A particle tracking velocimetry technique for drop characterization in agricultural sprinklers

A variety of techniques have been proposed in the literature for sprinkler drop characterization. An optical particle tracking velocimetry (PTV) technique is proposed in this paper to determine drop velocity, diameter and angle. The technique has been applied to the drops emitted by an isolated impact sprinkler equipped with two nozzles (diameters 3.20 and 4.37 mm) operating at a pressure of 175 kPa. PTV has been previously used to determine the velocity vector of different types of particles. In this research, PTV was used to photograph sprinkler drops over a region illuminated with laser light. Photographs were taken at four horizontal distances from the sprinkler, which was located at an elevation of 1.65 m over the soil surface. Drop angle and velocity were derived from the displacement of the drop centroid in two images separated by a short time step. Centrality and dispersion parameters were obtained for each drop variable and observation point. Results derive from the analysis of 2,360 images. Only 37.5 % of them (884 images) contained drops which could be processed by the PTV algorithm, resulting in a total of 3,782 drops. A filtering algorithm just validated 1,893 valid drops, which were successfully analyzed. The proposed technique uses expensive equipment requiring continued protection against irrigation water. This methodology has proven valuable to characterize irrigation water drops. Despite its robust measurement procedure, further comparison with other techniques seems necessary before this optical technique can be recommended for practical use in sprinkler drop characterization

Discharge Coefficient Analysis for Triangular Sharp-Crested Weirs Using Low-Speed Photographic Technique

Abstract Triangular weirs are commonly used to measure discharge in open channel flow, representing an inexpensive, reliable methodology to monitor water allocation. In this work, a low-speed photographic technique was used to characterize the upper and lower nappe profiles of flow over fully aerated triangular weirs. A total of 112 experiments were performed covering a range of weir vertex angles (from 30° to 90°), crest elevations (8 or 10 cm), and discharges (0.01–7.82  l s−1). The experimental nappe profiles were mathematically modeled and combined with elements of free-vortex theory to derive a predictive equation for the weir discharge coefficient. Comparisons were established between measured Cd, the proposed discharge coefficient equation, and discharge coefficient equations identified in the literature. The proposed equation predicts Cd with a mean estimation error (MEE) of 0.001, a root-mean square error (RMSE) of 0.004, and an index of agreement (IA) of 0.984. In the experimental conditions of this study, this performance slightly improves that of the equation proposed by Greve in 1932, and showed the same absolute value of MEE but lower values of RMSE and IA

Análisis geoestadístico espacial de cuatro iones mayoritarios y arsénico en el acuífero Calera, Zacatecas

Conocer la distribución espacial y evolución temporal de la cantidad y calidad del agua subterránea resulta fundamental en el manejo de acuíferos. En este artículo se presentan los resultados de un análisis geoestadístico espacial realizado a cuatro iones mayoritarios (calcio, cloruro, sodio y sulfato) y arsénico (elegido por el alto grado de toxicidad que representa), considerados parámetros indicadores de la calidad del agua para el acuífero Calera, Zacatecas, México. Las configuraciones espaciales obtenidas complementan el modelo conceptual existente del funcionamiento del agua en el acuífero. Se observó que, en general, el agua subterránea en la zona es de buena calidad de acuerdo con los valores establecidos por la NOM-127-SSA1-1994

Caracterización geométrica y cinemática de un chorro pulverizado empleando la técnica óptica PTV

Los fenómenos naturales o inducidos que involucran el movimiento de gotas motivan análisis para determinar aspectos como la pérdida de suelo por erosión o los cambios que pudieran ocurrir en la tasa de infiltración debido a la energía con la que impactan sobre la superficie del suelo. El diámetro y la velocidad definen la magnitud del efecto. Para caracterizar estas variables se han aplicando diversas técnicas (papel sensible al agua, harina, inmersiones en aceite, ópticas y fotografía). En este sentido, la presente investigación emplea velocimetría por rastreo de partículas (PTV) en la caracterización de gotas emitidas por un pulverizador de flujo. PTV ha encaminado parte de su desarrollo al análisis de la velocidad de sedimentación en flujos bifásicos donde se requiere del sembrado de partículas trazadoras para evaluar el fenómeno; sin embargo, las características experimentales del trabajo obligaron a omitir el uso de estos elementos, por lo que fue indispensable hacer adecuaciones al esquema propuesto por Salinas et al. (2006). Las gotas se originaron a una presión hidráulica constante de 175 kPa, las fotografías se capturaron a una distancia de 4.5 m con tres alturas diferentes del pulverizador. La información recolectada (diámetros y velocidades) posibilitó la construcción de campos vectoriales de velocidad. Los resultados presentados derivan del análisis de 1 582 gotas, con las que se obtuvieron valores medios de 0.39, 0.55 y 0.34 mm en diámetro, y 4.02, 3.70 y 3.63 ms-1 en velocidad, para alturas de 0.5, 1.0 y 1.5 m, respectivamente

A photographic method for drop characterization in agricultural sprinklers

42 Pags.- 1 Tabl.- 12 Figs. The defintive publication is available at: http://link.springer.com/journal/271The experimental data set used in the paper is OA available (http://hdl.handle.net/10261/127640)The characterization of drops resulting from impact sprinkler irrigation has been addressed by a number of techniques. In this article, a new technique based on low-speed photography (1/100 s) is presented and validated. The technique permits to directly measure drop diameter, velocity and angle. The photographic technique was applied to the characterization of drops resulting from an isolated sprinkler equipped with a 4.8 mm nozzle and operating at a pressure of 200 kPa. Sprinkler performance was characterized from photographs of 1,464 drops taken at distances ranging from 1.5 to 12.5 m. It was possible to analyze separately the drops emitted by the main jet and those emitted by the impact arm. The proposed technique does not require specific equipment, although it is labor intensive.This research was funded by the Plan Nacional de I+D+i of the Government of Spain, through grant AGL2007-66716-C03. Carlos Bautista received a scholarship from the Agencia Española de Cooperación Internacional (AECI).Peer reviewe

Caracterización de las gotas emitidas por un aspersor de impacto de dos boquillas, aplicando técnica fotográfica

El presente trabajo ha permitido caracterizar un aspersor de impacto equipado con dos boquillas de aspersión (la principal de 3.97 mm y la secundaria de 3.18 mm) mediante técnicas fotográficas. El aspersor analizado presenta una curva radial con perfil triangular de aplicación de agua. Esto hace que sea muy adecuado para el riego agrícola y que la caracterización de las gotas emitidas sea más realista que las realizadas anteriormente con aspersores de una sola boquilla. Las presiones hidráulicas evaluadas fueron 150, 200, 250 y 300 kPa, y las características de las gotas se midieron en puntos de observación colocados a 3, 6, 9 y 12 m desde el aspersor. Para llevar a cabo los experimentos se eligieron alturas de 1.65 y 2.55 m, medidas entre la superficie del suelo y el centro del aspersor. Las gotas fueron evaluadas a una altura de 1.15 m sobre la superficie del suelo. Los resultados reportados derivan de 4 100 fotografías brutas, 1 450 fotografías con gotas válidas, y un total de 7 285 gotas analizadas, que han permitido caracterizar el aspersor con base en el diámetro de las gotas, su velocidad y el ángulo respecto de la vertical. Se han establecido curvas de frecuencia y volumen de gotas para las dos boquillas y alturas, así como relaciones diámetro-velocidad y ángulo-velocidad para cada combinación de boquilla, altura, distancia y presión. Por otro lado, se ha generado un completo conjunto de datos que permitirá realizar análisis orientados a la calibración de modelos balísticos y a la mejora de su capacidad predictiva

Estimating Potential Evapotranspiration by Missing Temperature Data Reconstruction

This work studies the statistical characteristics of potential evapotranspiration calculations and their relevance within the water balance used to determine water availability in hydrological basins. The purpose of this study was as follows: first, to apply a missing data reconstruction scheme in weather stations of the Rio Queretaro basin; second, to reduce the generated uncertainty of temperature data: mean, minimum, and maximum values in the evapotranspiration calculation which has a paramount importance in the manner of obtaining the water balance at any hydrological basin. The reconstruction of missing data was carried out in three steps: (1) application of a 4-parameter sinusoidal type regression to temperature data, (2) linear regression to residuals to obtain a regional behavior, and (3) estimation of missing temperature values for a certain year and during a certain season within the basin under study; estimated and observed temperature values were compared. Finally, using the obtained temperature values, the methods of Hamon, Papadakis, Blaney and Criddle, Thornthwaite, and Hargreaves were employed to calculate potential evapotranspiration that was compared to the real observed values in weather stations. With the results obtained from the application of this procedure, the surface water balance was corrected for the case study

Empleo de sumadores electrónicos en lisímetros de pesada de varías células de carga

Los lisímetros de pesada son los equipos más precisos que existen en la actualidad para conocer el consumo de agua de los cultivos. Hasta el momento, estos equipos solo han estado disponibles en centros de investigación, ya que eran muy costosos y requerían de una gran infraestructura. Mediante modelos matemáticos y sensores calibrados a partir de los datos proporcionados por estos equipos, se ha intentado extrapolar los datos para ayudar a los agricultores a estimar las necesidades de agua de sus cultivos, aunque en la mayoría de los casos suelen diferir de las necesidades reales. En los últimos años, se han realizado enormes avances que están permitiendo incorporar esta tecnología en parcelas comerciales. Para ello, ha sido necesario reducir el tamaño de los equipos, además de abaratar enormemente los costes para que se amortice en poco tiempo. La medida del peso se lleva a cabo con células de carga. Cuando se pretende compensar la temperatura, las células de carga emplean cuatro galgas extensiométricas, las cuales se ubican a ambos lados del bloque metálico para conocer su deformación. La deformación producida es proporcional al peso aplicado, la cual se transforma en una señal eléctrica medible, conectando las galgas dentro de un puente de Wheatstone. Los cuatro hilos obtenidos del puente, dos de alimentación y dos de señal de salida, pueden conectarse directamente a un datalogger con suficiente resolución o a un indicador de pesada. El recipiente donde se aloja el cultivo, se apoya sobre 4 células de cargas, lo que implica disponer de: a) varios datalogger, b) un datalogger con multiplexor o c) 4 indicadores de pesada conectados a un datalogger. En los tres casos se realizaría la medida de forma individual y la suma por software. Otra forma de conocer el peso global del cultivo, utilizando un único datalogger o indicador de pesada, es mediante el empleo de un sumador electrónico. En los sumadores electrónicos se conectan todas las células de carga en paralelo y se regulan mediante potenciómetros de precisión. De esta forma conseguimos sumar todos los pesos y utilizar un único canal para la medida global del recipiente de cultivo (RC). Este sistema ha permitido resolver de una forma más económica y con la misma precisión, la medida del peso del RC

Estimation of the Evapotranspiration and Crop Coefficients of Bell Pepper Using a Removable Weighing Lysimeter: A Case Study in the Southeast of Spain

Water use efficiency is essential in semiarid regions of Spain, and it can be achieved through a precise knowledge of the real crop water requirements (CWR). The Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO) offers standardized crop coefficients to establish the CWR. However, these coefficients can change due to different conditions, such as climatic variations and cultivation practices. In this work, the evapotranspiration (ETClys) and crop coefficients (KClys) of bell pepper were obtained with a compact removable weighing lysimeter between February and August for two crop seasons (2019 and 2020). ETClys was determined from the water balance, and the KClys values were determined as the ratio of the crop evapotranspiration, measured on the removable weighing lysimeter, and the reference evapotranspiration. The KClys average values for the bell pepper in the initial, middle, and final stages were 0.57, 1.06, and 0.80, respectively. KC regression models were obtained as a function of the fraction thermal units, achieving a maximum correlation of 0.67 (R2). In general, the KC values obtained in this research work were lower in the initial and in the final stages and larger in the middle stage in comparison with the FAO-56 values and other research works values in semiarid conditions. The bell pepper yield increased by 7.72% in 2019 and by 3.49% in 2020 compared to the yield reported by the Ministry of the Environment and Rural and Marine Areas of the Spanish Government in 2019 and with a minimum water loss through drainage. The results in this work can help farmers to determine the crop water requirements and to improve the system efficiency in semiarid locations with similar conditions to those in the study