O que é Aquisição de Dados - DAQ ou DAS?

O que é Aquisição de Dados?

Quando falamos sobre Data Acquisition, comumente abreviado como DAQ ou DAS, estamos nos referindo ao processo de fazer medições dos fenômenos físicos e registrá-los de alguma maneira para analisá-los.

A aquisição de dados é geralmente aceita como distinta das formas anteriores de gravação em gráficos em fita ou papel.

Ao contrário desses métodos, os sinais são convertidos do domínio analógico para o domínio digital e, em seguida, gravados em um meio digital, como ROM, mídia flash ou unidades de disco rígido.

Os modernos sistemas digitais de aquisição de dados consistem em quatro componentes essenciais que formam toda a cadeia de medição dos fenômenos físicos:

• Sensores

• Condicionadores de Sinal

• Conversores Analógico-Digital

• Computador com software DAQ para gravação e análise

O sistema típico de aquisição de dados (DAQ) possui vários canais de circuitos de condicionamento de sinal que fornecem a interface entre sensores externos e o subsistema de conversão A / D.

Saiba mais sobre os elementos de um sistema de aquisição de dados digital:

O que é Condicionamento de Sinais ou Condicionador de Sinais?Guia completo de condicionamento de sinal na aquisição de dados. O que é condicionamento, tipos de condicionadores de sinal e a tecnologia envolvida.

O que é o Conversor ADC (Conversor Analógico-Digital)?O guia dos conversores ADC (conversores analógico-digital). O que fazem e quais tipos de conversores AD são melhores para tarefas de aquisição de dados.

O que um Sistema DAQ Mede?

Os sistemas de aquisição de dados estão principalmente no campo de medir fenômenos físicos como:

• Temperatura

• Voltagem

• Corrente

• Deformação e Pressão

• Choque e Vibração

• Distância e Deslocamento

• RPM, Angulo, e eventos discretoe

• Peso

Observe que existem vários outros mensurandos, incluindo luz e imagens, som, massa, posição, velocidade etc. que podem ser medidos pelo sistema de aquisição de dados.

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Dewesoft fornece sistemas de aquisição de dados digitais modernos e modulares, fáceis de utilizar. Os sistemas são concebidos para serem fáceis de utilizar, mas podem ser utilizados para as aplicações de teste e medição mais exigentes. Os DAQs Dewesoft oferecem uma Garantia de 7 anos, líder na indústria.

Os Objetivos da Aquisição de Dados

O objetivo principal de um sistema de aquisição de dados é aquisitar e armazenar os dados. Mas eles também se destinam a fornecer visualização e análise em tempo real e pós-gravação dos dados. Além disso, a maioria dos sistemas de aquisição de dados possui alguma capacidade analítica e de geração de relatórios incorporada.

Uma inovação recente é a combinação de aquisição e controle de dados, em que um sistema DAQ é conectado firmemente e sincronizado com um sistema de controle em tempo real. Você pode ler mais sobre este tópico no artigo relacionado: “Mesclando aquisição de dados com um sistema de controle em tempo real”.

Engenheiros em diferentes aplicações têm vários requisitos, é claro, mas esses recursos essenciais estão presentes em proporções variadas:

• Gravação de dados

• Armazenamento de dados

• Visualização de dados em tempo real
  Revisão de dados pós-gravação

• Análise de dados usando vários cálculos matemáticos e estatísticos

• Geração de relatório

Importância dos Sistemas de Aqusição de Dados

Os sistemas de aquisição de dados ou dispositivos DAQ são essenciais no teste de produtos, de automóveis a dispositivos médicos - basicamente, qualquer dispositivo eletromecânico usado pelas pessoas.

Antes da aquisição dos dados, os produtos eram testados de maneira não estruturada e altamente subjetiva. Por exemplo, ao testar uma nova suspensão em um automóvel, os engenheiros costumavam confiar nas opiniões dos condutores de teste sobre como a suspensão “parecia” para eles.

Com a invenção e o desenvolvimento de sistemas de aquisição de dados, que poderiam coletar dados de uma ampla variedade de sensores, esses tipos de opiniões subjetivas foram substituídos por medições objetivas. Estes poderiam ser facilmente repetidos, comparados, analisados matematicamente e visualizados de várias maneiras.

Hoje, ninguém consideraria fabricar qualquer tipo de veículo, grande ou pequeno, aeronave, dispositivos médicos, máquinas de grande escala, etc., sem empregar a aquisição de dados para medir objetivamente seu desempenho, segurança e confiabilidade.

O Processo de Medição

A aquisição de dados é o processo de conversão de sinais do mundo real para o domínio digital para exibição, armazenamento e análise. Como os fenômenos físicos existem no domínio analógico, ou seja, no mundo físico em que vivemos, eles devem ser medidos primeiro lá e depois convertidos no domínio digital.

Esse processo é feito usando uma variedade de sensores e condicionadores de sinal. As saídas são amostradas por conversores analógico-digitais (ADCs) e, em seguida, gravadas em um fluxo baseado em tempo em uma mídia de memória digital, conforme mencionado acima. Geralmente chamamos esses sistemas de sistemas de medição.

Vamos analisar cada um desses elementos da cadeia com mais detalhes:

• Sensores ou Transdutores

• Condicionadores de sinal

• Isolamento

• Filtragem

• Conversores Analogicos Digitais (ADCs)

• Armazenamento de dados

• Visualização de dados

• Análise de Dados

Sensores ou Transdutores

A medição de um fenômeno físico, como a temperatura, o nível de uma fonte sonora ou a vibração que ocorre em movimento constante, começa com um sensor. Um sensor também é chamado de transdutor. Um sensor converte um fenômeno físico em um sinal elétrico mensurável.

Sensores são usados em nossas vidas cotidianas. Por exemplo, o termômetro comum de mercúrio é um tipo muito antigo de sensor usado para medir a temperatura. Usando mercúrio colorido em um tubo fechado, ele se baseia no fato de que este produto químico tem uma reação consistente e linear às mudanças de temperatura. Marcando o tubo com valores de temperatura, podemos olhar para o termômetro e ver qual é a temperatura com precisão limitada.

Obviamente, não há saída analógica além da visual. Esse tipo de termômetro primitivo, embora útil no forno ou fora da janela da cozinha, não é particularmente útil para aplicações de aquisição de dados.

Assim, outros tipos de sensores foram inventados para medir temperaturas, como termopares, termistores, RTDs (Resistance Temperature Detectors) e até detectores de temperatura por infravermelho. Milhões desses sensores estão trabalhando todos os dias em todos os tipos de aplicações, desde a temperatura do motor mostrada em nosso painel de automóveis até as temperaturas medidas na fabricação de produtos farmacêuticos. Praticamente todos os setores utilizam a medição de temperatura de alguma maneira.

Obviamente, existem muitos outros tipos de sensores que foram inventados para medir outro fenômeno físico:

• Células de carga: para medir peso e carga

• Sensores LVDT: os LVDTs são usados para medir o deslocamento na distância

• Acelerômetros: medindo vibrações e choques

• Microfones: para medir o som,

• Medidores de deformação: para medir a deformação em um objeto, p. medir força, pressão, deformação, peso, etc.,

• Transdutores de corrente: para medir corrente CA ou CC,
  e incontáveis mais.

Dependendo do tipo de sensor, sua saída elétrica pode ser uma tensão, corrente, resistência ou outro atributo elétrico que varia ao longo do tempo. A saída desses sensores analógicos é normalmente conectada à entrada de um condicionador de sinal, que discutiremos na próxima seção.

Saiba mais sobre sensores e transdutores:

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Condicionadores de sinal

Os condicionadores de sinal estão no negócio de pegar a saída de sensores analógicos e prepará-los para serem amostrados digitalmente.

Se continuarmos o exemplo do termopar. O circuito de condicionamento de sinal precisa linearizar a saída do sensor, além de fornecer isolamento e amplificação para elevar a tensão muito pequena até um nível nominal para digitalização.

If we continue the example of the thermocouple. The signal conditioning circuitry needs to linearize the output from the sensor as well as provide isolation, and amplification to bring the very small voltage up to a nominal level for digitizing.

Cada condicionador de sinal é projetado pelo fabricante para executar a normalização elementar da saída do sensor para garantir sua linearidade e fidelidade aos fenômenos da fonte e prepará-lo para a digitalização. E, como todo tipo de sensor é diferente, os condicionadores de sinal devem estar em conformidade com eles.

Saiba mais sobre o condicionamento de sinais:

O que é Condicionamento de Sinais ou Condicionador de Sinais?Guia completo de condicionamento de sinal na aquisição de dados. O que é condicionamento, tipos de condicionadores de sinal e a tecnologia envolvida.

Barreiras de Isolamento (Isolação Galvânica)

Às vezes também conhecido como galvanic isolation, isolamento elétrico é a separação de um circuito de outras fontes de potenciais elétricos. Isso é especialmente importante nos sistemas de medição, porque a maioria dos sinais existe em níveis relativamente baixos e os potenciais elétricos externos podem influenciar bastante a qualidade do sinal, resultando em leituras incorretas. Os potenciais de interferência podem ter natureza CA e CC.

Por exemplo, quando um sensor é colocado diretamente em um espécimen em teste (por exemplo, uma fonte de alimentação) com potencial acima do terra (ou seja, não em 0V), isso pode impor um deslocamento DC no sinal de centenas de volts. A interferência ou ruído elétrico também pode assumir a forma de sinais CA criados por outros componentes elétricos no caminho do sinal ou no ambiente ao redor do teste. Por exemplo, luzes fluorescentes na sala podem irradiar 400Hz, que podem ser captadas por sensores muito sensíveis.

É por isso que os melhores sistemas de aquisição de dados têm entradas isoladas - para preservar a integridade da cadeia de sinais e garantir que o que o sensor produz seja realmente o que foi lido. Existem vários tipos de técnicas de isolamento empregadas hoje.

This is why the best data acquisition systems have isolated inputs - to preserve the integrity of the signal chain and ensure that what the sensor outputs is truly what has been read. There are several kinds of isolation techniques employed today. 

Saiba mais sobre o isolamento dos DAQ:

A importância do isolamento nos sistemas de aquisição de dadosIsolamento elétrico é a separação de um circuito de outras fontes de potencial elétrico. Saiba mais sobre a importância do isolamento galvânico em sistemas DAQ.

Filtragem

Praticamente todos os sinais que queremos medir podem ser afetados por interferências elétricas ou ruídos. Isso tem várias causas, incluindo campos eletromagnéticos ambientais que podem ser induzidos a linhas de sinal de alto ganho ou potenciais de tensão simples que existem entre o sensor ou o sistema de medição e o objeto em teste. Portanto, os melhores sistemas de condicionamento de sinal fornecem filtragem selecionável que o engenheiro pode usar para remover essas interferências e fazer melhores medições.

Os filtros são normalmente expressos em termos da banda em que operam. Existem quatro tipos básicos de filtros de sinal:

• Filtro passa-baixo: esse filtro impede a passagem de sinais acima de uma determinada frequência.

• Filtro passa-alto: faz o oposto e permite que apassagem de sinais acima de uma determinada frequência.

• Filtros de passagem de banda e rejeição de banda: passam ou interrompem (rejeitam) as frequências entre dois valores fornecidos.

Alguma filtragem, como anti-aliasing filtering, só pode ser feita no domínio analógico. Isso ocorre porque, quando um sinal falso causado por subamostragem é digitalizado, não há mais como saber como era o sinal real. No entanto, quase todas as outras filtragens podem ser feitas no domínio digital, isto é, no software, após o sinal ter sido digitalizado.

Os filtros também são definidos por quantos pólos eles possuem. Quanto mais polos, mais íngreme o roll-off (atenuação) eles são capazes de executar no sinal. Essa rolagem ou inclinação significa simplesmente quantos decibéis do sinal podem ser atenuados por oitava. A especificação do filtro em questão normalmente fornecerá o roll-off máximo em dB / Q.

Dewesoft DAQ hardware normalmente fornece filtragem passa-baixo, conforme exigido pelos tipos de sinais que estão sendo medidos. Alguns condicionadores fornecem adicionalmente filtragem passa-alta, por exemplo, amplificadores de sinal de CARGA. A remoção de elementos indesejados de baixa frequência é especialmente crítica se o sinal medido for integrado ou duplo-integrado, pois os elementos indesejados distorceriam gravemente os valores de velocidade ou deslocamento derivados.

Você também ouvirá tipos de filtros como Bessel, Butterworth, Elliptic, e Chebyshev para citar apenas alguns. Como todos os filtros impõem distorções no próprio sinal devido à sua natureza, os engenheiros, ao longo dos anos, desenvolveram seus próprios tipos de filtragem, a fim de fornecer os melhores resultados possíveis para suas finalidades específicas.

Dewesoft X software fornece uma ampla gama de opções de filtragem selecionáveis pelo usuário, incluindo todas as mencionadas acima e muito mais. É interessante notar que os filtros de software podem ser aplicados após a medição - e até removidos ou modificados após a medição. Isso fornece ao engenheiro muitas ferramentas para analisar seus dados de maneira não destrutiva.

Usando o software Dewesoft X, os engenheiros podem gravar seus dados sem filtrar e, em seguida, aplicar vários filtros após a gravação e o experimento, fazendo comparações lado a lado com o sinal original. Essa flexibilidade é uma poderosa ferramenta de análise e extremamente fácil de implementar. Ele preserva os dados originais  não filtrados e simultaneamente permite que o engenheiro aplique filtros conforme necessário, criando um conjunto de dados diferente para fins analíticos ou de apresentação.

Saiba mais sobre a filtragem:

Dewesoft online PRO training: Signal filtering

Conversores analógico-digitais (ADCs ou Conversores AD )

A saída da maioria das condições físicas do sinal de medição é um sinal analógico. É necessário converter esse sinal em uma série de valores digitais de alta velocidade para que ele possa ser exibido e armazenado pelo sistema de aquisição de dados. Como tal, um cartão A / D ou subsistema A / D é usado para converter este sinal.

Há uma variedade de tipos de ADC, incluindo conversor multiplexado e único por canal. Em um sistema ADC multiplexado, um único conversor de analógico para digital é usado para converter vários sinais do domínio analógico para o digital. Isso é feito através da multiplexação dos sinais analógicos, um de cada vez, no ADC.

Essa é uma abordagem de custo mais baixo em comparação a ter um chip ADC por canal. Mas, por outro lado, não é possível alinhar com precisão os sinais no eixo do tempo, porque apenas um sinal pode ser convertido por vez. Portanto, sempre há um desvio de tempo entre os canais.

Nos primeiros dias da aquisição de dados, os ADCs de 8 bits eram comuns. No momento da redação deste artigo, os ADCs de 24 bits são padrão entre a maioria dos sistemas de aquisição de dados projetados para fazer medições dinâmicas, e os ADCs de 16 bits são geralmente considerados a resolução mínima para sinais em geral.

A taxa na qual os sinais são convertidos é chamada de sample rate. Certas aplicações, como a maioria das medições de temperatura, não exigem uma taxa alta, pois os mensurandos não mudam muito rapidamente. No entanto, tensões e correntes CA, choques e vibrações e muitos outros medidores exigem taxas de amostragem em dezenas ou centenas de milhares de amostras por segundo ou mais. A taxa de amostragem é considerada o eixo T ou X da medição.

No eixo Y ou vertical, os ADCs estão disponíveis com várias resoluções. Os mais comuns hoje em dia são 16 e 24 bits. Um ADC com uma resolução de 16 bits pode teoricamente digitalizar um sinal de entrada com uma resolução de uma parte em 65.535 (2 ^ 16 = 65.536).
Na verdade, esse número é reduzido pelo erro de ruído e quantização, entre outros fatores, mas fornece um bom ponto de partida para comparação. Como cada bit de resolução efetivamente duplica a resolução de quantização, os sistemas com ADCs de 24 bits fornecem 2 ^ 24 = 16.777.216. Assim, um sinal de um volt de entrada pode ser dividido em mais de 16 milhões de valores discretos no eixo Y.

Os ADCs que oferecem altas taxas de amostragem e alta resolução do eixo de amplitude são ideais para análises dinâmicas de sinais, como choques e vibrações. Baixas taxas de amostragem e alta resolução do eixo de amplitude são ideais para termopares e outros mensurandos que possuem uma ampla faixa de amplitude, mas que não mudam de estado rapidamente.

ADCs que fornecem anti-aliasing filtering (AAF) são altamente desejáveis em todas as aplicações que envolvem medições dinâmicas porque evitam erros de medição causados pela amostragem de um sinal a uma taxa muito baixa. Esta aliasing é quando um sinal falso é criado por amostragem com pouca frequência para um sinal de mudança rápida.

Uma vez convertidos para digitais, nossos sinais (também conhecidos como mensurandos) são processados pelo subsistema de computadores de várias maneiras. Em primeiro lugar, eles podem ser exibidos ao operador de teste na tela do sistema para inspeção e revisão visual. A maioria dos sistemas DAQ mostra os dados em vários formatos populares, incluindo um histórico de tempo, também conhecido como “gráfico de faixa” (Y / T), bem como um visor numérico. Porém, outros tipos de exibição estão disponíveis em muitos sistemas no mercado atualmente, incluindo gráficos de barras, gráficos X-Y e muito mais.

Saiba mais sobre conversores A / D:

O que é o Conversor ADC (Conversor Analógico-Digital)?O guia dos conversores ADC (conversores analógico-digital). O que fazem e quais tipos de conversores AD são melhores para tarefas de aquisição de dados.

Armazenamento de Dados

Os sistemas atuais de aquisição de dados normalmente utilizam uma unidade de disco rígido de estado sólido (SSD ou HDD) para transmitir dados do subsistema ADC para armazenamento permanente. A gravação dos dados no disco também permite que sejam analisados após a conclusão do teste.

A maioria dos sistemas DAQ permite que os dados sejam exportados para diferentes formatos de arquivo para análise usando ferramentas de software de terceiros. Formatos de dados comuns incluem CSV (Comma Separated Values), UNV (Universal File Format), e outros.

Dewesoft X data acquisition software é capaz de exportar dados para ambos os formatos e muitos outros. Veja the complete list of exported data file formats.

Visualização e exibição de dados

Uma das funções mais críticas de qualquer sistema DAQ é a capacidade de visualizar os dados em tempo real durante o armazenamento de dados. Os sistemas normalmente empregam uma tela plana integrada ou separada, que pode ser configurada em uma variedade de formatos visuais.

Os dados da forma de onda quase sempre podem ser exibidos como formas de onda Y / T em um gráfico ou grade e na forma numérica. Além disso, outras convenções gráficas podem ser empregadas, como medidores de gráfico de barras, gráficos de frequência / magnitude da FFT (Fast Fourier Transform) e muito mais.

Os sistemas DAQ mais flexíveis de hoje permitem ao usuário configurar um ou mais monitores livremente usando widgets gráficos integrados de maneira fácil. Dewesoft X data acquisition software fornece vários built-in visual instruments:

• Gravadores: gravador horizontal, vertical e XY

• Osciloscópio: normal, 3D, vectorscópio

• FFT: FFT, FFT 3D, FFT harmônica e oitava

• Medidores: gráfico de barras digitais, analógicos, horizontais / verticais

• Gráficos: 2D, 3D, Oitava, Orbital, plot de Campbell

• Vídeo: exibição de vídeo padrão e exibição de vídeo infra-vermelho com indicadores de temperatura

• GPS: display de posicionamento com suporte interativo de camadas do Open Street Map

• Controle: botão, interruptor, botão, controle deslizante, entrada do usuário

• Análise de combustão: diagrama P-V e escopo da combustão

• Balanceador de rotor: para balanceamento de campo

• Automotivo: polígono 3D para exibir objetos em movimento

• Aeroespacial: indicador de altitude ou horizonte artificial

• DSA / NVH: Círculo modal

• Outros: tabela 2D / 3D, imagem, texto, linha, indicador de sobrecarga, lâmpada indicadora, notas

Todo instrumento visual oferece diferentes opções de personalização com feedback visual em tempo real.

Análise de Dados

Os sistemas de aquisição de dados fornecem uma referência visual importante quanto ao estado do teste em tempo real. Porém, depois de armazenados no sistema DAQ, os dados também podem ser analisados usando ferramentas integradas ao sistema DAQ ou software de análise de dados de terceiros.

Como mencionado anteriormente, quase todos os sistemas DAQ no mercado hoje possuem vários filtros de exportação de dados integrados que convertem o formato de dados proprietário do sistema em formatos de dados de terceiros para análise off-line.

Sistemas Básicos de Aquisição de dados

Existem dois tipos básicos de sistemas DAQ:

• Sistema ou instrumentos Turn-key de aquisição de dados

• Plataformas de desenvolvimento DAQ faça você mesmo

Preços dos Sistemas de Aquisição de Dados

Os sistemas de aquisição de dados são vendidos por uma variedade de empresas e estão disponíveis com uma ampla gama de recursos e especificações, portanto, os preços podem variar significativamente. Consulte o guia A lista completa das empresas de aquisição de dados para obter a lista atualizada das empresas de aquisição de dados.

É útil fornecer preços gerais para esses vários níveis de sistemas DAQ, usando o modelo de preço por canal. Os preços estimados são apresentados em USD (dólares americanos):

• Os sistemas DAQ low-end normalmente variam de US $ 200 a 500 / canal

• Os sistemas DAQ de gama média variam tipicamente entre US $ 500-1000 / canal

• Os sistemas DAQ high-end normalmente variam de US $ 1000-2000 / canal

Os sistemas DAQ do tipo “faça você mesmo” são impossíveis de estimar, pois abrangem uma ampla gama de poucos canais até um sistema que levou 10 anos-homem para se desenvolver e / ou que envolve centenas ou até milhares de canais.