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Transdutor LVDT de Baixo Custo para Phytomonitoring
Anderson Miguel Lenz (Frimesa S.A.) [email protected]
Evandro André Konopatzki (Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR) [email protected]
Yuri Ferruzzi (Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR) yuri @utfpr.edu.br
Welder Siena (Ingeteam Power Technology) [email protected]
Alberto Noboru Miyadaira (Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR) [email protected]
Estor Gnoatto (Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR) gnoatto @utfpr.edu.br
Resumo: Este artigo apresenta a construção de um sensor L.V.D.T. de baixo custo com objetivo de ser instalado em várias partes de um talhão e, com esta configuração, permitir ao agricultor e especialista o momento adequado para intervir na cultura. Nele foram abordados os conceitos de sensores tipo L.V.D.T., de phytomonitoring e da importância da água no desenvolvimento das plantas bem como sua correlação com a variação do caule. A justificativa apresentada para a construção de um sensor L.V.D.T. de baixo custo é a possibilidade de usar vários sensores no talhão e poder, com isso, buscar a variabilidade espacial do atributo água. A metodologia apresenta os materiais utilizados e a construção do sensor em suas diversas etapas (carretel, enrolamentos, encapsulamento, núcleo e fixação), bem como os ensaios realizados para validá-lo. Nos resultados destaca-se a equação do sensor construído, que pode ser utilizada em sistema de aquisição e análise de dados (datalogger). Como conclusão obtém-se que o sensor proposto neste estudo apresentou as características construtivas de um L.V.D.T. com região de linearidade e curva característica analisadas segundo correlação de Pearson.
Palavras-chave: Phytomonitoring, Sensor L.V.D.T., Agricultura de precisão.
1. Introdução
Uma das áreas estudadas pela agricultura de precisão é a área de controle e automação da irrigação, A irrigação de precisão monitora o estado hídrico de uma cultura e correlaciona-o ao atributo do solo denominado drenagem, para que esta combinação solo-planta apresentem permeabilidade capaz de trazer ao sistema a produtividade máxima.Um dos indicadores de estado hídrico é a variação do diâmetro do caule que pode ser medida por meio de sensores LVDT (Linear Variable Differential Transformer). Sensores LVDT se caracterizam por um transdutor de posição. Este trabalho apresenta a metodologia de fabricação de um sensor Dendrômetro LVDT de baixo custo para monitorar o estresse hídrico das plantas. Os
resultados mostraram altos graus de confiabilidade apresentando correlação de Pearson de 0,9937 para característica LVDT e correlação entre tensão e deslocamento igual a 0,996 para região de linearidade do sensor, sendo esta uma boa opção para o mercado agrícola a baixo custo.
2. Fundamentação teórica
2.1 Importância da água para as plantas.
Um dos atributos excenciais pna formação, crescimento e na produção agrícola é a água e a quantidade disponível no solo e na planta. PAIVA e OLIVEIRA (2006) afirmam que a água atua como um solvente de substâncias sendo uma transportadora em todo corpo da planta. Isto se dá pela estrutura polar da molécula da água que pode dissolver íons e pequenas substâncias.
COSTA (2001) coloca que as principais funções da água na planta podem ser verificadas na estrutura, no crescimento, no transporte e no metabolismo. Sendo a estrutura constituída por 90% do peso fresco de muitos órgãos da planta. A estrutura permite a coesão por penetrar na maioria dos vasos capilares e permeabiliza a sua superfície e tampona a temperatura interna, fornece ainda a sustentação da planta por dar alto grau de rigidez à estrutura celular.
Na etapa de crescimento a água transporta e processa as várias substâncias necessárias para o crescimento da planta. Apresenta-se como meio favorável à fertilização dos gametas móveis sendo, ainda, um dos meios de disseminação de esporos, frutos e sementes.
No metabolismo da planta a água contribui para movimentos citoplásmicos, transporta o oxigenio e o dióxido de carbono necessários para a respiração e para a fotossíntese. É o meio onde se processam varias reações bioquímicas, onde os reagentes necessitam apresentar-se na forma iônica e a água, além de facilitar este processo, regula a taxa em que as reações ocorrem.
Constata-se ainda que uma planta que apresenta estado de carência hídrica ela está suscetível ao ataque de patógenos diversos presentes no meio. A produção de grãos ou frutos das plantas possui dependência direta com a quantidade de água disponível e a relação entre as funções que a água exerce na planta.
2.2 Variação do caule e estado hídrico das plantas.
GINESTAR e CASTEL (1998) citam que um dos parâmentos usados para indicar o estado hídrico da planta é a contração radial dos caules e ramos das plantas ao longo de um dia, cuja amplitude e relacionada com a condição hídrica da planta.
Para os autores citados o caule tem seu tamanho reduzido durante o dia (devido à transpiração das plantas) e aumentado durante a noite. Outra comprovação feita pelos autores foi a de que aplanta submetida a um estado de estresse hídrico apresentou diminuição desta variação diária do caule.
Conforme HINKLEY & BRIKERHOFF (1975) e DYNAMAX INC. DEX (1996) a variação do diâmetro do caule é muito pequena o instrumento de medição utilizado deve ser sensível a variações sutís de comprimento. Um dos sensores que possui estas características é o sensor L.V.D.T. (Linear Variable Differential Ttransformer), que trabalha justamente com variações pequenas.
2.3 Funcionamento do sensor L.V.D.T.
O sensor L.V.D.T. é um sensor eletromecânico que produz um sinal elétrico de tensão em sua saída proporcional ao deslocamento de sua parte móvel (núcleo magnético). Referente à sua constituição física, segundo LOSITO (2011), o LVDT contém três bobinas concêntricas e
coaxiais envolvidas por um encapsulamento, a bobina central denomina-se de circuito magnético emissor, sendo este alimentado em corrente alternada de alta frequência. Ao entorno da bobina emissora alocam-se os enrolamentos secundários.
A parte móvel do sensor compõe o núcleo, que é feito de um material de alta permeabilidade magnética (pode ser de aço com níquel e cromo). Quando o núcleo se move da posição central, onde o mesmo resulta em zero de tensão de saída, a intensidade da tensão nos secundários em determinada direção do movimento do núcleo aumenta, enquanto que o movimento oposto do núcleo faz com que reduza essa tensão elétrica. O Gráfico 1 exposto por MEYDAN (1992) exemplifica a característica de trabalho do transdutor conforme a posição do Núcleo.
Gráfico 1. Modelo característico de resposta de um sensor LVDT
Fonte: MEYDAN (1992)
Como se observa no Gráfico 1, o sensor apresenta uma chamada faixa Nominal confiável linear que vai de -100% a +100% da posição do núcleo, que segundo MEYDAN (1992), se refere à área de captação de maior linearidade do sinal de saída de tensão elétrica em (V).
Com isso o sensor, quando projetado, deve conter uma medida um pouco maior que a requerida. Pois como característica intrínseca deste sensor, há perda de linearidade nas extremidades dos enrolamentos.
Assim com essa variação de tensão conforme a posição do núcleo pode-se detectar a variação do diâmetro ao acoplar de forma não intrusiva na superfície do caule das plantas o núcleo do sensor.
3. Materiais e métodos
O Desenvolvimento do sensor ocorreu no campus Medianeira da Universidade tecnológica federal do Paraná, nos laboratórios do curso de Tecnologia em Eletromecânica.
O projeto foi iniciado pelo desenho das formas do sensor para que este pudesse suportar as interferências das intempéries e ser fixado na planta sem causar nenhum tipo de dano à palnta ou à aquisição dos dados.
Com base nisso desenvolveu-se o desenho do sensor “dendrometro” com o uso de um sensor L.V.D.T que este sensor possa ser adaptado em plantas diversas.
3.1. Material utilizado
O material escolhido para estrutura do sensor foi o Nylon Tchnyl, um material leve, resistente a diversas intempéries, como humidade, radiação ultravioleta, corrosão entre outros, constituindo assim uma ótima solução para efetuar as medidas, pois estas não afetarão a medida resultando em leituras satisfatórias e confiáveis. Para dar forma ao suporte das bobinas e demais peças utilizou-se uma máquina ferramenta denominada torno transversal. Foi usado fio AWG32 com 600 espiras em cada uma das partições do carretel para construir o circuito magnético do sensor.
O núcleo do sensor foi construído por uma peça de liga de Aço de Níquel com Cromo e uma haste de contato ligada a uma mola com força leve.
3.2 Metodologia de construção do sensor
3.2.1. Carretel
O desenho e as dimensões da estrutura que suporta as bobinas segue na figura 1. Após passar pelo processo de usinagem prosseguiu-se com o enrolamento das bobinas, onde cada bobina ficou com 600 espiras, permitindo uma alta sensibilidade à variação da posição do núcleo.
Figura 1. Ilustração do elemento carretel
3.2.2. Encapsulamento
O encapsulamento do sensor conforme CRESCINI (1995) consiste na proteção do circuito magnético contra choques mecânicos ou intempéries. Com intuito de tornar o dispositivo mais leve e resistente, o mesmo foi desenvolvido em material nylon technyl, que proporciona características físicas relevantes, pois o polímero utilizado possui baixa densidade e alta resistência à intempérie. Estes requisitos são fundamentais na escolha do material devido à aplicação do sensor, que requer um sistema com a menor interferência possível no desenvolvimento da cultura. A Figura 2 demonstra o encapsulamento desenvolvido para o sensor.
Figura 2. Encapsulamento e elemento de inserção de resina para proteção de conexões.
Destaca-se nesta figura o formato e as medidas da capsula, desenvolvida para esta aplicação no laboratório.
3.2.3. Montagem das bobinas
Segundo BALBINOT (2006), um sensor L.V.D.T. com alta capacidade e precisão deve apresentar um número superior a 1000 espiras por bobina produzindo, desta forma, sensores maiores. Entretanto, o dispositivo desenvolvido neste projeto objetivou pequenas dimensões, leveza e baixo custo, para tanto, as dimensões do carretel foram reduzidas (apresentadas na Figura 1) o material foi escolhido por sua leveza e sobre este foram enroladas as bobinas do primário e dosecundário. Foi usado fio AWG32 com 600 espiras em cada uma das partições do carretel. A Figura 3 demonstra o carretel com os circuitos magnéticos.
Figura 3. Carretel do LVDT após enrolamento dos circuitos magnéticos
3.2.4. O núcleo do sensor
Este elemento é responsável pela variação do sinal de saída, pois o mesmo provoca o deslocamento da concentração do fluxo magnético conforme seu movimento, que intensifica ou reduz o sinal proporcionalmente ao seu posicionamento. Sua constituição para este trabalho foi uma liga de Aço de Níquel com Cromo, ligado a este elemento foi unido uma haste de contato ligada a uma mola com força leve. Desta forma uma extremidade da mola é ligada ao carretel (e estrutura) enquanto a outra extremidade da mola é conectada à ponta da haste.
Desta forma a haste é pressionada pela mola contra o caule da planta. Sendo a força da mola baixa, esta pressão não danificará o caule e garantir o contato´necessário para que o sensor funcione adequadamente.
3.2.5. Forma de fixação do sensor
O sensor L.V.D.T. construído para phytomonitoring e seu sistema de fixação foi desenvolvido de modo a atender o acoplamento do sensor em plantas. Assim, segundo KANO et al (1998), desenvolveu-se a fixação conforme a figura 4, que é composto de duas partes: uma placa plana superior e uma placa angular inferior. Estas placas são utilizadas para fixar o L.V.D.T. e acoplar o conjunto a planta.
Figura 4. Modelo de fixação utilizado
Como visto na Figura 4 a placa angular do LVDT foi desenvolvida de modo que seja acoplada a espécie (planta) com uma boa fixação, pois o elemento desenvolvido se apresenta como um triângulo. A instalação do sensor apresenta maior área de contato em relação a fixação com duas chapas planas.
A Figura 5, a seguir, demonstra as situações de fixação mencionadas aqui. Há outras vantagens citadas pelo autor relacionadas ao contatodo sensor formado com ângulo reto ao caule, o que evita estrangulamento e aumenta a estabilidade.
Figura 5. Comparação entre os sistemas de fixação
O dispositivo de fixação com base angular apresenta-se como melhor solução para a aplicação, pois permite a existência de uma maior área de contato da estrutura metálica com o caule da planta garante a estabilidade do posicionamento inicial, e a ausência de preções elevadas sobre a planta assim não a danificando. Além de garantir que a haste de contato esteja sempre formando um ângulo de 90° com o caule, eliminado erros e aumentando a confiabilidade das leituras.
3.2.6. Ensaios de calibração e verificação da linearidade do sensor
Uma vez construído o sensor, foram realizados ensaios para constatação de sua linearidade e de sua calibração.
Foram realizadas 4 repetições (denominadas por 1, 2, 3 e 4) com variação do deslocamento do sensor e análise de tensão elétrica. Com estesdados foi construído o gráfico de variáveis tensão elétrica versus deslocamento.
As curvas provenientes dos 4 testes acima citados foram sobrepostas para avaliar o comportamento de histerese
Para fazer a calibração do sensor usou-se um circuito de alimentação, ajuste e aquisição dos dados de tensão, desenvolvido para este sensor por SIENA e LENZ(2013), apresentado na figura 8.
A estrutura para calibração constituí-o em uma estrutura estática metálica utilizada para fixar o sensor indicado pela seta azul na figura 5, onde a movimentação do seu núcleo seja feita com o instrumento de medição de deslocamento de alta precisão, no casso utilizou-se um micrometro de profundidade indicado pela seta vermelha.
Figura 6. Estrutura elaborada para aferição do sensor
O ensaio foi efetuado com variações conhecidas de 0,5 mm coletando os dados de tensão na saída pelo sistema de aquisição.
4. Resultados e discussões
O sensor construído foi instalado em bancada para testes. A figura 6 apresenta o sensor.
Figura 7: Sensor L.V.D.T. construído no laboratório
Através da metodologia aplicada realizaram-se os testes sobre o sensor para o levantamento da reta de calibração. A estrutura concebida pelos pesquisadores para ensaios de laboratório está representada na figura 8, a seguir:
Figura 8. Estrutura concebida para sua calibração.
O gráfico 2 mostra um dos ensaios realizados. No gráfico observa-se uma correlação de 0,9937 para a equação de regressão linear dada.
0 0.5 1 1.5 2 2.50
2
4
6
8
10
12
f(x) = 4.67882208508974 x − 1.22506138368606R² = 0.99689292374003
TENSÃO (Volt)
DES
LOCA
MEN
TO (m
m)
Gráfico 1. Repetição com as regiões extremas não lineares
O gráfico 2 apresenta uma região linear entre 1 mm e 9 mm mostrando um abaulamento nas extremidades. Esta perda de linearidade da tensão de saída nas extremidade mostra que o sensor apresentou as características de um L.V.D.T.
Uma vez relacionada a distância de 1 a 9 mm (linear) em quatro análises realizadas no sensor, conforme a metodologia, foi construído o gráfico 3 que mostra os 4 testes sobrepostos. Um dos objetivos deste ensaio é avaliar a existência de comportamento de histerese, o que pode resultar, erros significantes de medida.
0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.40
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
f(x) = 4.6938393000584 x − 1.29250574401946R² = 0.996520490615339
Repetição 1Repetição 2Repetição 3 Repetição 4Linear (Repetição 4)
TENSÃO (volts)
DESL
OCA
MEN
TO (m
m)
Gráfico 2. plotagem de análises
O Gráfico 3 mostrou pouca ou desprezível existência de histerese no sensor por carga residual magnética no núcleo.
Após a realização das quatro repetições obteve-se a equação da reta do sensor, a qual retorna o deslocamento ocorrido a partir da variação da tensão. A Equação 1, obteve um coeficiente de correlação de Pearson de 0,996 que indica uma correlação com alto grau de confiabilidade entre tensão e deslocamento. A Equação 1 é demonstrada a seguir:
Y(mm) = 4,6938 * U – 1,2925 [1]
Onde Y representa o deslocamento do sensor (em milímetros: mm) e U representa a tensão elétrica (microVolt: µV).
5 Conclusões e Recomendações
O sensor L.V.D.T. apresentado neste estudo mostrou alto grau de confiabilidade com correlação de Pearson de 0,9937 para característica LVDT
O sensor L.V.D.T. apresentado mostrou, ainda, alto grau de confiabilidade com correlação entre tensão e deslocamento igual a 0,996 para região de linearidade do sensor.
A região de linearidade foi comprovada para deslocamento entre 1 mm e 9 mm. As curvas apresentaram abaulamento nas extremidades conforme característica construtiva de um sensor tipo L.V.D.T.
Este sensor se apresenta como uma boa opção para o mercado agrícola na medição de plantas cujo caule apresente variação no seu diâmetro entre 0,5 mm e 4,5 mm. Devido característica construtiva de medição de expansão (deslocamento positivo) e contração (deslocamento negativo). (pode por essa conclusão por que está certa, pois caso a planta estrapole a capacidade do sensor em caso de crecimento é so efetuar o ajuste com base nos dados da ultima medição, reposisionando o sensor)
Este sensor apresenta baixo custo de construção, o que viabiliza a utilização simultânea de vários sensores dentro de um mesmo talhão, auxiliando o agricultor (ou especialista) na tomada de decisões baseada em maior número de informações, isto quando a distribuição espacial do atributo estudado interfere na decisão a ser tomada.
Referências
PAIVA, R. e OLIVEIRA, L.M. Fisologia e Produção Vegetal. Lavras. Ed. UFLA. 2006, 104 p.
COSTA, A. R. Texto acadêmico: As Relações Hídricas Das Plantas Vasculares. Portugal. EditoradaUniversidade de Évora, 2001. 75 p;
GINESTAR, C.; CASTEL J.R. Use of steam dendrometers as indicators of water stress in drip-irrigated citrus trees. Acta Horticulturae, n.421, p209-216, 1998.
HINCKLEY T.M., BRIKERHOFF D.N. The effects of drought on water relations and steam shrinkage of quercus. Alba. 1975.
DYNAMAX INC. DEX: Dendormeter installation and user guide. Houston: Dynamax, 1996. s.p.
LOSITO, R. ET ALL. Design of a Linear Variable Differential Transformer With High Rejection. IEEE transactions on magnetics, vol. 46, no. 2, february 2010.
MEYDAN, T. and HEALEY G.W. Linear Variable Differencial Transformer – linear displacement transducer utilizing ferromagnetic amorphus metallic glas ribbons. IEEE sensors and actuadors, vol 32, 1992. CRESCINI (1995)
BALBINOT, A. Instrumentação e fundamentos de medida. Rio de Janeiro LTC Vol.2 2007.
KANO, Y. HASEBE, S. HAUNG, C. New Type Lvdt Position Detector. IEEE, International Conference on Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence, 1998.
SIENA e LENZ (2013).
SIENA , W. e LENZ, A. Desenvolvimento de um transdutor lvdt e datalogger Para o phytomonitoring. UTFPR.Trabalho de conclusão de curso.2013 (verifique se referenciação foi feita de maneira correta)
