| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste |

Cellesprøjtning af ukrudt i majs

4 Væskeforstøvning og -fordeling

• 4.1 Introduktion
• 4.2 Metoder
  • 4.2.1 Analyse af væskeforstøvning
  • 4.2.2 Analyse af væskefordeling
• 4.3 Resultater
  • 4.3.1 Analyse af væskeforstøvning
  • 4.3.2 On/off-regulering af dyseflow
  • 4.3.3 Væskefordeling i celler

4.1 Introduktion

Til forstøvning af sprøjtevæsken er anvendt hydrauliske dyser, der alle er kommercielt tilgængelige. Dette har været en afgørende faktor i produktudviklingen, idet det kan formodes, at det samlede sprøjtesystem hurtigere finder vej til praktisk anvendelse. Imidlertid anvendes dyserne i en tættere afstand fra jordoverfladen, hvorved dråbehastigheden øges ved anslag mod planten. Dette kan skabe problemer med afsætning og retention. Samtidig er målet med at sprøjte i celler at ramme små arealer, hvilket stiller krav om reduceret væskeflow og reduceret sprøjtevinkel. Disse specielle tekniske forhold kan have betydning for såvel væskeforstøvningen som væskefordelingen.

4.2 Metoder

4.2.1 Analyse af væskeforstøvning

Væskeforstøvningen analyseredes ved anvendelse af et laserbaseret måleudstyr (Phase Doppler - Dantec). Måleudstyret er et optisk system til at måle såvel størrelse som hastighed af de enkelte dråber i væskeforstøvningen.

Udstyret består af en 300 mW argon-ion laser, som udsender en laserstråle (514.5 nm bølgelængde) og sender den igennem et optisk modul (beam splitter), der deler strålen i to stråler. Den ene stråle fortsætter uforandret, hvorimod den anden føres igennem et frekvensmodul (bragg cell). De to stråler sendes derefter igennem en fokuseringslinse, hvorved de tvinges til at krydse hinanden i en given afstand (se figur 22 og 23).

Figur 22. Laserbaseret måleudstyr til analyse af dråbestørrelsesfordelingen

Det er i dette krydsningsfelt, at selve målingen finder sted. Hver enkelt dråbe registreres i det øjeblik, den passerer dette målevolumen og reflekterer lyset fra begge stråler, hvorved der genereres et optisk interferensmønster.

Figur 23. Krydsningsfeltet mellem de 2 laserstråler, hvor dråbeanalysen finder sted

Tre fotodetektorer registrerer det reflekterede lys fra begge stråler og omformer det til et Doppler signal, der sendes til målecomputeren, der udfører de statistiske analyser (Dantec BSA Flow software version 2.12).

Fotodetektorerne er monteret således, at de opfanger signalet i forskellig vinkel, og faseforskydningen for de to signaler er linear proportional med størrelsen af de respektive dråber. Dråbestørrelsen bliver bestemt ud fra en kalibreringskurve, og ved sammenfald af flere dråber igennem målevoluminet sker der automatisk en filtrering.

Dråbehastigheden bestemmes ud fra kendskabet til pulsen fra de reflekterede dråber, idet denne er proportional med dråbehastigheden.

Den grundlæggende teori for måleprincippet er phase doppler anemometry. Teorien og de senere udviklede målesystemer blev introduceret i 1984 af 3 forskergrupper (Buckhage et al., 1984; Saffmann et al., 1984; Bachalo et al., 1984)

For at opnå et repræsentativt billede af dråberne i hele forstøvningen foregik målingerne ved at montere dyserne i et x-y traverserings system, hvorved et vandret snit af forstøvningen blev scannet. Måleafstanden fra dysen var ved disse forsøg 30 cm.

Dråberne i en væskeforstøvning fra hydrauliske dyser er meget inhomogene. Sprøjtedyser kan generere dråber fra under 1 µm og op til flere hundrede µm. Dråbestørrelsen varierer med væsketrykket og dysestørrelsen.

En grafisk præsentation af dråbestørrelse og –hastighed fra en analyse er vist i figur 24. Y-aksen viser antallet af dråber ved en given hastighed og dråbestørrelse.

Den grafiske præsentation giver dog kun et overblik, og en statistisk dataanalyse er nødvendig for at give en repræsentativ information.

Figur 24. Grafisk præsentation af dråbeanalysedata. De to figurer viser antallet af dråber opdelt i forskellige hastighedsklasser (venstre figur) og størrelsesklasser (højre figur).

Middeldråbestørrelsesfordelingen er den hyppigst anvendte statistiske terminologi til beskrivelse af dråbestørrelsesfordelingen ved analyse af forstøvningen fra landbrugsdyse. Middel dråbestørrelsen beskriver den dråbestørrelse, der deler væsken i to lige store væskevoluminer.

4.2.2 Analyse af væskefordeling

Væskefordelingen ved anvendelse af on/off-regulerede standard- og evenspray- dyser til cellesprøjtning i decimeterskala blev undersøgt under laboratorieforhold.

De fleste standarddyser er beregnet til montering på en sprøjtebom med en indbyrdes afstand på 50 cm. Den enkelte dyse fordeler ikke væsken jævnt på jordoverfladen, men da der altid er overlapning fra nabodyserne, bliver resultatet en ensartet fordeling. Til cellesprøjtning anvendes kun én dyse til hver enkelt celle, hvilket betyder, at der er behov for en optimeringsproces for at opnå en ensartet væskefordeling på tværs og på langs af sprøjtecellen.

Væskefordelingen på tværs af sprøjtecellen undersøges på et stationært fordelerbord, der er opdelt i 10 mm brede kanaler. Se figur 25. Dysen monteres i den ønskede højde, og væskefordelingen registreres.

Figur 25. Måling af væskefordeling ved brug af et stationært fordelerbord

Fladefordelingen af sprøjtevæsken i sprøjtecellen blev undersøgt ved en  fordelingstest under kontrollerede forhold i en dynamisk prøvestand, som vist i figur 26.

Sprøjtesystemet var monteret i prøvestanden, hvor fremkørselshastigheden kan simuleres vha. linearmoduler med tandremstræk. Væsken blev opsamlet på hvide kunststofplader for derved at visualisere de sprøjtede cellestørrelser.

Figur 26. Simuleringsstand til dynamiske undersøgelser af cellesprøjte

4.3 Resultater

4.3.1 Analyse af væskeforstøvning

Der er gennemført detailstudier af forstøvningen fra ti kommercielle dyser, som også er anvendt i forbindelse med de biologiske undersøgelser der er beskrevet i kapitel 5. Formålet med studierne har været at udvælge de bedst egnede ”cellesprøjtedyser” ud fra opstillede tekniske kravsspecifikationer, der bl.a. omfattede reduceret væskeflow ved uændret dråbestørrelsesfordeling. Se tabel 1. Til sammenligning blev der anvendt en Hardi lavdriftsdyse type LD-015, som anvendes til montering på en konventionel sprøjtebom. Denne dyse har en sprøjtevinkel på 110, der er beregnet til bredsprøjtning. TeeJet TP-4001E er en såkaldt båndsprøjtedyse, der er designet til at kunne fordele væsken jævnt i et smalt bånd på tværs af køreretningen. Dette er til gengæld ikke tilfældet for TeeJet U-dyserne, der alle er standard faldsprededyser og derfor fordeler væsken ensartet. Disse er valgt på grund af deres lille sprøjtevinkel samt forholdsvise lave dyseydelse. Endelig er DG-95015E en lavdriftsdyse med en reduceret sprøjtevinkel på 95 grader.

Tabel 1 viser resultaterne fra dråbeanalyserne. Dyserne er alle testet ved 3 bars væsketryk, og resultatet er baseret på en repræsentativ scanning af et vandret snit i sprøjtevæsken i en lodret afstand fra dysen på 30 cm. Forsøgene er gennemført med tre gentagelser.

Tabel 1. Dysekarakteristik og dråbedata

¹⁾ D_0.1 er den dråbestørrelse, hvor netop 10% af væskemængden består af dråber der er mindre end denne diameter.

²⁾ D_0.5 er den dråbestørrelse, hvor netop 50% af væskemængden består af dråber der er mindre end denne diameter.

For at kunne anvende dyserne til sprøjtning af celler med en bredde på 10 cm er det, som tidligere nævnt, afgørende at dyseydelsen reduceres i sammenligning med dyser anvendt til bredsprøjtning, hvor væsken fordeles over 50 cm. I modsat fald ville væskemængden på celleniveau blive uacceptabelt stor og resultere i forringelse af den biologiske effekt og forurening af jordoverfladen på grund af overskydende sprøjtevæske. Sammenlignet med referencedysen (Hardi LD015), der fordeler væskemængden over 50 cm´s bredde, skal en dyse, der bruges til cellesprøjtning af 10 cm brede celler, have en ydelse på en femtedel. I dette tilfælde svarende til ca. 0,15 liter per minut. Derfor indeholder tabel 1 resultater fra dyser, der er mindre end de dyser der normalt anvendes i praksis til konventionelt landbrug. Dette vil under normale forhold resultere i en finere væskeforstøvning med deraf følgende risici for vindafdrift, men da vi har behov for at dosere væsken på et mindre overfladeareal er der her valgt dyser med en mindre spredevinkel. Dette hindrer dannelsen af de små dråber, idet dråbestørrelsen generelt øges ved at reducere spredevinklen med den effekt, at dråbetætheden i forstøvningen forøges.

Det ses ud fra tabellen, at det er muligt at opretholde tilnærmelsesvis samme dråbestørrelse som ved referencedysen (Hardi LD015), selvom der anvendes en mindre dyse (TeeJet U-0067), som giver under halvdelen i væskemængde.

Ved at reducere væsketrykket øges dråbestørrelsesfordelingen, hvilket tyder på, at TeeJet U-0033 dysen med en spredevinkel på 15 grader vil kunne anvendes ved et mindre væsketryk og dermed yderligere reduktion i væskemængden. Dog kan det være problematisk at spredevinklen reduceres på grund af den øgede dråbehastighed. Dette forhold kombineret med, at cellesprøjtedysen må antages at blive monteret tættere på afgrøden bevirker at væskens anslagsenergi øges betydeligt, hvilket kan have negativ virkning på planternes væskeretention.

Dråber under 100 µm anses som særlig afdriftsfarlige, og det ses at TeeJet U-0033 dysen med en 25 grader spredevinkel har en højere afdrifsrisiko, idet 10 procent af sprøjtevæskens volumen er under 99 µm.

Even spray dysen TP 4001-E er designet til anvendelse i forbindelse med båndsprøjtning, hvilket vil sige at væsken fordeles jævnt på tværs af spredeviften. Dette må anses for en stor fordel i forbindelse med cellesprøjtning, hvor en enkelt dyse skal dække et helt celleareal. Desværre er TP 4001 E dysen den mindste i denne serie, hvorfor der yderligere er behov for at reducere væskeflowet. Dette kan ikke udelukkende klares ved at sænke væsketrykket, idet grænsen for dråbegenereringen overskrides. Typisk bliver dråbegenereringen ustabil ved væsketryk under ca. 1,5 bar. Hvis denne dyse anvendes, skal der således yderligere indføres en flowregulering.

4.3.2 On/off-regulering af dyseflow

For at kunne udføre en sprøjtning af celler i en størrelsesorden på ca. 10 cm er det nødvendigt at finde frem til en meget hurtigtvirkende on/off regulering. Indledningsvis blev der anvendt industrielle magnetventiler, men det viste sig at disse ikke var hurtige nok til at klare opgaven, hvilket resulterede i sprøjtning af for store arealer. I de efterfølgende undersøgelser blev der udelukkende arbejdet med små magnetventiler fra Bio-Chem Valve Inc. (OmniFit). De tekniske specifikationer for tre ventiler er angivet i tabel 2.

Tabel 2. Tekniske specifikationer for Bio-Chem 12 Volts magnetventiler

For at kontrollere funktionen af de 3 magnetventiler i kombination med fladsprededyser er disse undersøgt med hensyn til væskeflow og aktuel dysehøjde ved 100 mm båndbredde. Resultaterne fremgår af tabel 3.

Anvendelse af magnetventil OM075T2S44 bevirkede at væskeflowet næsten blev halveret sammenlignet med væskeflowet for dysen alene. Dette skyldes den forholdsvis lille diameter på 0,8 mm, som fungerer som en volumenregulering. Den kraftige regulering af væskemængde har samtidig den effekt at spredevinklen reduceres, idet dysen nu skal monteres i 415 mm´s højde for at fordele væsken i samme bredde som når dysen er monteret i 137 mm uden brug af magnetventil.

Ved anvendelse af magnetventil OM075T2NC1254 opnås kun lille volumenreduktion, medens volumenreduktionen helt er forsvundet ved brug af OM038T2SNC1254. Jo mindre volumenreduktion der opnås, jo mindre indvirkning har det på spredevinklen, hvilket fremgår af tabel tre. Derfor kunne OM038 ventilen være velegnet, idet den også har det laveste effektforbrug og den hurtigste åbningstid. Hvis de i tabellen nævnte åbningstider er for langsomme, kan ventilerne aktiveres med 24 Volt i stedet for 12 Volt. Herved halveres  åbningstiden.

Tabel 3. Væskeflow og dosering ved anvendelse af Bio-Chem 12 Volts magnetventiler sammen med evenspray dyser

De 3 dyser, der er anvendt sammen med Bio-Chem magnetventilen er vist i figur 27.  a) Even-spray dyse med 40 graders spredevinkel (TeeJet TP-4001E), b) Even-spray dyse med 65 grader spredevinkel (TeeJet TP-6501E) og c) standard fladsprededyse med 65 graders spredevinkel (TeeJet U-65067).

Figur 27. Dyser anvendt til cellesprøjtning. a) TeeJet TP-4001E, b) TeeJet TP-6501E og c) TeeJet U-65067

4.3.3 Væskefordeling i celler

Fladefordelingen samt randzone forholdene ved anvendelse af on/off regulerede spray dyser til cellesprøjtning i decimeter skala er undersøgt under laboratorieforhold.

Som nævnt tidligere er de fleste standarddyser beregnet til montering på en sprøjtebom med en indbyrdes afstand på 50 cm. Den enkelte dyse fordeler ikke væsken jævnt på jordoverfladen, men da der altid er overlapning fra nabodyserne, bliver resultatet en ensartet fordeling. Til cellesprøjtning anvendes der kun én dyse til hver enkelt celle, hvilket betyder at der er behov for en optimeringsproces for at opnå en ensartet væskefordeling på tværs og på langs af sprøjtecellen.

Bomhøjden er ofte lavere ved cellesprøjtning, hvilket giver ændrede forhold omkring væskedynamikken i relation til væsketransport, -turbulenser, -fordeling og -afsætning. Dette giver anledning til nærmere strømningstekniske studier.

Væskefordelingen på tværs af sprøjtecellen undersøges stationært på et væskefordelerbord, der er opdelt i ti mm brede kanaler. Dysen monteres i den ønskede højde og væskefordelingen registreres.

Dynamikken i forbindelse med fremkørselshastigheden og virkningen af on/off regulerede dyser undersøges ved opsamling af dråber i små celler. Fordelingen i de enkelte celler er undersøgt ved visuelle studier af fotografiske optagelser.

I det følgende er der vist resultater fra to fladsprededyser, hvoraf den ene er en even dyse. Begge dyser er anvendt ved montering i 35 cm afstand fra sprøjtemålet og ved et væsketryk på henholdsvis 1,4 og 1,8 bar. Det er tilstræbt at sprøjte et areal på 10 x 10 cm. Figur 28 og 29 viser fordelingsresultater fra even-spray dysen TeeJet TP-4001E ved 1,4 bars væsketryk, figur 30 og 31 viser resultatet fra samme sprøjtning med samme dyse ved et højere væsketryk på 1,8 bar. Endelig viser figur 32 og 33 fordelinger fra en standard fladsprede dyse TeeJet TU40033.

Even-spray dysen fordeler væsken ved 1,4 bar op til ca. 8-10 cm målt ved stationære tests, altså i underkanten af det tilstræbte på fuld dosering i 10 cm (figur 28). Dråbefordelingen er visualiseret ved opsamling af spray på en hvid plastplade, og det ses at de store dråber fortrinsvis er koncentreret i periferien af sprøjtemålet, medens den finere forstøvning til dels ses i midten af cellen (figur 29). Samtidig ses at der ved de dynamiske målinger også er problemer med væskeafsætningen i sprøjtecellens hjørner.

Ved at hæve væsketrykket til 1,8 bar bliver væskefordelingen mere hensigtsmæssig, hvilket fremgår af figur 30 og 31. Dog ses stadig tendens til, at de lidt større dråber er placeret i periferien af cellen, hvilket kan have negativ betydning for den biologiske effekt.

Væskens fordeling fra standard fladsprededysen TeeJet TU40033 er normalfordelt med en stor væskemængde i centrum af dysen og aftagende ud mod spredevinklens periferi, figur 32. Væskens forstøvningsgrad er finere end tilfældet er med even-spray dyserne, hvilket visuelt kan ses i figur 33.

Figur 28. Relativ væskefordeling fra even spray dysen TeeJet TP-4001E målt ved 1,4 bar og ved en dysehøjde på 35 cm. Resultater fra statiske målinger i væskefordelings prøvestanden.( = målte værdier, - - - - = trend line)

Figur 29. Billede af væskens fladefordeling fra even spray dysen TeeJet TP4001E ved 1,4 bars tryk, en dysehøjde på 35 cm og en fremkørselshastighed på 0,5 m pr. sekund. Kørselsretning er fra billedets top til bund. Dråberne er opsamlet på hvid plastplade og det grønne stiplede kvadrat indikerer en cellestørrelse på 10 x 10 cm.

Figur 30. Relativ væskefordeling fra even spray dysen TeeJet TP-4001E målt ved 1,8 bar og ved en dysehøjde på 35 cm. Resultater fra statiske målinger i væskefordelings prøvestanden.( = målte værdier, - - - - = trend line)

Figur 31. Billede af væskens fladefordeling fra even spray dysen TeeJet TP4001E ved 1,8 bars tryk, en dysehøjde på 35 cm og en fremkørselshastighed på 0,5 m pr. sekund. Kørselsretning er fra billedets top til bund. Dråberne er opsamlet på hvid plastplade og det grønne stiplede kvadrat indikerer en cellestørrelse på 10 x 10 cm.

Figur 32. Relativ væskefordeling fra standard fladsprededysen TeeJet TU-40033 målt ved 1,8 bar og ved en dysehøjde på 35 cm. Resultater fra statiske målinger i væskefordelings prøvestanden.( = målte værdier, - - - - = trend line)

Figur 33. Billede af væskens fladefordeling fra standard fladsprededysen TeeJet TU400033 ved 1,8 bars tryk, en dysehøjde på 35 cm og en fremkørselshastighed på 0,5 m pr. sekund. Kørselsretning er fra billedets top til bund. Dråberne er opsamlet på hvid plastplade og det grønne stiplede kvadrat indikerer en cellestørrelse på 10 x 10 cm.

| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste | | Top |

Version 1.0 Oktober 2008, © Miljøstyrelsen.