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IV Seminário da Pós-Graduação em

Engenharia Mecânica – Unesp - Bauru

MEDIÇÃO DE VAZÃO MÁSSICA PARA ADUBOS SÓLIDOS EM SISTEMAS DE

ADUBAÇÃO A TAXAS VARIÁVEIS

Marcos Roberto Ruybal Bica

Aluno do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica – Unesp – Bauru

Prof. Dr. Edson Antônio Capello de Sousa

Orientador – Depto de Engenharia Mecânica – Unesp – Bauru

RESUMO

A necessidade de aumentar a produtividade do setor agrícola, sem que este aumento

se traduza em maior agressão ao meio ambiente ou em abertura de novas áreas para o plantio,

motivou uma corrente de pesquisa na área de agricultura de precisão, onde trabalhos estão

sendo desenvolvidos na direção de aperfeiçoar implementos agrícolas para que a mistura dos

nutrientes que o solo necessita seja realizada no momento do plantio, a dosagem dos

nutrientes é determinada por tabelas obtidas da análise do solo, que é realizada pontualmente.

Com o auxilio de GPS, realiza-se o controle de posição e velocidade do trator que traciona o

implemento. A quantidade de nutriente que sai do dosador está relacionada à velocidade

angular do seu eixo neste sentido o presente trabalho foca a medição do adubo que está saindo

dos dosadores realimentando o dispositivo de controle para que as correções necessárias na

rotação sejam executadas. O sensor de vazão mássica, será montado em um tubo de 50mm de

diâmetro, no qual é colocado um funil para concentrar a passagem do adubo que tocando em

uma lâmina de aço de 0,15mm provoca a deformação elástica da mesma, essa deformação é

medida por um extensômetro. O protótipo será ligado a um PC com uma placa de aquisição, e

o Sofware LabView, para que as medições sejam realizadas, comprovando a sua

funcionalidade. Nos primeiros testes realizados comprovou-se que os obstáculos tais como

funil e lâmina não interferem na quantidade de adubo que é dispensado pelo dosador, O

dosador foi reformado para permitir resultados mais precisos e consistentes na calibração do

sensor.

PALAVRAS-CHAVE: Agricultura de precisão, Dosador, Sensor, Vazão M.

1 INTRODUÇÃO

Com a globalização da economia e a competitividade de preço dos produtos

agrícolas, surgiu a necessidade de se obter níveis de competitividade internacionais. Além

disto, a busca pela conservação dos recursos naturais impõe à atividade agrícola, novos

métodos e técnicas de produção, aliados à eficiência e maior controle dos resultados obtidos

no campo, em relação ao que se pratica hoje.

Além disso, a agricultura moderna está relacionada ao plantio de extensas áreas de

monocultura, e um dos principais problemas que reflete diretamente na produtividade

agrícola de extensas áreas é a distribuição inadequada de calcário, semente, adubo, herbicida

e inseticida no terreno. Este fato tem acarretado zonas de baixa produção de grãos e cereais

dentro da área cultivada.

Como uma resposta para minimizar estes problemas e com o avanço da tecnologia,

foi possível que satélites, computadores e sensores auxiliassem a agricultura. Surgiu então um



novo sistema de produção que, há alguns anos já é utilizada pelos agricultores de países de

tecnologia avançada, chamado de Precision Agriculture, Precision Farming, e no Brasil de

Agricultura de Precisão. Este sistema vem resgatar a capacidade de conhecer cada metro

quadrado da lavoura, que foi perdido à medida que as áreas cultivadas foram crescendo.

O processo da agricultura de precisão inicia-se com o intuito de buscar a

variabilidade espacial da fertilidade prévia do solo, utilizando para isso uma amostragem

programada e criteriosa. De posse de todas as informações obtidas da amostragem, parte-se

para o tratamento direcionado da fertilidade do solo, aplicando corretivos e fertilizante à taxas

variáveis, buscando sanar problemas que podem vir a depreciar a qualidade e a produtividade

da lavoura por falta ou excesso dos nutrientes essenciais. Destacam-se duas motivações que

induzem à agricultura de precisão. Uma diz respeito à preservação do meio ambiente, onde se

deseja que cada vez mais a redução das quantidades de fertilizantes e agroquímicos. A outra

diz respeito à margem de lucro cada vez menor, o que faz com que se deseje diminuir a

quantidade de insumos principalmente fertilizantes, agroquímicos e combustíveis necessários

ao processo produtivo. Com um sistema amostrador, consegue-se fazer todo o processo de

amostragem de solo georreferenciada, ou seja, mapear a área retirando amostras de solo e

delimitando os pontos com suas respectivas coordenadas geográficas.

Esse processo de marcação dos pontos amostrais com o sistema de posicionamento

global (SPG ou GPS) permite, posteriormente, a confecção de mapas de fertilidade de solo,

ferramenta fundamental para a tomada de decisão sobre a recomendação de adubação para a

cultura que se pretende implantar no sistema.

De posse das análises de solo e das coordenadas geográficas dos pontos amostrais,

são gerados os mapas de fertilidade, onde temos para cada elemento analisado e para cada

talhão amostrado um mapa mostrando as variações de concentrações de tal elemento no solo.

Com o mapa de aplicação inserido na máquina, a mesma aplica o fertilizante em

quantidades variáveis obedecendo à análise prévia da fertilidade do solo, tratando de forma

diferenciada cada ponto amostrado anteriormente. Atualmente as máquinas que tem o

propósito de fazer adubação na linha de plantio o fazem com adubo pré-formulado, ou seja,

com uma mistura de proporções já definidas dos macros elementos (N, P e K), fazendo assim

com que elemento que já existe no solo seja depositado novamente sem a necessidade do

mesmo, causando, portanto, um aumento no custo de plantio e o desperdício de fertilizante

químico.

A proposta da pesquisa é construir um dispositivo que possibilite verificar se a

dosagem da formulação que esta sendo aplicada em cada ponto, corresponde ao quantidade

necessária ponto a ponto no momento do plantio, ou seja, garantir que está sendo depositado

no ponto somente o elemento necessário de maneira independente, com isso a adubação torna-

se mais precisa e econômica, maximizando a produção e minimizando os danos ao meio

ambiente. O objetivo desta pesquisa é garantir a uniformidade na aplicação dos fertilizantes,

reduzindo as possibilidades de desvio por ações externas, ou falta de matéria prima nos

reservatórios.

Fechar a malha de controle da máquina de aplicação de fertilizantes, proporcionando

à mesma maior precisão e a diminuição da possibilidade de trabalho com os reservatórios

vazios.

Avaliar alguns tipos de células de carga existentes no mercado, a fim de escolher a

que melhor se aplica ao protótipo do sensor, e estudar a possibilidade da produção de um

dispositivo próprio.

Projetar o protótipo de um sensor que possa ser facilmente adaptado ao protótipo

para formulação, dosagem e aplicação de fertilizantes sólidos, desenvolvido pelo Eng.

Conrado Di Raimo



2 REVISÃO BIBLIOGÁFICA

Modificações drásticas no nível de aplicação tecnológica da agricultura mundial

competitiva demandarão do país uma atuação eficiente no sentido de incorporação e

adaptação de inovações, especialmente em áreas estratégicas. Por se tratar da análise de

formas de produção agrícola, o caráter multidisciplinar é a condição mais importante, para que

se possa quantificar os benefícios econômicos e ambientais e se fazer uma análise a longo

prazo da estabilidade, resistência e sustentabilidade desses sistemas.

Em razão, destes novos recursos tecnológicos já estarem sendo disponibilizados no

mercado brasileiro, para se realizar esse inovador conceito de agricultura, há necessidade de se

ter uma ação rápida para a adaptação e a correta recomendação de uso da tecnologia. Para

tanto, a pesquisa, a assistência técnica, os agricultores, a iniciativa privada, os fabricantes de

equipamentos, as associações, cooperativas e governo têm o papel fundamental nesse

processo de inovação tecnológica e a área técnica destas organizações, precisa ser bem

treinada, para facilitar a transferência de tecnologia e aplicação direta destes conceitos na

agricultura brasileira. ( MANTOVANI, 2006).

Auernhammer (2001) cita que a renovação da forma tradicional de cultivo através das

técnicas de agricultura de precisão é um objetivo estratégico e está trazendo a agricultura à era

digital. Baseado nas práticas da agricultura de precisão é possível integrar um conjunto de

tecnologias para melhorar a forma de cultivo tradicional em acordo com as condições locais.

Essa é a grande proposta atual para resolver o equacionamento da máxima produtividade com

mínimos danos ambientais, devido à alocação adequada de insumos.

A adequada fertilidade do solo e eficiente produção vegetal dependem da oferta

equilibrada de todos os nutrientes. De acordo com “A lei do mínimo” de LIEBIG(citado por

IAP, 1999), a limitação de desenvolvimento de uma cultura ocorre devido à deficiência de

qualquer nutriente que a planta necessite para seu crescimento, não importando se os outros

nutrientes superem a demanda da planta. Com isso, pode-se observar que a produção da

cultura é limitada pelo nutriente menos disponível. (GARCIA 2007).

No Brasil, as primeiras ações de pesquisa na área foram realizadas na Escola

Superior de Agricultura “Luiz de Queiroz”, da Universidade de São Paulo (ESALQ-USP) em

1997, onde um trabalho pioneiro com a cultura de milho resultou no primeiro mapa de

variabilidade de colheita do Brasil (BALASTREIRE, 1997). Houve também crescimento nas

iniciativas de pesquisa/extensão em AP, com envolvimento de instituições como ESALQ-

USP, UNICAMP, EMBRAPA, Fundação ABC, IAPAR, UFSM, além de numerosas empresas

privadas do setor agrícola e tecnológico e de cooperativas de produtores, bem como de

produtores de forma isolada.

2.1 Agricultura de Precisão

Antes mesmo da revolução industrial e do processo de mecanização da atividade

agrícola, os agricultores já se mostravam capazes de reconhecer a variabilidade espacial de

certas características físico-químicas e biológicas das áreas cultivadas. A própria divisão

dessas áreas em talhões reflete essa capacidade de discernimento. Até então, o uso de trabalho

braçal e/ou tração animal permitia aos agricultores tratar áreas com menor ou maior fertilidade

ou com infestação de pragas, doenças e plantas daninhas de forma diferenciada (FRAISSE,

1998).

Atualmente, é possível identificar áreas manejadas dessa forma em vários locais do

Brasil. Por exemplo, nas regiões coloniais do Rio Grande do Sul, com propriedades de



topografia acidentada e com pequenas áreas de cultivo, é possível observar uma agricultura

diversificada, em que a alocação das culturas é feita de acordo com as características de cada

talhão e o produtor conhece o potencial de cada área e pratica o manejo específico em cada

situação. Esse tipo de manejo, que prescinde de equipamentos de alta tecnologia, pode ser

considerado também uma forma, embora empírica e muitas vezes inconsciente, de agregar

maior precisão à atividade agrícola. Assim, ao contrário do que muitos pensam, os princípios

da AP não são uma novidade nas áreas cultivadas intensivamente e nas quais o trabalho era

realizado manualmente.

Os fundamentos da AP moderna, segundo a literatura, surgiram em 1929, nos

Estados Unidos da América, e foram descritos por Linsley e Bauer na circular n-346 da

Estação Experimental Agrícola da Universidade de Illinois (GOERING, 1993). Nessa época,

os autores haviam constatado a existência de grandes variações quanto à necessidade de

calagem em determinada área e que a aplicação de calcário deveria respeitar essa

variabilidade. Essa filosofia, entretanto, foi preterida em virtude do desenvolvimento de

equipamentos de tração mecânica que facilitaram a aplicação de insumos em taxas uniformes.

O ressurgimento e disseminação da AP, na forma em que hoje é conhecida, ocorreram

somente na década de 80, quando microcomputadores, sensores e sistemas de rastreamento

terrestres ou via satélite foram disponibilizados e possibilitaram a difusão das técnicas

(BALASTREIRE, 1998).

Os avanços iniciais nessa área foram subsidiados pela disponibilização de satélites

para a localização de pontos na superfície terrestre por meio do sistema GPS.

A partir daí, foram criadas varias ferramentas, como sistema de informações

geográficas (SIG ou GIS), sensoriamento remoto, tecnologias de aplicação em taxa variada

(VRT - Variable-Rate Technology), sensores, monitores de colheita, entre outras, que

auxiliaram na identificação e no manejo da variabilidade de áreas agrícolas.

A AP no mundo tem se destacado principalmente nos Estados Unidos da América,

mas muitos relatos têm sido divulgados sobre o desenvolvimento dessa tecnologia, tanto em

pesquisa como na aplicação prática, em países como Alemanha, Argentina, Austrália, Brasil e

Inglaterra.

Segundo Molin (2002), uma definição mais atual de AP com visão sistêmica do

conjunto de ações que a compõe pode ser adotada: a AP seria, acima de tudo, um sistema de

gestão ou de gerenciamento da produção agrícola que emprega um conjunto de tecnologias e

procedimentos para que as lavouras e sistemas de produção sejam otimizados, tendo como

elemento-chave o manejo da variabilidade da produção e dos fatores envolvidos.

2.2 Aplicação de Fertilizantes a taxas variáveis

A questão mais importante evidenciada pela AP é mostrar a variabilidade das áreas

agrícolas e fazer com que sejam criadas alternativas de manejo que levem em consideração tal

diversidade. A aplicação de determinada prática no local e momento em que apresente maior

potencial de resposta, com menor impacto ambiental e com resultados econômicos e sociais

satisfatórios.

Portanto, a AP não pode estar relacionada somente ao emprego de máquinas e

implementos altamente sofisticados, de custo elevado e de manejo complexo, mas, sim,

constituir um indicativo de manejo mais eficiente dos fatores de produção.

Em busca desses objetivos, é fundamental que tanto a atividade de pesquisa como o

manejo de culturas produtoras de grãos nas lavouras comerciais passem a conferir maior

importância à variabilidade presente nas áreas agrícolas.



A adoção de práticas de manejo de maior precisão, que levem em consideração a

variabilidade, pode trazer benefícios às culturas, principalmente pela possibilidade de maior

expressão do potencial genético, não somente em determinadas áreas da lavoura com

condições mais favoráveis, mas, sim, em toda a área cultivada.

Uma maneira conveniente de simplificar o manejo de culturas agrícolas é considerar

o ambiente de produção como uma “caixa-preta” com entradas e saídas. A “caixa-preta”

descreve a função biofísica da lavoura. As entradas podem ser controláveis, como:

fertilizantes, sementes ou agroquímicos, ou incontroláveis, como: radiação solar incidente,

precipitação pluvial e temperatura. O sistema todo está sujeito a perturbações, que se acredita

serem incontroláveis e mal definidas. É possível conhecer algo sobre as relações entre essas

entradas e saídas, mas esse conhecimento é incompleto (COOK & BRAMLEY, 1998).

Buscando entender melhor a suposta “caixa-preta” que é um sistema de produção

agrícola, a filosofia da AP representa uma nova forma de visualização e de manejo do

ambiente de produção, a qual apresenta como princípio básico a observação da variabilidade

dos fatores de produção.

A variabilidade dos fatores de produção está associada a múltiplas causas, desde a

variabilidade climática até a representada pelo ambiente em torno de uma única semente (solo,

oxigênio, disponibilidade de água e nutrientes etc.) que é depositada no solo. Entretanto, as

formas de variabilidade que estão sendo estudadas e manejadas em AP podem ser

classificadas em “Variabilidade Espacial” (aquela que ocorre com um atributo na área, por

exemplo: variação da concentração de fósforo no solo em uma área de 20 hectares),

“Variabilidade Temporal” (aquela que ocorre ao longo do tempo, por exemplo:

disponibilidade de água no solo em função da sazonalidade da precipitação pluvial) e uma

terceira (que representa a ação do homem nas duas primeiras), chamada “Variabilidade

Induzida pelo Manejo” (aquela criada pelas decisões de manejo tomadas nas áreas de cultivo,

por exemplo: alocação de culturas e regulagem de máquinas). Esta última ocorre, por

exemplo, quando há máquinas desgastadas e desreguladas, sistemas de cultivo diferenciados,

partes da lavoura deixadas em pousio por vários anos e deficiência no controle de plantas

daninhas (FARNHAM, 2000).

O primeiro ponto que se deve ter em mente, quando se objetiva manejar a

variabilidade dos diferentes fatores envolvidos na produção agrícola, é a necessidade de

conviver com ela e entendê-la, sem a presunção de achar possível sua eliminação, ou seja, é

importante mapear e manejar a variabilidade de cada fator de interesse, minimizando-a em

níveis possíveis técnica e economicamente.

Para minimizar a variabilidade é necessário, conhecer sua magnitude, identificando-a

e quantificando-a, por meio de parâmetros de solo, de planta e de clima, mapeando “áreas

problemas” (com níveis abaixo dos considerados adequados) e, posteriormente, empregando

práticas de manejo capazes de minimizá-las.

Inicialmente, devem-se considerar os efeitos físicos e, depois, os químicos,

causadores dessa variabilidade. A avaliação dessas áreas pode ser feita pela amostragem em

linhas traçadas entre áreas elevadas e baixas, com amostras regularmente espaçadas, e

comparação dos dados com padrões estabelecidos, identificando os fatores limitantes. A

variabilidade temporal pode ser obtida pela coleta de dados por vários anos, possibilitando a

criação de um “mapa de tendência espacial” que remove o efeito temporal. Outra opção é o

“mapa de estabilidade temporal” que identifica as áreas que são estáveis (ou têm sido

altamente variáveis) no período considerado (BLACKMORE & LARSCHEID, 1997).

3 METODOLOGIA



3.1 Justificativa

Na aplicação de fertilizantes a taxas variáveis, leva-se em conta a margem de erro

admissível no processo de produção agrícola, porem com a crescente demanda por produção e

a necessidade preeminente de diminuir a agressão ao meio ambiente, levam os pesquisadores

a aprimorar os equipamentos, e é nessa linha de trabalho que este projeto se encontra.

Os equipamentos de dosagem não têm um grau de precisão apurado, bem como os

fertilizantes tem variações de granulação e densidade, de um fabricante para outro e levando

se em conta ainda serem os fertilizantes hidrófilos, estes fatores acabam por limitar a atuação

precisa dos dispositivos dosadores.

Outro fator que contribui para o este estudo é a questão do entupimento dos

dosadores durante o processo de adubação, fato que ocorre, principalmente pela característica

dos adubos, e também pela ação do operador do implemento, que se utiliza de água para fazer

a limpeza dos dosadores, piorando assim o funcionamento.

Diante dessas constatações este trabalho tem por objetivo idealizar, desenvolver e

testar um sensor que seja capaz de avaliar a vazão mássica do adubo, para com essa

informação realimentar o sistema de controle, bem como verificar se o material parou de sair

do dosador e com isso informar o operador para tomar as providências necessárias.

3.2 Materiais e Métodos

Para desenvolver o protótipo foi confeccionada uma bancada em metalon Fig.1, na

qual está montado um dosador helicoidal, acionado por um motor elétrico de 12 volts.

Figura 1 Bancada de Teste



Toda a ação de controle e leitura será realizada por um computador PC, e o software

LabView, com a placa de aquisição PCJ 6052 E SC 2043.

A bancada de teste conta com uma fonte de tensão variável, para simular as diversas

velocidades do sistema, de acordo com a necessidade de adubação de cada ponto.

Esta fonte tem a característica de drenar corrente elétrica desde as tensões mais

baixas até o limite máximo de 12 volts, e pode ser controlada por um sinal modulado, gerado

externamente pela placa de aquisição Figura 2.

Figura 2 Fonte de alimentação

Na figura 3 podemos observar o sistema de acoplamento por engrenagem entre o

dosador e o motor elétrico, alem de um sistema para medir a velocidade do eixo, parâmetro

que será utilizado para aferir a vazão do sistema.

Figura 3 – acoplamento por engrenagens.

A forma com que o adubo chega ao final da mangueira, se assemelha a uma “chuva

de areia”, comportamento este que dificulta a medição da sua vazão por sensor de ultrassom

ou por meio ótico, diante dessas constatações, a opção foi desenvolver um dispositivo

construído com tubos de PVC de 50mm. de diâmetro, no qual é acoplado um funil, para

concentrar o fluxo de material (figura 4), que atinge uma lâmina de aço de 0,15mm de



expessura (figura 5), na qual é colocado um extensometro (figura 6) e por meio dele será

medido a deformação elástica da lâmina, medida esta que será convertida em massa por

tempo, resultando na vazão mássica.

Figura 4 – desenho esquemático do sensor

Figura 5 – Lâmina Montada



Figura 6 – Extensometro

Por tratar-se de um trabalho de pesquisa experimental, desenvolvida através de

raciocínio hipotético dedutivo, utilizando o método científico comparativo, onde as técnicas

de pesquisas são os testes, pois em se tratando da montagem de um protótipo, a concepção e

calibração do mesmo dependem exclusivamente dos testes.

Algumas dificuldades foram encontradas para o início dos testes, pois como a

bancada está instalada em um laboratório com equipamentos sensíveis, não seria possível

utilizar adubo para fazer os testes, então alguns materiais foram utilizados, até encontrarmos

um produto que tem o mesmo comportamento do adubo, trata-se de trigo moído.

Após identificar o material, pudemos realizar os primeiros testes, para conhecer o

comportamento do sistema, ou seja, se o afunilamento de sensor e a lâmina como barreira não

seriam obstáculos que pudessem diminuir o fluxo do material.

Para realizar os primeiros testes, ligamos o motor em velocidade máxima por 15

segundos, recolhemos o material dispensado pelo dosador sem a presença do sensor e

medimos o volume, repetimos o processo com a presença do sensor e não ocorreu variação do

volume, fizemos o mesmo procedimento, agora com a menor velocidade que o sistema

conseguiu atingir e a conclusão foi a mesma.

Com estes resultados foi possível verificar que a proposta de formato do sensor é

viável.

O próximo passo é calibrar o sistema para medir a deformação que a passagem do

material impõe a lâmina, para isso está sendo montado um sistema de medição baseado em

uma Ponte de wheatstone, e amplificadores de operacionais em configuração para

instrumentação (figura 7).



Figura 7 – Ponte de Wheatstone e amplificador diferencial.

Este sistema é necessário para amplificar o sinal, pois a deformação da lâmina é

muito tênue e a variação da resistência do extensometro é pequena, tornando difícil a leitura

direta do sinal.

4 CONCLUSÕES

Durante as tentativas de medidas, foram usadas lâminas de 0,10mm, 0,15mm e

0,20mm as duas últimas, foram as que apresentaram melhores resultados, contudo estes

resultados não foram satisfatórios, pois não foi possível verificar uma repetibilidade

consistente, uma vez que o fluxo não é constante, fazendo com que a lâmina deflexione no

sentido vertical em abas as direções. As medidas foram tomadas, utilizando-se dois intervalos

diferentes entre medidas, sendo 10ms e 100ms, com duração de 15s, os resultados foram

compilados em planilha eletrônica para obter o desvio padrão, e plotado o gráfico.(figura 8)

Figura 8

Gráfico de duas medidas com tempo entre medidas de 10ms e a lâmina utiliza de

0,15mm



Nas medidas da figura 8 o desvio padrão foi 24,74 na série 1 e 24,66 na série 2.

Quando o período entre amostras é aumentado, para 100ms, a leitura não tem melhora

significativa como podemos observar na ( figura 9.)

Figura 9

Gráfico de duas medidas com tempo entre medidas de 100ms e a lâmina utiliza de

0,15mm.

Nas medidas da figura 9 o desvio padrão foi 23,96 na série 1 e 23,26 na série 2.

Com esses resultados foi possível verificar que apesar das diferenças ocorre

repetibilidade.

Após essas medidas, foi identificado que o dosador por ser usado e possuir buchas de

mancais de polímero, estava apresentando muito problema de atrito motivo este que agrega

mais erros ao sistema. Diante desta constatação foi feito uma modificação no sistema,

trocando o eixo (figura 10) e trocando as buchas por rolamento (figuras 11 e 12), a rotação

ficou uniforme e constante, o que deve melhorar muito a leitura, pois com essa nova

configuração o atrito foi reduzido ao mínimo possível.

Os novos resultados de leitura não foram apresentados, porque a reforma do

equipamento não ficou pronta a tempo dessas medições antes do prazo de entrega deste

trabalho.

Figura 10 Eixo cilíndrico, para ser acoplado com rolamento



Figura 11 Mancal dianteiro com rolamento

Figura 12 Mancal trazeiro com rolamento

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