BRPI0501914B1 - método e sistema de detecção de fluxo de material granular ao longo de um tubo condutor - Google Patents

Abstract

"método e sistema de detecção de fluxo de material granular ao longo de um tubo condutor". particularmente adequado ao controle da adubação em equipamentos agrícolas, compreendendo a emissão de um sinal sonoro pulsado numa direção substancialmente perpendicular ao dito fluxo e a medição das variações dos tempos de propagação do sinal sonoro entre um emissor ultra- sônico e um receptor, variações estas induzidas pela interação do sinal sonoro com o dito material granular. ditas variações são quantificadas em faixas de valores e totalizadas ao longo de um período predeterminado, após o qual as propriedades estatisticas desse conjunto de dados são determinadas, particularmente o seu desvio padrão. um valor reduzido deste parâmetro indica uma anormalidade no fluxo, sendo então desligada a saída do sensor que indica a presença de material granular no tubo condutor. o equipamento controlador que recebe o sinal do sensor aciona então um alarme para informação do operador. o ciclo de coleta e análise de dados é constantemente repetido, sendo os dados atualizados regularmente, em intervalos de, por exemplo, um segundo.

Description

MÉTODO E SISTEMA DE DETECÇÃO DE FLUXO DE MATERIAL GRANULAR AO LONGO DE UM TUBO CONDUTOR

Campo de Invenção Refere-se a presente invenção à detecção da presença ou ausência da passagem de materiais granulares por um tubo, particularmente adequado para utilização em implementos agrícolas e, mais particularmente, nos dispositivos de adubação utilizados nas lavouras mecanizadas.

Descrição do Estado da Técnica Um dos processos agrícolas mais importantes no plantio de culturas é a adubação. Ele normalmente é realizado mediante implementos agrícolas voltados para este fim, que são as adubadeiras. Existem também as plantadeiras que, além do adubo, aplicam também as sementes.

Em ambos os casos tais implementos compreendem vários dispositivos da adubação dispostos em paralelo, correspondendo cada um a uma linha de plantio ou adubação. Em cada uma destas linhas, cujo número pode exceder a 30 unidades, o adubo deve ser aplicado sem a ocorrência de falhas. Se ocorrer uma falha no fluxo do adubo, provavelmente esta só será detectada após um longo período, quando for observado que as plantas daquele local não se desenvolveram a contento. Tais falhas são causadas principalmente por falta de adubo nos compartimentos de adubo e/ou entupimento da tubulação que direciona o fluxo nas respectivas linhas.

Atualmente os equipamentos de adubação utilizados na agro-indústria dispõem de poucos sistemas que permitem detectar em tempo real a presença (ou ausência} de fluxo de adubo granular.

Alguns dentre os principais sistemas disponíveis utilizam sensores ópticos que detectam a presença do fluxo de adubo pela obstrução de um feixe de luz emitido por uma fonte emissora de luz localizada na face interna do tubo condutor, que é detectado por um foto-detector situado na face interna oposta. Este é o princípio no qual se baseia o objeto do documento de patente JP60151574, intitulado Passing Detector for Particle, especificamente projetado para detectar a passagem de adubo granulado. Neste dispositivo, a interrupção momentânea do feixe de luz produz um pulso de tensão que re-arma um temporizador. Se um novo pulso deixar de ser recebido após um determinado intervalo de tempo, o temporizador dispara e aciona um alarme. Um dos principais inconvenientes inerentes ao sensor óptico é a dependência da qualidade da recepção de luz no foto-detector. Devido ao fato de que o adubo granulado desprende poeira, esta vai se acumulando nas paredes internas da tubulação, de modo que a qualidade da recepção da luz se deteriora rapidamente. Quando a qualidade da recepção de luz se deteriora, o sistema gera falsa indicação de presença no fluxo de adubo.

Ainda outro inconveniente dessa solução se deve ao fato de que o grão de adubo deve passar dentro da região percorrida pelo feixe de luz, caso contrário não será detectado. A invenção em tela procura contornar este problema provendo um estrangulamento do tubo condutor no local em que estão montados a fonte e o detector luminoso, obrigando o grânulo a interceptar o feixe de luz durante sua queda. A existência de tal estrangulamento, porém, pode facilitar o entupimento do tubo condutor.

Outra classe de sensores que detecta a presença de adubo granulado utiliza a técnica capacitiva. Esta técnica se baseia na variação da constante dielétrica em função da presença do fluxo de adubo. Sua desvantagem é similar à do sensor óptico, isto é, o acumulo de resíduos no interior do sensor gera falsa indicação de presença de fluxo.

Outro sistema já conhecido encontra-se descrito no documento de patente US4.651.331 - Method and Device for Acoustically Counting Particles. Nesta invenção, o tubo condutor do adubo (ou qualquer outro produto granulado) está dotado de uma placa situada num desvio angular, associada a um sensor que transforma as vibrações da placa em um sinal elétrico. 0 tubo condutor está configurado de tal maneira que, ao caírem, as partículas impactam contra esta placa, dito impacto produzindo oscilações amortecidas que são detectadas pelo sistema. Além do fato de possuir peças sujeitas ao desgaste, como é o caso da dita placa, o sistema somente fornece indicações confiáveis no caso de caírem os grânulos separadamente. No caso de queda simultânea de ' uma grande quantidade de grânulos, a indicação deixa de ser confiável. Ademais, a necessidade de prover um desvio angular introduz um ponto de entupimento em potencial.

Objetivos da invenção Em vista do exposto, tem como objetivo a presente invenção prover um sistema de detecção de material granulado que forneça uma indicação confiável da presença deste material num tubo condutor.

Tem ainda a presente invenção o objetivo de prover um sistema cujo desempenho não seja afetado pela presença de poeira, sujeira ou resíduos na região sensora.

Outro objetivo da invenção consiste no provimento de um sistema totalmente isento de partes móveis e sujeitas a desgaste, quebras, etc..

Mais outro objetivo é o de prover um sistema que não requeira estrangulamentos ou desvios do tubo condutor de queda do material, eliminando, destarte, potenciais pontos de entupimento.

Outro objetivo da invenção é o de prover um sistema que, nas plantadeiras ou adubadeiras com múltiplas linhas, permita ao operador identificar qual a linha que apresenta ■ problemas.

Mais outro objetivo da invenção é o provimento de um sistema de sensoríamento que não requeira freqüentes operações de manutenção, dispensando a limpeza constante dos sensores, como ocorre nos sistemas existentes.

Ainda outro objetivo da invenção consiste em prover um sistema de sensoríamento cuja operação seja independente da secçâo transversal do tubo condutor do material granular, podendo esta secçâo ser circular, elíptica, retangular, quadrada, etc., sem perda da confiabilidade das indicações.

Descrição resumida da invenção Os objetivos mencionados, bem como outros que se tornarão evidentes no decorrer da leitura da descrição do presente documento, são atingidos pela invenção mediante um sistema composto de 'nf módulos, cada módulo compreendendo um transmissor de ultra-som que irradia, para o interior do tubo condutor, ondas sonoras cujo trajeto compreende a trajetória dos grânulos durante sua passagem, um receptor de ultra-som que capta ditas ondas sonoras, e meios de quantificação do tempo entre a saída do pulso de ultra-som e a chegada da combinação de pulsos resultantes dos múltiplos caminhos percorridos e de análise estatística destas medidas de tempo.

De acordo com outro aspecto da invenção, dito transmissor e dito receptor estão instalados em posições substancialmente opostas do tubo condutor.

De acordo com outro aspecto da invenção, o sinal ultra-sônico transmitido por um transdutor percorre uma pluralidade de caminhos de comprimentos diferentes, formados pela reflexão dos pulsos nos grãos presentes no interior do tubo condutor, os diferentes pulsos criados por estes diferentes caminhos se combinam ao chegar no receptor produzindo um pulso combinado.

De acordo com outro aspecto da invenção, é utilizado para a dita comparação o retardo entre o pulso transmitido e o pulso combinado recebido, constituindo cada retardo individual uma amostra para fins de análise.

De acordo com outro aspecto da invenção, o método compreende a discretizaçâo das ditas amostras de retardo em faixas de valores e a contagem do número de amostras em cada faixa de valores, formando assim a distribuição de amostras de retardo.

De acordo com outro aspecto da invenção, dito sinal ultra-sônico consiste de um trem de pulsos contínuo de freqüència conhecida, cada uma de ditas amostras sendo expressa em , termos de diferenças de tempo entre os pulsos recebidos e os pulsos transmitidos.

De acordo com outro aspecto da invenção dita análise compreende o computo das propriedades estatísticas da dita distribuição de amostras de retardos.

De acordo com outro aspecto da invenção ditas propriedades estatísticas compreendem o desvio padrão ou a dispersão dos valores das ditas amostras.

Descrição das figuras Para melhor entendimento da presente invenção e de suas vantagens e características, apresenta-se a seguir uma concretização preferida, dada a título exemplificativo e não limitativo, e as figuras que a ela se referem, nas quais: A figura 1 apresenta um diagrama de blocos simplificado de um módulo do sistema, construído de acordo com a invenção. A figura 2 exemplifica o gráfico das diferenças de tempo entre os sinais emitido e recebido, relativos a uma pluralidade de amostras de sinais, correspondentes ao tubo condutor vazio. A figura 3 apresenta o gráfico das diferenças de tempo entre sinal emitido e recebido, relativas a uma pluralidade de amostras, quando está sendo despejado adubo granular por um tubo condutor.

Descrição detalhada da invenção De acordo com a invenção o sistema proposto compreende 'nf módulos idênticos e independentes que, conforme ilustrado na Fig. 1, são constituídos de um microprocessador 11 que gera um trem de pulsos contínuo 12 à taxa de 40.000 pps (pulsos por segundo). Estes pulsos são encaminhados ao circuito amplificador 13 do transdutor piezoelétrico correspondente.

Por uma questão de clareza, é ilustrado apenas um destes módulos, ficando entendido que existirão tantos módulos ■ quantos forem os tubos condutores do adubo, podendo ser únicos, todavia, em um implemento, o alarme 22, a fonte de alimentação 24 e o monitor 23.

De acordo com a figura, e segundo os princípios da invenção, o trem de pulsos 14, amplificado pelo amplificador 13, é aplicado ao emissor ultra-sônico 15, que é um transdutor instalado na parede do tubo condutor 16 por cujo interior caí o adubo granulado (não ilustrado). Dito transdutor emite ondas sonoras em direção ao transdutor receptor 17 que, na presente concretização preferida, encontra-se localizado na parede do tubo condutor em posição diametralmente oposta àquela do transdutor emissor. Dito receptor capta os pulsos sonoros transformando-os num sinal elétrico 18, cuja forma pode se apresentar com os cantos ' arredondados devido às limitações físicas dos ditos transdutores, bem como, no caso de haver adubo no interior do tubo condutor, pela absorção dos harmônicos de ordem superior. Este sinal 18 é então regenerado no bloco 19 mediante circuitos conhecidos (tal como, por exemplo, um disparador Schmitt), restituindo-lhe a forma quadrada ou retangular original, sem alterar as características temporais do sinal, ou seja, sua freqüência e o retardo sofrido durante o trajeto emissor-receptor devido à velocidade finita de propagação das ondas sonoras no ar. 0 trem de pulsos 20 é então encaminhado ao microprocessador 11 onde é comparado com o sinal original 12, ■ sendo o dito retardo na recepção quantificado em faixas de valores, que, na concretização exemplificativa presente, são expressas em períodos de relógio do microprocessador. As larguras das faixas são escolhidas na etapa de projeto em função de vários fatores, tais como o número de amostras - retardos - a serem analisados, capacidade de processamento do microprocessador, espaço disponível na memória de armazenamento temporário e outros.

No exemplo de concretização em tela, ditas faixas têm a largura de 1 (um) período de relógio do microprocessador, sendo de 20.000 o número de amostras analisadas pelo sistema, para cada tubo condutor. A taxa de repetição dos pulsos é de 40.000 . pps, de modo que a análise se baseia nas amostras - isto é, os retardos - coletados e quantificados durante 0,5 segundo. Durante o período de coleta, as quantidades de amostras correspondentes a cada faixa vão sendo somadas e os totais acumulados em um conjunto de registros de memória temporária, correspondendo cada registro a uma faixa de valores, ou seja, um período de relógio do microprocessador.

Ao terminar o período de coleta de 0,5 segundo, terão sido obtidas 20.000 amostras, e o sistema passa ao passo seguinte, que consiste na análise estatística deste conjunto de dados, que é organizado sob a forma de uma tabela. Nesta análise, feita por métodos conhecidos, determina-se o espalhamento de dita tabela, que pode ser, por exemplo, sua variância ou seu desvio padrão. Este desvio depende das variações dos percursos das ondas sonoras no trajeto entre os transdutores emissor e receptor, sendo que, no caso de estarem passando os grânulos de adubo pelo tubo condutor, estes percursos irão ser diferentes entre um e outro pulso devido a se alterarem os caminhos percorridos pelo feixe sonoro em conseqüêncía da reflexão do som nas diversas partículas de adubo em movimento. Em contraposição, quando não houver material granular fluindo pelo tubo condutor, o percurso do som não se modifica em razão do tempo, sendo o trajeto do feixe sonoro substancialmente aquele ilustrado na figura 1, ou seja, diretamente do emissor ao receptor. A Fig. 2 ilustra a distribuição de amostras correspondente à condição de tubo condutor vazio, no qual o eixo horizontal indica os retardos medidos em períodos de relógio do microprocessador (classificados em faixas com larguras de 1 período cada uma), correspondendo o eixo vertical ao número de amostras (pulsos) em cada faixa, coletadas durante o período de amostragem de 0,5 segundo. Observa-se uma elevada concentração de valores cobrindo as 20.000 amostras colhidas numa gama restrita 32 que vai de 82 a 90 períodos de relógios. Uma indicação dessa concentração elevada consiste no fato de a metade dos valores medidos (ou seja 10.000 amostras) encontrar-se na faixa dos 86 períodos de relógio. ' A figura 3 ilustra a distribuição de amostras obtida quando o fluxo de material granular pelo tubo condutor é substancialmente uniforme. Neste caso, os retardos, medidos em termos de fase relativa, encontram-se entre os limites de 30 e 172 períodos de relógio, situando-se o valor médio em torno de 104 períodos. 0 conjunto de valores apresenta uma distribuição substancialmente normal, com os limites de um desvio padrão acima e abaixo da dita média situados em 84 e 120 períodos de relógio, indicado pela porção mais escura do histograma, delimitada pelas setas 33 e 34. O desvio padrão, com valor aproximado de 18 períodos de relógio, indica a existência do adubo em trânsito pelo tubo condutor.

Salienta-se que a análise estatística não leva em consideração os valores absolutos dos retardos, que poderíam ser alterados em função, por exemplo, da distância entre receptor e transmissor de ultra-som, do fluxo de adubo, do tamanho dos grânulos.

No caso de ocorrer uma obstrução no tubo condutor, os grãos de adubo ficarão travados e imobilizados, de modo que o trajeto das ondas sonoras entre o emissor e o receptor permanece invariável ao longo do tempo. Neste caso, obter-se-á uma distribuição similar à da Fig. 2, com alta concentração em alguns poucos valores, diferindo daquele apenas pelo fato de serem ditos valores de retardo superiores àqueles correspondentes ao tubo condutor vazio, uma vez que, devido à presença do material granular, o trajeto entre emissor e receptor não é mais em linha reta.

Na descrição acima, foi considerada apenas a situação em um tubo condutor de adubo. Todavia, os equipamentos efetivamente utilizados na lavoura utilizam uma pluralidade de módulos, devendo ser entendido que o processo descrito se aplica a cada um destes, ou seja, em cada módulo são colhidas 20.000 amostras, durante um período de 0,5 segundo, durando a análise das respectivas distribuições aproximadamente 0,5 segundo. ■ Ao final da análise, o microprocessador do módulo terá determinado a existência de fluxo normal ou anormal e acionará a saída de sinal do módulo, que está conectado ao monitor 23, que informa ao operador a existência da anormalidade através do display e do bloco de alarme 22. Outrossim, terminado o período de análise, os registradores da memória temporária são zerados, iniciando-se um novo ciclo de coleta e análise. Conseqüentemente, na concretização em tela, o sistema fornece um controle do fluxo a cada segundo, proporcionando, portanto, um controle adequado da operação do implemento agrícola.

Se bem que a invenção tenha sido descrita com base numa concretização específica, fica entendido que modificações poderão ser introduzidas por técnicos no assunto, permanecendo dentro do conceito inventivo original. Assim, por exemplo, a freqüência dos pulsos poderá ser diferente daquela de 40.000 pps utilizada no exemplo, dependendo da natureza do material e das dimensões do tubo condutor. Outrossim, a secção do tubo condutor não necessita ser circular, podendo ser oval, quadrada, retangular, etc.. Ademais, o sistema é aplicável a outros materiais que não o adubo, sendo utilizável com uma ampla gama de produtos, desde que estes estejam sob a forma granular. Ainda com relação à forma como é expresso o retardo sofrido pelas ondas sonoras entre emissor e receptor, poder-se-á utilizar o tempo (medido em faixas de microssegundos, por exemplo) em lugar de períodos de relógio do microprocessador.

Na descrição da operação da presente concretização exemplificativa, considerou-se que o fluxo do material granular seja substancialmente constante e uniforme. Caso este fluxo seja intermitente, os períodos de amostragem poderão ser modificados, seja mediante um aumento de sua duração, seja mediante a sincronização destes períodos com o acionamento dos dispositivos de liberação da queda do adubo, sem que isto possa significar qualquer modificação nos princípios na invenção.

De acordo, a invenção encontra-se descrita e delimitada pelo conjunto de reivindicações que se segue.

REIVINDICAÇÕES

Claims (11)

1. MÉTODO DE DETECÇÃO DE FLUXO DE MATERIAL GRANULAR AO LONGO DE UM TUBO CONDUTOR, caracterizado por compreender as seguintes etapas: - produção de uma seqüência de pulsos elétricos com taxa de repetição predeterminada mediante meios geradores de pulsos; - encaminhamento de dita seqüência de pulsos a um primeiro transdutor emissor que converte os pulsos elétricos em acústicos e irradia o correspondente sinal sonoro para o interior de dito tubo condutor; - recepção do dito sinal sonoro por um transdutor receptor que converte o som captado em um sinal elétrico; - determinação do retardo de propagação dos pulsos sonoros entre ditos transdutores, emissor e receptor; - organização de uma tabela de freqüência de valores mediante quantificação e classificação de uma pluralidade de ditos retardos de propagação acumulados durante um período predeterminado; “ análise das propriedades estatísticas de dita tabela; - determinação da presença, ausência ou insuficiência de dito fluxo com base nas ditas propriedades estatísticas.

2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a taxa de repetição de ditos pulsos corresponder a uma freqüência ultra-sônica.

3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ditas propriedades estatísticas compreenderem o desvio padrão.

4. MÉTODO, de acordo com as reivindicações 1 ou 3, caracterizado pelo fato de ser a presença de dito fluxo determinada pela comparação do desvio padrão com um determinado limiar, sendo a ausência ou insuficiência de fluxo indicada por um desvio padrão inferior a dito limiar.

5. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de ser acionado um alarme indicativo da ausência ou insuficiência de fluxo.

6. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que dita seqüência de etapas é repetida periodicamente.

7. SISTEMA DE DETECÇÃO DE FLUXO DE MATERIAL GRANULAR AO LONGO DE UM TUBO CONDUTOR, caracterizado por compreender um ou mais módulos que possuem meios geradores de pulsos com taxa de repetição constante, pelo menos um transdutor emissor e um transdutor receptor montados na parede de um tubo, e meios de determinação dos retardos dos pulsos sonoros emitidos pelo dito emissor e captado pelo dito receptor, meios de acumulação em faixas de valores de uma pluralidade de ditos retardos e meios de análise estatística do conjunto de valores dos retardos acumulados durante um período predeterminado.

8. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de compreender uma pluralidade de módulos em tubos condutores de material granular, cada módulo sendo provido de transdutor emissor, transdutor receptor, meios geradores de pulsos, meios de acumulação em faixas de valores e meios de análise.

9. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que, em cada módulo, ditos meios geradores de pulsos, ditos meios de acumulação em faixas de valores e ditos meios de análise são providos por um microprocessador.

10. SISTEMA, de acordo com as reivindicações 7, 8, ou 9, caracterizado pelo fato de a taxa de repetição dos ditos pulsos estar na faixa de freqüência dos ultra-sons.

11. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que cada módulo compreende adicionalmente meios de alarme indicativos da ausência ou insuficiência de fluxo de material granular.