Sistemas de Instrumentação - Sistemas de aquisição de dados

Departamento de Informática
Escola Superior de Tecnologia de Viseu
Engenharia de Sistemas e Informática
SISTEMAS DE INSTRUMENTAÇÃO - 2.º ANO - Manuel Baptista
SISTEMAS DE AQUISIÇÃO DE DADOS
INDICE
1.
Introdução _________________________________________________ 3
2.
Definição de Sistema de Aquisição de Dados ____________________ 3
3.
Arquitetura dos Sistemas de Aquisição de Dados ________________ 5
4.
Tipos de Sistemas de Aquisição de Dados ______________________ 5
5.
4.1.
Sistemas Locais_________________________________________ 5
4.2.
Sistemas Remotos_______________________________________ 6
Elementos dum Sistema de Aquisição de Dados________________ 6
5.1.
Sensores e Transdutores _________________________________ 6
5.2.
Condicionadores de Sinal_________________________________ 7
5.3.
Módulos ou Placas de Aquisição___________________________ 9
5.3.1.
5.3.2.
5.3.3.
5.3.4.
5.3.5.
5.3.6.
5.4.
6.
Processadores _________________________________________ 14
Características dos Sistemas de Aquisição de Dados ____________ 14
6.1.
Precisão ______________________________________________ 14
6.1.1.
7.
Entradas Analógicas________________________________________9
Conversor Analógico-Digital (A/D) ____________________________10
Saídas Analógicas ________________________________________11
Triggers ________________________________________________12
Entradas e Saídas Digitais __________________________________12
Contadores e Temporizadores _______________________________13
Precisão Relativa _________________________________________17
6.2.
Resolução_____________________________________________ 17
6.3.
Sensibilidade __________________________________________ 18
6.4.
Ruído_________________________________________________ 21
6.5.
Calibração ____________________________________________ 22
Sistemas de Aquisição de Dados utilizando PC _________________ 23
7.1. Algumas Aplicações que utilizam Sistemas de Aquisição de Dados
baseadas em PC _____________________________________________ 26
7.1.1.
7.1.2.
7.1.3.
7.1.4.
7.1.5.
7.1.6.
Agricultura ____________________________________________26
Indústria
Automóvel___________________________________26
Meio Ambiente _________________________________________27
Industria ______________________________________________27
Gestão de Energia______________________________________28
Pesquisa & Desenvolvimento _____________________________28
8.
Sistemas de Aquisição de Dados Wireless _____________________ 29
9.
Referências Bibliográficas___________________________________ 30
2
1. Introdução
A Aquisição de Dados está presente em quase todas as nossas
actividades. Estamos cercados por todos os lados, pelos mais diversos tipos de
sistemas que recolhem informações e auxiliam o processo de tomada de
decisão.
Nós possuímos um sistema complexo de aquisição de dados. Estamos,
sempre a amostrar dados como o cheiro, luz, sons, gostos, sensações.
Baseados nessas informações, nós decidimos o que fazer para tornar nossa
vida mais conveniente.
Além do próprio homem, temos outros exemplos de sistemas de
aquisição de dados: exames e diagnósticos médicos, medição de consumo de
água e luz nas nossas habitações, pesquisas de opinião pública; todos esses e
mais uma infinidade de exemplos caracterizam a importância dos sistemas de
aquisição de dados.
No campo da Engenharia, os exemplos são também infindáveis. Muitos
cientistas e profissionais têm projectado e utilizado Sistemas de Aquisição de
Dados nas suas pesquisas de laboratório, teste e medição e na automação
industrial.
Este capítulo vem apresentar os actuais Sistemas de Aquisição
de Dados, em termos dos conceitos e critérios mais importantes na definição
e utilização destes sistemas na Engenharia de Sistemas e Informática.
Este capítulo apresenta algumas aplicações práticas onde se utiliza
aquisição de dados como elemento fundamental.
2. Definição de Sistema de Aquisição de Dados
Adquirir dados pode, de maneira simplista, ser definida como medir
informações do mundo real. A maior parte dos eventos do mundo real e a sua
medição são de natureza analógica. Isto é, a medição pode conduzir a uma
gama de valores contínuos. As quantidades físicas de interesse, podem ser
várias:
3
•
Luz
•
Temperatura
•
Pressão
•
Força
•
Deslocamento
Todas essas grandezas possuem energia. Deste modo, torna-se
necessário para sua medição a utilização de dispositivos capazes de receber
esta energia, relativa a uma determinada quantidade física da grandeza
desejada e converte-la numa forma de energia manipulável pelos circuitos
eletrónicos. Estes dispositivos são os sensores e/os transdutores. Os sensores e
transdutores recebem as quantidades físicas de grandezas analógicas e
convertem-nas em quantidades eléctricas, tais como tensão, corrente ou
impedância.
A figura abaixo mostra o processo de aquisição de dados:
Luz
Pressão
Temperatura
Força
Deslocamento
Sensores
e/ou
Sinal
Eléctrico
Transdutores
Além da própria medição, um sistema de aquisição de dados deve
garantir que os dados adqueridos possuem uma relação aceitável com o
mensurando. Para tal, além dos sensores e/ou transdutores, um sistema de
aquisição de dados deve possuir elementos que analisem e validem os dados
adqueridos
4
3. Arquitectura dum Sistema de Aquisição de Dados
Um sistema de aquisição de dados deve, assim, medir, analisar e
validar as informações adquiridas do mundo real. Para tanto, esses sistemas
devem apresentar uma arquitectura onde os elementos comunicam e se
entendem mutuamente, interagindo entre si. Isso significa que um sinal gerado
por um sensor e/ou transdutor pode ser analisado pelo condicionador de sinais,
que tem por função entregar um novo sinal, relacionado com o primeiro e que
pode ser tratado pelo conversor analógico-digital e assim sucessivamente.
4. Tipos de Sistemas de Aquisição de Dados
4.1.
Sistemas Locais
São denominados sistemas de aquisição de dados remotos aqueles cuja
aplicação se encontra próxima do sistema que irá processá-los. Para efeitos de
referência, consideram-se sistemas de aquisição de dados locais aqueles
cuja aplicação se situa a uma distância inferior a 30 metros do elemento
de processamento do sinal.
5
4.2.
Sistemas Remotos
Consideram-se sistemas de aquisição de dados remotos aqueles cuja
aplicação se encontra longe do elemento de processamento do sinal aquerido,
geralmente a uma distância superior a 30 metros.
5. Elementos de um Sistema de Aquisição de Dados
Um sistema de aquisição de dados típico para aplicações em
Engenharia de Sistemas e Informática é composto pelos elementos seguintes:
5.1.
•
Sensores e Transdutores;
•
Condicionadores de Sinais;
•
Módulo ou Placa de Aquisição de Dados;
•
Processador
Sensores e Transdutores
Os Sensores eIou Transdutores sentem o mensurando e produzem
sinais eléctricos que os sistemas de aquisição medem (Ex.: termopares,
resistências dependentes de temperatura (RTD’s), termistores e sensores em
circuitos integrados convertem a temperatura para um sinal analógico, que
pode ser medido por um conversor analógico digital). Temos também
extensímetros, transdutores de fluxo, transdutores de pressão, que medem força,
6
variação de fluxo e pressão, respectivamente. Em cada caso, os sinais
eléctricos produzidos são proporcionais aos parâmetros físicos, sob
monitorização.
5.2.
Condicionadores de Sinal
Os sinais eléctricos gerados pelos sensores e transdutores devem ser
optimizados para a escala de entrada do conversor D/A. Os dispositivos
condicionadores de sinal amplificam sinais de baixa intensidade, isolando-os
e filtrando-oes para uma medição mais precisa.
Os circuitos de condicionamento de sinal utilizados apresentam uma
grande variedade de características:
•
Amplificação – O tipo mais comum de condicionamento é a
amplificação.
Os
sinais
de
baixa
intensidade
como
os
dos termopares, por exemplo, devem-se amplificr para aumentar
a resolução e reduzir o ruído. Para uma maior precisão, o sinal
deve ser amplificado de forma, que a tensão máxima do sinal a ser
condicionado coincida com a tensão máxima de entrada do
conversor A/D;
•
Isolamento – Outra característica comum no condicionamento
sinais é o seu isolamento dos sensores/transdutores em
relação à entrada do conversor, de forma a garantir a
segurança. O sistema a ser monitorado pode conter "transientes"
de alta tensão que podem danificar o conversor. Outra razão
para o isolamento é garantir que as leituras do equipamento
de aquisição são imunes a diferenças de potencial entre as terras
ou a tensões em modo comum (CMV). Quando as entradas de
sinal a ser adquirido pelo dispositivo estão referidas à terra,
podem ocorrer problemas se existir uma diferença de potencial
em duas terras. Esta diferença pode levar ao designado curto
de terra, o que caus imprecisão na representação do sinal
adquirido; e mesmo a diferença pode ser tão alta que pode danificar
7
o sistema de medição. Através da utilização de módulos de
condicionamento de sinal isolados elimina-se o curto de terra e
garante-se que os sinais são adquiridos com precisão.
•
Multiplexagem – Trata-se duma técnica para medir diversos sinais
utilizando um único equipamento de medição. Geralmente o
equipamento de condicionamento de sinal para sinais analógicos
fornece multiplexagem para uso com sinais que variam lentamente,
tais como temperatura. O conversor A/D amostra um canal,
comuta para o próximo, amostra, comuta para o próximo, amostra e
assim sucessivamente. Por amostrar muitos canais ao mesmo
tempo, a taxa de amostragem efectiva de cada canal será
inversamente proporcional ao número de canais amostrados.
•
Filtragem – O objectivo de um filtro é remover os sinais indesejados
do sinal que se está a medir. Um filtro de ruídos é utilizado
para sinais DC, como temperatura, para atenuar os sinais de alta
frequência, que podem reduzir a precisão da medição. Geralmente ,
os sinais AC como a vibração, requerem um tipo de filtro diferente,
conhecido por filtro anti-aliasing. Tal como o filtro de ruído, o filtro
anti-aliasing é também um filtro passa-baixa; entretanto, requer
uma
frequência
de
corte
muito
alta,
e
remove
em
em geral, por completo todas as frequências do sinal superiores
à largura de banda de entrada do equipamento. Se esses
sinais não forem removidos, estes surgirão erroneamente com
os sinais da largura de banda de entrada do equipamento.
Os equipamentos projectados especificamente para medição de sinais
AC incluem filtros anti-aliasing.
•
Excitação – O condicionamento de sinais pode gerr a excitação
para alguns transdutores. Os extensímetros, termistores, e RTDs,
por exemplo, requerem uma tensão externa ou corrente de
excitação. Geralmente, os módulos de condicionamento de sinais
para esses transdutores geram esses sinais. As medições com RTD
8
são feitas geralmente com uma fonte de corrente, que converte a
variação de resistência em relação a uma tensão mensurável.
Os Extensímetros, que são equipamentos de baixa resistência,
são usados tipicamente na configuração de ponte de Wheatstone,
com uma fonte de tensão para excitação.
•
Linearização – Uma outra função do condicionamento de sinal
é a linearização. Muitos transdutores, como os termopares, têm
uma resposta não-linear às variações nos fenómenos que estão
sob medição.
Deve-se entender a natureza do sinal, a configuração que se está a
usar para medir o sinal e os efeitos do ambiente em redor do sistema.
Com base nestas informações, pode-se determinar se o condicionamento de
sinais é necessário num sistema de aquisição de dados.
5.3.
Módulos ou Placas de Aquisição
Uma placa de aquisição de dados é geralmente composta pelos
seguintes elementos:
•
Entradas Analógicas
•
Conversor A/D
•
Conversor D/A
•
Saídas Analógicas
•
Triggers
•
Entradas e Saídas Digitais
•
Contadores e Temporizadores
5.3.1. Entradas Analógicas
As especificações de entradas analógicas fornecem informações sobre
as características e a precisão do sistema de aquisição de dados. As
especificações básicas informam sobre o número de canais, a taxa de amostragem, a
resolução e a escala de entrada.
9
•
Número de Canais – O número de canais analógicos de entrada é
especificado pelas entradas single-ended e diferenciais. As entradas singleended são todas referenciadas a uma terra comum. Tipicamente, estas
entradas são usadas quando os sinais de entrada são de alto nível (maior
que 1V), as distâncias entre a fonte de sinal ao hardware de entrada
analógica são pequenas (inferiores a 3 m) e todos os sinais de entrada
partilham uma terra comum. Se os sinais não se enquadarm nesses
critérios, devem-se utilizar as entradas diferenciais. Nas entradas
diferenciais, cada entrada tem sua própria terra; os erros causados por
ruídos são reduzidos.
•
Taxa de amostragem – Este parâmetro determina a frequência com
que as conversões são efectuadas. Uma taxa de amostragem muito
alta adquire mais dados num tempo determinado, e pode portanto
gerar uma representação do sinal original. Este parâmetro é medido em
termos do n.º de amostras por segundo (samples per second, samples/s)
•
Escala – A escala refere-se aos níveis de tensão máxima e mínima que
um conversor pode quantizar.
5.3.2. Conversor Analógico-Digital (A/D)
O conversor A/D converte o sinal de entrada de natureza analógica para
um valor digital. A precisão da conversão é dependente da resolução e
linearidade do conversor. O ganho e os erros de offset do amplificador de
entrada afectam ainda a precisão. A principal característica a ser observada
num conversor analógico-digital é a sua taxa de desempenho ou seja, o sua
taxa de processamento (throughput).
Os três elementos que especificam o throughput de um conversor A/D são:
o tempo de conversão, o tempo de aquisição e o tempo de transferência:
•
Tempo de conversão: é o tempo necessário para o conversor A/D
produzir um valor digital, correspondente ao valor da entrada
analógico.
10
•
Tempo de aquisição: é o tempo necessário associado ao
circuito analógico que adquire o sinal.
•
Tempo de transferência: o tempo de transferência corresponde ao
tempo necessário para transferir os dados da interface, para os
"centros de processamento" (memória dos computadores).
O throughput é a taxa à qual os três tempos são completados.
Geralmente, o throughput é o factor mais importante na escolha da interface de
aquisição de dados. O teorema de Nyquist especifica que uma entrada deve
ser amostrada no mínimo a uma taxa duas vezes mais rápida que a componente
de frequência mais alta do sinal a ser adquerido. Por exemplo, para uma medição
precisa de um sinal de 1kHz, deve possuir uma taxa de throughput mínima de
2kHz.
5.3.3. Saídas Analógicas
As saídas analógicas são geralmente necessárias para gerar estímulos,
para um sistema de aquisição de dados. As diversas especificações para o
conversor digital-analógico determinam a qualidade do sinal de saída produzido:
tempo de ajuste, slew rate, e resolução de saída.
•
Tempo de ajuste – é o tempo necessário para a saída (um amplificador,
um relé ou outros circuitos) alcançar um modo estável. Normalmente, o
tempo de ajuste é especificado para uma alteração na escala total (FS)
em tensão.
•
Slew Rate – O slew rate é a taxa máxima de variação que o conversor
digital analógico pode produzir para o sinal de saída. O tempo de ajuste
e o slew rate trabalham juntos, na determinação da rapidez das
alterações no nível do sinal de saída. Portanto, um conversor digital
analógico com um pequeno tempo de ajuste e um slew rate alto podem
gerar sinais de alta frequência porque é necessário um tempo pequeno
para alterar com precisão a saída para um novo nível de tensão.
11
•
Um exemplo de aplicação, que requer elevado desempenho desses
parâmetros é a geração de sinais de áudio. O conversor D/A precisa dum
slew rate alto, dum pequeno tempo de ajuste para gerar sinais de alta
frequência, para cobrir a escala de áudio. Por contraste, um exemplo de
aplicação que não requer conversão D/A rápida é o duma fonte de tensão que
controla um aquecedor. Isto porque o aquecedor não responde
rapidamente a alterações de tensão, portanto uma rápida conversão D/A
torna-se desnecessária.
•
Resolução de Saída – é o número de bits no código digital que gera o
sinal analógico. Um número de bits elevado reduz a amplitude de cada
incremento de tensão de saída, tornando possível, desse modo a geração
de sinais que variam suavemente. As aplicações que requerem uma escala
dinâmica grande, com pequenas variações incrementais de tensão no
sinal de saída analógico, precisam duma resolução de saída alta.
5.3.4. Triggers
Muitas aplicações necessitam de parar ou iniciar uma operação de
aquisição de dados, com base num evento externo. Os triggers digitais
sincronizam a aquisição e a geração de tensão, através dum impulso digital externo.
Os triggers analógicos, usados essencialmente nas operações que envolvem
entradas analógicas, param ou iniciam a operação de aquisição quando um
sinal de entrada atinge um nível de tensão especificado e/ou troca sua polaridade.
5.3.5. Entradas e Saídas Digitais
Geralmente as Interfaces de Entrada e Saída Digital são usadas
nos sistemas de aquisição de dados baseados em PC para controlar os processos,
gerar padrões para teste e comunicar com os equipamentos periféricos. Em cada
caso, os parâmetros incluem o número de linhas (entradas/saídas) digitais, a
taxa à qual se pode admitir e gerar dados digitais nessas linhas, assim como a
capacidade de acionamento dessas linhas. Se as linhas digitais são usadas
para controlar eventos tais como desligar aquecedores, motores ou luzes, não é
12
normalmente necessária uma taxa de dados alta, pois esses equipamentos não
têm uma resposta muito rápida. O número de linhas digitais deve estar
relaciondo com o número de processos a serem controlados. Em cada um
desses exemplos, a corrente necessária para accionar e desligar esses
equipamentos deve ser menor que a corrente disponibilzada pelo equipamento.
Contudo, com acessórios de condicionamento de sinais digitais
apropriados, podem-se usar sinais TTL de baixa corrente, do hardware de
aquisição de dados, para monitorar ou controlar tensões elevadas e sinais de
corrente de dispositivos industriais. Por exemplo, a tensão e a corrente
necessárias para abrir e fechar uma válvula grande, são aproximadamente
100 VAC e 2 A. Por estar a saída um dispositivo digital torno de 0 a 5 V DC
e alguns miliamperes, é necessário geralmente um módulo de accionamento
com acoplamento óptico, para activar o sinal de potência que controla a
válvula.
Uma aplicação comum que utiliza um dispositivo digital é a
transferência de dados entre um computador e equipamentos como os data
loggers, os processadores de dados, e as impressoras. Como normalmente estes
equipamentos trabalham com transferência de bytes (8 bits), as linhas digitais
num dispositivo digital são organizados em grupos de 8. Além disso, alguns
módulos ou placas possuem elementos de hand-shaking para a sincronização da
comunicação. O numero de canais, a taxa de dados e o hand-shaking são
especificações importantes, que devem ser compreendidas e analisadas de
acordo com as necessidades da aplicação.
5.3.6. Contadores e Temporizadores
Normalmente, os contadores e os temporizadores são utilizados em
muitas aplicações, incluindo a contagem de eventos digitais, a temporização digital
de impulsos e a geração de ondas quadradas e de impulsos. Podem-se implementar
todas essas aplicações, utilizando os três sinais de contadores e temporizadores - gate,
fonte e saída.
•
Gate – A gate é a entrada digital, que é usada para habilitar (enable) ou
desabilitar (disable) a função do contador;
13
•
Fonte – O sinal de fonte é a entrada digital que provoca o incremento do
contador em cada impulso, gerando assim a base de tempo para as operações
de temporização e contagem;
•
Saída – A saída gera ondas quadradas ou impulsos na linha de saída.
As especificações mais importantes para operações de contagem e
temporização são a resolução e a frequência de clock. A resolução é o número
de bits que o contador utiliza. Uma alta resolução significa simplesmente que o
contador pode incrementar. A frequência do clock determina a velocidade a
que se pode activar a fonte de entrada digital. Com uma frequência mais alta, o
contador a incrementação é mais rápida e portanto podem-se detectar sinais
de maior frequência na entrada e gerar impulsos de maior freqüência e ondas quadradas
na saída.
5.4.
Processadores
Os elementos responsáveis pelo processamento dos sinais adquiridos
são os processadores. Actualmente os mais utilizados em sistemas de aquisição de dados
são os computadores pessoais (PC).
6. Características dos Sistemas de Aquisição de Dados
6.1.
Precisão
A precisão dos dados adquiridos por um sistema de aquisição depende
basicamente do dispositivo utilizado na aquisição. A avaliação da precisão
precisa do conhecimento dos dados e das fontes que podem contribuir para o
erro.
Existe uma variedade enorme de formas e configurações de dispositivos
de aquisição de dados, tornando difícil a comparação de produtos. Porém, durante
a especificação, a precisão do dispositivo merece uma atenção especial . Com que
grau um determinado dispositivo está livre de erro? Para tal determinação é
necessário um pouco de experiência.
Torna-se fácil confundir resolução do conversor A/D de um dispositivo com a
precisão global do sistema. A resolução é a menor variação incremental que o
14
conversor A/D pode reconhecer. A precisão global de um sistema é sempre
menos precisa. Por exemplo, um conversor A/D de 16-bits tem uma resolução
de 1 em 65,536. Combinando a precisão do conversor A/D com os diversos
componentes que interferem na aquisição, chega-se a uma precisão global
do sistema de 3 a 100 em 65,536.
Os fabricantes de dispositivos de aquisição de dados utilizam vários
métodos e condições para definir a precisão. Uma conceptualização, diz
que a precisão descreve a quantidade de incerteza que existe numa medição
relativamenteo ao padrão absoluto. Mas, geralmente, a precisão de um
dispositivo é melhor definida através da soma de três componentes: a
leitura, a escala e o bit menos significativo (LSB). Quando esses componentes
são computadas, a precisão do dispositivo (ou incerteza) é maior que 1
LSB.
Normalmente, a precisão não é constante em toda a escala; varia com a
amplitude – temos erros maiores no inicio da escala e resultados mais
precisos no fim. Ao comparar os diferentes dispositivos, a aproximação
mais prática é feita através da análise da precisão especificada na folha de dados
fornecida pelo fabricante para uma determinada medida de tensão, e da definição
dos limites superiores e inferiores. Um dispositivo com a menor variação de tensão é o
mais preciso para a medida duma determinada tensão.
Para determinar o desempenho real do sistema, devem-se considerar
todas as fontes de erro possíveis, tais como o dispositivo D/A, os sensores
externos ou as fontes de sinal, e toda a instalação eléctrica conectada. Combinam-se
estas fontes de erro através do método da raiz quadrada da soma dos quadrados.
Obtemos desta forma um parâmetro verdadeiro da precisão do sistema. Se
se verificar que a aplicação apresenta resultados menos precisos que o
esperado, pode-se dizer que alguma fonte de erro foi negligenciada durante
a análise
O erro pode ser também introduzido por sinais indesejados que afectam a
precisão de sistema. Enquanto os sinais externos ideais teriam impedância zero e
um nível de ruído desprezível, os sinais reais contêm ruído e uma impedância diferente
de zero. Estes aspectos indesejáveis dos sinais e as limitações internas dos
dispositivos de D/A reduzem a precisão. Nenhum sensor é perfeito, e nenhuma
15
instalação está livre de ruído; assim todas aplicações que envolvam medida de dados
terão alguma incerteza que não pode ser controlada ou prevista.
Em geral, os dispositivos de aquisição de dados têm circuitos de
condicionamento de sinal entre a fonte deste e o conversor A/D. Estes circuitos
contribuem para a falta de exactidão através como offset, erro de ganho, e ruído.
A tensão de offset é um valor de tensão diferente de zero entregue ao conversor
A/D quando os dados lidos pelo circuito (provenientes dos elementos de leitura
como os sensores) forem diferentes de zero. O erro de ganho é a diferença entre
ganho ideal e ganho actual. O ruído entra na forma de ruído térmico nas
resistências, conduzindo ou induzindo níveis de potência DC nas fontes de
alimentação ou nos circuitos digitais, e ruídos nos fios de tensão AC. A
redução da maioria do ruído pode ser feita utilizando dispositivos D/A com
canal de condicionamento individual e incluindo filtros passa-baixos em cada
canal.
Outra fonte de erro é o aliasing. Se um conversor A/D converte algumas
componentes de frequência iguais ou próximas da frequência de conversão A/D,
o aliasing surge. O aliasing causa a entrega de dados errados devido às baixas
frequências no conversor A/D. Geralmente pode-se prevenir o aliasing limitando
a largura de banda do circuito de entrada de amplificação, para menos da metade
da frequência de conversão A/D. Frequentemente alguns fabricantes incluem
filtros passa-baixa, ou filtros anti-aliasing para eliminar esta fonte de erro. A
segunda causa mais comum de aliasing, é uma taxa de amostragem muito
baixa em relação ao sinal de entrada. Pode-se evitar isto facilmente, através
do aumento da taxa de amostragem.
Os dispositivos de aquisição de dados utilizam dois tipos de
conversores A/D para gerar níveis diferentes de precisão. Os conversores de
aproximação sucessiva com andares de sample-and-hold na entrada de alta
velocidade excedem 1 MHz; porém, as leituras individuais estão sujeitas a níveis
de ruído que devem ser calculadas de forma a obter uma leitura o mais precisa
possível. Este conversor é o mais frequentemente encontrado na maioria das
placas de aquisição.
16
6.1.1. Precisão relativa
A precisão relativa é a medida em LSBs do pior caso de desvio da função
de transferência do equipamento de aquisição de dados em relação à ideal,
uma recta. Esta determina-se ligando o equipamento de aquisição de dados
a uma tensão de fim de escala (FS) negativa, digitalizando-a, aumentando
a mesma e repetindo os passos até a escala de entrada ser coberta. Quando
os pontos digitalizados são traçados, o resultado é uma aparente linha recta.
Contudo, pode-se subtrair a recta actual dos valores digitalizados e traçar os
pontos resultantes, como mostrado a seguir. O desvio máximo do zero é a
precisão relativa do equipamento.
Determinação da precisão relativa de um dispositivo de aquisição de dados. A figura da
esquerda mostra a aparente linha recta gerada pelo varrimento da entrada. A figura da
direita mostra, após subtracção dos valores digitalizados com os valores da linha recta a
precisão relativa.
6.2.
Resolução
Em termos relativos, a resolução descreve o grau pela qual uma
mudança pode ser detectada. Esta é expressa como uma fracção duma quantidade
facilmente relacionável. Por exemplo, os fabricantes de impressoras descrevem
geralmente a resolução como pontos por polegada: o que é mais fácil do que
comparar com pontos por página.
No universo da aquisição de dados, a resolução é expressa geralmente
como o número de bits tais como 12, 16, ou 20. No universo dos multímetros
17
digitais, a resolução é descrita normalemte em relação ao número de dígitos;
como 4, 5, ou 6.
Para relacionar is bits de resolução com os parâmetros de medição tais
como a tensão ou a temperatura, devem-se realizar alguns cálculos. Suponhamos
um equipamento de aquisição de dados com uma escala total de ±10 V, com
16
16 bits de resolução. Para relacionar a resolução em volts, deve-se calcular 2 ,
que é 65,536.
Como resultado, o equipamento pode gerar uma parte dos 65,536;
sendo a escala ±10V (20V pico-a-pico), o equipamento pode gerar 20
V/65,536 = 305 µV. Geralmente isto significa que a menor variação que pode
ser detectada pela medição é de 305 µV.
Na realidade, nem toda a resolução é necessariamente utilizada, devido a
outros factores, entre os quais o mais significativo, que é o ruído. Um produto
especificado com uma resolução de 16 bits deve ter 4 bits para o ruído. Desta
forma, dos 16 bits, pode-se somente gerar 12.
6.3.
Sensibilidade
A sensitibilidade é uma quantidade absoluta. A resolução é uma quantidade
relativa. A sensibilidade descreve a menor quantidade absoluta da alteração que
pode ser detectada pela medição, expressa geralmente em termos de milivolts, ou décimos de grau.
A sensibilidade não deve ser confudida com a precisão — são
parâmetros completamente diferentes. Por exemplo, um equipamento com
uma sensibilidade de 1mV pode gerar 10mV se a entrada aplicada for de 10V. Se
uma entrada de 10V varia de 1mV, o equipamento poderá ainda observar a
diferença. A sensibilidade pode algumas vezes ser aumentada realizando a
média.
A sensibilidade actual é mais uma função do equipamento de medição do
que do meio ambiente em que a medição se efectua. Um equipamento
deve ser perfeitamente capaz de fazer medições com uma sensibilidade de 1µV. Mas
se a cablagem não é adequadamente ligada à terra e não se evitar as tensões
geradas termicamente, então alcançar a sensibilidade de 1µV será impossível.
18
A forma mais fácil para determinar a sensibilidade de um equipamento é
ver o desempenho na sua escala mais baixa. A especificação de ruído nesta
escala será ditada largamente pela sensibilidade do dispositivo. Outros factores
como as entradas de curta duração, o dreno da tensão de offset e a qualidade dos
conectores de entrada, infleuenciam a sensibilidade.
A seguir, apresenta-se um exemplo de aplicação real utilizando um
sistema de aquisição de dados baseado na placa IOtech Personal Daq/56
USB-based. A tabela a seguir apresenta um resumo das especificações de
medição desse produto. Assuma que possui um sensor ou transdutor que
funciona com uma escala de saída entre poucos microvolts e 3 V.
Speed vs Resolution
Maximum Sample Rate
(S/s)
Resolution (Bits rms)
(-4V to +4-V Range)
Slow, 60-Hz Rejection
3.2/s
22
Medium, 60 Hz Rejection
9.2/s
21
Fast
48/s
17
Very Fast
80/s
15
Speed Designation
Programmable Voltage Ranges
-4 V to +4 V
-2 V to +2 V
-1 V to +1 V
-500 mV to +500mV
-250 mV to +250 mV
Slow
4
4
2
1.5
<1
RMS Noise (µV)
Medium
5
4
3
2
2
Fast
60
30
20
15
8
Suponha, que em determinadas condições, a saída do sensor é 200 mV, e
noutas condições a saída é 3V. Determinaremos a resolução,
a sensibilidade e a precisão da medição para cada uma dessas condições.
Primeiro, deve-se considerar a dependência entre a velocidade e
a resolução. Para este exemplo, garante-se a máxima resolução, e assim,
selecciona-se uma taxa de conversão baixa, de forma a fornecer a melhor rejeição
ao ruído resultando uma resolução disponível de 22 bits.
19
•
Precisão
Com base na especificação do desempenho para um ano, para a escala de 15 a
35°C de temperatura ambiente, a precisão é 0.01% da leitura + 0.002% da
escala (sem contribuição de ruído). Esta é a precisão absoluta.
-
Com um sinal de 200 mV usando 250 mV de escala:
0.01% × 200 mV = ±20 µV
-
Para o percentual da escala usando 250 mV de escala:
0.002% × 250 mV = ±5 µV
A incerteza devida ao ruído nesta escala é de 1 µVrms ou ±3 µV p-p, um
valor bastante pequeno.
A menos que se faça alguma correcção (uma subtracção aritmética
simples do valor de offset medido), deve ser ainda incluída a incerteza devido à
entrada de tensão de offset. A especificação para o pior caso é de 20 µV para a
Personal Daq/56.
A incerteza total na medição para uma saída de 200 mV do sensor é:
(20 µV + 5 µV + 20 µV +3 µV) = ±48 µV
Isto implica que para uma saída de 200mV do sensor, pode ser medida
uma precisão de ±48 µV.
Usando a mesma metodologia, calcula-se a precisão para uma saída de
3 V do sensor. Neste caso, usa-se uma escala de 4 V.
Incerteza Total = ±(300 µV + 80 µV + 20 µV + 12) = ±412 µV
Assim, a precisão das medidas quando a saída do sensor for 3 V será
conservativamente ±412 µV.
•
Resolução
A tabela anterior mostra que a resolução disponível especificada para
uma escala de 4V é 22 bits rms. Determina-se a resolução ao nível de 3V.
Deve-se lembrar que a resolução é a razão entre o máximo sinal que se
está medindo e a menor parte que se pode entender. A especificação de ruído
para a escala de 4V é is 4 µVrms, que representa a menor parte que se pode
entender.
20
4 µVrms/3 V = 1 parte de 750,000, na qual é aproximadamente 220, ou
20 bits rms
Para o exemplo de 200mV, 1 µVrms/200 mV = 1 parte de 200,000, que é
aproximadamente 218, ou 18 bits rms
Para ambos os exemplos, a resolução é limitada pelo ruído. Se tivesse
sido usada uma resolução de 16 bits ao invés de 22 bits, então o conversor
analógico-digital – ao contrário do ruído – seria o factor limitante, reduzindo a
resolução de 16 bits.
•
Sensibilidade
Uma medição mais sensível pode ser feita na escala de 250 mV, onde o
ruído é µVrms. Neste caso, a sensibilidade é 1 µVrms, ou 6 µV p-p (ruído picoa-pico é calculado como ~6x o valor rms). Se as medidas estiverem confinadas à
escala de 4 V, a sensibilidade é de 4 µVrms ou 24 µV p-p.
•
Observações
Um resumo dos resultados encontrados está na tabela seguinte. Esta
mostra que se pode obter melhor sensibilidade numa escala mais baixa. Contudo,
as escalas mais baixas, geralmente limitam dinamicamente a escala das medidas,
neste caso para ±250 mV. Se existe dúvida sobre a saída que o sensor deve ter,
então procura-se uma escala maior com maior sensibilidade ao configurar
as medições.
Sensor Signal
Best Range
Accuracy
Resolution
Sensitivity
200 mV
± 250 mV
± 48 µV
18 bits
6 µV
3V
±4V
± 412 µV
20 bits
24 µV
6.4.
Ruído
Qualquer sinal indesejado que apareça no sinal digitalizado de um
sistema de aquisição de dados é denominado ruído. Num sistema de aquisição
baseado em PC, por ser o PC um ambiente digital ruidoso, a aquisição de
dados tem uma construção cuidadosa em diversas camadas. Pois, colocar
simplesmente um conversor A/D, um amplificador de instrumentação e
21
um barramento de interface sobre uma ou duas camadas de uma placa irá
resultar certamente num equipamento ruidoso.
Os projectistas podem usar massa metálica sobre o dispositivo de
aquisição para ajudar a reduzir o ruído. Uma massa apropriada não só
deverá ser adicionada em torno das partes analógicas sensíveis, como ainda
deve ser construída dentro das camadas de dispositivos à massa.
A figura a seguir mostra uma curva de ruído DC que foi encontrada com
uma escala de ±10 V e um ganho de 10. A entrada de um amplificador de
instrumentação, que multiplexa 40 sinais DC parece ser um sinal AC de
alta frequência.
6.5.
Calibração
A calibração é necessária para se alcançar uma maior precisão. Pode-se
optar por diferentes sistemas de calibração, cada um com um grau diferente de
precisão. Os dois elementos principais de calibração são os compensadores e
os elementos de ganho.
22
Não é comum seleccionar componentes de valores fixos para os andares de
amplificação da entrada de um conversor A/D e esperar atingir uma precisão
aceitável, além de 8 bits. Para sistemas de 12-bits, as componentes ajustáveis
manualmente podem gerar bons resultados dentro de uma faixa estreita nominal.
Para sistemas de 16-bits, o ajuste manual de calibração é algo bastante difícil.
Métodos de calibração de hardware por meio de software utiliza
conversores D/A para compensação, cancelando tensões e erros de ganho
antes da conversão A/D acontecer. Alternativamente, podem ser aplicadas
constantes de correção de software aos dados digitais depois da conversão
A/D,com base na calibração previamente estabelecida.
Se se calibrar o sistema por canal, as correções também podem cobrir
variações de canal-para-canal. Para sistemas que funcionam em ambientes com
temperatura variável, as técnicas de auto-ajuste podem cancelar os efeitos
indesejados dos compensadores originalmente afectados pelo ambiente.
A maioria dos dispositivos de conversão A/D requer padrões externos,
entretanto, para a recalibração de alta precisão, estes padrões podem causar
problemas inesperados. Por exemplo, os calibradores de tensão DC têm baixa
largura de banda e podem exibir transientes de saída quando conectados a uma
carga variável no tempo, como um canal de entrada multiplexada. Tal
transiente pode resultar numa tensão mais baixa entregue ao
conversor A/D do que a indicada pelo calibrador.
A calibração incorrecta pode reduzir a precisão dos dados dum modo
inesperado. A maioria dos dispositivos D/A multiplexam vários canais num
único canal de entrada, que amplifica o sinal antes de o entregar ao conversor
A/D. Alguns dispositivos de multiplexagem podem perturbar a fonte de
alimentação se a impedância for maior que 100 Ω . Isto pode levar a
perturbações e a resultados aparentemente inexplicáveis, particularmente
quando o dispositivo de D/A foi calibrado recentemente.
Se as fontes de alimentação não forem conhecidas em relação à impedância,
deve-se utilizar um sistema com buffer.
7. Sistemas de Aquisição de Dados utilizando PC
Existe alguma surpresa por o uso de computadores pessoais se ter
tornado a plataforma mais popular para aquisição de dados? Os PC’s são
23
abundantes no ambiente de trabalho, que é difícil encontrar um ramo de
negócio que não os utilize. Desde que o barramento ISA (Industry Standard
Architecture) permitiu ao utilizador adicionar uma série de placas de expansão,
milhões de utilizadores tem adicionado placas de aquisição de dados nos PC’s.
Os motivos dessa explosão são muitos:
•
Baixo Custo – Usar um PC para realizar aquisição de dados
é algo simples. O custo dos PC's tem baixado
muito nos últimos anos, ao passo que se têm tornado
mais rápidos e mais poderosos. Actualmente, não existe um
custo efectivo da plataforma. Além disso, mais pessoas no
ambiente de trabalho tem uma experiência considerável de
trabalho com PC's, e na maioria dos casos existe
uma curva de aprendizagem muito curta.
•
Arquitectura Aberta – A arquitectura aberta dos PC's permite
ao utilizador flexibilidade para configurar qualquer sistema.
A sua grande popularidade tem criado uma rede de
suporte de todos os tipos, o que tornou a procura de periféricos e
software extremamente fácil. Como mais e mais normas
têm sido desenvolvidas, a compatibilidade entre os diferentes
fabricantes de placas e periféricos tem deixado de ser um
problema.
•
Poderoso – Por os PC’s se terem tornado mais poderosos e
robustos, tem sido fácil superar as limitações que impediam as
pessoas de considerar o PC como uma plataforma de aquisição de
dados. A Instrumentação Inteligente oferece diversos produtos
que permititem um elevado número de canais, podendo chegar até
240 canais digitais de I/O numa única placa. As placas de alta
velocidade permitem capturar transientes e formas de onda
a velocidades até 100MHz. As placas com processadores
24
DSP (Processamento digital de sinais) podem manipular o
processamento intenso de sinais e aplicações de alta
velocidade.
•
Versatilidade - Os sistemas baseados em PC’s já não estão
limitados a placas ligadas internamente. Com o
advento dos computadores portáteis e notebooks surgiu uma
variedade de sistemas de aquisição de dados portáteis
Pode-s realizar qualquer operação de entrada e
saída, analógica ou digital, convenientemente através do
barramento ISA: por exemplo, pela porta paralela ou por um
slot
PCMCIA.
competitivamente
A
Instrumentação
sistemas
Inteligente
completos,
para
oferece
ambas
as
interfaces.
•
Software – Além disso tudo, não existe nenhuma plataforma
melhor que o PC para tirar proveito do poder do software
disponível actualmente. Com um bom pacote de software de
aquisição de dados pode-se fazer um completo uso da
interface de utilizador do Microsoft Windows
adapatando o seu sistema aos seus próprios requisitos. Podese realizar um poderoso processamento de sinais e análises,
criar
ecrãs
profissionais,
extremamente
realistas
para
apresentar os dados e exportá-los para outras aplicações de
software tais como folhas de cálculo ou bases de dados, tudo sem
qualquer conhecimento de programação.
25
7.1.
Algumas Aplicações que utilizam Sistemas de
Aquisição de Dados baseados em PC
7.1.1. Agricultura
•
Sistema de Controlo e Monitorização de Estufas – Um PC é
utilizado para monitorar e controlar a temperatura, a humidade e
a irrigação. Um fino controlo e monitorazação permitem avaliar
os métodos precisos a serem conduzidos para determinar as condições
optimizadas para as culturas.
•
Sistema de Controlo e Monitorização de Criação de Peixes Um PC é utilizado para controlar as condições da água. O sistema
monitoriza a temperatura, o pH e a taxa de oxigénio dum tanque. Estas
informações são usadas no controlo dos compressores,
dos aquecedores, dos misturadores ácido/base e da entrada e saída de
fluxo de água para manter as condições desejadas.
7.1.2. Indústria automóvel
•
Teste de Estrada – Os sistemas com PC portáteis são usados para
capturar e analisar dados pertinentes dos factores de desempenho
tais como o ruído, o desempenho do motor, da suspensão, da aceleração e
dos travões.
26
•
Teste Automóvel de Pré-Montagem - As soluções de aquisição
de dados baseadas em PC são usadas no teste eléctrico e
eletrónico de montagem, tais como um painel de comando. Um
painel de comando é colocado numa instalação de teste e o PC
controla os actuadores que movem as chaves e os controles e
medem o resultado. Um sistema testa 5 painéis de comando de cada
vez: até 150 tipos de montagens são testados.
7.1.3. Meio Ambiente
• Monitor de Aquecimento Solar de Água – Um PC com uma
placa multifunção é usada para medir a eficiência e a distribuição
de temperatura dum aquecedor solar de água. A água aquecida
é utilizada para fornecer água quente aos moradores de um
complexo de apartamentos.
• Sistemas de Controlo de Poluição – Uma placa DAQ é
usada para monitorar uma série de sensores que medem o nível
de poluentes do ar, que passaM através do sistema. Baseado
nessas medições, o sistema usa um queimador para eliminar a
presença dos poluentes antes de liberar o ar para fora. O sistema
é usado em pequenas e médias fábricas de componentes
semicondutores.
7.1.4. Indústria
• Sistema de Monitoramento da Qualidade de Água - Múltiplos
PC’s com placas de aquisições de dados são usadoss para
monitorizar a qualidade da água usada numa instalação de
produção automóvel. O sistema mede a qualidade da água
armazenada nos tanques usadas para lavar as peças do carro
antes da pintura. A monitorização on-line dos tanques
reduz as anomalias, causadas pelos produtos químicos usados no
processo.
27
• Simuladores
de
Equipamentos
de
Radiação
–
Muitos
fabricantes de equipamentos de raio-X usam uma combinação de
placas e módulos de expansão para construir equipamentos
simuladores de radiação usados na terapia do câncro. Os
simuladores são usados para o desenvolvimento de software e
experiências de Pesquisa e Desenvolvimento.
7.1.5. Geradores de Energia
• Monitorização de Sistemas Geradores Portáteis - Uma placa
DAQ é usada para implementar um sistema de teste de
geradores de energia portátil. O sistema monitora as entradas,
as saídas e as condições de funcionamento tais como a potência de saída,
a temperatura, o consumo de combustível, o fluxo de ar e a eficiência.
• Monitorização de Centrais Nucleares – Uma placa DAQ é
usada para monitorar a distribuição de temperatura no sistema de
fluxo de vapor de uma central nuclear. Depois dos dados de
temperatura terem sido adquiridos, são exibidos graficamente
usando software (ex: LabVIEW).
7.1.6. Pesquisa & Desenvolvimento
• Analisador de Distribuição de uma Tostadeira – Uma placa de
entrada analógica em conjunto com um condicionador de sinal é
usado para medir a distribuição de temperatura através de uma
fatia de pão. Os dados coletados são usados para refinar o
projeto de uma tostadeira. Um segundo sistema calcula o projeto
de uma máquina de café.
• Analisador dum Motor de Alta Potência - Uma placa multifunção
com contadores adicionais é usada para calcular a performance
28
de motores eléctricos de alta potência usados em aspiradores de
pó.
8. Sistemas de Aquisição de Dados Wireless
Os Sistemas de Aquisição Wireless constituem um exemplo de sistema de
aquisição de dados remoto. A tecnologia Wireless é uma alternativa
à cablagem para a troca de dados em medições e aplicações de automação.
As vantagens incluem:
•
solução mais barata e mais conveniente;
•
compatibilidade com aplicações que envolvem partes móveis ou
correias de transporte;
•
fácil de usar devido à configuração transparente.
Pode-se utilizar comunicação sem fios para qualquer faixa de
frequência livre de licença ou frequências autorizadas. Pode-se adquirir
dados num local que possua um sistema de I/O distribuído, e então transmitir
em cima de ondas de rádio para um computador. Dependendo do poder do
transmissor,
são
permitidas
distâncias
até
10
Km
não
necessariamente dentro de linha-de-visão.
29
9. Referências Bibliográficas
•
DAQ Designer 2001 – National Instruments Corporation (Catálogo
Eletrônico)
•
Data Acquisition and Control Tutorial – www.promicro.com
•
http://daq.virtualave.net/webpages/daq/daqtut.html
•
http://www.natinst.com/catalog/overviews/daq.htm
•
http://www.taltech.com/introserial.htm
•
http://www.datx.com/products/dataacq/datut.html
•
http://digital.ni.com/appnotes.nsf/web/product/
30