Przedstawiamy protokoły do wykorzystania w pomiarze wielkości kropel oprysku z dysz rolniczych używanych zarówno w powietrznych, jak i naziemnych zastosowaniach agrochemicznych. Przedstawione metody zostały opracowane w celu zapewnienia spójnych i powtarzalnych danych dotyczących wielkości kropel zarówno między laboratoriami, jak i wewnątrz laboratorium, przy użyciu systemów dyfrakcji laserowej.
Artykuł metodologiczny
Pomiar wielkości kropli cieczy roboczej z dysz rolniczych za pomocą dyfrakcji laserowej
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Podczas aplikacji jakiegokolwiek środka ochrony roślin, takiego jak herbicyd lub pestycyd, aplikator używa różnych umiejętności i informacji, aby dokonać aplikacji tak, aby materiał dotarł do miejsca docelowego (tj. rośliny). Informacją o krytycznym znaczeniu w tym procesie jest wielkość kropli generowana przez konkretną dyszę natryskową, ciśnienie rozpylania i kombinację roztworu do oprysku, ponieważ wielkość kropli ma ogromny wpływ na skuteczność produktu i sposób, w jaki spray przemieszcza się w środowisku. Naukowcy i producenci produktów powszechnie używają sprzętu do dyfrakcji laserowej do pomiaru wielkości kropli aerozolu w laboratoryjnych tunelach aerodynamicznych. Prezentowana praca opisuje metody stosowane w pomiarach wielkości kropel aerozolu za pomocą urządzeń do dyfrakcji laserowej zarówno w scenariuszach zastosowań naziemnych, jak i powietrznych, które można wykorzystać do zapewnienia precyzji między- i wewnątrzlaboratoryjnej przy jednoczesnej minimalizacji odchylenia próbkowania związanego z systemami dyfrakcji laserowej. Utrzymanie krytycznych odległości pomiarowych i jednoczesnego przepływu powietrza w całym procesie testowania jest kluczem do tej precyzji. Analiza jakości danych w czasie rzeczywistym ma również kluczowe znaczenie dla zapobiegania nadmiernej zmienności danych lub zewnętrznemu uwzględnianiu błędnych danych. Niektóre ograniczenia tej metody obejmują nietypowe dysze natryskowe, roztwory natryskowe lub warunki aplikacji, które skutkują strumieniami natrysku, które nie rozpylają się w pełni w omówionych odległościach pomiarowych. Udana adaptacja tej metody może zapewnić wysoce efektywną metodę oceny wydajności dysz do opryskiwania agrochemicznego w różnych warunkach operacyjnych. Omówiono również potencjalne zagadnienia dotyczące projektowania eksperymentalnego, które można uwzględnić w celu zwiększenia funkcjonalności zebranych danych.
Wprowadzenie
Podczas wykonywania jakiegokolwiek agrochemicznego oprysku, głównym celem jest zapewnienie maksymalnej skuteczności biologicznej przy jednoczesnym zminimalizowaniu wszelkich ruchów poza celem i związanych z tym negatywnych skutków dla środowiska lub innych szkód biologicznych niezwiązanych z celem. Jednym z głównych czynników, które należy wziąć pod uwagę podczas ustawiania opryskiwacza, przed aplikacją, jest wielkość kropli, która od dawna jest uznawana za jeden z podstawowych parametrów wpływających na ogólne osadzanie się cieczy, skuteczność i znoszenie. Chociaż istnieje wiele innych czynników, które potencjalnie wpływają na osadzanie się i znoszenie cieczy roboczej, wielkość kropel jest jedną z najłatwiejszych do zmiany w celu dopasowania do potrzeb danego scenariusza zastosowania. Na wielkość kropli z dowolnej dyszy do opryskiwania rolniczego ma wpływ wiele czynników, w tym między innymi typ dyszy, rozmiar otworu dyszy, ciśnienie oprysku i właściwości fizyczne roztworu do opryskiwania. W przypadku zastosowań powietrznych dodatkowy wpływ ścinania powietrza wynikający z prędkości lotu samolotu i orientacji dyszy względem tego uskoku powietrza, powoduje wtórne rozpadanie się aerozoli opuszczających dysze1. Biorąc pod uwagę wszystkie te czynniki, aplikatorzy stają przed trudnym zadaniem podjęcia właściwych decyzji dotyczących wyboru dysz i konfiguracji operacyjnej, które zapewnią, że wszystkie etykiety produktów pestycydowych są spełnione, a wynikowa wielkość kropli oprysku jest taka, że osadzanie się na miejscu i skuteczność biologiczna są utrzymane przy jednoczesnej minimalizacji ruchu poza celem. Celem tej metody jest dostarczenie jasnych, zwięzłych informacji na temat wielkości kropli wynikającej z różnych kombinacji czynników wpływających na wsparcie w podejmowaniu decyzji operacyjnych przez aplikatora.
Chociaż dostępnych jest wiele przyrządów do pomiaru wielkości kropel z oprysków, pomiary z dysz do opryskiwania agrochemicznego są zazwyczaj oparte na dyfrakcji laserowej, obrazowaniu lub dopplerze fazowym2. Metody obrazowania i dopplera fazowego są metodami przeciwdziałania pojedynczym cząsteczkom, co oznacza, że skupiane są mniejsze obszary w chmurze rozpylonej cieczy, a poszczególne cząstki są mierzone3. Podczas gdy metody dyfrakcji laserowej wymagają pomiaru zespołowego, co oznacza, że rozkład grupy cząstek jest mierzony szybko3. Chociaż metody te różnią się zasadniczo, przy prawidłowej konfiguracji i użytkowaniu można uzyskać porównywalne wyniki4. Metody dyfrakcji laserowej są szeroko stosowane w środowisku rolniczym ze względu na łatwość użycia, możliwość szybkiego pomiaru oprysków o dużej gęstości i duży dynamiczny zakres pomiarowy. Gdy dokonywany jest pomiar zespołowy, pojedynczy trawers pióropusza rozpylonej cieczy przez linię pomiaru jest wszystkim, co jest wymagane dla wielkości kropli kompozytu całej cieczy. Pozwala to na efektywną ocenę wielkości kropel z dużej liczby dysz rozpylających i kombinacji parametrów operacyjnych. Dla porównania, metody liczenia pojedynczych cząstek z konieczności koncentrują się na znacznie mniejszych obszarach w chmurze rozpylonej w celu wychwycenia pojedynczych cząstek, co oznacza, że wiele miejsc pomiaru musi być ocenianych i łączonych w celu uzyskania złożonego wyniku. Wymaga to znacznie więcej czasu, wysiłku i roztworu do opryskiwania, aby ocenić pojedynczy pióropusz aerozolu niż metody oparte na dyfrakcji laserowej. Wymagana zwiększona objętość oprysku może stanowić poważny problem, jeśli testowane są rzeczywiste produkty pestycydowe w wyniku zwiększonych kosztów użytego materiału i kosztów utylizacji. Jednak metody liczenia pojedynczych cząstek mają tę zaletę, że dostarczają próbkę czasową, ponieważ mierzą liczbę kropel w jednostce czasu przechodzących przez objętość próbki, podczas gdy dyfrakcja laserowa zapewnia próbkę przestrzenną, ponieważ pomiar jest proporcjonalny do liczby kropel w danej objętości5. Gdyby prędkości wszystkich kropel w danym aerozolu były takie same, metody dałyby identyczne wyniki. Jednak w przypadku większości systemów rozpylania prędkości kropel są skorelowane z wielkością kropli, co skutkuje odchyleniem w stosunku do metod próbkowania przestrzennego6.
Pokonanie tego przestrzennego odchylenia z pomiarów dyfrakcji laserowej poprzez odpowiednią metodologię testowania jest kluczowym elementem oceny wielkości kropel oprysku z rolniczych dysz opryskowych4. Odchylenie przestrzenne jest zmniejszone podczas testowania dysz w jednoczesnym strumieniu powietrza o prędkości 13 m/s i przy miejscu pomiaru znajdującym się w odpowiedniej odległości od dyszy, ponieważ połączenie tych dwóch parametrów skutkuje jednorodnymi prędkościami kropel w całej chmurze rozpylonej4. Co więcej, odchylenie przestrzenne jest niewielkie (5% lub mniej) w przypadku testowania dysz powietrznych ze względu na wysokie prędkości powietrza ocenianejako 7,8. W celu określenia optymalnej metody testowej w celu zmniejszenia odchylenia przestrzennego w naszych obecnych tunelach aerodynamicznych o niskiej i dużej prędkości, seria dysz referencyjnych używanych do określania klasyfikacji wielkości oprysków rolniczych9 została oceniona pod kątem wielkości kropel przy użyciu zarówno dyfrakcji laserowej, jak i metod obrazowania10. Oceny wielkości przeprowadzono przy wielu kombinacjach jednoczesnej prędkości powietrza i odległości pomiarowej (odległość od wylotu dyszy do punktu pomiaru), reprezentatywnych dla zasięgu operacyjnego istniejących obiektów. Pomiary dyfrakcji laserowej porównano z wynikami zobrazowań w celu określenia potencjalnego odchylenia przestrzennego, a jako standardową procedurę operacyjną wybrano optymalną kombinację odległości pomiaru i jednoczesnej prędkości lotu. Odległość pomiarowa wynosząca 30,5 cm i jednoczesna prędkość lotu wynosząca 6,7 m/s do oceny dysz zraszających w tunelu aerodynamicznym o niskiej prędkości zmniejszyły odchylenie przestrzenne do 5% lub mniej10. Odchylenia przestrzenne wynoszące 3% lub mniej uzyskano dla ocen dysz powietrznych w tunelu dużej prędkości, dla wszystkich testowanych prędkości lotu, przy odległości pomiarowej 45,7 cm10. Korzystając z tych standardowych metod, autorzy byli również w stanie wykazać, że zmienność między laboratoriami może zostać zminimalizowana, zapewniając spójne dane dotyczące wielkości kropel między laboratoriami11.
Wszystkie testy wielkości kropel zademonstrowane w ramach tej pracy zostały przeprowadzone w ośrodku badawczym atomizacji w sprayu USDA-ARS-Aerial Application Technology Research Unit. System dyfrakcji laserowej został umieszczony za dyszą w odległościach określonych w sekcji Protokół. Do testowania dysz naziemnych system dyfrakcji laserowej został skonfigurowany, zgodnie z instrukcjami producenta, tak, aby miał dynamiczny zakres rozmiarów 18-3 500 μm w 31 pojemnikach12. Podobnie w przypadku testowania dysz antenowych, system został skonfigurowany z dynamicznym zakresem rozmiarów od 9 do 1 750 μm, również dla 31 zbiorników12. Oceny dysz natryskowych z powietrza przeprowadzono w powietrzu o dużej prędkości, aby zasymulować warunki aplikacji lotniczej. Dysze opryskiwaczy naziemnych zostały przetestowane w większym odcinku tunelu aerodynamicznego z pojedynczą jednoczesną prędkością powietrza, aby zminimalizować odchylenie przestrzenne spowodowane dyfrakcją laserową. Badane dysze umieszczono przed systemem dyfrakcji laserowej w odległościach podanych w rozdziale Protokół. Dysze zostały zamontowane na poprzecznym pasie liniowym, co pozwalało na pionowe przechodzenie pióropusza oprysku przez strefę pomiarową podczas danego cyklu pomiarowego. Protokół testowania dysz naziemnych opisuje eksperyment badający trzy typowe dysze przy dwóch ciśnieniach rozpylania, podczas gdy test dysz powietrznych opisuje eksperyment badający dwie typowe dysze natryskowe przy dwóch ciśnieniach rozpylania i trzech prędkościach powietrza. W obu scenariuszach testowych wykorzystuje się roztwór do natryskiwania "aktywnej ślepej próby", a nie tylko wodę, aby naśladować efekty rzeczywistych roztworów natryskowych.
Protokół
1. Wstępna konfiguracja i wyrównanie
- Przed przystąpieniem do jakichkolwiek testów należy wyrównać elementy systemu dyfrakcji laserowej zgodnie z wytycznymi dostarczonymi przez producenta, aby zapewnić prawidłową funkcjonalność systemu i jakość danych.
- Przestrzegaj odpowiednich środków ostrożności związanych z używaniem lasera klasy IIIa, unikając bezpośredniego kontaktu z oczami. Używaj odpowiednich środków ochrony osobistej, jeśli stosowane są roztwory chemiczne do rozpylania składników aktywnych.
2. Wielkość kropli dyszy gruntowej
- Przygotować "aktywną próbę ślepą" przez dodanie 47,5 ml (odzwierciedla szybkość mieszania 0,25% v/v) 90% niejonowego środka powierzchniowo czynnego do 19 l wody i dobrze wymieszać za pomocą mieszadła w wiertarce akumulatorowej. W zależności od ilości testów, które należy wykonać, mogą być wymagane większe ilości aktywnego ślepego próby.
- Wlej mieszaninę natrysku "aktywnej ślepej próby" do zbiorników ciśnieniowych ze stali nierdzewnej, uszczelnij zbiornik i podłącz wąż ciśnieniowy powietrza wejściowego oraz wąż cieczowy odprowadzający zasilający dyszę natryskową.
- Upewnij się, że odległość między wylotem dyszy a strefą pomiaru wynosi 30.5 cm (12 cali) za pomocą taśmy mierniczej. Jeśli tak, kontynuuj. Jeśli nie, wyreguluj, przesuwając system dyfrakcji laserowej lub dyszę.
- Zamontuj standardową płaską dyszę wentylatorową 110 stopni z kryzą #05 (oznaczoną jako dysza XRC11005) w korpusie dyszy przymocowanym do systemu trawersu. Wyreguluj orientację dyszy tak, aby długa oś dyszy płaskiego wentylatora była zorientowana pionowo w tunelu, ale albo obracając dyszę w pierścieniu montażowym na zaworze zwrotnym, albo zmieniając położenie zaworu zwrotnego, jeśli dyszy nie można obrócić do właściwej pozycji.
- Włącz tunel aerodynamiczny i ustaw prędkość lotu na 6.7 m/s, regulując prędkość wentylatora i potwierdzając prędkość powietrza w tunelu za pomocą anemometru z gorącym drutem.
- Ustaw ciśnienie natrysku na 276 kPa (40 psi), regulując ciśnienie powietrza doprowadzającego za pomocą wbudowanego regulatora ciśnienia. Potwierdź ciśnienie za pomocą elektronicznego manometru zainstalowanego bezpośrednio przed dyszą natryskową.
- Umieść dyszę w górnej części tunelu, aktywując i uruchamiając trawers liniowy do najwyższej pozycji przed rozpoczęciem procesu pomiaru.
- Upewnij się, że wszystkie parametry eksperymentalne (dysza, ciśnienie, roztwór itp.) są prawidłowo zapisane w oprogramowaniu do rejestracji danych systemu dyfrakcji laserowej, potwierdzając, że parametry zapisane w oknie interfejsu Parametry użytkownika są zgodne z warunkami testowania.
UWAGA: Ten ekran rejestracji parametrów danych może się różnić w zależności od przyrządu do dyfrakcji laserowej. - Rozpocznij pomiar referencyjny, wybierając ikonę Pomiar referencyjny w oprogramowaniu operacyjnym, aby uwzględnić wszelkie cząsteczki kurzu lub tła.
- Zainicjuj rozpoczęcie cyklu pomiarowego. W zależności od zastosowanego systemu dyfrakcji laserowej, zwykle potrzeba kilku sekund, aby ustawić ostrość czujnika przed rozpoczęciem procesu pomiaru.
- Gdy system wskaże, że jest gotowy do rozpoczęcia procesu pomiaru, aktywuj rozpylanie, otwierając zawór zasilania cieczą na zbiorniku ciśnieniowym. Po rozpoczęciu natryskiwania opuść dyszę przez wiązkę laserową za pomocą mechanizmu poprzecznego, aż cała pióropusz aerozolu przejdzie przez strefę pomiaru. Dezaktywować rozpylacz, zamykając zawór doprowadzający ciecz.
UWAGA: W systemie dyfrakcji laserowej zastosowanym przez autorów właściwy proces pomiaru nie rozpoczyna się, dopóki spray przechodzący przez strefę pomiarową nie osiągnie stężenia optycznego 0,5% i trwa do upływu czasu 10-12 sekund. Ustawienia te będą się różnić w zależności od systemu dyfrakcji laserowej i ustawień użytkownika. - Powtórz kroki od 2.7 do 2.11 dla co najmniej 3 powtórzeń. Określ, czy wymagane są dodatkowe powtórzenia, obliczając średnią i odchylenie standardowe dla DV0,1, DV0,5 i DV0,9 trzech powtórzeń i upewniając się, że odchylenie standardowe wynosi 10% lub mniej średniej. W razie potrzeby wykonaj dodatkowe replikacje, aby spełnić kryteria.
- Ustawić ciśnienie oprysku na 414 kPa (60 psi) i powtórzyć kroki 2.7 - 2.12.
- Powtórz kroki 2.6 – 2.12 dla każdej dodatkowej dyszy i kombinacji ciśnień, która Cię interesuje.
- Eksportuj i zapisuj dane o wielkości kropli przy użyciu metody dostępnej w oprogramowaniu operacyjnym.
3. Wymiarowanie kropel dyszy powietrznej
- Przygotować "aktywną ślepą próbę", dodając 47,5 ml 90% niejonowego środka powierzchniowo czynnego do 19 l wody i dobrze mieszając za pomocą mieszadła w wiertarce akumulatorowej.
UWAGA: w zależności od ilości testów, które należy wykonać, mogą być wymagane większe ilości aktywnego ślepego próby. - Wlej mieszaninę natrysku "aktywnej ślepej próby" do zbiorników ciśnieniowych ze stali nierdzewnej, uszczelnij zbiornik i podłącz wąż ciśnieniowy powietrza wejściowego oraz wąż cieczowy odprowadzający zasilający dyszę natryskową.
- Upewnij się, że odległość między wylotem dyszy a strefą pomiaru wynosi 45.7 cm (18 cali) za pomocą taśmy mierniczej. Jeśli tak, kontynuuj. Jeśli nie, wyreguluj, przesuwając system dyfrakcji laserowej, wymaganą odległość od dyszy.
- Zamontuj standardową płaską dyszę wentylatora 20 stopni z kryzą #15 (oznaczoną jako dysza z 2015 r.) w zaworze zwrotnym i korpusie dyszy na sekcji trawersu belki na wylocie tunelu aerodynamicznego. Upewnij się, że dysza jest prawidłowo ustawiona, z korpusem dyszy zorientowanym poziomo i równolegle do strumienia powietrza.
- Włącz dmuchawę tunelu aerodynamicznego i ustaw prędkość powietrza na wylocie z tunelu na 53,6 m/s (120 mph) i potwierdź prędkość za pomocą rurki Pitota przymocowanej do wskaźnika prędkości.
- Ustaw ciśnienie natrysku na 207 kPa (30 psi), regulując ciśnienie powietrza doprowadzającego za pomocą wbudowanego regulatora ciśnienia.
- Umieść dyszę w górnej pozycji trawersu przed rozpoczęciem procesu pomiaru.
- Upewnij się, że wszystkie parametry eksperymentalne (dysza, ciśnienie, roztwór itp.) są prawidłowo zapisane w oprogramowaniu do rejestracji danych systemu dyfrakcji laserowej, potwierdzając, że parametry zapisane w oknie interfejsu Parametry użytkownika są zgodne z warunkami testowania.
UWAGA: Ten ekran rejestracji parametrów danych może się różnić w zależności od przyrządu do dyfrakcji laserowej. - Rozpocznij pomiar referencyjny, wybierając ikonę Pomiar referencyjny w oprogramowaniu operacyjnym, aby uwzględnić wszelkie cząsteczki kurzu lub tła.
- Zainicjuj rozpoczęcie cyklu pomiarowego. W zależności od zastosowanego systemu dyfrakcji laserowej, zwykle potrzeba kilku sekund, aby ustawić ostrość czujnika przed rozpoczęciem procesu pomiaru.
- Gdy system wskaże, że jest gotowy do rozpoczęcia procesu pomiaru, aktywuj rozpylanie, otwierając zawór zasilania cieczą na zbiorniku ciśnieniowym. Po rozpoczęciu natryskiwania opuść dyszę przez wiązkę laserową za pomocą mechanizmu poprzecznego, aż cała pióropusz aerozolu przejdzie przez strefę pomiaru. Dezaktywować rozpylacz, zamykając zawór doprowadzający ciecz.
UWAGA: W systemie dyfrakcji laserowej zastosowanym przez autorów właściwy proces pomiaru rozpoczyna się dopiero wtedy, gdy spray przechodzący przez strefę pomiarową osiągnie stężenie optyczne 0,5% i trwa do upływu czasu 5-7 sekund. Ustawienia te będą się różnić w zależności od systemu dyfrakcji laserowej i ustawień użytkownika. - Powtórz kroki 3.7–3.11 dla co najmniej 3 powtórzeń. Określ, czy wymagane są dodatkowe powtórzenia, obliczając średnią i odchylenie standardowe dla DV0,1, DV0,5 i DV0,9 trzech powtórzeń i upewniając się, że odchylenie standardowe wynosi 10% lub mniej średniej. W razie potrzeby wykonaj dodatkowe replikacje, aby spełnić kryteria.
- Powtórz kroki 3.4 – 3.12 dla każdej dodatkowej kombinacji dyszy, ciśnienia, orientacji dyszy i prędkości powietrza.
- Eksportuj i zapisuj dane o wielkości kropli przy użyciu metody dostępnej w oprogramowaniu operacyjnym.
Wyniki
Dane uzyskane za pomocą tej metody można przedstawić w różnych formatach, w zależności od preferencji użytkownika i możliwości operacyjnych systemu dyfrakcji laserowej. Zazwyczaj dane te prezentuje się w formie wykresu rozkładu wielkości kropel ważonego objętościowo (Rysunki 1 i 2) lub jako opisowe parametry wielkości kropel (Tabele 1 i 2). Wyniki te mogą być następnie wykorzystane do zbadania wpływu zmian w dyszy lub parametrach operacyjnych na końcową wielkość kropel rozpylenia.
Zbadaliśmy dwa różne dysze do oprysków lotniczych, obie o tym samym rozmiarze otworu, ale z różnymi kątami rozbryzgu. Przy użyciu tych dwóch dysz lotniczych zbadaliśmy również wpływ ciśnienia oprysku i prędkości powietrza na wielkość kropel. Analizując dyszę 2015 pracującą pod ciśnieniem oprysku 207 kPa i porównując rozkłady ważone objętościowo uzyskane z tej samej dyszy pracującej przy prędkości powietrza 53,6 m/sec w porównaniu do 71,5 m/sec, od razu widać, że wyższe prędkości powietrza prowadzą do gwałtownego przesunięcia rozkładów przyrostowych i skumulowanych w stronę mniejszych średnic kropel (Rycina 1 i 2), co jest wynikiem zwiększonego rozpadu kropel oprysku przy wyższej prędkości powietrza. Choć graficzna reprezentacja wyników dostarcza bardzo obrazowego przedstawienia danych, wartości ilościowe wyprowadzone z tych rozkładów są bardziej praktyczne dla większych zbiorów danych. Typowe wskaźniki wielkości kropel stosowane w badaniach nad opryskami rolniczymi obejmują wartości DV0.1, DV0.5 i DV0.9, które odpowiadają średnicom kropel, dla których odpowiednio 10, 50 i 90% objętości oprysku znajduje się w kroplach o średnicy równej lub mniejszej. Dane te są tożsame z tymi przedstawionymi na rozkładach graficznych, ale stanowią wygodniejszy format prezentacji danych. Porównując dane dla obu dysz opryskowych 2015 i 4015 przy obu ciśnieniach i wszystkich trzech prędkościach powietrza, można zaobserwować ogólne tendencje (Tabela 1). Dysza płaskiego strumienia 4015 skutkuje mniejszymi rozmiarami kropel niż dysza 2015 przy tym samym ciśnieniu i prędkości powietrza, co wskazują mniejsze średnice ważone objętościowo (DV0.1, DV0.5 i DV0.9) oraz wzrost całkowitej objętości oprysku składającego się z kropel o rozmiarze 100 μm lub mniejszym. DV0.1, DV0.5 i DV0.9 to średnice kropel, dla których odpowiednio 10, 50 i 90% całkowitej objętości oprysku składa się z kropel o średnicy równej lub mniejszej. Jest to wynik zwiększenia kąta rozbryzgu, co powoduje większy rozpad na zewnętrznych krawędziach strumienia cieczy. W obrębie tego samego typu dyszy i ciśnienia oprysku wszystkie wskaźniki wielkości kropel maleją wraz ze wzrostem prędkości powietrza, ponownie w wyniku zwiększonego rozpadu kropel przy wyższych prędkościach powietrza. Interesujące zjawisko w przypadku dysz do oprysków lotniczych obserwuje się podczas analizy wpływu ciśnienia oprysku w każdej kombinacji dyszy i prędkości powietrza. Przy zachowaniu pozostałych parametrów, wraz ze wzrostem ciśnienia rośnie wielkość kropel11. Jest to spowodowane zmniejszeniem względnej różnicy prędkości między cieczą opuszczającą dyszę a otaczającym strumieniem powietrza, ponieważ prędkość wylotowa cieczy rośnie wraz ze wzrostem ciśnienia (Tabela 1)13.
Analizując wyniki dla przetestowanych dysz gruntowych i ciśnień natrysku, stwierdzono, że wpływ rodzaju dyszy na wielkość kropel jest znaczący; w przypadku TTI11003 wielkość kropel była ponad dwukrotnie większa niż dla XRC11003, natomiast wielkość kropel dla AI11003 mieściła się pomiędzy tymi dwiema wartościami (Tabela 2). W obrębie każdego rodzaju dyszy można zaobserwować wpływ ciśnienia, przejawiający się zmniejszaniem wielkości kropel wraz ze wzrostem ciśnienia natrysku.
Rysunek 1. Przyrostowy rozkład wielkości kropel dla płaskiego dyszy rozpylającej o kącie 20 stopni z otworem nr 15, pracującej pod ciśnieniem 207 kPa przy prędkości powietrza 53,6 m/sec. Niebieska krzywa przedstawia przyrostowy rozkład ważony objętościowo, który określa procent całkowitej objętości natrysku zawarty w kroplach mieszczących się w zakresie każdego przedziału pomiarowego, zmierzonego za pomocą systemu dyfrakcji laserowej. Czerwona krzywa przedstawia te same dane, ale w formie skumulowanej. Dane skumulowane pozwalają na określenie średnic ważonych objętościowo dla konkretnego procenta całkowitej objętości natrysku. Jak pokazano na rysunku, aby wyznaczyć średnicę objętościową DV0.5, należy odnaleźć punkt 50% na krzywej skumulowanej; odpowiadająca mu średnica kropli wskazuje, że 50% całkowitej objętości natrysku stanowią krople o średnicy 551 μm lub mniejszej. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Rysunek 2. Przyrostowy rozkład wielkości kropel dla powietrznej dyszy natryskowej o kącie 40 stopni z otworem #15, pracującej pod ciśnieniem 207 kPa przy prędkości powietrza 71,5 m/sec. Podobnie jak na Rysunku 1, niebieska krzywa reprezentuje przyrostowy rozkład ważony objętościowo, a czerwona krzywa reprezentuje rozkład skumulowany. W porównaniu z wynikami przedstawionymi na Rysunku 1, rozkład przyrostowy wykazuje znaczące przesunięcie w stronę mniejszych średnic kropel w wyniku zwiększonej prędkości powietrza, co prowadzi do wtórnego rozpadu kropel. Wyznaczenie średnicy objętościowej DV0.5 pokazuje, że 50% objętości tego rozpylenia stanowią krople o średnicy 350 μm lub mniejszej. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Rysunek 3. Przykładowy wykres przyrostowego rozkładu wielkości kropel z fałszywym pikiem. Drugi, mniejszy pik po prawej stronie, w stronę większych wartości na skali wielkości kropel, jest zazwyczaj wynikiem drgań lub innego szumu w systemie albo obecności więzadeł (ligamentów) związanych z niepełną atomizacją wewnątrz chmury rozpylenia. Ponieważ rozkłady wielkości kropel dla typowych dysz opryskowych i roztworów stosowanych w rolnictwie mają zazwyczaj rozkład log-normalny, obecność drugiego piku w rozkładzie może być prawidłowym wynikiem w przypadku nietypowej kombinacji roztworu i dyszy, lecz częściej jest wskaźnikiem problemów zakłócających proces pomiarowy. Aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku, kliknij tutaj.
| Dysza | Ciśnienie (kPa) | Prędkość powietrza (m/sec) | Średnice ważone objętościowo (µm) [Średnia ± Odch. std.] | Procent objętości rozpylenia poniżej 100 μm | ||
| DV0.1 | DV0.5 | DV0.9 | ||||
| 2015 | 207 | 53.6 | 243.5±2.5 | 551.8±4.6 | 903.0±25.4 | 1.4±0.05 |
| 62.6 | 192.1±0.5 | 444.5±1.5 | 781.7±7.0 | 2.4±0.04 | ||
| 71.5 | 147.0±2.8 | 350.6±6.1 | 673.3±14.6 | 4.5±0.18 | ||
| 414 | 53.6 | 289.1±3.1 | 655.6±2.1 | 1208.7±11.6 | 0.8±0.03 | |
| 62.6 | 237.6±0.1 | 542.7±1.7 | 1072.5±13.7 | 1.3±0.01 | ||
| 71.5 | 170.8±1.1 | 400.6±3.3 | 732.1±6.4 | 3.2±0.05 | ||
| 4015 | 207 | 53.6 | 230.2±1.3 | 514.9±1.9 | 863.3±1.2 | 1.5±0.03 |
| 62.6 | 175.1±2.0 | 404.5±2.6 | 714.2±3.0 | 3.1±0.10 | ||
| 71.5 | 146.6±0.8 | 344.5±2.4 | 656.4±9.5 | 4.6±0.05 | ||
| 414 | 53.6 | 255.2±2.4 | 557.3±2.3 | 994.9±8.1 | 1±0.04 | |
| 62.6 | 200.1±2.6 | 449.4±7.0 | 774.9±10.7 | 2.1±0.06 | ||
| 71.5 | 165.5±1.4 | 383.5±2.6 | 696.8±4.9 | 3.4±0.08 | ||
Tabela 1. Średnice ważone objętościowo (średnie ± odchylenia standardowe z trzech pomiarów powtórzonych) dla dysz rozpylających w formie płaskiego wachlarza o numerach 2015 i 4015, pracujących pod ciśnieniami rozpylania 207 i 414 kPa oraz przy prędkościach powietrza 53,6, 62,6 i 71,5 m/sec.
| Dysza | Ciśnienie (kPa) | Średnice ważone objętościowo (µm) [Średnia ± Odch. std.] | Procent objętości rozpylenia poniżej 100 μm | ||
| DV0.1 | DV0.5 | DV0.9 | |||
| XRC11005 | 276 | 115.1±2.1 | 268.2±5.6 | 451.0±18.0 | 7.2±0.28 |
| 414 | 101.0±0.0 | 244.2±0.7 | 424.3±4.3 | 9.8±0.01 | |
| AI11005 | 276 | 227.6±1.9 | 468.9±4.1 | 763.0±22.0 | 1.1±0.03 |
| 414 | 183.4±0.6 | 399.6±0.9 | 668.6±2.5 | 2.2±0.05 | |
| TTI11005 | 276 | 365.3±5.3 | 711.9±16.9 | 1013.8±26.1 | 0.1±0.00 |
| 414 | 311.5±4.0 | 645.7±12.3 | 992.7±24.7 | 0.2±0.01 | |
Tabela 2. Średnice ważone objętościowo (średnie ± odchylenia standardowe z trzech pomiarów powtórzonych) dla trzech dysz opryskiwacza naziemnego (XRC11005, AI11005 i TTI11005) pracujących pod ciśnieniami oprysku 276 i 414 kPa.
Dyskusja
Istnieje kilka krytycznych kroków, które należy wykonać podczas stosowania tej metody. Zarówno w przypadku ocen dysz powietrznych, jak i naziemnych, odległość od wyjścia dyszy do linii pomiaru powinna zostać zweryfikowana przed jakimkolwiek pomiarem. Każda odchylenie w tej odległości może mieć znaczący wpływ na wyniki. Podobnie, jednoczesna prędkość powietrza używana w testach dysz naziemnych powinna zostać zweryfikowana i dostosowana do zalecanych 6,7 m/s. Różnice w prędkości lotu w stosunku do zalecanej będą miały znaczący wpływ na wyniki ze względu na problemy z odchyleniem próbkowania przy niższych prędkościach lotu i potencjalnie zwiększą wtórne rozpad przy wyższych prędkościach. Ponadto prawidłowe wyrównanie elementów systemu dyfrakcji laserowej ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia, że system działa z dokładnością i precyzją certyfikowaną przez producenta. Właściwa konfiguracja i wyrównanie dysz względem jednoczesnego przepływu powietrza ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia wysokiej jakości danych, ponieważ nawet niewielkie niewspółosiowości o kilka stopni w ustawieniu dysz mogą mieć znaczący wpływ na wynikowe dane dotyczące wielkości kropli.
Przedstawione metody można zastosować do dowolnej konfiguracji dysz natryskowych lub roztworu natryskowego zarówno dla systemu naziemnego, jak i powietrznego. W przypadku opryskiwaczy naziemnych zmiany wielkości kropel oprysku są zwykle funkcją typu i rozmiaru dyszy, ciśnienia oprysku i rodzaju opryskiwacza. W przypadku opryskiwacza powietrznego dodatkowa rola zmian prędkości powietrza i orientacji dyszy w stosunku do otaczającego strumienia powietrza ma kluczowe znaczenie dla uzyskanej wielkości kropli. Metodę tę można zastosować do oceny łącznego wpływu tych czynników na ostateczną wielkość kropli. Istnieją jednak rzadkie przypadki, w których wymagane są pewne modyfikacje zalecanych metod. W szczególności roztwory natryskowe lub dysze, które wymagają większych odległości od dyszy w celu całkowitego rozbicia aerozolu na dyskretne cząstki, będą wymagały dostosowania odległości między dyszą a punktem pomiarowym. Do tej pory jedynymi zabiegami z użyciem dysz/roztworów do rozpylania, które wymagały tego rodzaju regulacji, były dysze o prostym strumieniu we wszystkich ustawieniach operacyjnych oraz wąskie dysze wentylatorów płaskich z dodatkami do natrysku, które zwiększają lepkość roztworów, mierzoną w warunkach testowania aplikacji lotniczej. System dyfrakcji laserowej nadal będzie zwracał dane o wielkości kropel w przypadku niepełnego rozpadu chmury rozpylonej cieczy, ale uzyskane dane będą zazwyczaj stronnicze w kierunku znacznie większych rozmiarów kropel w wyniku pomiaru więzadeł rozpylonych przez system. Chociaż więzadła te nie są łatwo widoczne gołym okiem, ich obecność zazwyczaj pojawia się wizualnie na wykresie rozkładu jako wtórny pik na większym końcu skali wielkości kropel (ryc. 3). Chociaż zaleca się ostrożność w zakładaniu, że ten wtórny pik jest wynikiem obecności więzadeł, ponieważ zewnętrzne wibracje lub inne zakłócenia w systemie dyfrakcji laserowej mogą powodować podobną reakcję. Wraz ze wzrostem poziomu doświadczenia użytkownika, rozróżnienie między nimi na podstawie błędów staje się łatwiejsze. W przypadku, gdy rozpylanie natryskowe jest niekompletne, stwierdziliśmy, że wydłużenie odległości próbkowania do 1,8 m (w przypadku dysz natryskowych z powietrza) rozwiązuje problem i zwraca dane dotyczące jakości. Ta odległość 1,8 m jest w rzeczywistości standardową odległością, przy której nasza grupa ocenia wszystkie dysze o prostym strumieniu w warunkach aplikacji powietrznej. Podczas pracy z dyszami opryskiwacza naziemnego istnieje klasa konstrukcji dysz, które wykorzystują podwójny, płaski wylot kryzy wentylatora, który może wymagać modyfikacji konfiguracji montażu dyszy, aby zapewnić, że cała smuga cieczy przechodzi przez obszar pobierania próbek bez zanieczyszczenia soczewek systemu dyfrakcji laserowej.
Chociaż metoda ta ma na celu zminimalizowanie odchylenia próbkowania spowodowanego odchyleniami przestrzennymi związanymi z systemami dyfrakcji laserowej, nie eliminuje ich całkowicie, co oznacza, że zwracane wartości wielkości kropel nie mogą być traktowane jako "bezwzględne". Dyfrakcja laserowa nie zapewnia środków do pomiaru i dostosowania uzyskanych danych dotyczących wielkości kropel dla niejednorodnych prędkości kropel wśród różnych rozmiarów kropel w kompozytowej chmurze rozpylonej. Staje się to krytyczne, gdy porównuje się międzylaboratoryjne zestawy danych, szczególnie w odniesieniu do naziemnych dysz natryskowych. Obecnie akceptowana metoda standaryzacji wyników i umożliwienia porównań między laboratoriami wykorzystuje szereg wysoce skalibrowanych referencyjnych dysz rozpylających, których dane dotyczące wielkości kropel są wykorzystywane do ustalenia zestawu kategorii klasyfikacyjnych. Ocena tych dysz powinna być przeprowadzana w ramach każdej oceny wielkości kropli. Więcej szczegółów na temat dysz i definicji klasyfikacyjnych można znaleźć w Międzynarodowym standardzie Amerykańskiego Stowarzyszenia Inżynierów Rolnictwa i Biologów (ASABE) "Klasyfikacja dysz rozpylających według widm kropel" (ASAE/ANSI, 2009).
Jak omówiono we wprowadzeniu, oprócz dyfrakcji laserowej istnieją inne systemy doboru wielkości kropel. Tam, gdzie dyfrakcja laserowa zapewnia złożoną miarę wielkości kropel w całym pióropuszu aerozolu, te inne metody koncentrują się na małym obszarze z chmurą rozpylonej cieczy, pobierając próbki tylko niewielkiej części całej chmury rozpylonej cieczy. Uzyskanie reprezentatywnej próbki całego pióropusza za pomocą tych innych metod wymaga znacznie bardziej rygorystycznego i czasochłonnego, wielocięciwowego trawersu obszaru przekroju poprzecznego rozpylonego pióropusza, co skutkuje dużą liczbą podpróbek, które należy połączyć, aby uzyskać wynik złożony. Wymaga to znacznie więcej czasu niż zastosowanie dyfrakcji laserowej.
Po pomyślnym zintegrowaniu tej metody z programem badawczym i opanowaniu technik przez użytkowników, kolejnym wyzwaniem jest przeprowadzenie dobrze skonstruowanych eksperymentów mających na celu zrozumienie roli, jaką każdy z czynników wpływających odgrywa w odniesieniu do tworzenia się wielkości kropel. Jest to większe wyzwanie, niż się wydaje, biorąc pod uwagę pozornie nieskończoną kombinację typu dyszy, konfiguracji dysz i czynników operacyjnych, prędkości powietrza i pozycji dyszy (opryskiwanie z powietrza) oraz rzeczywistych mieszanek zbiornikowych stosowanych w przemyśle rolniczym. Jeszcze większym wyzwaniem jest znalezienie sposobu, aby udostępnić te informacje aplikatorom w formacie, który jest łatwy do wykorzystania. Jedną z opcji, którą nasza grupa wykorzystała z dużym sukcesem, jest klasa eksperymentalnych projektów zwanych powierzchniami odpowiedzi, które pozwalają na opracowanie modeli przewidywania wielkości kropel w oparciu o ograniczoną liczbę eksperymentalnych zabiegów, co pozwala na niezwykle efektywną ocenę wielu dysz i roztworów rozpylania14, 15. Ta ustrukturyzowana metoda projektowania została wykorzystana do opracowania serii modeli wielkości kropel dla najczęściej używanych dysz powietrznych11 i naziemnych16 używanych przez aplikatory rolnicze.
Oświadczenia
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Podziękowania
To badanie było częściowo wspierane przez grant z Deployed War-Fighter Protection (DWFP) Research Program, finansowany przez Departament Obrony USA za pośrednictwem Armed Forces Pest Management Board (AFPMB). Wzmianki o nazwach handlowych lub produktach komercyjnych w tej publikacji służą wyłącznie dostarczeniu konkretnych informacji i nie oznaczają rekomendacji ani poparcia ze strony Departamentu Rolnictwa Stanów Zjednoczonych. USDA jest pracodawcą zapewniającym równe szanse.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| 90% niejonowy środek powierzchniowo czynny | Wilbur-Ellis | R11 | R11 to nazwa handlowa niejonowego środka powierzchniowo czynnego Wilbur-Ellis. |
| HELOS-VARIO/KR | Sympatec GmbH System-Partikel-Technik | HELOS-VARIO/KR | Ten system jest dostępny z kilkoma różnymi opcjami soczewek, które zmieniają efektywny zakres rozmiarów pomiarowych. |
| Systemy tuneli aerodynamicznych / dmuchaw | Niestandardowy | zakres prędkości systemu niskiej prędkości wynosi 0-7 m / s, a wysoka prędkość od 18-98 m / s | |
| Sprężarka | Nie ma specjalnej sprężarki powietrza potrzebnej do zasilania systemu. Jednak im większa objętość zbiornika i im wyższy roboczy natężenie przepływu objętościowego, tym lepiej nadąży on za testami. | ||
| Dysze antenowe 2015 i 4015 | Produkty CP Krętlik | CP11TT i CP05 z końcówkami 2015 i 4015 | Były to dysze powietrzne wyszczególnione w metodach, jednak za pomocą tej metody można ocenić dowolną liczbę dysz natryskowych. |
| 11005, AI11005 i TTI11005 Dysze gruntowe | Systemy natryskowe | XR11005, AI11005 i TTI11005 | Podobnie jak w przypadku dysz natryskowych z powietrza, były to dysze wyszczególnione w protokole, ale ta metoda nie ogranicza się do tych dysz |
| Zbiornik ciśnieniowy ze stali nierdzewnej 200 psi | Alloy Products Corp. | B501-0328-00-E-R | Istnieje wielu dostawców z podobnymi zbiornikami ciśnieniowymi, które można zastosować. Ten dostawca miał zbiorniki o najwyższym ciśnieniu na rynku |
| Różne złączki i węże | Złączki i węże hydrauliczne do cieczy i powietrza w razie potrzeby do podłączenia całego systemu | ||
| 200 psi Regulator ciśnienia | Wąż cewkowy Pneumatyka | 8803GH | Każdy regulator ciśnienia będzie działał, ten został dobrany tak, aby spełnić potrzeby wysokiego ciśnienia, a także zastosowaną instalację wodno-kanalizacyjną |
| Przetwornik | ciśnieniaOmega | PX419-150GV | Ten przetwornik ciśnienia został wybrany tak, aby pasował do używanych przez nas wyższych obciążeń ciśnieniowych. Dostępne są inne zakresy ciśnienia od producenta: |
| Airspeed Indicator | Aircraft Spruce | Skysports, wskaźnik prędkości powietrza z podwójnym wybieraniem, 30-250 mil na godzinę. | Można użyć dowolnego wskaźnika prędkości lotu. Ten został wybrany tak, aby pasował do zakresu prędkości naszego tunelu do testowania dysz powietrznych o dużej prędkości. |
| Anemometr z gorącym drutem | Extech | 407119 | Istnieje również wiele opcji pomiaru prędkości powietrza w tunelu aerodynamicznym o niskiej prędkości używanym do testowania dysz naziemnych. |
Bibliografia
- 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, American Society of Agricultural Engineers. St. Joseph, MI. 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. , Sympatec GmbH. Clausthal-Zellerfeld, Germany. (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. , 3rd, Wiley Press. 704(2009).
- Fritz, B. K., Hoffmann, W. C., Anderson, J. Response surface method for evaluation of the performance of agricultural application spray nozzles. Pesticide Formulation and Delivery Systems: 35th Volume, ASTM STP1587. Goss, G. R. , ASTM International. West Conshohocken, PA. 61-76 (2016).
Przedruki i uprawnienia
