Sistema de condicionamento de sinal para viabilizar a utilização de

Sistema de condicionamento de sinal para viabilizar a utilização de um
sensor LVDT na agricultura de precisão
Evandro André Konopatzki (Universidade Tecnológica Federal do Paraná – Campus Medianeira / UTFPR)
e-mail: [email protected]
Welder Siena, (Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial - SENAI) E-mail: [email protected]
Resumo: A
necessidade de registrar dados e recolher medidas efetuadas por sensores é comum
à diversas aplicações e objetiva facilitar o seu registro e acompanhamento do
desenvolvimento de eventos em diversas áreas como a saúde, a indústria, a meteorologia, a
agricultura de precisão e outras. Entretanto os sinais elétricos fornecidos por sensores nem
sempre são diretamente manipuláveis o que implica na necessidade da adequação destes
sinais para que estes possam ser utilizados em sistemas de monitoramento (datalogger). Na
agricultura de precisão ou no phytomonitoring, um dos sensores utilizados para estudos é
designado como LVDT (Linear Variable Differential Transformer), que devido as suas
caracterísitcas necessita de um sistema de tratamento de sinal para viabilizar seu uso. Desse
modo este trabalho teve como objetivo demonstrar o desenvolvimento de um sistema de
adequação de sinal elétrico para ser utilizado acoplado a um LVDT e a um datalogger e,
assim, proporcionar a monitorização do desenvolvimento de culturas. Os resultados
mostraram que o sistema trata os sinais de forma adequada representando fidedignamente as
características lineares do sensor e condicionando o nível de tensão elétrica do sinal de forma
a poder acoplá-lo satisfatoriamente ao datalogger apresentando baixo nível de ruído residual.
Palavras-chave: Condicionamento de sinal, LVDT, phytomonitoring.
1. Introdução
A agricultura de precisão, também designada por gestão localizada ou aplicação variável dos
fatores de produção, é uma ideia bastante antiga, mas foi retomada recentemente devido aos
avanços de tecnologias como a eletrônica e a comunicação digital. As evoluções nestes
campos proporcionaram a esta filosofia criar meios de compreensão e controle de fatores de
desenvolvimento de culturas. Assim conforme Davis (2006) intrínseco a filosofia da
agricultura de precisão há o phytomonitoring que consiste na utilização de parâmetros
fisiológicos das plantas e dos solos para avaliação do desenvolvimento das culturas. Essa
verificação comportamental da cultura ocorre por meio de sistemas sensoriais que, para
Martino (2010), são compostos por transdutores que convertem a reação do corpo avaliado
em sinais elétricos proporcionais à sua variação.
Dentre os sensores utilizados no phytomonitoring destaca-se conforme Delgado-Rojas (2008)
o LVDT (linear variable differential transformer) sensor utilizado na verificação da dinâmica
de caule para averiguar o estado hídrico da planta. Para isso o sensor é acoplado junto à
cultura de modo que a variação do caule provinda do estado matricial seja mensurada. Esta
análise é possível devido ao movimento oscilatório de contração e dilatação do caule que
executa estas variações conforme o potencial matricial (teor de umidade do solo). Estando o
solo com baixa umidade o caule tende a contrair em contrapartida com índice elevado de
umidade no solo o caule tende a dilatar-se. Assim o LVDT é acoplado a cultura para
monitorar os movimentos de contração e dilatação.
O dispositivo em questão opera pelo princípio magnético da indutância mutua, onde a
interação magnética do sensor advém das características construtivas e operativas do mesmo,
o qual possui duas bobinas concêntricas e coaxiais designadas, respectivamente, como
circuito magnético emissor (alocado geralmente no centro do sensor) e circuito magnético
receptor (justaposto em ambos os lados da bobina emissora e com defasamento de 180º entre
seus enrolamentos). Segundo Mazi (2008) estas características construtivas do sensor
implicam diretamente em defasamento de sinal proveniente do deslocamento do núcleo entre
as bobinas.
Assim conforme exposto por Alhais 2008, a defasagem de sinal intrínseca neste tipo de sensor
acarreta na necessidade do desenvolvimento de um sistema de condicionamento de sinal, para
que o sensor possa ser utilizado em um sistema de avaliação. Desse modo, este trabalho vem
demonstrar o desenvolvimento de um sistema de condicionamento de sinal que atende às
condições de baixo ruído e linearidade exigidos para sensores do tipo LVDT, proporcionando
o acoplamento desse sensor ao um datalogger para o sensoriamento da dinâmica de culturas,
caracterizado como phytomonitoring.
2. Metodologia
O experimento foi instalado e conduzido em área do departamento de tecnologia em
eletromecânica, da Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Campus Medianeira. O
sistema de adequação de sinal foi desenvolvido sob várias configurações de amplificadores
operacionais, pois segundo Blackburn (2001) os circuitos com aplificadores operacionais
podem efetuar inúmeras operações com sinais algébricos, característica esta extremamente
necessária no condicionamento de sinais. Contudo, para a análise do sistema de
condicionamento de sinal, subdividiu-se este em 3 etapas: “acoplamento e amplificação” do
sinal; “retificação, filtragem e subtração” do sinal e, por fim, “offset, amplificação e
filtragem” do sinal.
Na etapa de acoplamento e amplificação da modelagem condicionadora de sinal utilizou-se de
um amplificador operacional LM324 em configuração seguidora. Conforme a figura 1.
Figura 1. Circuito de acoplamento e amplificação do sistema de condicionamento de sinal
A configuração seguidora promove bom acoplamento através de sua alta impedância de
entrada e baixa impedância de saída garante que não haverá a interferência na qualidade do
sinal provindo do sensor.
Como visto na figura 1, o sinal do LVDT advém pelo conector J1, a partir desse ponto os
amplificadores em configuração de seguidor de emissor operam em cada uma das polaridades
do sensor, acoplando as impedâncias entre sensor e circuito.
Concluído o sistema de acoplamento foi efetuada a configuração de amplificação não
inversora, devido ao baixo nível de tensão emitido pelo sensor, garantindo um sinal de de boa
intensidade para continuar no condicionamento.
A etapa seguinte desenvolvida condiz com a retificação necessária para o tratamento do sinal.
Nesse tratamento, o diodo transforma o sinal CA de alta frequência em sinal pulsante.
Segundo Vilhais 2008 após a retificação do sinal, ocorrerá o surgimento de duas imagens
oriundas do sensor devido a sua caracteristica construtiva. A figura 2 expõe a caracterísitica
do sinal durante o condicionamento.
Figura 2.Ilustração das formas de onda durante o condicionamento de sinal
Na figura 2 verifica-se o comportamento do sinal do LVDT sob o sistema de adequação. As
saídas do secundário do sensor são visualizadas nos dois gráficos da figura 2 (a), os quais
apresentam um sinal sinuoso com defasagem de 180º. Entretanto como já discutido este sinal
é amplificado e depois retificado, conforme a figura 2 (b) mostra, e por conseguinte, utiliza-se
do circuito de subtração para transformar os dois sinais em apenas um.
Para efetuar o tratamento das duas imagens do sinal, foi utilizado de um aplificador
operacional em configuração subtratora, conforme figura 3, essa utilizada no tratamento do
sinal, consiste numa montagem típica de um subtrator não inversor. Segundo Alhais 2008, o
amplificador subtrator consiste numa configuração que possibilite obter na saída um sinal de
tensão igual à diferença entre os sinais aplicados.
Figura 3. Circuito em configuração subtratora utilizado no desenvolvimento do sistema de adequação de sinal
Desse modo o resultado de saída de um circuito em configuração subtratora possui
característica conforme a equação 1 exposta por WEDLING (2010), em que a tensão Vo
depende da razão entre R1 e R2 integrados a um produto da diferença de sinal adicionados aos
terminas positivo e negativo do amplificador operacional.
Equação 1. Relação de saída de um amplificador operacional em configuração subtratora.
A partir da configuração subtrativa, obtém o gráfico (c) da figura 2, em que as tensões que
formavam duas imagens são subtraídas em um único sinal, que oscila apenas no ciclo positivo
com base no offset que será detalhado adiante
A etapa de offset realizada na confecção do sistema de tratamento de sinal se faz necessário,
segundo ALHAIS (2008), devido à subtração resultar num sinal negativo para uma metade do
deslocamento, assim com a implementação deste circuito pode-se efetuar a correção do sinal,
ou seja, adequar o sinal para que sua variação seja somente positiva. A figura 4 demostra a
configuração de offset e amplificação, a qual foi necessária devido ao resultado da subtração
proporcionar um sinal de baixa amplitude o que inviabiliza sua utilização num sistema de
aquisição.
Fugura 4. Circuito utilizado no sistema de offset, amplificação e acoplamento no condicionamento de sinal
Na ilustração acima, a partir do resistor de 7,7 kΩ (kilo-ohms) considerado como saída do
subtrator ocorre a entrada do sinal na etapa de offset e amplificação. A etapa de offset no
circuito é representada pelo LM324 U2:B.
O sinal emitido pelo subtrator é acoplado ao terminal negativo do offset e, a partir das
referências de sinais com o trimpot se faz a correção do sinal. A utilização do offset se fez
necessária devido aos microcontroladores não aceitarem sinais de caracterísitcas negativas.
Contudo o complemento do circuito condiz com a amplificação, necessária devido ao
resultado da subtração fornecer um sinal de baixa amplitude que inviabiliza a utilização do
mesmo num sistema de aquisição.
3. Resultados e discussões
Com a finalização do projeto do sistema de adequação de sinal, este apresentou como característica o
nível de tensão de saída de 0 a 3,3 mV (mili-volts), tensão essa dimensionada para evitar possíveis
danos por picos à porta do microcontrolador. Outra característica alcançada no
desenvolvimento do sistema foi a linearização do sinal com baixíssimos níveis de ruídos
proporcionando a utilização do sinal a um sistema de aquisição. A figura 5 expõe o sistema de
adequação acoplado a um sensor LVDT e a um osciloscópio para verificação do
comportamento do sistema de tratamento de sinal sob operação.
Figura 5. Verificação do sistema de adequação de sinal sob condições de operação.
O comportamento do sinal após tratamento e sob condições de operação foi sataisfatório, pois
o ruído residual do condicionmento foi inibido pelo sistema de aquisição dando
confiabiliadade as medidas executatdas pelo sensor, possibilitando assim a integração do
sistema ao sensor e ao datalogger.
4. Conclusão
Quanto ao sistema de condicionamento de sinal, este confere cuidados no tratamento de
ruídos, pois conforme o projeto a ser executado a utilização de filtros com faixa de operação
fora de projeto implica num retardo de resposta do sinal quando ocorre a variação do sensor,
sendo assim é imprescindível a utilização adequada de filtros dimensionados conforme
projeto.
Contudo é possível concluir que o sistema de condicionamento de sinal foi satisfatório
quando utilizado acoplado ao sensor, pois o sinal emitido pelo mesmo após retificação,
amplificação e subtração procedimentos necessários que possibilitarão ao sinal emitido pelo
sistema de condicionamento apresentar-se sem quaisquer interferências, como ruídos de
elevada amplitude que impossibilitam a utilização do sinal junto a um datalogger, pois
proporcionam erros de medidas.
Sendo assim, com a estabilidade do sinal emitido pelo circuito desenvolvido e níveis
adequados da tensão de resposta foi possível utilizar o sinal acoplado a um sistema de
aquisição, viabilizando o estudo do comportamento da dinâmica hídrica de plantas através dos
efeitos de contração e dilatação de caule ocorrido pelo estado matricial do solo.
Referências
ALHAIS, P.L. Sistema de Sensores para Carro de Competição Integrado na Fórmula Student. Dissertação para
obtenção do grau de Mestre em engenharia electrotécnica e de computadores, Universidade Técnica de Lisboa,
2008
BLACKBURN,J. A. Modern instrumentation for scientists and engineers. New York Springer-Verlag, 2001
Davis, G. (2006). Precision Agriculture: An introduction. University of Missouri
DELGADO-ROJAS, J.R. H. Avaliação do fluxo de seiva e da variação do diâmetro do
caule de ramos na determinação das condições hídricas de citros, como base para manejo da
irrigação. 2008. Dissertação (Doutor em Agronomia), USP, São Paulo, 2008.
MARTINO, M. ET ALL. Study of interference magnetic on a lvdt prototype. IEEE transactions on magnetics,
vol. 46, no. 2, february 2010.
MASI and R. LOSITO, LHC collimators low level control system, IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 55, no. 1, pag.
333–340, Feb. 2008.
WENDLING, M. AMPLIFICADORES OPERACIONAIS, Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2010.
Diponível para download em:http://www2.feg.unesp.br/Home/PaginasPessoais/ProfMarceloWendling/3--amplificadores-operacionais-v2.0.pdf