MEEA, Pedro Adão e Tiago Santos (Novembro 2001) Aquisição de dados Necessidade de tratar...

MEEA, Pedro Adão e Tiago Santos (Novembro 2001)

Aquisição de dados

Necessidade de tratar informação proveniente de medições

• de forma automática

• rápida

• grandes quantidades de medições

• armazenamento

• processamento

“colectar dados e dar-lhes uma forma que permita a sua utilização em computação”

(The New Penguin English Dictionary)


Aquisição para PC

Vantagens:• Armazenamento directo

• Fácil acesso/cópia/transferência dos dados e grande compatibilidade

• Versatibilidade no tratamento e visualização dos dados: basta escrever o programa apropriado.

• Existência de soluções padrão comercializadas, com hardware e software específico desenvolvido e testado (menos tempo perdido)

• Aplicáveis a sistemas operativos vulgares como Linux, Windows, Macintosh, etc

• Utilizável em laboratório ou em ambiente industrial

• Baixo custo e possibilidade de reciclar o material

Desvantagens:•Medições no terreno ou ambientes adversos


***45554

Cadeia de AquisiçãoCadeia de Aquisição

Placa/hardware

Software de aquisição

Processamento

UtilizadorA/D

Condicionamentosinal

A/D

Sensor

SensorDigital

SensorAnalóg

SensorAnalóg


SensoresSensores

Placa/hardware


Processamento

UtilizadorA/D


A/D

SensorDigital

SensorAnalóg

SensorAnalóg


SensoresSensores

• Temperatura/Pressão/Caudal

• Posição/Velocidade/Aceleração

• Nível

• Distância/Proximidade

• Força

• Vibração

• Azimute

• Luminosidade/Radiação

• Corrente/tensão

• ...

Grandeza a medir:


SensoresSensores

• Princípio físico envolvido

• Gama de medida

• Alimentação (nenhuma/AC/DC)

• Tipo de saída: digital, tensão, corrente, resistência, ...

• Gama de saída

• Sensibilidade/Resolução

• Linearidade/Curva de calibração

Caracterização do sensor:


Condicionamento de SinalCondicionamento de Sinal

Placa/hardware


Processamento

UtilizadorA/D


A/D

SensorDigital

SensorAnalóg

SensorAnalóg



Gama saída do sensor

Gama de aquisição da placa

Offset

Amplificação



Corrente

Sensor Conversor

tensão

i(t) u(t)



Filtros

Servem para isolar o sinal do ruído indesejado.

Os mais comuns são:

• Passa-Baixo: retira o ruído de alta frequência

• Passa-Alto: filtra as perturbações de baixa frequência

• Passa-Banda: combinação dos anteriores, apenas deixa passar uma determinada gama de frequências


Conversão Analógico/DigitalConversão Analógico/Digital

Placa/hardware


Processamento

UtilizadorA/D


A/D

SensorDigital

SensorAnalóg

SensorAnalóg


tempo

sin

al

Analógico

Digital


Sinal contínuo => comboio de impulsos

U(t) => U(k)



Período de amostragem

• demasiado grande:perda de informação

• pequeno: reprodução fiel do sinal contínuo, maior quantidade de dados a guardar, sistema de aquisição mais caro



Quanto menor a resolução mais fiel é a conversão do sinal.

ResoluçãoResolução = 0,33

Resolução = 0,05 bitsn

medidadeGama

º



Uma perda de informação devida a um período de amostragem demasiadamente longo pode originar um sinal amostrado com frequência inferior ao original.

Pela análise dos dados amostrados não é possível detectar este erro.

Solução: escolher um tempo de amostragem suficientemente curto relativamente ás frequências de interesse.

Aliasing


Placa de AquisiçãoPlaca de Aquisição

Placa/hardware


Processamento

UtilizadorA/D


A/D

SensorDigital

SensorAnalóg

SensorAnalóg


Placa de AquisiçãoPlaca de Aquisição

Alguns componentes comuns:

• Entradas digitais• Entradas analógicas com conversor AD incorporado• Entradas especiais (p/ex. encoder)• Contadores e Temporizadores• Bateria• (Saídas para actuação)

Faz a interface entre o computador eo exterior.

Recebe os sinais provenientes dos sensores e disponibiliza a informação ao software.


Software de Aquisição

Placa/hardware


Processamento

UtilizadorA/D


A/D

SensorDigital

SensorAnalóg

SensorAnalóg


Software de Aquisição

Cada placa tem um protocolo específico.

Muitas vezes o fabricante fornece o software necessário para utilizar a placa.

Quando não o faz fornece a informação necessária sobre o protocolo de comunicação e o utilizador tem de escrever o seu próprio programa.

Outra razão para desenvolver software específico é obter uma solução adaptada ao problema a resolver.

Através do protocolo apropriado recolhe os dados que chegam através da placa e torna-os disponíveis para

processamento.


Processamento

Placa/hardware


Processamento

UtilizadorA/D


A/D

SensorDigital

SensorAnalóg

SensorAnalóg


Processamento

Trata os dados recolhidos. Muitas vezes está incluído no software de aquisição de dados.

Algumas tarefas comuns:

• Armazenagem dos dados• Calibração por software• Conversão para grandeza medida• Apresentação e gestão amigável da informação• Controle de erros• Alarmes• Cálculo, simulação• Dar informação para um operador actuar ou actuar directamente


Processamento


Qualidade da aquisição

Para obter dados fiáveis, é necessária:

• Calibração regular dos sensores, da placa e outros equipamentos (é comum os equipamentos virem acompanhados de certificados de calibração)• Aferição das medidas (montagem dos sensores)• Atenção às condições em que os equipamentos devem operar (temperatura)• Evitar a degradação do sinal:

- Fenómeno de “Aliasing”- Perdas em linha (nos cabos)- Ruído (sinais induzidos em partes do circuito não protegidas)


Qualidade da aquisição

Os seguintes factores podem degradar a qualidade ou até mesmo impossibilitar a aquisição:

• Gama medida ou sensibilidade do sensor não apropriadas

• Tempo de amostragem demasiado longo

• Conflitos com a placa e software de aquisição: a placa de rede ou outro hardware/software existente no PC utilizam os mesmos endereços ou recursos

• Geralmente: melhor solução, maior preço!melhor solução, maior preço!


Exemplos de aplicação

Portas Paralela/Série

• Existem em qualquer PC

• Fáceis de utilizar

• Grande variedade de aplicações comerciais e “domésticas” que utilizam estas portas (internet)

• Só sinal TTL



Portas Paralela/Série



PCI – 6110

National Instruments



AcessóriosAcessóriosNational Instruments


Exemplos de aplicaçãoSistema integrado de medição, aquisição, tratamento e

análise de dados

The Applied Technologies, Inc. Flux Measurement System

Solução para medição de velocidade do vento nas três direcções

• Pacote FMS inclui um software que produz estimativas de fluxos de momento, calor e calor sensível, por aplicação de um método a medidas das condições atmosféricas

• Escrito para funcionar em Linux

• Com um anemómetro torna-se possível a medição de parâmetros como:

- Velocidade/Direcção vectorial média do vento

- Fluxos de momento/calor sensível

- Velocidade de atrito



análise de dados


Solução para medição de velocidade do vento nas três direcções• Por adição ao sistema de um higrómetro e sensores de temperatura e pressão, torna-se possível a aquisição de dados relativa a:

- Fluxo de calor latente

- Razões de equivalência

- Pressão do vapor

- Densidade do ar

- Calor específico a pressão constante

- Calor de vaporização

- Fluxo de H2O ou outra substância (CO2, ...)



análise de dados


Solução para medição de velocidade do vento nas três direcções• Dados são armazenados em formato binário em discos rígidos ou outros componentes de armazenamento;

• Inclui um programa de conversão do código binário para ASCII. É fornecido também o código do software para que o utilizador possa servir-se dele como exemplo para realizar os seus próprios programas;

• Permite diversas configurações de armazenamento;



análise de dados


Solução para medição de velocidade do vento nas três direcções• Controlo local da aquisição

- Qualquer variável pode ser monitorizada em tempo real

- Pode monitorizar-se também a memória e as condições de armazenamento, sendo mostradas eventuais mensagens de erro

• Controlo remoto da aquisição

- Permite ao utilizador observar as medições vindas de um sensor através de uma porta serie. Através dela dá-se a transferência dos dados já processados

- Possibilidade de instalar placa de rede, Ethernet, para maiores velocidades de transferência



análise de dados


Solução para medição de velocidade do vento nas três direcções

• Requerimentos de Hardware

- Processador Pentium 133MHz

- 64Mb Ram

• O sistema suporta os seguintes tipos de placas

- A/D

- D/A

- I/O serie

- Discos rígidos e/ou driver de diskettes


Monitorização Industrial

Processo complexo de vigilância de um processo. Inclui:

• medições

• transferência

• aquisição (condicionamento, conversão A/D)

• processamento (criação de pacotes de informação)

• armazenamento (bases de dados)

• tratamento/análise (software)

• obtenção de resultados

• acções correctivas por cadeia de actuação ou não, caso seja necessário


A aquisição de dados aliada á manutenção de centrais térmicas

O conceito de manutenção predictiva condicionada:

• Só possível com uma eficiente monitorização, que abranja a maioria dos equipamentos essenciais ao funcionamento da instalação (Turbinas a gás ou a vapor; Filtros de entrada de ar; Condensadores; Caldeiras; Bombas e auxiliares de elevado consumo)

• O sistema deve ser capaz de prever uma futura falha crítica o mais cedo possível – Cada variável medida tem uma gama de variabilidade apertada – Exemplo: Consulta de curvas de tendência da temperatura de metal na zona de convecção.

• Englobar as variáveis de condição de funcionamento, medidas, em algoritmos de cálculo que predizem quando um componente precisa de ser vistoriado (fadiga de um veio, fluência de tubagens, rendimento termodinâmico, circuito de lubrificação - offline, ....)

• A monitorização deve ter em conta qual a “assinatura” do sinal recolhido – Se é um sinal do domínio do tempo (posição dos pólos do rotor do alternador - sicronização); do domínio da frequência (identificar mudanças nos valores do espectro – desequilibragems, desalinhamentos, integridade mecânica de componentes rotativos); de regimes transientes (identificar mudanças nas condições de arranque ou paragem – Fadiga de veios, evolução térmica); do próprio processo (potência, caudal de combustível, rendimentos) – Exemplo:Horas equivalentes de serviço


A aquisição de dados aliada á manutenção de centrais térmicas

• A classificação dos dados deve ser feita tendo em conta as condições de funcionamento para que não surjam falsos alarmes – Os dados medidos devem ser incluídos em “pacotes” de dados provenientes de situações comparáveis, assim os algoritmos de cálculo têm uma fonte de dados mais diversificada, apropriada e realista.

• A intervenção de manutenção incide sobre os equipamentos identificados pelo sistema como estando próximo do período de risco de falha ou a funcionar fora das condições nominais. A manutenção condicionada apoia-se na análise feita pelo sistema.


Esquema do sistema de monitorização on-line - OPENpredictor

Sistema de informação para manutenção predictiva


Sistemaa

Controlar

Cadeia de actuação

***45554

Placa/hardware


Processamento

Utilizador

Sensores

Actuadores

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