Sinais de Entrada e Saída
Selecção de um Sistema DAQ
Tipo de Sistemas DAQ
A expressão “aquisição de dados” é hoje em dia largamente usada como significando um processo automatizado de recolha de informação (temperatura, caudal, pressão, etc.) relativa um determinado fenómeno ou processo (reacção química, destilação, transporte de fluidos, etc.). A este processo de monitorização está muitas vezes também associado um processo de controlo, ou seja, de actuação sobre o sistema em estudo, de forma a controlar o valor de uma ou mais variáveis monitorizadas. O termo “aquisição de dados” acaba por englobar ambas as vertentes, se bem que a designação mais correcta devesse ser “aquisição de dados e controlo”.
Os avanços da electrónica e informática têm tornado estas tarefas de monitorização e controlo de processos cada vez mais acessíveis, mesmo para quem não possua formação avançada nesses domínios. Em termos genéricos, um sistema de aquisição de dados (DAQ – Data Acquisition) incorpora um dispositivo electrónico que liga os sensores (termopares, caudalímetros, sensores de pressão, etc.) ou os actuadores (válvulas, resistências de aquecimento, etc.) a uma unidade que processa e armazena a informação (um computador ou equivalente). A Figura 1 mostra os principais componentes de um sistema de aquisição de dados.
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Sinais de entrada e saída
A comunicação entre o sistema DAQ dos e os sensores/actuadores consiste na troca de sinais eléctricos, na forma analógica (sinais em tensão ou corrente com variação contínua num determinado intervalo) ou digital (sinais discretos, que assumem apenas dois valores possíveis). Um sinal analógico é, por exemplo, gerado por um sensor de pressão, sendo a intensidade do sinal proporcional à pressão medida. Igualmente, uma válvula de posição continuamente variável será actuada por um sinal analógico, estando a fracção de abertura relacionada com a intensidade do sinal recebido. Por outro lado, uma válvula “on/off” (que apenas abre ou fecha completamente, sem assumir posições intermédias) será actuada digitalmente, uma vez que apenas pode assumir duas posições discretas. Assim, um sistema de aquisição de dados poderá possuir várias entradas e saídas analógicas, bem como várias entradas e saídas digitais. Os sinais em tensão são mais usuais a nível laboratorial, devido ao menor custo dos equipamentos envolvidos, enquanto que sinais em corrente são usuais na indústria, onde a minimização das interferências electromagnéticas, causadoras de “ruído” em sinais transmitidos a longas distâncias, é determinante.
Por outro lado, a comunicação entre o sistema DAQ e o computador faz-se através de “linguagem digital”. Assim, o sistema incorpora um conversor analógico-digital electrónico que converte os sinais analógicos provenientes dos sensores numa codificação digital compreensível pelo computador. Eventualmente, a intensidade do sinal analógico pode ter que ser previamente aumentada, através de um amplificador externo ou incorporado no próprio DAQ, antes de ocorrer a conversão.
Figura 01: Representação esquemática de um sistema de aquisição de dados.
A comunicação entre o sistema DAQ dos e os sensores/actuadores consiste na troca de sinais eléctricos, na forma analógica (sinais em tensão ou corrente com variação contínua num determinado intervalo) ou digital (sinais discretos, que assumem apenas dois valores possíveis). Um sinal analógico é, por exemplo, gerado por um sensor de pressão, sendo a intensidade do sinal proporcional à pressão medida. Igualmente, uma válvula de posição continuamente variável será actuada por um sinal analógico, estando a fracção de abertura relacionada com a intensidade do sinal recebido. Por outro lado, uma válvula “on/off” (que apenas abre ou fecha completamente, sem assumir posições intermédias) será actuada digitalmente, uma vez que apenas pode assumir duas posições discretas. Assim, um sistema de aquisição de dados poderá possuir várias entradas e saídas analógicas, bem como várias entradas e saídas digitais. Os sinais em tensão são mais usuais a nível laboratorial, devido ao menor custo dos equipamentos envolvidos, enquanto que sinais em corrente são usuais na indústria, onde a minimização das interferências electromagnéticas, causadoras de “ruído” em sinais transmitidos a longas distâncias, é determinante.
Por outro lado, a comunicação entre o sistema DAQ e o computador faz-se através de “linguagem digital”. Assim, o sistema incorpora um conversor analógico-digital electrónico que converte os sinais analógicos provenientes dos sensores numa codificação digital compreensível pelo computador. Eventualmente, a intensidade do sinal analógico pode ter que ser previamente aumentada, através de um amplificador externo ou incorporado no próprio DAQ, antes de ocorrer a conversão.
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Selecção de um sistema DAQ
Ao escolher um sistema de aquisição de dados e controlo, é importante ter em atenção os seguintes aspectos do equipamento:
Número de entradas e saídas analógicas: deverá ser ajustado ao número de sensores e actuadores que se pretende usar. Para além disso, as entradas em tensão podem envolver a ligação de dois pólos, positivo e negativo (differential input), ou com um único pólo (single ended input). A ligação diferencial implica a utilização duas entradas, uma por cada pólo. Esta configuração deve ser adequada à natureza dos sinais a ler. O número de entradas ou saídas digitais pode também ser importante em algumas situações.
Resolução: é uma característica de cada sistema de aquisição de dados, que indica qual a mais pequena variação do sinal analógico que consegue detectar. Normalmente é medida em bits. Por exemplo, se um sinal com um intervalo de variação entre 0 a 5 V for lido num sistema com uma resolução de 12 bits, variações de sinal inferiores a 5/212 = 0,001 V não serão detectadas. A resolução do sistema DAQ deverá ser comparada com a resolução dos sensores a que vai ser ligado.
Intervalo de tensão de entrada: as entradas analógicas de tensão operam em determinados intervalos (por exemplo: -10 a 10 V, 0 a 5 V, etc.) que devem ser adequados à natureza dos sinais pretendidos.
Frequência de amostragem: é a frequência com que o conversor analógico-digital efectua leituras dos sinais de entrada. A frequência efectiva de leitura de cada canal de entrada corresponde à frequência do conversor dividida pelo número de canais em uso. Este aspecto é determinante quando pretendemos monitorizar fenómenos com uma dinâmica muito rápida, por exemplo, uma temperatura que aumenta muito rapidamente nos primeiros instantes de uma reacção.
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Tipos de sistemas DAQ
Existem hoje em dia inúmeras configurações e abordagens tecnológicas. Eis uma sucinta descrição das mais relevantes:
Placas internas (plug-in): são inseridas directamente numa slot da placa-mãe do computador. Um cabo efectua a ligação entre essa placa e um bloco terminador externo, onde são ligados os sinais de entrada e saída.
Sistemas USB: o sistema é externo, estando ligado ao computador através de uma porta USB. É uma solução atraente do ponto de vista da versatilidade, a comunicação é rápida e a alimentação de energia é efectuada pelo próprio cabo USB. Tudo isto são vantagens que não existem nos sistemas de comunicação serial, descritos a seguir.
Sistemas de comunicação serial: o sistema é externo, tal como anteriormente, sendo a ligação ao computador efectuada através de uma porta de comunicação serial. Tem a vantagem de o cabo de ligação poder ser bastante longo (15 m para o protocolo RS232 e 1500 m para o RS485), no entanto a comunicação é relativamente lenta, não permitindo frequências de amostragem elevadas (tipicamente, menos do que um ou dois pontos por segundo. No entanto, muitos equipamentos laboratoriais (espectrofotómetros, balanças analíticas, condutivimetros, etc.) integram sistemas de comunicação serial internos, o que permite a sua ligação directa a um computador, para armazenamento de dados e controlo de operação, sem necessidade de aquisição de sistemas DAQ adicionais.
Controladores Lógicos Programáveis (Programmable Logic Controllers - PLCs): estes sistemas industriais, também chamados de autómatos programáveis podem assumir diferentes formas, custos e desempenhos. Em termos muito básicos, podemos dizer que incorporam o sistema de aquisição de dados, o computador e a fonte de alimentação num único dispositivo compacto e robusto. Uma vez programado, o PLC desempenha a sua tarefa de monitorização e controlo de forma independente, podendo estar ligado a um computador apenas para permitir a supervisão externa. Tipicamente, os PLCs são sistemas modulares, podendo ser acrescentados ou retirados módulos conforme as necessidades em termos de tipo e quantidade de ligações de entrada e saída.
Figura 02: Principais periféricos de um sistema de aquisição de dados: a) Placa interna; (b) Placa terminadora externa para ligação a placa interna; (c) Sistema USB; (d) Controladores Lógicos Programáveis (PLC).
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