Coleta e Gravação de Dados Por Meios Eletrônicos (ART2150)

Na pesquisa de campo, ou mesmo no laboratório ó Interessante dispor de automatismos que permitam a coleta de dados obtidos a partir de transdutores como sensores de luz, calor, pressão, condutância, posição para posterior análise ou mesmo para transmissão a distância. Neste artigo descrevemos diversos processos que podem ser usados no laboratório de pesquisa das mais diversas ciências, como: biologia, física, química, etc. e que fazem uso tanto de componentes como de equipamentos baratos e comuns no nosso mercado.

Obs. Este artigo é de 1991. Hoje, os microcontroladores possuem entradas de dados tanto analógicas como digitais que facilitam este tipo de trabalho, no entanto, alguns dos circuitos indicados servem de interface com aplicações atuais, podendo ser usados em projetos.

A proposta básica deste artigo é levar ao pesquisador de áreas não ligadas à eletrônica (e também ao técnico dos laboratórios de institutos de pesquisa e universidades) algumas técnicas bastante simples que permitem coletar dados de transdutores de vários tipos e depois transmiti-los ou gravá-los para posterior análise usando um gravador cassete comum (ou mídias mais modernas, já que o artigo é antigo).

Os circuitos podem ser usados para gravação contínua ou então programados para fazer medidas em horários determinados e gravar os resultados numa fita para posterior análise.

Podemos citar alguns exemplos interessantes de onde e como estes circuitos poderiam ser usados numa pesquisa.

a) Associando-se um sensor de temperatura a um temporizador programado para acionamento de hora em hora, tudo ligado a um pequeno gravador cassete, podemos gravar todas as temperaturas que ocorrem num local (ambiente, estufa, processo químico) de modo totalmente automático, durante um período que pode chegar até mesmo a semanas, conforme mostra a figura 1.

 

Figura 1 – Aplicação típica na gravação de dados
Figura 1 – Aplicação típica na gravação de dados

 

b) Com o uso de um sensor de posição, conforme mostra a figura 2, podemos gravar também por longos períodos com uma programação em intervalos regulares a direção do vento de uma determinada localidade.

 

Figura 2 – Monitoramento da direção do vento
Figura 2 – Monitoramento da direção do vento

 

A análise dos dados gravados pode ser feita de diversas maneiras, com precisão que vai depender da calibração prévia do aparelho.

 

O PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

Gravadores cassete gravam sons e não grandezas como temperaturas, pressões, posições, níveis, etc. No entanto, através de circuitos apropriados podemos converter todas estas grandezas que devam ser medidas em sons com frequências correspondentes.

Em outras palavras, fazemos a conversão da grandeza desejada em frequência (Hz) dentro da faixa que um gravador de fita comum (cassete) pode trabalhar, conforme mostra a figura 3.

 

   Figura 3 – Convertendo grandezas analógicas em frequência (digital)
Figura 3 – Convertendo grandezas analógicas em frequência (digital)

 

Para recuperar então o dado gravado basta termos recursos para ler sua frequência e a partir de uma tabela ou curva de calibração, teremos a leitura desejada a qualquer momento.

O importante a observar é que na conversão frequência novamente na informação desejada não temos perda de precisão, pois se o volume se altera na passagem da fita, isso não influi na frequência do sinal gravado.

Assim, uma vez que na fita exista um sinal padrão para calibração prévia todos os dados gravados a seguir terão a precisão com que este sinal prévio seja usado no ajuste do sistema de leitura, conforme mostra a figura 4.

 

Figura 4 – Iniciando a gravação com um sinal padrão
Figura 4 – Iniciando a gravação com um sinal padrão

 

 

Temos então duas possibilidades para recuperar os dados gravados numa fita.

A primeira é mostrada na figura 5 e consiste em usarmos um conversor frequência/tensão (digital/analógico) e ligarmos na sua saída um simples voltímetro ou miliamperímetro.

 

Figura 5 – Usando um conversor frequência em tensão
Figura 5 – Usando um conversor frequência em tensão

 

A indicação da grandeza desejada será então feita pelo ponteiro de um mostrador e a precisão depende deste instrumento.

A segunda, mais precisa, consiste no uso de um frequencímetro, ou seja, um instrumento que leia diretamente a frequência do sinal gravado. Com este, a partir de uma tabela ou curva de conversão podemos ter exatamente a medida original feita.

Um sistema mais elaborado que inclua um conversor digital compatível com a entrada de um computador permite a transferência direta para o processamento, mas neste caso já temos uma complexidade maior.

 

CIRCUITOS COLETORES DE DADOS

Os circuitos que damos a seguir são bastante simples e podem ser usados com diversos tipos de transdutores.

A ideia básica ,destes circuitos é converter o sinal do transdutor que pode ser uma corrente, uma tensão ou ainda uma resistência ou capacitância numa frequência que possa ser registrada num gravador cassete comum.

O primeiro circuito é mostrado na figura 6 e utiliza um transistor unijunção e o sensor é do tipo resistivo (X1).

 

   Figura 6 – Sensor resistivo com transistor unijunção
Figura 6 – Sensor resistivo com transistor unijunção

 

O sensor deve ter na faixa de operação normal, resistências entre 10 k e 1 M e em sua função deve ser escolhido o capacitor C1 para que o tom gerado fique entre 200 e 2 000 Hz que é a faixa onde o gravador cassete opera melhor.

Assim, para um sensor que vá ter resistências baixas (entre 10 k e 50 k, por exemplo) usamos capacitores maiores (47 a 100 nF), enquanto que, com um transdutor que opere com resistências mais altas, usamos capacitores menores (10 a 47 nF).

Um exemplo seria o uso de um LDR ou de um termistor (NT C) medindo intensidades de luz elevada, ou ainda temperaturas altas, quando o sensor terá resistências relativamente baixas no momento do registro, optamos pelo uso de capacitores maiores, entretanto, se vamos medir baixas temperaturas ou intensidades de luz pequenas, o capacitor deve ser pequeno.

Veja que existem disponíveis NTCs com as mais diversas resistências à temperatura ambiente e que a escolha deve ser feita em função das características deste circuito.

O mesmo é válido se formos usar, por exemplo, um par de eletrodos, na medida da condutividade de uma solução.

Para termos segurança na operação deste circuito é preciso ter antes a sua curva de calibração que é conseguida da seguinte forma:

Ligamos na saída do circuito o frequencímetro ou um conversor frequência tensão (como os indicados ainda neste artigo), e fazemos uma tabela em que tenhamos a frequência ou indicação de saída em correspondência com a grandeza que deve ser medida numa câmara de prova comparada com instrumento previamente calibrado (figura 7).

 

Figura 7 – Curva de calibração
Figura 7 – Curva de calibração

 

Para termos ideia se o sinal está senso convenientemente gravado em vista de sua frequência e não dispormos de um frequencímetro podemos simplesmente gravá-lo e verificar se ocorre a sua reprodução.

Este circuito é indicado para gravação continua, já que não existe no próprio ou associado um temporizador.

Podemos usá-lo para gravar durante um intervalo que corresponda a duração da fita uma certa grandeza para posterior análise.

O segundo circuito é mostrado na figura 8 é um aperfeiçoamento do anterior, com maior sensibilidade.

 

Figura 8 – Circuito com unijunção com maior sensibilidade
Figura 8 – Circuito com unijunção com maior sensibilidade

 

Com este circuito, sensores de altas resistências (acima de 1M) podem ser usados, tais como: NTCs ou mesmo diodos polarizados inversamente e foto-transistores ou foto-diodos para medidas de intensidade de luz.

O circuito poderá trabalhar com sensores cuja resistência esteja compreendida na faixa de 1 M até 22 M ou mesmo mais. O ajuste do ponto de funcionamento, ou seja, da faixa de áudio que será produzida com o sensor escolhido, é feito no potenciômetro ou trimpot P1.

O capacitor C1 também neste circuito depende da faixa de frequências de operação, devendo ser obtido experimentalmente em função da resistência do transdutor.

Neste circuito devemos ter certo cuidado para não utilizar transistores que apresentem fugas pois elas podem dificultar o ajuste do oscilador.

O circuito mostrado na figura 9 também utiliza sensores resistivos cuja resistência pode situar-se entre 10 k e 40 Megohms ou mesmo mais.

 

   Figura 9 – Sensor com CI CMOS
Figura 9 – Sensor com CI CMOS

 

A base é um oscilador com o circuito integrado CMOS4093. Um buffer (Cl-1b) isola o oscilador da saída o que garante uma excelente estabilidade de funcionamento.

O capacitor C1 será escolhido de acordo com a faixa de resistências apresentada por X1.

Para uma faixa entre 10 k e 100 k, o capacitor deve estar entre 47 nF e 100 nF.

Para uma faixa entre 100 k e 1 M, o capacitor estará entre 22 nF e 47 nF e para resistências acima de 1M podemos reduzir o capacitor até mesmo para 1 nF ou 470 pF de modo a obter um tom de áudio de menos de 1 kHz.

Uma característica importante deste circuito é o seu baixo consumo durante o funcionamento que é da ordem, de 0,5 mA apenas na condição de ausência de carga (nada ligado a S) e sobe para no máximo 5 mA com uma carga de baixa impedância na saída.

A alimentação do circuito poderá ser feita com tensões de 6 a 15 V. Uma versão bastante sensível de conversor resistência/frequência usando um único circuito integrado bastante comum é mostrada na figura 10.

 

Figura 10 – Versão astável com o 555
Figura 10 – Versão astável com o 555

 

O que temos é um astável que gera um sinal retangular, como o circuito anterior, e que pode ser alimentado com tensões na faixa de 6 a 12 Volts.

O consumo também é baixo, sem carga e o valor de C1 depende da faixa de resistências de X1 que pode ficar entre 1k e 1M. Veja que podemos usar transdutores de baixas resistências neste circuito.

Os resistores R1 e R2 devem eventualmente ser alterados em função das características do transdutor X1.

Recomendamos aumentar R2 para 10 k ou mesmo 22 k para transdutores de baixas resistências, e de resistências muito altas (acima de 1M) na faixa de operação.

O circuito mostrado na figura 11 é para transdutores capacitivos que podem ser sensores de posição ou nível de líquidos.

 

Figura 11 – Circuitos para transdutores capacitivos
Figura 11 – Circuitos para transdutores capacitivos

 

Na figura 12 mostramos como sensores de posição e nível podem ser feitos com placa de metal e ligados a este circuitos que fornecerá na sua saída um sinal retangular de frequência proporcional (inversamente) à capacitância do transdutor.

 

Figura 12 – sensor de posição
Figura 12 – sensor de posição

 

Como o transdutor apresenta capacitâncias normalmente na faixa de picofarads e o limite inferior admitido pelo 555 está em torno de 100 pF, os resistores são de valores bem elevados na rede de temporização.

O leitor eventualmente deve aumentar a área do sensor (ou sua capacitância) se houver dificuldade de oscilação.

O circuito da figura 13 que também opera segundo o mesmo princípio admite capacitâncias menores para o transdutor, o que pode ser interessante em muitos casos.

 

Figura 13 – Outro circuito para sensores capacitivos
Figura 13 – Outro circuito para sensores capacitivos

 

A capacitância do transdutor pode chegar a um mínimo de 20 pF e o resistor deve ser adequado ao circuito de modo a se obter um sinal de áudio, na faixa de maior rendimento do gravador.

Resistores de até 4M7 podem ser usados com capacitores muito pequenos.

Devemos observar que a existência de uma segunda porta como buffer ajuda a estabilidade do circuito.

Sua tensão de alimentação pode ficar entre 6 e 12 V tipicamente.

Para aumentar a sensibilidade de um conversor resistência/frequência usando o 555, podemos usar o circuito da figura 14.

 

   Figura 14 – Aumentando a sensibilidade do conversor
Figura 14 – Aumentando a sensibilidade do conversor

 

Podemos usar para X1 tanto transdutores resistivos de residências muito altas (acima de 1 M) como diodos polarizados inversamente (sensores de temperatura e luz) ou ainda foto-transistores.

O ajuste do ponto de funcionamento para se obter a frequência desejada no centro da escala da grandeza monitorada é feito por P1.

O capacitor C1 ajuda a se obter o centro desta escala sendo obtido experimentalmente conforme procedimento já citado nos circuitos anteriores.

O sinal deste circuito é retangular e sua alimentação é feita com tensões de 6 a 12 Volts.

O circuito da figura 15 usa um amplificador operacional do tipo 741 sem fonte de alimentação simétrica.

 

   Figura 15 – Circuito com operacional
Figura 15 – Circuito com operacional

 

 

A frequência neste circuito depende da faixa de X1 e dos valores de C1.

Para resistências entre 0 e 10 ok para X1 o capacitor C1 deve ser de 100 nF.

Para resistências acima de 1M use capacitores de 10 nF ou menores neste circuito.

 

RECUPERADORES

Os recuperadores são ligados na saída de fone ou monitor do gravador (para o caso de gravações) ou então na saída dos receptores para o caso da transmissão via rádio, fios ou fibras ópticas. A

Existem diversas possibilidades que são analisadas a seguir.

Na figura 16, temos um circuito que tem por base um 555 como monoestável que nada mais é do que um sensível frequencímetro de áudio analógico.

 

Figura 16 – Circuito com 555 monoestável
Figura 16 – Circuito com 555 monoestável

 

Na saída deste circuito ligamos um multímetro na escala baixa de tensões contínuas apropriadas e ajustamos P1 para obter a melhor escala.

P1 deve ser ajustado com um sinal padrão que tanto pode ser obtido por meio de um gerador ou ainda por um sinal padrão gravado no início da própria fita com que se pretende registrar os dados.

A alimentação do circuito é feita com tensões de 6 a 9 V e R1 determina o ganho da etapa de entrada podendo eventualmente ser alterado na faixa de 470 k a 2M2.

O circuito da figura 17 também é um frequencímetro de áudio com base num integrado LM331.

 

  Figura 17 – Frequencímetro com o LM331
Figura 17 – Frequencímetro com o LM331

 

Neste circuito temos um transformador de acoplamento do gravador ao sistema.

Este transformador deve ser do tipo miniatura para saída de rádios transistores e a impedância de primário não é crítica podendo ticar entre 200 ohms e 2 k.

O nível de excitação é ajustado no volume do gravador e o ajuste do centro da escala do instrumento analógico é feito no trimpot P1.

A entrada do circuito, como no anterior é ligada a saída de fone ou monitor do gravador usado.

A alimentação do circuito é feita com uma tensão de 9 V.

Para a utilização de um frequencímetro digital é interessante termos um digitalizador de sinal que pode numa primeira versão ser construído com um simples integrado 555 já que estamos operando na faixa de áudio.

Na figura 18 temos um circuito que opera bem nesta aplicação devendo o trimpot P1 ser ajustado apenas para a determinação da largura do pulso de saída que é constante.

 

Figura 18 – Frequencímetro com o 555
Figura 18 – Frequencímetro com o 555

 

Esta largura deve ser tal que não corresponda a mais de 50% do ciclo ativo no sinal registrado de máxima frequência trabalhado.

Experiências podem ser feitas no sentido de encontrar o melhor valor.

O sinal de saída é retangular, de acordo com que os frequencímetros digitais necessitam para operação.

A sensibilidade do frequencímetro deve ser ajustada de acordo com a amplitude do sinal que se aproxima da tensão de alimentação.

O circuito da figura 1 9 faz uso de um 4093 (disparador NAND) e leva também um transistor amplificador na entrada.

 

Figura 19 – Circuito com o 4093
Figura 19 – Circuito com o 4093

 

O ganho do circuito pode ser ajustado no trimpot além da própria fonte de sinal, ou seja, o gravador.

A alimentação deste circuito pode ser feita com tensões entre 6 e 12 Volts e o seu consumo é extremamente baixo.

 

CONCLUSÃO

Os circuitos que vimos neste artigo consistem em soluções simples que podem ser adotadas pelos pesquisadores que disponham de poucos recursos para a elaboração de equipamentos eletrônicos.

No entanto, existem muitos aperfeiçoamentos possíveis para o sistema e que inclusive podem levar a verdadeiras centrais de coletas de dados.

Por exemplo, a utilização de diversos circuitos coletores acionados por um sistema sequencial permite a gravação de dados de diversas fontes.

Do mesmo modo, a utilização de conversores ND (analógicos-digitais) permite a transferência direta dos dados gravados para memórias, computadores ou processadores apropriados.

Dada a complexidade de alguns destes circuitos deixamos a sua abordagem para outro artigo.

Lembramos, para completar, que cada um dos circuitos apresentados é uma sugestão que deve ser adaptada a aplicação especifica que se tem em mente.

 

Importante: Este artigo é de 1991. Hohe em dia (2014), quando recuperamos este artigo temos soluções avaçadas muito melhores para a coleta de dados e pesquisa de campo como a oferecida pelo MyDaq da National Instruments. Veja o artigo em: MYD001 neste site.

 

 


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