Nozzle spray quality and spray deposition in agricultural treatments

Abstract

Within the current scenario of agriculture, Plant Protection Products (PPPs) have been recognized as one of the most effective and powerful tools for crop pest control, offering several benefits in controlling plant growth. However, improper handling of these products can inevitably lead to undesirable impacts on both human health and the surrounding environment. For this reason, it is required paying attention to several aspects during PPP application process, which will determine how effectively the crops are covered by the liquid mixture. Among these, the assessment of nozzle spray quality, evaluated in terms of droplet size spectrum, holds a significant role, as it has influence on the movement of the required dose to the target, on the unwanted off-target losses, as well as on the operator safety. In this context, the multidisciplinary research activities of this PhD thesis were focused on: (i) taking general understanding and reviewing the current available scientific literature regarding the most widespread techniques, both intrusive and non-intrusive, for droplet size measurement; (ii) evaluating the effects of image segmentation thresholding on droplet size measurement; (iii) comparing the performance of four droplet size measurements techniques employed for spray characterization, by measuring the droplet size spectrum produced by agricultural nozzles under identical operating conditions; (iv) studying the correlation between droplet diameters, foliar deposition on orange leaves and surface coverage measured on Water Sensitive Papers (WSPs) under laboratory conditions, so that allowing the development of a model capable of predicting foliar deposition in function of superficial coverage and droplet characteristic diameters; and (v) modelling the cumulative volume curves by using the logistic function, allowing to compute and forecast the volumetric diameters in a spray, as well as evaluate the effect of spray pressure on the model. Overall, the present research project has contributed to lay a valid base for an efficient PPP application, playing a fundamental role in increasing their benefits and driving farmers and researchers to better consolidate the state of knowledge about the optimal droplet size distribution and the resulting efficiency of the spray deposition process during phytosanitary treatments. Keywords: plant protection product; nozzle; droplet size; suface coverage; deposit; digital image analysis; laser-based technology; spray characterization; spray modellin.No cenário atual da agricultura, os Produtos de Proteção de Plantas (PPPs) têm sido reconhecidos como uma das ferramentas mais eficazes e poderosas para o controle de pragas em plantações, oferecendo vários benefícios no controle do crescimento das plantas. No entanto, o manuseio inadequado desses produtos pode inevitavelmente levar a impactos indesejáveis ??na saúde humana e no meio ambiente. Por esse motivo, é necessário prestar atenção a vários aspectos durante o processo de aplicação de PPPs, que determinarão quão efetivamente as plantações são cobertas pela mistura líquida. Entre eles, a avaliação da qualidade da pulverização do bico, avaliada em termos de espectro de tamanho de gota, desempenha um papel significativo, pois influencia no movimento da dose necessária para o alvo, nas perdas indesejadas fora do alvo, bem como na segurança do operador. Nesse contexto, as atividades de pesquisa multidisciplinar desta tese de doutorado foram focadas em: (i) obter uma compreensão geral e revisar a literatura científica atual disponível sobre as técnicas mais difundidas, tanto intrusivas quanto não intrusivas, para medição do tamanho de gota; (ii) avaliar os efeitos do limiar de segmentação de imagem na medição do tamanho de gota; (iii) comparar o desempenho de quatro técnicas de medição de tamanho de gotas empregadas para caracterização de pulverização, medindo o espectro de tamanho de gotas produzido por bicos agrícolas sob condições operacionais idênticas; (iv) estudar a correlação entre diâmetros de gotas, deposição foliar em folhas de laranja e cobertura de superfície medida em Water Sensitive Papers (WSPs) em condições de laboratório, de modo a permitir o desenvolvimento de um modelo capaz de prever a deposição foliar em função da cobertura superficial e diâmetros característicos de gotas; e (v) modelar as curvas de volume cumulativo usando a função logística, permitindo calcular e prever os diâmetros volumétricos em uma pulverização, bem como avaliar o efeito da pressão de pulverização no modelo. No geral, o presente projeto de pesquisa contribuiu para estabelecer uma base válida para uma aplicação eficiente de PPP, desempenhando um papel fundamental no aumento de seus benefícios e levando agricultores e pesquisadores a consolidar melhor o estado do conhecimento sobre a distribuição ideal do tamanho de gotas e a eficiência resultante do processo de deposição de pulverização durante tratamentos fitossanitários. Palavras-chave: produto de proteção de plantas; bico; tamanho da gota; cobertura de superfície; depósito; análise de imagem digital; tecnologia baseada em laser; caracterização de pulverização; modelagem de pulverização.