dissertação

Sistema de medição volumétrica em fluxo de grãos de café

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Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Sistemas e Automação

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Tecnologia e produção

Objetivos de Desenvolvimento Sustentável

ODS 8: Trabalho decente e crescimento econômico
ODS 9: Indústria, inovação e infraestrutura
ODS 12: Consumo e produção responsáveis

Dados abertos

Resumo

O café é um dos principais commodities mundiais, sendo o Brasil o maior produtor desta com- moditie. A cadeia produtiva do café é caracterizada por uma sequência de etapas, iniciando- se pela produção na lavoura, colheita, secagem, beneficiamento, armazenamento, rebeneficia- mento, torra e consumo. Todas as fases do processo produtivo são importantes para determinar a qualidade do produto final. A etapa de rebeneficiamento dos grãos de café é responsável por eliminar impurezas e grãos defeituosos, também a classificação dos grãos por tamanho, den- sidade e cor. Nesta fase, equipamentos específicos, fazem a limpeza dos grãos de café e sua classificação, conforme as características físicas dos grãos. Normalmente, o café é transportado entre os equipamentos de rebenefício de um armazém sem um controle de medição volumé- trica, impossibilitando a estimativa do volume de grãos processados por cada equipamento. A importância da medição volumétrica do fluxo dos grãos também é verificada no processo de classificação, quando o café é dividido em lotes de acordo com suas características físicas. A quantidade de entrada, relacionada à medida de cada lote resultante do processo, possibilitaria ao especialista avaliar com precisão o volume necessário para a formação do blend desejado. Neste contexto, este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de soluções que permitam a medição volumétrica do fluxo de grãos de café durante o transporte do produto em armazéns de rebenefício. Os sensores identificados como viáveis foram adquiridos e uma estrutura para experimentos foi construída em laboratório para viabilizar o fluxo contínuo dos grãos de café, permitindo a aplicação dos sensores para experimentação. Os experimentos iniciais, indicaram o sensor célula de carga e visão computacional como mais viáveis para aplicação em ambiente de rebeneficiamento de grãos de café. Os experimentos realizados com o protótipo desenvol- vido com sensor célula de carga para Arduino, atingiram um erro relativo médio de 4%. Diante dos resultados promissores, foi proposto um estudo futuro utilizando o sensor célula de carga industrial, por garantir maior precisão nas medições. Os trabalhos para o desenvolvimento de um sistema de medição volumétrica utilizando visão computacional resultaram no desenvolvi- mento de uma aplicação para processamento de imagens e cálculo do volume em centímetros cúbicos dos grãos de café transportados em esteira. Para desenvolvimento do protótipo, foi construída uma estrutura de experimentos em laboratório para simular uma esteira transporta- dora. Um módulo foi adaptado à estrutura para captação de imagens do volume transportado sob a projeção de um feixe de laser. Um software foi desenvolvido, utilizando uma técnica inovadora para cálculo do volume dos grãos por meio do processamento dos pixels da imagem captada, permitindo a medição do volume de grãos transportados pela esteira. Os experimen- tos com o protótipo de medição por visão computacional indicaram um erro relativo médio em torno de 3% nas medições com diferentes volumes de grãos em movimento. Conclui-se com este trabalho que as tecnologias estudadas possuem aplicabilidade para automatizar o processo de medição dos grãos de café transportados internamente em ambiente operacional, indicando baixo custo para desenvolvimento e eliminando a necessidade de uma grande estrutura para sua implantação.

Abstract

Coffee is one of the world’s main commodities, with Brazil being the largest producer of this commodity. The coffee production chain is characterized by a sequence of stages, starting with production in farming, harvesting, drying, processing, storage, reprocessing, roasting and con- sumption. All phases of the production process are important in determining the quality of the final product. The stage of reprocessing the coffee beans is responsible for eliminating impu- rities and defective beans, as well as classifying the beans by size, density and color. At this stage, specific equipment cleans the coffee beans and classifies them, according to the physical characteristics of the beans. Normally, coffee is transported between reprocessing equipment in a warehouse without volumetric measurement control, making it impossible to estimate the volume of beans processed by equipment. The importance of volumetric measurement of the grain flow is also verified in the classification process, when the coffee is divided into batches according to their physical characteristics. The input quantity, related to the measurement of each batch resulting from the process, would enable the specialist to accurately assess the vo- lume necessary to form the desired blend. In this context, this work aims to develop solutions that allow the volumetric measurement of the flow of coffee beans during the transport of the product in reprocessing warehouses. The sensors identified as viable were acquired and a struc- ture for experiments was built in the laboratory to enable the continuous flow of coffee beans, allowing the application of the sensors for experimentation. Initial experiments indicated the load cell sensor and computer vision as more viable for application in a coffee bean reproces- sing environment. The experiments carried out with the prototype developed with a load cell sensor for Arduino, achieved an average relative error of 4%. Given the promising results, a future study using the industrial load cell sensor was proposed, as it guarantees greater preci- sion in measurements. The work to develop a volumetric measurement system using computer vision resulted in the development of an application for image processing and calculation of the volume in cubic centimeters of coffee beans transported on a conveyor belt. To develop the prototype, a laboratory experiment structure was built to simulate a conveyor belt. A module was adapted to the structure to capture images of the transported volume under the projection of a laser beam. Software was developed, using an innovative technique for calculating the volume of grains by processing the pixels of the captured image, allowing the measurement of the volume of grains transported by the belt. Experiments with the computer vision measure- ment prototype indicated an average relative error of around 3% in measurements with different volumes of moving grains. It is concluded from this work that the technologies studied have applicability to automate the process of measuring coffee beans transported internally in an ope- rational environment, indicating low cost for development and eliminating the need for a large structure for its implementation.

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SILVA, Henrique Geraldo Guimarães. Sistema de medição volumétrica em fluxo de grãos de café. 2026. 86 p. Tese (Mestrado em Engenharia de Sistemas e Automação) - Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2024.

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