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Licenciatura em Engenharia Electrotécnica e de Computadores Projecto/Seminário/Trabalho Final de Curso FEUP JULHO 2001 - 1 - ÍNDICE Introdução 2 Metodologia - Norma EN 153 4 - Labview 6 Implementação 7 Validação 22 Conclusões 23 Bibliografia 24

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Licenciatura em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Projecto/Seminário/Trabalho Final de Curso FEUP JULHO 2001 - 1 -

ÍNDICE

Introdução 2

Metodologia

- Norma EN 153 4

- Labview 6

Implementação 7

Validação 22

Conclusões 23

Bibliografia 24

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INTRODUÇÃO:

O estágio foi realizado sob a denominação de Sistematização dos Ensaios de Medição de

Consumo Energético e de Poder de Congelação de Equipamento de Frio, de acordo com a norma

EN153. O trabalho decorreu no Instituto Electrotécnico Português (IEP) na Senhora da Hora e

incidia sobre a referida norma, pois os equipamentos a ensaiar, frigoríficos, combinados e arcas

tinham que ser submetidos a ensaios de medição de consumo, que se baseavam na verificação de

determinadas condições de temperatura (interior e exterior) e de humidade relativa do ar. Todos os

automatismos foram desenvolvidos em Labview, linguagem de programação da National

Instruments (NI), que têm equipamentos específicos para a aquisição e tratamento de dados.

A finalidade deste trabalho era a realização de diversas aplicações que, em conjunto,

controlassem o ensaio dos equipamentos atrás referidos, rentabilizando deste modo os meios do

laboratório. Com a sistematização do ensaio veio a consequente libertação de recursos humanos,

constituindo este facto um fundamental requisito do IEP. A portabilidade do programa era também

um aspecto importante, pois foi demonstrado o interesse em controlar a aplicação de qualquer ponto

da rede interna do IEP, possibilitando da mesma forma o controle da aplicação através de outras

linguagens que não sejam o Labview. A finalidade deste trabalho foi também a necessidade de eu,

como aluno da Faculdade, me aproximar à realidade do mercado de trabalho exigindo, da minha

parte, um correcto planeamento, quer de manutenção, custos e reutilização de todo o trabalho

efectuado, obedecendo desta forma a um dos principais requisitos da disciplina.

No laboratório de Electrodomésticos do IEP, já se encontrava um programa em Labview o

qual efectuava a aquisição de temperaturas através de uma placa da NI, AMUX 64 T. Este

programa foi desenvolvido por uma empresa exterior ao IEP, a MCM.

Devo referir que todo este processo foi ganhando forma ao longo do estágio, sendo que,

enquanto tomava conhecimento da norma, delineava as parametrizações do programa bem como as

placas que haveria de utilizar. O resultado final é o culminar de várias etapas que foram moldadas

pelos requisitos do IEP, pela disponibilidade de equipamento e algumas restrições devido ao

desconhecimento da linguagem de programação.

O sistema implementado está descrito abaixo sobre a forma de diagrama de blocos ( Fig 1).

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Fig. 1 – Diagrama de blocos da aplicação implementada

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METODOLOGIA:

- Norma:

Efectuado o prévio estudo a norma em questão, EN 153, que resume todo o procedimento

relativo ao ensaio a equipamentos refrigeradores, retive todas as exigências que esta impunha. Após

a carga do equipamento com uma determinada matéria dava-se inicio ao ensaio, ligando o

equipamento à rede eléctrica onde a tensão era estável (220V 61%) e as condições ambientais

exteriores ao equipamento obedeciam ao imposto pela norma. A temperatura ambiente era 25 60,5

ºC, a humidade relativa situava-se entre 45% e 75% e a velocidade do ar era 0,25 m/s. Estando o

equipamento em funcionamento regula-se o termostato para a temperatura pretendida para o ensaio.

Provavelmente, durante o decorrer do ensaio, será necessário actuar o termostato de modo a se obter

a temperatura requerida no interior do refrigerador. Durante esta etapa inicia-se a aquisição de

temperaturas para se observar o seu comportamento, suas variações durante os ciclos de termostato

e verifica-se qual o ponto de estabilização. A aquisição de temperatura é realizada com termopares

distribuídos pelo interior do equipamento de modo a se efectuar a leitura das temperaturas

interiores. Considera-se que as temperaturas estabilizam quando, entre dois ciclos de termostato

(ascendente ou descendente), a temperatura não variou mais de 0,5 ºC em módulo. A condição de

ensaio completa-se com a obrigação das temperaturas interiores do refrigerador estarem contidas no

intervalo definido pela norma. Quando as condições atrás se verificarem é iniciado o ensaio de

consumo, ou seja, a partir do momento em que todas as condições são verdadeiras é iniciada a

medição do consumo do aparelho durante 24 horas estando, no final, o termostato desligado (OFF),

ou 24 horas mais a duração do último ciclo de termostato ligado (ON). Obtido o consumo do

refrigerador durante 24 horas calcula-se o consumo anual de energia eléctrica do aparelho, que é

igual ao último valor multiplicado por 365 dias. A partir deste ponto efectuam-se os cálculos

definidos na Portaria nº1139/94 de 22 de Dezembro para se obter a classe de eficiência energética (

fig.2).

Fig. 2 – Exemplo de ensaio: ciclos de termostato.

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A norma terá efeito apenas no nível de controle ou seja, aquando da realização do programa

em Labiew, pois o nível de protocolo de comunicação será estanque quer ao nível físico quer ao

nível de controle. Com esta estrutura cria-se um interface entre nível físico e nível de controle

(lógico). Reforça-se assim, a ideia de portabilidade e de flexibilidade requerida para esta aplicação

pelo IEP. Para respeitar todos os requisitos impostos pela norma será necessário efectuar a

aquisição de temperaturas em tempo real, esta tarefa é realizada por uma placa da NI, o AMUX

64T. A comutação da alimentação do refrigerador para um contador de energia eléctrica, é

efectuada através de uma placa de relés da NI, que alimentará um relé de potência que efectua a

comutação da alimentação.

Convém ficar presente que estas tarefas são efectuadas por dois computadores. O primeiro,

um computador portátil que faz a aquisição de sinais (temperaturas e ciclos de termostato) e um

outro fixo que efectua a verificação das condições de início de ensaio de consumo e controla os

relés de comutação de alimentação.

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- Labview:

A iniciação ao Labview foi a fase mais árdua do estágio, pois o desconhecimento da

linguagem obrigava ao estudo e a um conhecimento das potencialidades da mesma. Iniciei o estudo

da linguagem resolvendo alguns tutoriais enquanto estudava os manuais do Labview, que

acompanham o software de instalação. Desde cedo verifiquei que o Labview era uma linguagem

versátil e que tinha elevado potencial, já que o software continha diversas aplicações vocacionadas

para a aquisição de dados. O primeiro tutorial realizado foi o que vem juntamente com o pacote de

software do Labview, que inicia na programação gráfica. Efectuadas diversas pesquisas sobre o

assunto foram encontrados alguns tutoriais, tendo particular interesse um que, durante uma série de

passos, abordava todas as estruturas, variados VI’s (Virtual Instruments), sua respectiva criação e

implementação para programas de simulação ( http://eelab.usyd.edu.au/labview/contents.html ).

Realizado o tutorial na sua total extensão, que consistia em 10 lições, ainda pairava uma dúvida:

Como interagem as placas da NI com o programa em Labview? A resposta era simples, sendo

apenas necessária a definição da placa na pasta ‘Measurement and Automation’ do pacote DAQ

(Data Aquisition), e a partir deste ponto a nossa placa tinha um ‘device number’ atribuído, a partir

do qual podíamos endereçar os VI’s.

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IMPLEMENTAÇÃO:

Concluída a etapa de exploração das potencialidades do Labview deu-se início a realização

de uma aplicação que efectuasse a aquisição de temperatura , mas que fosse mais flexível, isto é que

permitisse a indexação de determinado termopar a um qualquer canal e no máximo efectuasse a

aquisição de 8 termopares, sendo este o número máximo de termopares que um equipamento em

ensaio utiliza. A aplicação que o IEP detinha apenas permitia visualizar e registar um determinado

número de termopares, desde que estes estivessem ordenados. Durante a preparação dos ensaios os

termopares não eram escolhidos de modo sequencial, o que provocava que, quando a aplicação se

iniciasse, esta tinha que ser inicializada com um número de canais superiores ao necessário. Esta

restrição obrigava a um maior processamento de temperaturas, que no final não eram necessárias

para qualquer cálculo. Pretendia-se uma aplicação que registasse a data e a hora de cada leitura,

num ficheiro que mais tarde fosse acedido para tratamento e consulta de informação através de

programas de tratamento de dados, tais como Excel e outros semelhantes. Este VI, é composto por

duas partes: a aquisição de temperatura e seu tratamento e a geração de um ficheiro onde são

guardadas todas as temperaturas.

O Labview possui VI’s nas suas librarias que efectuam a aquisição de temperaturas. Estes

VI’s necessitam de ter uma referência de temperatura que é fornecida por um transistor bipolar que

se localiza nas placas de aquisição de temperatura, a qual se denomina de ‘cold junction’. Os

termopares quando ligados às placas geram sinais de baixa amplitude muitas vezes difíceis de

observar, pelo que a realização do termómetro teve de incluir os VI’s da NI, pois a sua fiabilidade é

bastante elevada e permitem a utilização de diversos tipos de termopares. A grande dificuldade na

conversão de sinal (tensão) em temperatura é que as equações têm um número elevado de potências,

e variam com a temperatura. Foi verificado que as leituras efectuadas pela placa em que realizava

os ensaios, SCB 68 T, estavam perturbadas por erro que fazia com que entre duas leituras

consecutivas houvesse um gradiente de temperatura muito elevado. Verifiquei que esse erro era

devido a ruído que estava presente no meio, o qual tinha média nula , e superei este problema

filtrando as amostras dos termopares .O filtro trata um array de 150 amostras de tensão e calcula a

sua média obtendo assim uma amostra fiável. Esta amostra é depois submetida ao VI ‘ Thermo

Linear’, que efectua a conversão tensão em temperatura.

Após a geração do array onde estavam presentes as temperaturas tratadas, à primeira coluna

correspondia o termopar seleccionado no primeiro canal, e assim sucessivamente. As colunas

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tinham que ser criadas e adicionadas com a data e a hora para o ficheiro ficar completo. Para tal

gerei o VI ‘Data’ que cria uma linha com duas colunas, data e hora. Reuni os dois arrays e obtive

uma linha que iria ser escrita num ficheiro a escolha com o formato pretendido, data, hora, canal1,

canal2 e sucessivos canais, finalizando no 8.

A realização desta aplicação permitiu-me compreender as dificuldades que surgiam durante

a programação em Labview, e entender o funcionamento da aplicação já implementada no

laboratório. O ‘Front Panel’, ( Fig3), é o painel do nosso instrumento virtual, onde o operador irá

actuar, e onde pode ainda observar as últimas leituras e visualizar a evolução das mesmas. O

ficheiro gerado é guardado na seguinte directoria: c:\consumos\temperaturas, sendo que a última

leitura das temperaturas é também guardada num ficheiro: c:\consumos\ultima leitura. A hierarquia

do Termómetro implementado, onde se constata a utilização do VI’s do Labview, limites de

temperaturas e escrita para ficheiro e do VI Data está abaixo representada ( Fig. 4), bem como o

diagrama correspondente ao VI, em pormenor a aquisição e tratamento das temperaturas e sua

escrita (Fig. 5).

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Fig. 3 – Front Panel do termómetro implementado.

Fig. 4 – Hierarquia do VI implementado.

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Fig. 5 – Diagrama do VI implementado.

Realizada esta aplicação que iria ser lançada sempre que um equipamento iniciasse sozinho

um ensaio, foi decidido alterar a aplicação implementada, pela MCM , que lê 64 canais ou outro

número de canais sequenciais desde que configurado inicialmente para esta opção. A alteração

consistia em limitar o comprimento das colunas geradas a 5 caracteres numéricos, impondo-se esta

modificação devido ao facto de se eventualmente estivesse mais de um equipamento a realizar

ensaio poder-se-ia facilmente seleccionar a coluna para tratamento e verificação das condições de

ensaio. O Labview para ler uma determinada coluna necessita de conhecer o comprimento das

anteriores em caracteres, por esta razão formatei todas as colunas a 5 caracteres mais a vírgula.

Muitos dos canais do Amux 64 não estavam ligados a termopares o que fazia com que, durante a

aquisição desses canais, as leituras possuíssem valores sem qualquer significado e bastante

elevados. O VI criado para o referido efeito, encontra-se abaixo representado (Fig.6), necessitando

de uma temperatura à entrada a qual é convertida para uma representação entre 999,99 e –99,99.

Este intervalo de temperaturas é suficiente para os ensaios a realizar.

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Fig. 6 – Diagrama do VI, formata coluna para 5 caracteres numéricos.

Tendo as colunas do ficheiro formatadas, só era necessário um VI que efectuasse a leitura

das colunas desejadas. Para tal construi o VI, Leitura_fiheiro, que do ficheiro com as 64 colunas, lê

apenas as que correspondem ao equipamento em ensaio. Caso o ficheiro não exista retorna nas 8

colunas seleccionadas o valor 100. O ‘front panel’ do Leitura_ficheiro.vi ( Fig.7) e o pormenor do

diagrama caso o ficheiro existisse abertura e selecção de colunas ( Fig. 8) são mostrados a seguir.

Fig. 7 –Painel do Leitura_ficheiro.vi.

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Fig. 8 – Diagrama, pormenor do Leitura_ficheiro.vi.

Com a implementação do Leitura_ficheiro.vi ficamos com as temperaturas do nosso

equipamento em ensaio, e para este entrar em ensaio de consumo é necessário a detecção de ciclo

de termostato do equipamento. Esta detecção de ciclo foi realizada com uma ferrite que funciona

como um transformador de corrente. A aquisição deste sinal faz-se através de um canal do Amux.

Após variados ensaios obtivemos um VI, Detecta Termostato, que conseguia detectar ciclos de

termostato de equipamentos com potências iguais ou superiores a 60 W. O nível de decisão para o

nosso detector foi determinado por inspecção. Um problema que sempre afectou as aquisições de

sinal foi o ruído permanente , este ruído tem uma média nula, mas na aquisição do sinal de

termostato, este não foi eliminado, pois tinha valores de uma ordem de grandeza abaixo dos

equipamentos de menor potência. Este VI gerava um ficheiro: c:\consumos\d_term, onde escrevia o

estado do equipamento. Na figura 9 está representado o painel do VI Leitura ficheiro e na figura 10

o diagrama do mesmo VI.

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Fig. 9 – Painel, do Detecta Termostato.vi.

Fig. 10 – Diagrama, pormenor do Detecta Termostato.vi.

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Projecto/Seminário/Trabalho Final de Curso FEUP JULHO 2001 - 14 -

Efectuada as aquisições de sinal era necessário gerar o sinal de controle e verificar se todas

as condições estavam reunidas para iniciar o ensaio de consumo. Vamos abordar a geração do sinal

de controle.

O VI que controla o relé, SCC-DO01 da placa NI, SC 2345 é activado por um sinal lógico,

que provêm de um outro VI que verifica se todas as condições de início de ensaio são verdadeiras.

Caso o sejam, é iniciado o ensaio, isto é o relé é activado o que permite o desvio da alimentação do

refrigerador por um contador de energia eléctrica, durante um período de tempo predeterminado.

Para respeitar a portabilidade tive de criar um VI que só efectuasse a leitura de um ficheiro que

correspondia ao estado do relé: 0 desligado, 1 ligado , fornecendo assim a informação quanto ao seu

estado( Fig. 11).

Fig. 11 – Diagrama, pormenor do Actualiza_Rele0.vi.

Dada a ordem de início de ensaio era necessário saber quando é que este iria concluir, esta

condicionante é imposta pela norma, o ensaio deve durar 24 horas e se o termostato está activo

continua ensaio até este desligar. Optei por gerar um VI, Inicia_ensaio_24h, onde a função do VI

era comparar o tempo actual com o tempo de fim de ensaio e verificar qual o estado do termostato.

Como este programa estaria no computador fixo tive de mapear através da rede o disco do

computador portátil como a unidade d do computador fixo. Deste modo poderia aceder ao ficheiro

que continha o estado do termostato, d_term. Este VI chama o Actualiza_Rele0, pois quem

comanda o relé é o VI anterior. Na figura 12 esta representado o painel do VI Inicia_ensaio_24h, na

figura 13 o diagrama e na figura 14 hierarquia do VI.

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Fig. 12 – Painel, do Inicia_ensaio_24h.vi.

Fig. 13 – Diagrama, pormenor do Inicia_ensaio_24h.vi.

Fig. 14 – Diagrama, hierarquia do Inicia_ensaio_24h.vi.

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Projecto/Seminário/Trabalho Final de Curso FEUP JULHO 2001 - 16 -

A geração de sinal de controle estava concluída, faltando verificar se todas as condições

estavam reunidas para iniciar o ensaio de consumo. O VI criado para efectuar os procedimentos de

comparação de temperatura no início de ciclo de termostato, de verificação de intervalo de

temperaturas e de chamamento do programa Inicia_ensaio_24h, foi o mais complexo, devido à

necessidade da realização de operações sequenciais. Este VI, Teste_0,5C_Arca_alt2, vai ser

representado, em varias figuras devido a sua grande dimensão. Na figura 15 temos o painel, onde o

operador selecciona os canais a ler através das colunas 1 a 8, no output array as temperaturas dos

termopares seleccionados no último ciclo de termostato (OFF-ON), no array x+y a diferença de

temperatura entre ciclos de termostato, na condição de ensaio temos a informação de ‘Ensaio a

decorrer’ ou ‘Ensaio efectuado’ e na ‘ character string’ a informação do estado do equipamento,

ligado ou desligado. O programa quando lançado só corre uma vez, ficando no final a janela aberta

com as informações, a data de início e data de fim. O nome deste VI resulta das varias alterações

que se foram realizadas ao longo do estágio.

Fig. 15 – Painel Teste_0,5C_Arca_alt2.vi.

Na figura 16 temos o pormenor para o início de ensaio, ou seja a condição da iniciação do

programa apenas se este não tiver corrido nenhuma vez, e as respectivas implementações para a

detecção de ciclo ascendente de termostato.

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Fig. 16 – Diagrama, pormenor Teste_0,5C_Arca_alt2.vi.

Fig. 17 – Diagrama, pormenor Teste_0,5C_Arca_alt2.vi.

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Projecto/Seminário/Trabalho Final de Curso FEUP JULHO 2001 - 18 -

A figura 17, representa o pormenor da aquisição dos canais seleccionados, usando o VI

Leitura_ficheiro. A aquisição de temperatura é passada para a sequência seguinte. Na sequência 1

(Fig. 18) lêem-se as temperaturas do ciclo anterior, que vão ser usadas na sequência 2 para cálculo

da diferença entre ciclos de termostato.

Fig. 18 – Diagrama, pormenor Teste_0,5C_Arca_alt2.vi.

Nas sequências seguintes efectuam-se as comparações das temperaturas com os valores

estabelecidos pela norma.

Fig. 19 – Diagrama, pormenor Teste_0,5C_Arca_alt2.vi.

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Projecto/Seminário/Trabalho Final de Curso FEUP JULHO 2001 - 19 -

Finalmente temos todas as condições da norma implementadas, devendo agora lançar o programa

durante 24 horas ou seja 86400 segundos, e impor condições para o programa não se reiniciar (Fig.

20).

Fig. 20 – Diagrama, pormenor Teste_0,5C_Arca_alt2.vi.

O diagrama hierárquico, (Fig.21), representa toda a estrutura e todos os VI’s criados e alterados,

para realização das tarefas requeridas.

Fig. 21 – Diagrama hierárquico do Teste_0,5C_Arca_alt2.vi.

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Toda a estrutura em Labview implementada está descrita atrás, agora segue-se a fase de

implementação física de todas as placas da NI. O Amux 64 T já estava instalado só houve a

necessidade de ligar a um canal do Amux o sinal proveniente do auto-transformador. No

computador portátil temos a aquisição de temperatura e o detector de termostato. A figura 22 é uma

fotografia do relé de potência instalado juntamente com a ferrite colocada no circuito de

alimentação do equipamento e um contador de energia eléctrica.

Fig. 22 – Sistema de comutação de alimentação implementado e detector de corrente.

No computador fixo colocou-se uma placa da NI, que controla relés até uma tensão de 24V

DC e uma corrente de 25 mA, mas como estes valores não são suficientes para os equipamentos em

ensaio coloca-se o relé da placa a alimentar um relé de potência que comuta 230V até 10 A. O relé

da placa tinha de ter alimentação exterior para a fornecer ao relé de potência, colocando-se para tal

uma fonte de alimentação de corrente contínua aos terminais do relé da placa. A tensão aplicada ao

relé da placa fixou-se no valor da tensão de alimentação do relé de potência, 12 V. A figura 23

representa 3 relés da placa NI, sendo o relé que está a ser alimentado o que apresenta um led verde

acesso, que indica o decorrer do ensaio nesse relé.

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Fig. 23 – Relê SCC-DO01. Vê-se que o primeiro relé está activo.

A implementação física dos equipamentos está efectuada, sendo agora necessário realizar um ensaio

para verificar se as aplicações desenvolvidas interagem do modo esperado e realizam todas as

tarefas programadas de modo estruturado.

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VALIDAÇÃO:

A validação foi efectuada numa arca frigorífica usando um ensaio de simulação (Fig. 24). A

única diferença entre este ensaio e um ensaio real é o facto de neste a arca não estar carregada com

o material requerido pela norma, mas este pormenor só condiciona o tempo de estabilização das

temperaturas. A arca tinha sido ligada alguns dias antes do ensaio, estando as temperaturas

estabilizadas, o que permitiu a iniciação da aplicação, entrando esta em ensaio de consumo. O

ensaio decorreu durante o período previsto, precisamente 24 horas. No final do ensaio de simulação

registou-se o valor indicado no contador de energia e fez-se a diferença com o valor inicial deste. O

consumo registado era inferior ao do seu ensaio real, cujo valor já era conhecido, o que era esperado

pois a arca realizou o ensaio sem carga alguma.

Fig. 24 – Arca em ensaio.

Para além da simulação do ensaio normal, efectuei simulação de possíveis situações, tais

como: temperaturas fora de intervalo, vários ciclos de termostato num ensaio e duração de mais de

24 horas de ensaio. Apesar das variáveis, o programa reagiu do modo aguardado.

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CONCLUSÕES:

Tomando em consideração que todo o processo descrito até agora, foi estruturado de modo a

serem atingidos os requisitos do IEP e estando este estágio associado a cadeira de Projecto

Seminário Trabalho de final de curso, havia a necessidade de satisfazer os objectivos de ambos.

Quanto aos requisitos do IEP, de criação de uma aplicação portável e flexível, estes foram

totalmente cumpridos. A informação circula através da rede e em qualquer ponto desta é possível

realizar qualquer das aplicações desenvolvidas. Houve a libertação de recursos humanos como

consequência da automatização do processo, pois deixou de ser necessária a presença de um técnico

para controlar o ensaio durante a sua duração, para além do facto de, em consequência de tudo isto,

resultar na melhor e mais eficaz rentabilização dos recursos do IEP.

Os objectivos da cadeira de Projecto Seminário Trabalho de fim de curso também foram atingidos,

já que inicialmente houve a necessidade de planear todo o trabalho a desenvolver, tendo em conta

os recursos disponíveis e os prazos para realização do trabalho. A possibilidade de alteração das

aplicações desenvolvidas permitem a reutilização de todo o trabalho efectuado. E mais importante

de tudo, foi o facto da realização deste trabalho permitir-me a aproximação à realidade prática do

exercício da engenharia, com todas as suas dificuldades e realizações.

Gostaria de agradecer em especial ao professor catedrático da FEUP, Almeida do Vale e ao

Engenheiro José Barranha do IEP. Não posso esquecer todo o pessoal do IEP, em particular o

Engenheiro Esaú Cardoso e a técnica Manuela Mota, e o meu colega de estágio José Miguel.

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BIBLIOGRAFIA:

1. National Instruments, “ G Programming Reference Manual”, January 1998.

2. National Instruments, “ Data Acquisition”, January 1998.

3. National Instruments, “ The measurement and Automation, catalog 2001”, January 2001.

4. National Instruments, “ Quick Start Guide”, February 2001.

5. Manuela Mota, “ Ensaio de Medição de Consumo de Energia Eléctrica”, IEP.