sistemas de aquisição e processamento de dadosde dados · 2014. 8. 18. · departamento de...

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


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”



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



Cadeia de Aquisição

Sensor

SensorDigital

***45554UsuárioA/D

Digital

SensorAnalógico

ProcessamentoCondicionamentosinal

A/DSensor

Analógico

Pl /h d

Software de aquisição


Placa/hardware


Sensores

SensorDigital

Sensor A/D

Processamento

UtilizadorSensor

Analógico

S

A/D



A/DSensor

Analógico

Placa/hardware



Sensores

Grandeza a medir:• Temperatura / Pressão / Vazão

Grandeza a medir:

• Posição / Velocidade / Aceleração

• Profundidade

• Distância / Proximidade

• Força

• Vibração

• Azimute

• Luminosidade / Radiação

• Corrente / Voltagem


• ...


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



Condicionamento de Sinal

Sensor

SensorDigital

***45554UsuárioA/DSensor

Analógico



A/DSensor

Analógico

Placa/hardware

q ç



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



Conversão Analógico / Digital

Sensor

SensorDigital


Analógico



A/DSensor

Analógico

Placa/hardware

q ç




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



Resolução = 0,33


ResoluçãoResolução 0,33

Q l ã

Resolução = 0,05

Quanto menor a resolução mais fiel é a conversão do i lsinal.



Aliasing


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


relativamente ás frequências de interesse.


Placa de Aquisição

Sensor

SensorDigital


Analógico



A/DSensor

Analógico

Placa/hardware



Software de Aquisição

Sensor

SensorDigital


Analógico



A/DSensor

Analógico

Placa/hardware



ProcessamentoSensor

SensorDigital


Analógico



A/DSensor

Analógico

Placa/hardware



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



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



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


-Média de faseTaxa de dados Hz

Escala de tempo característico de Taylor


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.



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.



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.



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



Processamento e Análise de ErroProcessamento e Análise de ErroProcessamento e Análise de ErroProcessamento e Análise de ErroSoftware no mercadoSoftware no mercado



Processamento



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)



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



Exemplos de aplicação

National Instruments

PCI – 6110



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


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, ...)


The Applied Technologies, Inc. Flux Measurement System


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


não, caso seja necessário


Cadeia de atuação

SistemaU á i

Sensores

aControlar

***45554Processamento

Usuário

AtuadoresControlar

Placa/hardware



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