Методы и средства определения характеристик распылителей опрыскивателей

Введение. Одним из наиболее часто применяемых и эффективных способов борьбы с болезнями растений, вредителями и сорняками является опрыскивание. При этом, весьма важное значение имеет качество внесения рабочей жидкости. Применяемые распылители должны обеспечивать максимальное использование всего спектра преимуществ пестицидов, сокращение затрат на обработку посевов, а также сведение к минимуму связанных с этим экологических и медико-санитарных рисков.

Основная часть. В соответствии с требованиями стандарта Ассоциации испытателей сельскохозяйственной техники и технологий на машины для защиты растений [1], неравномерность расхода рабочей жидкости между отдельными распылителями по ширине захвата машины должна составлять не более 5%; густота покрытия каплями обрабатываемой поверхности – не менее 20 капель на см² – для довсходового опрыскивания гербицидами, и от 30 до 50 – для послевсходового опрыскивания; неравномерность покрытия листовой поверхности - не более 10%; дисперсность (крупность) осевших капель – не более 50, 150 и 500 мкм, соответственно, для высокодисперсного, мелкокапельного и крупнокапельного опрыскивания.

Согласно требованиям, изложенным в Базовых машинных технологиях [2], качественные показатели технологического процесса внесения химических средств защиты растений (ХСЗР) включает следующие характеристики:

• -    неравномерность распределения рабочей жидкости по ширине захвата (коэффициент вариации) не должна превышать 40%; по ходу движения – до 20%;

• -    неравномерность отклонения расхода рабочей жидкости (коэффициент вариации) - не более 25%;

• -    при обработке растений должно быть обеспечено покрытие каплями рабочей жидкости 80% верхней, и не менее 60% нижней листовой поверхности;

• -    средняя густота капель при обработке, в зависимости от нормы расхода рабочей жидкости – 10...70, на 1 см²;

• -    недопустимо попадание капель рабочей жидкости на близко расположенные лесополосы и соседние поля других сельскохозяйственных культур.

Таким образом, основное агротехническое требования к машинам для химической обработки сельскохозяйственных культур – равномерное покрытие обрабатываемой поверхности растений ХСЗР, при наиболее экономичном и экологически безопасном их использовании, с требуемой нормой и концентрацией [3].

Поставленная задача весьма непростая. Её выполнение во многом зависит от характеристик газожидкостного факела, формируемого распылителями. Для количественной оценки параметров факела распыла, обычно используют следующие характеристики [4]:

• -    дисперсные, определяющие сформированный распылителем факел, как некоторую совокупность частиц различных размеров;

• -    характеристики распределения, отражающие профиль удельных потоков рабочей жидкости по сечению факела;

• -    характеристики формы, которые позволяют оценить габариты факела на заданном расстоянии от распылителя;

• -    расходные характеристики, предоставляющие возможность определить отличие реального расхода рабочей жидкости от теоретического значения;

• -    энергетические характеристики, используемые для оценки экономичности способа распыливания или конструкции распылителя;

• -    гидродинамические параметры, включающие скорости капель и газа в любом месте по сечению факела распыла и его порозность.

Переходя к обзору методов определения характеристик распылителей, следует отметить постоянное совершенствование этих методов, по мере развития науки и технологий. Методы оценки параметров распылителей могут быть как стандартными – описанными в соответствующих нормативно-технических актах, так и оригинальными – предложенными исследователями и описанными в соответствующих трудах.

Так, ГОСТ ISO 5682-1-2004 [5] регламентирует требования к методике оценки и испытательному оборудованию для оценки параметров распылительных насадок. Используя испытательный стенд (рис. 1), определяются равномерность расхода насадок, изменение расхода в зависимости от давления, характеристики распыления, угол распыления и размер капель.

Равномерность расхода насадок представляют в форме графика или таблицы, в которых расход каждой насадки выражается в процентах, от среднего расхода 20 комплектных насадок. Результаты измерения расхода представляют в виде графика, где расход и давление откладывают по осям Y и X - соответственно.

Распределение распыления оформляют графиком или таблицей, демонстрирующих значение количества жидкости, собранное в каждой мерной тубе, в процентах от среднего количества жидкости, находящегося во всех лотках.

Измерение параметров работы распылителей при их износе проводят, как оценку расхода каждой насадки, в л мин-1; как изменение расхода каждой насадки, выраженное в процентах, от первоначального расхода, а также распределение распыления.

Рисунок 1 – Испытательный стенд, оснащенный устройством сбора жидкости по ГОСТ ИСО 5682-1 [4].

Для оценки величины угла распыления, с помощью угломера или фотографического устройства с электронной вспышкой, измеряют угол распыления насадки (рис. 2), при давлении 0.3 МПа (3 бара), а также, при максимальном и минимальном давлениях, указанных производителем.

Рисунок 2 – Схема измерения угла распыления по ГОСТ ИСО 5681-1-2004 [4].

При оценке размера капель, их количество и размер определяют при перемещении насадки над расположенными в ряд одинаковыми чашками Петри. В каждую из них, при перемещении насадки попадает несколько капель из распыляемой струи. Все капли в каждой из чашек Петри измеряют и распределяют по размерам. Общее количество собранных и распределенных по классам капель подсчитывают. Скорость движения насадки должна быть такой, чтобы исключить слияние капель в чашках Петри. Представительность выборки обеспечивается количеством измеренных капель – не менее 2000.

Формирование капель в чашках Петри происходит при выполнении следующих условий. Чашки Петри покрывают слоем силиконового масла толщиной 4,5 мм кинематической вязкостью 5000…10000 м2 с-1, поверх которого наносят слой силиконового масла толщиной 2,5 мм кинематической вязкостью 10 м2 с-1.

При оформлении результатов строят график распределения на миллиметровой бумаге, откладывая кумулятивные числа по оси X (шкала Гаусса), а диаметры – по оси Y (логарифмическая шкала).

Оценка количественных параметров работы отдельных распыляющих устройств по ГОСТ Р 53053-2008 [6] предусматривает методику определения фактического расхода жидкости, густоты покрытия и дисперсности распыла.

Расход жидкости полевыми наконечниками тракторных опрыскивателей определяют путем сбора жидкости от отдельных распылителей, в течении 1…2 минут, в сосуды (емкости). Далее, измеряют её объём с погрешностью не более 1% в трехкратной повторности. При этом, фактический расход жидкости определяют на режимах, рекомендуемых производителем, но не менее, чем на трех режимах по давлению, которая соответствует осуществляемым видам работ.

В соответствии с требованиями ГОСТ Р 53053-2008, статистическая обработка данных лабораторных испытаний подразумевает вычисление среднеарифметического значения расхода Q жидкости отдельными распылителями по ширине захвата, стандартного отклонения σ и неравномерности ν расхода жидкости между отдельными распылителями.

Для вычисления среднеарифметического Q , предлагается воспользоваться формулой:

(1) n где n – число испытываемых распылителей шт.

Стандартное отклонение σ находится по формуле:

o= l^^-^¹, дм³ мин-¹ (2) aJ n-1 ' '

Неравномерность ν расхода жидкости между отдельными распылителями оценивают с помощью коэффициента вариации:

v = 102 = , %                          (3)

Q

При определении густоты покрытия и дисперсности распыла, в качестве рабочей жидкости рекомендовано использование одно- или двухпроцентного водного раствора чёрного красителя. Кроме того, может быть использован одно- или двухпроцентный раствор нигрозина, либо иного интенсивного водорастворимого красителя.

Капли рабочей жидкости улавливают с помощью специальных учетных карточек из мелованной бумаги. Для уменьшения растекания капель, бумагу обрабатывают 3…5% раствором парафина толуоле (ортоксиоле). Карточки раскладывают длинной стороной по ходу движения штангового опрыскивателя, по ширине захвата, и проводят опыт в 3х кратной повторности.

Оценка густоты покрытия проводится отдельно для верхней и нижней сторон обрабатываемой поверхности. При этом, карточки разделяют на пять групп:

• I    группа – необработанные;

• II    группа – с густотой капель, менее допустимой по техническому заданию (ТЗ);

• III    группа – с густотой, допустимой по Т3;

• IV    группа – с густотой, более допустимой по Т3;

• V    группа – залитые рабочий жидкостью (крупные, расплывшиеся капли).

Учетные карточки I-III групп анализируют под микроскопом или сканированием.

Густоту покрытия П_о, вычисляют по формуле:

п = ^         -2

с , капель см                          (4)

где пк – общее количество учётных капель, шт.;

s„– просмотренная площадь, см .

Анализ учетных карточек для определения дисперсности (крупности) капель, проводят методом микроскопирования или сканированием, с последующей обработкой, с помощью специальных компьютерных программ.

Оценку дисперсности проводят с учетом разбивки капель на 3 размерные группы:

• -    условно мелкие – до 150 мкм;

• -    среднее – 150 ... 300 мкм;

• -    крупные – более 300 мкм.

Далее, определяют количественную долю каждой группы от общего числа карточек. Затем, для каждой группы находят значение медианно-массового диаметра капель. По средневзвешенному значению медианно-массового диаметра капель, устанавливают принадлежность опрыскивателя к определенной группе, по дисперсности распыла.

В соответствии с ГОСТ 21507-2013 [7], дисперсность распыла определяется следующими размерно-количественными характеристиками капель:

• -    высокодисперсное опрыскивание – 0,025...0,05 мм;

• -    мелкокапельное опрыскивание – не менее 80% капель, размерам 0,05...0,15 мм;

• -    крупнокапельное опрыскивание – не менее 80% капель, размером не менее 0,15 мм.

Для оценки дисперсности и распределения капель рабочей жидкости могут быть использованы и другие средства улавливания и фиксации капель.

Так, например, могут применяться индикаторные водочувствительные карточки, меняющие цвет при соприкосновении с жидкостью [8]. Разработанная компанией TeeJet водочувствительная бумага [9] имеет желтую окраску и приобретает синий цвет под воздействием распыленных капель воды (рис. 3). Известен способ фиксации капель подкрашенной жидкости на учетных карточках из фотографической бумаги [10] многие другие.

Рисунок 3 – Учетная карточка компании TeeJet из водочувствительной бумаги, со специальным покрытием

В качестве улавливающих поверхностей могут применяться стандартные предметные стёкла, чашки Петри, полиэтиленовые пленки, размером 50×70мм, рабочие поверхности которых покрыты силиконом [6]. Находят применение специальные шаблоны (рис. 4) [11].

Рисунок 4 – Определение качества распыла, с помощью полимерного шаблона

Оценке параметров вновь проектируемых распылителей и контролю качества применяемых рабочих органов опрыскивателей, уделяется большое внимание и со стороны разработчиков, и со стороны изготовителей, и со стороны эксплуатационников. Необходимость создания различных схем приборов и испытательных стендов не теряет своей актуальности.

Одним из лидеров немецкого европейского рынков по производству распылителей – фирма Лехлер (Lechler GmbH), каждую партию продукции проверяет на специальном стенде. Данное испытательное оборудование (рис. 5) позволяет оценить параметры расхода и распределения жидкости, с помощью скатных желобов и мерных стаканов [12].

Рисунок 5 – Стенд для проверки качества работы распылителей на предприятии Lechler

Компания TееJеt, предлагающая устройства для распыления и системы управления, тестирует свою продукцию на испытательном стенде, в котором распыленная жидкость осаждается на специальные пробники (рис. 6).

Рисунок 6 – Измерительный стенд на одном из предприятий компании TeeJet

Пробники оснащены несколькими каналами, расположенными перпендикулярно направлению распыла. По этим каналам распыляемая жидкость стекает в сосуды для дальнейшего измерения и анализов. Для имитации реальных полевых условий, штанга стенда имеет возможность перемещаться и вибрировать. Для анализа тысяч капель в течение короткого времени, данный стенд оснащен самым современным измерительным оборудованием – системами фазового доплеровского анализа скорости (Phase Doppler Particle Analyzer (PDPA) и лазерами из Оксфордского университета (рис. 7). Автоматизация измерения дисперсности распыла, посредством использования компьютерного оборудования и высокоскоростных осветительных источников, позволяют резко повысить производительность установки и качество измерений [9].

Рисунок 7 – Измерительный стенд группы компаний TeeJet, оснащенный системой PDPA

Испытательный стенд применяют в научных исследованиях и учебном процессе в ФГБОУ ВО Орловский ГАУ [11]. Стенд (рис. 8) состоит из регулируемого по высоте металлического каркаса, на котором смонтированы коллекторы с распылителями. Герметичная ванна оборудована скатными желобами, по которым распыленная жидкость поступает в мерные стаканы. Верхняя и нижняя метки на стаканах соответствуют регламентируемому агротехническими требованиями значению отклонения расхода жидкости по отдельным распылителям. Работа стенда обеспечивается наличием емкости с водой, электронасоса и распределительного пульта (рис. 9) с регулятором давления, фильтром и манометром.

Рисунок 8 – Стационарный стенд для контроля и исследований параметров распределительного устройства штангового опрыскивателя, используемый Орловским ГАУ: 1 – каркас; 2 – коллектор; 3 – распыливающая головка;

4 – ванна; 5 – мерный стакан; 6 – скатный желоб; 7 – рама

Рисунок 9 – Тарировка манометра на распределительном пульте стационарного стенда Орловского ГАУ

Более сложное оборудование применяют в своих исследованиях специалисты КубНИИТиМа [10]. Стендовое оборудование (рис. 10) позволяет определить давление и расход жидкости с помощью электронных датчиков, информация с которых загружается в компьютерную программу и фиксируется в осциллографических окнах монитора компьютера. Исследование параметров распылителей в динамике осуществляется посредством движущийся каретки. Построение и измерение величин углов факела распыла выполняется методом фотографирования освещенного участка факела распыла выполняется методом фотографирования освещенного участка факела и обработки полученных фотографий в специализированной компьютерной программе (рис. 11).

Рисунок 10 – общий вид стендового оборудования для испытания распылителей опрыскивателей конструкции КубНИИТиМс: [9]

1 – ПК; 2 – пульт управления; 3 – каретка с распылителем; 4 – оптопарные датчики выключения двигателя, контроля скорости передвижения и остановки каретки;

5 – полочка для установки цифрового фотоаппарата; 6 – устройство для расположения объектов обработки; 7 – каркас с вертикальными стойками и горизонтальными направляющими; 8 – привод каретки 9 – поддон; 10 – емкости для рабочей и промывочной жидкостей; 11 – емкость для сбора жидкости; 12 – насосные установки;

13 – датчики давления и расхода жидкости в нагнетательной коммуникации;

14 – кран- регулятор; 15 – гидросистема; 16 – сканер

Рисунок 11 – Оборудование для определения величины факела распылительности конструкции КубНИИТиМс [10]:

1 – цифровой фотоаппарат; 2 – осветители; 3 – экран; 4 – ПК;

5 – бесперебойник для ПК

Фотографирование освещенного факела распыла позволяет визуально оценить размеры капель и величину их дрейфа (сноса), при воздействии ветра [13]. Фотографии могут быть использованы для качественной оценки регулируемых насадок (рис. 12).

а                              б

Рисунок 12 – Фото факелов распыла стандартного щелевого (а) и эжекционного (б) распылителя

С развитием цифровых технологий, для определения качественных показателей опрыскивания разрабатывают специальные методики, позволяющие более быстро и с приемлемой точностью оценить дисперсность распыла, густоту покрытия и другие характеристики.

Так в работе [14] описана методика, основанная на использовании персонального компьютера и сканирующего устройства с высокой разрешающей способностью для ввода информации непосредственно с улавливающих поверхностей. Растровое изображение, полученное со сканера, обрабатывается функционирующей в операционной среде Windows, специализированной программе, на основе программной среды LabView [15]. Отчет по результатам работы данный программы содержит информацию о показателях качества опрыскивания: густоте, площади покрытия, количественном распределении капель по размерным интервалам (рис. 13).

Рисунок 13 – Рабочее окно программы, созданной в среде LabView

Оригинальные лабораторная установка [16] и методика [17] определения площади покрытия рабочей жидкостью обрабатываемой поверхности предложено в работе [18]. Лабораторная установка отличается от аналогов тем, что вместо подвижной каретки, для динамических испытаний используется «бегущая» лента.

Сканированные в чёрно-белом спектре учетные карточки со следами капель сохраняют в формате bmp. Открывая данный файл в редакторе Paint, сохраняют его с исходным расширением, как монохромный рисунок (рис. 14). Далее, выполняя спектральный анализ оттенков рисунка в программе Adobe Photoshop, определяют процентное соотношение цветов в интересующих исследователя областях гистограммы (рис. 15).

Рисунок 14 – Образец чёрно-белого изображения учетной карточки [12]

Средни:

Отклонение:

: Медиене:

Пикселе:

29,07 SS

178,30         Уроеене

114.90   ■ ■      Счетчик:

255    ■  Процентиле

1599920 ■  Уроеней ктк

а

б

Рисунок 15 – Гистограммы спектрального состава оттенков чёрного (а) и белого (б) цветов, полученные в программе Adobe Photoshop [13]

Зарубежные ученые, производители и консультанты, также уделяют повышенное внимание оценке качества распылителей, а также методом и средствам реализации таких исследований [19-21]. Примером прикладных исследований характеристик факела распыла, c применением передовых научных достижений, можно считать совместную работу австралийских и китайских ученых [21]. Цель исследования состояла в изучении влияния конфигурации сопел на дрейф (снос) капель рабочей жидкости, путем оценки таких параметров распыла, длина факела, угол распыла, распределение скорости потока, флуктуация (случайное отклонение) скорости капель и их размеры.

В исследованиях использовался метод частотной велосиметрии (PIV – Particle Image Velocimetry). Данный метод основан на визуализации потока и используется для получения мгновенных измерений скорости и связанных свойств в жидкостях, с помощью следовых частиц, вводимых в жидкость.

Экспериментальная установка (рис. 16) состоит из гидравлической системы, обеспечивающей функционирование исследуемых распылителей, рабочей камеры, с возможностью моделирования ветрового воздействия (аэродинамическая труба) и системы PIV. Данное оборудование включает осветительный твердотельный лазер Nd:YAG PIV, обеспечивающий два лазерных импульса, необходимых для анализа PIV, оснащенную 60-мм микрообъективом Nikon камеру, чёрный фоновый экран и комплект компьютерного оборудования. Время работы лазера и камеры контролируется программным обеспечением Dantec Studio. Среда Matlab использовалась для работы с координатами и скоростью капли, а также прорисовки контурного графика поля скоростей факела распыла. Односторонний дисперсионный анализ проводился с использованием пакета SPSS компании IBM, версия 2,0. Для обработки и анализа полученных изображений использовалась общедоступная программа на основе Java (lmageJ 1.48c). В качестве следовых частиц, к рабочей жидкости добавляли флуоресцентный маркер.

6. Nozzle                                5. DualPowe r laser

Figure 1. Experimental setup of PIV investigations: (a) Camera, (b) Working section of wind tunnel, (c) Control taser and computer part

Рисунок 16 – Испытательная установка анализа PIV: а) Камера, б) Рабочая часть аэродинамической трубы, с) Лазер и компьютерное оборудование

На представленных фото (рис. 17) иллюстрируется примеры визуализации факелов распыла, контуров распределения скоростей капель, углов распыла и контуров распределения колебаний скоростей капель в факеле распыла.

Рисунок 17 – Визуализация факелов распыла

Заключение. Выполненный обзор позволяет утверждать, что развитие методов и технических средств для реализации исследовательских задач в области оценки параметров процесса распыления жидкостей продолжает оставаться актуальным. Данное направление совершенствуется параллельно с развитием науки и техники. Следовательно, уже в ближайшей перспективе следует планировать схемы экспериментальной работы, как с применением уже известных методик и оборудования, так и с использованием оригинальных новаций.