Medir el tamaño de pulverización de gota de boquillas agrícolas Uso de difracción láser
Summary
Presentamos protocolos que deben utilizarse en la medición de tamaño de las gotitas de pulverización de las boquillas agrícolas utilizados en las aplicaciones de agroquímicos basados aéreas y terrestres. Estos métodos presentados se desarrollaron para proporcionar datos de tamaño de gota consistente y repetible tanto inter e intra-laboratorio, cuando se utilizan sistemas de difracción láser.
Abstract
Al hacer una solicitud de cualquier material de protección de cultivos, tales como un herbicida o pesticida, el aplicador utiliza una variedad de habilidades e información para hacer una solicitud para que el material llegue al sitio de destino (es decir, las plantas). Información crítico en este proceso es el tamaño de las gotitas que una boquilla de pulverización en particular, la presión de pulverización, y la combinación de solución de pulverización genera, como el tamaño de gota influye en gran medida la eficacia del producto y la forma en el aerosol se mueve a través del medio ambiente. Los investigadores y fabricantes de productos suelen utilizar equipos de difracción láser para medir el tamaño de las gotas de pulverización en túneles de viento de laboratorio. El trabajo que aquí se presenta describe los métodos utilizados en la toma de mediciones del tamaño de las gotitas de pulverización con el equipo de difracción láser para escenarios tanto en tierra y la aplicación aérea que pueden ser utilizados para asegurar la precisión inter e intra-laboratorio y reducir al mínimo el sesgo de muestreo asociado con los sistemas de difracción láser. El mantenimiento crítico di mediciónposturas y el flujo de aire concurrente en todo el proceso de prueba es clave para esta precisión. análisis de calidad de datos en tiempo real también es fundamental para prevenir el exceso de variación de los datos o la inclusión extraña de datos erróneos. Algunas limitaciones de este método incluyen boquillas de pulverización atípicos, soluciones de pulverización o condiciones de aplicación que dan lugar a corrientes de pulverización que no atomizan totalmente dentro de las distancias de medición discutidos. adaptación exitosa de este método puede proporcionar un método altamente eficiente para la evaluación del funcionamiento de las pistolas de aplicación por pulverización de agroquímicos bajo una variedad de entornos operativos. También se discuten las posibles consideraciones de diseño experimental que se pueden incluir para mejorar la funcionalidad de los datos recogidos.
Introduction
Al realizar cualquier aspersión de agroquímicos, las principales preocupaciones son garantizar la eficacia biológica máxima y reducir al mínimo cualquier movimiento fuera del objetivo y el impacto ambiental adverso asociado u otros daños biológicos no objetivo. Uno de los principales factores a tener en cuenta al configurar cualquier rociador, antes de una aplicación, es el tamaño de las gotas, que durante mucho tiempo ha sido reconocido como uno de los parámetros principales para influir en general deposición por pulverización, la eficacia, y la deriva. Mientras que hay un número de otros factores que podrían afectar a la deposición de pulverización y la deriva, tamaño de la gota es una de las más fácil de cambiar para adaptarse a las necesidades de un escenario de aplicación dado. El tamaño de gota de cualquier boquilla de pulverización agrícola está influenciada por un número de factores incluyendo, pero no limitado a, el tipo de boquilla, el tamaño de orificio de la boquilla, la presión de pulverización y solución de pulverización propiedades físicas. Con las aplicaciones aéreas, la influencia adicional de la cizalladura del aire resultante de la velocidad del aire de la aeronave y lade boquilla de orientación con relación a la airshear, provoca ruptura secundario de los aerosoles que salen de las toberas 1. Con todos estos factores, los aplicadores se enfrentan a la difícil tarea de hacer la selección de la boquilla adecuada y decisiones de configuración operacionales que aseguran que se cumplan todas las etiquetas de los productos plaguicidas y que el tamaño de las gotas de pulverización resultante es tal que la deposición en el destino y la eficacia biológica se mantienen y reducir al mínimo el movimiento fuera del objetivo. El objetivo de este método es el de proporcionar información clara y concisa sobre el tamaño de las gotas resultantes de las diversas combinaciones de factores que influyen para apoyar las decisiones operativas de un aplicador.
Aunque hay una serie de instrumentos disponibles para la medición de tamaño de las gotitas de aerosoles, las mediciones de boquillas de pulverización de productos agroquímicos son típicamente o bien de difracción de láser, imágenes, o doppler fase basada 2. Los métodos basados en imágenes y la fase Doppler son métodos solo contador de partículas,lo que significa que las áreas más pequeñas dentro de la nube de pulverización se centran en, con partículas individuales que se mide 3. Mientras que los métodos de difracción láser realizar una medición de conjunto, es decir, la distribución de un grupo de partículas se mide rápidamente 3. Si bien estos métodos difieren en principio, con la instalación y el uso adecuado, resultados comparables se pueden obtener 4. métodos de difracción láser han sido ampliamente adoptado por la comunidad aplicación en la agricultura debido a la facilidad de uso, capacidad de alta densidad de número aerosoles rápida medición y el gran rango de medición dinámico. Como se hace una medición de conjunto, un único transversal de un penacho de pulverización a través de la línea de medición es todo lo que se requiere para un tamaño de gota de material compuesto de la totalidad de la pulverización. Esto permite que para las evaluaciones eficientes de tamaño de gota de un gran número de boquillas de pulverización y combinaciones de parámetros de funcionamiento. En comparación, los métodos solo contador de partículas necesariamente se centran en áreas mucho más pequeño ingeniohin una nube de pulverización con el fin de capturar las partículas individuales, lo que significa que varios lugares de medición deben ser evaluados y se combinaron para devolver un resultado compuesto. Esto requiere mucho más tiempo, esfuerzo y solución de pulverización para evaluar un solo penacho de pulverización que los métodos basados difracción láser. El aumento de volumen de rocío requerido puede presentar un problema significativo si los productos pesticidas reales están siendo probados como resultado del aumento de los costos de los materiales utilizados y los costes de eliminación. Sin embargo, los métodos solo contador de partículas ofrecen la ventaja de proporcionar una muestra temporal, en que miden el número de gotitas por unidad de tiempo que pasan a través de un volumen de la muestra, mientras que la difracción láser proporciona una muestra espacial como la medida es proporcional el número de gotitas dentro de un volumen dado 5. Fueron todas las velocidades de las gotitas dentro de un dato de pulverización de la misma, los métodos proporcionarían resultados idénticos. Sin embargo, para la mayoría de los sistemas de pulverización se correlacionan las velocidades de las gotitasal tamaño de las gotas, lo que resulta en un sesgo con los métodos de muestreo espacial 6.
La superación de este sesgo espacial a partir de mediciones de difracción láser a través de la metodología de prueba apropiada es una parte fundamental de la evaluación de aerosol tamaño de las gotas de boquillas de pulverización agrícola 4. El sesgo espacial se reduce cuando se prueba boquillas en una corriente de aire concurrente de 13 m / seg y con el punto de medición situado a una distancia apropiada de la boquilla, como la combinación de estos dos parámetros resultados en las velocidades de las gotitas homogénea en toda la nube de pulverización 4. Además, el sesgo espacial es pequeña (5% o menos) para la prueba de la boquilla aérea debido a las altas velocidades aerodinámicas concurrentes evaluados 7,8. Para determinar el método de ensayo óptima para reducir el sesgo espacial con nuestros actuales instalaciones del túnel de viento de baja y alta velocidad, la serie de boquillas de referencia utilizado para determinar las clasificaciones por tamaño de pulverización agrícola 9 se evaluaron para determinar el tamaño de gota ucantar tanto la difracción láser y los métodos de imagen 10. Las evaluaciones de encolado se llevaron a cabo bajo múltiples combinaciones de velocidad de aire concurrente y distancia de medición (distancia desde la salida de la boquilla hasta el punto de medición), representativa del rango de funcionamiento de las instalaciones existentes. mediciones de difracción de láser se compararon a los resultados de las imágenes para determinar el sesgo espacial potencial y la combinación óptima de la distancia medida y la velocidad aerodinámica concurrente fue seleccionado como el procedimiento operativo estándar. A una distancia de medición de 30,5 cm y una velocidad del aire concurrente de 6,7 m / seg para la evaluación de las boquillas de pulverización suelo en el túnel del viento baja velocidad reducida sesgo espacial al 5% o menos 10. Se obtuvieron sesgos espaciales de 3% o menos para las evaluaciones de boquilla aéreas en el túnel de alta velocidad, para probar todas las velocidades, con una distancia de medición de 45,7 cm 10. El uso de estos métodos estándar, los autores también fueron capaces de demostrar que el laboratorio a laboratorio variabidad podría reducirse al mínimo, proporcionando datos de tamaño de gota entre laboratorios consistentes 11.
Todas las pruebas de tamaño de gota demostrado como parte de este trabajo se llevó a cabo en las instalaciones de investigación de la atomización de la Unidad de Investigación de Tecnología de Aplicación del USDA-ARS-aérea. Un sistema de difracción de láser se colocó aguas abajo de la boquilla a las distancias especificadas en la sección de Protocolo. Para la prueba de la boquilla del suelo, se configura el sistema de difracción láser, siguiendo las instrucciones del fabricante, para tener un rango de tamaño dinámica de 18-3,500 micras a través de 31 contenedores de 12. Lo mismo sucede con la boquilla aérea probar el sistema fue configurado con un intervalo de tamaño dinámico de 9 a 1.750 m, también a través de 31 contenedores de 12. Las evaluaciones de boquillas de pulverización basados aéreas se realizaron de aire de alta velocidad para simular las condiciones de aplicación aérea. boquillas de pulverización del suelo se ensayaron en un tramo de túnel de viento más grande con una sola velocidad concurrente para reducir al mínimo el spaTIAL sesgo de difracción láser. Las boquillas están probando fueron colocados aguas arriba del sistema de difracción láser en las distancias indicadas en la sección Protocolo. Las boquillas se montan en un recorrido lineal que permite el penacho de pulverización para ser atravesada verticalmente a través de la zona de medida durante un ciclo de medición dado. El Protocolo de control de los inyectores del suelo describe un experimento examinando tres boquillas típicas a dos presiones de pulverización, mientras que el control de los inyectores aérea describe un experimento examinando dos boquillas de pulverización típicas a dos presiones de pulverización y tres velocidades. Ambos escenarios de pruebas utilizan una solución de pulverización "activa en blanco", en lugar de sólo agua, para imitar los efectos de las soluciones de rociado del mundo real.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hay una serie de pasos críticos que se deben seguir cuando se aplica este método. Con ambas evaluaciones de boquilla aéreas y terrestres, la distancia desde la salida de la boquilla a la línea de medición debe ser verificada antes de cualquier medición. Cualquier variación en esta distancia puede tener un impacto significativo en los resultados. Del mismo modo, la velocidad del aire concurrente utilizado en las pruebas de la boquilla del suelo debe ser verificada y se ajustó a 6,7 m / seg recomendado. Las diferencias en la velocidad de la recomendada influirán significativamente en los resultados debido a la toma de muestras problemas de polarización a velocidades más bajas, y potencialmente aumentar la ruptura secundaria a velocidades más altas. Además, la correcta alineación de los componentes del sistema de difracción láser es crítica con el fin de asegurar que el sistema está funcionando a la especificación de precisión y precisión certificado por el fabricante. La correcta configuración y la alineación de las boquillas con respecto al flujo de aire concurrente es crítica para asegurar datos de calidad, ya que incluso una ligeradesajustes de unos pocos grados en el posicionamiento de las boquillas pueden resultar en un impacto significativo en los datos de tamaño de las gotitas resultantes.
Los métodos presentados se pueden aplicar a cualquier configuración de boquilla de pulverización o solución de pulverización tanto para suelo y el sistema de antena. Con los pulverizadores de tierra, los cambios en tamaño de las gotitas de pulverización son típicamente una función del tipo de boquilla y las dimensiones, presión de pulverización y el tipo de solución de pulverización. Con pulverizador aéreo la función adicional de los cambios en la velocidad relativa y la orientación de la boquilla para que rodea corriente de aire son críticas para el tamaño de gota resultante. Este método se puede utilizar para evaluar el efecto combinado de estos factores en el tamaño final de las gotitas. Sin embargo, hay raros casos en los que se requieren algunas modificaciones a los métodos recomendados. Específicamente, soluciones de pulverización o boquillas que requieren una mayor distancia de la boquilla para la desintegración completa de aerosol en partículas discretas requieren el ajuste de la distancia entre la boquilla y poin mediciónt. Hasta la fecha, los únicos tratamientos solución de boquilla / pulverización que han requerido este tipo de ajuste han sido boquillas de chorro directo en todos los ajustes operativos y las boquillas de abanico plano de ángulo estrecho con aditivos de pulverización que aumentan la viscosidad de soluciones, cuando se mide bajo condiciones de prueba de aplicaciones aéreas. El sistema de difracción láser seguirá devolviendo los datos del tamaño de gota en caso de ruptura incompleta de la nube de pulverización, pero los datos resultantes normalmente será sesgada hacia tamaños de gota mucho más grandes, como resultado de los ligamentos de pulverización que se mide por el sistema. Mientras que estos ligamentos no son fácilmente evidentes a simple vista, su presencia será típicamente aparece visualmente en la trama de distribución como un pico secundario en el extremo más grande de la escala de tamaño de la gota (figura 3). Aunque se recomienda precaución en el supuesto de que este pico secundario es el resultado de la presencia de ligamentos, como vibraciones externas u otras interferencias con el sistema de difracción de láser puede causaruna respuesta similar. A medida que aumenta el nivel de experiencia de un usuario, hacer la distinción entre los dos sobre la base de los errores se hace más fácil. En el caso en que la atomización es incompleta, se ha encontrado que la ampliación de la distancia de muestreo de 1,8 m (para boquillas de pulverización aérea) resuelve los datos de calidad de emisión y devoluciones. Esta distancia de 1,8 m es, de hecho, la distancia estándar a la que nuestro grupo ha evaluado todas las boquillas de chorro sólido bajo condiciones de aplicación aérea. Cuando se trabaja con boquillas de pulverización del suelo, hay una clase de diseños de boquillas que utilizan un doble, salida del orificio de abanico plano la puede requerir la modificación de la boquilla de configuración de montaje para asegurar todo el penacho de pulverización pasa a través de la zona de muestreo sin ensuciamiento lentes del sistema de difracción de láser .
Si bien este método está diseñado para minimizar el sesgo de muestreo debido a sesgos espaciales asociados a los sistemas de difracción láser, no lo elimina por completo, lo que significa que los valores de tamaño de gota retuRN no puede ser tomado como "absoluta". de difracción láser no proporciona un medio para medir y ajustar, los datos del tamaño de gota resultante de las velocidades de las gotitas no homogéneos entre los diferentes tamaños de las gotitas en la nube de pulverización de material compuesto. Esto se convierte en crítico cuando se comparan los conjuntos de datos entre laboratorios, particularmente con respecto a las boquillas de pulverización del suelo. El método actualmente aceptado para estandarizar los resultados y permitir comparaciones entre laboratorios utiliza una serie de boquillas de pulverización de referencia altamente calibrados, cuyos datos de tamaño de gota se utilizan para establecer un conjunto de categorías de clasificación. La evaluación de estas boquillas debe llevarse a cabo como parte de la evaluación de cada gota de dimensionamiento. Para más detalles sobre las boquillas y definiciones de la clasificación se pueden encontrar en la Sociedad Americana de Ingenieros biológicos (ASABE) "de boquilla Clasificación por la gotita Spectra" Estándar Internacional (ASAE / ANSI, 2009) y Agrícola.
Como se discutió en el Inintroducción, hay otros sistemas de gotitas de tamaño, además de difracción de láser. Cuando difracción láser proporciona una medida compuesta de tamaño de las gotas a través de todo el penacho de pulverización, estos otros métodos de enfocar en un área pequeña con la nube de pulverización, el muestreo de sólo una pequeña parte de la nube de pulverización en general. La obtención de una muestra representativa de la totalidad de la columna de humo con estos otros métodos requiere un mucho más rigurosa, y consume mucho tiempo de recorrido, multi-cordal de área de la sección transversal del penacho de pulverización, lo que resulta en un gran número de sub-muestras que deben ser combinados para generar una resultado compuesto. Esto requiere mucho más tiempo que el uso de difracción de láser.
Una vez que este método se ha integrado con éxito en un programa de investigación y las técnicas dominado por los usuarios, el siguiente reto está llevando a cabo experimentos bien estructurados destinados a comprender el papel que cada uno de los factores de influencia desempeñar con respecto a la formación del tamaño de las gotas. Este es un bigger desafío de lo que parece dada la combinación aparentemente interminable de tipo de boquilla, la configuración de la boquilla y los factores operacionales, la velocidad y posición de la boquilla (fumigación aérea) y mezclas de tanque en el mundo real utilizado por la industria de la aplicación agrícola. Incluso más que un reto es encontrar una forma en que los pone esta información a disposición de los aplicadores en un formato que sea fácilmente utilizable. Una opción nuestro grupo ha utilizado con gran éxito es una clase de diseños experimentales llamados superficies de respuesta que permitan el desarrollo de modelos de predicción de tamaño de las gotas basado en un número limitado de tratamientos experimentales que permiten una evaluación extremadamente eficiente de múltiples boquillas y soluciones 14 de pulverización, 15. Este método de diseño estructurado se ha utilizado para desarrollar una serie de modelos de tamaño de gota para los aéreos y terrestres 11 boquillas utilizadas más comúnmente utilizados por los 16 aplicadores agrícolas.
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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