Introducción Los sistemas de adquisición de datos
nos ayudan a medir información presentada en forma digital
o analógica. Las señales digitales pueden venir de
una variedad de fuentes tales como: interruptores, relevadores,
interfaces compatibles con niveles TTL, etc. Con la interfase
apropiada se pueden directamente por la computadora Las
señales analógicas vienen de diferentes
instrumentos, sensores o transductores que convierten
energía en forma de presión, posición o
temperatura envoltaje
Introducción (cont) Las señales analógicas
no pueden procesarse directamente en una computadora, deben
convertirse primero a un número digital. A este proceso se
le llama Conversión Analógica Digital (CAD) El
proceso complementario, Conversión de Digital a
Analógico (CDA), cambia datos digitales en señales
de voltaje o corriente Ambos procesos permiten la medición
y el control computarizado deprocesos industriales y experimentos
de laboratorio
Transductores y Actuadores Los Transductores convierten
temperatura, presión, nivel, longitud, posición
etc. en voltaje, corriente, frecuencia, pulsos u otras
señales Los Actuadores son dispositivos que activan
procesos de control de equipo por medio de neumática,
hidráulica, energía eléctrica, etc.
Acondicionamiento de Señal Los circuitos de
acondicionamiento de señales mejoran la calidad de la
señal generada por el transductor antes de que sean
convertidas a señales digitales (CAD) Algunos ejemplos de
acondicionamiento de señal son: Escalamiento,
amplificación, linealización, compensación
de unión fría, filtrado, atenuación,
excitación, etc.
Entradas Analógicas Las entradas analógicas se
convierten en señales digitales en el CAD. La exactitud de
la conversión depende de la resolución y linealidad
del convertidor El error de ganancia y de desbalance
también afectan la exactitud de la medición Un
convertidor ideal tiene una alinealidad de ½ LSB
Diferenciales/Sencilla En una entrada sencilla se mide el voltaje
entre el canal de entrada y la tierra analógica. Cada
canal pude utilizarse para diferentes dispositivos. El
dispositivo debe entregar una señal con referencia a la
tierra analógica En una entrada diferencial se puede medir
el voltaje entre dos terminales, esto requiere de dos canales de
entrada por dispositivo pero tiene la ventaja que puede medir
dispositivos que no pueden referenciarse a la tierra
analógica y cancelan el ruido del modo común
Amplificador de Entrada En algunos casos se requiere de un
amplificador a la entrada. Estos amplificadores nos sirven para
reforzar (buffer) la señal de entrada y darle ganancia
Normalmente la ganancia para cada canal de entrada esta calculada
para que la señal de entrada utilice el máximo
alcance del CAD. Esto ocasiona que el alcance efectivo a la
entrada sea más fino
Aislamiento Otro acondicionamiento útil es aislar el
transductor de la computadora por razones de seguridad. El equipo
que se monitorea puede manejar altos voltajes que podrían
dañar el sistema Otra razón para aislar
eléctricamente, es asegurar que las lecturas del
transductor no se vean afectadas por las diferencias de potencial
de las tierras
Multicanalizado/Número de Canales Una técnica muy
utilizada para medir varias señales con un solo
dispositivo de medición es la multicanalización.
Esto se utiliza normalmente en señales que no cambian
rápidamente El CAD convierte un canal cuando termina
convierte el siguiente y así sucesivamente hasta terminar
con todos los canales Esto hace que al velocidad efectiva de
conversión dependa del número de canales que se
están muestreando
Filtrado El propósito de filtrar es eliminar
señales no deseadas de la señal que se trata de
medir Un filtro de ruido se utiliza normalmente en señales
de DC, tales como temperatura para atenuar señales de alta
frecuencia Señales de AC, tales como vibración,
requieren de otro tipo de filtrado, conocido como antialiasing.
Este es también un filtro pasa bajas, pero en este caso se
requiere de un corte bastante pronunciado. Si no se eliminan
estas señales, aparecerán repetidas
erróneamente
Excitación El acondicionamiento también puede
incluir excitación para algunos transductores. Galgas
extensiométricos (strain gauges), termistores y RTDs por
ejemplo requieren de voltaje o corrientes externas Las mediciones
con RTD, por ejemplo, requieren una fuente de corriente para
convertir las variaciones de resistencia en variaciones de
voltaje Las galgas extensiométricos, que son usualmente de
resistencias bajas, utilizan un puente de Wheatstone con
excitación de voltaje
Linealización Muchos sensores, los termopares entre otros,
tienen una respuesta no lineal por lo que se requiere de un
procesado para linealizar y hacer mas fácil de manejar su
medición Existen diferentes métodos para linelizar
la respuesta de un sensor, desde utilizar circuitería
(hardware) como por ejemplo conectar redes de resistencias, hasta
utilizar programación (software) para procesar los datos y
aplicarles algún algoritmo
Señales de Voltaje La señal de interfase mas
utilizada es, sin lugar a dudas, la señal de voltaje.
Termopares, galgas, medidores de presión producen una
señal de voltaje. Los sistemas de adquisición
usualmente son capaces de manejar directamente entradas de bajo
voltaje. Por bajo voltaje nos referimos a señales de unos
cuantos milivolts Existen 3 aspectos que importantes que deben de
ser considerados: Amplitud, Frecuencia y Duración
Alta Impedancia de Entrada Ciertos tipos de transductores tienen
una impedancia de salida muy alta y no son capaces de entregar la
corriente suficiente para alimentar una entrada
“normal” de voltaje Si estos transductores se
conectan directamente a una entrada “normal” la
señal entregada se vera distorsionada, Ejemplos de estos
sensores son: medidores de pH y concentración de gas. Por
tanto requieren sistemas de medición con alta impedancia
de entrada
Señales de Corriente La corriente se utiliza para
transmitir señales principalmente en ambientes ruidosos,
porque se ve menos afectada por estos ruidos Las escala completa
más utilizada (industrialmente) es de 4 a 20 mA o 0 a 20
mA La escala de 4 a 20 mA tiene la ventaja de que aun cuando la
señal este en su nivel mínimo se debe detectar al
menos un flujo de corriente. La ausencia de este flujo de
corriente nos indica un problema en al conexión.
Usualmente antes del CAD se convierte a voltaje
Señales de Potencia En algunos casos se requiere
monitorear señales de la energía eléctrica
de alto voltaje (117, 220, 1kV, etc.). Esto se hace por medio de
puentes divisores de voltaje Como la señal de estas
fuentes de energía suele ser de AC, un acondicionador de
señal que nos entregue una señal de DC proporcional
a la media cuadrática de la amplitud es muy
útil
Termopares Los termopares nos proporcionan una señal de
bajo voltaje, típicamente unos cuantos milivolts La
relación entre temperatura y voltaje es no lineal El
voltaje depende de: La diferencia de temperaturas entre la
unión del termopar mismo y el punto donde el alambre del
termopar termina (cold junction) La temperatura de la
unión fría (cold junction)
Resistencia Las mediciones de resistencia se hacen a
través de hacer circular una corriente eléctrica
por el sensor. La corriente fluye en la resistencia desconocida
generando un voltaje proporcional al valor de esta Cuando el
valor de la resistencia es pequeño, la resistencia de los
alambres utilizados para hacer la medición pueden ser una
fuente significativa de error
Puente de Galgas Extensiométricos La medición de
Galgas Extensiométricos (Strain Gauges) es un caso
especial de medición de resistencia. Se requiere utilizar
un puente de Wheatstone para medir la galga, la cual varia su
resistencia cuando se le aplica una fuerza La medición en
el puentes se ve afectada por los cambios en el voltaje de
excitación. Para mediciones de larga duración,
donde el valor de los componentes puede variar con el tiempo o
con los cambios de temperatura, se requiere de calibraciones
periódicas
Excitación Muchos transductores requieren de fuente de
alimentación. La señal de estos transductores puede
ser voltaje o corriente. Muchos se alimentan con voltajes de DC
pequeños (5 v, 12v) Algunos sistemas de adquisición
de datos tiene integradas fuentes de alimentación para
estos tipos de sensores
Transductores de Desplazamiento Lineal Variable (LVDT: Linear
Variable Displacement Transducers) Los LVDT normalmente utilizan
excitación de AC y por tanto entregan una señal
también en AC. Estos transductores requieren de un
oscilador y de un circuito demodulador Sin embargo también
se pueden encontrar LVDT que se energicen con DC, estos circuitos
tienen integrados en el transductor el oscilador y el
demodulador, entregando una señal de DC a la salida
Resolución/Alcance (Range) La resolución es el
número de niveles utilizados para representar el alcance
de la entrada analógica. Un convertidor de 14 bits pude
diferenciar entre 16,384 niveles de entradas El Alcance en un
sistema de adquisición de datos se refiere al valor
mínimo y máximo de niveles de voltaje de DC que
pueden medir
Tiempo de Estabilización Cuando uno de los canales de
entrada es seleccionado para ser convertido a digital, se
requiere de esperar un tiempo para que los circuitos internos
(capacitarse, resistencias, bobinas) alcancen los niveles finales
Este tiempo de espera es necesario pues de lo contrario se
podrían obtener mediciones erróneas. Al mismo
tiempo la máxima frecuencia con la que se pude operar es
(entre otras cosas) inversamente proporcional a este tiempo de
espera
Niveles de Ruido A los valores de voltaje que aparecen en la
señal digitizada diferentes de la señal real, se le
llama ruido Para evitar este problema existen muchas y muy
variadas técnicas de aterrizaje y blindaje
Salidas Analógicas Lo contrario a la CAD es la CDA. Estos
dispositivos convierten información digital a voltaje o
corriente. Estos dispositivos son necesarios para controlar
eventos del mundo real Las salidas analógicas pueden
controlar directamente procesos o equipos. El proceso a su vez
puede entregar una señal analógica que se puede
conectar a las entrada analógicas del sistema de
adquisición Esto se conoce como control de lazo
cerrado
Tiempo de Estabilización Al igual que en los CAD, el
tiempo de estabilización es el requerido para tener a la
salida el nivel de voltaje deseado Este tiempo usualmente se
especifica con respecto a la escala completa Esto se hace
así por ser el caso extremo en cuanto a cambio de nivel,
sin embargo es importante considerarlo para asegurar una
señal de calidad a la salida
Razón de Cambio (Slew Rate) Este parámetro nos da
la máxima razón de cambio que el CDA puede generar
El Tiempo de estabilización y el Slew Rate juntos
determinan que tan rápido puede trabajar el CDA Un ejemplo
de aplicación que requiere de un alto rendimiento en este
parámetro son las señales de audio. El CDA requiere
de alto Slew Rate y bajo tiempo de estabilización para
generar ondas de frecuencia alta (audio)
Resolución de Salida La resolución de salida de un
sistema de adquisición es similar a la resolución
de entrada Es el número de bits en el código
digital que genera la salida analógica Un número
grande de bits reduce la magnitud de cada incremento en voltaje,
logrando así que se puedan efectuar cambios suaves en las
señales de salida
Entradas/Salidas Digitales Las entradas y salidas digitales son
utilizadas normalmente para controlar procesos, generar patrones
de prueba y comunicarse con equipo periférico En cualquier
caso los parámetros importantes es el número de
entradas o salidas digitales disponibles, la velocidad con que se
pueden medir/cambiar y la capacidad de manejo en amperes
Codificadores (Encoder) Los codificadores se utilizan
principalmente para monitorear posición y desplazamiento
angular o lineal La salida de un codificador puede servir a la
entrada de un contador Para poder detectar cambios de
posición en los dos sentidos se utilizan dos
señales desfasadas 90? entre ellas. Una tercer
señal puede generar un pulso de sincronía
Contadores/Temporizadores Los pulsos digitales pueden ser
contados para medir su frecuencia. O el tiempo entre pulsos puede
ser medido para determinar su periodo En las aplicaciones mas
comunes el principal problema es perder un pulso cuando se
están contando Usualmente cuando se lee un contador se
reinicializa (reset)
Velocidad Efectiva (Throughput) Aun cuando algunos
parámetros nos den idea de la máxima velocidad a la
que se pueden operar el CAD o el CDA, este parámetro es el
que esta relacionado con mediciones reales Este valor es
importante pues es el que nos ayuda a determinar cual va a ser la
frecuencia máxima que podamos medir, de acuerdo a
Nyquist
Modo “Burst” Cuando se tienen señales
multicanalizadas y un solo CAD, se miden las señales una a
la vez, esto ocasiona que las mediciones de diferentes sensores
ocurran en tiempos distintos ocasionando problemas en la
interpretación de los datos Algunos sistemas de
adquisición cuentan con el modo Burst (muestro
seudo-simultaneo) en el cual se tratan de tomar todas las
medicines lo mas cercanas entre ellas para que sea lo mas cercano
a la medición simultanea
Disparo de Circuitería (Hardware Triggering) Para dar
inicio a una medición (CDA, CAD, Temporizador, contador,
etc.) se cuentan con generadores de frecuencia internos al
sistema, pero en algunos casos es necesario sincronizarlos con
eventos externos En algunos casos esto ayuda a reducir el
número de mediciones que se requieren en otros casos es la
única forma de obtener la información
Métodos de Transferencia de Datos Finalmente una vez que
se obtienen las mediciones es necesario transferirlas a
algún lugar, ya sea para su almacenamiento o para su
procesado Normalmente se cuentan con dos métodos Consulta
por interrupción Acceso Directo a Memoria (DMA)
Calibración Analógica Para mantener
precisión los convertidores AD y DA requieren de
calibraciones periódicas. Esto ayuda a compensar la
tendencia en los circuitos analógicos de cambiar sus
características con el tiempo Históricamente se han
utilizado los potenciómetros que permiten manualmente
calibrar los sistemas Una mejor opción son los CDA
utilizados para digitalmente efectuar la calibración. Los
valores de calibración se almacenan luego en memoria no
volátil