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