A aplicação de ferramentas de análise da dinâmica de sistemas está ligada com a escolha adequada dos sensores, cabeamento (transmissão de sinais) e sistemas de aquisição dados (DAq, Data Acquisition) e aplicação computacionais para organização de dados e escrita em arquivos. Dentre inúmeras formas e estratégias para sensoriamento e transmissões de dados, as aplicações de aquisição baseadas em placas de microcomputadores completam a cadeia de medição (vide Figura 20), necessárias para o controle e estudo de variáveis de processo.
Figura 20 - Cadeia de medição e aquisição de dados baseado em microcomputador. Adaptado de [132].
Os sistemas de aquisição baseados em placas de aquisição oferecem baixo custo, altas taxas de aquisição e registro de dados quando comparados aos sistemas de aquisição que utilizam hardwares externos (altas taxas de amostragem, como VXI, FPGA) e rede de comunicação (USB) para registro de dados (baixas taxas de registro de dados), e sistemas dedicados que conferem altas taxas de amostragem, registro e custo. Os padrões de comunicação, ainda representam um gargalo na transmissão de dados, caso a aplicação necessite de altas de amostragem e registro como em estudos de leito fluidizado.
Para o correto ajuste do DAq é necessário conhecer os tipos de fontes de sinais, que podem ser fontes de sinais flutuantes ou referenciadas à terra. A referência de terra de um sinal flutuante deve ser o terra do dispositivo para estabelecimento de uma referência local, caso contrário, o sinal medido apresentará variações, se a fonte flutuar e sair da faixa de entrada do modo comum.
Página 53 Numa fonte de sinal referenciado, os terras do DAq e da instalação são interconectados. Instrumentos não isolados estão nesta categoria de conexão. Tipicamente, a diferença de potencial entre terras de instrumentos e da instalação está entre 1 a 100 mV, e pode ser maior caso estes circuitos sejam ligados incorretamente. A Tabela 3, pode auxilia a eliminação da diferença de potencial de terra com o sinal medido.
Portanto, termopares não aterrados, condicionadores de sinal com saída isolada e dispositivos a bateria são fontes de flutuação de sinal, enquanto que sensores com saída não isoladas são fonte de sinais referenciados, conforme a Tabela 3.
Tabela 3 - Fontes de sinais comuns e configurações de entrada recomendadas. Adaptado de [132] [133].
Entrada
Tipo de fonte de sinal
Fonte de sinal flutuante Fonte de sinal referenciado
Diferencial
Referenciado
As malhas fechas de terra são a fontes de ruído em aplicações de aquisição de dados, e ocorrem quando há fluxo de corrente pelos terminais aterrados. A referência do DAq pode estar com níveis de tensão acima ou abaixo do terra da instalação, provocando induções no sinal e consequentes erros na medição. Os erros podem aparecer como sinais periódicos (rede elétrica, 60 Hz) ou aperiódicos (pulsos transientes). Para evitar problemas, a malha fechada deve ser aberta e o uso de um hardware isolado elimina o caminho entre o terra da fonte de sinal e o dispositivo de medição, evitando assim qualquer fluxo de corrente entre os diversos pontos de terra [132] [133].
Uma medição diferencial ideal responde somente à diferença de potencial existente entre os seus dois terminais. A tensão diferencial é o sinal desejado, embora possa haver sinais indesejados comuns aos dois lados do par de um circuito diferencial conhecida como tensão do modo comum. Um sistema de medição diferencial ideal deve rejeitar totalmente a tensão do modo comum, sem medi-la. Contudo, os dispositivos reais são limitados, e podem ser descritos pela faixa de tensão do modo comum e a taxa de rejeição do modo comum (CMRR). A violação a máxima variação de tensão permitida em cada entrada com relação ao terra do sistema de medição (faixa de tensão de modo comum), resulta em erros de medição e danos a placa. DAqs que trabalhem com amplificadores com maiores taxas de rejeição do modo comum rejeitam melhor as tensões do modo comum [133].
Já numa medição diferencial não isolada existe um percurso elétrico entre a entrada e a saída. As características elétricas do amplificador limitam o nível do sinal do modo comum, e utilizando
Página 54 amplificadores de isolação, o percurso elétrico do condutor é eliminado, aumentando muito a taxa de rejeição do modo comum.
2.3.1 Fontes de ruído
Medidas corretas são cruciais para análise de experimentos. Não importa qual sensor utilizado, muitos parâmetros podem interferir, tais como a temperatura, a pressão, restrições mecânicos e ambiente eletromagnético podem contribuir para o erro de medição. Esses tipos de problema são intrínsecos aos sensores.
Dispositivos eletrônicos estão sujeitos a fontes de ruído externas (campo da compatibilidade eletromagnética estuda essas fontes) e fontes de ruído internos causados por variações de tensão e pelos próprios correntes de circuito [132].
Existem duas fontes de ruído externas:
• Uma fonte de ruído vem de distúrbios elétricos transmitidos por condução. Estes podem incluir: a influência da rede de distribuição de energia elétrica de 230 V a 50 Hz; ondulações de abastecimento (por exemplo, alternando de recuperação de fase a 100 Hz); sinais de energia que funcionam a frequências de comutação de cerca de 100 Hz a 100 kHz (quebras no fornecimento de energia);
• Outra fonte de ruído pode ser irradiada distúrbios elétricos, incluindo transmissores de radiofrequência, campos eletromagnéticos criados por fortes variações de tensão ou corrente, por vezes, emitida por máquinas, como motores ou transformadores, ou, mais frequentemente, por conversores estáticos, como inversores.
As fontes de ruídos internos ou problema do ruído eletrônico são causadas, em sua maioria, devido as características de componentes eletrônicos (não linearidades, efeitos térmicos, ) e circuitos como os amplificadores operacionais.
2.3.2 Instrumentação, cabeamento e calibração
O uso de sensores pressão estática, numa coluna de fluidização, para identificação se seus regimes, é requisito para este trabalho. A instrumentação de pressão estática, converte as flutuações de pressão estática para um sinal elétrica, capaz de ser transmitido, através cabos, até um sistema de aquisição de dados.
O sensor deve ser adequadamente isolado do processo através do uso de luvas isoladoras, evitando que sinais elétricos espúrios (ruído conduzido e irradiado) sejam incorporados ao sinal elétrico de dados. Mesmo com isolamento entre sensor e processo, os cabos de transmissão de dados estão sujeitos a captura de ruídos irradiados. Uma forma de blindar os cabos contra a indução de ruídos espúrios é o uso de cabos com malha, gerando um efeito de proteção de gaiola de Faraday para o cabo. Conforme a Figura 21, as induções capturadas pela malha, são drenadas para a terra conectando apenas um dos lados da malha.
Página 55 Figura 21 - Conexões de cabeamento blindado. Adaptado de [132] [134].
A maioria dos DAqs laboratoriais trabalham com a aquisição de sinal de tensão. Por outro lado, a maioria dos sensores industriais, trabalham com sinais de corrente (4 a 20 mA). Geralmente, as aplicações laboratoriais utilizam sensores industriais, devido a sua robustez na medida. A compatibilização entre sinais de corrente e tensão deve ser realizada através de resistores de precisão, o qual, mantém suas propriedades físicas invariantes durante a faixa de corrente do sinal. O procedimento de calibração verifica se o valor da variável de processo foi corretamente convertido em sinal elétrico, transmitida sem induções e digitalizada, para posteriores análises.
2.3.3 Filtragem de média móvel
A média móvel é um dos filtros mais comuns, principalmente porque é o filtro digital mais simples de compreender e utilizar. Apesar de sua simplicidade, o filtro de média móvel é ideal para uma tarefa comum: reduzir o ruído aleatório, mantendo uma boa resposta ao degrau [135].
O filtro de média móvel opera com média do número de pontos do sinal de entrada para produzir cada ponto no sinal de saída conforme a Equação 29.
𝑦[𝑖] =𝑀 ∑ 𝑥1 [𝑖 − 𝑗] 𝑀−1
𝑗=0
Equação 29
A quantidade de redução de ruído pode alcançar a raiz quadrada do número de pontos da média móvel [135]. Estudos de números de pontos de média móvel podem indicar a relação ótima entre a redução de ruído e o atraso do sinal reconstruído.
A filtragem digital de média móvel evidencia ainda mais a relação S/R (sinal/ruído) da dinâmica de um sistema, quando associados a instrumentação, transmissão e aquisição de dados, adequadamente blindados e isolados.
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