Aquisição de dados sem fio: um guia prático para testes dinâmicos e de vibração

Um engenheiro de comissionamento entra em uma plataforma de turbina com oito acelerômetros, um laptop e não tem como passar cabos das caixas de rolamentos até uma sala de controle sem atravessar uma passarela. Este é o momento em que a aquisição de dados sem fio deixa de ser uma conveniência e se torna a única opção prática. Mas a frase “aquisição de dados sem fio” descreve duas arquiteturas de sistema muito diferentes, e escolher a arquitetura errada para testes de vibração ou ruído pode custar precisão de fase, contagem de canais e semanas de solução de problemas. A versão resumida: para a maioria das medições mecânicas, a conexão sem fio fica entre o front-end de aquisição e o computador host, não entre o sensor e o digitalizador.

O que a “aquisição de dados sem fio” realmente cobre

Quando os fornecedores usam o termo, geralmente se referem a um dos dois layouts.

Nós de sensores sem fio autônomos

Cada nó é um ponto de medição independente: uma entrada de sensor, um conversor analógico-digital de baixa potência, uma bateria e um rádio. Esses nós se comunicam diretamente com um gateway que encaminha os dados para o software. Eles são uma boa opção para pontos amplamente distribuídos onde as taxas de amostragem permanecem baixas e você não precisa de correspondência de fase canal a canal entre nós separados.

Front-end de aquisição em rede com transporte sem fio

A segunda arquitetura mantém o digitalizador próximo aos sensores, mas substitui o cabo final por um link de rádio. Um analisador de sinal dinâmico multicanal fica no local de medição e esse analisador se conecta ao PC host por Wi-Fi, um modem celular ou uma ponte de rádio privada. Os sensores ainda estão cabeados, mas os longos e frágeis retornos à sala de controle desapareceram.

Essa distinção é importante porque decide quanto de cada atributo de medição você mantém. Um nó alimentado por bateria que coleta amostras de alguns quilogramas por segundo é útil para triagem de condições de rotina. Não é a ferramenta para um teste modal de 16 canais que precisa de uma largura de banda de análise de 20 kHz. Antes de avaliar qualquer fornecedor, identifique qual arquitetura corresponde ao seu objeto de teste e tipo de sinal.

Cinco coisas para verificar antes de escolher

As implementações sem fio falham de maneiras previsíveis. Verifique esses cinco pontos em relação a qualquer sistema citado antes de se comprometer.

1. Sincronização de canais. Cada nó conectado por rádio carrega seu próprio relógio. Se os nós não compartilharem uma base de tempo, a fase relativa entre os canais varia. Verifique o mecanismo de sincronização: alguns sistemas registram a data e hora de cada amostra e corrigem o desvio no software; outros se conectam a um farol de rádio. Solicite um valor concreto de erro de fase durante uma duração de medição definida.
2. Taxa de amostragem versus largura de banda. Um único link Wi-Fi é uma taxa de transferência compartilhada. Oito nós a 51,2 kS/s cada em um ponto de acesso não fornecerão dados contínuos; eles irão armazenar em buffer, descartar quadros ou reduzir a amostragem. Confirme a taxa contínua por canal com a contagem de nós e o ciclo de trabalho esperado.
3. Compatibilidade de sensores. Os transdutores de vibração estão longe de ser uniformes. Os acelerômetros de carga precisam de um amplificador de carga; Os acelerômetros IEPE precisam de excitação de corrente constante; pontes de deformação precisam de conclusão da ponte e uma fonte de tensão de precisão. Se o nó sem fio não puder fornecer excitação ou terminar o sensor corretamente, você não removeu a caixa de condicionamento da cadeia.
4. Logística de energia. As baterias são a causa comum de perda silenciosa de dados. Para uma aplicação de monitoramento que deve funcionar por meses, um nó “sem fio” com bateria de três semanas ainda é um cabo para um painel solar ou um adaptador AC. A questão honesta é se você está eliminando o cabo de dados ou simplesmente substituindo-o por um cabo de alimentação mais curto.
5. Ambiente de rádio. Invólucros de chapa metálica, plataformas de concreto, acionamentos de motores e outras estruturas de plantas atenuam os sinais das bandas de 2,4 GHz e 5 GHz. Planeje o posicionamento da antena na parte externa dos objetos de teste e verifique o orçamento do link em vez de confiar no alcance ao ar livre reivindicado.

A arquitetura que funciona para testes de vibração e ruído

Para vibração, ruído e trabalho modal, a abordagem do digitalizador local é a que se mantém. O analisador continua sendo um analisador de sinal dinâmico adequado - com um conversor de 24 bits, filtros anti-aliasing por canal, entradas IEPE e de carga e correspondência de fase canal a canal controlada - e apenas o backhaul para o host é sem fio. Vários analisadores podem ser colocados em vários clusters físicos, cada um lidando com seis, oito ou dezesseis canais, enquanto um único PC supervisiona o teste a partir de um trailer ou cabine de controle.

É aqui que o equilíbrio entre conveniência e fidelidade finalmente entra em equilíbrio. Um instrumento em rede como o ZTN8208I aceita entradas de tensão e IEPE em oito canais e transmite continuamente através de um link Ethernet de 100 Mbps, que você pode conectar a uma ponte sem fio sem qualquer alteração no caminho de medição. Se você quiser saber como um analisador de sinal dinâmico difere de um registrador de dados tradicional , a resposta está no condicionamento de entrada e na arquitetura de amostragem fixa, e não no rádio.

Analisador de sinal dinâmico de tensão/IEPE ZT-N8208I com streaming Ethernet Este analisador de oito canais suporta entradas de tensão e IEPE com uma arquitetura de 24 bits, proporcionando baixo ruído e streaming contínuo em Ethernet de 100 Mbps. Ele se adapta a configurações de medição de alta fidelidade onde os sinais dos sensores devem ser digitalizados com precisão antes do transporte sem fio. Ver Produto →

Quando um teste exige níveis de ruído mais baixos e maior rendimento de dados, os analisadores de rede gigabit são o próximo passo. O ZTG8204C, um modelo de quatro canais de baixo ruído com a mesma arquitetura de 24 bits, é adequado para medições de resposta de frequência de alta precisão onde o nível de excitação é pequeno e cada microvolt do sinal do sensor deve sobreviver intacto à digitalização.

Analisador de sinal dinâmico de quatro canais e baixo ruído ZT-G8204C Com amostragem Ethernet gigabit de até 128 kHz por canal e o mesmo conversor de 24 bits, este analisador de baixo ruído é adequado para testes de resposta de frequência de pequena excitação, onde é fundamental preservar cada microvolt do sinal do sensor. Ver Produto →

Onde a aquisição de dados sem fio ganha força

A justificativa mais forte para a tecnologia sem fio não é a conveniência do laboratório; é acesso. Três grupos de aplicativos continuam voltando.

Máquinas rotativas e monitoramento de condições na fábrica

Motores, bombas, compressores e ventiladores ficam em locais onde a passagem de cabos de instrumentação é cara, insegura ou impossível enquanto a máquina está em operação. Um analisador local conectado à rede da planta reporta níveis gerais, frequências de rolamento e espectros para uma tela de monitoramento central sem que ninguém suba na estrutura.

Estruturas civis e testes externos

Levantamentos de pontes, torres e tubulações geralmente cobrem longos vãos sem energia no local. Analisadores distribuídos com fontes CC locais e backhaul sem fio permitem que a equipe de teste capture vibrações induzidas pelo tráfego sem amarrar cabos ao longo do vão. Uma unidade compacta de quatro canais como o ZTN8204C mantém baixo o custo por ponto enquanto mantém a tensão e as entradas IEPE, o que geralmente é suficiente para esta classe de trabalho.

Testes de veículos e transporte

Quando o objeto em teste se move, um cabo para um computador estacionário é uma restrição ao movimento ou um perigo. O transporte sem fio entre o analisador integrado e o veículo ou cabine de controle seguinte resolve isso de forma limpa.

Analisador de aquisição de dados multicanal três em um ZT-N8204C Este analisador aceita entradas IEPE, carga e tensão com condicionamento de ganho integrado, eliminando adaptadores externos. É adequado para mover ou girar objetos de teste onde a digitalização integrada e o transporte de dados sem fio substituem as restrições dos cabos. Ver Produto →

Em cada caso, a característica compartilhada é que os sensores registram em um local de medição próximo à estrutura, enquanto apenas o transporte de dados é sem fio. Onde níveis simples de vibração são suficientes, nós de baixa potência ainda têm seu lugar; onde a fase, a largura de banda ou a faixa dinâmica são importantes, digitalize localmente e transmita posteriormente.

Uma lista de verificação prática para comparação

Ao avaliar cotações lado a lado, uma tabela é mais útil do que uma lista de recursos. A comparação abaixo reflete especificações típicas das três abordagens discutidas.

Observe o que a coluna do meio oferece: os mesmos atributos de medição de um analisador cabeado, menos o comprimento longo do cabo. Quando o escopo vai além de um único analisador - software de excitação, sensores, aquisição e análise em um pacote pronto para uso - sistemas completos de vibração e testes dinâmicos cobrir esse escopo como um único esforço de engenharia.

A regra prática para aquisição de dados sem fio é curta e nada sentimental: faça com que o link de rádio transporte a parte menos sensível da cadeia de sinal. Mantenha os sensores conectados a um front-end de aquisição real, mantenha esse front-end próximo ao ponto de medição e use a conexão sem fio apenas para a conexão final com a pessoa que precisa dos dados. Quando você faz isso, a conexão sem fio deixa de ser um compromisso e se torna uma ferramenta confiável para testes de vibração, ruído e modais - e os longos cabos permanecem na gaveta onde pertencem.