Aquisição de dados

1. 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) MEEA, Pedro Adão e Tiago Santos (Novembro 2001)

2. 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 MEEA, Pedro Adão e Tiago Santos (Novembro 2001)

3. Cadeia de Aquisição Sensor *** 45554 Sensor Digital A/D Sensor Analóg Utilizador Processamento Sensor Analóg Condicionamento sinal A/D Software de aquisição Placa/hardware MEEA, Pedro Adão e Tiago Santos (Novembro 2001)

4. Sensores Sensor Digital A/D Sensor Analóg Utilizador Processamento Sensor Analóg Condicionamento sinal A/D Software de aquisição Placa/hardware MEEA, Pedro Adão e Tiago Santos (Novembro 2001)

5. Sensores Grandeza a medir: • Temperatura/Pressão/Caudal • Posição/Velocidade/Aceleração • Nível • Distância/Proximidade • Força • Vibração • Azimute • Luminosidade/Radiação • Corrente/tensão • ... MEEA, Pedro Adão e Tiago Santos (Novembro 2001)

6. Sensores Caracterização do sensor: • 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 MEEA, Pedro Adão e Tiago Santos (Novembro 2001)

7. Condicionamento de Sinal Sensor Digital A/D Sensor Analóg Utilizador Processamento Sensor Analóg Condicionamento sinal A/D Software de aquisição Placa/hardware MEEA, Pedro Adão e Tiago Santos (Novembro 2001)

8. Condicionamento de Sinal Gama saída do sensor Gama de aquisição da placa Offset Amplificação MEEA, Pedro Adão e Tiago Santos (Novembro 2001)

9. Condicionamento de Sinal Corrente tensão i(t) u(t) Sensor Conversor MEEA, Pedro Adão e Tiago Santos (Novembro 2001)

10. Condicionamento de Sinal 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 MEEA, Pedro Adão e Tiago Santos (Novembro 2001)

11. Conversão Analógico/Digital Sensor Digital A/D Sensor Analóg Utilizador Processamento Sensor Analóg Condicionamento sinal A/D Software de aquisição Placa/hardware MEEA, Pedro Adão e Tiago Santos (Novembro 2001)

12. Conversão Analógico/Digital Sinal contínuo => comboio de impulsos U(t) => U(k) MEEA, Pedro Adão e Tiago Santos (Novembro 2001)

13. Conversão Analógico/Digital 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 MEEA, Pedro Adão e Tiago Santos (Novembro 2001)

14. Conversão Analógico/Digital Resolução = 0,33 Resolução Resolução = 0,05 Quanto menor a resolução mais fiel é a conversão do sinal. MEEA, Pedro Adão e Tiago Santos (Novembro 2001)

15. Conversão Analógico/Digital Aliasing 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. MEEA, Pedro Adão e Tiago Santos (Novembro 2001)

16. Placa de Aquisição Sensor Digital A/D Sensor Analóg Utilizador Processamento Sensor Analóg Condicionamento sinal A/D Software de aquisição Placa/hardware MEEA, Pedro Adão e Tiago Santos (Novembro 2001)

17. Placa de Aquisição Faz a interface entre o computador e o exterior. Recebe os sinais provenientes dos sensores e disponibiliza a informação ao software. • Alguns componentes comuns: • Entradas digitais • Entradas analógicas com • conversor AD incorporado • Entradas especiais • (p/ex. encoder) • Contadores e • Temporizadores • Bateria • (Saídas para actuação) MEEA, Pedro Adão e Tiago Santos (Novembro 2001)

18. Software de Aquisição Sensor Digital A/D Sensor Analóg Utilizador Processamento Sensor Analóg Condicionamento sinal A/D Software de aquisição Placa/hardware MEEA, Pedro Adão e Tiago Santos (Novembro 2001)

19. Software de Aquisição Através do protocolo apropriado recolhe os dados que chegam através da placa e torna-os disponíveis para processamento. 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. MEEA, Pedro Adão e Tiago Santos (Novembro 2001)

20. Processamento Sensor Digital A/D Sensor Analóg Utilizador Processamento Sensor Analóg Condicionamento sinal A/D Software de aquisição Placa/hardware MEEA, Pedro Adão e Tiago Santos (Novembro 2001)

21. 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 MEEA, Pedro Adão e Tiago Santos (Novembro 2001)

22. Processamento MEEA, Pedro Adão e Tiago Santos (Novembro 2001)

23. 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) MEEA, Pedro Adão e Tiago Santos (Novembro 2001)

24. 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! MEEA, Pedro Adão e Tiago Santos (Novembro 2001)

25. 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 MEEA, Pedro Adão e Tiago Santos (Novembro 2001)

26. Exemplos de aplicação Portas Paralela/Série MEEA, Pedro Adão e Tiago Santos (Novembro 2001)

27. Exemplos de aplicação National Instruments PCI – 6110 MEEA, Pedro Adão e Tiago Santos (Novembro 2001)

28. Exemplos de aplicação Acessórios National Instruments MEEA, Pedro Adão e Tiago Santos (Novembro 2001)

29. Exemplos de aplicação Sistema integrado de medição, aquisição, tratamento e análise de dados 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 The Applied Technologies, Inc. Flux Measurement System MEEA, Pedro Adão e Tiago Santos (Novembro 2001)

30. Exemplos de aplicação Sistema integrado de medição, aquisição, tratamento e 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, ...) The Applied Technologies, Inc. Flux Measurement System MEEA, Pedro Adão e Tiago Santos (Novembro 2001)

31. Exemplos de aplicação Sistema integrado de medição, aquisição, tratamento e 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; The Applied Technologies, Inc. Flux Measurement System MEEA, Pedro Adão e Tiago Santos (Novembro 2001)

32. Exemplos de aplicação Sistema integrado de medição, aquisição, tratamento e 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 The Applied Technologies, Inc. Flux Measurement System MEEA, Pedro Adão e Tiago Santos (Novembro 2001)

33. Exemplos de aplicação Sistema integrado de medição, aquisição, tratamento e 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 The Applied Technologies, Inc. Flux Measurement System MEEA, Pedro Adão e Tiago Santos (Novembro 2001)

34. 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 MEEA, Pedro Adão e Tiago Santos (Novembro 2001)

35. 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 quepredizem 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 MEEA, Pedro Adão e Tiago Santos (Novembro 2001)

36. 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. MEEA, Pedro Adão e Tiago Santos (Novembro 2001)

37. Esquema do sistema de monitorização on-line - OPENpredictor Sistema de informação para manutenção predictiva MEEA, Pedro Adão e Tiago Santos (Novembro 2001)

38. Cadeia de actuação *** Sistema a Controlar 45554 Sensores Utilizador Actuadores Processamento Software de aquisição Placa/hardware MEEA, Pedro Adão e Tiago Santos (Novembro 2001)