Como escolher o melhor hardware de aquisição de dados para o seu sistema de medição (INS547)

Neste artigo, disponível no site da National Instruments em http://www.ni.com/white-paper/13655/pt/ temos um guia que ajudará o leitor a escolher a melhor solução para a realização de medidas com o computador utilizando dispositivos de aquisição de dados. No final, a National Instruments disponibiliza um guia completo para esta finalidade.

 

Visão geral

Tendo tantos dispositivos de aquisição de dados (DAQ) à sua escolha, pode ser difícil selecionar o mais adequado para a sua aplicação. Este artigo apresenta cinco perguntas que você deve se fazer quando for escolher o seu hardware.

 

Índice

1. Cinco perguntas que irão guiá-lo na escolha do melhor hardware DAQ para você

1. Que tipos de sinais preciso medir ou gerar?

2. Necessito de condicionamento de sinais?

3. Com que velocidade preciso adquirir ou gerar amostras do sinal?

4. Qual é a menor variação no sinal que preciso detectar?

5. Qual é a quantidade de erro de medição permitida pela minha aplicação?

 

1. Que tipos de sinais preciso medir ou gerar?

Diferentes tipos de sinais devem ser medidos ou gerados de maneiras diferentes. Um sensor (ou transdutor) é um dispositivo que converte um fenômeno físico em um sinal elétrico mensurável, como tensão ou corrente. Você pode também enviar um sinal elétrico mensurável ao seu sensor para criar um fenômeno físico. Por esse motivo, é importante conhecer os diferentes tipos de sinais e seus atributos. Com base nos sinais de sua aplicação, você poderá começar a pensar em qual dispositivo DAQ irá utilizar.

 

Funções dos dispositivos DAQ

Entradas analógicas medem sinais analógicos

Saídas analógicas geram sinais analógicos

Entradas/saídas digitais medem e geram sinais digitais

Contadores / temporizadores contam eventos digitais ou geram pulsos/sinais digitais

Há dispositivos que são dedicados a somente uma das funções relacionadas acima e há dispositivos multifuncionais, que trabalham com todas elas. Você pode encontrar dispositivos DAQ com um número fixo de canais para uma única função, incluindo entradas analógicas, saídas analógicas, entradas/saídas digitais ou contadores. Entretanto, seria uma boa ideia considerar a compra de um dispositivo com mais canais do que você precisa atualmente, caso sua aplicação necessite de mais canais no futuro. Se você comprar um dispositivo que tenha recursos que atendam somente sua aplicação atual, será difícil adaptar o hardware a aplicações futuras.

Dispositivos DAQ multifuncionais têm quantidades fixas de canais, mas oferecem uma combinação de entradas analógicas, saídas analógicas, entradas/saídas digitais e contadores. Dispositivos multifuncionais trabalham com diferentes tipos de E/S. Dessa forma, eles podem ser usados em muitas aplicações diferentes, o que não seria possível fazer com um dispositivo DAQ de uma única função.

Outra opção é uma plataforma modular, que você pode customizar para atender exatamente os seus requisitos. Um sistema modular é formado por um chassi, que controla a temporização e a sincronização, e módulos de E/S diversos. Uma das vantagens de um sistema modular é que você pode selecionar diferentes módulos, com funções diferentes, o que possibilita a criação de um maior número de configurações. Com essa opção, você pode encontrar módulos que executam uma determinada função com maior exatidão que um dispositivo multifuncional. Outra vantagem de um sistema modular é a sua capacidade de selecionar a quantidade de slots de seu chassi. Um chassi tem uma quantidade de slots fixa, mas você pode comprar um chassi que tenha mais slots do que você precisa atualmente, para poder fazer expansões no futuro.

 

2. Necessito de condicionamento de sinais?

Um dispositivo DAQ de uso geral típico pode medir ou gerar +/-5 V ou +/-10 V. Alguns sensores geram sinais que podem ser difíceis demais ou perigosos demais para serem medidos diretamente com esse tipo de dispositivo DAQ. A maior parte dos sensores requer condicionamento de sinais, como amplificação ou filtragem, para que um dispositivo DAQ possa medir esses sinais com eficácia e exatidão.

Por exemplo, os termopares fornecem sinais na faixa de mV, que precisam ser amplificados para que possamos otimizar os limites dos conversores analógico-digital (ADCs). Além disso, é possível obter melhores medições com termopares com o uso de filtros passa-baixas, que removem o ruído de alta frequência. O condicionamento de sinais oferece uma óbvia vantagem aos dispositivos DAQ, pois melhora o desempenho e a exatidão das medições feitas pelos sistemas de aquisição de dados.

O quadro 1 oferece um resumo dos tipos comuns de condicionamento de sinais para diferentes tipos de sensores e medições.

  Amplificação Atenuação Isolação Filtragem Excitação Linearização CJC Completação de pontes
Termopar X     X   X X  
Termistor X     X X X    
RTD X     X X X    
Strain Gage X     X X X   X
Carga, pressão, torque (mV/V, 4-20mA) X     X X X    
  X     X X X    
Acelerômetro X     X X X    
Microfone X     X X X    
Sonda de proximidade X     X X X    
LVDT/RVDT X     X X X    
Alta tensão   X X          

Quadro 1. Condicionamento de sinais para diversos sensores e medições

Se o seu sensor for um dos tipos relacionados no quadro 1, você deve considerar o condicionamento de sinais Você pode incluir condicionamento de sinais externo ou utilizar um dispositivo DAQ que tenha condicionamento de sinais integrado. Muitos dispositivos também incluem conectividade para sensores específicos, que torna a integração desses sensores mais conveniente.

 

3. Com que velocidade preciso adquirir ou gerar amostras do sinal?

Uma das especificações mais importantes de um dispositivo DAQ é a sua taxa de amostragem, que é a velocidade na qual o ADC desse dispositivo obtém amostras de um sinal. Taxas de amostragem típicas são temporizadas por hardware ou software, em taxas de até 2 MS/s. A taxa de amostragem a ser usada em sua aplicação dependerá da componente máxima de frequência do sinal que você irá medir ou gerar.

O teorema de Nyquist diz que você pode reconstruir com exatidão um sinal fazendo sua amostragem em uma frequência que é o dobro da maior componente de frequência desse sinal. Entretanto, na prática, você deve fazer amostragens de pelo menos 10 vezes da frequência máxima para representar o formato de seu sinal. Escolhendo um dispositivo DAQ que tenha uma taxa de amostragem de pelo menos 10 vezes a frequência de seu sinal, você medirá e construirá representações de seu sinal com maior exatidão.

Por exemplo, suponha que em sua aplicação você queira medir uma onda senoidal que tenha uma frequência de 1 kHz. Pelo teorema de Nyquist, você deveria fazer a amostragem a pelo menos 2 kHz. Mas é altamente recomendado que você faça essa amostragem a 10 kHz. A figura 1 compara uma onda senoidal de 1 kHz amostrada a 2 kHz e 10 kHz.

 

Figura 1. Representação de uma onda senoidal de 1 kHz com amostragem de 10 kHz e 2 kHz.
Figura 1. Representação de uma onda senoidal de 1 kHz com amostragem de 10 kHz e 2 kHz.

 

Sabendo qual é a máxima componente de frequência do sinal que você quer medir ou gerar, você poderá escolher um dispositivo DAQ com a taxa de amostragem apropriada para a aplicação.

 

4. Qual é a menor variação no sinal que preciso detectar?

A menor variação detectável em um sinal determina a resolução necessária para o seu dispositivo DAQ. Resolução refere-se à quantidade de níveis binários que um ADC pode usar para representar um sinal. Para ilustrar essa questão, imagine como uma onda senoidal seria representada após ao ser convertida por ADCs de diferentes resoluções. A figura 2 compara ADCs de 3 bits e 16 bits Um ADC de 3 bits pode representar oito (23) níveis discretos de tensão. Um ADC de 16 bits pode representar 65.536 (216) níveis discretos de tensão. A representação da onda senoidal com uma resolução de 3 bits parece mais com uma função degrau que uma senoide, enquanto que o ADC de 16 bits oferece uma representação clara de uma onda senoidal.

 

Figura 2. Representação de uma onda senoidal com resoluções de 16 bits e 3 bits
Figura 2. Representação de uma onda senoidal com resoluções de 16 bits e 3 bits

 

Dispositivos DAQ típicos têm faixas de tensão de +/-5 V ou +/-10 V. Os níveis de tensão que podem ser representados estão distribuídos uniformemente por uma faixa selecionada, de modo a aproveitar toda a resolução. Por exemplo, um dispositivo DAQ com faixa de +/-10 V e resolução de 12 bits (212, ou 4.096 níveis distribuídos uniformemente) pode detectar uma variação de 5 mV, enquanto que um dispositivo com resolução de 16 bits (216, ou 65.536 níveis distribuídos uniformemente) pode detectar uma variação de 300 µV. Os requisitos de muitas aplicações são atendidos por dispositivos que têm resolução de 12, 16 ou 18 bits. Entretanto, se estiver medindo sensores com faixas de tensão grandes e pequenas, provavelmente lhe será proveitoso ter a faixa dinâmica de dados disponível com dispositivos de 24 bits. A faixa de tensão e a resolução exigidas para a sua aplicação são fatores essenciais para que você possa selecionar o melhor dispositivo para a sua aplicação.

 

5. Qual é a quantidade de erro de medição permitida pela minha aplicação?

Exatidão (accuracy) é uma medida que mostra a capacidade de um instrumento de indicar fielmente o valor de um sinal medido. Esse termo não está relacionado à resolução, mas a exatidão nunca poderá ser melhor que a resolução do instrumento. O modo como você especifica a exatidão de sua medição dependerá do tipo de dispositivo de medição utilizado. Um instrumento ideal sempre mede o valor real com certeza de 100 por cento. Entretanto, na vida real, os instrumentos fornecem um valor que tem uma incerteza especificada pelo fabricante. Essa incerteza pode depender de muitos fatores, tais como o ruído do sistema, erro de ganho, erro de offset e não linearidade. Uma especificação muito utilizada pelos fabricantes para informar a incerteza é a exatidão absoluta. Essa especificação fornece o erro de pior caso de um dispositivo DAQ em uma determinada faixa. Um exemplo de cálculo da exatidão absoluta de um dispositivo multifuncional da National Instruments é mostrada abaixo:

Exatidão absoluta = ([leitura * erro de ganho] + [faixa de tensão * erro de offset] + incerteza do ruído)

Exatidão absoluta = 2,2 mV

É importante observar que a exatidão de um instrumento depende não somente do instrumento, mas também do tipo de sinal que está sendo medido. Se houver muito ruído no sinal medido, a exatidão da medição será prejudicada. Há diversos tipos de dispositivos DAQ, com graus variados de exatidão e preço. Alguns dispositivos podem oferecer autocalibração, isolação e outros circuitos eletrônicos, para melhorar a exatidão. Onde um dispositivo DAQ básico fornece uma exatidão absoluta maior que 100 mV, um dispositivo que tenha os recursos citados acima pode oferecer uma exatidão absoluta de aproximadamente 1 mV. Sabendo qual é a exatidão de que precisa, você poderá escolher um dispositivo DAQ com exatidão absoluta que atende as necessidades de sua aplicação.

 

Próximos passos:

Faça o download do guia completo para desenvolver um sistema de medição

https://lumen.ni.com/nicif/pt/ekitdaqsys/content.xhtml

Veja as vantagens de escolher dispositivos de aquisição de dados da National Instruments para a sua aplicação

http://www.ni.com/data-acquisition/why-choose/pt/

Compare os diferentes produtos de hardware de aquisição de dados para a sua aplicação

http://www.ni.com/data-acquisition/compare/pt/

 

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