Name: 从农业喷嘴采用激光衍射测量喷雾的雾滴尺寸 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-09-16T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 14 s
Description: 学习使用激光衍射技术测量农业喷嘴喷雾雾滴尺寸的方法。本实验通过风洞测试评估喷嘴类型、喷雾压力和飞行速度对雾滴分布的影响，为优化农药施用技术提供快速精确的测量方案。

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本研究部分得到了美国国防部通过武装部队病媒管理委员会（AFPMB）资助的部署作战人员防护（DWFP）研究计划的资助。本出版物中提及的贸易名称或商业产品仅用于提供具体信息，并不意味着美国农业部推荐或认可这些产品。美国农业部是一个提供平等机会的雇主。

1. 初步设置与校准
<ol>
	<li>在进行任何测试之前，应按照制造商提供的指南对激光衍射系统组件进行校准，以确保系统的正常运行和数据质量。</li>
	<li>使用Ⅲa类激光器时，应遵守相关的安全操作规程，避免激光直射眼睛。若使用活性成分的化学喷雾溶液，需佩戴适当的个人防护装备。</li>
</ol>
2. 地面喷嘴液滴尺寸测量
<ol>
	<li>通过将47.5 ml（相当于0.25% v/v的混合比例）的90%非离子表面活性剂加入19 L水中，并使用连接在无绳电钻上的搅拌棒充分混合，制备&#34;活性空白&#34;溶液。根据测试量的多少，可能需要配制更大体积的活性空白溶液。</li>
	<li>将&#34;活性空白&#34;喷雾混合液倒入不锈钢压力罐中，密封罐体，并连接进气压力软管和通向喷嘴的出液软管。</li>
	<li>使用卷尺确认喷嘴出口与测量区域之间的距离为30.5 cm（12 in）。若符合要求，则继续下一步；若不符合，则通过移动激光衍射系统或喷嘴进行调整。</li>
	<li>在与横移系统相连的喷嘴本体上安装标准的110度扇形喷嘴，喷孔规格为#05（记作XRC11005喷嘴）。调整喷嘴方向，使扇形喷嘴的长轴在风洞中垂直取向；可通过在止回阀的安装环内旋转喷嘴，或在喷嘴无法旋转到位时调整止回阀的位置来实现。</li>
	<li>启动风洞，通过调节风扇转速并使用热线风速仪确认风洞内的风速，将风速设定为6.7 m/sec。</li>
	<li>通过使用管路压力调节器调节进气压力，将喷雾压力设定为276 kPa（40 psi）。使用安装在喷嘴上游的电子压力计确认压力值。</li>
	<li>在开始测量过程之前，启动线性横移装置并将其运行至最高位置，以将喷嘴置于风洞顶部。</li>
	<li>确保所有实验参数（喷嘴、压力、溶液、等）已在激光衍射系统的数据记录软件中正确记录，方法是确认“用户参数”界面窗口中记录的参数与测试条件一致。 
	注：此数据参数记录界面可能因所使用的激光衍射仪器不同而有所差异。</li>
	<li>在操作软件中选择“参考测量”图标，执行参考测量，以扣除灰尘或背景颗粒的影响。</li>
	<li>启动测量循环。根据所使用的激光衍射系统不同，通常需要数秒时间在正式开始测量前完成传感器的聚焦。</li>
	<li>当系统提示已准备就绪可开始测量时，打开压力罐上的液体供料阀以启动喷雾。喷雾开始后，通过横移机构将喷嘴向下移动，使其整个喷雾羽流穿过测量区域。测量完成后，关闭液体供料阀以停止喷雾。 
	注：在作者所使用的激光衍射系统中，实际测量过程直到喷雾穿过测量区域时达到0.5%的光学浓度才开始，并持续10–12秒。这些设置会因激光衍射系统和用户设定的不同而有所变化。</li>
	<li>重复步骤2.7–2.11，至少进行3次重复实验。通过计算三次重复实验中DV0.1、DV0.5和DV0.9的平均值和标准差，判断是否需要额外重复实验，确保标准差不超过平均值的10%。根据需要增加重复次数以满足该标准。</li>
	<li>将喷雾压力设定为414 kPa（60 psi），并重复步骤2.7–2.12。</li>
	<li>对每个其他感兴趣的喷嘴与压力组合，重复步骤2.6–2.12。</li>
	<li>使用操作软件提供的方法导出并保存液滴尺寸数据。</li>
</ol>
3. 航空喷嘴液滴尺寸测量
<ol>
	<li>制备 &#34;活性空白&#34; 通过将47.5 ml的90%非离子表面活性剂加入19 L水中，并使用连接在无绳电钻上的搅拌棒充分混合。 
	注意：根据待进行的测试量，可能需要更大体积的活性空白样。</li>
	<li>倒入 &#34;活性空白&#34; 将混合液喷入不锈钢压力罐中，密封罐体，连接进气压力管和输出液体管，后者用于向喷嘴供液。</li>
	<li>使用卷尺确认喷嘴出口与测量区域之间的距离为45.7 cm（18 in）。若符合，继续下一步；若不符合，通过移动激光衍射系统，使其与喷嘴之间的距离调整至所需数值。</li>
	<li>在风洞出口处的横梁移动段上，安装带有#15孔口（记为2015喷嘴）的标准20度平面扇形喷嘴，并将其连接至止回阀和喷嘴体。确保喷嘴正确安装，喷嘴体保持水平且与气流方向平行。</li>
	<li>打开风洞鼓风机，将风洞出口处的风速设为 53.6 m/sec（120 mph），并使用连接至空速指示器的皮托管确认风速。</li>
	<li>通过使用管路压力调节器调节进气压力，将喷雾压力设置为 207 kPa (30 psi)。</li>
	<li>在启动测量过程之前，将喷嘴置于横移的顶部位置。</li>
	<li>确保所有实验参数（喷嘴、压力、溶液） 等等。在激光衍射系统数据记录软件中，通过确认“用户参数”界面窗口中记录的参数与测试条件一致，确保相关参数被正确记录。 
	注意：此数据参数记录界面可能因激光衍射仪器的不同而有所差异。</li>
	<li>通过在操作软件中选择“参考测量”图标，进行参考测量，以消除灰尘或背景颗粒物的影响。</li>
	<li>启动测量周期。根据所使用的激光衍射系统，通常需要几秒钟时间在开始测量过程之前对传感器进行聚焦。</li>
	<li>当系统提示已准备就绪可开始测量时，打开压力罐上的液体进料阀以启动喷雾。喷雾启动后，通过横移机构将喷嘴缓慢下移穿过激光束，直至整个喷雾羽流完全通过测量区域。随后关闭液体进料阀以停止喷雾。 
	注意：作者所使用的激光衍射系统中，实际测量过程需待喷雾通过测量区并达到0.5%的光学浓度后才开始，并持续至经过5–7秒为止。这些设置会因激光衍射系统的不同及用户设定而有所差异。</li>
	<li>重复步骤 3.7 至 3.11，至少进行 3 次重复实验。通过计算 D 的均值和标准差，确定是否需要增加重复次数。V0.1，DV0.5，以及 DV0.9 三次重复实验的均值，确保标准差不超过均值的10%。根据需要增加重复次数以满足该标准。</li>
	<li>对每一种额外的喷嘴、压力、喷嘴方向和气流速度组合，重复步骤 3.4 至 3.12。</li>
	<li>使用操作软件中提供的方法导出并保存液滴尺寸数据。</li>
</ol>

<ol><li>Bouse, L. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+nozzle+type+and+operation+on+spray+droplet+size%5BTitle%5D)+AND+%22Trans.+ASAE%22%5BJournal%5D)">Effect of nozzle type and operation on spray droplet size.</a> Trans. ASAE. 37 (5), 1389-1400 (1994).</li>
<li>Hewitt, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Droplet+size+and+agricultural+spraying%2C+Part+I%3A+Atomization%2C+spray+transport%2C+deposition%2C+drift+and+droplet+size+measurement+techniques%5BTitle%5D)+AND+%22Atomization+Spray%22%5BJournal%5D)">Droplet size and agricultural spraying, Part I: Atomization, spray transport, deposition, drift and droplet size measurement techniques.</a> Atomization Spray. 7 (3), 235-244 (1997).</li>
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<li>Teske, M. E., Thistle, H. W., Hewitt, A. J., Kirk, I. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Conversion+of+droplet+size+distributions+from+PMS+optical+array+probe+to+Malvern+laser+diffraction%5BTitle%5D)+AND+%22Atomization+Spray%22%5BJournal%5D)">Conversion of droplet size distributions from PMS optical array probe to Malvern laser diffraction.</a> Atomization Spray. 12 (1-3), 267-281 (2002).</li>
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<li>Fritz, B. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparison+of+drop+size+data+from+ground+and+aerial+nozzles+at+three+testing+laboratories%5BTitle%5D)+AND+%22Atomization+Spray%22%5BJournal%5D)">Comparison of drop size data from ground and aerial nozzles at three testing laboratories.</a> Atomization Spray. 24 (2), 181-192 (2014).</li>
<li>Fritz, B. K., Hoffmann, W. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Update+to+the+USDA-ARS+fixed-wing+spray+nozzle+models%5BTitle%5D)+AND+%22Trans+ASABE%22%5BJournal%5D)">Update to the USDA-ARS fixed-wing spray nozzle models.</a> Trans ASABE. 58 (2), 281-295 (2015).</li>
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<li>Elbanna, H., Rashed, M. I., Ghazi, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Droplets+from+liquid+sheets+in+an+airstream%5BTitle%5D)+AND+%22Trans+ASAE%22%5BJournal%5D)">Droplets from liquid sheets in an airstream.</a> Trans ASAE. 27 (3), 677-679 (1984).</li>
<li>Box, G. E. P., Behnken, D. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Some+new+three-level+designs+for+the+study+of+quantitative+variables%5BTitle%5D)+AND+%22Technometrics%22%5BJournal%5D)">Some new three-level designs for the study of quantitative variables.</a> Technometrics. 2 (4), 455-475 (1960).</li>
<li>Myers, R. H., Montgomery, D. C., Anderson-Cook, C. M. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMyers%2C+RH+%22Response+Surface+Methodology%3A+Process+and+Product+Optimization+Using+Designed+Experiments%22">Response Surface Methodology: Process and Product Optimization Using Designed Experiments</a>. , 3rd, Wiley Press. 704(2009).</li>
<li>Fritz, B. K., Hoffmann, W. C., Anderson, J. Response surface method for evaluation of the performance of agricultural application spray nozzles. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aFritz%2C+BK+%22Pesticide+Formulation+and+Delivery+Systems%3A+35th+Volume%2C+ASTM+STP1587%22">Pesticide Formulation and Delivery Systems: 35th Volume, ASTM STP1587</a>. Goss, G. R. , ASTM International. West Conshohocken, PA. 61-76 (2016).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

应用此方法时，应遵循若干关键步骤。在进行空中和地面喷嘴评估时，均需在任何测量之前确认喷嘴出口至测量线的距离。该距离的任何偏差都可能对结果产生显著影响。同样，在地面喷嘴测试中所使用的并行风速应经过验证并调整至推荐的6.7 m/sec。风速偏离推荐值将因低风速下的采样偏差问题而显著影响结果，而在高风速下还可能增加液滴的二次破碎。此外，激光衍射系统各组件的正确对准至关重要，以确保系统运行达到制造商认证的准确度和精密度指标。喷嘴相对于并行气流的正确安装与对准对于获得高质量数据同样至关重要，因为喷嘴位置即使仅有几度的轻微错位，也可能对最终的液滴粒径数据产生显著影响。
本方法可适用于各种喷嘴结构和喷雾溶液，用于地面和航空喷洒系统。对于地面喷雾设备，喷雾液滴尺寸的变化通常取决于喷嘴类型和尺寸、喷雾压力以及喷雾溶液的种类。而对于航空喷雾设备，空速的变化以及喷嘴相对于周围气流的方向对最终液滴尺寸具有额外的重要影响。本方法可用于评估这些因素对最终液滴尺寸的综合作用。然而，在极少数情况下，可能需要对推荐的方法进行适当调整。具体而言，某些喷雾溶液或喷嘴需要更长的喷嘴至测量点距离，才能使喷雾完全断裂为独立的液滴，此时应调整喷嘴与测量位置之间的距离。迄今为止，仅在以下情况中发现需要此类调整：在所有工作参数下使用的直射流喷嘴，以及在航空喷洒测试条件下使用增粘型喷雾助剂的窄角扇形喷嘴。若喷雾云未完全断裂，激光衍射系统仍会输出液滴尺寸数据，但所得数据通常会因系统测得的是液丝（ligaments）而偏向更大的液滴尺寸。尽管这些液丝肉眼不易察觉，但其存在通常会在粒径分布图中表现为在较大粒径端出现一个次级峰（图3）。尽管如此，需谨慎判断该次级峰是否确实由液丝引起，因为外部振动或其他对激光衍射系统的干扰也可能导致类似现象。随着用户操作经验的积累，区分这两种误差来源将变得更加容易。在喷雾雾化不完全的情况下，我们发现将采样距离延长至1.8 m（针对航空喷雾喷嘴）可有效解决该问题，并获得高质量的数据。事实上，1.8 m正是本研究组在航空喷洒条件下评估所有直射流喷嘴的标准距离。在使用地面喷雾喷嘴时，存在一类采用双扇形喷口设计的喷嘴，可能需要对喷嘴安装装置进行调整，以确保整个喷雾羽流能够穿过采样区域，同时避免污染激光衍射系统的镜头。
尽管该方法旨在尽量减少与激光衍射系统相关的空间偏差所导致的采样偏差，但并不能完全消除这些偏差，因此所获得的液滴尺寸数值不能视为&#34;绝对&#34;值。激光衍射技术无法测量并校正复合喷雾云中不同尺寸液滴之间非均匀液滴速度对液滴尺寸数据造成的影响。当进行实验室间数据集比较时，这一点尤为关键，特别是针对地面喷雾喷嘴的情况。目前公认用于标准化结果并实现实验室间比较的方法，是使用一系列高度校准的参考喷嘴，其液滴尺寸数据用于建立一组分类类别。这些喷嘴的评估应作为每次液滴尺寸测量评估的一部分进行。有关喷嘴及分类定义的更多详细信息，可参见美国农业与生物工程师学会（ASABE）发布的&#34;基于液滴谱的喷嘴分类&#34;国际标准（ASAE/ANSI, 2009）。
如引言部分所述，除了激光衍射法之外，还有其他液滴粒径测量系统。激光衍射法能够对整个喷雾羽流中的液滴尺寸提供综合测量，而这些其他方法则聚焦于喷雾云中的一个小区域，仅采样整体喷雾云的一小部分。要利用这些其他方法获得代表整个羽流的样本，需要对喷雾羽流的横截面进行更为严格且耗时的多弦向扫描，从而得到大量子样本，必须将这些子样本合并才能生成综合结果。这一过程所需时间远超使用激光衍射法。
一旦该方法成功整合到研究项目中，并且用户已熟练掌握相关技术，接下来的挑战便是开展结构严谨的实验，以明确各个影响因素在液滴粒径形成过程中所起的作用。鉴于喷嘴类型、喷嘴配置和操作参数、风速与喷嘴位置（航空喷洒）以及农业施药行业实际使用的药箱混合液之间存在看似无穷的组合方式，这一挑战比表面看起来更为艰巨。更大的挑战在于，如何以一种便于施用者使用的形式，将这些信息提供给一线操作人员。我们课题组曾成功采用了一类称为响应面的实验设计方法，该方法可通过有限数量的实验处理，建立液滴粒径预测模型，从而高效地评估多种喷嘴与溶液组合14, 15。这种结构化设计方法已被用于建立农业施药人员最常使用的航空11和地面喷嘴的系列液滴粒径预测模型16。

在进行任何农药喷洒作业时，首要考虑的是确保最大的生物功效，同时尽量减少飘移至非靶标区域所导致的不良环境影响或其他非靶标生物损害。在喷洒作业前设置喷雾设备时，一个关键因素是液滴粒径，长期以来，液滴粒径一直被认为是影响整体喷雾沉积、功效和飘移的主要参数之一。尽管还有其他多种因素可能影响喷雾沉积和飘移，但液滴粒径是最容易调整以适应特定应用场景需求的因素之一。任何农业喷嘴所产生的液滴粒径受多种因素影响，包括但不限于喷嘴类型、喷孔尺寸、喷雾压力以及喷雾溶液的物理性质。在航空喷洒中，由于飞行器空速以及喷嘴相对于气流方向的取向所产生的空气剪切力，会进一步导致喷雾离开喷嘴后发生二次破碎1。面对这些复杂因素，施药人员面临一项艰巨任务：必须正确选择喷嘴并合理设置操作参数，以确保符合所有农药产品标签的要求，同时使最终的喷雾液滴粒径既能维持靶标区域的沉积效果和生物功效，又能最大限度地减少非靶标区域的移动。本方法的目标是提供清晰、简明的信息，阐明各种影响因素组合下所产生的液滴粒径特征，以支持施药人员在操作中的决策。
尽管有多种仪器可用于测量喷雾液滴的尺寸，但农用化学品喷嘴的测量方法通常基于激光衍射、成像或相位多普勒技术2。成像法和相位多普勒法属于单颗粒计数方法，即聚焦于喷雾云中的较小区域，对单个颗粒进行测量3。而激光衍射法则采用整体测量方式，意味着可快速测定一组颗粒的粒径分布3。尽管这些方法在原理上有所不同，但在正确设置和操作条件下，可以获得可比的结果4。由于操作简便、能够快速测量高密度喷雾以及具有较大的动态测量范围，激光衍射法已被农业施药领域广泛采用。由于采用整体测量方式，只需让整个喷雾羽流穿过测量线一次，即可获得全喷雾的综合液滴尺寸。这使得对大量喷嘴及不同操作参数组合的液滴尺寸评估变得高效。相比之下，单颗粒计数法必须聚焦于喷雾云中更小的区域以捕捉单个颗粒，因此需要在多个测量位置进行测定并合并数据，才能得到综合结果。这比基于激光衍射的方法需要更多的时间、人力和喷雾溶液来评估单个喷雾羽流。若使用实际农药产品进行测试，所需喷雾量的增加会带来显著问题，包括材料成本和处置成本的上升。然而，单颗粒计数法具有提供时间采样数据的优势，即测量单位时间内通过采样体积的液滴数量；而激光衍射法提供的是空间采样，其测量值与给定体积内的液滴数量成正比5。如果某一喷雾中所有液滴的速度完全相同，则两种方法将得到一致的结果。但对于大多数喷雾系统而言，液滴速度与液滴尺寸相关，导致空间采样方法存在偏差6。
通过适当的测试方法克服激光衍射测量中的空间偏差，是评估农用喷嘴雾滴粒径的关键环节4。当在13 m/sec的同向气流中测试喷嘴，并将测量位置设置在距喷嘴适当距离时，空间偏差会减小，因为这两个参数的组合可使整个喷雾云中的雾滴速度趋于均一4。此外，由于空中喷嘴测试所采用的同向气流速度较高，其空间偏差较小（5%或更低）7,8。为了确定在现有的低速和高速风洞设施中减少空间偏差的最佳测试方法，研究人员采用了一系列用于确定农用喷雾粒径分类的参考喷嘴9，并结合激光衍射法和成像法对其雾滴粒径进行了评估10。粒径评估在多种同向气流速度与测量距离（从喷嘴出口到测量点的距离）组合下进行，以代表现有设施的操作范围。通过将激光衍射测量结果与成像结果进行比较，确定潜在的空间偏差，并据此选定最佳的测量距离与同向气流速度组合作为标准操作程序。在低速风洞中评估地面喷雾喷嘴时，采用30.5 cm的测量距离和6.7 m/sec的同向气流速度，可将空间偏差降低至5%或更低10。在高速风洞中对空中喷嘴进行评估时，所有测试气流速度下均获得了3%或更低的空间偏差，测量距离为45.7 cm10。采用这些标准方法后，作者还证明实验室间的变异性可被最小化，从而实现不同实验室之间雾滴粒径数据的一致性11。
本研究中所有液滴粒径测试均在美国农业部农业研究服务局航空施药技术研究组的喷雾雾化研究设施中进行。激光衍射系统位于喷嘴下游，其距离按照方案部分中指定的参数设置。对于地面喷嘴测试，激光衍射系统根据制造商说明进行配置，动态测量范围为18–3,500 µm，共分为31个粒径通道12。同样，航空喷嘴测试的系统配置动态测量范围为9–1,750 µm，同样划分为31个粒径通道12。航空喷嘴评估在高速气流中进行，以模拟实际航空施药条件。地面喷雾喷嘴在较大尺寸的风洞段中测试，采用单一且同向的风速，以尽量减少激光衍射测量中的空间偏差。被测喷嘴按照方案部分所述距离，安装于激光衍射系统上游。喷嘴固定在直线移动装置上，可在单次测量周期内使喷雾羽流垂直穿过测量区域。地面喷嘴测试方案描述了一项实验，考察三种典型喷嘴在两种喷雾压力下的性能；航空喷嘴测试方案则描述了另一项实验，考察两种典型喷嘴在两种喷雾压力和三种风速条件下的表现。两种测试场景均使用&#34;活性空白&#34;喷雾溶液，而非仅使用水，以模拟真实喷雾溶液的影响。

<table><tbody><tr><td>90% 非离子型表面活性剂</td><td>Wilbur-Ellis</td><td>R11</td><td>R11 是 Wilbur-Ellis 非离子型表面活性剂的商品名。&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>HELOS-VARIO/KR</td><td>Sympatec GmbH System-Partikel-Technik</td><td>HELOS-VARIO/KR</td><td>该系统可配备多种不同的镜头选项，以改变有效的测量粒径范围。&amp;nbsp;&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>风洞/鼓风系统</td><td>定制</td><td></td><td>低速系统的风速范围为 0–7 m/s，高速系统为 18–98 m/s</td></tr><tr><td>空气压缩机</td><td></td><td></td><td>无需特定型号的空气压缩机为系统供气。&amp;nbsp; 但储气罐容积越大、工作体积流量额定值越高，越能持续满足测试需求。</td></tr><tr><td>2015 和 4015 型航空喷嘴</td><td>CP Products</td><td>CP11TT 和 CP05 旋转接头配 2015 和 4015 喷头</td><td>这些是方法中详细描述的航空喷嘴，但该方法可用于评估多种类型的喷雾喷嘴。</td></tr><tr><td>11005、AI11005 和 TTI11005 地面喷嘴</td><td>Spraying Systems</td><td>XR11005、AI11005 和 TTI11005</td><td>与航空喷嘴类似，这些是本方案中详细列出的喷嘴，但该方法并不限于这些喷嘴。</td></tr><tr><td>200 psi 不锈钢压力罐</td><td>Alloy Products Corp.</td><td>B501-0328-00-E-R</td><td>市场上有多家供应商提供可用于本系统的类似压力容器。&amp;nbsp; 该供应商提供的产品是目前市场上耐压等级最高的储气罐。</td></tr><tr><td>各类液路和气路管件及软管</td><td></td><td></td><td>根据需要配备液体和气体管路连接件及软管，以完成整个系统的管路连接。</td></tr><tr><td>200 psi 压力调节器</td><td>Coilhose Pneumatics</td><td>8803GH</td><td>任何压力调节器均可使用，本实验所选型号可满足高压需求及所用管路规格。</td></tr><tr><td>压力传感器</td><td>Omega&amp;nbsp;</td><td>PX419-150GV</td><td>选用此压力传感器是为了适应我们所使用的较高压力负荷。&amp;nbsp; 制造商还提供其他压力范围的型号。</td></tr><tr><td>空速指示器</td><td>Aircraft Spruce</td><td>Skysports 双表盘空速指示器 30–250 mph</td><td>可使用任意空速指示器。本实验所选型号适用于高速航空喷嘴测试风洞的速度范围。&amp;nbsp; &lt;br /&gt;&amp;nbsp; &lt;br /&gt;</td></tr><tr><td>热线风速仪</td><td>Extech</td><td>407119</td><td>用于测量地面喷嘴测试所用低速风洞内风速的仪器也有多种选择。&amp;nbsp;</td></tr></tbody></table>

使用激光衍射法测量农用喷嘴的喷雾液滴尺寸

Measuring Spray Droplet Size from Agricultural Nozzles Using Laser Diffraction

在施用任何作物保护物质（如除草剂或杀虫剂）时，施药人员需运用多种技能和信息进行操作，以确保药剂能够到达目标位点即， 植物）。此过程中关键的信息是特定喷嘴、喷雾压力和喷雾溶液组合所产生的液滴大小，因为液滴大小显著影响产品的功效以及喷雾在环境中的移动方式。研究人员和产品制造商通常使用激光衍射设备在实验室风洞中测量喷雾液滴大小。本文所述方法可用于地面和航空施用场景下，利用激光衍射设备进行喷雾液滴大小测量，以确保实验室间和实验室内的测量精确性，同时尽量减少与激光衍射系统相关的采样偏差。在测试过程中保持关键的测量距离和同步气流对此精确性至关重要。实时数据质量分析对于防止数据过度变异或错误数据的额外纳入也极为关键。该方法的一些局限性包括非典型的喷嘴、喷雾溶液或施用条件，这些可能导致喷雾流在所述测量距离内无法完全雾化。成功应用此方法可为评估农用化学品喷雾喷嘴在多种操作条件下的性能提供高效手段。文中还讨论了可纳入的潜在实验设计考虑因素，以增强所收集数据的功能性。

该方法获得的数据可根据用户偏好及激光衍射系统的操作能力以多种形式呈现。通常，数据可表示为体积加权液滴尺寸分布图（图1 和 图2），或以描述性液滴尺寸参数的形式展示（表1 和 表2）。这些结果可用于分析喷嘴或操作参数的改变对最终喷雾液滴尺寸的影响。
我们测试了两种不同的航空喷嘴，两者具有相同的孔径尺寸但喷雾扇角不同。使用这两种航空喷嘴，我们还研究了喷雾压力和空速对液滴粒径的影响。以2015型喷嘴在207 kPa喷雾压力下工作为例，比较该喷嘴在53.6 m/sec与71.5 m/sec空速下产生的体积加权分布，可以明显看出，较高的空速导致增量分布和累积分布显著向更小的液滴直径方向偏移（图1和图2），这是由于在较高空速下喷雾液滴发生更强烈的破碎所致。尽管结果的图形化表示能够直观展示数据，但从这些分布中提取的定量数值在处理较大数据集时更具实用性。农业喷雾研究中常用的液滴粒径参数包括DV0.1、DV0.5和DV0.9值，它们分别对应于喷雾总体积中有10%、50%和90%的液体包含在等于或小于该直径的液滴中的液滴直径。这些数据与图形分布中显示的数据相同，但以更便捷的形式表达。比较2015型和4015型喷嘴在两种压力及三种空速下的数据，可以观察到一些普遍趋势（表1）。在相同压力和空速条件下，4015型扇形喷嘴产生的液滴粒径小于2015型喷嘴，表现为更小的体积加权直径（DV0.1、DV0.5和DV0.9）以及粒径小于等于100 μm的液滴所占总喷雾体积的比例增加。DV0.1、DV0.5和DV0.9分别指喷雾总体积中10%、50%和90%的液体由等于或小于该直径的液滴组成的液滴直径。这一现象是由于4015型喷嘴具有更大的喷雾扇角，导致液膜扇边缘处发生更强的破碎。对于同一种喷嘴类型和喷雾压力，所有液滴粒径参数均随空速增加而减小，这同样是由于在较高空速下液滴破碎加剧所致。在考察每种喷嘴与空速组合下喷雾压力的影响时，可观察到航空喷嘴的一个有趣现象：在其他条件不变的情况下，随着压力升高，液滴粒径也随之增大11。其原因是随着喷嘴出口液体速度随压力升高而增加，液体与周围气流之间的相对速度差减小所致（表1）13。
根据所测试的地面喷嘴和喷雾压力结果，喷嘴类型对液滴大小的影响显著，其中TTI11003喷嘴产生的液滴大小超过XRC11003喷嘴的两倍，而AI11003喷嘴的液滴大小介于两者之间（表2）。在每种喷嘴类型内部，随着喷雾压力的增加，液滴大小减小，表明压力对液滴大小具有明显影响。
<img alt="液滴尺寸分布图：增量体积分布和累积体积分布与直径的关系。" src="/files/ftp_upload/54533/54533fig1.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="图 1"> 
图 1. 在207 kPa压力和53.6 m/sec气流速度下，使用孔径为#15的20度扇形喷雾喷嘴测得的增量液滴尺寸分布。 蓝色曲线表示按体积加权的增量分布，该分布提供了激光衍射系统测量的每个测量区间内液滴所含总喷雾体积的百分比。红色曲线为同一数据的累积分布形式。累积数据可用于确定对应于特定总喷雾体积百分比的体积加权直径。如图所示，要获得DV0.5体积直径，可在累积曲线上找到50%的点，并读取对应的液滴直径，表明50%的总喷雾体积包含在直径为551 μm或更小的喷雾液滴中。<a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54533/54533fig1large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="液滴尺寸分布图；增量式、累积体积与直径关系；统计分析。" src="/files/ftp_upload/54533/54533fig2.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="图 2"> 
图 2. 在207 kPa压力和71.5 m/sec空速条件下，使用孔径为#15的40度扇形喷雾喷嘴所测得的增量式液滴尺寸分布。 与图 1相同，蓝色曲线表示按体积加权的增量分布，红色曲线表示累积分布。与图 1所示结果相比，由于空速增加导致二次雾化加剧，增量分布明显向更小的液滴直径方向偏移。通过确定DV0.5体积直径可知，该喷雾体积的50%包含在直径为350 μm或更小的液滴中。<a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54533/54533fig2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="液滴直径分布图；体积 vs. 微米；数据分析；科学研究。" src="/files/ftp_upload/54533/54533fig3.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="图 3"> 
图 3. 含虚假峰示例的增量式液滴尺寸分布图。 在液滴尺寸标度较大一端右侧出现的次要小峰，通常是由于系统振动或其他噪声，或喷雾云中存在与不完全雾化相关的丝状物所致。由于典型农业喷嘴及溶液的液滴尺寸分布通常呈对数正态分布，因此若分布中出现次级峰，可能是非典型喷雾溶液和/或喷嘴组合的真实结果，但更可能是测量过程中存在某些干扰因素的指示。 <a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54533/54533fig3large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td rowspan="2">喷嘴</td>
			<td rowspan="2">压力 (kPa)</td>
			<td rowspan="2">气流速度 (m/sec)</td>
			<td colspan="3">体积加权直径 (µm) [均值 ± 标准差]</td>
			<td rowspan="2">小于 100 μm 的喷雾体积百分比</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DV0.1</td>
			<td>DV0.5</td>
			<td>DV0.9</td>
		</tr>
		<tr>
			<td rowspan="6">2015</td>
			<td rowspan="3">207</td>
			<td>53.6</td>
			<td>243.5±2.5</td>
			<td>551.8±4.6</td>
			<td>903.0±25.4</td>
			<td>1.4±0.05</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>62.6</td>
			<td>192.1±0.5</td>
			<td>444.5±1.5</td>
			<td>781.7±7.0</td>
			<td>2.4±0.04</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>71.5</td>
			<td>147.0±2.8</td>
			<td>350.6±6.1</td>
			<td>673.3±14.6</td>
			<td>4.5±0.18</td>
		</tr>
		<tr>
			<td rowspan="3">414</td>
			<td>53.6</td>
			<td>289.1±3.1</td>
			<td>655.6±2.1</td>
			<td>1208.7±11.6</td>
			<td>0.8±0.03</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>62.6</td>
			<td>237.6±0.1</td>
			<td>542.7±1.7</td>
			<td>1072.5±13.7</td>
			<td>1.3±0.01</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>71.5</td>
			<td>170.8±1.1</td>
			<td>400.6±3.3</td>
			<td>732.1±6.4</td>
			<td>3.2±0.05</td>
		</tr>
		<tr>
			<td rowspan="6">4015</td>
			<td rowspan="3">207</td>
			<td>53.6</td>
			<td>230.2±1.3</td>
			<td>514.9±1.9</td>
			<td>863.3±1.2</td>
			<td>1.5±0.03</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>62.6</td>
			<td>175.1±2.0</td>
			<td>404.5±2.6</td>
			<td>714.2±3.0</td>
			<td>3.1±0.10</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>71.5</td>
			<td>146.6±0.8</td>
			<td>344.5±2.4</td>
			<td>656.4±9.5</td>
			<td>4.6±0.05</td>
		</tr>
		<tr>
			<td rowspan="3">414</td>
			<td>53.6</td>
			<td>255.2±2.4</td>
			<td>557.3±2.3</td>
			<td>994.9±8.1</td>
			<td>1±0.04</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>62.6</td>
			<td>200.1±2.6</td>
			<td>449.4±7.0</td>
			<td>774.9±10.7</td>
			<td>2.1±0.06</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>71.5</td>
			<td>165.5±1.4</td>
			<td>383.5±2.6</td>
			<td>696.8±4.9</td>
			<td>3.4±0.08</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表1. 2015和4015型平扇形航空喷嘴在喷雾压力为207和414 kPa、空速为53.6、62.6和71.5 m/sec条件下，三次重复测量的体积加权直径（平均值 ± 标准差）。
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td rowspan="2">喷嘴</td>
			<td rowspan="2">压力 (kPa)</td>
			<td colspan="3">体积加权直径 (µm) [平均值 ± 标准差]</td>
			<td rowspan="2">小于 100 μm 的喷雾体积百分比</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DV0.1</td>
			<td>DV0.5</td>
			<td>DV0.9</td>
		</tr>
		<tr>
			<td rowspan="2">XRC11005</td>
			<td>276</td>
			<td>115.1±2.1</td>
			<td>268.2±5.6</td>
			<td>451.0±18.0</td>
			<td>7.2±0.28</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>414</td>
			<td>101.0±0.0</td>
			<td>244.2±0.7</td>
			<td>424.3±4.3</td>
			<td>9.8±0.01</td>
		</tr>
		<tr>
			<td rowspan="2">AI11005</td>
			<td>276</td>
			<td>227.6±1.9</td>
			<td>468.9±4.1</td>
			<td>763.0±22.0</td>
			<td>1.1±0.03</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>414</td>
			<td>183.4±0.6</td>
			<td>399.6±0.9</td>
			<td>668.6±2.5</td>
			<td>2.2±0.05</td>
		</tr>
		<tr>
			<td rowspan="2">TTI11005</td>
			<td>276</td>
			<td>365.3±5.3</td>
			<td>711.9±16.9</td>
			<td>1013.8±26.1</td>
			<td>0.1±0.00</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>414</td>
			<td>311.5±4.0</td>
			<td>645.7±12.3</td>
			<td>992.7±24.7</td>
			<td>0.2±0.01</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表2. 三种地面喷雾喷嘴（XRC11005、AI11005 和 TTI11005）在276和414 kPa喷雾压力下操作时的体积加权直径（三次重复测量的平均值±标准差）。

本文介绍了用于测量农业喷嘴在航空和地面施用农药过程中产生的喷雾液滴尺寸的实验方案。这些方法旨在使用激光衍射系统时，无论在实验室内部还是不同实验室之间，均能获得一致且可重复的液滴尺寸数据。

在施用任何作物保护物质（如除草剂或杀虫剂）时，施药人员需运用多种技能和信息来……

本实验的总体目标是评估喷嘴类型、喷雾压力和飞机飞行速度对地面及航空施用喷嘴所产生的喷雾液滴的影响。因此，该方法有助于回答应用技术领域中与典型输送系统所用喷雾喷嘴的使用和性能相关的一系列关键问题。该技术的主要优势在于，能够对大量喷嘴及操作技术进行相对快速且精确的测量。在大型风洞段下风向开口处进行地面喷嘴测试。在开口处，将喷嘴体、喷嘴和压力表安装在转移系统上。本方案使用长轴垂直取向的110度扁平扇形喷嘴。在朝向外侧的喷嘴出口上游安装一个电子压力计。测量在风洞外部进行。将激光衍射系统正确对准并配置在风洞和喷嘴前方。在继续操作前，测量喷嘴出口与系统测量区之间的距离，该距离应为30.5厘米。接着，移至用于测试混合物的不锈钢压力罐。使用预先配制的活性空白混合液填充储液罐，确保液体量足以完成计划的测试。填充完毕后，密封储液罐，并确保其已正确连接至气压管路和喷嘴管路。下一步是启动风洞，并将风速设定为 6.7 米每秒。独立确认风速，例如可通过风洞内热式风速仪的读数进行验证。现在使用空气压缩机的内置压力调节器，将喷雾气压设定为 276 千帕。通过喷嘴附近电子压力表的读数，验证喷雾压力。此时，启动线性移动装置，将喷嘴调整至尽可能最高的位置。将所有实验参数输入激光衍射系统软件中。随后，进行参考测量，以校正灰尘和背景颗粒的影响。继续启动测量循环。当系统准备就绪后，打开来自压力罐的液体进料阀。喷雾开始后，使用平移装置降低喷嘴，直至整个喷雾羽流完全通过激光衍射系统的测量区域。测量结束后，关闭液体进料阀。然后将喷嘴返回至尽可能高的位置，以重复进行参考测量和羽流测量。使用高速风洞进行喷嘴空中测试。在风幕系统上，于气流区域安装喷嘴体、喷嘴和压力表。本测试使用标准的20度水平扁平扇形喷嘴，喷嘴方向与气流平行。在喷嘴上游紧邻处放置一个电子压力表。在此设置中，使用皮托管测量风速。在喷嘴前方，设置一个正确对准并配置好的激光衍射系统。进行这些测量时，需确认喷嘴出口与测量区域之间的距离为 45.7 厘米。接下来，检查提供流体的储液罐，确保储液罐中已装入活性空白混合液，并已连接至空气压缩机和喷嘴主体。启动风洞鼓风机，将风洞出口处的风速设定为 62.5 米每秒。使用连接到皮托管的空速指示器确认该空速。接着，调节空气泵的串联调节器，将喷雾压力设定为207千帕。通过喷嘴体上的压力表读数验证喷雾压力。开始测量之前，将喷嘴置于移动行程的顶部位置。确保所有实验参数均已输入衍射系统的软件中，并执行一次参考测量。随后启动测量循环，当系统准备就绪后，打开压力罐上的液体进料阀。喷雾开始后，通过横移机构降低喷嘴，直至整个喷雾羽流完全通过测量区域。测量结束后，关闭液体供给阀。将喷嘴升至最高位置，以重复进行参考测量和羽流测量。这些数据来自一个20度扇形喷雾喷嘴，其孔口编号为15。喷嘴在207千帕压力下运行，气流速度约为54米每秒。蓝色曲线表示在激光衍射系统设置所用的31个测量区间内，各区间液滴占总喷雾体积的百分比。红色曲线为相同数据绘制的累积分布图。使用此形式的数据可确定包含给定百分比总喷雾体积的液滴直径范围。在此示例中，50%的喷雾体积存在于直径为551微米或更小的液滴中。作为对比，这是采用15号孔口的40度扁平扇形喷雾喷嘴在207千帕压力和约72米/秒气流速度下运行时的数据。与第一组数据相比，其增量分布（蓝色曲线）明显向更小的液滴直径方向偏移。这是由于气流速度增加导致次级液滴破碎的结果。通过累积分布可知，50%的喷雾体积包含在直径为350微米或更小的液滴中。掌握该技术后，针对单一喷嘴与操作条件的组合，可在10至15分钟内完成操作。在尝试该实验流程时，正确设置并校准所有设备和喷嘴至关重要，以确保实验结果的准确性和可重复性。完成该流程后，可采用其他成像技术进一步研究喷雾结构。在此技术发展之后，为应用技术领域的研究人员开辟了道路，使其能够开发出多种液滴粒径测量模型。这些模型可供施药人员用于设置喷雾系统，以符合农药施用的相关法规。观看本视频后，您应能够充分了解如何在多种操作条件下评估地面和航空喷嘴的性能。请注意，激光操作可能存在危险，使用该方法时应严格采取所有必要的安全防护措施。

measuring-spray-droplet-size-from-agricultural-nozzles-using-laser

Research

科研

JoVE Journal

Engineering

工程

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