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Sistemas de adquisición de datos

¿Porqué utilizar Sistemas de Adquisición de Datos (DAQ) Multifunción?

Los registradores de datos (DAQ) se utilizan para registrar, visualizar y almacenar medidas físicas. En la actualidad, hay disponibles muchos tipos de registradores de datos en el mercado tales como tarjetas PCI insertables a ordenador, hardware externo conectable a PC vía USB o Ethernet y registradores compactos con pantalla. Estos últimos ofrecen una solución completa y portable incluyendo el hardware de adquisición de datos, un PC interno y una pantalla para configurar el instrumento y visualizar datos y gráficas.

Los osciloscopios (DSOs) permiten también el registro de datos, pero en casos muy específicos.

Bases de la adquisición de datos.

La adquisición de datos es el proceso de medir y registrar fenómenos físicos tales como Temperatura, Fuerza (incluyendo Presión y Extensiometría), caudal y mucho más. El primer paso es convertir el fenómeno físico a una señal eléctrica tal como tensión o corriente (p.e. 0-10V o 4-20mA). Esto se consigue con un sensor, transductor o convertidor de señal, el cual amplifica, atenúa, lineariza, aisla o filtra la salida del Transductor en V (Voltios) o I (mA).

No obstante, es también habitual la monitorización y registro de señales eléctricas directas sin ningún tipo de acondicionamiento de señal previo. Esto es muy habitual en magnitudes tales como Tª (TC o Pt100), Vdc o de “Calidad Eléctrica” (PQ), esta última a partir de Tensiones e Intensidades senoidales conectadas directamente al registrador.

Para convertir la señal eléctrica analógica medida a un valor digital, los registradores utilizan convertidores analógico/digitales (ADCs). Para señales periódicas, la velocidad de muestreo y el número de bits del ADC determina la máxima frecuencia de la señal que el registrador es capaz de registrar, así como la resolución (bits) del dato registrado. Para graficar digitalmente una señal analógica, el teorema de Nyquist’s indica que la velocidad de muestreo debe ser al menos dos veces más rápida que la frecuencia de la señal registrada. Sin embargo, una perfecta reconstrucción de la forma de onda de la señal, generalmente requiere velocidades de muestreo de al menos 5 o 10 veces mayor que la frecuencia de la señal registrada.

La resolución de la medida indica la cantidad de información o nº de dígitos del dato. En general, más bits permiten detectar cambios más pequeños de la señal. En los ADCs actuales es habitual resoluciones de 12 o 16 bits. Un ADC de 12 bits determina que el cambio más pequeño detectable en la señal, corresponde a dividir el rango de medida utilizado entre 212. Para un rango de 0-10V, el mínimo cambio detectado en la señal de entrada de 12 bits es 2.44 mV.

Una vez convertido el dato a formato digital, el DAQ es capaz de visualizar y almacenar los datos en su memoria, los cuales pueden ser después procesados por un microcontrolador o FPGA para aplicar en los canales operaciones matemáticas, filtros, cambio de unidades de la magnitud física medida etc…

¿Osciloscopio (DOS)o Sistema de Adquisición de Datos (DAQ)?

Los osciloscopios digitales y sistemas de adquisición son similares en su funcionamiento. Ambos son instrumentos versátiles que capturan y visualizan señales variables en el tiempo. Además, los dos incluyen herramientas de análisis de señales y capacidad de registro de datos. Sin embargo, varían en las velocidades de muestreo, opciones de acondicionamiento de señal y capacidad de almacenamiento. Como tales, ambos se utilizan para aplicaciones diferentes.

Las altas velocidades de muestreo del DSO (típicamente de GHz) lo hace ideal para analizar señales de alta frecuencia o transitorios rápidos, pudiendo registrarlas en espacios de tiempo muy cortos. Por contra, los DAQ disponen de mayores profundidades de memoria y una gran variedad de opciones de acondicionamiento de señal. Es por ello que los DAQ son capaces de registrar cualquier tipo de señal tanto estática (lenta) como dinámica (rápida) durante largos periodos de tiempo. También suelen tener mayor resolución del dato, pero con menores velocidades de muestreo que el DSO.

Además, los DAQ disponen de más canales. Estos canales suelen ser universales, es decir, cada uno es configurable para la medida de diferentes magnitudes tales como V, I, Tª TC, Tª Pt100, Frecuencia, señales de Procesos etc. así como salidas de alarma. Cuando un DSO equipa de 2 a 12 canales, los DAQ pueden equipar hasta 200.

Y por último, ambos instrumentos ofrecen la posibilidad de monitorizar y registrar entradas digitales físicas (0/1), para ver el estado de  conmutación de dispositivos externos o ejecutar disparos mediante Trigger.

¿Porqué utilizar Sistemas de Adquisición de Datos portables y con batería?

Los DAQ de mano “Multifunción” tienen muchas ventajas con respecto a otros sistemas DAQ convencionales; mayores memorias de registro, pantalla para visualización de gráficas incorporada, herramientas de análisis “Post-Registro”, funcionamiento con batería Li-Ion … Todo ello de forma autónoma sin conectar a PC , y permitiendo al mismo tiempo el acceso inalámbrico remoto a los datos y configuración del instrumento. Todo ello hace de los DAQ una herramienta muy útil para gran variedad de aplicaciones tales como “Mantenimiento en Planta” o, en general, adquisición de señales “En Campo”.

Los DAQ disponen de un software interno (Firmware) para la configuración de las medidas de los diferentes canales o para visualizar y analizar datos en tiempo real o “Post-Registro”. No se necesita ninguna programación. La configuración de los canales es sencilla con diferentes tipos de medida y escalado de datos predefinidos (cambio de unidades de medida) para sensores o convertidores de señal. La visualización y análisis de datos es directa desde la propia pantalla del instrumento.

Algunos registradores permiten también ser utilizados como “Analizadores de Calidad Eléctrica” (PQ), eliminando la necesidad de adquisición de varios instrumentos con el consiguiente sobrecosto.

En todos los casos, el volcado de las señales registradas se puede hacer en diferentes formatos incluido EXCEL (.xls) o TEXTO (.txt) para la generación de informes a través de “Macros” o “Plantillas”preconfiguradas por el usuario.

Cómo seleccionar su registrador.

Antes de seleccionar el DAQ, es importante asegurarse de las necesidades de medida actuales y a futuro. Esto incluye nº de canales, máxima velocidad de muestreo por canal, tipo de señales a registrar, modo de registro de datos y longitudes máximas de registro a utilizar (memoria). Además puede ser importante para el usuario la sincronización de la base de tiempos vía NTP o la adquisición de buses de datos tipo CAN o LIN. No hay que olvidar la importancia de la sencillez de uso del instrumento, características del software que incluye y el soporte del fabricante ante cualquier eventualidad que pudiera surgir.

La velocidad de muestreo se selecciona en base al tipo de señal que se va a registrar. Como ejemplo, señales ambientales de Temperatura y Humedad que son estáticas (lentas), han de registrarse a bajas velocidades de muestreo del orden de cada minuto o cada pocos segundos. Por contra, señales periódicas o dinámicas tipo senoide o cuadrada de una determinada frecuencia, necesitan altas velocidades de muestreo para poder graficarlas correctamente, del orden de Ksamples/sg o incluso Msamples/sg dependiendo de la frecuencia de la señal

Además, es importante saber cómo son registrados los datos en memoria. Existen registradores multiplexados y con convertidor A/D (Analógico/Digital) por canal.

Los DAQ multiplexados muestrean los canales de medida uno detrás de otro con un único convertidor A/D. Esta tecnología muestrea canal a canal mediante “Switch” (Relé Electromecánico o Transistor MOS) lo cual provoca un decalaje en el tiempo entre una muestra y la siguiente. Por esta razón, la velocidad de muestreo máxima por canal está limitada por el nº de canales a registrar. Como ejemplo, un registrador multiplexado con 10 canales habilitados para el registro, y velocidad de muestreo máxima de 100muestras/sg, no puede muestrear más de 10 muestras/sg en cada canal (100/10=10muestras). Es por esto que los DAQ multiplexados se utilizan para señales estáticas con longitudes de memoria de registro prácticamente ilimitadas.

En los DAQ de registro simultáneo, cada canal tiene su propio convertidor A/D, y muestrean todos los canales de forma simultánea a una velocidad de muestreo preconfigurada sin ningún decalaje. Al mismo    tiempo    los    convertidores    A/D    están sincronizados con la misma base de tiempos (fecha y hora). Esto es importante cuando se comparan señales dinámicas en una misma gráfica o base de tiempos. Los DAQ con A/D por canal pueden registrar señales estáticas (lentas) y dinámicas (rápidas), pero utilizar estos registradores rápidos muestreando a altas velocidades para señales lentas, implica una utilización de la memoria ineficiente a un alto costo.

Para aplicaciones de medida de señales estáticas y dinámicas, el DAQ utilizado ha de tener diferentes velocidades de muestreo configurables en función de la señal registrada. Esto permite registrar las señales estáticas a bajas velocidades de muestreo y las dinámicas a altas velocidades, al mismo tiempo que se optimiza la ocupación de la memoria. A menudo, los fabricantes ofrecen diferentes gamas de productos con diferentes modos de registro, velocidades de muestreo y nº de canales.

Muchos DAQs disponen de alojamientos (Slots) para insertar módulos de adquisición. Esta arquitectura modular ayuda a configurar su sistema de registro de datos con los diferentes tipos de señales a registrar en función de la tarjeta utilizada, dando una mayor versatilidad al DAQ eliminando la necesidad de acondicionamiento externo de la señal.

Para la sincronización de uno o varios registradores conectados, muchos fabricantes ofrecen estradas de sincronización de la base de tiempos, los más comunes son IRIG y GPS. El IRIG se desarrolló en 1950 como protocolo de transferencia de tiempo de precisión. Este estándar ha evolucionado durante años utilizando múltiples formatos de código de tiempo, los más habituales son los IRIG-A, B, D, E, G y H. Cuando se elige un DAQ, es muy importante que soporte el código de tiempo utilizado.

La sincronización GPS está basada en la generación de “Pulsos por Segundo” (PPS) de alta precisión procedente de Satélites GPS. Para ello se requiere de un receptor que reciba la señal de los satélites y genere la salida PPS. El beneficio de la sincronización GPS está en la posibilidad de sincronizar cualquier dispositivo ubicado en cualquier lugar donde exista cobertura satelital.

La importancia de la memoria a la hora de elegir un DAQ es primordial. Para aplicaciones que requieran pocos canales de medida a bajas velocidades de muestreo, no son necesarias grandes memorias de adquisición. Por el contrario, DAQs con alta densidad de canales muestreando a altas velocidades de muestreo, pueden llenar el Disco Duro muy rápidamente. Para medidas en campo, si el DAQ funciona en modo autónomo (modo “Standalone”), el instrumento debería tener la suficiente memoria para registrar todos los canales durante el tiempo deseado.

Linea de Productos DAQ de SEFRAM -B&K PRECISION.

Adler Instrumentos ofrece una selección completa de registradores de datos multifunción y multicanal de Sefram-B&K-Precision. Todos los DAQ de la marca disponen del software interno con actualizaciones gratuitas sin límite.

La Serie DAS200 es el de formato más pequeño y portable de todos los DAQ de Sefram-B&K con tecnología multiplexada. El DAS220 y DAS240 de la serie, pueden trabajar a una velocidad de muestreo máxima de 1000 muestras/sg con 10 y 20 canales de medida respectivamente. Además, el DAS240 de puede ampliar a hasta 200 canales añadiendo terminales de entrada de 20 canales en cascada. Ambos modelos equipan canales Universales y una batería que puede durar hasta 15 horas de funcionamiento ininterrumpido. Esta serie es la más indicada para el registro y monitorización de señales de Procesos en la industria, o el registro de temperaturas de Termopar o Termoresistencia.

La serie DAS/30/50/60 son DAQs rápidos multifunción, con convertidor A/D por canal y velocidades de muestreo de hasta 1 Mmuestra/sg/canal   y   hasta   6   canales   de medida. El registro simultáneo en todos los canales, hacen de estos DAQs la mejor solución para aplicaciones de mantenimiento y análisis de fallos, análisis de calidad eléctrica PQ y testeo de motores eléctricos. Opcionalmente, pueden incorporar impresora con papel térmico de 110mm de ancho.

El DAS1700 es un registrador rápido multifunción que ofrece velocidades de muestreo de hasta 1Mmuestra/sg/canal, medida de hasta 72 canales, resoluciones de 14 o 16bits y disco duro de hasta 2TB. Equipa tres slots para conectar 4 tipos de tarjeta diferentes, consiguiendo una versatilidad tal que puede utilizarse para cualquier tipo de aplicación de registro.

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