Sistemas de Adquisición de Datos
Oscar R. López Bonilla Todos Los Derechos Reservados
IntroducciónLos 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 AnalógicasLas 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/SencillaEn 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 EntradaEn 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
AislamientoOtro 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 CanalesUna 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
FiltradoEl 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
ExcitaciónEl 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
LinealizaciónMuchos 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 VoltajeLa 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 EntradaCiertos 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 CorrienteLa 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 PotenciaEn 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
TermoparesLos 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)
ResistenciaLas 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 ExtensiométricosLa 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
ExcitaciónMuchos 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 EstabilizaciónCuando 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 RuidoA 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 AnalógicasLo 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 EstabilizaciónAl 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 SalidaLa 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 DigitalesLas 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/TemporizadoresLos 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 DatosFinalmente 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 AnalógicaPara 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