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A função básica de um sistema de aquisição de dados é capturar informações referentes às grandezas de interesse, provenientes do objeto de estudo, de modo a gerar dados confiáveis passíveis de manipulação posterior por meio de um computador. Na monitoração estrutural, os componentes dos sistemas de aquisição proporcionam o devido tratamento dos sinais elétricos provenientes da rede sensora instalada, os quais encontram-se associados aos valores absolutos ou variações das grandezas monitoradas.

A partir da captura dos sinais provenientes dos sensores, o sistema de aquisição de dados atua convertendo apropriadamente os sinais elétricos (analógicos) em sinais digitais. Esses sinais digitais, posteriormente, poderão ser armazenados e analisados em um computador.

Um sistema de aquisição de dados básico é constituído por três componentes principais:

a) condicionador de sinais;

b) conversor analógico-digital (conversor A/D); c) programa de aquisição de dados.

Os condicionadores de sinais são circuitos eletrônicos que adequam os sinais analógicos para a conversão digital. Os principais sub-componentes dos condicionadores são os amplificadores, filtros e isoladores. Por meio dos amplificadores, o sinal analógico é amplificado a fim de ajustar-se à faixa de entrada do conversor A/D. Os filtros são responsáveis pela redução dos ruídos do sinal analógico, diminuindo eventuais interferências oriundas de fontes diversas, que não estão associadas à grandeza medida. Os isoladores, quando presentes, têm a função de proteger os outros módulos do sistema contra eventuais sobrecargas de tensão e corrente, as quais têm o potencial de provocar danos irreversíveis aos circuitos eletrônicos digitais (LYNX, 2006).

Os conversores A/D desempenham a função de traduzir os sinais elétricos em uma representação numérica adequada ao tratamento digital do sinal aquisitado. Tendo em vista a tarefa crucial que esses componentes desempenham, deve-se tomar todos os cuidados necessários para que sejam fornecidas respostas de boa qualidade. Para tanto, é importante abordar as variáveis taxa de amostragem, resolução e faixa de entrada de conversores A/D.

Quando da entrada de um sinal analógico, o conversor A/D captura amostras deste sinal ao longo do tempo, e cada amostra é convertida em um número, dependendo do nível do sinal elétrico associado à amostra. Assim, denomina-se taxa de amostragem à frequência em que a amostragem de um conversor A/D é realizada. Quanto maior a taxa de amostragem, melhor será a qualidade do sinal de saída, mas em contrapartida, maior será o espaço em disco exigido para o armazenamento do sinal. Por outro lado, o uso de baixas taxas de

amostragem, e em particular o emprego de taxas de amostragens menores que a frequência do sinal de entrada, pode produzir resultados sofríveis, com sinal de saída (que constitui a informação básica para as análises e tratamentos posteriores) pouco confiável ou mesmo sem correspondência com o fenômeno monitorado.

A taxa de amostragem mínima recomendável para a conversão analógico- digital de um sinal, conduzindo a uma boa relação entre a qualidade do sinal de saída e o espaço requerido para o seu armazenamento, é estabelecida pelo Teorema de Nyquist, também conhecido como Teorema da Amostragem, que define que a taxa de amostragem nas conversões analógico/digital deve ser pelo menos duas vezes o valor da freqüência máxima do sinal que se deseja capturar. Na prática, entretanto, a obtenção de excelentes reproduções do sinal de entrada pode exigir uma taxa de amostragem de cerca de dez vezes a frequência máxima do sinal aquisitado (CAMPILHO, 2000; OLSHAUSEN, 2000). Para exemplificar a aplicação deste teorema, se desejamos capturar um sinal com período de 15 segundos (frequência de 1/15 Hz), a taxa de amostragem do conversor A/D para a conversão do sinal de entrada fornecido pelo transdutor deverá ser de pelo menos uma amostra a cada 7,5 segundos (frequência de 1/7,5 Hz), conforme apresentado na figura 2.4. -1 -0,75 -0,5 -0,25 0 0,25 0,5 0,75 1 0 10 20 30 40 50 60 -1 -0,75 -0,5 -0,25 0 0,25 0,5 0,75 1 0 10 20 30 40 50 60 (a) (b) -0,75 -0,5 -0,25 0 0,25 0,5 0,75 1 0 10 20 30 40 50 60 -1,75 -1,5 -1,25 -1 -0,75 -0,5 -0,25 0 0,25 0,5 0,75 1 0 10 20 30 40 50 60 (c) (d) Figura 2.4 – Exemplo ilustrativo da importância da definição de amostragens apropriadas.

segundos (b), uma amostra a cada oito segundos (c) e uma amostra a cada dez segundos (d). A resolução de um conversor A/D associa-se ao número de divisões em que o sinal elétrico de entrada será particionado, e é medida em bits. Um conversor A/D de 8 bits proporciona a divisão de cada amostra do sinal de entrada em 256 partes (256 = 28), fazendo corresponder ao sinal analógico um valor entre 0 e 255, enquanto um conversor de 16 bits divide a mesma amostra em 65.536 partes (65.536 = 216), convertendo o sinal de entrada em um valor entre 0 e 65.535. Desta forma, quanto maior a resolução do conversor A/D utilizado, maior será a capacidade do sistema de aquisição de capturar as variações dos valores do sinal de entrada, resultando no fornecimento de sinal digital mais fiel ao sinal analógico e em resultados de melhor qualidade. Os sistemas de aquisição usualmente empregados para a monitoração de estruturas são equipados com conversores A/D de 16 bits, embora conversores A/D de 12, 14 e 24 bits também estejam disponíveis (figura 2.5).

(a) (b) Figura 2.5 – Sistemas de aquisição para monitoração, com conversores A/D com resolução de 14

bits (a) e 24 bits (b) . Fonte: NATIONAL INSTRUMENTS (2007).

A faixa de entrada de um conversor A/D corresponde ao intervalo de valores do sinal de entrada com o qual o conversor A/D trabalha, e é importante que os valores dos sinais analógicos, em tensão ou corrente, sejam compatíveis com a faixa de entrada do conversor A/D, de modo a evitar resultados com perdas qualitativas e quantitativas.

Os programas de aquisição de dados têm por finalidade controlar o sistema de aquisição, fornecendo uma interface por meio da qual o utilizador tenha total controle sobre o processo de aquisição. Adicionalmente, estes programas também viabilizam o armazenamento dos sinais aquisitados sob a forma de arquivos, para que posteriormente possam ser tratados e analisados. Os programas mais

modernos fornecem também a visualização e pré-tratamento dos dados aquisitados, em tempo real (figura 2.6).

Figura 2.6 – Interface de programa para aquisição de dados desenvolvido pelo autor.

Verificou-se nos últimos anos um desenvolvimento significativo dos sistemas de aquisição de sinais, devido principalmente aos seguintes fatores (CRUZ, 2000):

a) os avanços das tecnologias microeletrônicas, que têm possibilitado o aumento das capacidades e velocidades dos processadores de sinais digitais (Digital Signal Processor – DSP3), elementos centrais na realização do tratamento digital de sinal, responsáveis por conferir ao sistema de aquisição o nível de inteligência, autonomia e versatilidade exigido;

b) a crescente performance dos computadores pessoais, bem como a sua relação qualidade/preço e confiabilidade;

c) a existência de ferramentas de desenvolvimento de software de elevada qualidade, que permitem criar aplicações de alto nível com avançados interfaces gráficos, facilitando a comunicação do homem com a máquina;

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DSP’s são microprocessadores especializados em processamento digital de sinal, sendo usados para processar sinais, seja em tempo real ou em off-line.

d) o desenvolvimento de novas tecnologias de comunicação que permitem o controle remoto de instrumentos usando a internet como veículo de transmissão de dados.

Para fins de monitoração de estruturas de Engenharia Civil, os sistemas de aquisição geralmente são constituídos por placas de aquisição PCI (Peripheral

Component Interconnect), PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association) ou USB (Universal Serial Bus) introduzidas no computador, ou por

equipamentos que realizam as tarefas básicas de aquisição sem o auxílio de um computador (data loggers).

Na maioria das vezes, os sistemas baseados em placas de aquisição são mais econômicos e apresentam características como resolução e frequência de aquisição superiores aos dos data loggers, mas geralmente também conduzem a soluções centralizadas, levando ao uso de expressiva quantidade de cabos para a ligação aos sensores e à possível exposição do computador a um ambiente agressivo. Os equipamentos de operação autônoma, por só suportarem uma fração do número de sensores normalmente viabilizado pelas placas de aquisição anteriormente mencionadas, acabam apresentando um custo por sensor relativamente mais alto. No entanto, ao se considerar o fato que os equipamentos autônomos geralmente apresentam menor demanda energética, e permitem a adoção de soluções distribuídas e a proteção das unidades de aquisição (em armários, por exemplo), sempre que são atendidos os requisitos referentes ao número e tipos de sensores da rede e à freqüência de aquisição necessária, os data

(a) (b)

(c) (d) Figura 2.7 – Sistemas de aquisição para monitoração de estruturas: sistema de aquisição com

placa de aquisição USB (a), placa de aquisição PCI (b), data logger para sensores elétricos (c) e unidade de medição portátil para sensores ópticos (d).

Cabo USB

2.2.3 Comunicação

Após a aquisição de dados, é necessário que as informações digitalizadas sejam disponibilizadas ao utilizador de modo que estas possam ser convenientemente tratadas e analisadas em um computador. É nesse contexto que deve ser planejado o subsistema de comunicação, que será responsável pela transferência da informação do subsistema de aquisição de dados até o computador. Um bom sistema de comunicação deve viabilizar o transporte dos dados com integridade, de modo que estes cheguem ao destino sem perdas qualitativas ou quantitativas.

Quando da monitoração de estruturas, em geral, a informação é transferida ao computador por meio do uso de cabos, normalmente utilizando comunicação serial RS (RS-232, principalmente) ou comunicação USB. O inconveniente desta solução é a necessidade de deslocamento do responsável pela coleta dos dados até a obra, o que pode vir a ser oneroso e pouco prático, sobretudo quando a estrutura

monitorada encontra-se a distâncias significativas do laboratório. Outra possibilidade, viabilizada pelos recentes desenvolvimentos do setor de telecomunicações, é o envio remoto da informação, sem utilização de cabos, utilizando o protocolo de comunicação Ethernet. A tecnologia envolvida nesse protocolo já está consolidada, e vem sendo empregada com sucesso na monitoração de estruturas no exterior.