Измерение Спрей Размер капли от сельскохозяйственных Насадки Использование лазерного дифракционного
Summary
Мы представляем протоколы, которые будут использоваться при измерении размеров капель спрей от сельскохозяйственных форсунок, используемых в обоих воздушных и наземных агрохимических приложений на основе. Эти методы, представленные были разработаны, чтобы обеспечить последовательное и повторяемые данные о размере капель как внутри- и лабораторную, при использовании лазерной дифракции систем.
Abstract
При создании приложения любого материала защиты сельскохозяйственных культур , таких как гербицид или пестицид, аппликатор использует различные навыки и информацию , чтобы сделать приложение таким образом , что материал достигает целевого сайта (т.е. растений). Информация решающее значение в этом процессе является размер капелек, что конкретный форсунку, давление распыления, и комбинация распыляемого раствора генерирует, в качестве размера капель в значительной степени влияет эффективность продукта и, как распылительные движется через окружающую среду. Исследователи и производители продуктов обычно используют лазерный дифракционный оборудование для измерения размера капель спрей в лаборатории аэродинамических трубах. Работа, представленная здесь, описывает методы, используемые при проведении измерений размеров распылением капель с лазерным дифракционного оборудования как для наземных и воздушных прикладных сценариев, которые могут быть использованы для обеспечения внутри- и лабораторную точность при минимизации смещения выборки, связанного с лазерной дифракции систем. Поддержание критического измерения дипозиций и одновременно воздушный поток на протяжении всего процесса тестирования является ключом к этой точности. В реальном масштабе времени анализа качества данных также имеет важное значение для предотвращения избыточного изменения в данных или постороннее включение ошибочных данных. Некоторые ограничения этого метода включают атипичные форсунок, распылителей растворы или условия применения, которые приводят к аэрозольных потоков, которые не полностью распылить в пределах расстояний измерения обсуждаемых. Успешная адаптация этого метода может обеспечить весьма эффективный метод для оценки эксплуатационных характеристик агрохимических форсунок нанесения методом распыления при различных эксплуатационных условиях. Также обсуждаются потенциальные соображения опытно-конструкторских, которые могут быть включены для улучшения функциональности собранных данных.
Introduction
При создании любого агрохимический приложения спрей, первичные опасения обеспечения максимальной биологической эффективности при минимальном вне целевого движения и связанного с ним негативного воздействия на окружающую среду или другого биологического вреда нецелевых. Одним из основных факторов, которые следует учитывать при настройке любой опрыскиватель, перед приложением, является размер капель, который уже давно признана в качестве одного из основных параметров, влияющих на общее осаждения распылением, эффективность и дрейф. Хотя существует целый ряд других факторов, которые потенциально влияют осаждения распылением и дрейф, размер капель является одним из самых простых для изменения, чтобы соответствовать потребностям данного сценария приложения. Размер капелек из любого сельскохозяйственного распылительного сопла зависит от ряда факторов, в том числе, но не ограничиваясь этим, типа сопла, форсунки размером отверстия, давление распыления распыляемого раствора физическими свойствами. С помощью воздушных приложений, дополнительное влияние сдвига воздуха в результате воздушной скорости воздушного судна исопла ориентации по отношению к этой airshear, приводит к вторичному Распад спреев , покидающих сопла 1. С учетом всех этих факторов, аппликаторы сталкиваются с трудной задачей сделать правильный выбор сопла и оперативные решения по установке, гарантировать, что все продукты пестицида этикетки выполнены и что полученный размер распыления капель такова, что на мишени осаждения и биологическая эффективность сохраняются минимизируя вне движения цели. Целью данного метода является то, чтобы обеспечить четкую, краткую информацию о размере капель в результате различных комбинаций факторов, влияющих на поддержку операционных решений аппликатором в.
Хотя существует целый ряд инструментов , доступных для измерения размера капель от распылителей, измерения из агрохимических форсунок , как правило , либо лазерной дифракции, образность, или фаза допплер на основе 2. Методы, основанные образы и фазы доплеровского единичные методы счетчик частиц,это означает , что меньшие площади в пределах облака распыления сосредоточены на, с отдельными частицами измеряется 3. В то время как методы лазерной дифракции принимают ансамбль измерения, то есть распределение группы частиц быстро измеряется 3. В то время как эти методы отличаются в принципе, при правильной установке и использовании, сравнимые результаты могут быть получены 4. Методы лазерной дифракции были широко приняты сельскохозяйственному сообществу приложений за счет простоты использования, возможность быстрого измерения высокого числа спреи плотности и большой динамический диапазон измерений. Как ансамбль измерение производится, один траверс распылительную факеле через линии измерения является все, что требуется для составного размера капли всей спрея. Это позволяет эффективно оценки размера капли из большого числа распылительных форсунок и комбинаций рабочих параметров. Для сравнения, единичные методы счетчик частиц обязательно сосредоточиться на гораздо меньших площадях остроумиегин облако спрей для того, чтобы захватывать отдельные частицы, а это означает, что несколько мест измерений должны быть оценены и объединены, чтобы вернуть составной результат. Это требует значительно больше времени, усилий и решение спрей для оценки одного факела распыления, чем методы, основанные лазерной дифракции. Увеличение объема распыления требуется может представлять собой серьезную проблему, если фактические пестицидных продуктов испытываются в результате увеличения расходов материала, используемого затраты на утилизацию отходов. Тем не менее, единичные методы счетчик частиц обеспечивают преимущество обеспечения временной выборки, в том, что они измеряют количество капель на единицу времени при прохождении через объем образца, в то время как лазерная дифракция обеспечивает пространственный образец, как измерение пропорционально число капель в пределах данный объем 5. Были все скорости капель в пределах заданного распылить то же самое, что методы будут обеспечивать одинаковые результаты. Тем не менее, для большинства систем распыления скорости капель коррелируютчтобы размер капель, что приводит к смещению с методов пространственной выборки 6.
Преодоление этого пространственного смещения из измерений лазерной дифракции с помощью соответствующей методики тестирования является важной частью оценки спрей размер капель из сопел сельскохозяйственного распылительного 4. Пространственное смещение уменьшается при испытании форсунок в параллельном потоке воздуха 13 м / сек и с местом измерения , расположенного на соответствующем расстоянии от сопла, так как сочетание этих двух параметров приводит к однородных скоростей капельных в облаке распылительного 4. Кроме того, пространственное смещение невелико (5% или менее) для воздушного испытания сопла из – за высоких параллельных воздушных скоростях оцененных 7,8. Для того, чтобы определить оптимальный метод испытаний для уменьшения пространственного смещения с нашим текущим аэродинамической трубе объектов с низкой и высокой скорости, ряд опорных сопел используется для определения классификации размера сельскохозяйственного распылительного 9 были оценены для размера капель ˙Uпоют как лазерной дифракции и методы визуализации 10. Определение размеров оценки проводились под несколькими комбинациями параллельной скорости движения воздуха и измерения расстояния (расстояние от выхода сопла до точки измерения), представитель рабочего диапазона существующих объектов. дифракционные измерения Лазерные были сопоставлены с результатами съемки с целью определения потенциального пространственного смещения и оптимальное сочетание расстояния измерения и одновременно скорость полета была выбрана в качестве стандартной оперативной процедуры. Измерение расстояния от 30,5 см и одновременное воздушной скорости 6,7 м / с для оценки заземления распылительных форсунок в скорости аэродинамической трубе низкой снижается пространственное смещение до 5% или менее 10. Пространственные уклоны 3% или менее были получены для воздушных сопел оценок в туннеле высокой скорости, для испытания все воздушные скорости, с измерения расстояния 45,7 см 10. Используя эти стандартные методы, авторы также смогли продемонстрировать, что лаборатории к лаборатории variabiмируемости может быть сведено к минимуму, обеспечивая последовательных данных межлабораторных размера капель 11.
Все испытания показали, размер капель в рамках данной работы была проведена на спрей атомизации научно-исследовательский центр применения технологии научно-исследовательское подразделение по USDA-ARS-антенны. Дифракционная лазерная система была расположена ниже по течению от сопла на расстояниях, указанных в разделе протокола. Для тестирования основного сопла, система лазерной дифракции была настроена в соответствии с инструкциями изготовителя, чтобы иметь динамический диапазон размеров 18-3,500 мкм через 31 бункеров 12. Точно так же для воздушного сопла Проверка системы была сконфигурирована с динамическим диапазоном размеров от 9 до 1,750 мкм, а также через 31 бункеров 12. Подъемное оценки форсунку на основе были проведены в высокой скорости воздуха для имитации воздушных условий применения. Основание разбрызгивающих сопел были испытаны в аэродинамической трубе большего сечения с одной параллельной воздушной скорости, чтобы минимизировать спаTiAL смещение от лазерной дифракции. Насадки испытывается были расположены выше по потоку от системы лазерной дифракции на расстояниях, указанных в разделе протокола. Форсунки были смонтированы на траверсе линейной, позволяющей порошковыми струйка должна перемещаться по вертикали через зону измерения в течение заданного цикла измерений. Протокол испытаний наземного сопла описывает эксперимент рассмотрим три типичных сопла при двух давлениях распыления в то время как воздушные сопла испытания описывает эксперимент следственным два типичных форсунок при двух давлениях распыления и трех скоростях. Оба тестирования сценариев используют "активный" пустой спрей раствор, а не только воду, чтобы имитировать эффекты реальных решений распыления.
Protocol
Representative Results
Discussion
Есть целый ряд важных шагов, которые следует соблюдать при применении этого метода. С обеих воздушных и наземных оценок сопел, расстояние от выхода из сопла до линии измерения должны быть проверены до любого измерения. Любое изменение этого расстояния может оказать существенное влияние на результаты. Аналогичным образом, одновременное воздушной скорости используется в испытательном полигоне сопла должны быть проверены и скорректированы на 6,7 м / сек рекомендуется. Различия в скорости полета от рекомендуемого существенно повлиять на результаты из-за выборки вопросов смещения при более низких скоростях, и потенциально увеличить вторичный распад на более высоких скоростях. Кроме того, надлежащее выравнивание компонентов системы лазерной дифракции имеет решающее значение для того, чтобы обеспечить систему работает в точности и точности спецификации сертифицированной производителем. Правильная установка и выравнивание сопел относительно параллельного воздушного потока имеет решающее значение для обеспечения качества данных, так как даже незначительноеперекосы в несколько градусов в позиционировании сопла может привести к существенному воздействию на полученных данных, размер капли.
Методы, представленные могут быть применены к любой конфигурации распылителя или раствора для распыления и для наземной и воздушной системы. С помощью наземных опрыскивателей, изменения размера капель спрея, как правило, зависит от типа сопла и размера, давления распыления и типа распыления раствора. С воздушным распылителем дополнительную роль изменения в воздушной скорости и ориентации сопла до окружающих поток воздуха имеют решающее значение для результирующего размера капель. Этот метод может быть использован для оценки совокупное воздействие этих факторов на конечный размер капель. Однако есть редкие случаи, когда некоторые изменения рекомендуемых методов требуются. В частности, аэрозольные растворы или сопла, которые требуют дальнейшего расстояния от сопла для полного распада спрея в дискретных частиц потребует регулировки расстояния между соплом и измерения POINт. На сегодняшний день, только процедуры решения сопла / спрей, которые требуются такого рода регулировки были бьющую сопла на всех эксплуатационных параметров и узким углом сопел плоские вентилятор с аэрозольные добавками, которые увеличивают вязкость растворов, при измерении при надземных условиях тестирования приложений. Система лазерной дифракции будет возвращать данные о размере капель в случае неполного распада облака спрея, но в результате данные, как правило, быть смещены в сторону более крупных размеров капли в результате аэрозольные связками, измеряемое системой. В то время как эти связки не очевидны невооруженным глазом, их присутствие, как правило , обнаруживаются визуально в распределительном участке в качестве вторичного пика на большем конце шкалы размера капель (рисунок 3). Хотя осторожность рекомендуется в предположении, что этот вторичный пик является результатом присутствия связками, как внешние вибрации или других помех с системой лазерной дифракции, может вызватьаналогичный ответ. По мере роста уровня опыта пользователя, что делает различие между ними в зависимости от ошибок становится легче. В случае, когда спрей атомизации является неполной, мы обнаружили, что увеличение расстояния дискретизации до 1,8 м (для воздушных форсунок) решает данные вопрос качества и возвращает. Это 1,8 м расстояние фактически стандартное расстояние, на котором наша группа оценивает все прямые сопла потока при надземных условиях применения. При работе с наземными распылителей форсунок, есть класс конструкции сопел, которые используют близнец, плоский выпускной вентилятор на горловине может потребовать модификации сопла монтажа установки, чтобы обеспечить весь спрей струйка проходит через область отбора проб без обрастания линз дифракционного системы лазера ,
В то время как этот метод разработан, чтобы минимизировать смещение выборки в связи с пространственными систематические ошибки, связанные с лазерной дифракции систем, он не полностью устранить их, а это означает, что значения размера капелек RETUр-н не может быть принято как "абсолютное". Лазерная дифракция не обеспечивает средства для измерения и регулировки, данные о размере капель в результате для неоднородного скоростей капельных среди различных размеров капель в смешанном облаке тумана. Это становится критической, когда наборы данных межлабораторные сравниваются, в частности, по отношению к земле форсунками. Метод Принятая в настоящее время стандартизировать результаты и позволяют сравнивать между лабораториями использует ряд высоко калиброванных сопел опорного спрей, чьи капелька размер данных используются для создания набора категорий классификации. Оценка этих форсунок должна проводиться в рамках каждой капельной оценки замасливающей. Более подробная информация о форсунках и определения классификации можно найти в американском обществе сельского хозяйства и биологии (ASABE) "распылительного сопла Классификация по дроплета Spectra" Международного стандарта (ASAE / ANSI, 2009).
Как уже говорилось в Inед ен ие, существуют и другие системы капелька проклейки помимо лазерной дифракции. Там, где лазерная дифракция обеспечивает составное измерение размера капелек по всей распылительного факеле, эти другие методы сосредоточиться на небольшом участке с облаком распыления, отбор проб лишь малую часть общего облака распыления. Получение репрезентативной выборки всей факеле с этими другими методами, требует гораздо более строгий, и отнимает много времени, мульти-аккордовый траверс площади поперечного сечения распылительного плюма, в результате чего большое количество подвыборок, которые должны быть объединены, чтобы генерировать составной результат. Это требует значительно больше времени, чем при использовании лазерной дифракции.
После того, как этот метод был успешно интегрирован в программу исследований и технологии освоены пользователями, следующей задачей является проведение хорошо структурированных экспериментов, направленных на понимание роли каждого из факторов влияния играют относительно формирования размера капель. Это Биггэр задача, чем кажется, учитывая кажущуюся бесконечной комбинации типа сопла, установки сопла и эксплуатационных факторов, воздушной скорости и положения сопла (опрыскивание) и реальных резервуарных смесей, используемый сельскохозяйственной отрасли применения. Еще более сложной задачей является поиск путей к делает эту информацию доступной для аппликаторов в формате, который легко пригодной к использованию. Один из вариантов наша группа с большим успехом используется класс экспериментальных конструкций называемых поверхностей отклика , которые позволяют для разработки моделей размером капель прогнозирования на основе ограниченного числа экспериментальных процедур , позволяющих чрезвычайно эффективной оценки нескольких сопел и решений 14 распыления, 15. Такой структурированный метод проектирования был использован для разработки ряда моделей размером капель для наиболее часто используемых воздушных и наземных 11 сопел 16 , используемых сельскохозяйственными аппликаторов.
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
- Bouse, L. F. Effect of nozzle type and operation on spray droplet size. Trans. ASAE. 37 (5), 1389-1400 (1994).
- Hewitt, A. Droplet size and agricultural spraying, Part I: Atomization, spray transport, deposition, drift and droplet size measurement techniques. Atomization Spray. 7 (3), 235-244 (1997).
- Black, D. L., McQuay, M. Q., Bonin, M. P. Laser-based techniques for particle-size measurement: A review of sizing methods and their industrial applications. Prog. Energy Combust. Sci. 22 (3), 267-306 (1996).
- SDTF (Spray Drift Task Force). Study No A95-010, Miscellaneous Nozzle Study. EPA MRID, No. 44310401. , (1997).
- Dodge, L. G. Comparison of performance of drop-sizing instruments. Appl. Optics. 26 (7), 1328-1341 (1987).
- Arnold, A. C. A comparative study of drop sizing equipment for agricultural fan-spray atomizers. Aeronaut. Sci. Tech. 12 (2), 431-445 (1990).
- Teske, M. E., Thistle, H. W., Hewitt, A. J., Kirk, I. W. Conversion of droplet size distributions from PMS optical array probe to Malvern laser diffraction. Atomization Spray. 12 (1-3), 267-281 (2002).
- Fritz, B. K., et al. Measuring droplet size of agricultural spray nozzles – Measurement distance and airspeed effects. Atomization Spray. 24 (9), 747-760 (2014).
- ANSI. . ASAE S572.1 Spray Nozzle Classification by Droplet Spectra. 4, 1-3 (2009).
- Fritz, B. K., et al. Comparison of drop size data from ground and aerial nozzles at three testing laboratories. Atomization Spray. 24 (2), 181-192 (2014).
- Fritz, B. K., Hoffmann, W. C. Update to the USDA-ARS fixed-wing spray nozzle models. Trans ASABE. 58 (2), 281-295 (2015).
- Sympatec Inc. . HELOS Central Unit Operating Instructions. , (2002).
- Elbanna, H., Rashed, M. I., Ghazi, M. A. Droplets from liquid sheets in an airstream. Trans ASAE. 27 (3), 677-679 (1984).
- Box, G. E. P., Behnken, D. W. Some new three-level designs for the study of quantitative variables. Technometrics. 2 (4), 455-475 (1960).
- Myers, R. H., Montgomery, D. C., Anderson-Cook, C. M. . Response Surface Methodology: Process and Product Optimization Using Designed Experiments. , 704 (2009).
- Fritz, B. K., Hoffmann, W. C., Anderson, J., Goss, G. R. Response surface method for evaluation of the performance of agricultural application spray nozzles. Pesticide Formulation and Delivery Systems: 35th Volume, ASTM STP1587. , 61-76 (2016).
