Prove sperimentali con ugelli irroratori per agricoltura

Viene presentato il banco prova, realizzato presso il laboratorio del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale del Politecnico di Torino, per lo studio di vari tipi di ugelli irroratori per agricoltura, al fine di capire quale tipo, numero e layout siano maggiormente utili all’irrorazione di pesticidi tramite drone.

Le nuove tendenze nel trattamento con fitofarmaci sono indirizzate all’utilizzo di droni per effettuare attività di monitoraggio (tramite camere multi spettrali) e operazioni di irrorazione aerea diversa in base alla coltura.

Noti il volo del drone e le caratteristiche geometriche del vigneto, le prove sperimentali in questo settore sono rivolte a ottimizzare il sistema di irrorazione per garantire determinate specifiche di dimensione delle gocce e una buona distribuzione del prodotto.

La maggior parte dei trattamenti che interessano la vite vengono effettuati sulle foglie e sono finalizzati alla prevenzione di malattie dovute alla presenza di microrganismi, funghi, parassiti.

ugelli irroratori
Fig. 1 – a) Dettagli del banco prova; b) Circuito idraulico.

ugelli irroratori

I trattamenti effettuati sulle viti richiedono in genere che i prodotti fitosanitari agiscano per contatto sull’intera copertura fogliare sotto forma di gocce fini per raggiungere le foglie nei vari strati, sfruttando le turbolenze prodotte dal ventilatore del trattore irroratore.

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Fig. 2 – Particolare di uno degli ugelli in prova.

Una problematica importante nella distribuzione del prodotto è il fenomeno della deriva rappresentato dalle perdite durante i trattamenti di irrorazione in cui le particelle non raggiungono la coltura, ma vanno a contaminare il terreno e l’aria.

Si tratta di un fenomeno complesso, influenzato dalla dimensione delle gocce, dalla velocità dell’aria, dalla temperatura dell’aria e da altri vari fattori (presenza di barriere, ecc…).

L’utilizzo di un drone nella distribuzione di pesticidi ha il vantaggio di non compattare il terreno come i trattori tradizionali e di volare a quote più basse rispetto ai comuni mezzi aerei usati in agricoltura, limitando così la dispersione del pesticida.

Occorre però studiare opportunamente il circuito irroratore in modo da adeguare il tipo, il montaggio e il numero di ugelli a questo nuovo mezzo di trasporto.

Presentazione del banco prova

Utilizzando anche le informazioni derivate dall’analisi di un vigneto situato a Vicoforte (CN), da cui sono note le dimensioni della coltura grazie alla collaborazione con l’azienda agro-turistica Antica Meridiana Relais-Art, ed effettuando una sua ricostruzione in 3D in scala in ambiente software, è stato costruito presso il Laboratorio DIMEAS del Politecnico di Torino il banco prova illustrato in figura 1.

ugelli irroratori
Tab. 1 – Ugelli in prova

Lo scopo di tale banco è quello di studiare il singolo ugello e poi l’intero circuito irroratore in varie condizioni di prova.

In figura 1a sono visibili il circuito di alimentazione (1) e l’ugello (2).

Il circuito di alimentazione preleva il liquido da un serbatoio, lo porta in pressione in modo che raggiunga l’ugello fornendogli corretti parametri di ingresso.

Molto spesso queste prove vengono effettuate utilizzando particolari strisce di carta reagente, dette cartine idrosensibili o Water Sensitive Paper (WSP), che prendono una colorazione blu al contatto con l’acqua.

Tali cartine hanno dimensioni ridotte e vengono disposte opportunamente per valutare la distribuzione del getto.

Nello studio qui presentato, invece, le prove sono state effettuate utilizzando fogli di carta lucida per stampe fotografiche dal momento che è necessario valutare l’intera zona irrorata in termini di dimensioni delle gocce e della loro distribuzione.

Tali fogli vengono posizionati su un supporto asciutto in direzione ortogonale alla direzione del getto che irrora una soluzione di acqua e colorante blu per determinare un netto contrasto con il foglio bianco.

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Fig. 3 – Posizionamento dell’ugello e della carta.

Il circuito idraulico realizzato è riportato in figura 1b ed è costituito da un serbatoio (A), da una pompa (B), da opportune tubazioni (C).

La lettura della pressione alla quale vengono alimentati gli ugelli viene fatta con un manometro posizionato a monte dell’ugello.

La pompa è stata scelta cercando di avere pressioni adeguate degli ugelli, poco peso, ingombri ridotti, al fine di costruire un circuito adatto ad essere montato sotto un drone con carico pagante di 10 kg.

Analogamente la scelta del serbatoio da circa 10 litri.

Un dettaglio di un ugello in prova è illustrato in figura 2.

In tabella 1 sono illustrati gli ugelli in prova.

Come detto le rilevazioni del getto di ogni ugello sono state effettuate spruzzando su opportuni fogli di carta fotografica.

La scelta di tale carta è avvenuta dopo varie prove con carta comune, carta da imballaggi e infine appunto carta lucida fotografica.

La carta lucida fotografica garantisce che la traccia della zona irrorata non venga deformata o assorbita.

Dal momento che le dimensioni dei getti dipendono dal tipo di ugello e dai parametri di prova, sono stati utilizzati rotoli da 30 m con 90 cm di larghezza, da cui sono ritagliati fogli di lunghezza opportuna.

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Fig. 4a – Altezze di prova da terra sperimentate.
ugelli irroratori
Fig. 4b – Banco prova con barra porta ugello orizzontale e regolabile a varie altezze da terra sono state effettuate analizzando i getti a parità di altezza e variando la pressione.

Nelle prove qui presentate l’ugello è disposto con getto verticale e la carta orizzontalmente, come illustrato in figura 3.

I principali parametri di prova impostati sono la pressione relativa p di alimentazione dell’ugello e l’altezza h di posizionamento dell’ugello da terra.

La pressione utilizzata nelle prove tiene conto della massima pressione che è in grado di garantire questa pompa (4 bar) e dalle pressioni di alimentazione proprie di ogni ugello.

L’altezza h di posizionamento da terra dell’ugello è stata scelta in base alle modalità di volo tipiche del drone in esame e sulla base delle dimensioni della vite.

La variazione di questo parametro viene effettuata modificando l’altezza da terra della barra orizzontale su cui è montato l’ugello.

L’analisi del getto a diverse altezze permette di analizzare è il trattamento in varie sezioni della pianta, valutandone l’efficacia. I valori di altezza sperimentati sono h1= 0,5 m, h2 = 1,0 m, h3 = 1,5 m, come indicato nelle figure 4a e 4b.

Metodi utilizzati per la valutazione dei dati sperimentali

Il principale parametro di analisi in queste prove sperimentali è la dimensione delle gocce e la loro distribuzione.

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Fig. 5a – Risultati analisi con ugello a cono pieno per p=4 bar, h=0,5 m.
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Fig. 5b – Risultati analisi con ugello a cono pieno per p=4 bar, h=1,5 m

Gli studi sono mirati anche a valutare un particolare fattore di conversione dal quale è possibile risalire al diametro e al volume della goccia originale partendo dall’impronta rilasciata dal getto.

I tre principali metodi di conversione utilizzati sono:

– il primo metodo: utilizza tabelle e grafici da letteratura per risalire al fattore β di dispersione (spread factor) partendo della dimensione della macchia, data la distorsione che essa può subire impattando contro il foglio;

– il secondo metodo: usa la seguente relazione tra il diametro dello spot (Dspot, μm) e il diametro originale (D, μm)

Dspot = 1,59 ∙0,938 ∙ D1,143                                                                                       (1)

– il terzo metodo: utilizza la seguente relazione empirica tra il coefficiente di dispersione β e il diametro dello spot Dspot:

β =0,0000857 ∙ Dspot+1,6333                                                                                    (2)

Sfruttando questi metodi indicati da studi bibliografici è possibile ricavare informazioni importanti sul getto di partenza.

Viene quindi considerato come dato riassuntivo il diametro medio prendendo in considerazione tre particolari diametri caratteristici, così definiti:

D V0,5 noto come Diametro medio volumetrico (VMD:Volume Median Diameter): rappresenta il diametro delle gocce al quale corrisponde il 50 % del volume di spray con diametro inferiore e superiore al valore individuato;

D V0,1:rappresenta il diametro per cui il 10% delle gocce presenti sul totale del volume di liquido hanno un valore inferiore a quello individuato;

D V0,9:indica il 90% delle particelle presenti nel volume di liquido che hanno un diametro inferiore al valore dato.

Il più importante è il diametro medio volumetrico (VMD), che corrisponde alla mediana del set di dati a disposizione.

Inoltre occorre valutare non solo la dimensione della goccia, ma anche la distribuzione delle gocce.

Tab. 2 – Riassunto dei dati ottenuti con l’ugello a cono pieno a 4 bar.

I due parametri maggiormente utilizzati sono: l’area di copertura (%) fornisce la percentuale di area ricoperta dalle gocce sulla superficie di riferimento; la densità delle gocce (gocce/cm2) fornisce il numero di gocce sull’area di interesse.

Essi sono definiti dalle seguenti relazioni:

ugelli irroratori       (3)

ugelli irroratori(4)

 

dove N sono le particelle individuate come il numero di particelle riconosciute e quantificate dal software con sui sono stati elaborati i risultati sperimentali.

Analisi dei risultati sperimentali

A titolo di esempio dei risultati sperimentali ottenuti e dalla loro elaborazione, sono presentate le prove sull’ugello a cono pieno e sull’ugello a cono vuoto.

ugelli irroratori
Fig. 6a – Andamento di VMD_I in funzione della pressione di alimentazione dell’ugello alle varie altezze da terra.
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Fig. 6b – Andamento di VMD_II in funzione della pressione di alimentazione dell’ugello alle varie altezze da terra.
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Fig. 6c – Andamento di VMD_III in funzione della pressione di alimentazione dell’ugello alle varie altezze da terra.

Le prove sperimentali effettuate sono a stazione fissa, per ora, quindi senza un movimento dell’ugello che simuli il moto del drone.

Il tempo di spruzzo è stato quindi opportunamente calibrato in modo da durare alcuni decimi di secondo per evitare una eccessiva irrorazione del foglio di carta, cosa che può rendere non analizzabile la traccia della zona investita dal getto.

Ugello a cono pieno

La caratterizzazione dell’ugello è stata effettuata con pressioni di alimentazione pari a p1= 2 bar, p2= 3 bar, p3= 4 bar e con le altezze di prova prima indicate (h1= 0,5 m; h2= 1,0 m; h3= 1,5 m).

Nelle figure 5a e 5b sono illustrate alcune tra le prove sperimentali ottimali ottenute con questo tipo di ugello a cono pieno a 4 bar (a due delle tre diverse altezze di prova da terra), dal momento che questa è risultata essere la pressione ottimale per questo tipo di ugello, in termini di uniformità e tipologia di gocce irrorate.

Nella prima riga di tali figure è illustrata l’immagine originale del getto. In giallo sono evidenziate le aree analizzate, scelte in modo che la densità delle gocce non sia eccessiva e non comprometta una analisi dettagliata con il software di elaborazione immagini.

Fig. 7a – Area coverage al variare della pressione di alimentazione.
Fig. 7b – Droplet density al variare della pressione di alimentazione.

Nella seconda riga è illustrata invece l’immagine ottenuta dal processo Analyze Particles in cui sono presenti i soli contorni delle particelle riconosciute e quantificate dal programma di elaborazione.

La tabella 2 riassume i dati ottenuti con questo ugello a p = 4 bar, evidenziando anche il tempo di spruzzo ts e i parametri di valutazione prima illustrati.

Nelle figure 6a e 6b, c sono illustrati gli andamenti dei parametri analizzati in funzione della pressione di alimentazione ed al variare dell’altezza da terra.

Sono indicati con VMD_ I, VMD_ II e VMD_ III i diametri caratteristici ricavati rispettivamente con il primo, secondo o terzo metodo sopra illustrato, da cui si passa dalla dimensione dello spot alla dimensione originale della goccia all’uscita dall’ugello.

Da questi grafici è possibile analizzare al variare della pressione di alimentazione, quale tra i tre metodi corrispondono valori di diametri più bassi e quale sia quello coerente con i valori riportati da catalogo in quanto l’ugello, per le pressioni di lavoro analizzate, appartiene alla classe F(Fine).

Dai risultati ottenuti si osserva che: tra i tre metodi impiegati, l’unico metodo che è in grado di garantire una buona corrispondenza tra i dati riportati da catalogo e quelli ottenuti è il secondo metodo (VMD II), che presenta valori di diametro compresi tra 200 e 300 µm a confronto del range delle dimensioni associate alla classe Fine di appartenenza a cui corrispondono valori compresi tra 106 e 235 µm.

Fig. 8a – Risultati con ugello a cono vuoto per p= 3 bar e h = 0,5 m.
Fig. 8b – Risultati con ugello a cono vuoto per p= 3 bar e h = 1,5 m.

Per analizzare ulteriormente i risultati ottenuti al variare della pressione di alimentazione, vengono riportati nelle figure 7a e 7b gli andamenti del grado di copertura e della densità delle gocce del getto in funzione delle altezze da terra.

Per entrambi questi parametri è evidente che all’aumentare della distanza dell’ugello da terra, la prestazione del getto si riduce, per cui negli strati intermedi e inferiori della pianta i valori registrati subiscono una netta riduzione di gocce irrorate.

Questo rappresenta un limite poiché le zone interne della vite potrebbero subire un trattamento meno efficace rispetto alla superficie superiore.

Ai differenti valori di pressione si osserva che il comportamento migliora all’aumentare della pressione di alimentazione.

Il suo valore ottimale è pari a 4 bar alla quale si rileva un buon grado di copertura rispetto ai casi con pressioni inferiori.

L’andamento della densità delle gocce è ottimale alla varie altezze da terra, garantendo un trattamento efficace.

Per l’ugello a cono vuoto vengono qui illustrati i risultati di alcune prove sperimentali a 3 bar, essendo questa risultata la pressione ottimale di alimentazione per questo ugello nell’applicazione in esame.

Nelle figure 8a e 8b, in modo analogo all’ugello a cono pieno, nella prima riga è illustrata l’immagine originale del getto.

Fig. 9a – Andamento di VMD_I in funzione della pressione di alimentazione.
Fig. 9b – Andamento di VMD_II in funzione della pressione di alimentazione.
Fig. 9c – Andamento di VMD_III in funzione della pressione di alimentazione.

In giallo sono evidenziate le aree analizzate, scelte in modo che la densità delle gocce non sia eccessiva e non comprometta una analisi dettagliata con il software di elaborazione immagini, mentre nella seconda riga è illustrata l’immagine ottenuta dal processo Analyze Particles in cui sono presenti i soli contorni delle particelle riconosciute e quantificate dal programma di elaborazione.

Nelle figure 9a, 9b, 9c sono quindi illustrati i valori di VMD_I, VMD_II e VMD_III, diametri caratteristici del getto ricavati con il primo, secondo e terzo metodo di conversione indicato.

Da tali grafici emerge che: con il primo metodo (VMD _I) i valori di diametro rappresentativi della distribuzione del getto risultano essere compresi tra i 250 e i 320 µm, inoltre, il valore minimo viene registrato in corrispondenza di h=1,0 m a cui corrisponde, pertanto, una distribuzione più fine.

Con il secondo metodo (VMD_ II) viene individuato un diametro medio volumetrico compreso tra 200 e 225 µm, minore rispetto a quello valutato con gli altri due metodi di conversione.

Tab. 3 – Risultati ottenuti con l’ugello a cono vuoto a 3 bar di alimentazione.

Con il terzo metodo (VMD_ III) vengono ricavati valori dei diametri delle gocce simili al primo metodo. I valori ottenuti sono simili al variare dell’altezza da terra.

La tabella 3 riassume i risultati sperimentali ottenuti con questo tipo di ugello, specificando il tempo di spruzzo ts e i parametri analizzati.

Nelle figure 10 a e 10b sono illustrati l’area di copertura e la densità delle gocce per questo tipo di ugello.

Fig. 10a – Area coverage al variare della altezza da terra per p = 3 bar.
Fig. 10b – Droplet density al variare della altezza da terra per p = 3 bar.

Dall’andamento del grado di copertura si nota un buon comportamento del getto.

Infatti, il parametro Area Coverage non subisce una riduzione tra lo strato superiore e quelli intermedi della pianta e resta circa costante a una percentuale del 35%.

Dalla valutazione della densità delle gocce è evidente che il numero di gocce per unità di area non dipende dall’altezza d’irrorazione e ciò determina un buon comportamento dell’ugello poiché garantisce un trattamento omogeneo ed efficace nei diversi strati della vite.

La ricerca è stata finanziata con fondi MIUR sul progetto PRIN 2017 “New technical and operative solutions for the use of drones in Agriculture 4.0”.

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Ringraziamenti

Si ringrazia l’azienda di Vicoforte (CN), Antica Meridiana Relais-Art di proprietà di Massimo Martinelli (località Bricco Mollea) per l’aiuto prestato nella valutazione delle quote della coltura.

Si ringraziano il Dr. A. Ivanov e gli ingg. G.Pepe, M Persico, P.Gala, G. Grenna, A.Conte, A.Frate per la collaborazione prestata nello studio qui presentato.

Terenziano Raparelli, Gabriella Eula, Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale, Politecnico di Torino