BRPI0801428B1 - aparato de medição de umidade de grãos montado em uma colhedora de grãos para aplicação em colheita de parcelas - Google Patents

Abstract

sistema de medição de umidade de grãos para colhedora e componentes utilizados para essa medição. a presente invenção refere-se a um sistema de medição de umidade de grãos, capacitivo, para aplicação em colheita de parcelas de pesquisa de sementes, montado em uma colhedora de grãos e com as características necessárias para atendimento aos requisitos desta condição de trabalho. trata-se de uma cuba sensora (13) constituída de um reservatório de grãos (4) em forma de paralelepípedo feito de chapa condutora de eletricidade, uma placa interna (3) ao reservatório também condutora de eletricidade e isolada eletricamente com o auxilio de um suporte isolante (1), formando assim um sensor capacitivo. conta também com um circuito eletro/eletrônico interligado a cuba sensora (13), responsável pela leitura da umidade do grão e conversão desta leitura de umidade em um valor de tensão constante capaz de ser medido por um conversor analógico/digital qualquer ou outro instrumento adequado.

Description

(54) Título: APARATO DE MEDIÇÃO DE UMIDADE DE GRÃOS MONTADO EM UMA COLHEDORA DE GRÃOS PARA APLICAÇÃO EM COLHEITA DE PARCELAS (51) lnt.CI.: G01N 27/22; A01D 41/127 (73) Titular(es): UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA - UFU. MECAMÁQUINA LTDA EPP (72) Inventor(es): MOISÉS LUIZ LAGARES JÚNIOR; MARCOS MORAIS DE SOUSA (85) Data do Início da Fase Nacional: 08/04/2008

1/8 “APARATO DE MEDIÇÃO DE UMIDADE DE GRÃOS MONTADO EM UMA COLHEDORA DE GRÃOS PARA APLICAÇÃO EM COLHEITA DE PARCELAS”.

[01]. A presente invenção refere-se a um sistema de medição de umidade de grãos composto por uma cuba sensora constituída de um reservatório de grãos em forma de paralelepípedo (com características capacitivas), uma placa interna ao reservatório e um suporte isolante; circuito eletro/eletrônico constituído de um gerador de sinais, sensor de umidade e um retificador de sinais; e uma placa analógico/digital (A/D) para recepção do sinal retificado e posterior calibração do sistema. Tal sistema foi desenvolvido para trabalhar instalado em uma colhedora de grãos de qualquer tipo, com a finalidade de realizar a tarefa de medição de umidade de parcelas de sementes de maneira rápida e precisa.

[02]. Os setores de pesquisa de sementes e novos híbridos demandam equipamentos específicos que atendam a algumas necessidades peculiares de trabalho. Neste contexto, várias empresas realizam suas pesquisas plantando e colhendo diversas variedades e híbridos de sementes de um tipo de cultura na forma de parcelas. Parcela é uma pequena área plantada (em geral de quatro a seis metros) com duas ou quatro linhas de plantas, como por exemplo, soja, milho, sorgo, milheto e outras. Centenas e até milhares de parcelas são plantadas, cada uma tendo um material genético diferente destinado a estudos. As empresas de pesquisa necessitam, na época da colheita, extrair informações de cada uma destas parcelas, de forma rápida, para desenvolverem novos híbridos ou aperfeiçoarem certas características de um grão.

[03]. Uma informação importante a ser obtida é a umidade dos grãos de cada parcela colhida. Pelo grande número de parcelas plantadas atualmente, tornase inviável, pela demanda de mão-de-obra e custeio, a medição de umidade em laboratório de amostras de grãos representativas de cada uma das parcelas. Uma solução bastante promissora desses problemas seria a

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2/8 instalação de um medidor de umidade na colhedora para medição durante a colheita e que disponibilizasse esse parâmetro ao pesquisador, distinguindo os grãos de cada parcela.

[04]. Existem diversas patentes relacionadas a medidores de umidade para grãos. A patente US4896795 propõe um sensor de umidade para uso em secadores de grãos, descrevendo um circuito eletrônico de controle e posicionamento do sensor dentro do secador. Refere-se a um sensor de construção simples e robusta e baixos custos de construção, instalação e operação. No entanto, é um sistema adaptado para secadores e passível de diversas simplificações e modificações para trabalho em uma colhedora.

[05]. A patente US4403191 descreve um sistema para incremento da acuracidade de leitura de umidade através de um aparato vibratório para acomodação dos grãos dentro do sensor. É um sistema de aplicação geral e com enfoque diverso do sensor de umidade em si.

[06]. A patente US6285198 B1 propõe um medidor de umidade de placas paralelas montado no elevador de grãos de uma colhedora. Um controlador automatiza as tarefas e sua aplicação está relacionada com a agricultura de precisão e não com a colheita de parcelas.

[07]. A patente US2005/0225334 A1 propõe a construção de um sensor de umidade de placas paralelas para colheita convencional de lavoura, ressaltando as características positivas da construção mecânica com relação à precisão de leitura, detalha o circuito eletrônico e expõe o princípio de funcionamento: capacitivo com circuito próprio para trabalhar com adimitância complexa. Apesar de ser um equipamento robusto, não se aplica à colheita de parcelas, visto que seu desenho mecânico não é apropriado e seu conceito de projeto eletrônico é demasiado complexo, encarecendo o produto.

[08]. Outras patentes relacionadas a medidores de umidade instalados em colhedora são JP2003189733 e JP2006254725, porém direcionadas à colheita convencional.

[09]. Também é conhecida a patente US5487702 que descreve um sistema

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3/8 completo de medição de peso e análise de parcelas montado em uma colhedora. Mostra todo o processo que cada parcela percorre para medição de peso e umidade sem, no entanto, mostrar o tipo e construção do medidor de umidade utilizado, inviabilizando uma análise mais aprofundada com o sensor proposto na presente invenção.

[010]. A patente PI0203176-0 também tem o objetivo da patente anterior, propondo um sistema diferente e mais simples de análise sem, novamente, descrever o tipo e construção do medidor de umidade utilizado.

[011]. Existem vários modelos de medidores de umidade disponíveis no mercado. No entanto, não apresentam as características necessárias para trabalho em uma colhedora, a saber:

- Robustez (capacidade de resistir a vibrações mecânicas e eventuais choques mecânicos, inerentes a qualquer tipo de colhedora);

- Rápida Resposta de Leitura (aproximadamente 30 segundos para que se torne viável comercialmente, visto que as empresas de pesquisa de sementes demandam esta faixa de tempo de colheita de cada parcela e demandam, inclusive, tempos menores de análise);

- Resistência às Intempéries (altas temperaturas com exposição ao sol, alta umidade do ar em dias chuvosos e exposição à poeira, inerentes a qualquer tipo de colhedora);

- Simples Operação (operado pelo próprio condutor de colhedora);

- Compatibilidade com um conversor analógico/digital e/ou Controlador Lógico Programável (responsável pela automatização de todo o processo e armazenamento dos dados obtidos);

- Possibilidade de Alimentação Elétrica 12V (única fonte de energia presente em uma colhedora);

[012]. A presente invenção tem como objetivo propor um sistema de medição de umidade incluindo um sensor capacitivo para aplicação em colheita de parcelas de pesquisa de sementes, montado em uma colhedora de grãos e com as características citadas acima de modo a ser perfeitamente adaptado

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4/8 ao trabalho de uma colhedora.

[013]. O sistema proposto é constituído de uma cuba sensora que possui um reservatório em forma de paralelepípedo feito de material condutor de eletricidade, no caso do exemplo apresentado, uma chapa metálica. Outros materiais condutores podem ser usados na construção do sensor, como é o caso do grafite. Porém, por questões de facilidade de produção os materiais metálicos são mais adequados. Uma placa interna ao reservatório também condutora de eletricidade e isolada eletricamente do reservatório, formando assim um sensor capacitivo. Conta também com um circuito elétrico, interligado ao reservatório e à placa interna, sendo responsável pela excitação elétrica do circuito através de uma fonte alternada de tensão e posterior retificação do sinal. A obtenção do parâmetro específico de umidade é feita através da leitura de um valor de tensão constante (retificada), relacionada ao teor de umidade das sementes presentes dentro do reservatório do sensor, sendo medido por um conversor analógico/digital (A/D) ou outro instrumento adequado.

[014]. As características de cada um dos componentes da invenção são, resumidamente:

- Reservatório em forma de paralepípedo (em particular, a forma cúbica) de dimensões que perfaçam um volume interno entre meio e quatro litros;

- Reservatório e placa interna construídos de material condutor de eletricidade, preferencialmente chapas metálicas, de espessura não inferior a um milímetro, visando à robustez de construção;

- Circuito eletro/eletrônico constituído de um gerador de sinais, sensor de umidade e um retificador de sinais;

- Sinal de saída do sensor caracterizado por ser tensão constante;

- Tensão constante de saída do circuito eletro/eletrônico regulável para compatibilização com conversor analógico/digital (A/D);

- Aterramento do reservatório ao pólo negativo da bateria 12 V da colhedora, o que garante a não interferência da medição de umidade em

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5/8 função da fixação do sensor na carcaça ou chassi da colhedora ou em caso de contato acidental do sensor com alguma parte aterrada da colhedora.

[015]. A invenção é descrita detalhadamente a seguir, em consonância com as figuras em anexo, onde:

[016]. As FIGURAS 1 e 2 apresentam, em vistas diferentes, a construção mecânica da cuba sensora do sensor de umidade, detalhando o suporte isolante (1), construído preferencialmente de material plástico; as abas de fixação (2); a placa interna (3); o reservatório (4) que conterá os grãos para medição de umidade; o pino de contato (5) e o parafuso terra (6).

[017]. A FIGURA 3 mostra um diagrama de blocos ilustrando as principais partes do invento, que é composto do módulo gerador de sinais (7), módulo sensor (8), módulo retificador de onda (9) e sistemas externos necessários a seu funcionamento, além de remeter ao entendimento de como é feita a integração da parte mecânica com o sistema eletro/eletrônico.

[018]. A FIGURA 4 detalha um exemplo de circuito eletrônico completo, com base nas definições e delimitações expressas na FIGURA 3.

[019]. A construção mecânica do sistema de medição de umidade é aqui detalhada com a ajuda das FIGURAS 1 e 2, que nada mais são que o desenho da cuba sensora observada em vistas diferentes. Nestas tem-se um reservatório (4) na forma de um paralelepípedo onde os grãos serão acondicionados. A forma deve se aproximar sempre que possível da forma cúbica, cujas dimensões devem perfazer um volume interno que pode variar de meio a quatro litros. Sua construção é feita utilizando qualquer material condutor elétrico, de espessura não inferior a um milímetro, podendo a união das chapas ser por solda, parafuso, rebite ou outro meio de união apropriado. Uma placa interna (3), feita de qualquer material condutor elétrico, e posicionada centralizadamente no interior do reservatório (4). A placa interna (3) deve ser isolada eletricamente do reservatório (4). O isolamento é conseguido com a fabricação de um suporte (1) de material isolante, visto na FIGURA 1. O material isolante, preferencialmente plástico, pode ser usinado

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6/8 ou injetado. Para a usinagem, recomenda-se o uso de plástico de engenharia poliamida 6.6. A placa interna (3) é parafusada ao suporte (1) através das abas de fixação (2). O suporte (1), com a placa interna (3) parafusada, é introduzido no reservatório (4) através de orifício previamente construído. O suporte (1) é fixado ao reservatório (4) através de trava elástica ou parafusamento. O pino de contato (5), feito de material condutor de eletricidade, é soldado à placa interna (3), sendo responsável pelo contato elétrico da placa interna (3) com o circuito elétrico descrito posteriormente. O parafuso terra (6) faz o aterramento do reservatório (4) através de fio condutor ligado ao circuito elétrico. A parte inferior do reservatório (4) pode ser articulada para facilitar a retirada dos grãos e possibilitar a posterior automatização através de um sistema pneumático, por exemplo. Todo esse conjunto descrito será, de agora em diante, chamado de cuba sensora.

[020]. Para que a cuba sensora funcione, é necessária a integração de um circuito eletro/eletrônico. Tal circuito é descrito a seguir com a ajuda da FIGURA 3. Tal figura mostra um esquema em forma de blocos do circuito com seus três módulos principais: módulo gerador de sinais (7), módulo sensor (8) e módulo retificador de sinais (9).

[021]. O módulo gerador de sinais (7) pode ser constituído de qualquer circuito integrado comercial disponível no mercado que satisfaça esta condição em conjunto com o circuito elétrico adequado a seu funcionamento, podendo gerar ondas senoidais, quadradas ou triangulares. O módulo gerador de sinais (7) é alimentado pela bateria 12 V da colhedora (11). O pólo negativo da bateria 12 V da colhedora (11) é tomado como a referência de todos os sinais do circuito elétrico proposto nesta invenção, sendo, indistintamente, também chamado de aterramento. A faixa de freqüência do módulo gerador de sinais (7) pode variar de 1 a 100 kHz, preferencialmente de 3 a 25 KHz, com amplitude de 1 a 24 Volts pico-a-pico, preferencialmente de 2 a 14 Volts, sendo escolhido um valor fixo de trabalho para a frequência e um valor fixo de trabalho para a amplitude, dentro das faixas estabelecidas. Caso se utilize amplitudes maiores que 12

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Volts pico-a-pico ou dependendo das necessidades dos circuitos integrados utilizados, será necessária a inclusão de um módulo conversor de energia (10), visto que a única fonte de energia em uma colhedora é sua batería 12 V da colhedora (11). Esse módulo conversor de energia (10) constitui-se de um inversor de frequência comercial 12Vcc/110Vca e um conversor comercial de tensão 110Vca/±12Vcc, caso seja utilizado amplitude de geração 24V pico-apico.

[022]. O módulo sensor (8) constitui-se de um resistor divisor de tensão (12) e a cuba sensora (13). O resistor divisor de tensão (12) tem seus valores de resistência na faixa de 1 a 500 kOhms, preferencialmente entre 90 a 130 kOms, e a cuba sensora (13) é aquela descrita em detalhes nas FIGURAS 1 e

2. Observar que o pino de contato (5) da FIGURA 2 está ligado ao resistor divisor de tensão (12) que, por sua vez, recebe o sinal de saída do módulo gerador de sinais (7) da FIGURA 3. Paralelamente, o parafuso terra (6) da FIGURA 2 é aterrado ao pólo negativo da batería 12 V da colhedora (11) descrita na FIGURA 3.

[023]. O módulo retificador de sinais (9) pode ser constituído de qualquer circuito integrado comercial disponível no mercado que satisfaça esta condição em conjunto com o circuito elétrico adequado a seu funcionamento. Tal módulo deve fornecer uma tensão retificada constante de saída (14). O valor máximo desta tensão retificada constante de saída (14) é função das escolhas feitas na construção dos módulos gerador de sinais (7) e módulo sensor (8). A tensão retificada constante de saída (14) é utilizada para, através de um processo de calibração, fazer a conversão da umidade de um grão presente dentro da cuba sensora (13) em valores numéricos de umidade que podem ser mostrados em um mostrador digital ou guardados em memória digital. Esta conversão da tensão retificada constante de saída (14) em valores digitais é feita por qualquer placa analógico/digital (A/D) disponível no mercado. Qualquer tipo de grão pode ser utilizado para se fazer o processo de calibração do sistema de medição de umidade da FIGURA 3. Levantada a curva de calibração para um

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8/8 dado grão (milho, por exemplo) o sistema de medição de umidade está apto a realizar medições de umidade para o grão escolhido.

[024]. Além disso, este sistema de medição de umidade proposto pode ser automatizado tanto para realização de leituras automaticamente (através de sistemas elétricos, pneumáticos, hidráulicos, etc) que proporcionem a alimentação com grãos e o posterior descarte (após a leitura) bem como na aquisição e arquivamento das leituras em memória digital através de qualquer sistema disponível no mercado, como um computador portátil ou um controlador lógico programável que possua capacidade digital de armazenamento de dados.

[025]. Com o intuito de mostrar uma possível aplicação prática, a FIGURA 4 ilustra o modo preferido para realização do invento, com um circuito elétrico/eletrônico passível de ser utilizado. O módulo gerador de sinais (7) da FIGURA 3 utiliza um circuito integrado XR 2206 (15) como gerador de onda senoidal, operando em uma frequência de 10 kHz e amplitude 10 V pico-a-pico (conseguidos pela aplicação dos componentes elétricos mostrados na FIGURA 4). O módulo sensor (8) da FIGURA 3 utiliza um resistor divisor de tensão (16) de valor 100 kOhms. O retificador de onda (9) da FIGURA 3 utiliza um amplificador operacional LM 358 (17) e circuito elétrico adjacente para retificação de meia-onda com capacitor eletrolítico (18) de 1 micro-farad. A tensão retificada constante de saída (19) é o valor de tensão utilizado em qualquer tipo de placa A/D comercial para conversão de sinais analógicos em digitais.

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Claims (9)

1. REIVINDICAÇÕES

   1. APARATO DE MEDIÇÃO DE UMIDADE DE GRÃOS MONTADO EM UMA COLHEDORA DE GRÃOS PARA APLICAÇÃO EM COLHEITA DE PARCELAS incluindo um sensor capacitivo, uma cuba sensora (13), um circuito eletro/eletrônico caracterizado por serem ligados a um conversor analógico/digital e a um controlador lógico programável, e tendo também um reservatório de grãos (4), uma placa interna (3) e um suporte (1), sendo o suporte (1) confeccionado de material isolante, preferencialmente plástico, e parafusado a placa interna (3), sendo este conjunto montado no orifício previamente feito no reservatório de grãos (4), e possuir também um módulo gerador de sinais (7), um módulo sensor (8) e um módulo retificador de sinais (9)·
2. 2. APARATO DE MEDIÇÃO DE UMIDADE DE GRÃOS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo reservatório de grãos (4) apresentar a forma de um paralelepípedo ou podendo assumir a forma de um cubo, feito de chapa condutora de eletricidade de espessura não inferior a um milímetro, de dimensões que perfaçam um volume interno entre meio e quatro litros e aterrado diretamente ao pólo negativo da bateria da colhedora (11).
3. 3. APARATO DE MEDIÇÃO DE UMIDADE DE GRÃOS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela placa interna (3) ser confeccionada de material condutor de eletricidade, preferencialmente chapa metálica e isolada eletricamente do reservatório (4), formando assim um sensor capacitivo.
4. 4. APARATO DE MEDIÇÃO DE UMIDADE DE GRÃOS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo módulo gerador de sinais (7) gerar sinais de ondas senoidais, quadradas ou triangulares e apresentar frequência dentro da faixa de 1 a 100 kHz, preferencialmente de 3 a 25 kHz, e amplitude de onda fixas escolhidas dentro da faixa de 1 a 24 Volts pico-a-pico, preferencialmente de 2 a 14 Volts.
5. 5. APARATO DE MEDIÇÃO DE UMIDADE DE GRÃOS, de acordo com a

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   2/2 reivindicação 1, caracterizado pelo módulo sensor (8) compreender um resistor divisor de tensão (12) e a cuba sensora (13).
6. 6. APARATO DE MEDIÇÃO DE UMIDADE DE GRÃOS, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo resistor divisor de tensão (12) ter valor fixo de resistência tomado dentro da faixa de 1 a 500 kOms, preferencialmente entre 90 a 130 kOms.
7. 7. APARATO DE MEDIÇÃO DE UMIDADE DE GRÃOS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo módulo retificador de sinais (9) possuir sinal de saída de tensão constante, podendo ser construído de qualquer circuito integrado comercial, tais como LM 158, LM 258, LM 358 preferencialmente LM358, que satisfaça a retificação de sinais, em conjunto com o circuito elétrico adequado ao seu funcionamento.
8. 8. APARATO DE MEDIÇÃO DE UMIDADE DE GRÃOS, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo sinal de tensão constante de saída do módulo retificador de sinais (9) ser regulável para compatibilização com conversor analógico/digital ou outro instrumento qualquer adequado à leitura de tensão.
9. 9. APARATO DE MEDIÇÃO DE UMIDADE DE GRÃOS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de poder utilizar um controlador lógico programável.

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   FIGURA 1

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   FIGURA 3

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   FIGURA 4