-VARIO/KR | Sympatec GmbH System-Partikel-Technik | HELOS-VARIO/KR | This system is available with several different lens options that change the effective measurement size range. |
| Wind Tunnel/Blower systems | Custom built | n/a | Airspeed range of Low speed system is 0-7 m/s and high speed from 18-98 m/s |
| Air Compressor | n/a | n/a | There is no specific air compressor needed to feed the system. However, the larger the tank volume and the higher the working volumetric flow rating, the better it will keep up with the testing. |
| 2015 and 4015 Aerial Nozzles | CP Products | CP11TT and CP05 swivel with 2015 and 4015 tips | These were the aerial nozzles detailed in the methods, however, any number of spray nozzles can be evaluated by this method. |
| 11005, AI11005 and TTI11005 Ground Nozzles | Spraying Systems | XR11005, AI11005 and TTI11005 | As with the aerial spray nozzles, these were the nozzles detailed in the Protocol, but this method is not limited to these nozzles. |
| 200 psi Stainless Steel pressure tank | Alloy Products Corp. | B501-0328-00-E-R | There are a number of suppliers with similar pressure vessels that can be used. This suppliers had the highest pressure rated tanks on the market. |
| Various plumbing and air fittings and hoses | n/a | n/a | Liquid and air plumbing fittings and hoses as needed to plumb the entire system. |
| 200 psi Pressure regulator | Coilhose Pneumatics | 8803GH | Any pressure regulator will work, this one was size to meet the high pressure needs as well as the plumbing used. |
| Pressure transducer | Omega | PX419-150GV | This pressure transducer was selected to fit the higher pressure loads we use. There are other pressure ranges available from the manufacturer. |
| Airspeed Indicator | Aircraft Spruce | Skysports dual dial airspeed indicator 30-250 mph. | Any airspeed indicator can be used. This one was selected to fit the speed range of our high speed aerial nozzle testing tunnel. |
| Hot Wire anemometer | Extech | 407119 | There are also a variety of options for measureing the airspeed in the low speed wind tunnel used for testing ground nozzles. |
References
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