Como dimensionar um sistema de aquisição de dados (DAQ) para uma bancada de testes

Dimensionar um sistema de aquisição de dados envolve muito mais do que definir quantos canais serão necessários e procurar um hardware com essa quantidade de entradas.

Um sistema DAQ precisa ser compatível com os sensores utilizados, representar adequadamente os fenômenos observados, adquirir os sinais na velocidade necessária e entregar dados com resolução e precisão coerentes com os objetivos do ensaio. 

Condicionamento de sinal, sincronização, arquitetura de aquisição e integração com software também fazem parte dessa especificação. 

Em uma bancada de testes, esses requisitos devem partir do próprio ensaio. A premissa, portanto, precisa ser: quais fenômenos precisam ser medidos e quais informações serão necessárias para analisar o comportamento do produto?

A partir dessa resposta, começa o dimensionamento da cadeia de aquisição.

1. Comece pelas grandezas que serão medidas

Antes de escolher qualquer dispositivo DAQ, é necessário mapear os sinais da bancada.

Temperatura, força, torque, pressão, deformação, deslocamento, aceleração, tensão e corrente, por exemplo, possuem características diferentes e podem exigir sensores, interfaces e formas de condicionamento específicas.

O levantamento deve identificar pelo menos:

• Quais grandezas serão medidas;
• Quais sensores serão utilizados;
• Quantidade de canais de entrada e saída;
• Tipo e amplitude esperada dos sinais;
• Comportamento estático ou dinâmico das grandezas;
• Necessidade de excitação ou alimentação de sensores;
• Necessidade de isolamento;
• Quais sinais precisam ser correlacionados no tempo.

Essa etapa evita um erro comum de especificação: começar pelo DAQ disponível e tentar adaptar o ensaio às características do equipamento.O caminho tecnicamente mais consistente parte dos requisitos da medição para então chegar à arquitetura necessária.

2. Quantos canais o sistema DAQ precisa ter?

O número atual de sensores é a primeira referência, mas não deveria ser necessariamente o limite físico da arquitetura. Uma bancada com oito pontos de medição pode utilizar oito canais hoje e precisar incorporar novos sensores depois de uma alteração no produto ou no próprio procedimento de ensaio.

Por isso, além dos canais efetivamente utilizados, é importante avaliar a possibilidade de expansão. 

Também é preciso diferenciar tipos de I/O. Entradas analógicas, entradas digitais, saídas analógicas, saídas digitais, contadores e interfaces de comunicação cumprem funções diferentes dentro do sistema.

Uma bancada automatizada pode, por exemplo, adquirir sensores analógicos enquanto recebe estados digitais, envia comandos e troca informações com outros equipamentos.

Contar sensores não é suficiente para determinar toda a necessidade de I/O da bancada.

3. Como definir a taxa de amostragem?

A taxa de amostragem determina quantas amostras do sinal são adquiridas por unidade de tempo e precisa ser compatível com o conteúdo em frequência que interessa ao ensaio.

O teorema de Nyquist estabelece como condição mínima uma frequência de amostragem superior ao dobro da maior frequência presente no sinal que se deseja representar sem aliasing. Na implementação de um sistema real, porém, o dimensionamento também precisa considerar características do sinal, filtros anti-aliasing, margem para análise e o tipo de processamento que será realizado. 

Isso explica por que uma medição de temperatura pode trabalhar com requisitos muito diferentes daqueles de um ensaio envolvendo vibração, choque ou eventos transitórios. 

Escolher uma taxa muito baixa pode eliminar informações relevantes. Superdimensioná-la indiscriminadamente também tem consequências: aumenta o volume de dados, as necessidades de armazenamento, processamento e transferência sem necessariamente produzir informação adicional útil.

A taxa deve ser definida a partir da dinâmica do fenômeno que precisa ser observado.

4. Taxa por canal ou taxa agregada?

Esse detalhe de especificação merece atenção especial em sistemas multicanais.

Em algumas arquiteturas, diversos canais compartilham um conversor analógico-digital por meio de multiplexação. Nesses casos, a capacidade total de conversão pode ser distribuída entre os canais utilizados. Outros equipamentos possuem aquisição simultânea, permitindo amostrar canais ao mesmo instante ou com arquiteturas específicas para essa finalidade. 

Consideremos um ensaio no qual força e deslocamento precisam ser correlacionados durante um evento muito rápido. Uma defasagem temporal entre os canais pode interferir na análise. Já em outras aplicações, esse pequeno intervalo pode ser irrelevante.

Por isso, uma especificação como “100 kS/s” pode não significar “nada”. É preciso saber como essa taxa é entregue quando vários canais estão ativos e qual relação temporal existe entre as medições.

5. Quantos bits de resolução são necessários?

A resolução do conversor analógico-digital determina quantos níveis discretos podem representar a faixa de entrada.

Um ADC de 16 bits possui 65.536 níveis possíveis. Entretanto, isso não significa que o sistema conseguirá distinguir, na medição real, qualquer variação correspondente simplesmente à divisão da faixa por 65.536.

Ruído, precisão do hardware, faixa selecionada, condicionamento e outras características da cadeia interferem no desempenho efetivamente obtido. 

Esse ponto é especialmente importante quando sinais de pequena amplitude são adquiridos dentro de faixas muito maiores.

Portanto, a escolha entre 16, 18, 24 bits ou outra resolução deve considerar a menor variação que precisa ser detectada e a faixa efetivamente utilizada pelo sinal, e não apenas o maior número disponível na ficha técnica.

6. O sinal precisa de condicionamento?

Entre o sensor e o conversor A/D pode existir uma etapa fundamental: o condicionamento de sinal. Dependendo do transdutor utilizado, podem ser necessários recursos como amplificação, filtragem, isolamento, excitação, linearização ou adaptação elétrica antes da digitalização.

Um termopar possui necessidades diferentes de uma célula de carga, que por sua vez não deve ser tratada da mesma forma que um acelerômetro IEPE ou um sinal de tensão já condicionado.

Por isso, a pergunta “qual DAQ utilizar?” só pode ser respondida adequadamente quando também sabemos qual sinal chegará ao sistema e em quais condições.

7. Os canais precisam estar sincronizados?

Nem toda bancada exige sincronização com o mesmo nível de rigor. Quando diferentes grandezas precisam ser relacionadas no tempo, entretanto, a arquitetura temporal passa a fazer parte da medição.

Imagine analisar simultaneamente torque, rotação e vibração durante uma mudança rápida de condição operacional. Para interpretar a relação entre esses eventos, é necessário conhecer adequadamente quando cada dado foi adquirido.

Dependendo da arquitetura, a sincronização pode envolver compartilhamento de clock de amostragem, triggers ou outros mecanismos de temporização. Essa necessidade se torna ainda mais importante quando existem múltiplos módulos ou equipamentos de aquisição trabalhando em conjunto.

8. O DAQ também precisa conversar com o restante da bancada

Uma bancada de testes não termina no conversor A/D. O sistema pode precisar integrar sensores, atuadores, inversores, CLPs, redes industriais, instrumentos, fontes, câmeras, sistemas embarcados ou outros equipamentos.

Também existe a camada de software responsável por configurar a aquisição, executar sequências, apresentar informações ao operador, registrar dados, processar resultados e, em alguns casos, comandar o ensaio.

Por isso, interfaces de comunicação, drivers, APIs, protocolos disponíveis e compatibilidade com o ambiente de desenvolvimento precisam entrar na especificação.

O hardware pode atender perfeitamente às características elétricas do sinal e ainda ser inadequado para a arquitetura completa da bancada.

9. Quanto dado o ensaio vai produzir?

Esse cálculo deveria acontecer antes de o sistema começar a operar.

Número de canais, taxa de amostragem, resolução, duração do ensaio e quantidade de repetições determinam o volume de dados que precisará ser transferido, processado e armazenado.

Um ensaio com poucos canais e baixa frequência pode gerar arquivos pequenos. Uma bancada multicanal de aquisição dinâmica funcionando continuamente pode produzir volumes muito maiores.

Além da capacidade de armazenamento, entram questões como: o dado bruto precisa ser preservado? Por quanto tempo? O processamento acontece em tempo real ou depois do ensaio? É necessário visualizar todos os canais simultaneamente? Quais informações precisam ser associadas ao arquivo para permitir sua rastreabilidade?

O dimensionamento do DAQ precisa considerar também o que acontecerá depois que o ADC converter o sinal.

10. E se a bancada precisar mudar no futuro?

Uma especificação excessivamente limitada às necessidades atuais pode tornar uma pequena evolução do ensaio uma grande alteração de engenharia.

É interessante avaliar previamente possibilidades como aumento do número de canais, inclusão de novas grandezas, mudança de sensores, alteração das faixas de medição, novos protocolos de comunicação ou necessidade de executar ensaios diferentes na mesma estrutura.

Isso não significa superdimensionar indiscriminadamente o sistema, e sim identificar quais mudanças são plausíveis durante a vida útil da bancada e considerar essas possibilidades na arquitetura.

Como especificar um DAQ para a bancada de testes?

Antes de selecionar o hardware, a equipe deveria conseguir responder a algumas perguntas fundamentais: o que será medido? Com quais sensores? Em quais faixas? Qual é a dinâmica dos sinais? Quantos canais serão necessários? Quais deles precisam estar temporalmente correlacionados? Qual resolução atende à medição? Existe necessidade de condicionamento? Quais equipamentos precisam ser integrados? Quanto dado será produzido?

As respostas transformam uma lista de equipamentos em uma especificação de engenharia.

Um DAQ com mais canais, mais bits ou maior taxa de aquisição pode apresentar números superiores na ficha técnica. Isso não determina, por si só, sua adequação à bancada. O sistema correto é aquele cuja arquitetura atende aos requisitos do ensaio e da cadeia de medição como um todo.

A Labtrix desenvolve sistemas de aquisição de dados e bancadas de testes considerando instrumentação, condicionamento, hardware, software e integração de acordo com as necessidades de cada aplicação.