Introdução aos princípios de aquisição de dados e terminologia

Transcrição

1 Introdução aos princípios de aquisição de dados e terminologia Renan Azevedo Engenheiro de Produto, DAQ & Teste NI

2 O que é aquisição de dados (DAQ)? 2

3 Por que fazer medição? Os engenheiros precisam determinar o comportamento do sistema para otimizar o desempenho. Os sinais dos sensores indicam como o sistema está operando. Os engenheiros podem usar essas informações para modificar o desempenho. 3

4 Data logging a bordo do veículo A aquisição de dados a bordo do veículo é uma tarefa complexa que oferece informações valiosas sobre o desempenho real em estradas. Diversos dados precisam ser coletados a partir de várias fontes podem estar envolvidos até 100 canais incluindo transdutores e barramentos tais como CAN. Sinais mistos: vibração, RPM, deformação, temperatura, torque, carga, pressão, velocidade, CAN dentre outros. 4

5 O que é aquisição de dados (DAQ)? 5

6 O que é aquisição de dados (DAQ)? 6

7 O que é aquisição de dados (DAQ)? 7

8 Componentes do sistema de aquisição de dados 8

9 Sensor Converte um fenômeno físico em um sinal elétrico mensurável. Transdutor ou Sensor Fenômeno físico Sinal 9

10 Exemplos de sensores Fenômeno Transdutores/sensores Características elétricas Temperatura Termopares, dispositivos resistivos de temperatura (RTDs), termistores Saída de baixa tensão, não linear. Baixa resistência, não linear. Luz Tubo de vácuo, fotosensor Saída com malha de corrente (geralmente 4 a 20 ma). Som Microfone Saída de carga, conversor ativo (alimentado) Força e pressão Strain gages, transdutores piezoelétricos Baixa resistência, baixa sensibilidade, não linear. Posição e deslocamento Potenciômetros, transformador diferencial de tensão linear (LVDT), encoder óptico LVDTs: Indutivo, requer demodulação. Vibração Acelerômetro Saída de carga, conversor ativo (alimentado) ph Eletrodos de ph 10

11 Os sinais são apresentados de duas formas: Digital e Analógico Digital Analógico 11

12 Sinais digitais Os sinais digitais têm dois estados: alto e baixo. As linhas digitais em um dispositivo de aquisição de dados aceitam e geram sinais compatíveis com a família TTL. Estado alto +5,0 V Indeterminado Estado baixo +2,2 V +0,8 V 0 V Estado Taxa 12

13 Os sinais são apresentados de duas formas: Digital e Analógico Digital Analógico 13

14 Sinais analógicos Os sinais analógicos são sinais contínuos que podem ser qualquer valor em relação ao tempo. 14

15 Terminologia analógica 4,71 V Nível O valor instantâneo do sinal em um determinado ponto no tempo. Forma A forma que o sinal analógico incorpora, muitas vezes determina uma análise mais aprofundada que pode ser feita no sinal. Frequência A quantidade de ocorrências de um evento repetido ao longo do tempo. 15

16 Componentes do sistema de aquisição de dados 16

17 Condicionamento de sinais para obter medições com qualidade O condicionamento de sinais melhora o sinal, facilitando a medição com seu dispositivo de aquisição de dados. Nem sempre o condicionamento de sinais é necessário. Condicionamento de sinais Ruído, sinal de baixo nível Sinal amplificado e filtrado 17

18 Exemplos de tipos comuns de condicionamento de sinais Transdutor/Sinais Condicionamento de sinais Termopares Detector resistivo de temperatura (RTD) Strain Gage Amplificação, linearização, compensação por junta fria Corrente de excitação, linearização Excitação de tensão, configuração de ponte, linearização Alta tensão ou de modo comum Amplificador de isolação Cargas requerindo comutação AC ou grande fluxo de corrente Ruído de alta frequência Relés eletromecânicos ou relés de estado sólido Filtros passa baixa 18

19 Análise dos tipos comuns de condicionamento de sinais para medições de tensão Amplificação Atenuação Filtragem Isolação 19

20 Amplificação Usado com sinais com nível baixo. Maximiza o uso da faixa do conversor analógico-digital (ADC) e aumenta a precisão. Aumenta a relação sinal/ruído (SNR). Amplificador 20

21 Exemplo: Amplificação e relação sinal/ruído (SNR) Sinal de 10 mv Ruído de 1 mv 1000x Amplificador ADC Ruído de 1 mv» SNR = 10 Sinal de 10 mv 1000x Amplificador ADC 21» SNR = 10,000

22 Atenuação Diminui a amplitude do sinal de entrada para se adaptar à faixa do dispositivo de aquisição de dados. Necessário quando as tensões do sinal de entrada estão além da faixa do dispositivo de aquisição de dados. Atenuador 22

23 Filtragem Os filtros removem o ruído indesejado de um sinal medido e bloqueiam as frequências indesejadas. Domínio do tempo Filtro passa baixa Domínio do tempo Domínio da frequência Domínio da frequência 23

24 Isolação A isolação ajuda a passar um sinal de sua fonte para um dispositivo de medição sem uma conexão física direta. Bloqueia altos sinais de tensão de modo comum. Sem uso do terra comum. Protege sua instrumentação Eletromagnética Isolação Capacitiva Óptica 24

25 Componentes do sistema de aquisição de dados 25

26 Os três Rs da aquisição de dados: Resolução Resolução (Resolution) Faixa (Range) Taxa (Rate) Resolução de 6 bits Sinais originais Resolução de 3 bits 26

27 Os três Rs da aquisição de dados: Range Resolução (Resolution) Faixa (Range) Taxa (Rate) Faixa de -10V -2V a a 10V 2V Sinais originais Resolução de 3 bits 27

28 Os três Rs da aquisição de dados: Rate Resolução (Resolution) Faixa (Range) Taxa (Rate) Forma de onda original (10 Hz) Taxa de amostragem = Hz Hz 28

29 Considerações sobre a taxa de amostragem Um sinal de entrada analógica é contínuo em relação ao tempo. O sinal amostrado é uma série de amostragens discretas adquiridas em uma taxa de amostragem específica. Quanto mais rápido fazemos amostragens, mais nossos sinais amostrados se parecerão com nosso sinal real. Se a amostragem não acontecer rápido o suficiente, pode ocorrer um problema de aliasing. Sinal real Sinal amostrado 29

30 Aliasing Taxa de amostragem: a frequência na qual ocorre uma conversão A/D. Alias: distorção de um sinal. Amostragem adequada Amplitude Sinal com aliasing devido a uma subamostragem 6 Frequência Amplitude 2 Frequência 30

31 Seguir o Teorema de Nyquist previne aliasing Frequência Para representar com precisão a frequência do seu sinal original Você deve usar uma taxa de amostragem duas vezes superior ao componente de máxima frequência do seu sinal. Forma Para representar com precisão a forma do seu sinal original Você deve usar uma taxa de amostragem entre 5 a 10 vezes superior ao componente de máxima frequência do seu sinal. 31

32 O teorema de Nyquist em ação Sinal com aliasing Onda senoidal de 100 Hz Onda senoidal de 100 Hz Onda senoidal de 100 Hz Amostrado a 100 Hz Amostrado a 200 Hz Amostrado a 1 khz Amostragem adequada apenas para frequência Amostragem adequada para frequência e forma 32

33 Componentes do sistema de aquisição de dados 33

34 Por que o software é importante? Custo total da aplicação de medição = Preço do hardware + preço do software + Custo de desenvolvimento Preço visível Preço oculto 34

35 Por que o software é importante? 36%, Preço do hardware e software 64%, Custos de Desenvolvimento Fonte: Pesquisa da National Instruments de prospects e clientes de aquisição de dados,

36 Por que o driver é importante? Software de Aplicação LabVIEW, C,.NET Drivers de hardware DAQmx Barramento USB, PXI Express, Ethernet, PCI, Wireless Hardware de aquisição de dados Diversos dispositivos 36

37 Opções de software Configuração Programação 37

38 Opções de software Configuração Código do LabVIEW Programação Código C DAQmxCfgSampClkTiming( taskhandle,, ,, DAQmx_Val_FiniteSamps, 1000 ); DAQmxClearTask( taskhandle ); 38

39 Solução de Aquisição de Dados da NI PXI Otimizado para grandes quantidades de canais e sincronização precisa. Sistema NI CompactDAQ Customizado com uma grande variedade de chassis e tipos de módulos. DAQ em Desktop Instalação no slot do PC para máxima velocidade na transferência de dados. Dispositivos 39 DAQ Portátil Facilmente conectado a qualquer laptop ou desktop com configuração simples.

40 Como criar simetria entre o hardware e software com o NI- DAQmx NI-DAQmx é um driver de hardware gratuito e único que suporta várias linguagens e centenas de plataformas de hardware de aquisição de dados da NI. A marca LabWindows é usada sob licença da Microsoft Corporation. Windows é marca comercial registrada da Microsoft Corporation nos EUA e outros países. 40

41 Como escolher o melhor sistema de aquisição de dados para sua aplicação Seu sistema de aquisição de dados exige: Condicionamento de sinais adequado Resolução apropriada Taxa de amostragem adequada Tipo de temporização e trigger correto Barramento correto Melhor técnica de calibração interna Análise/relatório de suíte de software mais eficaz 41

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