BRPI0204331B1

BRPI0204331B1 - sensor de umidade de grão para combinadas

Info

Publication number: BRPI0204331B1
Application number: BRPI0204331A
Authority: BR
Inventors: Andrzej Kozicki; Gerald Eric Rains; James Joseph Phelan; Robert Carlyle Funk; Zachary William Slavens
Original assignee: Deere & Co
Priority date: 2001-10-25
Filing date: 2002-10-22
Publication date: 2016-08-02
Also published as: EP1811293A3; DK1421841T3; EP1811293A2; CA2407158C; EP1421841A2; US20040100285A1; EP1305994B1; US6917206B2; DE50210654D1; US20050225334A1; US6686749B2; EP1421841A3; BR0204331A; CA2407158A1; DK1305994T3; EP1305994A1; DE50203059D1; EP1421841B1; US20030080753A1; US6982562B2

Abstract

"sensor de umidade de grão para combinadas, sistema sensor de umidade de grão, e, métodos para sensorear umidade de grão e para medir umidade de grão". é descrito um sensor de umidade de grão possuindo uma célula sensora que inclui uma placa acionada, uma placa sensora próxima e substancialmente paralela à placa acionada, para medição capacitiva através de um espaço entre a placa acionada e a placa sensora, e uma placa de preenchimento adjacente à placa sensora e substancialmente paralela à placa acionada, para sentir se o espaço está preenchido com grão. opcionalmente, a célula sensora inclui uma guarda próxima e paralela à placa sensora, de tal modo que a placa sensora está entre a placa acionada e a guarda. o sensor de umidade de grão provê a medição das componentes real e imaginária de uma tensão de excitação aplicada à placa acionada, medição de componentes real e imaginária de uma corrente de sensor sentida na placa sensora, calculando uma admitância complexa da célula, calculando uma admitância complexa de uma admitância de referência e calculando uma permissividade complexa de grão.

Description

"SENSOR DE UMIDADE DE GRÃO PARA COMBINADAS"' Fundamentos da Invenção 1) Campo da Invenção A presente invenção rei aciona-se em geral a sensores de umidade de grãos. Mais especificamente, a presente invenção relaciona-se a um sensor de umidade de grãos melhorado, para combinadas. 2) Técnica Relacionada Sensores de umidade de grãos tem sido usados em combinadas, particularmente em aplicações de agricultura de precisão. Leituras de umidade em grãos contínuas ou instantâneas permitem que um operador observe a umidade do grão à medida que este está sendo colhido. Em conjunto com uma unidade GPS um sensor de umidade pode ser usado para prover mapeamento da umidade. Em adição, sensores de umidade são usados para produzir aplicações de monitoração. Quando usada em combinação com um sensor de fluxo de grão, a informação do sensor de umidade é frequentemente para calcular o número de alqueires secos em um campo e o número de alqueires por acre com base no número de alqueires molhados e conteúdo de umidade.

Sensores de umidade em combinadas são comumente montados em um dentre dois lugares. O primeiro destes lugares é o trado do tanque de grãos. O irado do tanque de grãos é também conhecido como o trado de carregamento em uma combinada. Há um número de problemas com a montagem do sensor de umidade nesta localização. O primeiro é que, no sentido de montar o sensor de umidade, o filete do trado de carregamento precisa ser removido. Com o filete removido, o material pode subir, o que requer que o operador limpe o sensor. Se o sensor de umidade não é mantido limpo, as leituras podem ser imprecisas ou o sensor de umidade pode estar inoperante.

Um problema adicional com a montagem do sensor de umidade no trado de carregamento de uma combinada é o tempo de atraso ou retardo encontrado ao medir a umidade. Quando o sensor de umidade é montado na posição do trado de carregamento, as leituras do sensor de umidade não são tomadas até que o grão esteja realmente no trado de carregamento da combinada. Portanto, o grão precisa viajar pelo elevador e preencher o depósito do reservatório de transição, antes do trado ser capaz de fornecer grão ao sensor e poder ser tomada uma medida de umidade. Esta deficiência frustra o uso de um sensor de umidade em aplicações de agricultura de precisão, tomando mais difícil associar corretamente uma particular localização de campo a uma umidade de grão particular.

Um problema adicional com a montagem de sensores de umidade de grão em um trado de carregamento é que tal sistema de umidade não provê a determinação quando há grão suficiente presente para uma medição de umidade de grão. Os sensores de umidade de grão incluem usualmente placas capacitivas. O volume entre as placas precisa ser coberto antes que uma medição de umidade de grão precisa possa ser feita. Um sensor de umidade que não é preenchido com grão não está medindo precisamente a umidade do grão. Portanto, esta inabilidade de saber quando a placa capacitiva está coberta, pode resultar em medições de umidade de grão errôneas.

Uma outra localização que tem sido usada para montar sensores de umidade de grão é no lado do elevador de grão limpo. A localização de montagem no elevador de grão limpo é considerada para prover um fluxo de grão mais estacionário. Adicionalmente, a localização no elevador de grão limpo pode evitar causar uso acelerado do conjunto do trado e não obstrui o fluxo de grão da maneira que a localização do trado de carregamento pode fazer. Apesar destes melhoramentos, um número de problema permanece com a montagem de um sensor de umidade no lado do elevador de grão limpo em uma combinada. Um problema relaciona-se ao tempo de ciclo lento do sensor de umidade. Em uma baixa condição de fluxo que não é incomum em uma colheita de grão, o sensor pode ser extremamente lento para preencher. Por exemplo, pode levar até quatro minutos para preencher o sensor. Portanto, o número de leituras do sensor de umidade é reduzido e os dados do sensor de umidade são insuficientes para prover medições precisas para mapas de umidade, produzir determinações e outras finalidades.

Um problema adicional com a montagem dos sensores de umidade e do lado do elevador de grão limpo relaciona-se à sensibilidade desta localização de montagem na presença de inclinações laterais. Não é incomum para uma combinada estar operando sobre uma colina ou declive. Quando a combinada é operada em um declive de tal modo que o fluxo de grão é direcionado para fora da tomada de entrada do sensor de umidade, é quase impossível preencher o sensor de umidade de grão com grão suficiente para efetuar uma determinação de umidade.

Um problema adicional com a montagem de sensores de umidade sobre o elevador de grão limpo relaciona-se a perdas de grão. Quando montado do lado do elevador de grão limpo, quaisquer perdas de grão que ocorrem, resultam em que os grãos perdidos se espalhem no chão, pois as perdas de grão não são contidas.

Um outro problema em sentir a umidade de grão relaciona-se à célula do sensor. Tipicamente, a célula do sensor consiste de um capacitor de placas paralelas, no qual o grão serve como material dielétrico. A capacitância da célula e portanto, a permissividade do grão entre as placas é medida. A partir desta medição, a umidade do grão é determinada. Normalmente, estes projetos de célula não são tão próximos de um capacitor de placas paralelas ideais quanto desejado. Em particular, projetos da técnica anterior para sensores de umidade de grãos para uso em combinadas, usam células que estão sujeitas a efeitos de franja de campo elétrico. Um efeito de franja ocorre quando as linhas de campo elétrico não são retas e perpendiculares às placas do capacitor de placas paralelas. Estes efeitos de franja produzem uma influência incontrolável nas medições do material diferente de grãos, que estão próximos à célula, porém fora da célula. Um outro problema com projetos de células é que elas não produzem linhas de campo elétrico de densidade uniforme entre as placas paralelas. A densidade de campo elétrico não uniforme cria o problema de sensibilidade desigual a grão através da célula. Então, as medições da umidade no grão dentro da célula não são tão precisas quanto desejado nestes aspectos.

Um outro problema relacionado a técnica anterior relaciona-se ao método para medir a capacitância da célula. Medir a capacitância de uma célula preenchida com um grão é um método tradicional para obter a umidade do grão. Há dois métodos da técnica anterior comuns para medir capacitância da célula. O primeiro método é sentir as mudanças de freqüência de um oscilador variável que usa a capacitância da célula com um de seus elementos determinadores de freqüência. O segundo método é excitar a capacitância da célula com um sinal possuindo uma freqüência conhecida, e medir o valor absoluto da corrente da célula resultante, usualmente com um tipo de circuito em ponte e um detector de pico, e então calcular a capacitância da célula. Ambos os métodos tendem a ser dependentes da construção da célula de grão e são sensíveis a ruído, mudanças nas características do circuito e efeitos parasíticos. O primeiro método também tem o problema de controle pobre de freqüência, especialmente se a umidade varia. Ambos os métodos são também de dimensão única, faltando a habilidade de medir ambas propriedades dielétricas e de perda do grão. Portanto, numerosos problemas permanece com este tipo de sensor. A combinação dos parâmetros dielétricos e de perda é conhecida como a permissividade complexa. A permissividade complexa é uma propriedade do material intrínseca, dependente da freqüência. O conhecimento da permissividade complexa do grão em mais de uma freqüência tem sido verificado como fazendo parte de uma medição avançada de nível de umidade, conforme tem sido demonstrado pelos estudos USDA. Apesar desta observação, problemas permanecem.

BREVE SUMÁRIO DA INVENÇÃO É portanto, um objetivo da presente invenção prover um sensor de umidade de grão para uso em uma combinada que melhora em relação ao estado da técnica. r E um outro objetivo da presente invenção, prover um sensor de umidade de grão que provê medições de umidade de grão precisas e consistente. ψ E um objetivo adicional da presente invenção prover um sensor de umidade de grão que não requer a remoção do filete no trado de carregamento, para limpeza.

Ainda um outro objetivo da presente invenção, é prover um sensor de umidade de grão que evita retardos no tempo entre quando o grão é colhido e quando a medida de umidade é tomada.

Um objetivo adicional da presente invenção é prover um sensor de umidade de grão que é capaz de determinar quando a célula do sensor está cheia.

Ainda um outro objetivo da presente invenção é prover um sensor de umidade de grão melhorado que é menos afetado por baixas condições de fluxo.

Ainda um outro objetivo da presente invenção é prover um sensor de umidade de grão para uso em uma combinada que é insensível a mudanças de inclinação lateral do solo sendo colhido.

Ainda um outro objetivo da presente invenção é prover um sensor de umidade de grão que contém as perdas de grão.

Ainda um objetivo adicional da presente invenção é prover um sensor de umidade de grão com uma célula que tem características mais próximas de um capacitor de placas paralelas ideal.

Ainda um objetivo adicional da presente invenção é prover um sensor de umidade de grão que provê densidade de campo elétrico uniforme para permitir sensibilidade igual a grão através da célula.

Ainda um outro objetivo da presente invenção é prover um sensor de umidade de grão com uma célula par reduzir efeitos de franja produzidos por materiais diferentes de grão que podem estar próximos, porém fora da célula.

Ainda um outro objetivo da presente invenção é prover um sensor de umidade de grão que provê proteção aumentada contra interferência eletromagnética.

Ainda um objetivo adicional da presente invenção é prover um sensor de umidade de grão que provê a medição da permissividade complexa do grão.

Um outro objetivo da presente invenção é prover um sensor de umidade de grão que provê a medição da permissividade complexa do grão em mais de uma frequência.

Um sensor de umidade de grão da presente invenção provê o sensoreamento da umidade de grão sendo colhido por uma combinada. Um aspecto da presente invenção relaciona-se à localização do sensor de umidade de grão na combinada. De acordo com a presente invenção, o sensor de umidade de grão é montado fora da parte frontal do reservatório de transição do elevador de grão limpo, dentro do tanque de grão. Isto provê as vantagens de acesso ao sensor de umidade de grão, se requerido, e a vantagem de que todas as perdas são contidas. Uma vantagem adicional é que o sensor de umidade de grão se preenche positivamente com grãos. Adicionalmente, esta localização do sensor de umidade de grão permite que o sensor sempre seja preenchido independente das condições de inclinação da combinada.

Um outro aspecto da presente invenção relaciona-se ao projeto de célula do sensor. A célula da presente invenção inclui uma placa excitada à qual tensões de excitação são aplicadas, uma placa sensora próxima e paralela à placa excitada, para medir a corrente que passa através da célula, uma placa de preenchimento adjacente à placa sensora, para determinar quando ã célula está cheia, e uma guarda adjacente à placa sensora e à placa de preenchimento, para proteger a placa sensora e a placa de preenchimento. A guarda é eletricamente isolada, porém ao mesmo potencial da placa sensora. A guarda é paralela e dimensionalmente maior que a placa sensora, no sentido de das forma ao campo elétrico. A presença da placa de guarda provê a vantagem de linhas de campo elétrico retas, perpendiculares à placa sensora e de densidade uniforme através da região entre as placas paralelas. Isto resulta em efeitos de franja reduzidos e densidade de campo elétrico uniforme, permitindo sensibilidade igual a grãos através da célula. Em adição, a guarda faz a blindagem da placa sensora contra campos elétricos externos gerados por fontes diferentes da placa acionada. A placa de preenchimento provê a vantagem de determinação precisa de se a célula está cheia ou não.

Um aspecto adicional da presente invenção, é o método no qual a capacitância de uma célula preenchida com grão é medida. A presente invenção provê a medição da permissividade complexa do grão. Adicionalmente, a presente invenção provê a medição da permissividade complexa em mais de uma freqüência. Isto provê a vantagem de permitir a compensação quanto a variações na densidade do grão e efeitos da condutividade que são particularmente importantes em aplicações de sensor de umidade móvel, tal como o uso de um sensor de umidade em uma combinada. De acordo com este aspecto da presente invenção, o circuito mede os componentes real e imaginário de ambas tensão de excitação e corrente do sensor. A partir destes valores, a admitância complexa da célula é calculada. As medições são repetidas para a célula vazia e para a célula preenchida com o grão. Quando a célula vazia não está disponível, as admitâncias de referência calibradas são usadas ao invés disso. A permissividade complexa do grão pode então ser calculada a partir destas medições. São usados misturados na medição dos componentes real e imaginário da tensão e corrente. Este método de detecção síncrona possui um efeito de filtragem de faixa muito estreito, reduzindo grandemente influência de ruído na medição. Um método de terra virtual para medir corrente de nível baixo é usado para prover a vantagem de uma redução substancial na influência de elementos parasíticos no nó sensor de corrente. Em adição, medições podem ser corrigidas com as referência calibradas, para compensar quanto a quaisquer mudanças ambientais que possam influenciar as características do circuito. Isto provê a vantagem de resultados seguros estáveis e repetitivos.

Neste assunto, a presente invenção provê vantagens em um sensor de umidade de grão melhorado.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Figura 1A é uma vista lateral que mostra uma combinada com um sensor de umidade de grão de acordo com a presente invenção.

Figura 1B é uma vista lateral do sensor de umidade de grão da presente invenção, montado em uma combinada e em uma posição de preenchimento.

Figura 1C é uma vista lateral do sensor de umidade de grão da presente invenção, montado em uma combinada em uma posição de sensoreamento.

Figura 2 é uma seção reta lateral da célula do sensor de umidade de grão da presente invenção.

Figura 3 é uma seção reta lateral da célula da Figura 2, mostrando as linhas equipotenciais do campo elétrico, que é criado quando uma tensão de excitação é aplicada à placa de excitação da presente invenção.

Figura 4 é um esquemático de circuito de um modelo para a célula de capacitor, de acordo com a presente invenção.

Figura 5 é um diagrama em blocos do circuito de medição de admitância, de acordo com o sensor de umidade de grão da presente invenção.

Figuras 6A e 6B são diagramas em blocos do circuito sensor de umidade, de acordo com a presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Figura IA mostra uma combinada possuindo um sensor de umidade de grão de acordo com a presente invenção. Na Figura IA, a combinada 2 é mostrada com um tanque de grão 10. Em adição, o elevador de grão limpo 4 é mostrado. O grão a partir do elevador de grão limpo 4 viaja até o reservatório de transição 15 do tanque de grão 10. O depósito 6 do reservatório de transição é também mostrado.

Figuras 1B e 1C mostram vistas laterais do sensor de umidade de grão da presente invenção, conforme montado em uma combinada. O tanque de grão 10 mostrado inclui o sensor de umidade de grão 12. O sensor de umidade de grão 12 está localizado no tanque de grão 10 da combinada, próximo ao sensor de fluxo de massa 11. A abertura da célula 16 está localizada abaixo da placa de impacto 14 no reservatório de transição 15. Embora uma placa de impacto 14 seja mostrada, a presente invenção considera que outros deflectores podem ser usados. Nesta localização, a célula 13 é positivamente preenchida, devido às velocidades diretas ou indiretas de grão criadas a partir das pás do elevador de grão limpo (não mostrado). Isto permite que a célula 13 seja preenchida a altas taxas. Isto reduz quaisquer problemas com tempos de ciclo lentos associados a condições de baixo fluxo como aqui, a célula 13 é preenchida a uma alta taxa devido a sua colocação dentro da corrente de grãos criada pelo elevador de grão limpo. A célula 13 é colocada em linha com a tomada de entrada da célula. Um êmbolo/pistão 18 com um atuador elétrico, é usado para forçar a amostra de grão de volta para fora da abertura da tomada de entrada. Na Figura 1C, a célula 13 e o êmbolo/pistão 18 estão em uma posição de sensoreamento.

Figura 2 ilustra uma vista lateral da célula 13 da presente invenção. A abertura da célula 16 ou espaçamento é preenchida com grão. Em qualquer dos lados do espaçamento estão as placas de capacitor paralelas 64 e 68. A placa acionada 64 é a placa à qual é aplicada uma tensão de excitação. A placa sensora 68 é a placa na qual a corrente é medida, passando através da célula. A placa de preenchimento 66 é adjacente à placa sensora 68 e paralela à placa acionada 64. O preenchimento da placa do sensor é um quarto do tamanho da placa sensora. Para determinar quando a célula está cheia, a placa de preenchimento deveria indicar uma leitura medida de um quarto da leitura medida da placa sensora. Embora nesta realização o sensor de preenchimento seja um quarto do tamanho da placa sensora, a presente invenção considera numerosas variações nos tamanhos das placas. Isto é meramente um exemplo de um tamanho relativo que é conveniente e útil. A guarda 70 é estrategicamente colocada atrás da placa sensora 68 e placa de preenchimento 66. A guarda 70 é paralela e dimensionalmente que a placa sensora 68, no sentido de dar forma ao campo elétrico. Em adição, a guarda 70 também blinda a placa sensora contra campos elétricos externos gerados por fontes diferentes da placa acionada 64.

Figura 3 ilustra a célula do sensor de umidade com as linhas equipotenciais do campo elétrico que é gerado quando um sinal de excitação é aplicado à placa acionada 64. Devido à colocação da blindagem ou guarda 70, que é eletricamente isolada, porém está ao mesmo potencial da placa sensora 68, o efeito sobre as linhas de campo elétrico na vizinhança da placa sensora é produzir o equivalente de um capacitor de placas paralelas ideal sem efeitos de franja. As linhas de campo elétrico são retas por natureza e perpendiculares às placas do sensor e de preenchimento. Adicionalmente, as linhas de campo elétrico são uniformes em densidade através da região entre as placas paralelas. O resultado é que os efeitos de franja são reduzidos. Os efeitos de franja produzem influência incontrolável sobre as medições a partir de materiais diferentes do grão que estão próximos porém fora da célula. Aqui, as linhas de campo elétrico retas dentro da célula mostram que a célula é amplamente imune àquela influência. Adicionalmente, a densidade de campo elétrico uniforme provê sensibilidade igual a grão através da célula inteira. Em adição, a célula inteira e os circuitos eletrônicos estão contidos em um abrigo metálico 60. O abrigo metálico 60 serve como uma blindagem de interferência eletromagnética, isolando adicionalmente a célula inteira de outras fontes de energia eletromagnética. A presente invenção provê cálculos de umidade de grão com base na medição da permissividade relativa complexa do grão (daqui por diante referida como “permissividade complexa”). Figura 4 ilustra um diagrama esquemático de um circuito que é eletricamente equivalente à célula de capacitor da presente invenção. Este circuito equivalente inclui um capacitor ideal 82 tendo um valor de C em paralelo com um resistor ideal 92 tendo um valor de R. O capacitor ideal 82 representa a propriedade capacitiva ou de armazenamento de energia da célula, e o resistor ideal 92 representa a propriedade condutora ou de dissipação de energia da célula. C e R são dependentes da frequência de excitação e da umidade, temperatura e certas outras propriedades do grão. A admitância complexa da célula é onde ω = 2.π.ί f = freqüência de excitação j = unidade imaginária Quando a célula está vazia, esta possui essencialmente nenhuma propriedade de dissipação de energia. Sua admitância está muito próxima daquela de um capacitor ideal possuindo um valor de CCe: Quando a célula está cheia de grão possui ambas propriedades de dissipação de energia e de armazenamento de energia. Sua admitância é Dividindo a admitância da célula preenchida pela admitância da célula vazia, obtemos Esta relação é a permissividade complexa do grão. A permissividade complexa é uma propriedade intrínseca do material, dependente apenas da freqüência de excitação e da umidade, temperatura, e certas outras propriedades do grão. É independente das dimensões e forma da célula. A permissividade complexa é comumente escrita conforme segue: onde ε’ = constante dielétrica ε” = fator de perda É um objetivo dos circuitos da presente invenção medir a admitância da célula vazia e a admitância da célula cheia, no sentido de usar as equações acima para computar a permissividade complexa do grão. Conforme mostrado na Figura 4, a tensão de excitação complexa, Vc, é aplicada através do circuito. A corrente complexa resultante Ic flui através do circuito. Vc possui componente real Vr e componente imaginária Ví: Vc = Vr+j.Vi Ic possui componente real Ir e componente imaginária I,: Ic = Ir+j.Ii Medindo Vr, V„ Ir e I, a admitância complexa Y pode ser calculada usando aritmética complexa: Figura 5 ilustra o circuito de medição de admitância usado no sensor de umidade de grão de acordo com a presente invenção. Na Figura 5, o circuito de medição de admitância 100 é mostrado. Para fins de explicação, as seguintes definições são usadas: UR)m é definido como o valor medido de URi definido abaixo.

Uri mi é a parte real (valor de sinal em fase) de URira URim2 é a parte imaginária (valor de sinal em quadratura) de UrIjti· UR2m é definido como o valor medido de Ur2 definido abaixo. UR2m2 é a parte real (valor de sinal em fase) de U^m UR2m2 é a parte imaginária (valor de sinal em quadratura) de UR2m· Ucm é definido como o valor medido de Uc definido abaixo.

Ucmi é a parte real (valor de sinal em fase) de Ucm Ucm2 é a parte imaginária (valor de sinal em quadratura) de UCra. ' WRim é definido como o valor medido de Wri definido abaixo. WRimi é a parte real (valor de sinal em fase) de WRim WRlm2 é a parte imaginária (valor de sinal em quadratura) de WRlm. WR2m é definido como o valor medido de Wr2 definido abaixo. Wr2iti2 e a parte real (valor de sinal em fase) de Wr^ WR2m2 é a parte imaginária (valor de sinal em quadratura) de WR2m. WCm é definido como o valor medido de Wc definido abaixo.

Wcmi é a parte real (valor de sinal em fase) de WCm Wcm2 é a parte imaginária (valor de sinal em quadratura) de WCm.

Uc é definido como o valor de tensão complexa que representa a corrente passando através da célula.

Uri é definido como o valor de tensão complexa que representa a corrente passando através da primeira referência.

Ur2 é definido como o valor de tensão complexa que representa a corrente passando através da segunda referência.

Wc é definido como o valor de tensão complexa que representa a tensão através da célula.

Wri é definido como o valor de tensão complexa que representa a tensão através da primeira referência.

Wr2 é definido como o valor de tensão complexa que representa a tensão através da segunda referência.

Ic é a corrente complexa passando através da célula. IRi é a corrente complexa passando através da primeira referência.

Ir2 é a corrente complexa passando através da segunda referência.

Vc é a tensão complexa através da célula.

Vri é a tensão complexa através da primeira referência.

Vr2 é a tensão complexa através da segunda referência.

Yc é a admitância complexa da célula.

Yri é a admitância complexa da primeira referência.

Yr2 é a admitância complexa da segunda referência. H é a função de transferência dos circuitos que efetuam medições de corrente complexa. G é a função de transferência dos circuitos que efetuam medições de tensão complexa.

Vs é a tensão de fonte gerada.

Ac é a função de transferência para tensão de excitação de célula. AR é a função de transferência para tensão de acionamento de referência. D é a função de transferência do desequilíbrio de fase e ganho entre os componentes real medido (em fase) e imaginário medido (quadratura) da corrente e tensão complexa. Este desequilíbrio é causado por imperfeições nos elementos de circuito que fazem a medição. D é também conhecido como a “matriz de transformação do misturador”. É um objetivo da presente invenção medir o valor de D e corrigir quanto a sua influência.

No circuito de medição de admitância 100, uma tensão de fonte gerada 102 (Vs) é seletivamente aplicada à célula ou a uma de diversas referências através de uma função de transferência associada, conforme indicado pelos numerais de referência 104, 106 e 108. Quando Vs é aplicada à função de transferência Ac 104, uma tensão Vc é produzida, a qual é aplicada à admitância complexa para a célula, Yc 110. Similarmente, quando a tensão 102 (Vs) é aplicada a uma primeira função de transferência AR 106, a tensão resultante Vrl é aplicada à admitância complexa da primeira admitância de referência, Yri 112, e quando o sinal 102 é aplicado à segunda função de transferência Ar 108, a tensão resultante Vr2 é aplicada à segunda admitância complexa 114 (Yr2). Cada uma das correntes resultantes é somada em um somador 116. Onde somente um caminho é selecionado, somente um destes sinais será não nulo. A corrente resultante é então Ic se a célula é selecionada, Iri se a primeira referência é selecionada e Ir2 se a segunda referência é selecionada. A corrente resultante flui através de um circuito tendo uma função de transferência H 120, H sendo uma função de transferência para converter corrente complexa para uma tensão complexa para fins de medição. A tensão resultante medida através do nó 121 representa a corrente complexa através da admitância da célula ou uma das admitâncias de referência. Os componentes real e imaginário (em fase e quadratura) desta tensão são determinados aplicando a tensão ao subcircuito consistindo de blocos 128, 129 e 130, conforme mostrado na Figura 5. Então, desta maneira, tensões Ucmi e Ucm2 representando a corrente complexa através da célula, são medidas. Selecionando qualquer das duas referências, tensões representando a corrente complexa através da primeira referência ou através da segunda referência podem também ser medidas.

Em adição a medir tensões que representam os valores de corrente complexa, tensões que representam os valores de tensão complexa são também calculados de acordo com o circuito. As tensões a partir da célula, Vc, a primeira referência, Vri e segunda referência, Vr2, são aplicadas a um somador 118. Como somente uma das referências ou a célula são selecionadas ao mesmo tempo, somente um destes valores será não nulo. O resultado é aplicado a uma função de transferência 126, resultando em uma tensão complexa no nó 127. Os componentes real e imaginário (em fase e quadratura) desta tensão são determinados aplicando a tensão ao subcircuito consistindo de blocos 128, 129 e 130, conforme mostrado na Figura 5.

Desta maneira, o circuito mostrado na Figura 5 provê a determinação das partes real e imaginária de ambas tensão e corrente associadas a uma admitância particular. Esta admitância sendo aquela associada à célula do sensor de umidade de grão ou aquela associada a uma das admitâncias de referência do sensor de umidade de grão.

Para explicar adicionalmente, as seguintes relações matemáticas estão presentes: G = W/V H = U/I

Em cada caso, as respectivas ftmções de transferência são definidas como a relação da saída da função para a entrada da fimção.

Em adição, a admitância é definida matematicamente como: Dadas estas relações gerais, a admitância de uma referência é definida como: Adicionalmente, a admitância da célula vazia, YCE e admitância de uma célula cheia, YCF, são calculadas conforme segue: Se as medições para a admitância de referência e admitância da célula são feitas nas mesmas condições ambientais, pode ser suposto que ambos G e H são os mesmos nas equações de admitância de célula e equações de admitância de referência. Então, a seguir se caracteriza o fator F de calibração da célula vazia e referência: O fator de calibração de referência F, dá a relação da admitância de referência para a admitância de célula vazia nas mesmas condições ambientais. Então, uma admitância de referência pode ser usada ao invés de uma admitância de célula vazia para fins de calibração.

Supondo que F permanecerá constante, a permissividade complexa do grão amostrado pode ser calculada como: onde ε = ε’-μ” Então, a presente invenção provê a medição da permissividade complexa de grão para fins de sensor de umidade de grão.

Para efetuar medições precisas de corrente e tensão, é necessário que os sinais do oscilador local em fase (IP) e quadratura (Q) usados com os misturadores 216, 220 e 224 que extraem os componentes real e imaginário de sinais complexos tenham uma diferença de fase de exatamente 90 graus e tenham amplitudes idênticas em suas frequências fundamentais. Erros serão introduzidos até que este não seja mais o caso. Usando duas admitâncias de referência de valores conhecidos e estáveis, entretanto, são feitas correções para estes erros.

As funções D 124 e 130 representam a distorção da parte imaginária com relação à parte real de todos os valores complexos medidos. Todos os valores medidos Um e Wm podem ser corrigidos, usando a mesma fórmula para obter U e W, que são os valores antes de ser introduzido qualquer erro de distorção de medição. A seguinte é a relação distorcida entre as tensões complexas representando correntes de célula e de referência e seus valores medidos: U = [l j].D-'.Um onde: A mesma relação distorcida permanece entre as tensões complexas representando tensões de célula e de referência e seus valores medidos: onde: Expandindo as equações acima, obtemos U = Umt + j (jpfcl *Uml +pfc2-Unú) W = Wml +j-(pfcl-Wm, +pfc2*WmZ) Os fatores de correção pfcl e pcf2 são encontrados através do uso de duas referências diferentes, possuindo valores de admitância conhecidos e estáveis de ângulos de fases diferentes. Como um exemplo, em uma realização da presente invenção, a primeira referência é um capacitor de 1% estável com a temperatura (COG) com um valor de 15pF (admitância YR1) e a segunda referência é um resistor de precisão 0,1% com valor de 2000Ω (admitância Yr2). Outros valores de referência podem também ser usados. A relação das admitâncias de referência é computada conforme segue, com os valores típicos também mostrados: A relação das medições brutas das duas referências é: Expandindo a equação acima paia incluir os valores medidos, resulta em: Rm é feito igual a R e duas equações quadráticas a duas incógnitas (pfcl, pfc2) são derivadas: ax'· pfcx2 + bx · pfC22 + εχ pfcx · pfc2 + dx · pfCl + βχ • pfc2 + fi = o (da parte real) a2 · Pfci2 + b2 · Pfc22 + c2 · Pfci · pfc2 + d2 · pfCl + e2 pfc2 + f2 = o (da parte imaginária) onde: al = Qr · wRlml · uR2ml ‘ uRlml ‘ wR2ml a2 - Ql · wRlml uR2ml bi = Qr · WRlm2 · UR2m2 - URlm2 · WR2m2 b2 = Qi ’ WRlm2 ‘ uR2m2 Cl = Qr · WRlml - UR2m2 + Qr · WRxm2 · UR2mx - URlml wR2m2 - uRlm2 1 wR2ml c2 = «1 dx - 2 · Qx · WRlml · UR2mi d2 = - 2 · ai ei « Qi · (WRlml ’ uR2m2 + wRlm2 ‘ üR2ml) e2 = - ci fi = - ai f2 = - a2 Estas duas equações quadráticas são então resolvidas simultaneamente para pfcl e pfc2. Como uma solução de forma fechada simples não está disponível, elas podem ser resolvidas por iteração de Newton-Raphson, por exemplo. Outros algoritmos de solução de equação numérica podem também ser usados. A solução é conhecida estando próxima ao ponto (pfcl = 0, pfc2 = 1) daí este é preferivelmente usado como ponto de partida. Em teoria, quatro soluções diferentes são possíveis. Qualquer solução não próxima de (0,1) deverá ser considera estranha. Em uma implementação de software, uma condição de erro apropriada pode ser ajustada. Isto não é provável de acontecer, entretanto, se ocorrer, devem ser tomadas precauções quando a condição de erro está presente.

Figuras 6A e 6B mostram um esquemático do sensor de umidade de grão de acordo com a presente invenção. O esquemático mostra um número de linhas de entrada e saída para conexão a um controle inteligente, tal como um processador, micro controlador, circuito integrado ou outro dispositivo. Este esquemático mostra meramente uma configuração de circuito da presente invenção. A presente invenção provê a capacidade de medir seletivamente uma dentre diversas admitâncias complexas em diversas frequências.

As entradas para o sistema (saídas para um controlador inteligente) são mostradas na Figura 6A. As entradas incluem uma primeira entrada de freqüência 164 e uma segunda entrada de freqüência 166. Opcionalmente, um primeiro gerador de onda senoidal 178 e um segundo gerador de onda senoidal 180 são usados. Os geradores de onda senoidal obtém a saída de onda quadrada de um micro controlador, dividem a freqüência, se necessário, e suavizam a saída de tal modo que seja produzido um sinal senoidal. A saída do primeiro gerador de onda senoidal 178 é eletricamente conectada a três entradas de chave, de chave de quadra (série de 4 condutores separadamente isolados) dual 198. Em adição, a saída do primeiro gerador de onda senoidal 178 é eletricamente conectada a um deslocador de fase de 90 graus 194. O deslocador de fase de 90 graus 194 é construído de tal modo que seu sinal de saída está 90 graus fora de fase com seu sinal de entrada. O deslocador de fase de 90 graus 194 é eletricamente conectado a uma entrada de chave da chave de entrada em quadra dual 198. A saída do segundo gerador de onda senoidal 180 é similarmente conectada. O primeiro gerador de onda senoidal 178 e o segundo gerador de onda senoidal 180 operam a frequências diferentes. Por exemplo, o primeiro gerador de onda senoidal 178 opera a 10 MHz enquanto o segundo gerador de onda senoidal 180 opera a 1 MHz. A chave de entrada em quadra dual 198 é controlada pela entrada 174 e saída 172, que são usadas para selecionar um dos sinais. Uma das saídas a partir da chave é eletricamente conectada a uma entrada da chave de saída em quadra dual 200. As entradas 168 e 170 são conectadas a chave de saída em quadra dual 200 para controlar qual das saídas é selecionada. As saídas são reforçadas e então conectadas eletricamente à célula sensora 208, uma primeira admitância de referência 210 e uma segunda admitância de referência 212. As admitâncias de referência são usadas para fins de calibração.

Conforme mostrado na Figura 6B, as saídas reforçadas, que excitam a célula e as duas referências, são também eletricamente conectadas a um circuito somador 214. A saída a partir do circuito somador 214 é eletricamente conectada, através do filtro passa alto 215, a um misturador 216. Este misturador 216 possui também uma entrada de oscilador local eletricamente conectada a uma saída da chave 198 (Figura 6A). A saída do misturador 216 passa através do filtro passa baixo 226 e é então conectada eletricamente a um conversor analógico-digital e lida pelo micro controlador. A saída do misturador 216 tem uma tensão CC que é proporcional àquele componente do sinal de tensão de entrada que está em fase com o oscilador local. A placa sensora da célula sensora 208 e a primeira referência 210 e a segunda referência 212 da Figura 6A são eletricamente conectadas a uma corrente de soma para o conversor de tensão 218 mostrado na Figura 6B. A corrente somadora para o conversor de tensão possui uma baixa impedância, tipo de entrada de terra virtual. A saída do conversor somador corrente para tensão é eletricamente conectada, através do filtro passa alto 219, a um segundo misturador 220. O segundo misturador 220 possui também uma entrada de oscilador local eletricamente conectada a uma saída da chave 198 (Figura 6A). A saída do misturador 220 passa através do filtro passa baixo 228 e é então eletricamente conectada a um conversor A/D e lida pelo micro controlador. A saída do misturador 220 possui uma tensão CC que é proporcional àquele componente do sinal de entrada que está em fase com o oscilador local.

Em adição, a corrente IF a partir da placa de preenchimento sobre a célula sensora 208 (mostrada na Figura 6A) passa através do conversor de corrente para tensão 222. Este conversor de corrente para tensão possui também uma baixa impedância, tipo de entrada de terra virtual. A saída do conversor de corrente para tensão 222 é eletricamente conectada, através do filtro passa alto 223, a um terceiro misturador 224. O terceiro misturador 224 possui também uma entrada de oscilador local que está eletricamente conectada a uma saída da chave 198. A saída do misturador 224 passa através do filtro passa baixo 230 e então é eletricamente conectada a um conversor analógico-digital e lida pelo micro controlador. Esta configuração permite monitorar a admitância da placa de preenchimento, relativamente àquela da placa sensora. Quando esta relação é proporcional aos tamanhos relativos das placas, então a célula do sensor 208 é considerada cheia de grãos. O método de detecção síncrona para medir sinais complexos através do uso de um oscilador local, um misturador e um filtro passa baixo, conforme descrito acima, possui um efeito de filtragem de faixa passante muito estreita, reduzindo grandemente a influência de ruído na medida. O método de terra virtual para medi correntes de nível muito baixo é usado para prover a vantagem de uma redução substancial na influência de elementos parasíticos, na soma de corrente e nó sensor.

Retomando à Figura 6A, um termistor ou outro sensor de temperatura é anexado à placa acionada da célula sensora 208. Isto é somente um exemplo da colocação do sensor de temperatura. O sensor de temperatura pode também ser anexado a uma das outras placas na célula. A medição de temperatura permite cálculos de umidade a serem conseqüentemente corrigidos.

Então, um esquemático detalhado para a presente invenção foi mostrado e descrito. Aquilo que é mostrado é meramente uma realização de um projeto de acordo com a presente invenção. A presente invenção contempla variações nas ffeqüências usadas, o número de referências, os componentes elétricos particulares usados para realizar uma função particular ou conjunto de funções, e outras variações.

Portanto, um novo sensor de umidade de grão foi descrito. De acordo com um aspecto da invenção, o sensor de umidade de grão provê a medição de admitância complexa em frequências múltiplas. De acordo com um outro aspecto da invenção, o sensor de umidade de grão é montado no tanque de grão de uma combinada. De acordo com um outro aspecto da presente invenção, o sensor de umidade de grão é de um projeto de célula sensora que protege as placas capacitivas de efeitos de franja. De acordo com um outro aspecto da invenção, um sensor de preenchimento é provido de tal modo que determinações precisas podem ser feitas como quando a célula sensora está cheia e pronta para medição.

REIVINDICAÇÕES

Claims

1. Sensor de umidade de grão para combinadas, compreendendo urna placa acionada (64) e uma placa sensora (68) próxima e substancialmente paralela à placa acionada (64). para medição eapacitiva através de um espaço entre a placa acionada (64) c a placa sensora (68), caracterizado pelo fato de compreender: uma placa de preenchimento (66) adjacente à placa sensora (68) e substancialmente paralela à placa acionada (64), para sentir se o espaço está preenchido com grão; diversas entradas de sinal selecionáveis (164, 166), operativamente conectadas à placa acionada (64). cada entrada de sinal (164, 166) operando em uma frequência separada; e, diversas admitâncias de referência, operativamente conectadas às diversas entradas de sinal selecionáveis (164, 166), para calibrar o sensor de umidade de grão.

2. Sensor de umidade de grão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente uma guarda (70) em um segundo espaço próximo e substancialniente paralela à placa sensora (68), estando a placa sensora (68) entre a placa acionada (64) e a guarda (70).

3. Sensor de umidade de grão de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a guarda (70) se estende além de uma primeira e segunda extremidade da placa sensora (68).

4. Sensor de umidade de grão de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a guarda (70) e a placa sensora (68) estão ao mesmo potencial elétrico.

5. Sensor de umidade de grão de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a placa acionada (64) é energizada para produzir linhas de campo elétrico entre a placa acionada (64) e a placa sensora (68), sendo as linhas de campo elétrico substancialmente paralelas à placa acionada (64) e placa sensora (68).

6. Sensor de umidade de grão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente um sensor de temperatura operativamente conectado à placa acionada (64), para sentir uma temperatura aproximada da temperatura do grão.