Licenciatura em Engenharia Electrotécnica e de Computadores
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ÍNDICE
Introdução 2
Metodologia
- Norma EN 153 4
- Labview 6
Implementação 7
Validação 22
Conclusões 23
Bibliografia 24
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INTRODUÇÃO:
O estágio foi realizado sob a denominação de Sistematização dos Ensaios de Medição de
Consumo Energético e de Poder de Congelação de Equipamento de Frio, de acordo com a norma
EN153. O trabalho decorreu no Instituto Electrotécnico Português (IEP) na Senhora da Hora e
incidia sobre a referida norma, pois os equipamentos a ensaiar, frigoríficos, combinados e arcas
tinham que ser submetidos a ensaios de medição de consumo, que se baseavam na verificação de
determinadas condições de temperatura (interior e exterior) e de humidade relativa do ar. Todos os
automatismos foram desenvolvidos em Labview, linguagem de programação da National
Instruments (NI), que têm equipamentos específicos para a aquisição e tratamento de dados.
A finalidade deste trabalho era a realização de diversas aplicações que, em conjunto,
controlassem o ensaio dos equipamentos atrás referidos, rentabilizando deste modo os meios do
laboratório. Com a sistematização do ensaio veio a consequente libertação de recursos humanos,
constituindo este facto um fundamental requisito do IEP. A portabilidade do programa era também
um aspecto importante, pois foi demonstrado o interesse em controlar a aplicação de qualquer ponto
da rede interna do IEP, possibilitando da mesma forma o controle da aplicação através de outras
linguagens que não sejam o Labview. A finalidade deste trabalho foi também a necessidade de eu,
como aluno da Faculdade, me aproximar à realidade do mercado de trabalho exigindo, da minha
parte, um correcto planeamento, quer de manutenção, custos e reutilização de todo o trabalho
efectuado, obedecendo desta forma a um dos principais requisitos da disciplina.
No laboratório de Electrodomésticos do IEP, já se encontrava um programa em Labview o
qual efectuava a aquisição de temperaturas através de uma placa da NI, AMUX 64 T. Este
programa foi desenvolvido por uma empresa exterior ao IEP, a MCM.
Devo referir que todo este processo foi ganhando forma ao longo do estágio, sendo que,
enquanto tomava conhecimento da norma, delineava as parametrizações do programa bem como as
placas que haveria de utilizar. O resultado final é o culminar de várias etapas que foram moldadas
pelos requisitos do IEP, pela disponibilidade de equipamento e algumas restrições devido ao
desconhecimento da linguagem de programação.
O sistema implementado está descrito abaixo sobre a forma de diagrama de blocos ( Fig 1).
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Fig. 1 – Diagrama de blocos da aplicação implementada
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METODOLOGIA:
- Norma:
Efectuado o prévio estudo a norma em questão, EN 153, que resume todo o procedimento
relativo ao ensaio a equipamentos refrigeradores, retive todas as exigências que esta impunha. Após
a carga do equipamento com uma determinada matéria dava-se inicio ao ensaio, ligando o
equipamento à rede eléctrica onde a tensão era estável (220V 61%) e as condições ambientais
exteriores ao equipamento obedeciam ao imposto pela norma. A temperatura ambiente era 25 60,5
ºC, a humidade relativa situava-se entre 45% e 75% e a velocidade do ar era 0,25 m/s. Estando o
equipamento em funcionamento regula-se o termostato para a temperatura pretendida para o ensaio.
Provavelmente, durante o decorrer do ensaio, será necessário actuar o termostato de modo a se obter
a temperatura requerida no interior do refrigerador. Durante esta etapa inicia-se a aquisição de
temperaturas para se observar o seu comportamento, suas variações durante os ciclos de termostato
e verifica-se qual o ponto de estabilização. A aquisição de temperatura é realizada com termopares
distribuídos pelo interior do equipamento de modo a se efectuar a leitura das temperaturas
interiores. Considera-se que as temperaturas estabilizam quando, entre dois ciclos de termostato
(ascendente ou descendente), a temperatura não variou mais de 0,5 ºC em módulo. A condição de
ensaio completa-se com a obrigação das temperaturas interiores do refrigerador estarem contidas no
intervalo definido pela norma. Quando as condições atrás se verificarem é iniciado o ensaio de
consumo, ou seja, a partir do momento em que todas as condições são verdadeiras é iniciada a
medição do consumo do aparelho durante 24 horas estando, no final, o termostato desligado (OFF),
ou 24 horas mais a duração do último ciclo de termostato ligado (ON). Obtido o consumo do
refrigerador durante 24 horas calcula-se o consumo anual de energia eléctrica do aparelho, que é
igual ao último valor multiplicado por 365 dias. A partir deste ponto efectuam-se os cálculos
definidos na Portaria nº1139/94 de 22 de Dezembro para se obter a classe de eficiência energética (
fig.2).
Fig. 2 – Exemplo de ensaio: ciclos de termostato.
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A norma terá efeito apenas no nível de controle ou seja, aquando da realização do programa
em Labiew, pois o nível de protocolo de comunicação será estanque quer ao nível físico quer ao
nível de controle. Com esta estrutura cria-se um interface entre nível físico e nível de controle
(lógico). Reforça-se assim, a ideia de portabilidade e de flexibilidade requerida para esta aplicação
pelo IEP. Para respeitar todos os requisitos impostos pela norma será necessário efectuar a
aquisição de temperaturas em tempo real, esta tarefa é realizada por uma placa da NI, o AMUX
64T. A comutação da alimentação do refrigerador para um contador de energia eléctrica, é
efectuada através de uma placa de relés da NI, que alimentará um relé de potência que efectua a
comutação da alimentação.
Convém ficar presente que estas tarefas são efectuadas por dois computadores. O primeiro,
um computador portátil que faz a aquisição de sinais (temperaturas e ciclos de termostato) e um
outro fixo que efectua a verificação das condições de início de ensaio de consumo e controla os
relés de comutação de alimentação.
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- Labview:
A iniciação ao Labview foi a fase mais árdua do estágio, pois o desconhecimento da
linguagem obrigava ao estudo e a um conhecimento das potencialidades da mesma. Iniciei o estudo
da linguagem resolvendo alguns tutoriais enquanto estudava os manuais do Labview, que
acompanham o software de instalação. Desde cedo verifiquei que o Labview era uma linguagem
versátil e que tinha elevado potencial, já que o software continha diversas aplicações vocacionadas
para a aquisição de dados. O primeiro tutorial realizado foi o que vem juntamente com o pacote de
software do Labview, que inicia na programação gráfica. Efectuadas diversas pesquisas sobre o
assunto foram encontrados alguns tutoriais, tendo particular interesse um que, durante uma série de
passos, abordava todas as estruturas, variados VI’s (Virtual Instruments), sua respectiva criação e
implementação para programas de simulação ( http://eelab.usyd.edu.au/labview/contents.html ).
Realizado o tutorial na sua total extensão, que consistia em 10 lições, ainda pairava uma dúvida:
Como interagem as placas da NI com o programa em Labview? A resposta era simples, sendo
apenas necessária a definição da placa na pasta ‘Measurement and Automation’ do pacote DAQ
(Data Aquisition), e a partir deste ponto a nossa placa tinha um ‘device number’ atribuído, a partir
do qual podíamos endereçar os VI’s.
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IMPLEMENTAÇÃO:
Concluída a etapa de exploração das potencialidades do Labview deu-se início a realização
de uma aplicação que efectuasse a aquisição de temperatura , mas que fosse mais flexível, isto é que
permitisse a indexação de determinado termopar a um qualquer canal e no máximo efectuasse a
aquisição de 8 termopares, sendo este o número máximo de termopares que um equipamento em
ensaio utiliza. A aplicação que o IEP detinha apenas permitia visualizar e registar um determinado
número de termopares, desde que estes estivessem ordenados. Durante a preparação dos ensaios os
termopares não eram escolhidos de modo sequencial, o que provocava que, quando a aplicação se
iniciasse, esta tinha que ser inicializada com um número de canais superiores ao necessário. Esta
restrição obrigava a um maior processamento de temperaturas, que no final não eram necessárias
para qualquer cálculo. Pretendia-se uma aplicação que registasse a data e a hora de cada leitura,
num ficheiro que mais tarde fosse acedido para tratamento e consulta de informação através de
programas de tratamento de dados, tais como Excel e outros semelhantes. Este VI, é composto por
duas partes: a aquisição de temperatura e seu tratamento e a geração de um ficheiro onde são
guardadas todas as temperaturas.
O Labview possui VI’s nas suas librarias que efectuam a aquisição de temperaturas. Estes
VI’s necessitam de ter uma referência de temperatura que é fornecida por um transistor bipolar que
se localiza nas placas de aquisição de temperatura, a qual se denomina de ‘cold junction’. Os
termopares quando ligados às placas geram sinais de baixa amplitude muitas vezes difíceis de
observar, pelo que a realização do termómetro teve de incluir os VI’s da NI, pois a sua fiabilidade é
bastante elevada e permitem a utilização de diversos tipos de termopares. A grande dificuldade na
conversão de sinal (tensão) em temperatura é que as equações têm um número elevado de potências,
e variam com a temperatura. Foi verificado que as leituras efectuadas pela placa em que realizava
os ensaios, SCB 68 T, estavam perturbadas por erro que fazia com que entre duas leituras
consecutivas houvesse um gradiente de temperatura muito elevado. Verifiquei que esse erro era
devido a ruído que estava presente no meio, o qual tinha média nula , e superei este problema
filtrando as amostras dos termopares .O filtro trata um array de 150 amostras de tensão e calcula a
sua média obtendo assim uma amostra fiável. Esta amostra é depois submetida ao VI ‘ Thermo
Linear’, que efectua a conversão tensão em temperatura.
Após a geração do array onde estavam presentes as temperaturas tratadas, à primeira coluna
correspondia o termopar seleccionado no primeiro canal, e assim sucessivamente. As colunas
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tinham que ser criadas e adicionadas com a data e a hora para o ficheiro ficar completo. Para tal
gerei o VI ‘Data’ que cria uma linha com duas colunas, data e hora. Reuni os dois arrays e obtive
uma linha que iria ser escrita num ficheiro a escolha com o formato pretendido, data, hora, canal1,
canal2 e sucessivos canais, finalizando no 8.
A realização desta aplicação permitiu-me compreender as dificuldades que surgiam durante
a programação em Labview, e entender o funcionamento da aplicação já implementada no
laboratório. O ‘Front Panel’, ( Fig3), é o painel do nosso instrumento virtual, onde o operador irá
actuar, e onde pode ainda observar as últimas leituras e visualizar a evolução das mesmas. O
ficheiro gerado é guardado na seguinte directoria: c:\consumos\temperaturas, sendo que a última
leitura das temperaturas é também guardada num ficheiro: c:\consumos\ultima leitura. A hierarquia
do Termómetro implementado, onde se constata a utilização do VI’s do Labview, limites de
temperaturas e escrita para ficheiro e do VI Data está abaixo representada ( Fig. 4), bem como o
diagrama correspondente ao VI, em pormenor a aquisição e tratamento das temperaturas e sua
escrita (Fig. 5).
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Fig. 3 – Front Panel do termómetro implementado.
Fig. 4 – Hierarquia do VI implementado.
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Fig. 5 – Diagrama do VI implementado.
Realizada esta aplicação que iria ser lançada sempre que um equipamento iniciasse sozinho
um ensaio, foi decidido alterar a aplicação implementada, pela MCM , que lê 64 canais ou outro
número de canais sequenciais desde que configurado inicialmente para esta opção. A alteração
consistia em limitar o comprimento das colunas geradas a 5 caracteres numéricos, impondo-se esta
modificação devido ao facto de se eventualmente estivesse mais de um equipamento a realizar
ensaio poder-se-ia facilmente seleccionar a coluna para tratamento e verificação das condições de
ensaio. O Labview para ler uma determinada coluna necessita de conhecer o comprimento das
anteriores em caracteres, por esta razão formatei todas as colunas a 5 caracteres mais a vírgula.
Muitos dos canais do Amux 64 não estavam ligados a termopares o que fazia com que, durante a
aquisição desses canais, as leituras possuíssem valores sem qualquer significado e bastante
elevados. O VI criado para o referido efeito, encontra-se abaixo representado (Fig.6), necessitando
de uma temperatura à entrada a qual é convertida para uma representação entre 999,99 e –99,99.
Este intervalo de temperaturas é suficiente para os ensaios a realizar.
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Fig. 6 – Diagrama do VI, formata coluna para 5 caracteres numéricos.
Tendo as colunas do ficheiro formatadas, só era necessário um VI que efectuasse a leitura
das colunas desejadas. Para tal construi o VI, Leitura_fiheiro, que do ficheiro com as 64 colunas, lê
apenas as que correspondem ao equipamento em ensaio. Caso o ficheiro não exista retorna nas 8
colunas seleccionadas o valor 100. O ‘front panel’ do Leitura_ficheiro.vi ( Fig.7) e o pormenor do
diagrama caso o ficheiro existisse abertura e selecção de colunas ( Fig. 8) são mostrados a seguir.
Fig. 7 –Painel do Leitura_ficheiro.vi.
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Fig. 8 – Diagrama, pormenor do Leitura_ficheiro.vi.
Com a implementação do Leitura_ficheiro.vi ficamos com as temperaturas do nosso
equipamento em ensaio, e para este entrar em ensaio de consumo é necessário a detecção de ciclo
de termostato do equipamento. Esta detecção de ciclo foi realizada com uma ferrite que funciona
como um transformador de corrente. A aquisição deste sinal faz-se através de um canal do Amux.
Após variados ensaios obtivemos um VI, Detecta Termostato, que conseguia detectar ciclos de
termostato de equipamentos com potências iguais ou superiores a 60 W. O nível de decisão para o
nosso detector foi determinado por inspecção. Um problema que sempre afectou as aquisições de
sinal foi o ruído permanente , este ruído tem uma média nula, mas na aquisição do sinal de
termostato, este não foi eliminado, pois tinha valores de uma ordem de grandeza abaixo dos
equipamentos de menor potência. Este VI gerava um ficheiro: c:\consumos\d_term, onde escrevia o
estado do equipamento. Na figura 9 está representado o painel do VI Leitura ficheiro e na figura 10
o diagrama do mesmo VI.
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Fig. 9 – Painel, do Detecta Termostato.vi.
Fig. 10 – Diagrama, pormenor do Detecta Termostato.vi.
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Efectuada as aquisições de sinal era necessário gerar o sinal de controle e verificar se todas
as condições estavam reunidas para iniciar o ensaio de consumo. Vamos abordar a geração do sinal
de controle.
O VI que controla o relé, SCC-DO01 da placa NI, SC 2345 é activado por um sinal lógico,
que provêm de um outro VI que verifica se todas as condições de início de ensaio são verdadeiras.
Caso o sejam, é iniciado o ensaio, isto é o relé é activado o que permite o desvio da alimentação do
refrigerador por um contador de energia eléctrica, durante um período de tempo predeterminado.
Para respeitar a portabilidade tive de criar um VI que só efectuasse a leitura de um ficheiro que
correspondia ao estado do relé: 0 desligado, 1 ligado , fornecendo assim a informação quanto ao seu
estado( Fig. 11).
Fig. 11 – Diagrama, pormenor do Actualiza_Rele0.vi.
Dada a ordem de início de ensaio era necessário saber quando é que este iria concluir, esta
condicionante é imposta pela norma, o ensaio deve durar 24 horas e se o termostato está activo
continua ensaio até este desligar. Optei por gerar um VI, Inicia_ensaio_24h, onde a função do VI
era comparar o tempo actual com o tempo de fim de ensaio e verificar qual o estado do termostato.
Como este programa estaria no computador fixo tive de mapear através da rede o disco do
computador portátil como a unidade d do computador fixo. Deste modo poderia aceder ao ficheiro
que continha o estado do termostato, d_term. Este VI chama o Actualiza_Rele0, pois quem
comanda o relé é o VI anterior. Na figura 12 esta representado o painel do VI Inicia_ensaio_24h, na
figura 13 o diagrama e na figura 14 hierarquia do VI.
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Fig. 12 – Painel, do Inicia_ensaio_24h.vi.
Fig. 13 – Diagrama, pormenor do Inicia_ensaio_24h.vi.
Fig. 14 – Diagrama, hierarquia do Inicia_ensaio_24h.vi.
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A geração de sinal de controle estava concluída, faltando verificar se todas as condições
estavam reunidas para iniciar o ensaio de consumo. O VI criado para efectuar os procedimentos de
comparação de temperatura no início de ciclo de termostato, de verificação de intervalo de
temperaturas e de chamamento do programa Inicia_ensaio_24h, foi o mais complexo, devido à
necessidade da realização de operações sequenciais. Este VI, Teste_0,5C_Arca_alt2, vai ser
representado, em varias figuras devido a sua grande dimensão. Na figura 15 temos o painel, onde o
operador selecciona os canais a ler através das colunas 1 a 8, no output array as temperaturas dos
termopares seleccionados no último ciclo de termostato (OFF-ON), no array x+y a diferença de
temperatura entre ciclos de termostato, na condição de ensaio temos a informação de ‘Ensaio a
decorrer’ ou ‘Ensaio efectuado’ e na ‘ character string’ a informação do estado do equipamento,
ligado ou desligado. O programa quando lançado só corre uma vez, ficando no final a janela aberta
com as informações, a data de início e data de fim. O nome deste VI resulta das varias alterações
que se foram realizadas ao longo do estágio.
Fig. 15 – Painel Teste_0,5C_Arca_alt2.vi.
Na figura 16 temos o pormenor para o início de ensaio, ou seja a condição da iniciação do
programa apenas se este não tiver corrido nenhuma vez, e as respectivas implementações para a
detecção de ciclo ascendente de termostato.
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Fig. 16 – Diagrama, pormenor Teste_0,5C_Arca_alt2.vi.
Fig. 17 – Diagrama, pormenor Teste_0,5C_Arca_alt2.vi.
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A figura 17, representa o pormenor da aquisição dos canais seleccionados, usando o VI
Leitura_ficheiro. A aquisição de temperatura é passada para a sequência seguinte. Na sequência 1
(Fig. 18) lêem-se as temperaturas do ciclo anterior, que vão ser usadas na sequência 2 para cálculo
da diferença entre ciclos de termostato.
Fig. 18 – Diagrama, pormenor Teste_0,5C_Arca_alt2.vi.
Nas sequências seguintes efectuam-se as comparações das temperaturas com os valores
estabelecidos pela norma.
Fig. 19 – Diagrama, pormenor Teste_0,5C_Arca_alt2.vi.
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Finalmente temos todas as condições da norma implementadas, devendo agora lançar o programa
durante 24 horas ou seja 86400 segundos, e impor condições para o programa não se reiniciar (Fig.
20).
Fig. 20 – Diagrama, pormenor Teste_0,5C_Arca_alt2.vi.
O diagrama hierárquico, (Fig.21), representa toda a estrutura e todos os VI’s criados e alterados,
para realização das tarefas requeridas.
Fig. 21 – Diagrama hierárquico do Teste_0,5C_Arca_alt2.vi.
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Toda a estrutura em Labview implementada está descrita atrás, agora segue-se a fase de
implementação física de todas as placas da NI. O Amux 64 T já estava instalado só houve a
necessidade de ligar a um canal do Amux o sinal proveniente do auto-transformador. No
computador portátil temos a aquisição de temperatura e o detector de termostato. A figura 22 é uma
fotografia do relé de potência instalado juntamente com a ferrite colocada no circuito de
alimentação do equipamento e um contador de energia eléctrica.
Fig. 22 – Sistema de comutação de alimentação implementado e detector de corrente.
No computador fixo colocou-se uma placa da NI, que controla relés até uma tensão de 24V
DC e uma corrente de 25 mA, mas como estes valores não são suficientes para os equipamentos em
ensaio coloca-se o relé da placa a alimentar um relé de potência que comuta 230V até 10 A. O relé
da placa tinha de ter alimentação exterior para a fornecer ao relé de potência, colocando-se para tal
uma fonte de alimentação de corrente contínua aos terminais do relé da placa. A tensão aplicada ao
relé da placa fixou-se no valor da tensão de alimentação do relé de potência, 12 V. A figura 23
representa 3 relés da placa NI, sendo o relé que está a ser alimentado o que apresenta um led verde
acesso, que indica o decorrer do ensaio nesse relé.
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Fig. 23 – Relê SCC-DO01. Vê-se que o primeiro relé está activo.
A implementação física dos equipamentos está efectuada, sendo agora necessário realizar um ensaio
para verificar se as aplicações desenvolvidas interagem do modo esperado e realizam todas as
tarefas programadas de modo estruturado.
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VALIDAÇÃO:
A validação foi efectuada numa arca frigorífica usando um ensaio de simulação (Fig. 24). A
única diferença entre este ensaio e um ensaio real é o facto de neste a arca não estar carregada com
o material requerido pela norma, mas este pormenor só condiciona o tempo de estabilização das
temperaturas. A arca tinha sido ligada alguns dias antes do ensaio, estando as temperaturas
estabilizadas, o que permitiu a iniciação da aplicação, entrando esta em ensaio de consumo. O
ensaio decorreu durante o período previsto, precisamente 24 horas. No final do ensaio de simulação
registou-se o valor indicado no contador de energia e fez-se a diferença com o valor inicial deste. O
consumo registado era inferior ao do seu ensaio real, cujo valor já era conhecido, o que era esperado
pois a arca realizou o ensaio sem carga alguma.
Fig. 24 – Arca em ensaio.
Para além da simulação do ensaio normal, efectuei simulação de possíveis situações, tais
como: temperaturas fora de intervalo, vários ciclos de termostato num ensaio e duração de mais de
24 horas de ensaio. Apesar das variáveis, o programa reagiu do modo aguardado.
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CONCLUSÕES:
Tomando em consideração que todo o processo descrito até agora, foi estruturado de modo a
serem atingidos os requisitos do IEP e estando este estágio associado a cadeira de Projecto
Seminário Trabalho de final de curso, havia a necessidade de satisfazer os objectivos de ambos.
Quanto aos requisitos do IEP, de criação de uma aplicação portável e flexível, estes foram
totalmente cumpridos. A informação circula através da rede e em qualquer ponto desta é possível
realizar qualquer das aplicações desenvolvidas. Houve a libertação de recursos humanos como
consequência da automatização do processo, pois deixou de ser necessária a presença de um técnico
para controlar o ensaio durante a sua duração, para além do facto de, em consequência de tudo isto,
resultar na melhor e mais eficaz rentabilização dos recursos do IEP.
Os objectivos da cadeira de Projecto Seminário Trabalho de fim de curso também foram atingidos,
já que inicialmente houve a necessidade de planear todo o trabalho a desenvolver, tendo em conta
os recursos disponíveis e os prazos para realização do trabalho. A possibilidade de alteração das
aplicações desenvolvidas permitem a reutilização de todo o trabalho efectuado. E mais importante
de tudo, foi o facto da realização deste trabalho permitir-me a aproximação à realidade prática do
exercício da engenharia, com todas as suas dificuldades e realizações.
Gostaria de agradecer em especial ao professor catedrático da FEUP, Almeida do Vale e ao
Engenheiro José Barranha do IEP. Não posso esquecer todo o pessoal do IEP, em particular o
Engenheiro Esaú Cardoso e a técnica Manuela Mota, e o meu colega de estágio José Miguel.
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BIBLIOGRAFIA:
1. National Instruments, “ G Programming Reference Manual”, January 1998.
2. National Instruments, “ Data Acquisition”, January 1998.
3. National Instruments, “ The measurement and Automation, catalog 2001”, January 2001.
4. National Instruments, “ Quick Start Guide”, February 2001.
5. Manuela Mota, “ Ensaio de Medição de Consumo de Energia Eléctrica”, IEP.