E02 - Medidas com a interface Pasco

E02 - Medidas com a interface PASCO

OBJETIVO:

● Familiarização com a interface de aquisição de dados (Science Workshop 500 PASCO) e com o processo de aquisição de dados via computador usando o programa DataStudio da PASCO.

● Realizar medidas de tensão e corrente com a interface Science Workshop 500 e o programa DataStudio da PASCO.

MATERIAIS: Interface SW500 PASCO Transformador 110/6 Volts Sensor de tensão Gerador de Função Resistores de 39Ω, 68Ω e 330Ω. Sensor de corrente Quadro de conexões Fios e conectores

1 - NOÇÕES BÁSICAS SOBRE AQUISIÇÃO DE DADOS

Primeiramente apresentaremos algumas noções básicas do funcionamento de um sistema de aquisição de dados.

Taxa de Amostragem

Nesta aula prática utilizaremos a interface _{​Science Workshop 500 da ​PASCO​, para} fazer a aquisição dos valores de tensão. Esta mesma interface será utilizada em vários experimentos para fazer a aquisição de dados de diferentes sensores, dentre eles temos o sensor de corrente, de campo magnético. Dentre estes dados, temos aqueles cuja intensidade pode permanecer constante no tempo (ex. tensão nos terminais de uma pilha) e aqueles que variam com o tempo (tensão na saída de um transformador ligado a rede elétrica de 60 Hz).

(contínuo) é convertido numa série de valores discretos (descontínuos). Esses valores são números (dígitos) que representam amostras instantâneas do sinal que esta sendo medido. Este processo é realizado por meio de um conversor analógico/digital (CAD). O processo inverso pode ser feito por meio de um conversor digital/analógico (CDA). A conversão do sinal analógico para o digital é realizada por uma sequência de amostras da variação de voltagem do sinal original. Cada amostra é arredondada para o número mais próximo da escala usada e depois convertida em um número digital binário (formado por "1" e "0") para ser armazenado.

As amostras são medidas em intervalos fixos, quantizados e convertidos para números binários, veja Figura 1. O número de vezes em que se realiza a amostragem em uma unidade de tempo é a _{​taxa de amostragem​, geralmente medida em Hertz. Logo, fazer a aquisição de} um sinal (e.g. tensão elétrica) com uma taxa de amostragem de 100 Hz significa que fazemos 100 medidas da tensão a cada segundo. Dessa maneira, quanto maior for à taxa de amostragem, mais precisa é a representação do sinal. Porém, mais medida significa maior tempo para realizar as medições e um número maior de informações que necessitam ser armazenadas (maior espaço de memória para armazená-las).

Figura 1. Etapas básicas da digitalização de um sinal.

Segundo o Teorema de Nyquist, a taxa de amostragem deve ser pelo menos duas vezes a maior frequência que se deseja registrar. Esse valor é conhecido como _{​frequência de}

Nyquist_{​. Ao se tentar amostrar um sinal de uma determinada freqüência com uma taxa de}

Figura 2. Representação do efeito alising (ou foldover) descrito acima.

A figura 3 mostra uma onda de 17.5 kHz (em amarelo) e a onda digitalizada com uma taxa de amostragem de 20 kHz (azul). Os pontos amostrados estão representados em verde. A onda em azul é a onda resultante do efeito de _{​aliasing​.}

Figura 3. Comparação entre uma onda original de 17,5 KHz (em amarelo) e a onda digitalizada com taxa de amostragem de 20 kHz (em azul).

A digitalização de dados depende de uma série de outros fatores (resolução das amostras, a relação sinal/ruído, o erro de quantização, etc) cuja discussão foge do escopo deste curso.

DA PASCO

Toda processo de aquisição de dados envolve duas partes: uma relacionada ao equipamento (hardware) que trabalha com os sinais elétricos (digitalização) deixando-os de maneira que possam ser interpretados. E outra parte que é um programa (software) que faz comunicação entre o computador e a interface, assim como, o tratamento e processamento dos sinais obtidos. Doravante, quando falarmos sistema de aquisição, estamos falando do sistema completo, ou seja, parte eletrônica junto com o software de controle e tratamento ( _​Interface

SW500 e Datastudio_​).

Embora a lógica de aquisição de dados seja a mesma para qualquer sistema, a eletrônica (hardware) e o programa (software) dependem de cada fabricante. Desta forma, sistemas de aquisição de dados (eletrônica + programa de tratamento e controle) de diferentes fabricantes são diferentes. Desta forma, devemos nos familiarizar com o sistema antes de utilizá-lo.

Esta seção apresenta de forma sucinta os passos básicos a serem seguidos para a utilização do sistema de aquisição que será utilizado nos experimentos deste curso.

- Conectar a interface ao computador através de um cabo USB; - Conectar a fonte de alimentação (9V) na parte posterior da interface;

- Ligue a interface SW500 através do botão que se encontra na parte posterior da interface. Uma luz verde se acenderá na parte frontal.

- Clique em _{​Configurar}

​canal A​, para selecionar o canal desejado. Este modelo possui 3 canais.

- Associe ao canal A ao sensor de tensão e clique OK.

- Observe o ícone do sensor de tensão sob o canal A, indicando que este canal está preparado para obter dados. _{​Escolha a Taxa de Amostragem e a sensibilidade – baixa ou alta. Para} sinais com ruído elevado e conveniente escolher a sensibilidade baixa.

​Opções de amostragem​. Aqui é possível escolher vários maneiras de amostrar os sinais. Manual, automática, quando sinal atingir um determinado valor, etc.

- Conectando o sensor de tensão a uma pilha, por exemplo, e escolhendo uma parada automática de 2 segundos, e clicando em _{​INICIAR​, o sistema fará a aquisição dos valores de} tensão durante 2 segundos e desligará automaticamente.

- Para ver os dados clique no menu de Visores, dê duplo clique em Tabela. - A tabela mostrará os tempos de leitura com os respectivos valores de tensão medidos.

​estatística​ dos dados clique no ícone 𝜮 e então em ​Mostrar tudo.

aquisição da tensão de uma pilha. Porém, neste caso o sinal varia com o tempo, logo é importante escolher uma taxa de amostragem adequada (no mínimo a frequência de Nyquist conforme discutido na Seção 1).

- Os dados de tensão mostrados nas próximas figuras foram adquiridos de uma fonte de tensão senoidal com freqüência de 60Hz com uma taxa de amostragem de 2000Hz. Neste caso é interessante observar o gráfico dos resultados obtidos.

- No menu _{​Visores​ dê duplo clique em ​Gráfico​.}

- A janela de gráficos se abrirá como gráfico 1 série n°1 para mostrar o gráfico da senóide, um tanto congestionado mas que poderemos examinar em detalhes, seguindo o procedimento descrito abaixo.

​Mostrar tudo​.

- Por cima do gráfico aparecerá a tabela de _{​estatística​.}

​Ativar zoom

- O apontador em forma de seta mudará para a forma de uma lupa com um sinal _{​‘+’ no centro.} Agora, qualquer região que for marcada com esse ponteiro sofrerá zoom. Marque um pequeno trecho e teremos algo como

- Os dados marcados no _{​gráfico ficam também marcados na ​tabela​.Veja isso clicando em} Visores do lado esquerdo da área de gráficos e selecione _{​Tabela Série nº 1}

​Ajustes

- Note que o ajuste embora calculado com os valores marcados se estenderá para o gráfico todo.

3 – UTILIZAÇÃO DO GERADOR DE FUNÇÕES

Este equipamento é capaz de fornecer tensões com diferentes formas de ondas elétricas: senoidal, triangular e quadrada. A seguir apresentaremos resumidamente as instruções para sua utilização.

1-_{​ Ligue o gerador de funções (botão na parte traseira do aparelho).}

2-_{​Ajuste o botão DADJ de forma que a marca branca fique bem no meio de Min e Max (isto é,} apontando verticalmente para cima). Ajuste de simetria da onda.

3- Observe se algum dos botões ATT está pressionado. Se estiver, aperte o para que fique

inativo isto é, para fora. Este botão atenua em 90% a intensidade do sinal.

4- Aperte o botão WAVE e veja se o dígito mais significativo (mais à esquerda) está marcando

1. Caso contrário aperte seguidamente até que ele marque 1 que indica onda senoidal. Esse dígito indica a forma de onda segundo a tabela abaixo.

WAVE Tipo de onda 1 Senoidal 2 Quadrada 3 Triangular

5- O botão RANGE é utilizado para escolher a faixa de frequência do sinal conforme tabela

abaixo. A indicação e mostrada no digito menos significativo (mais à direita do primeiro display do equipamento. Para mudar o seu valor apenas pressione o botão Range até obter o número

girando o botão de ajuste de frequência _​FADJ​. Indicação Faixa 1 0,2 a 2 Hz 2 2 a 20 Hz 3 20 a 200 Hz 4 200 Hz a 2 kHz 5 2 a 20 kHz 6 20 a 200 kHz 7 200 kHz a 2 MHz

6- Após ajustar a frequência desejada pressione o botão RUN para os dados ajustados sejam

efetivados.

7- O ajuste a amplitude do sinal, tensão de pico (Vp – entre 0 e 10Vp) é obtida através do botão

AADJ.

3 – PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS

PARTE A: Medida da tensão de saída do gerador de funções

3.1 - Ajuste o gerador de funções para obter uma tensão alternada _{​no formato de onda}

quadrada_{​ de frequência 60 Hz de amplitude de tensão de pico de 3,0 Vp.}

Dica_{​: Para obter uma onda quadrada aproximadamente simétrica, ajuste o cursor DADJ para} uma posição central.

3.2 - Seguindo as instruções da Seção 2, meça a tensão de saída do gerador de função utilizando uma taxa de amostragem de 2000Hz e um tempo de aquisição de 0,5 segundo. Obtenha um gráfico da tensão vs. tempo.

3.3 - Faça uma tabela mostrando os valores de tensão no nível alto de um ciclo da onda quadrada. Através do recurso _{​estatística anote os valores da média e do desvio padrão dos}

3.5 - Meça a tensão alternada na saída de um transformador de 110/6 Volts, utilizando taxas de amostragem de 40Hz e tempo automático de parada de 2 segundos.

3.6 - Faça um ajuste senoidal da onda obtida. Anote o valor de amplitude e período da curva ajustada. A curva ajustada é semelhante ao conjunto de pontos amostrados?

3.7 - Repita os procedimentos 3.6 e 3.7 para taxas de amostragem de 50Hz, 100 Hz, 200 Hz e 1000Hz.

3.8 - Baseado nos ajustes realizados, quais foram as taxas de aquisição mais apropriadas para medir a tensão neste transformador? Justifique sua resposta.

PARTE C: Levantamento da curva IxV de um resistor

AVISO

Como já alertamos, ao medirmos correntes elétricas com amperímetros, miliamperímetros, multímetros ou sensores de corrente devemos ter CUIDADO EXTREMO, pois nesses aparelhos quanto menor a resistência interna melhor será a qualidade do aparelho e consequentemente da medida.

Nosso sensor de corrente PASCO possui uma resistência interna de 1Ω e a máxima corrente suportada é de 1,5 Amperes. Então, uma voltagem superior a 1,5 Volts em seus terminais será suficiente para inutilizá-lo!

O sensor de corrente deve ser ligado EM SÉRIE com o resistor R _​1​, não em paralelo. Antes de ligar o gerador de funções ao circuito, chame o professor para validar o seu circuito.

3.9 - Associe o sensor corrente ao canal B para realizar uma medida simultânea de tensão e corrente através do resistor.

3.10 - Ajuste o gerador de funções na configuração capaz de fornecer uma tensão alternada no formato de onda senoidal de frequência 60 Hz de amplitude de tensão pico de 2 V e monte o circuito ilustrado na Figura 4. Ligue os sensores de tensão e corrente ao circuito a fim de medir a tensão elétricas nos terminais do resistor e a corrente elétrica que o atravessa.

3.11 - Obtenha um gráfico que forneça a tensão dos terminais do resistor (ordenada) como função da corrente elétrica que o atravessa (abscissa). Faça um ajuste linear dos resultados e compare-o com o valor nominal do resistor.

Dica: _{​Para fazer um gráfico V vs. I, use o data studio para obter um gráfico de tensão em}

função do tempo, em seguida clique no eixo das abscissas e selecione a série de medidas de corrente.

Figura 4. Circuito montado para levantar a curva IxV do resistor do resistor de valor nominal R_​1​=330Ω. A corrente deve ser medida nos pontos marcados com 1, assim como a tensão elétrica nos terminais do resistor.

PARTE D: Medidas de corrente com SW500

3.12 - Ajuste o gerador de funções para obter uma tensão alternada no formato de _​onda

senoidal _{​de frequência 60 Hz de amplitude de tensão pico de 2,0 V.}

3.13 - Identifique os resistores R1=330Ω kΩ, R2=68 kΩ e R3= 39Ω. A seguir, monte o circuito mostrado na Figura 5.

3.14 - Meça os valores máximos de corrente em cada um dos pontos indicados. Utilize a taxa de amostragem que julgar adequada.

Dica: _{​Você pode usar o sensor de tensão conectado à interface para monitorar a tensão na}

saída do gerador de funções.

LEMBRE-SE:

Para realizar medidas de corrente elétrica, é preciso realizar modificações nas conexões do quadro de contatos para inserir o sensor de corrente em série com cada um dos resistores. Cuidado para não conectar o sensor em paralelo com nenhuma das resistências do circuito.

Figura 5. Associação de resistores para a medida da corrente alternada a serem realizadas nesta experiência em série e paralelo. A corrente deve ser medida nos pontos marcados com 1, 2 e 3.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS:

1. Albert Malvino e David J. Bates. Eletrônica Volume 1, 7a Edição. McGraw-Hill Interamericana do Brasil Ltda, São Paulo, SP, 2008.

2. H. Moysés Nussenzveig, Curso de Física Básica 3 - Eletromagnetismo. 1a edição, Editora Edgard Blucher, São Paulo, SP, 1997.

3. Antonio M. V. Cipelli e Waldir J. Sandrini. Teoria e Desenvolvimento de Projetos de Circuitos Eletrônicos, 6ª Edição, Editora Érica, São Paulo, SP, 1982.