Muitos engenheiros são bastante reservados em relação ao seu trabalho, provavelmente porque não querem que os outros saibam o quanto se divertem. No entanto, nosso trabalho também tem um lado muito sério: melhorar o meio ambiente e a vida das pessoas. Reduzimos o consumo de energia, minimizamos o desperdício no fabrico e prolongamos a vida útil dos equipamentos através de estratégias de manutenção mais precisas. Assim, é essencial que tenhamos acesso a equipamentos capazes de medir sinais de grande e pequena escala para que possamos tomar decisões baseadas no desenvolvimento e melhoria de sistemas, na realização de testes de produção no final da linha e na instalação de equipamentos.

Precisão no Consumo de Energia:
As interfaces de utilizador em equipamentos industriais não são geralmente conhecidas pela sua estética ou atenção aos detalhes. No entanto, isto muda com a linha de analisadores de energia bifásicos e trifásicos da Carlo Gavazzi1) mantêm o LCD retroiluminado típico destes dispositivos, mas a equipa empenhou-se em torná-los fáceis de utilizar, desde a instalação até à operação diária. Por exemplo, os dígitos decimais no visor de medição de energia são mais pequenos do que os restantes dígitos. Isto facilita a leitura dos números no ecrã para pessoas com mais idade. Existe também uma função de "apresentação" para exibir as medições desejadas sequencialmente, sem necessidade de introdução manual. Os dispositivos contam ainda com um sistema de menus de fácil navegação, controlado por três botões físicos.
É alcançado um elevado nível de precisão: resolução de frequência de 0,001 Hz e resolução de energia de 0,001 kWh. Os modelos EM540 e EM530 oferecem também um tempo de resposta de 100 ms para tensão, corrente, potência e outras variáveis ​​monofásicas e do sistema. Isto é útil para instalações fotovoltaicas que requerem uma gestão de autoconsumo líquido zero (ou seja, garantir que o excesso de energia gerada não é injetado na rede), em comparação com outros modelos que são demasiado lentos para realizar esta tarefa.

Figura 1: Nas aplicações de monitorização de energia, os modelos Carlo Gavazzi EM530 e EM540 oferecem acesso remoto aos dados, uma interface de fácil utilização, medição bifásica ou trifásica e certificação MID.

Os analisadores de energia também podem fornecer um registo de funcionamento preciso, o que é útil para a manutenção preditiva. Ao definir um limite acima do consumo em modo de espera do equipamento ligado, as unidades podem medir as horas de funcionamento. O tempo em modo de espera pode também ser determinado subtraindo as horas de funcionamento ao tempo total de funcionamento. Os dados ficam disponíveis para os sistemas de monitorização via Modbus RTU. Em combinação com uma Plataforma Web Universal (UWP), as equipas de suporte podem utilizar esta transmissão automática de dados para detetar falhas na cablagem e sugerir soluções remotamente.
O EM530 pode ser utilizado em quadros de distribuição de baixa tensão, juntamente com transformadores de corrente com uma corrente secundária de 5 A. Isto permite o funcionamento em sistemas com uma corrente nominal de 10 kA. O EM540 mede correntes até 65 A nominais. Ambas as unidades estão alojadas num armário para montagem em calha DIN 3 e estão também disponíveis como MID opcional com ponto de bloqueio, permitindo a sua utilização em aplicações de medição auxiliar residencial.


Eficiência nos Controladores de Motores:
As entidades reguladoras monitorizam a eficiência energética dos motores elétricos há décadas. No início deste século, o consumo de energia dos motores representava 69% do consumo total de energia industrialIEA). Atualmente, as classes de eficiência energética para máquinas elétricas rotativas estão definidas na norma IEC 60024. Esta definição varia do nível 1 (IE1) ao 4, embora os motores IE1 tenham sido proibidos em muitos locais,incluindo a União Europeia.
A eficiência de um motor industrial pode ser avaliada através de equipamentos como o B&K Precision 5335C,um medidor de potência CA/CC monofásico compacto (Figura 2). Pode medir potência até 600 Vrms e 20 Arms e oferece uma largura de banda até 100 kHz. O osciloscópio integrado apresenta as formas de onda de tensão e corrente, eliminando a necessidade de equipamento de medição adicional.

Imagem 2: Com o medidor de potência B&K Precision 5335C, podemos obter medições de eficiência precisas em motores, dispositivos CC e testes de produção no final da linha.

Os transdutores externos (máx. 10 A/2 V) podem ser incluídos quando se medem correntes acima dos 20 A especificados. Para o controlo da velocidade PWM em motores, as medições podem ser realizadas na gama de 0,5 Hz a 100 kHz (Figura 3). As ligações de conectividade, de teste e o gatilho externo estão claramente localizados na parte traseira da unidade.
Equipada com um ecrã TFT de 4,3 polegadas, a unidade possui nove botões virtuais. Podem ser apresentados até doze parâmetros de medição simultaneamente, incluindo a corrente de pico e a sobretensão. O pré-teste para conformidade com EMC de acordo com a norma IEC 62000-3-2/4-7 é possível graças às medições de harmónicos até à 50ª ordem. A unidade oferece interfaces USB (compatível com USBTMC), RS232 e LAN para aqueles que desejam configurar testes automatizados. Ao analisar sistemas ligados à rede, a função de integração fornece medições abrangentes de corrente e potência ativa (Wh) com comutação automática de gama.

Figura 3: O medidor de potência 5335C pode determinar a eficiência de um motor com controlo de velocidade PWM a tensões de entrada até 600 V; podem ser utilizados transdutores de corrente externos.

Recolha Eletrónica de Dados:
Projetos eletrónicos novos e eficazes dependem de uma compreensão profunda dos dados recolhidos pelos sensores, e quando exploramos o mundo da aprendizagem automática (ML), haverá sempre dados em falta. Os algoritmos de ML permitem que os engenheiros de software embebido enfrentem desafios extremamente complexos com a programação baseada em regras. Detetar problemas a longo prazo, como a degradação no desempenho de um motor ou de uma fonte de alimentação, exige a compreensão da temperatura local e ambiente, do consumo de corrente, das variações de carga e das tensões de entrada/saída em condições de funcionamento dinâmicas.

Ferramentas do tipo "configure e esqueça", como os dispositivos de aquisição de dados (DAQ) Digilent MCC USB-230 [footnoteRef:6], são uma opção ideal para obter os dados necessários com o mínimo de custo. Estão disponíveis em duas opções de taxa de amostragem, 50 kS/s (USB-231) e 100 kS/s (USB-234), e conectam-se facilmente a um computador através de um conector micro-USB Tipo B (Figura 4). Possuem quatro entradas diferenciais de 16 bits ou oito entradas desbalanceadas de ±10 V (proteção contra surtos de ±30 V), com largura de banda de 300 kHz para medições analógicas. A saída analógica também opera até ±10 V, com uma taxa de atualização máxima de 5 kS/s por canal. Oito entradas/saídas operam até 5 V e ±4 mA. O conjunto de características é completado com um contador de 32 bits para transições de estado baixo para alto.

Figura 4: Aquisição de dados profissional com o Digilent MCC USB-230 DAQ, uma ferramenta baseada em USB; as gamas de ligação facilitam a ligação de sinais à unidade DAQ.

Como é típico, os DAQ USB-230 vêm com um conjunto adequado de ferramentas de softwareO DAQamié uma ferramenta visual para aquisição de dados e geração de sinais. Ele apresenta uma interface simples de arrastar e soltar que exibe os dados com clareza e permite o uso de múltiplos dispositivos USB-230 conectados ao mesmo computador. Há também uma Biblioteca Universal MCCpara aqueles que desejam desenvolver software de aquisição de dados personalizado, adaptado às suas necessidades específicas, com suporte à programação em Python no Windows. Os programadores Linux também beneficiam do suporte ao uldaq.Os DAQ são também compatíveis com o LabVIEW e o MATLAB.

Análise de Interface Serial:
Um dos maiores desafios na mudança de fornecedor de microcontroladores é perceber como funcionam os periféricos. Registos, funcionalidades e descrições de datasheet são sempre diferentes. Como resultado, a utilização de interfaces seriais pode ser bastante complexa, e os programadores muitas vezes não sabem se compreenderam e configuraram corretamente aspetos como a taxa de transmissão (baud rate). Portanto, se ainda não possui um, adquirir um analisador lógico é uma excelente ideia.
Além disso, não há desculpas hoje em dia. Unidades como o analisador lógico USB9 oferecem uma taxa de amostragem de 24 MHz com oito canais a um preço acessível para todos (Figura 5). A unidade utiliza o software de código aberto sigrok10 , e estão disponíveis descodificadores para todos os tipos de situações. Para além dos clássicos (serial, SPI e I2C), pode descodificar protocolos utilizados para EEPROM, displays de 7 segmentos, DALI, LIN, CAN e várias interfaces de depuração de processadores Arm (Figura 6).

Imagem 5: Como ferramenta para depurar rapidamente interfaces seriais de qualquer tipo, é difícil encontrar algo melhor do que o analisador lógico USB de 8 canais e 24 MHz da SparkFun.

O hardware suporta sinais até 5,25 V e é alimentado por uma porta USB. Os jumpers fêmea-fêmea com código de cores simplificam as ligações ao sistema alvo, pelo que algumas placas, como o Arduino, requerem um conector macho adicional. Começar a utilizar é fácil, graças a um excelente tutorial da SparkFunque abrange tanto a interface gráfica do utilizador (GUI) como a interface de linha de comandos (CLI) do sigrok.

Todos os sinais medidos, grandes e pequenos.
Os engenheiros sempre dependeram de dados de alta qualidade para tomar decisões de projeto sólidas, quer esteja a trabalhar ou a desenvolver um sistema. A eficiência energética é talvez uma das questões mais urgentes da atualidade, pelo que é provável que as equipas de desenvolvimento estejam cada vez mais interessadas em adquirir analisadores de potência com uma vasta gama de opções. Além disso, está a tornar-se cada vez mais comum que as aplicações sejam melhoradas apenas com o uso de técnicas de aprendizagem automática. É necessária uma enorme quantidade de dados para uma aprendizagem eficaz, mesmo para uma rede neural simples, e é aqui que entra a aquisição de dados (DAQ). Embora os microcontroladores e as interfaces série sejam fantásticos, muitas vezes há coisas que permanecem obscuras. Graças ao hardware de baixo custo e aos esforços da comunidade de código aberto, já não há desculpas para não ter um analisador lógico para explicar o que se passa por detrás destes fios.

NOTAS

[1] https://eu.mouser.com/new/test-measurement/carlo-gavazzi-em5x0-energy-analyzers/n-5gf3Z2opfnb

[2] https://iea.blob.core.windows.net/assets/d69b2a76-feb9-4a74-a921-2490a8fefcdf/EE_for_ElectricSystems.pdf

[3] https://biconconsultants.com/difference-between-ie2-and-ie3-motors/

[4] https://eu.mouser.com/new/test-measurement/bk-precision-5335c/n-5gf3Z22te6a

[5] https://eu.mouser.com/new/test-measurement/digilent-mcc-usb-230-daq-devices/n-5gf3Z31isz5

[6] https://www.mccdaq.com/software-downloads.aspx

[7] https://pypi.org/project/mcculw/

[8] https://github.com/mccdaq/uldaq

[9] https://eu.mouser.com/new/sparkfun/sparkfun-usb-logic-analyzer/

[10] https://sigrok.org/wiki/Main_Page

[11] https://learn.sparkfun.com/tutorials/using-the-usb-logic-analyzer-with-sigrok-pulseview

 

AUTOR:  Stuart Cording (para Mouser Electronics)