Medir el tamaño de pulverización de gota de boquillas agrícolas Uso de difracción láser

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.

1. Configuración preliminar y alineación

1. Antes de cualquier prueba, alinear los componentes del sistema de difracción láser siguiendo las directrices proporcionadas por el fabricante para garantizar la correcta funcionalidad del sistema y datos de calidad.
2. Siga las precauciones de seguridad asociadas con el uso de un láser de Clase IIIa evitar la exposición directa de los ojos. Usar el equipo de protección personal adecuado si se utilizan soluciones de pulverización químicos ingrediente activo.

2. Planta de la boquilla de la gotita de tallas

1. Preparar el "blanco activo" mediante la adición de 47,5 ml (refleja una tasa de mezcla de 0,25% v / v) de un agente tensioactivo no iónico 90% a 19 L de agua y mezclando bien con una varilla de agitación en un taladro inalámbrico. Dependiendo de la cantidad de pruebas a realizar, pueden ser necesarios mayores volúmenes de espacio en blanco activo.
2. Se vierte la mezcla de pulverización "activa en blanco" en los tanques de presión de acero inoxidable, sellar el tanque y conecte la manguera de presión de aire de entrada y el de salidamanguera de líquido la alimentación de la boquilla de pulverización.
3. Confirmar que la distancia entre la salida de la boquilla y la zona de medición es de 30,5 cm (12 pulgadas) utilizando una cinta métrica. Si es así, continuar. Si no es así, ajustar, mediante el movimiento del sistema de difracción láser o la boquilla.
4. Instalar una boquilla estándar de abanico plano de 110 grados con un orificio # 05 (señalado como una boquilla XRC11005) en el cuerpo de la boquilla conectada al sistema de desplazamiento. Ajuste la orientación de la boquilla de tal manera que el eje largo de la boquilla de abanico plano está orientado verticalmente en el túnel pero de cualquier rotación de la boquilla dentro del anillo de montaje en la válvula de retención o cambiando la posición de la válvula de retención si la boquilla no se puede girar a la posicion correcta.
5. Encienda el túnel de viento y ajustar la velocidad del aire a 6,7 ​​m / seg mediante el ajuste de la velocidad del ventilador y la confirmación de la velocidad del aire en el túnel usando un anemómetro de hilo caliente.
6. Establecer la presión de pulverización de 276 kPa (40 psi) mediante el ajuste de la presión de aire de entrada utilizando un regu presión inlinelador. Confirmar la presión usando un manómetro electrónico instalado inmediatamente aguas arriba de la boquilla de pulverización.
7. Coloque la boquilla en la parte superior del túnel mediante la activación y funcionamiento de la travesía lineal en la posición de la parte superior más antes de iniciar el proceso de medición.
8. Asegúrese de que todos los parámetros experimentales (boquilla, la presión, soluciones, etc.) están correctamente registrados en el software de grabación de datos del sistema de difracción láser mediante la confirmación de que los parámetros registrados en la ventana de la interfaz Parámetros de usuario coinciden con las condiciones de prueba.
   NOTA: Esta pantalla de grabación de parámetros de datos puede variar según el instrumento de difracción láser.
9. Iniciar una medición de referencia seleccionando el icono de referencia de medición en el software operativo para dar cuenta de cualquier partícula de polvo o de fondo.
10. Iniciar comienzo del ciclo de medición. Dependiendo del sistema de difracción de láser que se utiliza, un par de segundos que normalmente se requiere para enfocar el sensor antes de Initicionamiento del proceso de medición.
11. Una vez que el sistema indica que está listo para iniciar el proceso de medición, activar la pulverización mediante la apertura de la válvula de alimentación de líquido en el tanque de presión. Una vez se inicia la pulverización, bajar la boquilla a través del haz de láser utilizando el mecanismo de desplazamiento hasta que todo el penacho de pulverización ha pasado a través de la zona de medida. Desactivar el aerosol mediante el cierre de la válvula de alimentación líquida.
    NOTA: En el sistema de difracción de láser utilizado por los autores, el proceso de medición real no inicia hasta que el aerosol pasa a través de la zona de medición alcanza una concentración óptica de 0,5%, y continúa hasta que haya transcurrido un tiempo transcurrido de 10 a 12 seg. Estos valores varían según el sistema de difracción láser y la configuración del usuario.
12. Repita los pasos del 02/07 a 02/11 durante un mínimo de 3 repeticiones. Determinar si repeticiones adicionales son requeridos por el cálculo de la media y la desviación estándar para la _V0.1 D, _V0.5 D, y D _v0.9 de las tres repeticionesy garantizar que la desviación estándar es de 10%, o menos, de la media. Realizar repeticiones adicionales como sea necesario para cumplir con los criterios.
13. Ajuste la presión de pulverización a 414 kPa (60 psi) y repita los pasos 2.7 a 2.12.
14. Repita los pasos 2.6 a 2.12 para cada boquilla y la presión combinación adicional de interés.
15. Exportar y guardar los datos de tamaños de gota utilizando el método previsto en el software operativo.

3. Boquilla aérea de la gotita de tallas

1. Preparar el "blanco activo" mediante la adición de 47,5 ml de un agente tensioactivo no iónico 90% a 19 L de agua y mezclando bien con una varilla de agitación en un taladro inalámbrico.
   NOTA: dependiendo de la cantidad de pruebas a realizar, pueden ser necesarios mayores volúmenes de espacio en blanco activo.
2. Se vierte la mezcla de pulverización "en blanco activo" en los tanques de presión de acero inoxidable, sellar el tanque y conecte la manguera de presión de aire de entrada y la manguera de alimentación de líquido de salida de la boquilla de pulverización.
3. Confirmar que la distancia bntre la salida de la boquilla y de la zona de medición es de 45,7 cm (18 pulgadas) utilizando una cinta métrica. Si es así, continuar. Si no es así, ajustar moviendo el sistema de difracción láser de la distancia requerida de la boquilla.
4. Instalar una boquilla estándar de abanico plano de 20 grados con un orificio # 15 (señalado como una boquilla de 2015) en una válvula de retención y el cuerpo de la boquilla en la sección transversal auge en la salida del túnel de viento. Asegúrese de que la boquilla está en la posición correcta con el cuerpo de boquilla orientado horizontalmente y paralelo a la corriente de aire.
5. Encienda el ventilador túnel de viento y ajustar la velocidad del aire en la salida del túnel de 53,6 m / s (120 mph) y confirmar la velocidad por medio de un tubo de Pitot conectado a un indicador de velocidad.
6. Establecer la presión de pulverización de 207 kPa (30 psi) mediante el ajuste de la presión de aire de entrada usando un regulador de presión en línea.
7. Coloque la boquilla en la parte superior de la poligonal antes de iniciar el proceso de medición.
8. Asegúrese de que todos los parámetros experimentales (boquilla, la presión,solución, etc.) se registran correctamente en el software de grabación de datos del sistema de difracción láser mediante la confirmación de que los parámetros registrados en la ventana de la interfaz Parámetros de usuario coinciden con las condiciones de prueba.
   NOTA: Esta pantalla de grabación de parámetros de datos puede variar según el instrumento de difracción láser.
9. Iniciar una medición de referencia seleccionando el icono de referencia de medición en el software operativo para dar cuenta de cualquier partícula de polvo o de fondo.
10. Iniciar comienzo del ciclo de medición. Dependiendo del sistema de difracción de láser que se utiliza, un par de segundos que normalmente se requiere para enfocar el sensor antes de iniciar el proceso de medición.
11. Una vez que el sistema indica que está listo para iniciar el proceso de medición, activar la pulverización mediante la apertura de la válvula de alimentación de líquido en el tanque de presión. Una vez se inicia la pulverización, bajar la boquilla a través del haz de láser utilizando el mecanismo de desplazamiento hasta que todo el penacho de pulverización ha pasado a través de la zona de medida. Delawareactivar la pulverización mediante el cierre de la válvula de alimentación de líquido.
    NOTA: En el sistema de difracción de láser utilizado por los autores, el proceso de medición real no inicia hasta que el aerosol pasa a través de la zona de medición alcanza una concentración óptica de 0,5%, y continúa hasta que haya transcurrido un tiempo transcurrido de 5-7 seg. Estos valores varían según el sistema de difracción láser y la configuración del usuario.
12. Repita los pasos 3.7 a 3.11 durante un mínimo de 3 repeticiones. Determinar si repeticiones adicionales son necesarios mediante el cálculo de la media y la desviación estándar para la _V0.1 D, _V0.5 D, y D _v0.9 de las tres repeticiones y asegurar que la desviación estándar es de 10%, o menos, de la media. Realizar repeticiones adicionales como sea necesario para cumplir con los criterios.
13. Repita los pasos 3.4 a 3.12 para cada boquilla adicional, la presión, la orientación de la boquilla y la combinación de la velocidad aérea de interés.
14. Exportar y guardar los datos de tamaño de gota utilizando el método previsto en el operando de maneraftware.

Los datos resultantes de este método se pueden expresar en una variedad de formatos, dependiendo de la preferencia del usuario y las capacidades operacionales del sistema de difracción de láser. Normalmente esta información se presenta como una trama de la ponderado por volumen distribución del tamaño de gotita (Figuras 1 y 2) o como métricas descriptiva tamaño de las gotas (Tablas 1 y 2). Estos resultados se pueden utilizar para examinar el impacto que los cambios en la boquilla o parámetros operacionales tener sobre el tamaño de las gotitas de pulverización resultante.

Hemos examinado dos boquillas de pulverización aéreas diferentes, ambos con el mismo tamaño del orificio, pero con diferentes ángulos de abanico de pulverización. Con estos dos boquillas aéreas, que también examinó los efectos de la presión de pulverización y velocidad en el tamaño de las gotas. El examen de la boquilla 2015 que funciona a una presión de pulverización de 207 kPa y comparando el volumen Weigdistribuciones hted resultantes de la misma boquilla que va a utilizar en 53,6 m / seg frente a 71.5 velocidad m / seg, es inmediatamente obvio que las velocidades aéreas mayores resultados en un cambio dramático en las distribuciones incrementales y acumulativas hacia diámetros de las gotitas más pequeñas (Figuras 1 y 2) que es el resultado de una mayor desintegración de gotas de pulverización a la velocidad aérea superior. Mientras que la representación gráfica de los resultados proporcionan una representación muy visual de los resultados, los valores cuantitativos derivados de estas distribuciones son más prácticos para los conjuntos de datos más grandes. Métricas de tamaño típico de gota utilizados en la investigación de pulverización agrícola incluyen la V0.1 D, V0.5 D y los valores v0.9 D, que corresponden a los diámetros de las gotitas de tal manera que 10, 50 y 90% (respectivamente) del volumen de pulverización está contenido en gotas de un diámetro igual o menor. Estos datos son los mismos que los que se muestran en las distribuciones gráficas, pero proporcionan una forma más cómoda format de expresar los datos. La comparación de los datos tanto para las 2015 y 4015 boquillas de pulverización en las presiones y las tres velocidades, se pueden observar las tendencias generales (Tabla 1). Los resultados de 4015 boquilla de abanico plano en tamaños de gota más pequeño que el de 2015 a la misma presión y velocidad del aire, como lo indican los diámetros menor volumen ponderadas (D v0.1, v0.5 D, y D v0.9) y el aumento de la volumen total de la pulverización compuesta de gota de 100 micras o menos. D V0.1, D V0.5, y D v0.9 son los diámetros de las gotitas de tal manera que 10, 50 y 90%, respectivamente, del volumen total de pulverización se compone de gotitas de diámetro igual o menor medida. Este es el resultado del ángulo de abanico de pulverización aumento de ver una mayor ruptura en los bordes exteriores del ángulo fan líquido. Dentro del mismo tipo de boquilla y de pulverización a presión, todas las métricas de tamaño de las gotas disminuir con el aumento velocidades, de nuevo como resultado del aumento de ruptura de las gotitas en el highevelocidades r. Un fenómeno interesante con las boquillas de pulverización aérea se ve cuando se mira a los efectos de la presión de pulverización dentro de cada tipo de boquilla y la velocidad del aire. Todo lo demás queda igual, ya que la presión aumenta, también lo hace el tamaño de las gotitas 11. Esto es causado por una disminución en la diferencia de velocidad relativa entre el líquido que sale de la boquilla y la corriente de aire circundante, como la velocidad de salida de líquido aumenta a medida que aumenta la presión (Tabla 1) 13.

En cuanto a los resultados de las boquillas de tierra y presiones de pulverización ensayados, el efecto de tipo de boquilla en el tamaño de gota es significativa con el TTI11003 resultante en tamaños de gota que son más del doble que la XRC11003 y los tamaños AI11003 gota que cae en el medio de la otra dos (Tabla 2). Dentro de cada tipo de boquilla, los efectos de la presión se pueden observar con tamaños de gota decrecientes con el aumento de la presión de pulverización.

Figura 2. Distribución de tamaño de gota incremental para un abanico plano boquilla de pulverización aérea de 40 grados con un orificio 15 # operado a 207 kPa y en una velocidad de 71,5 m / seg. Como en la Figura 1, la curva azul representa la distribución incremento ponderado por volumen y la curva roja es la distribución acumulativa. En comparación con los resultados mostrados en la Figura 1, la distribución gradual muestra un cambio significativo hacia diámetros de las gotitas más pequeñas como resultado del aumento de la velocidad del aire y por lo tanto la gotita ruptura secundario. La determinación del diámetro de volumen V0.5 D muestra que el 50% de este volumen de pulverización es contained en gotas de un diámetro de 350 micras o menor. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3. Distribución de tamaño de gota incremental con parcela ejemplo pico falso. El secundario, más pequeño pico a la derecha, hacia el extremo más largo de la escala de tamaño de gota es normalmente el resultado de cualquiera de vibraciones u otros ruidos en el sistema o la presencia de ligamentos asociados con atomización incompleta dentro de la nube de pulverización. A medida que las distribuciones de tamaño de gota para boquillas y soluciones de pulverización agrícola típico son típicamente una distribución logarítmica normal, la presencia de un segundo pico en la distribución puede ser un resultado válido a partir de una solución de pulverización atípica y / o combinación de boquillas, pero es más probable una índicator de algún problema de confusión en el proceso de medición. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Tabla 1. Volumen diámetros ponderados (medias ± desviaciones estándar a través de tres mediciones repetidas) para 2015 y 4015 de abanico plano de boquillas de pulverización aérea operados a presiones de pulverización de 207 y 414 kPa y en velocidades de 53,6, 62,6 y 71,5 m / seg.

Tabla 2. Volumen diámetros ponderados (medias ± desviaciones estándar a través de tres mediciones repetidas) para tres boquillas de pulverización del suelo (XRC11005, AI11005 y TTI11005) operan a presiones de pulverización de 276 y 414 kPa.

Los autores no tienen nada que revelar.