Universidade de BrasíliaFaculdade de TecnologiaDepartamento de Engenharia Mecânica
Sistemas de Aquisição e Processamento de Dadosde Dados
Mestrado em Ciências Mecânicas – 364517 Métodos Experimentais em Ciências Mecânicas Armando Caldeira Pires
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Aquisição de dados
Necessidade de tratar informação proveniente de medições
• de forma automática• de forma automática
• rápida
• grandes quantidades de mediçõesgrandes quantidades de medições
• armazenamento
• processamentop
“coletar dados e dar-lhes uma forma que permita a q psua utilização em computação”
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Aquisição para PC
Vantagens:• Armazenamento direto
• Fácil acesso/cópia/transferência dos dados eFácil acesso/cópia/transferência dos dados e grande compatibilidade
• Versatibilidade no tratamento e visualização dos dados: basta escrever o programa apropriado.p g p p
• 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
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Cadeia de Aquisição
Sensor
SensorDigital
***45554UsuárioA/D
Digital
SensorAnalógico
ProcessamentoCondicionamentosinal
A/DSensor
Analógico
Pl /h d
Software de aquisição
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Placa/hardware
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Sensores
SensorDigital
Sensor A/D
Processamento
UtilizadorSensor
Analógico
S
A/D
Software de aquisição
ProcessamentoCondicionamentosinal
A/DSensor
Analógico
Placa/hardware
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Sensores
Grandeza a medir:• Temperatura / Pressão / Vazão
Grandeza a medir:
• Posição / Velocidade / Aceleração
• Profundidade
• Distância / Proximidade
• Força
• Vibração
• Azimute
• Luminosidade / Radiação
• Corrente / Voltagem
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• ...
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Sensores
Caracterização do sensor:
• Princípio físico envolvido
Gama de medida• Gama de medida
• Alimentação (nenhuma/AC/DC)
Ti d íd di it l lt t i tê i• Tipo de saída: digital, voltagem, corrente, resistência, ...
• Gama de saída
S ibilid d /R l ã• Sensibilidade/Resolução
• Linearidade/Curva de calibração
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Condicionamento de Sinal
Sensor
SensorDigital
***45554UsuárioA/DSensor
Analógico
Software de aquisição
ProcessamentoCondicionamentosinal
A/DSensor
Analógico
Placa/hardware
q ç
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Condicionamento de Sinal
Filtros
Servem para isolar o sinal do ruído indesejado.
Os mais comuns são:Os mais comuns são:
• Passa-Baixo: filtra as perturbações de alta frequência
• Passa-Alto: filtra as perturbações de baixa frequência
• Passa-Banda: combinação dos anteriores apenasPassa Banda: combinação dos anteriores, apenas deixa passar uma determinada gama de frequências
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Conversão Analógico / Digital
Sensor
SensorDigital
***45554UsuárioA/DSensor
Analógico
Software de aquisição
ProcessamentoCondicionamentosinal
A/DSensor
Analógico
Placa/hardware
q ç
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Conversão Analógico / Digital
Período de amostragem
• demasiado grande:perda de informaçãoç
• pequeno: reprodução fiel do sinal contínuo, maior quantidade de dados a guardar, sistema de aquisição mais caro
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Resolução = 0,33
Conversão Analógico / Digital
ResoluçãoResolução 0,33
Q l ã
Resolução = 0,05
Quanto menor a resolução mais fiel é a conversão do i lsinal.
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Aliasing
Conversão Analógico / Digital
Aliasing
Uma perda de informação devida a um período de amostragem demasiadamente longo pode originar um sinal amostrado com frequênciademasiadamente longo pode originar um sinal amostrado com frequência inferior ao original.
Pela análise dos dados amostrados não é possível detetar este erroPela análise dos dados amostrados não é possível detetar este erro.
Solução: escolher um tempo de amostragem suficientemente curto relativamente ás frequências de interesse
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relativamente ás frequências de interesse.
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Placa de Aquisição
Sensor
SensorDigital
***45554UsuárioA/DSensor
Analógico
Software de aquisição
ProcessamentoCondicionamentosinal
A/DSensor
Analógico
Placa/hardware
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Software de Aquisição
Sensor
SensorDigital
***45554UsuárioA/DSensor
Analógico
Software de aquisição
ProcessamentoCondicionamentosinal
A/DSensor
Analógico
Placa/hardware
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ProcessamentoSensor
SensorDigital
***45554UsuárioA/DSensor
Analógico
Software de aquisição
ProcessamentoCondicionamentosinal
A/DSensor
Analógico
Placa/hardware
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Processamento
Trata os dados recolhidos. Muitas vezes está incluído no software de aquisição de dados.
Algumas tarefas comuns:Algumas tarefas comuns:
• Armazenagem dos dados• Calibração por softwareCalibração por software• Conversão para grandeza medida• Apresentação e gestão amigável da informaçãoç
• Controle de erros• Alarmes• Cálculo, simulação• Dar informação para um operador atuar ou atuar directamente
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P t d Si lP t d Si lProcessamento de SinalProcessamento de SinalMétodos de ProcessamentoMétodos de Processamento
Qualquer variável característica de um escoamento turbulento Velocidade, Temperatura, Pressão, pode ser decomposta em:
U = valor médio temporal
)t(ruído)t(U)t(u)t(UU)t(U ciclocohmed
Umed = valor médio temporal
Ucoh = contribuição estatística dos componentes organizados da onda
u’ = turbulênciau = turbulência
Uciclo = variação da velocidade média periódica
Ruído = ruído aleatórioRuído = ruído aleatório
Foram desenvolvidos procedimentos e técnicas que permitem quantificar cada termo anterior partindo dos dados experimentais
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Processamento de SinalProcessamento de SinalProcedimentos adequadosProcedimentos adequadosqq
Estabelece 4 casos típicosHi h d t d it
pde processamento de dados:
-Média temporal A escolha depende da densidade dos dados
Low data density High data density
-Análise de frequência
-Média temporal com intervalos finitos
densidade dos dados
TN fdrTaxa de dados Escala de tempo
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-Média de faseTaxa de dados Hz
Escala de tempo característico de Taylor
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P t d Si lP t d Si lProcessamento de SinalProcessamento de Sinal
Média temporal e Análise de frequênciaMédia temporal e Análise de frequênciaMédia temporal e Análise de frequênciaMédia temporal e Análise de frequência
Ambos são procedimentos de sinal clássicosAmbos são procedimentos de sinal clássicos.
A áli t l é i d d t d d id d dA análise temporal é independente da densidade dos dados e dos parâmetros cíclicos
Para a análise de frequência a densidade dos dados d á 4 i t d d d d á 4 Xdeverá ser 4, i.e., a taxa dos dados deverá ser 4 X superior à maior frequência de interesse no escoamento.
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Análise de ErroAnálise de Erro
Os procedimentos de analise de dados adoptar para caracterizar um escoamento não estável dependem do campo do escoamento e da característica da taxa de aquisição.característica da taxa de aquisição.
Existe um erro associado às médias temporal de frequência e de faseExiste um erro associado às médias temporal, de frequência e de fase, quer se trate de taxa de dados constante ou não, sinal analógico e sinal digital respectivamente.
Dependendo da frequência do sinal de medição assim teremos valores d d id d d d d d i id lde densidade de dados que podem variar consideravelmente.
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Análise de ErroAnálise de ErroAnálise de ErroAnálise de Erro
Média temporalMédia temporalMédia temporalMédia temporalTaxa de dados constante
Médias usam tipicamente uma frequência de aquisição de 20 kHz e um tempo de lh d t d 30 O ú d t tili d édi é d drecolha de amostras de 30 s. O número de ponto utilizado na média é da ordem
de 6x105.
Nestas condições o nível de confiança de 95% a variância é menor a 1%ç çenquanto que o erro relativo associado à media temporal é menor a 5%.
Taxa de dados não-constante
A média e variância são obtidas seguindo um procedimento clássico de dados aleatórios, baseados numa amostra total de 20480 pontos.
Medições de velocidade regime estável, a variância típica é 10-15% da média da velocidade. Para este número de pontos e para uma confiança de 95% o erro é de 2% para a velocidade média e <5% para a variância.
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Análise de ErroAnálise de ErroAnálise de ErroAnálise de Erro
Análise de frequência IAnálise de frequência IqqTaxa de dados constante
Frequência de amostragem de 20 kHz que reproduz 10 kHz sem erros (Nyquist) mas parareproduz 10 kHz sem erros (Nyquist), mas para sinais aleatórios a taxa de aquisição da máxima frequência analisável é <5kHz
Precisão de +/- 0.61 Hz e as incertezas na determinação da amplitude são minimizadas com N (média do espectro),
Incerteza da amplitude diminuí com o aumento de N, actuando como um filtro passa baixo, atenuando o espectro dos resultados.p
Com uma média 50 espectros, o erro dos valores médios é de 5% para 95% de nível de confiança
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Processamento e Análise de ErroProcessamento e Análise de ErroProcessamento e Análise de ErroProcessamento e Análise de ErroSoftware no mercadoSoftware no mercado
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Processamento
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Qualidade da aquisição
•• 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)
E it d d ã d i l• Evitar a degradação do sinal:- Fenómeno de “Aliasing”- Perdas em linha (nos cabos)Perdas em linha (nos cabos)- Ruído (sinais induzidos em partes do circuito não protegidas)
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Qualidade da aquisição
Os seguintes factores podem degradar a qualidade ou até mesmo impossibilitar a aquisição:
• Gama medida ou sensibilidade do sensor não apropriadas
T d t d i d l• 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 mesmosoutro hardware/software existente no PC utilizam os mesmos endereços ou recursos
• Geralmente: melhor solução, maior preço!melhor solução, maior preço!ç p çç p ç
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Exemplos de aplicação
National Instruments
PCI – 6110
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Sistema integrado de medição, aquisição, tratamento e análise de dados
Solução para medição de velocidade do vento nas três direcçõesSolução para medição de velocidade do vento nas três direcções
• Pacote FMS inclui um software que produz estimativas de fluxos de t l l í l li ã d ét d didmomento, 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 ventoç
- Fluxos de momento/calor sensível
- Velocidade de atrito
Th A li d T h l i I Fl M t S tMestrado em Ciências Mecânicas – 364517 Métodos Experimentais em Ciências Mecânicas Armando Caldeira Pires
The Applied Technologies, Inc. Flux Measurement System
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Si t i t d d di ã i i ã t t t 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
R õ d i lê i- Razões de equivalência
- Pressão do vapor
D id d d- Densidade do ar
- Calor específico a pressão constante
Calor de vaporização- Calor de vaporização
- Fluxo de H2O ou outra substância (CO2, ...)
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The Applied Technologies, Inc. Flux Measurement System
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Monitorização Industrial
Processo complexo de vigilância de um processo. Inclui:
• medições
• transferência
i i ã ( di i ã A/D)• aquisição (condicionamento, conversão A/D)
• processamento (criação de pacotes de informação)ç )
• armazenamento (bases de dados)
• tratamento/análise (software)( )
• obtenção de resultados
• acções correctivas por cadeia de actuação ou
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não, caso seja necessário
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Cadeia de atuação
SistemaU á i
Sensores
aControlar
***45554Processamento
Usuário
AtuadoresControlar
Placa/hardware
Software de aquisição
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