43_desenvolvimento de sensores inteligentes sem fios para

DESENVOLVIMENTO DE SENSORES INTELIGENTES SEM FIOS PARA
ENSAIOS EM MODELOS DE FUNDAÇÕES ESPECIAIS PARA LINHAS DE
ANCORAGEM DE SISTEMAS FLUTUANTES OFFSHORE UTILIZANDO
CENTRÍFUGA
Rubens Ramires Sobrinho
Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo S.A.
E-mail: [email protected]
Toshi-ichi Tachibana
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo
E-mail: [email protected]
RESUMO
O presente trabalho visa apresentar uma metodologia que garante a integridade dos dados
contra falhas de comunicação em redes de sensores inteligentes sem fios, a serem
empregados nos ensaios em centrífuga, em modelos físicos reduzidos de âncoras tartaruga
utilizados em linhas de ancoragem de sistemas oceânicos para produção de óleo e gás em
águas profundas. O emprego da tecnologia de redes de sensores sem fios tem aumentado
em muitas áreas da sociedade, principalmente na engenharia. Apesar desta evidência,
muitos problemas estão sendo enfrentados e estudados pelos pesquisadores, destacando a
interferência ambiental, relação de potência versus alcance, integridade da informação,
miniaturização dos dispositivos, autonomia de energia, limitação de algoritmos e vida útil.
A inserção desta tecnologia nos ensaios de modelos físicos reduzidos em centrífuga
permitirá avanços significativos na determinação de parâmetros de difícil obtenção com
tecnologias convencionais, onde muitas vezes se deparam com a inconveniência do peso
dos cabos e dificuldades de instalação dos dispositivos nos modelos pela sua pouca
portabilidade.
ABSTRACT
This paper describes a methodology that guarantees the data integrity due communication
failures in the development of the wireless smart sensor network employed in centrifuge
physical models test of turtle anchors used as system for deep water platforms or flotation
systems. This technology has been increasing in many engineering areas. In spite of this
evidence, lots of problems are being faced and studied by the scientists, environmental
interference, power versus reach, integrity of the information, miniaturization of the
devices, energy autonomy, algorithms and useful life. The insert of this technology in the
of reduced physical models test in centrifuge will be allow significant advances in the
parameters determination, where many times come across with inconvenience of the
weight cables and difficulties of the devices in the models by your portable.
1. INTRODUÇÃO
Este trabalho visa dar continuidade dos estudos sobre instrumentação para avaliação do
comportamento de sistemas de fixação offshore em águas profundas através de ensaios de
modelos físicos reduzidos empregando-se a centrífuga. Permitir a inserção da nova
tecnologia de redes de sensores inteligentes sem fio significa melhorar o desempenho dos
ensaios no que tange a consistência dos dados da instrumentação. Quando se trata de
modelagem física é necessário tomar vários cuidados para representar qualitativamente os
fenômenos físicos envolvidos para transferir com boa qualidade para a escala do protótipo.
Tanto que vários autores discutem as leis de semelhança para que as incertezas fiquem
somente no âmbito dos erros da medida que, por sua vez, é muito mais fácil de resolver.
Na modelagem física em centrífugas, a instrumentação é uma das partes mais importantes,
pois é ela quem fornecerá os valores dos fenômenos físicos envolvidos. Se existem
interferências da sua utilização nas simulações durante os ensaios ela passa a não ser mais
uma solução, mas um sério problema a ser contornado. Erros consideráveis podem ser
propagados e interferir significativamente, alterando os resultados e comprometendo o
entendimento sobre os fenômenos envolvidos, trazendo dúvidas na interpretação ou
aceitação dos parâmetros de forma equivocada. Neste sentido, entende-se que com a
introdução da rede de sensores inteligentes sem fio permitirá a eliminação ou diminuição
destes efeitos. Outro interesse é quanto a proteção dos dados obtidos dos sensores durante
sua transferência, visto que esta tecnologia opera em rede aberta. Estudos foram realizados
para adequar a melhor topologia para aplicações em ensaios em centrífuga, visto que
poucos trabalhos contribuíram para este tema. Depara-se ainda com a falta de infraestrutura básica para a miniaturização dos dispositivos no Brasil. A idéia inicial desta
pesquisa era o encapsulamento de todas as funções num único dispositivo, porém as
soluções presentes indicam o uso misto destas tecnologias, sendo uma parte “sacrificada”
empregando o cabeamento ou fiação e a outra através da comunicação sem fio, sejam
condições a se adotar. Finalmente, foram realizados estudos sobre os protocolos
empregados em sensores sem fios e sua implementação na instrumentação para os ensaios
em centrífuga.
2. TECNOLOGIA DE REDES DE SENSORES SEM FIOS (RSSF’s)
A comunicação da instrumentação esteve muito tempo limitado em razão de conexões com
fio entre o elemento sensor e o sistema de aquisição de dados (SAD) ou controle
eletrônico, seja em relação a protocolos de comunicações, e principalmente, pelo seu
conjunto ser muito caro (Loureiro, 2003; Yarvis, 2002; Kevan, 2002; Mark, 2002; Steve,
2001; Dunbar, 1999). O progresso mais significativo ocorreu quando o acesso às redes de
medição passou a ser feito com tecnologia wireless, permitindo uma resposta mais rápida
às variáveis dos processos ou o monitoramento das condições ambientais. Segundo Vieira
(2004), vários fabricantes de sensores passaram a utilizar a tecnologia wireless em suas
redes de sensores, aproveitando a infra-estrutura de redes já disponível e o protocolo de
redes para monitoramento muito disseminado denominado SOAP. Mas em se tratando de
RSSF’s, os desenvolvedores depararam-se com as diversas particularidades e
características desta tecnologia, sendo as mais importantes a tecnologia de transmissão de
dados (alcance de transmissão e recepção), arquitetura, topologia, segurança e proteção dos
dados, autonomia de energia, dimensões e custos.
As tecnologias para transmissão de dados sem fios hoje em dia estão bastante difundidas,
citando a comunicação via estrutura celular que deixou de ser apenas um serviço telefônico
(voz) e passou a ofertar a seus usuários e clientes condições para o tráfego de dados
(Santos, 2006). As tecnologias de redes WWAN’s permitem uma comunicação sem fio à
longa distância, centenas de quilômetros (Oliveira, 2006). As tecnologias para redes
WLAN’s também já estão disponíveis, podendo alcançar áreas de algumas centenas de
metros. Os maiores investimentos para seu desenvolvimento se deram pela área
computacional, para permitir uma rede móvel de computadores. Hoje, a infra-estrutura
instalada permite facilmente a aplicação de comunicação de dados de instrumentação, não
havendo a necessidade de grandes investimentos para infra-estrutura, pode-se citar a
tecnologia IEEE 802.11 e suas famílias como sendo a principal atuação nesta área. Já para
redes WPAN’s, cujo alcance permite atingir até 100 metros, são citadas as tecnologias
Bluetooth (IEEE 802.15.1) e o ZigBee (IEEE 802.15.4) de acordo com Oliveira (2006).
As RSSF’s podem possuir um grande número de elementos distribuídos ou apenas alguns
elementos que se comunicam. A arquitetura de uma rede de sensores sem fio possui
elementos denominados de nós sensores, nós gateway e as interfaces de comunicação sem
fio (Oliveira, 2006). Os elementos de uma rede podem ser móveis ou não, podem se
comunicar entre si ou com o controle central. As redes que se comunicam entre si são
chamadas de ad hoc ou simplesmente MANET’s (Nakamura, 2003; Loureiro e Mateus,
1998). Os MANET’s têm a função de fornecer suporte à comunicação entre os elementos,
podendo ou não executar tarefas distintas (Nakamura, 2003; Vieira et al, 2004; Sohrabi,
2000). As redes de sensores podem ser homogêneas ou heterogêneas, no caso das redes de
sensores homogêneas, é quando os nós sensores são idênticos entre si em termos de
autonomia de energia, hardware, funcionalidades, sendo um deles, ou mais de um, adotado
como nó gateway. Já as redes de sensores heterogêneas, possuem características diferentes
entre si onde dois ou mais tipos diferentes de nós podem existir diferentes autonomias de
energia e funcionalidades (Oliveira, 2006). As redes de sensores são classificadas quanto
ao modo de roteamento (single-hop (simples-salto) ou multi-hop (múltiplo-salto)). No caso
das redes em single-hop a comunicação é feita direta com o líder do grupo (ou nó
gateway), enquanto que para redes que operam em multi-hop a comunicação se dá entre os
nós sensores de um grupo (cluster) até chegar ao líder de grupo (nó gateway) conforme
mencionado pelos Oliveira (2006), Crowley et al. (2005), Jiang e Manivannan (2005) e
Berni (2004).
Topologia é o estudo da distribuição geográfica de uma rede de sensores e atuadores ou de
computadores, dispositivos de informática e telefonia celular. Esta topologia depende do
projeto das operações, da confiabilidade e do seu custo operacional (Tavares, 2002;
Rombaldi, 1994; Souza, 1994;). A topologia de sensores sem fio é a mesma que das redes
de computadores e telefonia celular e ela pode ter características como ligação ponto a
ponto e multiponto. Combinando-se os dois tipos básicos formam-se redes mais
complexas, as chamadas estruturas mistas. A adição de novos nós tende a fazer a topologia
da rede modificar-se dinamicamente (Tavares, 2002). Para lidar com estes problemas, os
protocolos de roteamento especiais são necessários para permitir o seu gerenciamento.
Uma das maiores preocupações nesta área é manter as informações que trafegam na sua
rede com a máxima segurança possível. Como se sabe, as redes wireless utilizam ondas de
rádio para transmitir informações e estas ondas podem viajar além das paredes do
escritório ou do prédio, fazendo com que esta informação atinja áreas que podem ser
perigosas. Com redes wireless, as bordas de uma rede crescem, neste sentido, os protocolos
e tecnologias de criptografias podem ser empregados. O consumo de energia numa rede de
sensores sem fio é o fator fundamental no projeto. Devido às fontes de energia serem
escassas e muitas vezes não substituíveis, métodos de economia de energia estão sendo
utilizados empregando todas técnicas possíveis. É justamente por isso que muitas pesquisas
têm sido feitas para melhorar os algoritmos responsáveis pela transmissão e
encaminhamento de dados na rede além da criação de novos tipos de transmissores mais
eficientes quanto à utilização de energia (Akyildiz et al., 2002; Tavares, 2002; Brian,
2001). Segundo Akyildiz et al. (2002) pode-se dividir o consumo de energia em três
domínios numa rede de sensores sem fio: sensoriamento, comunicação e processamento de
dados. No que tange o sensoriamento deve-se levar em consideração o ambiente de
operação da rede de sensores sem fios. Quanto à comunicação, alguns fatores são levados
em conta. Os nós sensores gastam a maior parte de sua energia na transmissão e recepção
de dados (Tavares, 2002, Brian, 2001; Dunbar, 1999). O que tem se mostrado é que para
comunicações em pequenas distâncias a quantidade de energia que se gasta para
transmissão e recepção é quase a mesma do que para longas distâncias (Wayne e Genn
2001; Dunbar, 1999). Todos os componentes do circuito transceiver consomem energia
valiosa do sistema. Como em uma rede de sensores sem fio o tamanho dos pacotes de
dados é pequeno, este consumo passa a dominar o consumo total do sistema de
transmissão. Já no processamento de dados, mesmo diante do contínuo surgimento de
novos processadores cada vez mais poderosos, tem-se o fator de consumo de energia como
sendo fundamental. Alguns autores argumentam que seria o caso de se criar estratégias de
organização da CPU onde a principal preocupação seria a energia gasta. Métodos de
economia de energia estão sendo empregados sempre que possível nas CPU’s dos nós
sensores (Tavares, 2002; Wayne e Genn 2001; Dunbar, 1999). Diversos trabalhos
apresentam técnicas que permitem a otimização no consumo de energia, não apenas na
qualidade da bateria que compõe o sensor, mas também uma forma de capturar energia de
alguma maneira para ser reaproveitada no sistema do sensor sem fio.
Em se tratando de sensores inteligentes sem fios, uma necessidade a ser atendida é que as
funções de sensoriamento, atuação, condicionamento de sinais, amplificação, conversão
A/D e D/A, microcontrolador, memória, transmissão RF, energia, gerenciamento de
energia e inteligência, estejam embutidas num único encapsulamento para que este
dispositivo satisfaça todas as necessidades das mais diversas aplicações, inclusive daquelas
que necessitam de portabilidade, decorrentes do pouco espaço disponível ou onde o
fenômeno físico ocorre num ponto infinitesimal da área a ser estudada. Até onde foi
possível, a microeletrônica possibilitou avanços significativos para atingir a miniaturização
de dispositivos ou o encapsulamento parcial destas funções em um único dispositivo de
estado sólido em uma escala micrométrica (Patrick, 2000). Ocorre que as necessidades
atuais estão exigindo cada vez mais a miniaturização destes dispositivos, porém, para
atender esta demanda, mudanças de paradigmas, descobertas de novos materiais
revolucionários e concepções simples devem fazer parte do cotidiano, podendo
posteriormente, dar soluções plausíveis que foram difíceis de se conseguir em tempos não
muito distantes (Patrick, 2000). Com o advento da nanotecnologia, novos conceitos estão
surgindo, permitindo que novos dispositivos, materiais e concepções de projetos
substituam as tradicionais atividades de atuação e sensoriamento na engenharia. Apesar da
miniaturização contribuir significativamente para algumas aplicações, nem sempre é vista
de forma positiva por alguns cientistas, visto que a miniaturização pode chegar a um ponto
de se trabalhar com divisões subatômicas, causando outros problemas a serem enfrentados.
Muitos trabalhos apresentam técnicas, concepções e emprego dos dispositivos MEMS
(Micro Electro Mechanical Systems). Atualmente estão surgindo trabalhos sobre os NEMS
(Nano Electro Mechanical Systems), tecnologias estas já disponíveis para contribuir com
os esforços dos desenvolvedores na miniaturização dos sensores e atuadores. Ressalta-se
que quando as dimensões desses dispositivos ficam abaixo de um mícron, eles são
designados pelo termo NEMS. O problema é que, abaixo de um certo tamanho, é
necessário empregar-se técnicas de produção totalmente diferentes; de um lado, devido aos
fortes efeitos superficiais do material, que são difíceis de controlar; por outro, porque a
física dos fenômenos se altera no reino quântico. Alguns trabalhos são abordados no
sentido de aproximar estas tecnologias emergentes, para contribuir, significativamente, na
construção de sensores para tornarem-se cada vez mais inteligentes, cujas funções poderão
estar incorporadas e cuja condição de miniaturização seja suficiente para atender a uma
grande faixa de aplicações. Por se tratar de redes de sensores, é possível admitir que os
custos para sua operação não devem ser elevados. Sabe-se que os custos de investimentos
para atingir todas as tecnologias discutidas neste trabalho demandam volumes de recursos
da ordem de bilhões de dólares. Mesmo assim, o que se tem acompanhado até o presente
momento é um preço ainda elevado por unidade sensora, da ordem de US$ 1000.00 para
uma rede robusta (da ordem de 100 sensores). Atualmente tem sido possível ver alguns
dispositivos com funções completas atingirem valores da ordem de algumas dezenas de
dólares (US$ 19.00). Segundo Tavares (2002), o preço de um transmissor Bluetooth está
abaixo dos US$ 10.00. Mas, ele acredita que o custo final de um nó sensor deverá estar
abaixo de US$ 1.00 para uma rede de sensores sem fios em pouco tempo.
3. SISTEMA ADOTADO NESTE TRABALHO
O sistema empregado consistiu na escolha de dispositivos baseados nos trabalhos
pesquisados. Estes dispositivos passaram por diversas evoluções a partir do trabalho dos
Maxwell e Williamsom (2000), sendo a última versão denominada de 2.01 (Chipcon,
2004), de fabricação da Chipcon AS, subsidiária da Texas Instruments, na Noruega. O
sistema é denominado de SmartRF CC1010DK, que foi adquirido como um kit de
desenvolvimento para o início dos trabalhos. O sistema SmartRF CC1010DK é um
conjunto de dispositivos denominado de Development Kit, tendo uma placa denominada
CC1010EB (Evaluation Board) que é uma placa de avaliação, e duas placas denominadas
de CC1010EM (Evaluation Module) que são dois nós (sendo um o nó sensor e outro o nó
gateway) contendo um chip único com três funções principais integrados: possui um
transceiver UHF com um microcontrolador de alto desempenho compatível com a família
8051, contém 32 kB de memória flash para programação e um conversor analógico/digital
de três canais (Chipcon, 2004). O trasceiver RF é programado pelo fabricante para operar
na faixa de 300 ~ 1000 MHz. O transceiver do kit adquirido está ajustado pelo fabricante
para operar na freqüência de 868 MHz, e foi projetado para operar em baixa energia em
aplicações wireless (Chipcon, 2004). A comunicação entre o sistema e o computador se dá
pela porta serial e é suportado pelo software Keil µVision3 IDE (ambiente de edição e
compilação), e pelo software Flash Programmer (ambiente de transferência do arquivo
compilado para os nós sensor e gateway, gravando a informação na memória flash do chip)
e pelo software Smart RF Studio (ambiente de ajustes dos registradores do chip, ou seja,
configurações gerais do mesmo).
4. METODOLOGIA PARA GARANTIR A INTEGRIDADE DOS DADOS
CONTRA FALHA DE COMUNIUCAÇÃO
Foram desenvolvidos dois softwares, sendo o primeiro (software embarcado), em
linguagem C, para a monitoração de dois canais do A/D do nó sensor e controle pelo nó
gateway e o segundo, na plataforma LabVIEW, para gerenciamento dos dados do sistema
wireless, sendo os dois softwares complemento do outro para que a metodologia
desenvolvida garanta a integridade dos dados contra falhas de comunicação (transmissão e
recepção dos sinais de RF). Durante o desenvolvimento dos softwares foram necessários
realizar diversos ensaios. Estes ensaios foram conduzidos para verificar o tempo de atraso
das medições na transmissão e na exibição dos dados na tela do computador e eventuais
perdas de pacotes. O que se verificou foi a ocorrência de uma série de problemas que,
associados, geravam atrasos significativos ou até perdas de pacotes inteiros de dados
devido às falhas de comunicação.
Os problemas mais importantes verificados que resultaram em atrasos e perdas de pacotes
foram o tempo de processamento do nó sensor para gerenciar a taxa de aquisição de dados
do A/D, escrita dos dados na memória do chip e sua transmissão para o nó gateway, a
aceitação do pacote e processamento dos dados no mesmo, transferência dos dados através
da porta serial, e o processamento do software no microcomputador e apresentação na sua
tela, computando um atraso de até 20ms e com perdas eventuais de pacote de dados. Após
a realização destes ensaios, passou-se à etapa da elaboração de um algoritmo mais eficiente
para implementar a metodologia e obter todos os dados mesmo da ocorrência de falhas de
comunicação ou atrasos. A idéia de se proteger os dados contra falhas de comunicação e
atrasos decorrentes dos problemas já expostos baseou-se na tecnologia de comunicação via
Internet, onde as atualizações das telas do computador são feitas mediante o envio de
pacotes inteiros das informações contidas numa página de website durante vários ciclos de
transmissão. Na ocorrência de falha de comunicação num determinado ciclo, o pacote
inteiro é reenviado num outro ciclo de comunicação e assim sucessivamente até que se
tenha recebido a página inteira junto com as suas funções específicas (links, endereços de
e-mails, etc). A diferença do método desenvolvido neste trabalho para esta tecnologia,
consiste no envio do pacote de dados sempre atualizado ou modificado por novos valores
monitorados dos sensores acoplados nos canais do A/D a cada ciclo de comunicação,
chamada de tabela dinâmica de dados. Este método é baseado na construção de uma tabela
de dados dentro do nó sensor a ser enviada ao nó gateway em ciclos de transmissão. Esta
tabela é modificada ou atualizada de acordo com a taxa de amostragem do A/D e do
processamento do programa na fase de transmissão da tabela anterior. O algoritmo
implementado no nó sensor consiste em aguardar uma liberação do RF para o pacote ser
enviado. Os valores do conversor A/D são lidos e armazenados na memória RAM do
CC1010. No momento em que esse pacote de valores do conversor A/D é liberado, e em
processo de envio, é montada uma tabela com esses valores, além dos últimos dois valores
da iteração anterior (dos canais do conversor e do tempo).
Estes dois últimos valores são uma forma de checagem de que não houve perdas durante as
transmissões, mesmo que tenham ocorrido falhas de comunicação, esta checagem é feita
pelo software de gerenciamento desenvolvido no LabVIEW. Com a tabela pronta, à medida
que não ocorre a sua liberação para o envio, acontecem novas aquisições que serão
montadas em uma nova tabela e enviadas na próxima iteração. Assim, os dois últimos
valores dessa última iteração são incorporados nesta nova tabela. Após esta
implementação, outros ensaios foram realizados para verificar se houve aumento do tempo
de atraso e conseqüentemente perdas de pacotes de dados. Foi constatado que, de todos os
problemas que contribuem para o tempo de atraso, o processamento com a implementação
do método contribuiu muito pouco ou em nada para o aumento do mesmo, permanecendo
um atraso na ordem de 20ms.
4.1. Testes de Funcionamento da Metodologia Desenvolvida
Diversos testes foram realizados para diferentes versões, para verificar as falhas de
comunicação durante o seu funcionamento, resultando na melhora do atraso na transmissão
do pacote de dados nas últimas versões.
O atraso de transmissão observado durante a realização dos ensaios de monitoramento de
dois canais, com a última versão, nas condições da centrífuga em vôo atingiram valores
próximos a 5 ms, combinando com o intervalo de tempo de aquisição dos canais do A/D.
Os primeiros resultados, das primeiras versões, apresentaram perdas significativas de
pacotes com cerca de 37% (apenas para comparação). Com a última versão, foram
realizados de três (3) a cinco (5) ensaios para cada parâmetro de tempo entre aquisições
dos canais do A/D. Na Tabela 1 são apresentados os valores de ajustes de velocidade do
A/D, os respectivos atrasos, bem como perdas de pacotes.
Tabela 1. – Testes Comparativos entre os Parâmetros de Tempo de Aquisição x
Tempo de Atraso
Tempo de
aquisição
(ms)
0.001
2
3
4
5
7
9
11
13
16
17
19
Tempo de
atraso
(ms)
5
10
13
15
18
23
27
30
35
43
45
48
Total de
pacotes
Pacotes
perdidos
%
12455
17227
13969
9225
9172
9882
13929
13631
12687
10517
11520
9490
250
0
0
192
55
36
131
223
521
67
0
0
2,01
0,00
0,00
2,08
0,60
0,36
0,94
1,64
4,11
0,64
0,00
0,00
Repetições
de
ensaios
4
5
4
3
3
3
4
4
4
3
3
3
5. ENSAIOS COMPARATIVOS NA CENTRÍFUGA
A realização de ensaios comparativos entre o sistema wireless e o sistema de aquisição de
dados convencional da centrífuga permitiu avaliar o comportamento e a confiabilidade do
novo sistema wireless em relação ao sistema convencional já incorporado na centrífuga do
IPT.
Os ensaios comparativos dos sistemas se basearam na re-calibração da centrífuga. Visto
que a mesma já havia sido calibrada em meados de 2001, com o sistema convencional.
Para a realização da calibração da centrífuga foi necessário confeccionar um cantilever
com as dimensões e geometrias adequadas, para a devida disposição no cesto da centrífuga
(metade da altura do cesto). O cantilever foi instrumentado com strain gage próximo da
extremidade engastada em ponte de Wheatstone completa, resistência nominal dos gages
de 350 Ω, sendo seus fios conectados ao sistema wireless ou ao sistema convencional, em
tempos de calibração distintos. No sistema wireless foi acoplado um amplificador de sinais
para amplificar o sinal do cantilever e a saída do sinal foi conectada ao canal ADC0 do nó
sensor. Os sinais aquisitados do cantilever foram controlados pelos dois programas
(embarcado e o de gerenciamento).
Tabela 2 – Comparação das Medidas Realizadas com os Sistemas Wireless e o
Convencional
Tipo de
Aceleração
Sistema
Referência
(SAD)
(g)
Wireless
50
Convencional
Wireless
75
Convencional
Wireless
100
Convencional
Aceleração
Média
(g)
48,40
50,17
75,10
75,14
100,25
100,65
Aceleração
Máxima
(g)
50,2584
51,9693
76,3782
77,6225
101,0796
103,3037
Aceleração
Mínima
(g)
46,7520
48,8133
71,7525
72,7802
98,9152
98,6697
Desvio
Padrão
0,5629
0,5208
0,4670
1,2313
0,2262
1,2431
O sistema de aquisição de dados convencional consiste de uma rede de
condicionadores de sinais no interior da centrífuga, alimentados por fontes DC que são
alimentados por um slip ring elétrico. Os sinais tratados pelos condicionadores são
enviados através de um slip ring eletrônico, a um bastidor analógico externo à centrífuga e
depois para a placa conversora A/D instalada no microcomputador. Um software foi
desenvolvido na plataforma LabVIEW para realizar o gerenciamento dos dados até a
gravação dos mesmos no disco rígido. A calibração do cantilever consistiu em adicionar
massas conhecidas na sua extremidade livre, os valores de voltagem e da massa foram
registrados pelos respectivos sistemas para a geração da curva de calibração de cada à
gravidade terrestre.
Com a geração das respectivas curvas de calibração, foi possível determinar a massa da
viga em balanço do cantilever sem nenhuma massa adicional. Isto se deu aplicando a
centrifugação em diversas acelerações artificiais. Após isto, foi possível encontrar a massa
da própria viga do cantilever que foi de 1,2 gramas para a aceleração gravitacional
terrestre.
Foi fixada uma massa adicional na extremidade livre do cantilever de 3,8 gramas,
totalizando 5 gramas para facilitar a interpretação dos valores da calibração da centrífuga
pelos dois sistemas. A partir daí passou-se à realização da centrifugação em três patamares
de aceleração artificial a saber: 50g’s, 75g’s e 100g’s. Os resultados dos ensaios estão
apresentados na Tabela 2 e nas Figuras 1 ao 8.
Calibração da centrífuga 75g (instrumentação convencional)
Histograma (75g Convencional)
90
80
80
70
70
60
60
Freqüência
Cantilever (g)
50
40
30
50
40
20
30
10
20
0
10
-10
0
50
100
150
200
250
300
Tempo (s)
0
72,8
73,3
73,7
74,2
74,7
75,2
75,7
76,2
76,7
77,1
Mais
Bloco
Figura 1 - Ensaio com a instrumentação
convencional em 75g
Figura 2 – Distribuição normal dos
dados do sistema convencional em 75 g
Calibração da centrífuga 75g (instrumentação wireless)
Histograma (75g Wireless)
80
700
70
600
60
500
Freqüência
Cantilever (g)
50
40
30
400
300
20
200
10
100
0
0
-10
0
50
100
150
200
250
71,8
300
72,1
72,5
72,8
73,2
73,6
Tempo (s)
74,3
74,6
75,0
75,4
75,7
76,1
Bloco
Figura 3 - Ensaio com a instrumentação
wireless em 75g
Figura 4 - Distribuição normal dos dados
do sistema wireless em 75 g
Calibração da centrífuga 100g (instrumentação convencional)
Histograma (100g Convencional)
120
60
100
50
80
40
Freqüência
Cantilever (g)
73,9
60
40
30
20
20
10
0
0
-20
98,7
0
50
100
150
200
250
300
350
99,1
99,6
100,0
100,4
100,9
101,3
101,8
102,2
102,6
103,1
400
Bloco
Tempo (s)
Figura 5 - Ensaio com a instrumentação
convencional em 100g
Figura 6 – Distribuição normal dos
dados do sistema convencional em 100 g
Calibração da Centrífuga 100g (instrumentação wireless)
Histograma (100g Wireless)
1400
120
1200
100
Freqüência
Sensor Wireless (g)
1000
80
60
40
800
600
400
20
200
0
0
-20
98,9 99,0 99,2 99,3 99,4 99,6 99,7 99,9 100,0 100,1 100,3 100,4 100,5 100,7 100,8 100,9 101,1
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Bloco
Tempo (s)
Figura 7 - Ensaio com a instrumentação
wireless em 100g
Figura 8 - Distribuição normal dos dados
do sistema wireless em 100 g
6. ANÁLISE DOS RESULTADOS E CONCLUSÕES
Os dados apresentados na Tabela 1 indicam que para alguns ajustes de tempo de aquisição
a metodologia desenvolvida apresentou eficiências próximas e até melhores do que a dos
algoritmos desenvolvidos por outros autores. Ressalta-se que para os eventos que serão
monitorados nos ensaios em centrífuga serão utilizados tempos de aquisição superiores aos
apresentados nesta tabela, sendo que para estes ajustes a eficiência é de 100%. Estudos
estão sendo realizados para alterar e melhorar o hardware para atender todo o espectro de
ajustes de tempo de aquisição, que será alvo de discussões num futuro breve. Observandose os dados dos ensaios comparativos que estão apresentados na Tabela 2 e nas Figuras 1
ao 8 é possível verificar que os dois sistemas apresentaram valores semelhantes dos valores
estabelecidos pela calibração realizada em 2001 nos pontos estabelecidos como referência,
apresentando boa exatidão.
Destaque deve ser dado no tempo de resposta do sistema convencional que apresenta uma
perturbação durante o processo de subida da rampa de aceleração da centrífuga. Na rampa
de descida o comportamento apresenta menor interferência, porém ao término do
movimento do braço da centrífuga ocorre um efeito de acomodação dos componentes
mecânicos e elétricos nos slip rings e o sinal retorna à origem. Esta firmação é comprovada
pela repetição de várias calibrações realizadas. Foram feitos novos ensaios alterando os
parâmetros dos filtros digitais. Observou-se que não houve mudanças significativas no
tempo de resposta do sistema quando da mudança dos parâmetros do filtro, principalmente
na rampa de descida (de menor interferência). Inicialmente, desconfiava-se do tempo de
atraso devido ao filtro digital em relação aos que ocorrem com os valores observados nos
gráficos de calibração da centrífuga com o sistema wireless, porém, os resultados
denunciaram que não houve interferência devido à filtragem. É possível ver que os efeitos
de acomodação mecânica e ruídos elétricos não ocorrem com o sistema wireless, percebese que as duas rampas (subida e descida) não ocorrem tais distorções, mantendo boa
simetria, destacando-se que o nó sensor utilizou a mesma fonte de alimentação do sistema
convencional. Contudo, no ensaio com patamar de 75g a rampa de descida ultrapassou o
valor de zero (0) na parada do movimento do braço da centrífuga, sugerindo que pode ter
ocorrido alguma alteração num dos componentes do amplificador de instrumentação
(trimpot de ajuste de offset de entrada submetido à alta aceleração que pode ter sofrido
algum movimento de suas peças internas).
Ressalta-se que as ocorrências observadas na calibração atual com o sistema convencional
não foram tão evidentes nas calibrações passadas, acredita-se que os componentes estejam
sofrendo degradação com o tempo, ou o desgaste do slip ring eletrônico esteja
contribuindo significativamente para esta perturbação, necessitando ser feita sua
substituição.
Apesar das ocorrências terem seu ponto negativo no que tange a confiabilidade do sistema
convencional, é de se notar que em regime de operação nas acelerações escolhidas, o
sistema se comportou satisfatoriamente em comparação com o sistema wireless, apesar de
o desvio padrão ter sido superior do que com o novo sistema. Mediante estas observações,
comprova-se que a decisão da utilização de novos sistemas tecnologicamente mais
avançados como os sistemas sem fios (wireless), parecem ser uma alternativa viável para a
solução dos problemas enfrentados, mesmo porque os resultados até o presente momento
estão se mostrando muito melhores do que o sistema convencional, sem falar na
possibilidade de existir uma gama mais ampla para explorar a melhoria do sistema
wireless.
7. AGRADECIMENTOS
Os autores desejam agradecer as instituições como o IPT - Instituto de Pesquisas
Tecnológicas, a EPUSP - Escola Politécnica da USP – Departamento de Engenharia Naval
e Oceânica, a FAPESP – Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo e a
Petrobrás que contribuíram significativamente para a realização destes trabalhos,
reconhecendo os esforços de suas equipes, o apoio financeiro, as oportunidades ofertadas e
infra-estrutura disponível.
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