BR102020009199A2 - Sensor de fluxo - Google Patents
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Abstract
sensor de fluxo. a presente invenção apresenta um sensor de fluxo (1) de sólidos particulados preferencialmente voltado para o monitoramento da aplicação de insumos agrícolas no solo, em que é instalado externamente ao condutor de insumos, não apresenta a necessidade de contato com o insumo e transmite os dados do monitoramento em transmissão sem fio. o sensor (1) em sua configuração preferencial compreende, pelo menos: um invólucro (1.1); um transdutor de vibração (1.3); uma placa eletrônica (1.4); e uma bateria (1.5).
Description
[001] A presente invenção se insere no campo da agricultura, mais especificamente na área do sensoriamento de insumos em implementos agrícolas.
[002] Os implementos agrícolas são equipamentos que executam diversas funções no campo e uma das principais funções executadas é a aplicação de insumos no solo.
[003] São inúmeras as causas possíveis para falhas nestas aplicações, desde a ausência de insumo nos tanques de armazenamento até o entupimento dos condutores de insumos (mangueiras e tubos). A ocorrência de falhas na aplicação dos insumos pode causar danos catastróficos na produção agrícola que, em geral, são descobertos apenas após as plantas emergirem, quando pouco pode ser feito para a diminuição dos prejuízos.
[004] Dentre os insumos utilizados na agricultura podemos destacar os que são aplicados na forma de fluxos de sólidos particulados, tais como os grãos finos (trigo, arroz, cevada, centeio etc.) e os fertilizantes químicos granulados (comumente chamados de adubo). O transporte desses insumos nos implementos ocorre, principalmente, por gravidade (implementos mecânicos) ou por pressão positiva gerada por turbinas pneumáticas (implementos pneumáticos).
[005] O sensoriamento de insumos nesses implementos envolve desafios grandiosos de engenharia que são impostos pelo ambiente agrícola. Um sistema ideal de sensoriamento deve ser capaz de superar a fragilidade de soluções com fios e cabos no campo, proporcionar a robustez e a facilidade de instalação e utilização necessárias nas áreas distantes e remotas do agronegócio, adequar-se às peculiaridades dos fluxos de insumos sólidos (fragilidade dos grãos, higroscopicidade dos fertilizantes etc.), além de atender a uma expectativa de vida útil própria do ambiente agrícola, superior a 10 anos.
[006] As tecnologias aplicadas no sensoriamento de insumos nos implementos agrícolas datam desde os anos 60 e incluem: sensoriamento por um par emissor/receptor óptico, por ultrassom, por micro-ondas, com transdutor capacitivo, com transdutor piezelétrico, por efeito acústico, entre outros. Essas tecnologias, ao longo do tempo, foram empregadas de formas cada vez mais sofisticadas, aproveitando os avanços tecnológicos da indústria de semicondutores.
[007] Um problema em implementos agrícolas é a utilização de fios e cabos. É altíssima a taxa de falhas decorrentes de danos mecânicos nos cabos e maus contatos elétricos nos conectores, principalmente em implementos de aplicação de fertilizante granulado (um composto químico altamente corrosivo).
[008] As soluções de mercado atuais dependem de um técnico especializado para instalação dos sensores nos implementos. Do mesmo modo, qualquer manutenção preventiva ou corretiva, onde se necessite substituir componentes eletrônicos, demanda também a presença de um técnico. Em virtude das grandes distâncias envolvidas no agronegócio, essa necessidade se traduz em longos tempos de máquina parada e altos custos de atendimento.
[009] Outro problema presente nos sensores de mercado é a necessidade de se alterar componentes originais da máquina, seja cortando, furando ou substituindo as mangueiras de transporte de adubo e grãos finos. Essas alterações, além de poderem danificar o implemento, comumente prejudicam a aplicação dos insumos.
[010] Os sensores de insumo disponíveis no mercado têm outra característica indesejável, a necessidade de contato do insumo com alguma parte do sensor. A peculiaridade dos insumos agrícolas é tal que a simples interferência na direção dos fluxos pode causar sérios problemas. Por exemplo, nas sementes, os sensores podem causar danos mecânicos que diminuem sua capacidade de germinação e, nos fertilizantes, causar o efeito da cimentação, que é a aderência do fertilizante nas paredes do condutor ou do sensor, gerando obstrução total ou parcial do fluxo.
[011] Alguns documentos do estado da técnica apresentam sensores de fluxos sem fio, contudo não apresentam as mesmas características que a presente invenção.
[012] O documento BR 10 2015 025882-8, SENSOR DE FLUXO DE MATERIAL PARTICULADO SÓLIDO SEM FIO DOTADO DE BATERIA INTERNA, descreve um sensor voltado preferencialmente ao sensoriamento de insumos agrícolas para monitorar o fluxo dentro de um condutor que guia o material particulado durante a operação do maquinário agrícola.
[013] Entretanto o sensor divulgado por tal documento é instalado em série com o condutor de insumos, logo tendo a necessidade de alteração nas conexões originais do implemento e de contato entre o insumo e alguma parte do sensor. Esses fatores podem prejudicar o desempenho original do implemento, por exemplo, pelo aumento da cimentação de adubo na região do sensor e/ou pelo impacto das sementes com o sensor. Ainda, quando o diâmetro do sensor e dos condutores são diferentes, há a necessidade de adição de acoplamentos adaptadores entre eles, maximizando os efeitos negativos citados.
[014] O documento US20160143211, WIRELESS FLOW MONITORING SYSTEM FOR AN AIR SEEDER, apresenta um sistema de sensoriamento e um sensor de fluxo específicos para o tipo de insumo que se deseja detectar, em que os sensores são acoplados nos tubos de passagem de insumos e transmitem a informação da passagem de insumos em transmissão sem fio.
[015] O sensor divulgado por tal documento também é instalado em série com o condutor de insumos, padecendo, portanto, dos mesmos problemas da patente anteriormente citada. Além disso, o documento supracitado alega que há um menor consumo de energia dos sensores em virtude de transmitirem as informações para sensores vizinhos apenas, demandando menos potência na transmissão dos dados. Porém, é sabido que nessa topologia de rede os sensores consomem mais energia, pelo fato de estarem constantemente em modo de recepção.
[016] A presente invenção apresenta um sensor de fluxo (1) de sólidos particulados preferencialmente voltado para o monitoramento da aplicação de insumos agrícolas no solo, em que não apresenta a necessidade de contato com o insumo, é instalado externamente ao condutor de insumos e transmite os dados do monitoramento em transmissão sem fio. O sensor (1) em sua configuração preferencial compreende, pelo menos, em: um invólucro (1.1; 1.2); um transdutor de vibração (1.3); uma placa eletrônica (1.4); e uma bateria (1.5).
[017] Para obter uma total e completa visualização do objeto desta invenção, são apresentadas as figuras as quais se fazem referências, conforme se segue.
[018] A figura 1 mostra uma vista isométrica do sensor (1) com abas laterais (2), de acordo com uma configuração preferencial da presente invenção.
[019] A figura 2 mostra a vista explodida do sensor (1), de acordo com uma configuração preferencial da presente invenção.
[020] A figura 3 mostra o sensor (1) devidamente instalado em um condutor (4) rígido com o auxílio de braçadeiras (3), de acordo com uma configuração preferencial da presente invenção.
[021] A figura 4 mostra o sensor (1) devidamente instalado em um condutor (4) maleável com o auxílio de abas laterais (2) e braçadeiras (3), de acordo com uma configuração preferencial da presente invenção.
[022] A figura 5 mostra um diagrama esquemático da placa eletrônica, de acordo com uma configuração preferencial da presente invenção.
[023] A presente invenção apresenta um sensor de fluxo (1) de sólidos particulados preferencialmente voltado para o monitoramento da aplicação de insumos agrícolas no solo, onde não apresenta a necessidade de contato com o insumo para o devido monitoramento do mesmo, sendo instalado externamente ao condutor de fluxo (4) e, ainda, transmite os dados do monitoramento para um receptor em transmissão sem fio. O sensor (1) compreende, em sua configuração preferencial, em, pelo menos: um invólucro (1.1; 1.2); um transdutor de vibração (1.3); uma placa eletrônica (1.4); e uma bateria (1.5).
[024] O invólucro (1.1; 1.2), conforme observado na figura 2, tem a função de acomodar os demais componentes do sensor (1) em seu interior, compreendendo um corpo principal (1.1) e uma tampa (1.2), onde o corpo principal (1) apresenta um rebaixo em sua face inferior, preferencialmente em seu ponto intermédio, para o encaixe do transdutor de vibração (1.3). O rebaixo permite que o transdutor fique bastante próximo do condutor de fluxo, sem que seja necessária uma parede fina em toda a face inferior do sensor. A tampa (1.2) compõe a face superior do corpo principal (1.1) fechando e vedando a parte superior do mesmo e se fixando preferencialmente por parafusos em suas extremidades.
[025] O invólucro (1.1; 1.2) é preferencialmente preenchido com resina epóxi, ou material equivalente, para tornar o sensor (1) mais robusto. Entretanto, para não prejudicar a captação dos estímulos mecânicos pelo transdutor (1.3) é necessário inserir uma camada de espuma, ou material equivalente, entre o transdutor (1.3) e a resina.
[026] O transdutor de vibração (1.3) tem a função de transformar os estímulos mecânicos, que os materiais passantes pelo condutor (4) exercem em decorrência da colisão de suas partículas contra o lado interno da parede do mesmo, em sinais elétricos proporcionais a esses estímulos. O transdutor (1.3) é preferencialmente um cristal piezoelétrico posicionado junto ao rebaixo na face inferior do corpo principal (1.1) do invólucro, com isso o mesmo tem contato indireto com o lado externo da parede do condutor (4), viabilizando a captação dos estímulos mecânicos.
[027] Tais estímulos e, consequentemente, a energia contida nos sinais elétricos captados provindos dos mesmos é proporcional ao fluxo do material passando no condutor (4), tanto em sua amplitude quanto em sua frequência, sendo assim uma medida indireta do fluxo.
[028] O transdutor (1.3), então, transmite os sinais elétricos para a placa eletrônica (1.4).
[029] A placa eletrônica (1.4), conforme parcialmente ilustrado na figura 5, possui um circuito detector (1.4.1), um circuito analógico (1.4.2), um processador (1.4.3) e um transceptor de radiofrequência (1.4.4).
[030] O circuito detector (1.4.1) tem a função de identificar a existência, por menor que seja, do fluxo dos materiais passantes pelo condutor (4) detectando a presença dos sinais elétricos provindos do transdutor (1.3) e, com isso, acionar os demais componentes da placa eletrônica (1.4) exercendo assim a função de “Wake on Flow” (acordar na presença de fluxo).
[031] O circuito detector (1.4.1) permite que os demais componentes da placa eletrônica (1.4) permaneçam desligados nos instantes em que não há presença de fluxo nos condutores (4) resultando em uma economia no consumo da bateria (1.5) e, consequentemente, aumentando a autonomia de tempo de funcionamento do sensor (1).
[032] O circuito analógico (1.4.2) tem a função de filtrar o sinal elétrico provindo do circuito detector (1.4.1) eliminando os sinais captados de baixas frequências – tipicamente causados por outras fontes e não pela passagem de material no interior de condutor (4) e fornece ao processador (1.4.3) o sinal elétrico filtrado.
[033] A passagem de material pelo condutor (4) gera um sinal com componentes de frequências elevadas, maiores do que aquelas geradas por estímulos mecânicos vindos das extremidades do condutor (4), tais como vibrações de máquina e impactos do implemento agrícola contra o solo. Com isso é possível obter um sinal elétrico cujas características de amplitude e frequência são majoritariamente correlacionadas com a intensidade do fluxo passante no condutor (4).
[034] O processador (1.4.3) recebe o sinal filtrado do circuito analógico (1.4.2) e estima a intensidade do fluxo em função das características do sinal elétrico recebido, contabilizando o número de impactos relevantes percebidos pelo sensor em uma janela de tempo e correlacionando-o com a intensidade do fluxo a partir de uma tabela de dados previamente produzida. Com isso, o processador (1.4.3) fornece a informação de intensidade de fluxo para o transceptor de radiofrequência (1.4.4).
[035] O transceptor de radiofrequência (1.4.4) recebe a informação de intensidade de fluxo do processador (1.4.3) e transmite essa informação para um receptor remoto, por exemplo um computador de bordo no trator ou um sistema de supervisão à distância.
[036] A bateria (1.5) pode ser do tipo primária (não recarregável) ou do tipo secundária (recarregável) e é responsável por alimentar eletricamente a placa eletrônica (1.4).
[037] A configuração do sensor (1) permite uma fácil instalação e manutenção do mesmo nos condutores de fluxo (4), especialmente os condutores de insumos agrícolas usados em implementos da área. Nos casos onde o condutor for suficientemente rígido a utilização de braçadeiras (3) é o recomendado, conforme observado na figura 3.
[038] Entretanto é comum em alguns implementos agrícolas o uso de condutores flexíveis, que são os casos das plantadoras e semeadoras mecânicas, conforme observado na figura 4. Nesses casos a fixação do sensor com as braçadeiras pode ocasionar deformações nos condutores, prejudicando o fluxo de insumos. Isso se dá pelas braçadeiras (3) terem pouca área de contado para com os condutores.
[039] Para sanar esse problema da deformação nos condutores flexíveis, a presente invenção apresenta ainda abas laterais (2), conforme observado nas figuras 2 e 4. Tais abas laterais (2) são constituídas de material semiflexível e possuem uma grande área de contato com condutor (4). Com isso, conseguem abraça-lo sem causar estrangulamento ou deformação. Além disso, mesmo na instalação do sensor em condutores rígidos, as abas laterais (2) proporcionam maior estabilidade à instalação, tornando-a mais robusta e adequada para o ambiente agrícola.
[040] A presente invenção apresenta vantagens em relação ao estado da técnica, por solucionar problemas recorrentes contidos em sensores de fluxo de insumos em implementos agrícolas, tais como:
- − Maior facilidade de instalação, que pode ser feita pelo próprio operador do implemento, economizando altos custos de deslocamento para instalações e manutenções;
- − Manutenção da originalidade do implemento, através de uma instalação limpa, sem nenhuma alteração dos componentes originais da máquina, mantendo assim as suas características de eficiência na aplicação dos insumos;
- − Total ausência de fios, o que proporciona um aumento significativo da robustez do produto, resultando em menores tempos de manutenção e máquina parada;
- − Sensoriamento sem contato com o insumo, de modo a não causar danos mecânicos nas sementes, que diminuem seu índice de germinação, nem causar problemas de cimentação nos fertilizantes; e
- − Funcionar em maior parte do tempo em modo de operação com baixo consumo de energia, com o transceptor desligado, entrando em modo de transmissão apenas em caso de evento (falta de fluxo).
[041] Os versados na arte valorizarão os conhecimentos aqui apresentados e poderão reproduzir a invenção nas modalidades apresentadas e em outras variantes, abrangidas no escopo das reivindicações anexas.
Claims (10)
- Sensor de fluxo (1) de sólidos particulados caracterizado pelo fato de ser instalado externamente ao condutor de fluxo (4), transmitir os dados de sensoriamento em transmissão sem fio e compreender: invólucro (1.1; 1.2); um transdutor de vibração (1.3); uma placa eletrônica (1.4); e uma bateria (1.5).
- Sensor de fluxo (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ser um sensor preferencialmente voltado para o monitoramento da aplicação de insumos agrícolas no solo.
- Sensor de fluxo (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do invólucro (1.1; 1.2) acomodar os demais componentes do sensor (1) em seu interior, compreendendo um corpo principal (1.1) e uma tampa (1.2),
onde o corpo principal (1) apresenta um rebaixo em sua face inferior, preferencialmente em seu ponto intermédio, para o encaixe do transdutor de vibração (1.3); a
tampa (1.2) compõe a face superior do corpo principal (1.1) fechando e vedando o mesmo e se fixando preferencialmente por parafusos em suas extremidades; e
ser preferencialmente preenchido por resina, separada do transdutor por meio de espuma. - Sensor de fluxo (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do transdutor de vibração (1.3) transformar os estímulos mecânicos sofridos pelo condutor (4) em sinais elétricos proporcionais a esses estímulos, ser preferencialmente um cristal piezoelétrico, ser posicionado junto ao rebaixo na face inferior do corpo principal (1.1) do invólucro e transmitir os sinais elétricos para a placa eletrônica (1.4).
- Sensor de fluxo (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da placa eletrônica (1.4) compreender um circuito detector (1.4.1), um circuito analógico (1.4.2), um processador (1.4.3) e um transceptor de radiofrequência (1.4.4).
- Sensor de fluxo (1), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato do circuito detector (1.4.1), detectar a presença dos sinais elétricos provindos do transdutor (1.3) e acionar os demais componentes da placa eletrônica (1.4).
- Sensor de fluxo (1), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato do circuito analógico (1.4.2) filtrar o sinal elétrico provindo do circuito detector (1.4.1) e fornecer ao processador (1.4.3) o sinal elétrico filtrado.
- Sensor de fluxo (1), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato do processador (1.4.3) receber o sinal filtrado do circuito analógico (1.4.2), estimar a intensidade do fluxo em função das características do sinal elétrico recebido e fornecer a informação de intensidade de fluxo para o transceptor de radiofrequência (1.4.4).
- Sensor de fluxo (1), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato do transceptor de radiofrequência (1.4.4) receber a informação de intensidade de fluxo do processador (1.4.3) e transmiti-la para um receptor remoto.
- Sensor de fluxo (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender ainda abas laterais (2),
em que são constituídas de material semiflexível e possuem uma grande área de contato com o condutor (4).
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