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UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO”
FACULDADE DE CIÊNCIAS AGRONÔMICAS
CAMPUS DE BOTUCATU
AVALIAÇÃO DO CONSUMO ENERGÉTICO NO PREPARO DE SOLO PARA A
CULTURA DO ALGODÃO IRRIGADO
GUSTAVO KIMURA MONTANHA
Dissertação apresentada à Faculdade de
Ciências Agronômicas da UNESP - Campus
de Botucatu, para obtenção do título de
Mestre em Agronomia (Energia na
Agricultura).
BOTUCATU-SP
Junho - 2010
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UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO”
FACULDADE DE CIÊNCIAS AGRONÔMICAS
CAMPUS DE BOTUCATU
AVALIAÇÃO DO CONSUMO ENERGÉTICO NO PREPARO DE SOLO PARA A
CULTURA DO ALGODÃO IRRIGADO
GUSTAVO KIMURA MONTANHA
Orientador: Prof. Dr. Saulo Philipe Sebastião Guerra
Co-orientador: Prof. Dr. Pedro Andrade-Sanchez
Dissertação apresentada à Faculdade de
Ciências Agronômicas da UNESP - Campus
de Botucatu, para obtenção do título de
Mestre em Agronomia (Energia na
Agricultura).
BOTUCATU-SP
Junho – 2010
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FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA SEÇÃO TÉCNICA DE AQUISIÇÃO E TRATAMENTO
DA INFORMAÇÃO – SERVIÇO TÉCNICO DE BIBLIOTECA E DOCUMENTAÇÃO UNESP -FCA -
LAGEADO - BOTUCATU (SP)
Montanha, Gustavo Kimura, 1984-
M764a Avaliação do consumo energético no preparo de solo para
a cultura do algodão irrigado / Gustavo Kimura Montanha. -
Botucatu : [s.n.], 2010
vii, 77 f.: il., color., grafs., tabs.
Dissertação(Mestrado)-Universidade Estadual Paulista,
Faculdade de Ciências Agronômicas de Botucatu, 2010
Orientador: Saulo Philipe Sebastião Guerra
Co-orientador: Pedro Andrade-Sanchez
Inclui bibliografia.
1. Consumo de combustível. 2. Mecanização agrícola. 3.
Agricultura de precisão. I. Guerra, Saulo Philipe Sebas-
tião. II. Andrade-Sanchez, Pedro. III. Universidade Esta-
dual Paulista “Júlio de Mesquita Filho (Campus de Botuca-
tu). Faculdade de Ciências Agronômicas de Botucatu. IV.
Título.
II
DEDICO
Aos meus pais José e Theresa e meus irmãos Julio, Renato e Bruno.
III
AGRADECIMENTOS
Meu agradecimento especial ao Prof. Dr. Saulo Philipe Sebastião Guerra e ao Prof. Dr.
Kléber Pereira Lanças pelas orientações concisas, apoio, paciência e amizade oferecidas desde
o início do curso de mestrado.
Ao Prof. Dr. Marco Antônio Martin Biaggioni, coordenador do programa de pós-
graduação em Energia na Agricultura, por acreditar que esse trabalho pudesse ser realizado.
Agradeço também ao Prof. Dr. Pedro Andrade-Sanchez e aos pesquisadores John Heun
e Nick Ivy da Universidade do Arizona por me acolherem e fornecerem apoio e amizade
durante o período de trabalho desenvolvido nos Estados Unidos.
Aos professores e funcionários do Departamento de Gestão e Tecnologia
Agroindustrial e Departamento de Engenharia Rural que contribuíram de diversas maneiras
durante todo o curso de mestrado.
Às funcionárias da Seção de Pós-Graduação da Faculdade de Ciências Agronômicas de
Botucatu, pela paciência, consideração e informações importantes recebidas.
Aos meus amigos de pós-graduação: Fernando Henrique Campos, Éder Aparecido
Garcia, Rone Batista, Fabrício Masiero, Guilherme Oguri, Maria Cláudia Martinelli Trabulsi,
Leonardo de Almeida Monteiro, Indiamara Marasca e Gabriel Lyra.
A Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES, pela bolsa
concedida durante o curso de mestrado.
IV
SUMARIO
Página
1 RESUMO ............................................................................................................................ 01
2 SUMMARY ........................................................................................................................ 03
3 INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 05
4 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................................ 07
4.1 Produção de algodão .................................................................................................... 07
4.2 Preparo do solo ............................................................................................................ 09
4.3 Consumo de combustível ............................................................................................. 10
4.4 Tratores e pneus agrícolas............................................................................................. 12
4.5 Agricultura de precisão................................................................................................. 15
4.6 Sistema global de navegação por satélite (GNSS)........................................................ 18
4.6.1 Posicionamento cinemático em tempo real (RTK) .............................................. 21
4.7 Sistemas de direcionamento via satélite ....................................................................... 23
4.8 Sensores e transdutores................................................................................................. 26
4.9 Sistemas de aquisição de dados .................................................................................... 28
5 MATERIAIS E MÉTODOS ................................................................................................ 31
5.1 Materiais ....................................................................................................................... 31
5.1.1 Descrição da área de estudo ................................................................................. 31
5.1.2 Trator e pneus agrícolas ....................................................................................... 33
5.1.3 Sistema de direcionamento piloto automático ..................................................... 34
5.1.4 Receptor GNSS .................................................................................................... 37
5.1.5 Consumo de combustível....................................................................................... 38
5.1.6 Aquisição de dados .............................................................................................. 40
5.1.7 Célula de carga ..................................................................................................... 41
5.1.8 Programa computacional ...................................................................................... 42
5.2 Métodos ........................................................................................................................ 43
5.2.1 Calibração do sistema de consumo de combustível.............................................. 43
5.2.2 Descrição dos tratamentos..................................................................................... 45
5.2.3 Aquisição dos dados.............................................................................................. 46
V
5.2.4 Velocidade de deslocamento................................................................................. 47
5.2.5 Consumo horário de combustível.......................................................................... 47
5.2.6 Pressão de inflação nos pneus............................................................................... 48
5.2.7 Ensaio 1 - Arado duplo ......................................................................................... 48
5.2.8 Ensaio 2 - Canteirador........................................................................................... 51
6 RESULTADO E DISCUSSÃO ........................................................................................... 54
6.1 Calibração do sistema de consumo de combustível ..................................................... 54
6.2 Ensaio 1 - Arado duplo ................................................................................................. 56
6.3 Ensaio 2 - Canteirador.................................................................................................. 58
7 CONCLUSÃO...................................................................................................................... 61
8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 62
9 APÊNDICE ......................................................................................................................... 72
VI
LISTA DE FIGURAS
Figura
Página
01 Mapa da Maricopa Agricultura Center e localização das áreas de estudo.. 32
0
2
Vista parcial da Área 1 (A) e Área 2 (B)...................................................... 32
03 Trator Case MXM 120................................................................................. 33
04 Sistema de piloto automático Trimble......................................................... 34
05 Sensor de direção......................................................................................... 35
06 Controlador de navegação............................................................................ 35
07 Válvula de controle hidráulico..................................................................... 36
08 Monitor digital.............................................................................................. 37
09 Receptor e antena GNSS.............................................................................. 37
10 Painel digital (A), fluxômetros (B) e reguladores de fluxo (C)................... 39
11 Esquema de instalação dos fluxômetros e reguladores de fluxo.................. 39
12 Sistema de aquisição de dados..................................................................... 41
13
Célula de carga............................................................................................. 42
14
Programa computacional.............................................................................. 42
15 Calibração do sistema de consumo de combustível..................................... 43
16 Cartão de memória do sistema de aquisição de dados................................. 44
17 Sistema de aquisição de dados (B) e painel digital (A)................................ 46
18 Trator com equipamento arado duplo.......................................................... 49
19 Mobilização inicial do solo realizado pelo equipamento arado duplo........ 49
20 Repetições e tratamentos com o arado duplo para Área 1 e Área 2............. 50
21 Equipamento canteirador.............................................................................. 51
22 Formação de canteiros com o equipamento canteirador.............................. 52
23 Repetições e tratamentos com o canteirador para Área 1 e Área 2.............. 53
24 Gráfico comparativo dos sistemas de consumo de combustível.................. 55
25 Consumo de combustível em função do tipo de textura do solo................. 57
26 Consumo de combustível em função da pressão de inflação nos pneus...... 57
27 Médias de consumo de combustível para os tratamentos no Ensaio 2......... 60
VII
LISTA DE TABELAS
Tabela
Página
01 Especificações do trator............................................................................... 33
0
2
Especificações do monitor digital................................................................ 36
03 Especificações do receptor GNSS................................................................ 38
04 Especificações do sistema de aquisição de dados........................................ 40
05 Especificações da célula de carga................................................................ 41
06 Descrição dos tratamentos adotados nos ensaios......................................... 46
07 Características do arado duplo..................................................................... 48
08 Características do canteirador...................................................................... 51
09 Consumo de combustível com a TDP desligada.......................................... 54
10 Consumo de combustível com a TDP ligada............................................... 55
11 Síntese dos valores de análise de variância para o consumo de
combustível (L.h
-1
) para o equipamento arado duplo.................................. 56
12 Síntese dos valores de análise de variância para o consumo de
combustível (L.h
-1
) para o equipamento canteirador................................... 59
13 Valores médios do consumo horário de combustível (L.h
-
1
) do trator para
duas texturas de solo e duas pressões de inflação nos pneus.......................
59
1
1 RESUMO
A mecanização permitiu grandes avanços na agricultura, dentre eles,
melhor eficiência nas operações agrícolas e aumento da produtividade. Contudo, a utilização
de máquinas agrícolas aumentou o consumo energético e os custos de produção das
propriedades rurais, sendo a cultura do algodão em regiões semi-áridas um caso que
caracteriza-se por apresentar altos custos de produção com alta dependência dos processos
mecanizados.
Nesse contexto, o trator agrícola surge como a principal fonte de
energia e de trabalho nas propriedades rurais onde sua correta utilização e a calibração
adequada dos pneus agrícolas podem influenciar diretamente na eficiência de trabalho e no
consumo de combustível.
O objetivo desse trabalho foi comparar o consumo de combustível de
um trator agrícola em duas operações de preparo de solo, variando duas pressões de inflação
nos pneus em dois tipos de texturas de solos em uma região de clima semi-árido para a cultura
do algodão irrigado.
Os ensaios foram realizados na Fazenda Experimental Maricopa
Agricultural Center - MAC, pertencente à The University of Arizona, localizada na cidade de
Maricopa estado do Arizona, Estados Unidos com um trator Case 4x2 TDA com potência de
88kW (120 cv), equipado com sistema de piloto automático, com pneus dianteiros tipo
320/85R38 e 329/90R54 os traseiros.
2
Foram instalados no trator agrícola um sistema de medição de
combustível composto por fluxômetros, reguladores de fluxo e monitor digital e um sistema de
aquisição de dados que coletou os dados gerados pelo receptor GNSS e pelos sensores durante
a realização dos ensaios
O delineamento experimental utilizado foi o de blocos casualizados
com um arranjo fatorial 2x2, sendo analisados a pressão de inflação dos pneus: 242 kPa (35
psi) e 124 kPa (18 psi) e o tipo de textura de solo: franco argilo arenoso (Área 1) e franco
arenoso (Área 2).
Os resultados evidenciaram que o trator agrícola, tracionando o arado
duplo, apresentou menor consumo horário de combustível para o solo mais arenoso.
Tracionando o canteirador, o trator agrícola apresentou menor consumo horário de
combustível para a pressão de inflação nos pneus de 124 kPa no solo de textura franco argilo
arenosa. A menor pressão de inflação dos pneus utilizada de 124 kPa proporcionou menores
valores no consumo horário de combustível tanto para o arado duplo como para o canteirador.
3
EVALUATION OF ENERGY CONSUMPTION DURING THE TILLAGE FOR THE
IRRIGATED COTTON. Botucatu, 2010 77p. Dissertação (Mestrado em Agronomia/Energia
na Agricultura) - Faculdade de Ciências Agronômicas, Universidade Estadual Paulista.
Author: GUSTAVO KIMURA MONTANHA
Advisor: SAULO PHILIPE SEBASTIÃO GUERRA
Co-advisor: PEDRO ANDRADE-SANCHEZ
2 SUMMARY
Mechanization has allowed great advances in agriculture, among them,
better efficiency in agricultural operations and increasing productivity. However, the use of
agricultural machinery led to higher energy consumption and production costs on the farms,
where the cotton crop in semi-arid regions is characterized by presenting of high production
costs with high dependence on mechanized processes.
In this context, the tractor comes as the major source of energy and
work in the farms where their correct use and the correct calibration of the tires can directly
changes the impact on work efficiency and fuel consumption.
The objective of this study was to compare the fuel consumption of an
agricultural tractor in two operations of tillage, varying two inflation pressures in the tires on
two types of soil texture in a region with semiarid climate for growing irrigated cotton.
The tests were conducted at the Experimental Farm Maricopa
Agricultural Center - MAC, owned by The University of Arizona, located in the city of
Maricopa Arizona, USA, with a tractor Case 4x2 TDA, 88kW (120 hp) equipped with
autopilot system, using the tires 320/85R38 type for the front and 329/90R54 for the rear.
The tractor has been installed with a measurement fuel system,
consisting of flowmeters, dampers and digital display and a data acquisition system that
collected the data generated by the GNSS receiver and the sensors during the test.
The experimental design was a randomized blocks with a 2x2 factorial
arrangement, analyzed the tire inflation pressure: 242 kPa (35 psi) and 124 kPa (18 psi) and
the type of soil texture: sandy clay loam (Area 1) and sandy loam (Area 2).
4
The results showed that the tractor, pulling the lister showed lower
hourly consumption of fuel for the sandy soil. Pulling the bedshaper, the tractor had lower
hourly fuel consumption for tire inflation pressure of 124 kPa in the sandy clay loam soil. The
lower inflation pressure tires used of 124 kPa provided smaller values of hourly fuel
consumption for equipments, bedshaper and lister.
____________________________
Keywords: Fuel consumption, mechanization, precision farming.
5
3 INTRODUÇÃO
O desenvolvimento da agricultura atual está diretamente ligado à
intensificação de atividades mecanizadas no campo, sendo o trator agrícola um dos fatores de
maior importância responsável por transformar energia química contida nos combustíveis, em
energia mecânica através da força produzida na barra de tração, utilizada para tracionar
máquinas agrícolas e torque na TDP para acionar equipamentos.
Nota-se que com o aumento das operações mecanizadas no campo
houve uma redução significativa no trabalho manual, que em contrapartida, aumentou o
consumo de insumos energéticos nas operações de campo.
O possível aumento nos próximos anos na demanda desses insumos
energéticos, principalmente das energias não-renováveis, torna importante o desenvolvimento
de pesquisas voltadas às questões de eficiência energética e preservação do meio ambiente.
O consumo de combustível do trator agrícola engloba um dos custos
mais elevados nas operações agrícolas sendo que o total consumido está diretamente ligado a
fatores como a adequação e condição do conjunto trator-equipamento, profundidade da
operação, tipo e condição de solo, número total de operações utilizadas no processo de
preparação do solo dentre outros.
6
Dentre os fatores que podem influenciar o rendimento energético de
um trator, o pneu agrícola surge como um dos mais importantes, pois além de garantir o
equilíbrio, o deslocamento, o direcionamento e o amortecimento do trator, também está
diretamente ligado nos seus resultados de desempenho operacional. A utilização correta do
tipo de construção dos pneus, da pressão de inflação utilizada e da carga aplicada pode
influenciar diretamente na eficiência produtiva e no consumo combustível do trator.
A cultura do algodão está entre as dez principais do mundo sendo
cultivada economicamente em mais de 60 países, e em regiões semi-áridas, caracteriza-se por
apresentar altos custos de produção, alta dependência de processos mecanizados, baixos
índices pluviométricos e rigorosos critérios de avaliação de qualidade.
Diante desse cenário, faz-se importante o estudo de métodos que visem
um melhor rendimento energético nas operações de campo com o uso de tecnologias como
sensores, sistemas de aquisição de dados e sistemas de direcionamento por satélite que
possibilitem a coleta e a análise de um elevado volume de dados, gerando assim, importantes
informações para a tomada de decisões.
A partir dessas observações o presente trabalho teve como objetivo,
comparar o consumo de combustível nas operações de preparo de solo utilizando os
equipamentos arado duplo (mobilização inicial no preparo de solo) e o canteirador (formação
de canteiros) para a cultura do algodão irrigado em uma região de clima semi-árido, variando-
se duas pressões de inflação nos pneus do trator para dois tipos diferentes textura de solo.
7
4 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
4.1 Produção de algodão
Anualmente, em todo o mundo, são plantados mais de 33 milhões de
hectares de algodão, a maioria em regime de irrigação e com produção de cerca de 25 milhões
de toneladas de pluma, para um consumo ligeiramente maior. Estima-se que, daqui 20 anos, a
humanidade esteja consumindo mais de 35 milhões de toneladas de pluma de algodão por ano
e que, em futuro próximo, o Brasil seja o maior produtor dessa malvácea (BELTRÃO, 2008).
Segundo Beltrão (2008), o agronegócio do algodão é uma das
principais atividades tanto na geração de renda como na ocupação de mão-de-obra e na
geração de empregos em todo o mundo, especialmente nos setores primário e industrial. No
Brasil, a cadeia do algodão movimenta um valor global de mais de 120 bilhões de reais. A
China, maior produtora e consumidora mundial dessa commodity, têm mais de 50 milhões de
produtores de algodão, com rendimento médio de mais de 1000 kg de fibra por hectare e, a
Índia, mais de 10 milhões de hectares plantados dessa cultura.
A principal produção do algodoeiro é seu fruto sendo sua massa
composta pela semente (52%), fibra (40%) e demais estruturas botânicas (8%). As sementes
contêm aproximadamente 15% de óleo, 3% de fibras, 40% de proteínas e 42% de tegumentos.
As fibras do algodão, estruturas compostas por camadas de celulose, são o principal produto
econômico do algodoeiro (BELTRÃO et al., 1999).
8
De acordo com Buainain (2007), nos Estados Unidos, a cadeia do
algodão é a quinta em geração de valor dentre as cadeias agrícolas, o que confere poder
econômico e político considerável aos seus agentes. Os principais estados americanos
produtores são o Texas, Mississippi e Califórnia, e as principais espécies cultivadas são o
Upland (Gossypium hirsutum) e a Pima (Gossypium barbadense). Cerca de 40% da produção
do algodão é cultivada sob irrigação e mais de 90% é colhida mecanicamente, fazendo-se uso
intenso de variedades transgênicas resistentes a insetos (mais que 95%). Entre 1965 a 2003,
esses estados responderam por cerca de 60% da produção americana, sendo o Texas o
principal produtor. Nessa região, o algodão é cultivado em propriedades com área média
superior a 500 hectares sob administração familiar, observando-se tendência à concentração
pela eliminação das propriedades que não têm condições de aumentar a escala de produção.
Nos últimos 50 anos, o número de propriedades reduziu em cerca de 40%, enquanto a área
cultivada caiu 25% no mesmo período.
O algodão aparece como uma das culturas de maior importância
mundial sendo grande parte dependente de sistemas de irrigação e de sistemas mecanizados
que elevam significativamente o custo de produção dessa cultura sendo importante a adoção
de métodos e tecnologias que visem um melhor aproveitamento operacional e energético nas
atividades de campo.
Para a colheita mecânica, é importante que o preparo do solo, em
particular o seu nivelamento, tenha sido bem feito. Para a boa operação da colhedora, a
declividade máxima do terreno deve ser de 10%, a semeadura deve ser em linhas retas e a
semeadora deve ter o mesmo número, ou múltiplo, de linhas da colhedora. A variedade deve
ser de estrutura compacta, com tamanho homogêneo de plantas e ciclo precoce, para
proporcionar maturação uniforme.
Por possuir características de resistência a altas temperaturas, a cultura
do algodão constitui-se uma das mais importantes para regiões com o clima semi-árido onde
recentemente, novas tecnologias estão sendo disponibilizadas para melhorar a produtividade e
reduzir os custos, com destaque para a agricultura de precisão.
9
4.2 Preparo do solo
O preparo de solo compreende um conjunto de práticas que têm como
objetivo a preservação das características físicas, químicas e biológicas do solo, oferecendo
condições ideais para semeadura, germinação e desenvolvimento das plantas. Esta operação é
considerada uma das mais importantes no manejo do solo, pois o uso excessivo de
implementos inadequados rapidamente degradam o solo. Portanto, é necessário planejar o uso
racional com implementos adaptados às condições e tipos de solo, procurando manter ou
aumentar o seu potencial produtivo (EMBRAPA, 2010).
Segundo Siqueira (1999), o preparo do solo tem como objetivo
otimizar as condições para a germinação e emergência das sementes, assim com o
estabelecimento das plântulas e controle das plantas invasoras, sempre considerando as
respostas da cultura e do solo, sendo a mecanização agrícola um importante componente
básico na maioria das estratégias de desenvolvimento rural e no aumento da produtividade da
mão-de-obra.
As operações necessárias e os métodos de preparo variam
principalmente em função das condições e do tipo solo, da declividade do terreno e dos
recursos mecanizados disponíveis, sendo importante também a eliminação dos restos da
vegetação anterior.
A primeira etapa do preparo do solo consiste nas operações mais
profundas e grosseiras. O solo deve ser revolvido com profundidade de 20 a 40 cm, visando
romper camadas superficiais adensadas/compactadas e o encrostamento, podendo ainda,
eliminar e enterrar as ervas daninhas existentes. Os implementos empregados nessa etapa são
grade pesada, escarificador, arado de disco e de aiveca. O preparo secundário do solo visa
destorroar e nivelar o solo para semeadura (EMBRAPA, 2010).
Desde que o emprego de máquinas e implementos agrícolas montados
ou de arrasto passou a se generalizar, tornou-se preocupação de pesquisadores e empresas, a
quantificação dos esforços atuantes nos tratores e implementos, além do consumo de
combustível, em função das características dos sistemas de produção (SILVA et al., 1999).
10
De acordo Gamero et al. (1997), os itens que devem ser levados em
conta para a escolha de um ou outro método de preparo são o tipo, a declividade, a
susceptibilidade do solo à erosão, o regime de chuvas do local, as culturas a serem empregadas
nos sistemas de cultivo e o tempo disponível para a realização das diversas operações
agrícolas da propriedade no ano. No entanto, o manejo mais adequado deve ser decisivo para a
escolha dos equipamentos a serem empregados e não o contrário.
Dentre as propriedades do solo que afetam a eficiência e desempenho
operacional de um trator agrícola, podem-se mencionar a textura do solo, as condições de
superfície, dependendo de cada tipo de cobertura existente e a umidade (YANAI et al., 1999).
O preparo do solo compreende em um conjunto de técnicas que se
utilizadas de forma correta podem permitir uma melhor produtividade das culturas, contudo,
se utilizadas de forma incorreta podem levar a degradação dos solos podendo atingir inclusive
a desertificação de áreas agrícolas.
4.3 Consumo de combustível
Diversos métodos podem ser considerados ao se estudar o desempenho
de máquinas agrícolas. Os métodos diretos são assim denominados porque decorrem da
instrumentação e monitoramento das máquinas, permitindo a determinação dos fatores que
otimizam os seus desempenhos, tais como: capacidade operacional, eficiência e consumo de
combustível (CORDEIRO, 2000).
De acordo com Mialhe (1996), a mensuração da quantidade de
combustível consumida, constitui-se um dos mais importantes aspectos da avaliação do
rendimento de um motor, ou seja, do seu desempenho como máquina térmica conversora de
energia. O consumo de combustível pode ser expresso de duas maneiras: em relação ao tempo
(L.h
-1
; kg.h
-1
, etc) e em relação ao trabalho mecânico desenvolvido (consumo específico = g
cv.h
-1
; g kW.h
-1
, etc). O consumo horário geralmente é obtido por leitura direta de
instrumentos de mensuração que podem ser expressas em termos ponderais (kg.h
-1
) ou
volumétrico (L.h
-1
).
11
A quantidade de combustível utilizada para a implantação de culturas
agrícolas é função de vários fatores tais como a adequação e condição do conjunto trator-
equipamento, profundidade da operação, tipo e condição de solo, tempo de manobras e,
principalmente, do número de operações agrícolas adotadas no processo de produção
(CORREA et al. 1999).
Gamero et al. (1986) construíram um medidor de consumo
volumétrico de combustível, que fornece o valor do consumo de combustível em milímetros,
necessitando fazer a conversão da leitura de nível da coluna num correspondente em volume.
A montagem no trator é feita interceptando os fluxos de combustível do tanque e do retorno,
de maneira que o medidor, através da abertura e fechamento sincronizado das eletro-válvulas,
substitua os fluxos do tanque de combustível do trator pelo fluxo do medidor.
Segundo Mantovani et al. (1999), o medidor de fluxo de combustível é
um sensor lógico e que o seu funcionamento é através de duas engrenagens ovais, uma delas é
marcada por um ímã que sensibiliza um sensor indutivo a cada volta, correspondendo 1 ml de
volume deslocado.
Lopes et al. (2003), utilizou um medidor de fluxo de combustível com
o objetivo de comparar o consumo de um trator agrícola com 3 tipos de pneus em duas
condições de lastragem, com e sem água nos pneus, e quatro velocidades de deslocamento,
onde, os resultados evidenciaram que a condição de lastragem com água nos pneus ofereceu
menor consumo específico e o aumento da velocidade de deslocamento reduziu o consumo
específico.
Segundo Cordeiro (2000), o consumo específico de combustível é um
indicador consistente para a avaliação do desempenho do trator. O autor analisou o consumo
de combustível de um trator em função do tipo de pneu e observou que este, quando equipado
com pneu radial em comparação com o pneu diagonal e de configuração mista apresentou
melhor conversão energética do combustível.
12
4.4 Tratores e pneus agrícolas
Segundo Liljedahl et al. (1995), na seleção do trator para trabalho no
campo, um dos itens mais importantes é a sua capacidade em desenvolver esforço para
tracionar as máquinas e implementos agrícolas. Das três principais maneiras de utilizar a
potência gerada pelo motor de um trator agrícola, tomada de potência, sistema hidráulico e
barra de tração, esta última é a mais utilizada, apesar de ser menos eficiente. O principal
motivo para o baixo desempenho na barra pode ser atribuído à patinagem, mas outros fatores
como: tipo de solo, geometria do trator, distribuição de peso sobre os rodados, transferência de
peso durante a operação e as características do rodado, entre outros, também interferem na
tração.
A resistência que um solo oferece aos órgãos ativos das máquinas de
preparo do solo depende da área do solo mobilizada que ocorre em função da largura de
trabalho do implemento, da profundidade de operação e das características e propriedades
físicas estáticas e dinâmicas do solo (GAMERO e LANÇAS, 1996).
Segundo Franz (1988), os pneumáticos do trator constituem um de
seus mais importantes componentes, pois tem a função de fornecer equilíbrio, vão livre,
deslocamento, direcionamento e esforço tratório. Lee e Kim (1997) afirmaram ainda que a
pressão de inflação tem papel fundamental na área de contato entre o pneu e o solo, além da
distribuição de pressão na sua superfície.
Correa (1999) destaca que o rodado é a última parte de ligação do
motor do trator com o solo e seu estudo é de fundamental importância para o desempenho do
trator, havendo, portanto, a necessidade de conhecê-lo melhor, utilizando a pressão de inflação
indicada pelo fabricante e tomando os devidos cuidados com a sua manutenção. Segundo a
autora, todo pneu é projetado para suportar determinadas cargas com uma pressão de ar
especificada, sendo que a correta calibração dos pneus lhe garante maior vida útil.
Pneus com baixa pressão de inflação tendem a ter maior área de
contato com o solo, fornecendo ao trator maior capacidade tratória. Correa et al. (2000)
observaram uma tendência de melhoria na capacidade tratória, quando os pneus estavam
inflados na pressão recomendada pelo fabricante. Os resultados obtidos pelos autores
evidenciaram diferenças expressivas do uso da pressão correta em relação às altas pressões de
13
inflação, com redução de 11,5% na patinagem e de 3,2% no consumo de combustível do
trator. Os autores obtiveram ainda um aumento de 3,7% na potência na barra de tração e de
4,4% na capacidade operacional, com o uso da pressão recomendada pelo fabricante de pneus
comparado com a pressão baixa em pneus diagonais.
Potier (1990) menciona testes comparativos de um trator equipado
com pneu radiais convencionais Kleber 20.8R42 Super 100 com pressão de 250 kPa (36
lbf/pol2), e pneus radiais largos Kleber 710/75R34 Super 15, pressão 150 kPa (22 lbf/pol2)
realizando aração na primavera com solo seco, com a tração dianteira ligada e desligada. Nas
duas condições ocorreu melhor desempenho do pneu largo, sendo porém, mais evidente com a
tração dianteira desligada. Neste caso, obteve-se um aumento de 7,0 % na velocidade e na
capacidade operacional, decréscimo de 19,0 % na patinagem e de 10,3 % no consumo de
combustível, expresso em L/ha
-1
. Com a tração ligada; o aumento foi de 3,1 % para a
velocidade e a capacidade operacional e, decréscimos de 14,2 % e 6,4 %, respectivamente,
para a patinagem e o consumo de combustível.
Lanças et al. (1995) estudaram os efeitos de pneus radiais em rodagem
dupla 20.8 R 48 em ambos eixos de tração em condições de campo com trator 4X4, para duas
estações do ano (primavera e verão) em solo da Califórnia (EUA). Os testes realizados na
primavera, foi realizado em um solo relativamente seco denominado Capay clay em um
campo de arroz localizado em Woodland (EUA). Os testes realizados no verão, foram
realizados em um solo denominado Ricon silt clay/yolo silt loan na Universidade de Davis-
Califórnia. Os resultados mostraram que, com pressão correta/baixa ocorreram menor
consumo de combustível, menor compactação do solo, maior desempenho operacional e maior
capacidade de campo. A pressão de inflação reduzida tem sido recomendados pelos
fabricantes de pneus agrícolas.
Correa et al. (1997), estudou o desempenho em campo de um trator
agrícola equipado com pneus traseiros radiais de baixa pressão (Michelin 600/65R34) XM
108) e pneus diagonais(diagonais Pirelli 18.4-34 TM 64/R e Goodyear 18.4-34 DT II), todos
com pressão de inflação de 110 kPa (16 lbf/pol2). As seguintes vantagens foram encontradas
com o uso de pneu radial de baixa pressão: aumento de até 4,8 % na velocidade e capacidade
operacional de campo e redução de até 28,9 % na patinagem.
14
Segundo Mialhe (1980), os pneus utilizados em tratores e máquinas
agrícolas devem suportar com segurança o peso do trator ou da máquina em condição estática
e dinâmica, agir como um sistema de amortecimento dos impactos provocados pelas
irregularidades do solo, além de garantir com eficiência a transmissão das forças motrizes e
frenantes do trator ao solo e vice-versa.
Lanças (1996) quantificou e avaliou os benefícios do emprego da
correta pressão de inflação em pneus radiais em tratores agrícolas, utilizando como variáveis 3
tipos de pneus, duas pressões de inflação dos pneus, duas diferentes cargas verticais aplicadas
nos pneus, dois tipos de solos e duas condições de superfícies dos solos ensaiados. Obteve
como resultado que a pressão de inflação dos pneus mais baixa foi a que apresentou melhores
resultados em relação as variáveis estudadas, sendo que esta pressão apresentou um aumento
no coeficiente de tração liquida na faixa de 30 a 45 % e um aumento de 10 a 15 % na
eficiência trativa.
Conforme Correa e Lanças (2000) em uma avaliação do desempenho
operacional de pneus radiais de baixa pressão e pneus diagonais em trator 4x2 com tração
dianteira auxiliar desligada, foi utilizado um medidor de vazão de combustível, tipo
engrenagens ovais, ligados a um totalizador remoto e conversão pulso/sinal analógico,
proporcional a vazão. Nesse modelo de medidor, para cada volta das engrenagens, 1 cm
3
de
combustível é deslocado ao mesmo tempo um pulso elétrico, que é convertido e apresentado
no indicador digital, em L.h
-1
, L.min
-1
ou volume total no período, conforme seleção de botão
na parte frontal do indicador. Ainda segundo os mesmos autores, o consumo específico para o
pneu diagonal foi 547 g kW.h
-1
, enquanto que para o pneu radial foi 433 g kW.h
-1
, com
pressão correta para cada tipo de pneu.
Segundo Barbosa et al. (2005) avaliando o desempenho de um trator
agrícola equipado com dois tipos de pneus alternadamente, verificaram que o consumo horário
e específico para o pneu radial foi respectivamente, 13,06 L.h
-1
e 544,47 g kW.h
-1
, enquanto
que para o pneu diagonal os consumos horário e específico foram maiores, 13,64 L.h
-1
e
671,80 g kW.h
-1
, respectivamente.
15
4.5 Agricultura de precisão
A crescente necessidade nos próximos anos em diminuir os custos e
aumentar a produtividade nas propriedades rurais, levando-se em conta a escassez de água, os
elevados preços dos combustíveis, a diminuição de terras produtíveis e a preservação do meio
ambiente tem aumentado o interesse em pesquisas científicas e o desenvolvimento de
equipamentos na área agricultura de precisão.
Segundo Elias (1998) o surgimento do conceito de agricultura de
precisão foi proposto pela primeira vez no ano de 1929 por pesquisadores da Estação
Experimental Agrícola da Universidade de Ilinois, que estudaram a acidez dos solos e notaram
que esta variava amplamente, mesmo em pequenas áreas. Os pesquisadores destacaram então
a importância da execução de estudos sistemáticos e detalhados a fim de se verificar, ponto a
ponto, as reais necessidades de calcário para a correção de tal acidez.
Com os avanços tecnológicos e científicos ocorridos, o conceito inicial
da agricultura de precisão, proposto por Linsley e Bauer (1929) sofreu alterações e
aprimoramentos. Atualmente, a agricultura de precisão pode ser vista como um sistema
integrado totalmente dependente de sistemas eletrônicos, mecânicos e computacionais,
destinados ao levantamento em campo e em condições dinâmicas de um número bastante
elevado de dados.
Cappelli (2001) afirma que a agricultura de precisão surgiu da
necessidade contínua do aumento da produção e da otimização da agricultura. Sendo que
através da observação e estudo, ocorre à obtenção de informações dos fatores que causam a
variabilidade de cada área do solo, através das análises desses dados se pode obter um
conhecimento detalhado sobre a área, que pode auxiliar na tomada de decisões e proporcionar
um resultado significativo. Além disso, o conhecimento da variabilidade espacial dos
componentes do solo, que definem a produtividade das culturas é indispensável na instalação
de um programa de agricultura de precisão. Existem diversas maneiras para identificar
variabilidades no campo, como: amostragem do solo, levantamento dos solos, técnicas de
sensoriamento remoto, utilização de modelos de simulação e a utilização de sensores. (CORÁ
e MARQUES JR., 1998).
16
Mantovani (2000) afirma que o termo agricultura de precisão pode ser
definido como sendo o uso de tecnologias atuais para o manejo de solo, insumos e culturas, de
modo adequado às variações espaciais e temporais em fatores que afetam a produtividade das
mesmas. Essa nova filosofia de se fazer agricultura tem levado ao uso de três tecnologias, que
são o sensoriamento remoto, os sistemas de informações geográficas (SIG) e o sistema global
de navegação por satélite (GNSS).
Conforme Searcy (1995), o uso extensivo do grande número de dados
adquiridos com a agricultura de precisão exige a utilização de sistemas de aquisição e análise
de dados, sistemas computacionais de processamento e suporte a decisão e equipamentos
automáticos destinados à realização de operações em campo.
Em uma visão mais voltada para os equipamentos, Clark e McGuckin
(1996) afirmaram que a agricultura de precisão envolve sistemas automáticos, basicamente
compostos por microcontroladores, sensores e atuadores acoplados ao implemento agrícola
pré-existente e interligado ao GNSS (Sistema global de navegação por satélite).
Em relação aos benefícios proporcionados pela agricultura de precisão,
Antuniassi et al. (2007), afirmou que em termos econômicos, a utilização desta tecnologia
possibilitou a priorização de investimentos em áreas onde o potencial de produção seja mais
efetivo, garantindo maior retorno econômico. Do ponto de vista ambiental, a racionalização e
a redução do uso de insumos devem ser avaliadas como principais benefícios da agricultura de
precisão.
Cerri (2005) instalou um monitor de produtividade para a cultura da
cana-de-açúcar que possibilitou a identificação da variabilidade espacial de uma área de 42 ha.
A pesquisa mostrou que apesar do aparente aspecto homogêneo da área de estudo, foi possível
verificar a existência de uma importante variabilidade espacial dos atributos físicos e químicos
do solo onde a aplicação de calcário, fósforo e potássio em taxas variáveis representaram um
ganho de aproximadamente R$ 72,00.ha
-1
por safra.
Para Batchelor et al. (1997) a agricultura de precisão pode melhorar a
produtividade da colheita e os lucros, fornecer informações para tomar decisões de manejo
mais embasadas, prover registros de fazenda mais detalhados e úteis, reduzir custos de
fertilizantes e defensivos, além de reduzir o impacto ambiental.
17
Werner (2007) realizou a análise econômica entre a agricultura
tradicional e a agricultura de precisão na cultura de soja nas safras de 2002/2003 até
2005/2006 e concluiu que o sistema de manejo em agricultura de precisão, na propriedade,
reduziu o custo de produção médio da cultura em R$ 2,43.ha
-1
, aumentou a margem líquida no
manejo em 18,4%, aumentou a lucratividade média 3,9% e aumentou a rentabilidade média
em 0,6%, para uma safra.
Apesar de todos os benefícios, sabe-se que número de propriedades
agrícolas que adotam a agricultura de precisão no mundo ainda é relativamente pequeno onde
fatores como a falta de conhecimento técnico dos produtores rurais e o alto valor de
investimento em tecnologias aparecem como barreiras que afetam o seu crescimento.
Com o surgimento de novas tecnologias e o crescente investimento das
indústrias na produção de equipamentos mais sofisticados para a agricultura de precisão tem
proporcionado vantagens econômicas, produtivas e ambientais aos produtores. A tendência é
de que em alguns anos os sistemas de posicionamento se tornem cada vez mais precisos
devido à integração dos novos sistemas globais de satélites fazendo com que aumente o
número de propriedades que adotem a agricultura de precisão.
Observa-se entre os pesquisadores um consenso entre os benefícios
oferecidos pela prática da agricultura de precisão, contudo na agricultura de precisão a
informação de cada fase do processo é de grande importância, desde os dados que são
extraídos do mercado consumidor, até os dados que são coletados através dos sensores
instalados nos implementos agrícolas. Os dados obtidos no decorrer dos trabalhos de campo
por meio dos sensores são armazenados em equipamentos que se encontram muitas vezes no
interior do trator, de onde após a operação são retirados para a devida análise a que se
destinam (GUIMARÃES e SARAIVA, 2002).
A agricultura de precisão é um conceito de sistema de produção
agrícola que envolve o desenvolvimento e a adoção de técnicas de gestão baseado no
conhecimento, caberá ao produtor rural buscar as tecnologias e os métodos mais adequados à
suas necessidades que visem maior retorno econômico e ambiental.
18
4.6 Sistema global de navegação por satélite (GNSS)
Até recentemente, os processos de levantamento de dados de campo
para aquisição de bases cartográficas baseavam-se na utilização de medidas de ângulos e
distâncias terrestres para atingir seus objetivos. Uma das restrições mais severas era a
necessidade de haver intervisibilidade entre os pontos a serem medidos (ROCHA, 2007).
O crescimento da agricultura de precisão observada nos últimos anos
só foi possível com os avanços adquiridos no sistema global de navegação por satélite. Grande
parte dos processos agrícolas voltados à agricultura de precisão como os sistemas de
direcionamento e os sistemas de aquisição de dados necessitam do GNSS para a execução de
seus processos.
Atualmente o único sistema global de navegação via satélite
totalmente funcional é o sistema americano NAVSTAR-GPS ou apenas GPS, desenvolvido
pelo departamento de defesa americano tendo sido declarado totalmente operacional em 1985.
O sistema russo GLONASS, é similar ao sistema americano GPS, concebido no início da
década de 70 pela antiga URSS, tornou-se operacional no fim de 1995. No entanto, nos
últimos anos, devido à falta de lançamento de novos satélites em substituição dos mais antigos
o sistema russo não se encontra com sua total capacidade de funcionamento
Existem ainda outros sistemas de navegação via satélite ainda em fase
de desenvolvimento, como é o caso do sistema europeu GALILEO, com previsão de
funcionamento para o ano de 2014 e o sistema chinês COMPASS.
O NAVSTAR-GPS foi desenvolvido pelo Departamento de Defesa
Americano onde as intenções iniciais era utilizá-lo, principalmente, para a navegação com
propósitos militares. Somente com a descoberta da grande precisão do sistema e com o
aumento da eficiência dos receptores é que passou a ser também utilizado pela comunidade
civil (ROCHA, 2007).
De acordo com Monico (2008), o objetivo original do sistema era a
determinação instantânea da posição, velocidade e tempo de um usuário, em qualquer lugar na
Terra ou próximo a esta, independentemente das condições atmosféricas, em um referencial
global e homogêneo, com base em medidas de distâncias.
19
Conforme Rocha (2002), o GPS determina a posição medindo a
distância entre o aparelho receptor e os satélites no espaço. Cada satélite emite, de forma
contínua, informações de sua posição e um sinal de tempo para sincronismo. O receptor
determina o tempo que o sinal leva para percorrer a distância entre o satélite e o receptor.
Conhecendo as coordenadas do satélite num sistema de referência adequado, pode-se
determinar as coordenadas do usuário. Pelo ponto de vista puramente geométrico (distância
tridimensional) bastariam apenas três satélites (equivalendo ao cálculo de três distâncias). Na
prática, a diferença entre os relógios do satélite e do receptor não é conhecida, o que introduz
mais uma incógnita no problema e que pode ser determinada a partir de um quarto satélite.
Portanto, os dados referentes à observação deste quarto satélite faz-se necessários para
sincronizar o relógio do receptor com os relógios dos satélites. O acesso ao sistema se dá de
forma ininterrupta, em todo o planeta, independentemente das condições meteorológicas,
embora estas interfiram de certa forma na precisão das medidas. O receptor GNSS fornece
informações de latitude, longitude e altitude (localização tridimensional) usando sinais de
quatro satélites.
Segundo Monico (2000), o GPS é formado por três segmentos
principais: espacial, controle, usuários. O segmento espacial é constituído de 24 satélites
distribuídos em 6 planos orbitais, responsáveis pela transmissão de duas ondas portadoras: L1
e L2 (com 1575,42 e 1227,60 MHz de freqüência e 19 e 24 cm de comprimento de onda,
respectivamente). Cada satélite transmite um código C/A e P modulados em fase sobre as duas
portadoras, o que permite o cálculo de distâncias a partir da medida do tempo de propagação
da modulação. O código C/A (coarse acquisition) é modulado sobre a L1 sem criptografia e
está disponível a todos os usuários do globo, sem a cobrança de taxas, com acurácia horizontal
e vertical dentro de 10 e 14 m, respectivamente. O código P (precise ou protected)
proporciona medidas mais precisas, com acurácia ao redor de 10 a 20 cm, sendo modulado
sobre a L1 e L2 com criptografia por ter sinal protegido e reservado para o uso dos militares
americanos e seus usuários autorizados, os quais disponibilizam o sinal através de receptores
DGPS (sistema de posicionamento global com correção diferencial). O segmento de controle é
composto por doze estações terrestres de monitoramento responsáveis pela transmissão de
dados entre os satélites e uma estação de controle, a qual processa os dados recebidos,
determina as órbitas dos satélites, corrige seus relógios, e retransmite os dados visando a
20
atualização periódica das mensagens de navegação. As coordenadas das estações são
determinadas em relação ao sistema de referência WGS84 (world geodetic system of 84). O
segmento de usuários é constituído pelos receptores GNSS de diversas marcas disponíveis no
mercado civil, para as mais diversas aplicações (navegação, geodésia, etc).
O princípio básico do funcionamento da tecnologia do GPS está na
trilateração, utilizando os satélites como pontos de referência. O receptor GNSS determina a
sua posição medindo a sua distância dos satélites do sistema no espaço. Cada satélite emite, de
forma contínua, informações de sua posição e um sinal de tempo para sincronismo. O receptor
determina o tempo que o sinal leva para percorrer a distância entre o satélite e o receptor e,
conhecendo-se as coordenadas do satélite num sistema de referência adequado, pode-se
determinar as coordenadas do usuário (MOLIN, 1998).
Testes realizados com receptores de navegação civis evidenciaram
uma precisão na ordem de 15 a 40 metros, o que obrigou os militares americanos a imporem
um distúrbio proposital no relógio do satélite, de tal forma que os receptores não autorizados
gerassem posições com precisão acima de 100 metros. Este distúrbio imposto aos usuários não
autorizados foi denominado Disponibilidade Seletiva.
O erro de aproximadamente 100m gerado pelo departamento de defesa
americano tornava inviável a utilização do GNSS para a agricultura de precisão, contudo, em
maio de 2000, um decreto de lei fez com que o governo removesse esse sinal de interferência
o que reduziu o erro do posicionamento horizontal em torno de 10 metros.
Antuniassi et al. (2007) definiu o GPS como sendo um sistema
projetado para fornecer o posicionamento instantâneo. Na agricultura, o GPS é utilizado
somente como uma espécie de sensor fornecendo as coordenadas do campo para o computador
ou processador na máquina.
Na agricultura os outros três tipos mais comuns de posicionamento são
o DGPS (correção via satélite, submétrico), GPS absoluto com correção por algoritmo
(também submétrico mas possui uma degradação da precisão em relação ao tempo, que
funciona muito bem para direcionamento manual) e o RTK (real time kinematic, milimétrico).
Dependendo da precisão desejada para uma determinada aplicação na agricultura é necessária
uma ou outra tecnologia de correção dos erros do GPS (ANTUNIASSI, et al., 2007).
21
Segundo Baio (2005) o DGPS é uma técnica usada para melhorar a
precisão do GPS pelo processamento contínuo de correções nos sinais, que podem ser
transmitidas por rádio via Freqüência Modulada (FM) ou via satélite e são disponibilizadas em
alguns países através de serviços de subscrição taxados ou gratuitamente para os usuários de
um determinado fabricante.
De acordo com Guerra (2006), uma outra tecnologia de correção
diferencial, em tempo real, é a denominada WAAS que é uma técnica para melhorar o
desempenho do GPS que utiliza um satélite geo-estacionário e possui algumas estações
terrestres para o monitoramento, possibilitando localizações com margem de erro de até três
metros, durante 95% do período de utilização. Inicialmente, o sistema só funcionava nos
Estados Unidos, mas, atualmente, outros governos estão desenvolvendo sistemas idênticos e
compatíveis com o sistema WAAS americano. Na Ásia já opera o sistema japonês MSAS,
enquanto que, na Europa, opera o sistema EGNOS, porém não existe outro sistema semelhante
ao WAAS em operação, ou mesmo em desenvolvimento, para utilização na América do Sul.
Pode-se afirmar que a utilização de sistemas de navegação via satélite
voltado à agricultura de precisão pode trazer benefícios econômicos, operacionais e ambientais
para a propriedade rural onde o tipo de atividade a ser executada nas operações agrícolas irá
definir a necessidade de precisão a ser utilizada dependendo ou utilizar sistemas de
posicionamento de correção diferencial.
4.6.1 Posicionamento cinemático em tempo real (RTK)
A técnica RTK (real time kinematic) de posicionamento diferencial
tem sido utilizada desde 1985 em aplicações de alta precisão em tempo real. Embora utilize os
mesmos fundamentos do DGPS, difere deste pelo tipo de variável observada e em
conseqüência pela posição obtida (MONICO, 2000).
A técnica RTK é destinada ao posicionamento de alta precisão em
tempo real. A estação de referência deve ser equipada com um receptor GNSS e um rádio
modem transmissor. Por meio de programas computacionais específicos, ela gera correções
diferenciais e as transmite via rádio para uma estação móvel, que se utiliza destas informações
22
para determinar sua posição com precisão. Para efetuar o enlace de comunicação são
utilizados rádios transmissores que normalmente operam nas faixas de freqüência VHF/UHF
para este tipo de aplicação. A grandeza de observação fundamental utilizada no RTK é a
medida da fase da onda portadora, que propicia precisão subdecimétrica ou melhor
(KRUEGER, 1996).
O processamento de dados no método relativo cinemático pode ser
realizado após a coleta (pós-processado) ou durante a coleta (tempo real). No caso do
processamento em tempo real faz-se necessária a utilização de um link de rádio ou outro
sistema de comunicação para a transmissão dos dados e também de software apropriado para o
processamento dos dados em tempo real, no qual realize a solução das ambiguidades
instantaneamente. Este método é similar ao método DGPS em tempo real, o qual utiliza as
pseudodistâncias como observáveis. (MONICO, 2008).
Prado (2001) analisou a acurácia nos posicionamentos diferenciais
aplicando as técnicas DGPS e RTK e verificou que para as linhas de comprimentos base entre
0,2 a 29 Km de base, o DGPS possibilitou erros planimétricos inferiores a 2,5 m, ao passo que
na técnica RTK estes erros não ultrapassaram a 7 cm. Com respeito aos erros altimétricos,
verificou-se que os mesmos são inferiores a 6 m na técnica DGPS e a 15 cm na técnica RTK.
Além das correções diferenciais de fase, a técnica RTK pode usar as
observações brutas de pseudodistância e de fase da onda portadora. Segundo Prado e Krueger
(2003), o uso de observações brutas permite uma modelagem mais adequada ao levantamento,
bem como a eliminação dos erros dos relógios dos satélites e dos receptores. As correções
diferenciais são aplicadas diretamente na fase observada no receptor móvel; as observações de
fases brutas são utilizadas em algoritmos de dupla diferença de fase, possibilitando uma
navegação com precisão centimétrica em tempo real.
O princípio de posicionamento da técnica RTK fundamenta-se na
transmissão das medições puras da fase da portadora ou das correções diferenciais da fase da
portadora, ambas mensuradas na estação de referência. Na primeira situação, a estação móvel
forma duplas diferenças de fase (DDF), enquanto na segunda adota-se uma abordagem similar
à técnica DGPS. A vantagem da utilização das DDF com respeito às correções diferenciais de
fase corresponde a uma modelagem mais adequada ao levantamento, bem como da eliminação
dos relógios dos satélites e dos receptores (PRADO e KRUEGER, 2003).
23
4.7 Sistemas de direcionamento via satélite
Em diversas operações agrícolas durante o cultivo da cultura são
necessárias diversas aplicações, operações ou atividades que exigem algum tipo de orientação,
principalmente no plantio mecanizado, onde não há nenhuma referência e uma orientação
incorreta de marcação de solo pode interferir no espaçamento incorreto da cultura durante
todos os anos daquele talhão (ANTUNIASSI et al., 2007).
A orientação de máquinas agrícolas em faixas adjacentes é
freqüentemente realizada por métodos convencionais que incluem marcadores de espuma,
orientação pelas fileiras de plantio, riscadores ou marcadores de solo, corrente ou cabo, dentre
outros. Entretanto, a utilização destas técnicas pressupõe a existência de sobreposições e/ou
falhas na demarcação das fileiras, dos espaçamentos desejados ou na aplicação. Nas operações
de aplicação de defensivos, adubos ou corretivos, sobreposições implicam em custos
adicionais na aplicação, além de danos a cultura e/ou ao ambiente, enquanto falhas na
aplicação devem ser evitadas ao máximo para garantir a eficiência da distribuição correta do
insumo ou do controle fitossanitário. Já, erros nas operações para demarcação das fileiras de
plantio causam discrepância no espaçamento desejado, podendo acarretar uma diminuição no
espaçamento desejado, podendo acarretar uma diminuição na produtividade local, no caso de
espaçamentos menores, ou acarretar um desperdício de área útil que poderia ser cultivada, no
caso de espaçamentos maiores que o planejado (ANTUNIASSI et al., 2007).
Para melhorar o rendimento nas operações agrícolas os sistemas de
direcionamento tradicional como os riscadores de solo e os marcadores de espuma estão sendo
substituídos por sistemas de direcionamento via satélite.
Os equipamentos utilizados na agricultura de precisão têm por
principal finalidade a melhoria das condições e dos resultados em uma operação agrícola.
Dentre esses equipamentos, a barra de luz tem como finalidade a orientação do operador
durante uma operação agrícola, de forma que o mesmo possa se localizar no campo,
proporcionando uma diminuição na incidência de sobreposições de faixas, assim como de
áreas sem a aplicação do insumo agrícola.
24
No início, estes equipamentos eram capazes somente de operar nos
alinhamentos ou percursos em reta. Com o desenvolvimento da tecnologia alguns modelos
foram lançados no mercado com a possibilidade de operar em curva. Na maioria dos modelos
existentes é necessário apenas localizar os pontos inicial e final do alinhamento de referencia.
Quase todos os modelos já detectam automaticamente a manobra no final do alinhamento,
indicando ao operador o posicionamento do alinhamento seguinte (ANTUNIASSI et al.,
2007).
Segundo Baio e Antuniassi (2003), a acurácia no alinhamento é
extremamente dependente da habilidade do operador, pois os sistemas de direcionamento via
satélite somente indicam a mudança, cabe ao operador corrigir a rota do veículo durante a
aplicação. Esta dependência também acontece com outras técnicas de alinhamento. A acurácia
do sistema de direcionamento via satélite em guiar o operador nos alinhamentos também é
dependente da acurácia do GPS, pois é este equipamento quem vai fornecer a informação de
posicionamento para o sistema de direcionamento via satélite.
Os sistemas de direcionamento via satélite por barra de luz são
operacionalizados pela ação do condutor do veiculo em corrigir a rota programada do veículo
de acordo com a informação visual dada por um conjunto de luzes indicativas dispostas a
frente do operador. (BAIO, 2005).
Han et al., (2002) atentaram para a necessidade da realização de
ensaios dinâmicos para a avaliação da acurácia de uma barra de luz, pois é para esta condição
que este equipamento foi desenvolvido. Estes autores desenvolveram uma metodologia para
ensaios comparativos da acurácia de barra de luz em relação ao posicionamento dado por um
GPS geodésico. A mensuração da variável resposta na metodologia desenvolvida por estes
autores foi feita através de um SIG (Sistema de Informações Geográficas).
Segundo Baio et al. (2001), a barra de luz é um equipamento utilizado
para a orientação de um veículo em faixas adjacentes, diminuindo a sobreposição da operação
agrícola entre passadas consecutivas e otimizando a eficiência da aplicação agrícola.
Outro tipo de equipamento utilizado para o direcionamento via satélite
é o monitor eletrônico, em que a orientação em campo é dada pela utilização de um
dispositivo com uma tela de cristal líquido que possui um desenho ilustrativo de um veículo
em campo e a rota programada por onde o operador deve seguir. Assim, este equipamento
25
substitui um conjunto de luzes ou LEDs por uma tela que ilustra, ou simula, um veículo e um
percurso que deve ser seguido. Este percurso a ser seguido pode ser ilustrado na tela de cristal
líquido por um corredor virtual ou por uma linha imaginária disposta à frente do veículo
ilustrativo (CULTIVA, 2004).
A tecnologia evoluiu no sentido da automatização dos sistemas de
direcionamento via satélite surgindo então os sistemas automáticos de direcionamento ou
autodirecionamento, também popularizado como piloto automático. Estes sistemas
automatizados são acoplados por meio hidráulico do veiculo (trator ou colhedora), onde o
próprio sistema de direcionamento via satélite corrige a rota do veículo quando há
necessidade, diminuindo o esforço do operador e aumentando a precisão do sistema. Assim, a
atenção do operador se volta à operação em si, aos controles da colhedora ou à operação
realizada pelo implemento do trator (ANTUNIASSI, et al., 2007).
Como relatou Baio e Antuniassi (2003), uma inovação aos sistemas de
direcionamento foi o desenvolvimento da automatização do direcionamento do veículo
agrícola através de processadores eletrônicos conectados ao DGPS. O sistema de orientação e
o DGPS são ligados diretamente ao controlador eletrônico do sistema de direção do veículo
(trator ou autopropelido) por meio eletro-hidráulico, e assim, o próprio sistema de
direcionamento corrige a rota do veículo quando há a necessidade, diminuindo o esforço do
operador e aumentando a acurácia do sistema. Este aumento da acurácia do sistema é
alcançado pela eliminação do controle humano neste processo, os controles da rota são
realizados mais rapidamente e com maior acurácia. Uma grande vantagem dos sistemas de
auto-direcionamento é que o operador pode focar sua atenção para os controles da operação
(pulverização, colheita, preparo do solo, sulcação, dentre outros) possibilitando um ganho na
qualidade da operação (pulverização com maior qualidade, colheita com a plataforma cheia,
melhor controle de profundidade do sulco ou implemento de arrasto, etc). Todos os sistemas
de auto-direcionamento possuem sensores adicionais que monitoram a inclinação do veículo
em terrenos acidentados e corrigem a rota de acordo também com esta inclinação, melhorando
ainda mais a acurácia pela eliminação do efeito da declividade no posicionamento correto do
centro do veículo entre as passadas. Alguns sistemas de auto-direcionamento ainda possuem
bússolas eletrônicas que auxiliam na eliminação de uma possível falha momentânea de
informação do DGPS.
26
As principais vantagens dos sistemas automáticos de direcionamento
do trator são o aumento da capacidade operacional, a redução na utilização no número de
máquinas e operadores, o paralelismo correto mesmo com a presença de curvas, menor
consumo de combustível, tráfego e compactação controlados.
Segundo Baio (2005), muitos destes sistemas utilizam o GPS com
correção por RTK para a informação do posicionamento, em que um GPS é disposto em um
ponto de coordenadas conhecidas, chamado de ponto base, e que envia o sinal de correção via
ondas de rádio para o GPS que é colocado no veículo. Este sistema de correção proporciona
uma acurácia muito maior, quando comparado aos sistemas de correção por sinal de satélites
ou mesmo por algoritmos.
4.8 Sensores e transdutores
A eletrônica embarcada e a utilização de sensores na agricultura
podem gerar informações importantes ao produtor rural para otimizar as operações
mecanizadas de campo gerando um melhor rendimento energético e menor desgaste das
máquinas agrícolas.
Arce (2008) afirma que um sensor é um dispositivo tecnológico que
tem suas propriedades (elétricas, mecânicas, etc.) alteradas na presença de um sinal, condição
física ou química, como por exemplo, temperatura, pressão, umidade, PH, odores, compostos
químicos, etc.
Segundo Sutherland (2004), o sensor pode ser definido como um
equipamento que detecta a mudança de um estímulo físico e retorna isto em um sinal que pode
ser mensurado ou armazenado. O transdutor pode ser definido como um equipamento que
transfere a energia de um sistema para outro na mesma forma ou não. Portanto, os sensores
podem ser definidos como sendo o próprio elemento sensível, e os transdutores são
equipamentos que estão associados a algum elemento sensível.
De acordo com Fonseca (2009) transdutores ou sensores representam o
componente sensorial dos sistemas de medição, que pertencem a um campo tecnológico mais
amplo chamado instrumentação. A medição é o processo de associar números a entidades e
eventos no mundo real.
27
Horowitz e Hill (1989) definem como transdutores os sensores que
convertem grandezas físicas, como temperatura, luminosidade, magnetismo, peso, aceleração,
intensidade do som, etc. em grandeza elétrica, gerando sinais que podem ser manipulados por
circuitos eletrônicos, quantificados por um conversor analógico-digital e analisados por
computadores ou sistemas de aquisição de dados.
São exemplos de transdutores amplamente empregados: os termopares
e os termistores, os quais medem a temperatura, os sensores de pressão de silício integrado,
para medir a pressão, e as células de carga, para medir força. Para medir indiretamente a
umidade do solo, há sensores, como os resistivos, que tomam por base a variação da
resistência do solo à passagem de corrente elétrica, a qual é tanto menor quanto maior sua
umidade. Outro exemplo são os sensores com base na propriedade dielétrica do solo, com
variação proporcional à umidade, e os transdutores de pressão, que medem a tensão da água
do solo.
Além de serem utilizados para mensurar valores obtidos por máquinas
e pelos solos, os sensores e transdutores podem ser empregados com a finalidade de mensurar
outras variáveis do setor agrícola, segundo Santos et al. (2007).
Segundo Ragni e Santoro (1997), a metrologia aplicada esta ligada ao
desenvolvimento de sensores e da informática e teve seu progresso após a década de 60 com a
miniaturização dos componentes eletrônicos e de sensores, tornando possível a utilização
destes em tratores ou implementos sem a necessidade de grandes mudanças em suas
estruturas.
De acordo com Antuniassi et al. (2001), sistemas com maior grau de
avanço tecnológico possuem monitores ou controladores, que utilizam informações geradas
por sensores.
Deve-se levar em conta a importância da calibração dos sensores antes
da coleta de dados, para averiguar sua efetividade em prover dados confiáveis. Ensaios
agrícolas são feitos em diversas condições de campo e solo, devido a este fato, alguns sensores
ou transdutores podem se comportar melhor ou pior do que outros em determinadas condições
(MANTOVANI et al., 1999).
28
A maioria das operações que envolvem sensores para a coleta de dados
necessita de um condicionador de sinais que tenha capacidade de receber os sinais gerados e
transformá-los em dados inteligíveis. Além dos condicionadores de sinais, atualmente, são
utilizados cada vez mais programas computacionais desenvolvidos, especificamente para o
processamento dos dados obtidos (GUERRA, 2006).
Os sensores e transdutores na agricultura têm como finalidade,
principalmente a aquisição de dados, e podem ser instalados em tratores e máquinas agrícolas
onde na agricultura de precisão sua utilização é indispensável no fornecimento de dados
podem auxiliar na tomada de decisões nas propriedades rurais.
4.9 Sistemas de aquisição de dados
Segundo Mantovani et al. (1998) pode-se observar nos Estados Unidos
e na Europa uma intensa modificação no meio rural que também começa a se iniciar no Brasil.
Esta modificação é fruto do uso de tecnologia de ponta no meio rural, visando aumentar a
capacidade de trabalho da propriedade e a precisão dos equipamentos, objetivando a
racionalização dos recursos naturais. Isto tem sido possível graças ao uso de automação,
instrumentação e ferramentas de suporte a decisão.
A partir de 1970, com o advento da microeletrônica, dos computadores
pessoais e, posteriormente, dos computadores portáteis, as possibilidades de estudos e
avaliações de fenômenos agrícolas cresceram rapidamente (SPOLON, 1994).
Atualmente, diversas áreas utilizam a aquisição de dados para
processar as informações necessárias à sobrevivência na era da informação. A aquisição de
dados engloba métodos e dispositivos capazes de transformar informações do mundo real,
preponderantemente analógico, para o formato digital, com os quais os computadores
trabalham.
Garcia et. al. (2003), afirma que na agricultura vários cientistas têm
trabalhado em diversas áreas, utilizando algum tipo de sistema eletrônico de aquisição de
dados com finalidade de monitorar eventos em suas pesquisas.
29
Silva e Benez (1997) construíram um sistema de aquisição de dados
para medir, exibir e gravar os dados necessários à avaliação do desempenho energético de
máquinas e equipamentos agrícolas em trabalhos de campo, usando um sistema eletrônico de
aquisição de dados e instrumentos indicadores digitais. Concluíram esses autores que, a grande
vantagem do sistema eletrônico de aquisição de dados é a variação na taxa de amostragem e a
grande quantidade de dados coletados durante a realização dos ensaios, possibilitando o estudo
da grandeza monitorada de modo detalhado.
Silveira (2001) realizou experimentos estáticos, estudando os
parâmetros de identificação do trator no campo, a fim de determinar velocidade de
deslocamento, consumo de combustível e rotação do motor.
A aquisição de dados, segundo Garcia et al. (2003), é uma atividade
essencial em todo tipo de tecnologia e ciência, e tem como um de seus objetivos, apresentar,
ao observador, os valores das variáveis ou parâmetro que estão sendo medidos.
Nota-se que a aquisição de dados dos mais variados setores da
agronomia são atualmente obtidos em frações de segundos com uma freqüência de aquisição
muito rápida, acrescentando maior precisão e confiabilidade aos estudos realizados.
Storino et al. (2000) estudaram o desempenho do trator como
indicador do estado físico do solo em agricultura de precisão. Determinaram os principais
parâmetros operacionais como rotação do motor, consumo de combustível, e velocidade de
deslocamento, bem como a sua localização no campo, usando o sistema GNSS.
Mazzetto e Landonio (1999) desenvolveram um sistema que
caracteriza a posição do trator no campo usando GPS, determinando, também, velocidade de
deslocamento, consumo de combustível, rotação do motor e operador. Os dados processados
são armazenados no trator e transferidos a um computador central através do uso de cartão
usado para o armazenamento de dados.
Schlosser et al. (2004) utilizou um sistema de aquisição automática de
dados para a avaliação da influência do avanço cinemático das rodas dianteiras sobre a
eficiência em tração de tratores. O sistema de aquisição recebeu os dados de diversos sensores,
o que permitiu o cálculo da velocidade e do avanço do trator.
30
Silveira et al. (2005) desenvolveram um sistema de aquisição
automático de dados para gerenciamento de operações mecanizadas, onde eram registradas: a
posição (GPS), o consumo de combustível e a rotação do motor em um trator. As informações
coletadas foram registradas em um microcomputador portátil e utilizaram o protocolo serial
RS-232C para comunicação.
Johnson (1997) afirma que a coleta de dados pode ser automatizada
sem colocar em xeque a precisão dos dados obtidos. Através da aquisição automática de dados
eliminam-se erros gerados pela transcrição de dados, além de aumentar a taxa de leitura das
variáveis.
O custo de um sistema de aquisição de dados é em alguns casos,
compensado pelo fato de se possuir um sistema dedicado mais simples e, portanto mais barato,
pois adicionalmente, há um ganho em produtividade por se ter um sistema adequado as
necessidades, e bem mais simples de operar (LIBONATI et al., 2003).
31
5 MATERIAIS E MÉTODOS
5.1 Materiais
5.1.1 Descrição da área de estudo
Os ensaios foram realizados no Maricopa Agricultural Center - MAC,
pertencente à The University of Arizona localizada na cidade de Maricopa estado do Arizona,
Estados Unidos.
Foram utilizadas duas áreas com características diferentes de textura
de solo, denominadas Área 1 e Área 2 (Figura 1). Em função do sistema de irrigação por
alagamento adotado nas culturas, as áreas apresentaram uma declividade de 1% no sentido
longitudinal e foram niveladas no sentido latitudinal.
A Área 1 está localizada entre as coordenadas geográficas UTM
33°05’ S e 111°97’ W e altitude de 430 m, com classificação de textura de solo franco argilo
arenoso (52% areia, 35% argila, 13% silte). A Área 2 está localizado entre as coordenadas
geográficas UTM 33°07’ S e 111°97’ W e altitude de 430 m , com classificação de textura de
solo franco arenoso (71% areia, 12% argila e 17% silte) conforme ilustrado na Figura 2.
Figura 1. Mapa da
Maricopa Agricultura Center
Figura 2. Vista parcial da Á
rea
A
Maricopa Agricultura Center
e localização das á
reas de estudo.
rea
1 (A) e Área 2 (B).
B
32
reas de estudo.
33
5.1.2 Trator e pneus agrícolas
Para a realização dos ensaios foi utilizado um trator agrícola da marca
Case, modelo MXM 120, 4x2 TDA com potência de 88kW (120 cv), descrito na Tabela 1 e
ilustrado na Figura 3. Os pneus utilizados foram da marca Michelin tipo 320/85R38 dianteiros
e 329/90R54 os traseiros.
Tabela 1. Especificações do trator.
Descrição Características
Marca IH Case
Modelo MXM 120
Motor 6 cilindros, 7,48L, turbo e
intercooler
RPM máximo do motor 2200
RPM mínima do motor para 540 RPM TDP 1969
Capacidade de carga no sistema hidráulico 4425 kg
Peso sem lastro 5366 kg
Figura 3. Trator Case MXM 120.
34
5.1.3 Sistema de direcionamento piloto automático
Foi utilizado um sistema de direcionamento piloto automático AgGPS
Autopilot System desenvolvido pela empresa Trimble, conforme ilustrado na Figura 4.
O sistema possui sensores e equipamentos conectados junto ao sistema
hidráulico de direção do trator que possibilitam que o trajeto da máquina seja feito de forma
automática, sem necessariamente precisar da intervenção do operador, evitando assim
sobreposições e falhas durante a realização dos ensaios.
Figura 4. Sistema de piloto automático Trimble.
Monitor Digital
Sensor de direção
Válvula hidráulica
Controlador de
navegação
Antena e
receptor GNSS
de navegação
35
O sistema de piloto automático utilizou um sensor de direção modelo
AgGPS Autosense Steering Sensor da marca Trimble (Figura 5) capaz de fornecer medidas
precisas do ângulo da roda do trator. A tecnologia obtém informações e continuamente as
envia para o controlador de navegação para que sejam feitas as correções de direcionamento.
Figura 5. Sensor de direção.
O controlador de navegação utilizado foi o NavController II (Figura
6) . O componente processa todas as informações recebidas pelo receptor GNSS e sensores
internos e envia as instruções corrigidas para o sistema hidráulico de direção do trator, para
que sejam feitas as correções de direcionamento. O controlador de navegação possui também
três giroscópios e três acelerômetros que são capazes de compensar os erros causados pela
declividade do terreno.
Figura 6. Controlador de navegação.
36
As informações corrigidas do controlador de navegação são enviadas
para a válvula de controle hidráulico do trator que recebe esses sinais elétricos e os converte
em comandos hidráulicos no sistema de direcionamento da máquina (Figura 7).
Figura 7. Válvula de controle hidráulico.
Utilizou-se um monitor digital modelo AgGPS FieldManager, descrito
na Tabela 2 e ilustrado na Figura 8, que integrou e processou todas as informações do sistema
de piloto automático visualizando os mapas e as informações em tempo real.
Tabela 2. Especificações do monitor digital.
Descrição Característica
Dimensões 295 mm (L) x 226 mm (A) x 60,5 mm (P)
Peso 2,18 kg (4,80 lb)
Material Policarbonato de alto impacto
Visor 264,2 mm (10,4") diagonal 640 x 480 LCD à cores
Tela de toque 285,8 mm (11,25") diagonal
Processador Intel PXA255 x-scale arm 400 MHz
Memória RAM 64 MB
Bateria NiMH Interna
Conector principal 28 pinos AMP (cabeamento do
AgGPS Autopilot)
* Informações obtidas no manual de operação, fornecido pelo fabricante (TRIMBLE, 2009).
37
Figura 8. Monitor digital.
5.1.4 Receptor GNSS
Para a obtenção das coordenadas geográficas pelo GNSS (Global
Navigation Satellite System), foi utilizado um receptor modelo AgGPS 332 da marca Trimble,
apropriado para aplicações em agricultura de precisão, ilustrado na Figura 9 e descrito na
Tabela 3. O receptor GNSS auxiliou no sistema de direcionamento de piloto automático do
trator que utilizou o sistema de correção diferencial cinemático em tempo real (RTK).
Figura 9. Receptor e antena GNSS.
38
Tabela 3. Especificações do receptor GNSS.
Descrição Características*
Dimensões 14,78 cm (L), 5,58cm (A), 21,59cm (P)
Alimentação 350mA – 12V DC
Temperatura de operação - 30 até + 70 ºC
Portas 2 portas de conexão ambas com suporte RS-332 e CAN
Canais 12 canais de recepção, L1, L2 e C/A
Tempo para fixar posição < 30 segundos
Mensagens NMEA
GGA, GLL, GSA, GST, GSV, MSS, RMC1, ZDA, GRS,
PJK, PTNL PJT, PTNLID, PTNL, PTNL VHD, VGK,
VTG, PTNLDG, PTNLEV, PTNSLM, XTE, ZDA
Freqüência de mensagens NMEA Até 5 Hz
Freqüência padrão de mensagens NMEA 1 Hz
* Informações obtidas no manual de operação, fornecido pelo fabricante (TRIMBLE, 2009).
5.1.5 Consumo de combustível
O consumo de combustível foi medido com a utilização de um sistema
de medição de fluxo de combustível desenvolvido pela empresa Floscan Instrument Inc.
modelo/série 7500/7600. O sistema consiste basicamente de dois fluxômetros, três reguladores
de fluxo e um painel digital (Figura 10). O primeiro fluxômetro foi instalado após o sistema de
filtragem de combustível na linha de alimentação da bomba injetora e o segundo fluxômetro
no retorno de combustível do tanque (Figura 11).
O sistema permitiu mensurar o consumo de combustível durante os
ensaios determinando a diferença dos valores de fluxo em unidade de volume (mL), antes do
motor e durante o retorno do combustível para o tanque. O sinal gerado pelo fluxômetro é um
sinal de pulso com relação de um pulso por mL de combustível, alimentado por 12 V
DC
.
As informações geradas pelos sensores foram processadas no painel
digital, instalado na cabine do trator, que apresentam os valores do total de horas trabalhadas,
rotações por minuto (rpm) do motor, consumo de combustível em litros por hora e consumo
total de combustível em litros.
Figura 10
. Painel digital (A), fluxômetros (B) e reguladores de fluxo (C).
Figura 11
. Esquema de instalação dos fluxômetros e reguladores de fluxo.
A
. Painel digital (A), fluxômetros (B) e reguladores de fluxo (C).
. Esquema de instalação dos fluxômetros e reguladores de fluxo.
B
39
C
40
5.1.6 Aquisição de dados
Foi utilizado um sistema de aquisição de dados modelo CR3000 da
marca Campbell Scientific conforme ilustrado na Figura 12. O sistema de aquisição de dados
incorpora teclado alfanumérico e visor LCD para visualização de programas e dados podendo
ser utilizado tanto em locais remotos como em aplicações portáteis executando o
processamento de dados por meio de uma linguagem de programação. As principais
características do produto estão descritas na Tabela 4.
Tabela 4. Especificações do sistema de aquisição de dados.
Descrição Características
Velocidade de varredura 100 Hz
Entradas analógicas 28 SE ou 14 Diff
Contadores de pulso 4
Canais de excitação 4 voltagem
Portas digitais 8 I/O
Portas de comunicação 1 RS232, 1 CS I/O, 1 paralela
Faixa de voltagem 5 V
Acurácia 0,1% + offset (0° a +40°)
Resolução analógica 0,33 µV
A/D bit 16
Temperatura de operação (padrão) -25° a +50°
Temperatura de operação (estendida) -55° a +85°
Memória para dados 4 MB opcional
Alimentação 10 a 16 V
dc
Consumo ~1,0 mA para taxa de 1Hz; ~10 mA para taxa de 100Hz
Dimensões ~24 x 18 x 9,6 cm
* Informações obtidas no manual de operação, fornecido pelo fabricante.
41
Figura 12. Sistema de aquisição de dados.
5.1.7 Célula de carga
Para a calibração do sistema de consumo de combustível pelo método
gravitacional utilizando um tanque de combustível auxiliar, foi utilizada uma célula de carga
descrita na Tabela 5 e ilustrada na Figura 13.
Tabela 5. Especificações da célula de carga.
Descrição Características
Marca TEDEA
Modelo 606
Capacidade máxima 100 kg
Tipo S
Sensibilidade 1,8757 mV/V
Figura 13. Célula de carga.
5.1.8
Programa computacional
Foi utilizado o programa computacional
PC400 1.5 (Figura 14)
desenvolvido pela
tarefas para
os dados coletados pelo sistema de aquisição de dados
Figura 14.
Programa computacional.
Programa computacional
Foi utilizado o programa computacional
Datalogger Support Software
desenvolvido pela
empresa Campbell Scientific
para a programação de
os dados coletados pelo sistema de aquisição de dados
.
Programa computacional.
42
Datalogger Support Software
para a programação de
43
O programa computacional tem como principais características o alto
nível de compatibilidade podendo ser utilizado por vários modelos de sistema de aquisição de
dados e possuir ferramenta de programação CRBasic.
5.2 Métodos
5.2.1 Calibração do sistema de consumo de combustível
Para a calibração do sistema de medição de consumo de combustível
foi utilizado um tanque auxiliar suspenso por uma célula de carga conforme Figura 15.
Figura 15. Calibração do sistema de consumo de combustível.
Célula de carga
Tanque auxiliar
Fluxômetro
(entrada)
Fluxômetro
(retorno)
Estabilizador
de fluxo
44
O sistema de aquisição de dados foi instalado dentro da cabine do
trator para o armazenamento simultâneo dos dados gerados pela célula de carga e pelos dados
gerados pelos fluxômetros.
A freqüência utilizada pelo sistema de aquisição de dados foi de 2 Hz,
sendo que cada pulso gerado pelos fluxômetros representou o consumo de 1 mL de
combustível. A célula de carga gerou dados em Kg correspondentes à variação da massa de
combustível do tanque auxiliar que posteriormente foram convertidos para mL com auxílio do
programa computacional Microsoft Excel 2007.
Os ensaios para a calibração do sistema foram realizados com o trator
em posição estática para os dois tipos de ensaio, o primeiro com a TDP do trator desligada e o
segundo com a TDP do trator ligada. Para ambos os ensaios foram utilizadas diferentes
rotações no motor, com intervalo de tempo de 4 minutos para cada rotação. As rotações
utilizadas foram respectivamente 1200, 1400, 1600, 1800, 1600, 1400 e 1200.
Após a realização dos ensaios, os dados coletados pelo sistema de
aquisição de dados foram transferidos para um microcomputador por meio de um cartão de
memória de 512 MB (Figura 16).
Figura 16. Cartão de memória do sistema de aquisição de dados.
Os dados foram processados no programa computacional Microsoft
Excel 2007 e para se obter uma melhor estimativa de conversão foram realizadas regressões
lineares para cada rotação do motor utilizada durante os ensaios (Apêndice 1).
45
Os valores encontrados na regressão linear para cada rotação utilizada
nos ensaios (Kg) foram convertidos para mL.s
-1
, conforme o cálculo da Equação (1):
1000*
8184,0
cel
rpm
C
C
(1)
onde:
C
rpm
– consumo total de combustível da rotação (mL.s
-1
);
C
cel
– valor de consumo da célula de carga (Kg.s
-1
);
0,8184 – densidade do óleo diesel;
1000 – fator de conversão para mL;
Para os dados coletados pelos fluxômetros, cada pulso gerado
correspondeu a 1mL consumido, realizando-se o cálculo de consumo total de combustível para
cada rotação conforme a Equação (2):
t
C
C
f
rpm
(2)
onde:
C
rpm
– consumo total de combustível da rotação (mL.s
-1
);
C
f
– valor de consumo de combustível do fluxômetro (mL);
t – variação do tempo
5.2.2 Descrição dos tratamentos
Os tratamentos foram definidos em função do tipo de textura de solo e
da pressão de inflação nos pneus (Tabela 6). Os ensaios de campo com os equipamentos arado
duplo e canteirador foram realizados durante o primeiro semestre de 2009, época de preparo
de solo para a cultura de algodão irrigado no estado do Arizona, Estados Unidos.
46
Tabela 6. Descrição dos tratamentos adotados nos ensaios.
Tratamento Descrição
1 Solo franco arenoso, pressão de 124 kPa
2 Solo franco arenoso, pressão de 242 kPa
3 Solo franco argilo arenoso, pressão de 124 kPa
4 Solo franco argilo arenoso, pressão de 242 kPa
5.2.3 Aquisição dos dados
O sistema de aquisição de dados armazenou os dados obtidos pelo
receptor GNSS e os dados obtidos pelos fluxômetros com uma freqüência de aquisição de 2
Hz (Figura 17). Foram desenvolvidas linhas de comando com a linguagem de programação
CRBasic através do programa computacional Datalogger Support Software PC400 1.5 para a
determinação das tarefas a serem executadas nos dados coletados (Apêndice 2).
Figura 17. Sistema de aquisição de dados (B) e painel digital (A).
B
A
47
5.2.4 Velocidade de deslocamento
A velocidade de deslocamento foi determinada a partir dos dados
coletados pelo receptor GNSS. Para cada repetição realizada foi calculado a distância
percorrida subtraindo-se os dados da posição inicial do trator pelos dados da posição final. O
tempo decorrido foi adquirido pela subtração do tempo final pelo inicial de cada repetição. A
velocidade de deslocamento (Km.h
-1
) foi obtida de acordo com a Equação 3:
6,3*
t
s
V
mr
(3)
onde:
V
mr
– velocidade media da repetição (Km.h
-1
);
s – distância percorrida na repetição (m);
t – tempo decorrido na repetição (s)
3,6 – fator de conversão
5.2.5 Consumo horário de combustível
Os pulsos gerados pelos fluxômetros volumétricos foram convertidos
em volume considerando a vazão de 1 mL por pulso e o tempo gasto em cada parcela. O
cálculo do consumo horário de combustível foi realizado de acordo com a Equação 4:
6,3*
t
Tp
C
hr
(4)
onde:
C
hr
– consumo horário (L.h
-1
);
Tp – total de pulsos obtidos pelo fluxômetro;
t – tempo decorrido na parcela (s)
3,6 – fator de conversão
48
5.2.6 Pressão de inflação nos pneus
Foi utilizado um conjunto de pneus para todos os ensaios. Os pneus
utilizados foram da marca Michelin do tipo 320/85R38 dianteiros e 329/90R54 traseiros. As
pressões de inflação utilizadas nos pneus foram de 242 kPa (35 psi) e 124 kPa (18 psi) para
ambos pneus dianteiros e traseiros.
5.2.7 Ensaio 1 - Arado duplo
Para o Ensaio 1 utilizou-se o equipamento de preparo de solo arado
duplo ilustrado na Figura 18 e descrita na Tabela 7. O equipamento possui característica de
trabalho para quatro linhas de cultura e é responsável pela mobilização inicial do solo para a
cultura do algodão irrigado (Figura 19).
Tabela 7. Características do arado duplo.
Descrição Características
Peso 1519 Kg
Largura total 408 cm
Número de hastes 5
Distância entre hastes 101,6 cm
Para a realização do ensaio foi utilizado o trator Case MXM 120 com
sistema de piloto automático ligado com velocidade média de deslocamento registrada de 6,9
Km.h
-1
com ambas as pressões de inflação nos pneus de 242 kPa (35psi) e 124 kPa (18psi)
para a Área 1 e de 7 Km.h
-1
para ambas as pressões de inflação nos pneus para a Área 2. A
rotação do motor foi de 1600 rpm constante para todas as repetições e a marcha utilizada foi a
A-4.
49
Figura 18. Trator com equipamento arado duplo.
Figura 19. Mobilização inicial do solo realizado pelo equipamento arado duplo.
50
O delineamento experimental utilizado foi o de blocos casualizados,
com um arranjo fatorial 2x2, sendo analisados dois tipos de textura de solo (franco arenoso e
franco argilo arenoso) e duas pressões de inflação nos pneus (242 kPa e 124 kPa) com três
repetições, totalizando 12 parcelas experimentais conforme Figura 20.
Figura 20. Repetições e tratamentos com o arado duplo para Área 1 (A) e Área 2 (B).
Área 2
-
Arado duplo
A
B
124 kPa
242 kPa
124 kPa
242 kPa
Área 1
-
Arado duplo
51
5.2.8 Ensaio 2 - Canteirador
Para a realização do Ensaio 2 foi utilizado o equipamento de preparo
de solo canteirador ilustrado na Figura 21 e descrita na Tabela 8.
Figura 21. Equipamento canteirador.
Tabela 8. Características do canteirador.
Descrição Características
Peso 1976 kg
Largura total 420 cm
Número de formadores de canteiros 4
Distância entre os formadores de canteiro 85 cm
52
O equipamento canteirador possui características de trabalho para
quatro linhas de cultura e é responsável pela formação de canteiros (Figura 22) para a cultura
do algodão irrigado, após a mobilização do solo ser feita pelo arado duplo.
Figura 22. Formação de canteiros na Área 2 com o equipamento canteirador.
A velocidade média de deslocamento para a Área 1 foi de 6,8 Km.h
-1
utilizando as pressões de inflação nos pneus de 242 kPa (35psi) e 124 kPa (18psi). Na Área 2 a
velocidade média foi de 6,9 Km.h
-1
utilizando as pressões de inflação nos pneus de 242 kPa
(35psi) e 124 kPa (18psi). A rotação do motor foi 1600 rpm, constante em todas as repetições
e a marcha utilizada a A-5.
O delineamento experimental utilizado foi o de blocos casualizados,
com um arranjo fatorial 2x2, sendo analisados dois tipos de textura de solo (franco arenoso e
franco argilo arenoso) e duas pressões de inflação nos pneus (242 kPa e 124 kPa) com quatro
repetições, totalizando 16 parcelas experimentais conforme Figura 23.
53
Figura 23. Repetições e tratamentos com o canteirador para Área 1 (A) e Área 2 (B).
A
B
124 kPa
242 kPa
242 kPa
124 kPa
Área
1
-
Canteirador
Área
2
-
Canteirador
54
6 RESULTADO E DISCUSSÃO
6.1 Calibração do sistema de consumo de combustível
Após o processamento dos dados foi gerado uma tabela comparativa
dos valores de consumo de combustível coletados pelo sistema gravitacional e pelo sistema
volumétrico. Observou-se a diferença no consumo de combustível (mL.s
-1
) para todas as
rotações realizadas com a TDP do trator desligada (Tabela 9) e com a TDP do trator ligada
(Tabela 10).
Tabela 9. Consumo de combustível com a TDP desligada.
RPM Célula de carga (mL.s
-1
) Fluxômetros (mL.s
-1
)
1200 0,945 1,033
1400 1,358 1,317
1600 1,358 1,450
1800 1,721 1,725
1600 1,520 1,513
1400 1,233 1,246
1200 1,017 1,138
55
Tabela 10. Consumo de combustível com a TDP ligada.
RPM Célula de carga (mL.s
-1
) Fluxômetros (mL.s
-1
)
1200 1,012 1,088
1400 1,292 1,333
1600 1,570 1,558
1800 1,974 1,883
1600 1,597 1,621
1400 1,274 1,388
1200 1,129 1,217
Foi obtido um gráfico comparativo de consumo de combustível entre
os sistemas adotados (Figura 24), onde após o processamento dos dados foi observado um erro
de 2,38% entre o sistema instalado por fluxômetros e pelo sistema gravitacional.
Figura 24. Gráfico comparativo dos sistemas de consumo de combustível.
56
6.2 Ensaio 1 - Arado duplo
Foi verificada a normalidade dos dados pelo teste de Shapiro-Wilk
(P<0,05) e a homogeneidade de variância pelo teste de Levene. Os dados foram testados pela
análise de variância pelo teste F. As médias foram comparadas pelo teste Tukey a 5% de
probabilidade em função da textura do solo e da pressão de inflação nos pneus, conforme a
Tabela 11.
Não houve diferença estatisticamente significativa no consumo de
combustível (L.h
-1
) na interação entre os fatores textura do solo e pressão de inflação nos
pneus, contudo, houve diferença estatisticamente significativa para o fator tipo de textura de
solo e para o fator pressão de inflação nos pneus.
Tabela 11. Síntese dos valores da análise de variância para o consumo de combustível (L.h
-1
)
para o equipamento arado duplo.
Fonte de variação G. L.* SQ** QM*** F (0,05) P-valor
Solo
1 8,943 8,943 146,13
0,000
S
Pressão
1 1,005 1,005 16,43
0,006
S
Solo x Pressão .
1 0,117 0,117 1,91
0,216
NS
Bloco
2 0,295 0,147 2,41
0,170
NS
Resíduo
6 0,367 0,061
Total
11 10,727
*grau de liberdade; **soma dos quadrados; ***quadrado médio;
NS
não significativo;
S
significativo.
No fator tipo de textura de solo, observou-se redução de 8,6% no
consumo horário de combustível na Área 1 (solo franco argilo arenoso) em relação à Área 2
(solo franco arenoso), conforme Figura 25.
Solos com textura mais argilosa, comparados com os de textura mais
arenosa, tendem a exigir maior esforço trativo nas operações de campo o que
conseqüentemente acarretam maior consumo de combustível do trator.
57
Figura 25. Consumo de combustível em função do tipo de textura do solo.
No fator pressão de inflação dos pneus, observou-se que houve uma
redução de 3% no consumo horário de combustível utilizando a pressão mais baixa de 124 kPa
em relação à mais alta de 242 kPa (Figura 26).
Figura 26. Consumo de combustível em função da pressão de inflação nos pneus.
19,97
18,25
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
14,0
16,0
18,0
20,0
Área 1
Área 2
Tipo de solo
L.h
-1
18,82
19,40
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
14,0
16,0
18,0
20,0
124 kPa 242Kpa
Pressão de inflação nos pneus
L.h
-1
58
Os resultados obtidos corroboram com os trabalhos de Lanças et al.
(1995), Corrêa (1997) e Potier (1990) que confirmaram quantitativamente que pressões mais
baixas em pneus radiais resultam em menor consumo de combustível, menor compactação do
solo, maior desempenho operacional e maior capacidade de campo.
Ainda concordando com os resultados do trabalho, Corrêa (2000), ao
comparar o desempenho de um trator agrícola com pneu radial de baixa pressão, em solo firme
e mobilizado utilizando as pressões de 103 kPa e 62 kPa verificou que em solo firme, as
principais vantagens do uso da pressão de 62 kPa, foram: redução de 27,0 % na patinagem,
11,7 % no consumo específico e 15,2 % no consumo por área; aumento de 6,6 % na
capacidade de campo efetiva.
Analisando resultados do mesmo trabalho Correa (2000) verificou que
em solo mobilizado as principais vantagens de um trator agrícola com pneu radial de baixa
pressão foram: redução de 17,3 % na patinagem, 7,2 % no consumo específico e de 9,5 % no
consumo por área trabalhada; aumento de 7,9 % na potência na barra e de 10,5 % na
capacidade de campo efetiva.
6.3 Ensaio 2 – Canteirador
Foi verificada a normalidade dos dados pelo teste de Shapiro-Wilk
(P<0,05) e a homogeneidade de variância pelo teste de Levene. Os dados foram testados pela
análise de variância pelo teste F. As médias foram comparadas pelo teste Tukey a 5% de
probabilidade em função da textura do solo e da pressão de inflação nos pneus, conforme a
Tabela 12.
Para o fator pressão de inflação dos pneus confirmou-se a hipótese de
menor consumo de combustível utilizando pressões mais baixas em pneus radiais, segundo
citado por Lanças et al. (1995), Corrêa (2000) e Potier (1990). Houve uma redução de 3% no
consumo horário de combustível utilizando a pressão mais baixa de 124 kPa em relação à mais
alta de 242 kPa.
59
Tabela 12. Síntese dos valores da análise de variância para o consumo horário de combustível
(L.h
-1
) com o equipamento canteirador.
Fonte de varição G. L.* SQ** QM*** F (0,05) P-valor
Solo
1 0,038 0,038 0,41
0,536
NS
Pressão
1 1,106 1,106 11,97
0,007
S
Solo x Pressão
1 0,644 0,644 6,97
0,026
S
Bloco
3 0,491 0,164 1,77
0,222
NS
Resíduo
9 0,832 0,092
Total
15 3,110
*grau de liberdade; **soma dos quadrados; ***quadrado médio;
NS
não significativo;
S
significativo.
Foi realizado o teste de médias Tukey onde foi possível identificar
diferença estatisticamente significativa no consumo horário de combustível (L.h
-1
) na
interação dos fatores textura do solo e pressão de inflação nos pneus, conforme Tabela 13.
Tabela 13. Valores médios do consumo horário de combustível (L.h-1) do trator para duas
texturas de solo e duas pressões de inflação nos pneus.
Tipo de textura de solo
Pressão de inflação nos pneus
242 kPa 124 kPa
Área 1 18,92 aA * 17,99 aB
Área 2 18,62 aA 18,49 aA
* Médias seguidas de letras iguais, minúsculas na coluna e maiúscula na linha, não diferem entre si pelo teste de Tukey
(p<5%)
A utilização da pressão de inflação mais baixa de 124 kPa em solo
com textura franco argilo arenosa apresentou os melhores resultados de consumo horário de
combustível.
Os resultados evidenciaram redução de 4,9% no consumo horário de
combustível em relação à Área 1 utilizando a pressão de inflação de 242 kPa; redução de 3,3%
no consumo horário de combustível em relação à Área 2 utilizando a pressão de inflação de
242 kPa e redução de 2,7% no consumo horário de combustível em relação à Área 2 utilizando
a pressão de inflação de 124 kPa, conforme ilustrado na Figura 27.
60
Figura 27. Médias de consumo de combustível para os tratamentos no Ensaio 2.
18,92
17,99
18,62
18,49
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
10,0
11,0
12,0
13,0
14,0
15,0
16,0
17,0
18,0
19,0
20,0
21,0
242 kPa
124 kPa
242 kPa
124 kPa
Área 1
Área 2
L.h
-1
aB
aA
aA
aA
61
7 CONCLUSÃO
O trator agrícola tracionando o arado duplo apresentou menor
consumo horário de combustível no solo de textura franco arenosa.
Utilizando o equipamento canteirador o trator agrícola apresentou
menor consumo horário de combustível utilizando a pressão de inflação de 124 kPa em solo
de textura franco argilo arenosa.
Para ambos os tipos de textura de solo, o trator agrícola apresentou
menor consumo horário de combustível utilizando a menor pressão de inflação nos pneus de
124 kPa.
62
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'Author: John Heun
'Name: FuelMeter.CR3
'Date: 4-07-09
'Version: 1.0
'Notes: Used to measure fuel consumed
'with the FloScan Fuel Meter System.
'Measures pulses from the meter
'(1 pulse = 1mL) and fuel mass loss
'(consumed). Records GPS position.
'*************************************
'Declare Variables and Units
Public pulse
Public latitude, longitude, latmin, longmin
Public qual, sats, hdop
Units pulse = mL : Units qual = quality
Units sats = sv
Units latitude = DDMM : Units hdop = hdop
Units longitude = DDDMM : Units longmin = .mmmmmmm
Units latmin = .mmmmmmm :
Dim dest As String * 81 '81 characters/bytes
Dim SplitResult (19) 'Array sized to 19 for parsing
Dim compare
'Define Data Tables
DataTable(Table1,True,-1)
DataInterval(0,2,Sec,10)
CardOut(1,-1)
Sample(1,pulse,FP2)
Sample(1,latitude,Long) 'Record latitude degrees and whole minutes
Sample(1,latmin,Long) 'Record latitude fractional minutes
Sample(1,longitude,Long) 'Record longitude degrees and whole minutes
Sample(1,longmin,Long) 'Record longitude fractional minutes
Sample(1,qual,Long) 'Record satellite quality
Sample(1,sats,Long) 'Record number of satellites
Sample(1,hdop,FP2) 'Record HDOP value
EndTable
73
'Main Program
BeginProg
PulseCountReset() 'Initialize the logger's accumulator at zero
SerialOpen(ComRS232,9600,0,0,256) 'Establish com port
Scan(2,Sec,3,0)
'Read in GPS serial data
compare = 0
While compare = 0 'No progression until full string is received
SerialFlush(comRS232) 'Empty current info in the serial buffer
SerialIn(dest,comRS232,110,"*",128) 'Wait up to 1.1 sec for data
compare = InStr(1,dest,"$GPGGA",2) 'Checks for $GPGGA in string
Wend
'Parse the data components out of the NMEA string - 19 pieces $GPGGA
'The ",." allows 7 digit precision with decimal minutes
SplitStr(SplitResult(),dest,",.",19,6)
latitude = SplitResult(3)
latmin = SplitResult(4)
longitude = SplitResult(6)
longmin = SplitResult(7)
qual = SplitResult(9)
sats = SplitResult(10)
hdop = SplitResult(11) & "." & SplitResult(12)
'Pulse measurement. Enter a multiplier later to eliminate remaining error.
PulseCount(pulse,1,1,2,0,1.0,0.0)
'Call Data Tables and Store Datab
CallTable(Table1)
NextScan
EndProg
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APÊNDICE 2
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