DESENVOLVIMENTO DE UM TRANSDUTOR LVDT E ?· LVDT ( Linear Variable Differential Transformer ) e sistemas…

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  • UNIVERSIDADE TECNOLGICA FEDERAL DO PARAN UTFPR

    DIRETORIA DE GRADUAO

    TECNOLOGIA EM MANUTENO INDUSTRIAL

    ANDERSON MIGUEL LENZ

    WELDER SIENA

    DESENVOLVIMENTO DE UM TRANSDUTOR LVDT E DATALOGGER PARA O PHYTOMONITORING.

    TRABALHO DE CONCLUSO DE CURSO

    MEDIANEIRA

    2013

  • ANDERSON MIGUEL LENZ

    WELDER SIENA

    DESENVOLVIMENTO DE UM TRANSDUTOR LVDT E DATALOGGER PARA O PHYTOMONITORING.

    Monografia apresentada como requisito parcial obteno do ttulo de Tecnlogo em Manuteno Industrial, da Universidade Tecnolgica Federal do Paran UTFPR Campus Medianeira. Orientador: Prof Me. Yuri Ferruzzi

    MEDIANEIRA

    2013

  • Ministrio da Educao Universidade Tecnolgica Federal do Paran

    Cmpus Medianeira Diretoria de Graduao e Educao Profissional do

    Curso Superior de Tecnologia em Manuteno Industrial

    TERMO DE APROVAO

    DESENVOLVIMENTO DE UM TRANSDUTOR LVDT E DATALOGGER PARA O PHYTOMONITORING

    Por:

    Anderson Miguel Lenz

    Welder Siena

    Este Trabalho de Concluso de Curso (TCC) foi apresentado s 15:30 h do dia 05

    de abril de 2013 como requisito parcial para a obteno do ttulo de Tecnlogo no

    Curso Superior de Tecnologia em Manuteno Industrial, da Universidade

    Tecnolgica Federal do Paran, Cmpus Medianeira. Os acadmicos foram

    arguidos pela Banca Examinadora composta pelos professores abaixo assinados.

    Aps deliberao, a Banca Examinadora considerou o trabalho aprovado.1

    Prof. Me Yuri Ferruzzi UTFPR Cmpus Medianeira

    (Orientador)

    Prof. Me. . Alberto Noboru Myiadaira UTFPR Cmpus Medianeira

    (Convidado)

    Prof. Me. Me. Filipe Marangoni UTFPR Cmpus Medianeira

    (Convidado)

    Prof. Yuri Ferruzzi UTFPR Cmpus Medianeira

    (Responsvel pelas atividades de TCC)

    1 Nota: A verso deste termo de aprovao com as assinaturas encontra-se na secretaria de coordenao de cursos.

  • RESUMO

    LENZ, Anderson Miguel e SIENA, Welder. Projeto desenvolvimento de um sensor

    LVDT (Linear Variable Differential Transformer) e sistemas de: alimentao,

    adequao e aquisio de sinal do dispositivo (Tecnologia em Manuteno

    Industrial) Universidade Tecnolgica Federal do Paran. Medianeira, 2012.

    O sensoriamento representa um importante papel na agricultura, devido a crescente

    demanda na alimentao e a dificuldade de mensurar ou diagnosticar

    comportamentos que designem um problema, ou otimizem o desenvolvimento de

    culturas. A agricultura de preciso proporciona a evoluo nesse conceito, pois este

    modelo de cultivo aborda a insero de sistemas capazes de estimar parmetros de

    controle. Contudo o propsito desse trabalho apresentar a construo de um

    transdutor LVDT, junto ao seu princpio de funcionamento e informaes relativas ao

    processo de desenvolvimento, modelagem de ensaio e resposta de sinais de

    posicionamento do ncleo do LVDT.

    Palavras-chaves: Agricultura de preciso, Desenvolvimento de culturas, Sistemas

    Eletrnicos, Phytomonitoring,

  • ABSTRACT

    LENZ, Miguel Anderson and SIENA, Welder. Project development of a sensor LVDT

    (Linear Variable Differential Transformer) and systems: signal acquisition device

    (Technology in Industrial Maintenance) - Federal Technological University of Paran.

    Medianeira 2012.

    Nowadays sensors represents an important role in agriculture, due to growing

    demand in feed and the difficulty of measuring behavior that designate or diagnose a

    problem or optimize the development of cultures. Precision agriculture provides the

    evolution of this concept, because this model addresses the growing integration of

    systems capable of estimating control parameters. However the purpose of this

    paper is to present the construction of an transducer LVDT, with its principle of

    operation and information relating to the process of development, testing and

    modeling of response signals for positioning the core of the LVDT.

    Keywords: Prec Agriculture, Development of growing, Electronic Systems,

    Phytomonitoring

  • LISTA DE FIGURAS

    FIGURA 1. EXPOSIO DA FORMA FUNCIONAL DO SENSO ............................. 13 FIGURA 2. ENCAPSULAMENTO E ELEMENTO DE INSERO DE RESINA PARA PROTEO DE CONEXES. .................................................................................. 15 FIGURA 3. ILUSTRAO DO ELEMENTO CARRETEL .......................................... 16 FIGURA 4. EXPOSIO DOS CIRCUITOS MAGNTICOS .................................... 17 FIGURA 5. CARRETEL DO LVDT APS ENROLAMENTO DOS CIRCUITOS MAGNTICOS .......................................................................................................... 18 FIGURA 6. MODELO DE FIXAO UTILIZADO ...................................................... 19 FIGURA 7. COMPARAO ENTRE OS SISTEMAS DE FIXAO ......................... 19 FIGURA 8. CIRCUITO OSCILADOR UTILIZADO PARA ALIMENTAO DO SENSOR. .................................................................................................................. 21 FIGURA 9. COMPARAO DE TRANSFERNCIA DE POTNCIA ........................ 22 FIGURA 10. CIRCUITO DE EXCITAO PARA O TRANSDUTOR ......................... 23 FIGURA 11. DIAGRAMA DE BLOCOS PARA CONDICIONAMENTO DE SINAL .... 24 FIGURA 12. CIRCUITO DE ACOPLAMENTO E AMPLIFICAO DO SISTEMA DE CONDICIONAMENTO DE SINAL ............................................................................. 26 FIGURA 13. ILUSTRAO DAS FORMAS PASSO A PASSO DO SISTEMA DE TRATAMENTO DE SINAL (CONDICIONADOR) ...................................................... 27 FIGURA 14. CONFIGURAO SUBTRATORA ....................................................... 27 FIGURA 15. CIRCUITO DE ADEQUAO DE SINAL ............................................. 29 FIGURA 16. COMPLEMENTO DO CIRCUITO DE ADEQUAO DE SINAL .......... 29 FIGURA 17. CONFIGURAES DE HARDWARE PARA DESENVOLVIMENTO DO DATALOGGER ......................................................................................................... 31 FIGURA 18. CONFIGURAO DE HARDWARE PARA MEMRIAS DE DADOS .. 32 FIGURA 19. SADAS OPTO-ACOPLADAS............................................................... 32 FIGURA 20. HARDWARE DO DATALOGGER ......................................................... 33 FIGURA 21. AMBIENTE DE DESENVOLVIMENTO MICROCHIP MPLAB .............. 35 FIGURA 22. ESTRUTURA ELABORADA PARA AFERIO DO SENSOR ............. 38 FIGURA 23. ESTRUTURA DE APOIO PARA AVALIAO DE CULTURAS AINDA JOVENS .................................................................................................................... 41 FIGURA 24. SISTEMA UTILIZADO NO RESGUARDO DO SENSOR PARA ATUAO EM CAMPO ............................................................................................ 42 FIGURA 25. PLANTA EM ESTADO DE STRESS HDRICO..................................... 44 FIGURA 26. REESTRUTURAO DO GIRASSOL. ................................................. 44

  • LISTA DE GRFICOS GRFICO 1. MODELO CARACTERSTICO DE RESPOSTA DE UM SENSOR LVDT .................................................................................................................................. 14 GRFICO 2. REPETIO COM AS REGIES EXTREMAS NO LINEARES ........ 38 GRFICO 3. PLOTAGEM DE ANLISES ................................................................. 39 GRFICO 4. VARIAO DO DIMETRO DO CAULE CONFORME ACOMPANHAMENTO .............................................................................................. 43

  • LISTA DE TABELAS

    TABELA 1. ELEMENTOS UTILIZADOS NA CALIBRAO DO TRANSDUTOR...........................................................................................................37

    TABELA2. DADOS DE VERIFICAO DO ERRO PERCENTUAL............................................................................................................40

  • SUMRIO

    1 INTRODUO ...................................................................................................... 10 2 OBJETIVOS .......................................................................................................... 11 2.1 OBJETIVO GERAL ............................................................................................. 11

    2.2 OBJETIVO ESPECFICO .................................................................................... 11

    2.3 ESTRUTURA DO TRABALHO ........................................................................... 11

    3 LINEAR VARIABLE DIFFERENTIAL TRANSFORMER (LVDT) ......................... 12 3.1 CONSIDERAES INICIAIS .............................................................................. 12

    3.2 ENCAPSULAMENTO ......................................................................................... 15

    3.3 CARRETEL ......................................................................................................... 16

    3.4 CIRCUITOS MAGNTICOS EMISSOR E RECEPTOR ................................... 16

    3.5 CATARACTERISTICA CONSTRUTIVA DAS BOBINAS .................................... 17

    3.6 NCLEO ............................................................................................................. 18

    3.7 FIXAO ............................................................................................................ 18

    4 CIRCUITO DE ALIMENTAO EXCITAO .................................................. 20 4.1 CONSIDERAES INICIAS ............................................................................... 20

    4.2 CIRCUITO DE EXCITAO DO LVDT - OSCILADOR ...................................... 20

    4.3 CIRCUITO DE EXCITAO DO LVDT SEGUIDOR DE TENSO .................. 22

    5 CIRCUITO DE ADEQUAO DE SINAL ............................................................. 24 5.1 CONSIDERAES INICIAIS .............................................................................. 24

    5.2 CARACTERSTICA DE DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA DE ADEQUAO DE SINAL .................................................................................................................. 25

    5.3 SISTEMA DE ACOPLAMENTO E AMPLIFICAO ........................................... 25

    5.4 SISTEMA DE RETIFICAO, FILTRAGEM E SUBTRAO ............................ 26

    5.5 SISTEMA OFFSET, AMPLIFICAO E FILTRAGEM. ....................................... 28

    6 SISTEMA DE AQUISIO DE DADOS ............................................................... 30 6.1 CONSIDERAES INICIAIS .............................................................................. 30

    6.2 5.2 MICROCONTROLADOR PIC 18F4550 ........................................................ 30

    6.3 DESENVOLVIMENTO DO SAD SISTEMA DE AQUISIO DE DADOS ....... 31

    6.4 DESENVOLVIMENTO DO SOFTWARE ............................................................. 34

    7 TESTE DE CALIBRAO DO SENSOR ............................................................. 36 7.1 CONSIDERAES INICIAIS .............................................................................. 36

    7.2 METODOLOGIA DE CALIBRAO ................................................................... 36

  • 8 AVALIAES DO SISTEMA DE MONITORAMENTO POR LVDT, APLICADO A UM GIRASSOL. .............................................................................................. 41

    9 CONCLUSO ....................................................................................................... 45 10 REFERNCIAS .................................................................................................... 46

  • 10

    1 INTRODUO

    A obteno de dados atravs de sensores proporcionam a expanso das

    formas de aquisio das informaes de carter avaliativo, o que possibilita a

    otimizao de recursos e processos. Com base nessa tendncia e necessidade de

    automatizar processos, o presente trabalho tem como objetivo demonstrar a

    construo e anlise de um transformador diferencial varivel linear (LVDT, do ingls

    Linear Variable Differential Trasnformer) para avaliar o desenvolvimento de culturas,

    caracterizado como phytomonitoring.

    O phtyomontitoring segundo JORAS, J.S.D.(2003) deriva-se em um dos casos

    como manejo adequado e eficiente da irrigao, onde se necessita dispor de

    informaes sobre as condies hdricas do solo. Essas condies podem ser

    obtidas por meio de um sensor LVDT que capta a contrao radial da planta

    conforme as condies a qual esta submetida. Estas contraes para HINCKLEY

    T.M and BRIKERHOFF D.N. (1975) advm do comportamento do caule das plantas,

    que tem seu dimetro reduzido durante o dia, devido transpirao no ser

    compensada pela absoro de gua, e durante a noite h o aumento do caule

    devido absoro hdrica e pouca transpirao. Essa variao advinda da mudana

    do potencial matricial proporciona a utilizao de sensores que captem a

    movimentao.

    Segundo DONGWON, Y. (2011) a utilizao de sensores de reatncia varivel

    advm das vantagens, as quais se tratam da boa linearidade e ganho de tenso, o

    que proporciona a mensurao de eventos. Assim o dispositivo de deslocamento

    magntico permite mensurar precisamente posies, fazendo deste um dos mais

    difundidos sensores de posicionamento usado em modo geral, devido forma de

    aquisio, boa linearidade, e robustez. Estes atributos proporcionam ao sensor uma

    variedade de aplicaes, como na indstria agrcola e mecnica, em centros de

    pesquisa SPEZIA (2011).

  • 11

    2 OBJETIVOS

    2.1 OBJETIVO GERAL

    Desenvolver um sistema funcional de monitoramento do dimetro do caule de plantas, que seja capaz de avaliar o desenvolvimento de culturas atravs do armazenamento de dados da variao do dimetro do caule.

    2.2 OBJETIVO ESPECFICO

    Estudar a aplicabilidade do sensor LVDT na agricultura e desenvolv-lo em

    conjunto com circuito de alimentao, adequao e aquisio de sinal. Particionando

    o sistema LVDT para desenvolver e avaliar cada etapa, integrando-os num projeto

    final, que possibilite a funcionalidade do sensor e, por conseguinte a anlise de

    culturas atravs de metodologias como o phito monitoramento.

    2.3 ESTRUTURA DO TRABALHO

    O trabalho foi estruturado de acordo com a sequencia de montagem dos

    sistemas, onde primeiramente se faz o embasamento terico que srvio de base,

    para que se fizesse a escolha dos materiais, as formas e o processo de fabricao

    da parte mecnica, aps isso partiu-se para o desenvolvimento dos sistemas de

    alimentao e ajuste do sensor, e seguindo com o sistema de aquisio, e com

    todas as etapas anteriores concludas o teste em campo do sensor.

  • 12

    3 LINEAR VARIABLE DIFFERENTIAL TRANSFORMER (LVDT)

    3.1 CONSIDERAES INICIAIS

    A eficiente gesto das culturas conforme YUNSEOP (2011) uma preocupao

    em muitos sistemas de cultivo, entretanto como uma forma de apoio a eficincia

    agrcola, a utilizao de sensores vem se difundindo para permitir o controle do

    sistema de irrigao e desenvolvimento, de forma a maximizar a produo,

    otimizando o uso dos recursos agrcolas.

    Como forma de otimizao de recursos, a obteno de dados pelo sistema

    LVDT, atravs da variao de caule vem sendo considerada uma ferramenta em

    potencial no manejo de culturas, pois possibilita uma resposta imediata, consistente

    e confivel do estado hdrico da planta. O controle do sistema de modo geral ocorre

    devido s culturas, em maior ou menor grau, respondem s co...

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