Guía de acondicionamiento de señales para ingenieros

Transcripción

1 Guía de acondicionamiento de señales para ingenieros Información general Muchas aplicaciones implican medidas ambientales o estructurales mediante sensores, como es el caso de la temperatura y las vibraciones. Estos sensores, a su vez, requieren el acondicionamiento de las señales antes de que un dispositivo de adquisición de datos pueda medir con eficacia y precisión la señal. El acondicionamiento de señal es uno de los componentes más importantes de un sistema de adquisición de datos; ya que, sin la optimización de las señales del mundo real para el digitalizador que se esté utilizando, no se puede confiar en la exactitud de la medida. Las necesidades de acondicionamiento de las señales varían ampliamente dependiendo de la funcionalidad del sensor, por lo que ningún instrumento puede proporcionar todo tipo de acondicionamiento para todos los sensores. Por ejemplo, los termopares producen señales de muy baja tensión, lo cual requiere linealización, amplificación y filtrado, mientras que las galgas extensiométricas y acelerómetros necesitan excitación. Otras señales pueden no necesitar ninguna de ellas, sino que se basan en gran medida en el aislamiento de alta tensión. La clave para lograr un exitoso sistema de acondicionamiento de señales es entender los circuitos que son necesarios para garantizar una medida precisa cualquiera que sea la combinación de canales. Este documento cubre las necesidades específicas de acondicionamiento necesarias para los tipos de sensores más comunes y examina las consideraciones clave para el desarrollo y mantenimiento de un sistema de medida acondicionado. ni.com/compactdaq

2 2 Guía de acondicionamiento de señales para Fundamentos del acondicionamiento de señales La mayoría de las señales requieren alguna forma de preparación antes de que puedan ser digitalizadas. Las señales de un termopar proporcionan unos niveles muy pequeños de tensión que deben ser amplificados antes de la digitalización. Otros sensores, tales como detectores de temperatura mediante resistencias (RTD), termistores, galgas extensiométricas y acelerómetros, requieren una excitación para poder funcionar. Todas estas tecnologías que requieren un trabajo de preparación conllevan un acondicionamiento de la señal. La siguiente lista ofrece tipos comunes de acondicionamiento de señales, sus funcionalidades, y ejemplos de cuando se necesitan, con el fin de servir de ayuda para evaluar las opciones de acondicionamiento de señales. Amplificación Los amplificadores incrementan el nivel de tensión para lograr una mejor adaptación al rango del convertidor analógico-digital (ADC), incrementando así la resolución de la medida y la sensibilidad. Además, la localización de los acondicionadores de señal externos más cerca de la fuente de la señal o del transductor, mejora la relación de la señal con respecto al ruido de la medida, mediante el incremento del nivel de la tensión antes de que se vea afectada por el ruido ambiental. Los sensores típicos que requieren de amplificación son los termopares y los medidores de deformaciones. Atenuación La atenuación, que es lo contrario que la amplificación, se necesita cuando las tensiones que se van a digitalizar están fuera del rango del ADC. Esta forma de acondicionamiento de la señal disminuye la amplitud de la señal de entrada de modo que la señal acondicionada quede dentro del rango de tensión del ADC. La atenuación es típicamente necesaria cuando se miden tensiones de más de 10 V. Filtrado Los filtros rechazan el ruido no deseado dentro de un determinado rango de frecuencias. A menudo, los filtros paso-bajo se utilizan para bloquear el ruido de las medidas eléctricas, tales como el procedente de los 50/60 Hz de la red eléctrica. Otro uso común del filtrado es evitar el aliasing de las señales de alta frecuencia. Esto se puede hacer mediante el uso de un filtro anti-aliasing que atenúan las señales por encima de la frecuencia de Nyquist. Los filtros anti-alias son un tipo de filtro paso-bajo que se caracteriza por tener una banda de paso plana y una caída rápida. Debido a que las medidas de los acelerómetros y de los micrófonos se analizan comúnmente en el dominio de la frecuencia, los filtros anti-aliasing son ideales para aplicaciones de sonido y vibración. Aislamiento Señales de tensión que están bastante fuera del rango del digitalizador pueden dañar al sistema de medida y al operador. Por esa razón, se requiere generalmente el aislamiento junto con la atenuación para proteger al sistema y al usuario de las tensiones peligrosas o de los picos de tensión. El aislamiento también puede ser necesario cuando el sensor está en un plano de tierra diferente del sensor de medida, tal como ocurre con un termopar montado en un motor. TOC ni.com/compactdaq 2

3 R 1 R 2 V EX + R 4 V CH + R 3 Excitación Se requiere una excitación en muchos tipos de transductores. Por ejemplo, las galgas extensiométricas, los acelerómetros, los termistores y las RTDs requieren tensiones externas o corriente de excitación. Las medidas de RTDs y de termistores se hacen con una fuente de corriente que convierte la variación de la resistencia en una tensión medible. Los acelerómetros tienen a menudo un amplificador integrado, que requiere una corriente de excitación proporcionada por el dispositivo de medida. Las galgas extensiométricas, que son dispositivos de muy baja resistencia, se utilizan típicamente en una configuración de puente de Wheatstone con una fuente de excitación de tensión. Figura 1. Excitación suministrada a un puente de Wheatstone Linealización La linealización es necesaria cuando los sensores producen señales de tensión que no están linealmente relacionados con las medidas físicas. La linealización, que consiste en el proceso de interpretación de la señal del sensor, se puede implementar mediante el acondicionamiento de la señal o por medio de software. Un termopar es el clásico ejemplo de un sensor que requiere linealización. Compensación de la unión fría Para obtener medidas precisas del termopar se requiere la compensación de la unión fría (CJC: Cold-Junction Compensation). Los termopares miden la temperatura como la diferencia de tensión entre dos metales diferentes. En base a este concepto, se genera otra tensión en la conexión entre el termopar y el terminal de un dispositivo de adquisición de datos. La compensación de la unión fría mejora la precisión de la medida proporcionando la temperatura de esta unióny aplicando la corrección apropiada. V EX R 1 + R 2 Acondicionador de señales + EXC + R G IN + IN R G EXC de galgas extensiométricas Terminación del puente El puente completo se necesita para que los sensores en montaje de cuarto o mitad de puente formen un puente de Wheatstone de cuatro resistencias. Los acondicionadores de señal de las galgas extensiométricas suelen proporcionar redes de terminación de medio puente que constan de resistencias de alta precisión. Las resistencias de terminación ofrecen una referencia de tensión para detectar pequeños cambios de tensión mediante el sensor o sensores activos. Figura 2. Conexión de un circuito de galgas extensiométricas de medio puente Método de muestreo La multiplexación puede enrutar secuencialmente una serie de señales a un solo digitalizador, logrando así una manera rentable de ampliar en gran medida el número de señales de un sistema. Cuando resulta crítica la medida de dos o más señales en el mismo instante, como en el caso de la caracterización de una estructura, se recomienda el muestreo simultáneo. TOC ni.com/compactdaq 3

4 Acondicionamiento de señales de sensores específicos La comprensión de las necesidades de acondicionamiento de las señales para cada tipo de medida es de suma importancia para lograr las mejores medidas. En base a los sensores que se requieren para llevar a cabo una aplicación, se deben tener en cuenta ciertos tipos de acondicionamiento de señal para garantizar las mejores medidas posibles. La Tabla 1 presenta un resumen de los tipos de acondicionamiento de señales para los diferentes sensores y medidas. Amplificación Atenuación Aislamiento Filtrado Excitación Linealización CJC Terminación del puente Termopar Termistor RTD Galga extensiométrica Carga, presión, par de torsión Acelerómetro Micrófono LVDT/RVDT Alta tensión 3 3 Tabla 1. Requisitos exclusivos de las medidas basadas en sensores Grados Celsius Error de offset Figura 3. La función de auto-cero compensa el error de offset del dispositivo de medida. Sensores de temperatura Los sensores más comunes que se utilizan para medir la temperatura son los termopares, RTDs y termistores. Estos sensores normalmente proporcionan una tensión de salida de bajo nivel dentro del rango de los milivoltios. La salida de estos sensores es demasiado baja para que los dispositivos de medida con un gran rango de entrada puedan medir con precisión. Por ejemplo, un rango de señal típica de un termopar es de ± 80 mv. Si se dispone de un digitalizador de 16 bits con un rango de ± 10 V, se está utilizando solo el 0,8 por ciento del rango dinámico del ADC. Para resolver este problema, se debe utilizar un amplificador que incremente el nivel de la señal de salida para que coincida con el rango dinámico del ADC. Sin auto-cero Millivoltios Con auto-cero Como se comentó previamente, los termistores, RTDs y termopares dan salida a señales que son a menudo muy cercanas a 0 V; por lo tanto, la compensación de los errores del dispositivo de medida puede ser un factor importante dentro de la precisión global. El error de offset es la desviación de la temperatura medida en relación a la temperatura de referencia. Muchos dispositivos cuentan con una función de auto-cero incorporada que mide automáticamente dicho offset antes de adquirir los datos de la temperatura interna y compensan ese error en el dispositivo de medida. Si el dispositivo de medida no soporta la función de auto-cero, hay que asegurarse de que el dispositivo se calibra con regularidad y se utiliza el documento de especificaciones para identificar cómo el error de offset afecta a la precisión global. TOC ni.com/compactdaq 4

5 Dado que las medidas de temperatura se muestrean generalmente a un ritmo lento, estas medidas son susceptibles al ruido de alta frecuencia. Para eliminar el ruido de alta frecuencia y el ruido de la red eléctrica de 50 Hz y 60 Hz, que es frecuente en la mayoría de laboratorios o ambientes industriales, se utilizan generalmente filtros paso-bajo. Al dispositivo de medida C (Cobre) Termopares Los termopares tienen requisitos específicos de acondicionamiento de señal. Debido a que las uniones frías se forman por la conexión del termopar a los cables o terminales del dispositivo de adquisición de datos, generan tensiones que se suman a la medida de la red. Por ejemplo, en el sistema mostrado en la figura 4, en lugar de medir AB, que es lo que se desea, la medida real es AB+AC+BC. Las tensiones adicionales generadas por las otras uniones constituyen el error de la unión fría. Para eliminar este error, las temperaturas conocidas de AC y BC se restan de la medida total para obtener la temperatura real. Este ajuste se conoce como compensación de la unión fría (CJC). La mayoría de los dispositivos de medida de termopares incorporan CJC y el escalado automático en el software. Si el dispositivo de adquisición de datos no tiene incorporado CJC, la temperatura debe medirse externamente para tener en cuenta esta diferencia en el software. AC BC A (Iron) B (Constantan) Tipo J Figura 4. El error de la unión fría añade más tensión a la medida del termopar. AB Temperatura que se deseato medir Aunque una CJC ayuda a explicar los errores inducidos por las uniones frías, la propia CJC y la forma de implementarse también puede causar errores. El error global de una CJC incluye el error del sensor CJC, el error del dispositivo de medida del sensor CJC y el gradiente entre la unión fría y el sensor CJC. El gradiente de temperatura entre la unión fría y el sensor CJC es el factor más importante. La colocación de la CJC lo más cerca posible de los terminales de termopar ayuda a reducir este tipo de error de la CJC. Para reducir los errores del sensor CJC, se debe utilizar un sensor preciso de temperatura, tal como una RTD, un termistor o un sensor de temperatura basado en un circuito integrado diseñado para el rango de temperatura al que las uniones frías van a estar sometidos. Para reducir los errores del dispositivo de medida, se debe invertir en un dispositivo que ofrezca las especificaciones de precisión necesarias para la aplicación, calibrar el dispositivo cuando sea necesario y utilizar el dispositivo sólo en las condiciones especificadas por el fabricante. TOC ni.com/compactdaq 5

6 Error del dispositivo de medida Dispositivo de medida Figura 5. TSistema de medida de termopares CJC AC BC Bloque del terminal Error del sensor CJC Error del gradiente de temperatura AB Otra fuente de ruido que puede afectar a los termopares es el montaje directo o mediante soldadura a materiales conductores o al sumergirlos en agua. Cuando un termopar está conectado a un material conductor es susceptible al ruido en modo común y a los bucles de tierra. El aislamiento ayuda a prevenir los bucles de tierra y puede mejorar significativamente el rechazo del ruido en modo común. Los materiales conductores con tensiones grandes en modo común requieren aislamiento para medir efectivamente dichas tensiones. Termistores y RTDs Los termistores y RTDs son sensores de temperatura activos que requieren tensión o corriente de excitación. Es importante tener en cuenta que al proporcionarles una gran corriente de excitación se obtiene como resultado un calentamiento espontáneo que afecta a la exactitud de la medida. Si no se puede disipar ese calor extra, hay que pensar en disminuir la corriente de excitación. Al usar RTDs o termistores, hay que asegurarse de aplicar amplificación y filtros paso-bajo, como se comentó anteriormente, para ayudar a eliminar el efecto del ruido. R bridge R bridge AI + AI R bridge R bridge Figura 6. La detección remota mide el nivel de excitación real entregado al sensor. Galgas extensiométricas Las medidas con galgas extensiométricas implican la detección de cambios de resistencia extremadamente pequeños. La selección y uso apropiado del puente y el acondicionado de la señal son necesarios para obtener medidas fiables. Los tres tipos principales de galgas extensiométricas son de cuarto, medio y puente completo. El nombre hace referencia al número de ramas que forman el puente de Wheatstone para la detección activa de las galgas extensiométricas. Por lo tanto, se necesitan circuitos de terminación de puentes para galgas extensiométricas de cuarto y medio puente. RS + Normalmente, los circuitos de acondicionamiento de señales de galgas R lead EX + extensiométricas están diseñados para redes de terminación de medio puente. Si se está utilizando un sensor de cuarto de puente, se necesita una tercera resistencia comúnmente conocida como la resistencia de terminación de un cuarto de puente. De manera similar a los sensores de temperatura, la mayoría de los medidores de tensión requieren amplificación; ya que tienen niveles relativamente bajos de salida EX R (menos de 100 mv), que los hace vulnerables al ruido. El uso de filtros lead RS de paso-bajo puede ayudar a eliminar el ruido de las componentes de alta frecuencia no deseadas. TOC ni.com/compactdaq 6

7 Deformación medida Error del Offset Las galgas extensiométricas requieren niveles de tensión de excitación entre 2,5 V y 10 V. El cambio en la tensión de salida para un determinado nivel de deformación se incrementa en proporción directa a la tensión de excitación. Aunque una mayor tensión de excitación genera una tensión de salida proporcionalmente más elevada y por lo tanto mejora la relación señal-ruido, una tensión más elevada puede también causar errores debido al autocalentamiento. Dicho auto-calentamiento cambia la resistividad y la sensibilidad del medidor de deformación, afecta a la capacidad del adhesivo para transferir la tensión e introduce los efectos de la temperatura entre los cables y la lamina de la galga. Esto tiene un gran impacto en las medidas cuando la estructura no proporciona una buena disipación del calor, como en el caso del plástico. Se puede reducir el auto-calentamiento, ya sea seleccionando una galga de deformación con una superficie mayor para la mejor disipación del calor o reduciendo el nivel de excitación. Si el circuito de la galga de deformación está lejos de la circuitería de acondicionamiento de la señal y de los circuitos de excitación, la resistencia de los cables largos y de los pequeños cables de las galgas puede dar lugar a una tensión de excitación menor del puente. Se puede compensar este error mediante el uso de la detección remota. La detección remota mide la cantidad de excitación que se entrega realmente al sensor y regula el suministro de excitación mediante retroalimentación negativa para compensar las pérdidas en los cables y entregar al puente la tensión necesaria. Descalibrado Calibrado del punto de equilibrio Error de ganancia Shunt y punto de equilibrio calibrados Deformación real Figura 7. La calibración del punto de equilibrio y del shunt ajustan el offset y el error de la ganancia del dispositivo de medida. Cuando se instala un medidor de deformación y se conecta a un puente de Wheatstone, es poco probable se lea cero voltios cuando no se aplica un esfuerzo sobre la galga. Las imperfecciones de las galgas de deformación, la resistencia de los cables y la predeformación de las galgas al realizar la instalación generan un desplazamiento de la tensión inicial de manera que la lectura es diferente de cero. En estos casos se debe ejecutar la cancelación del offset o la calibración del punto de equilibrio mediante hardware o software para compensar el desequilibrio inherente del puente. En el caso del software, se toma una medida inicial antes de aplicar tensión y se usa esta tensión inicial en los cálculos de la deformación para calcular la compensación. Este método es rápido y sencillo y no requiere ajustes manuales. La desventaja de la compensación mediante software con respecto a las medidas tradicionales es una pérdida del rango de la medida efectiva debido a los grandes offsets. Hay otro método en el que se utiliza hardware para equilibrar el puente. Se mide la deformación inicial y luego se añade un potenciómetro como una de las ramas del puente de Wheatstone para ajustar físicamente la salida del puente a cero. Al variar la resistencia del potenciómetro, se puede controlar el nivel de la salida del puente y ajustar la salida inicial a 0 V. TOC ni.com/compactdaq 7

8 Cargas, presiones y pares de torsión La herramienta más común para la medida de cargas, presiones y pares de torsión son los sensores basados en galgas extensiométricas de puente completo. En una configuración de puente completo, las cuatro ramas del puente de Wheatstone son realmente galgas extensiométricas; por lo tanto, no se necesitan resistencias adicionales o circuitos de terminación del puente. Los sensores de cargas, presiones y pares de torsión pueden proporcionar tensiones bajas o altas, dependiendo de los requisitos de excitación del sensor. Los sensores se alimentan normalmente mediante el dispositivo de medida y aquellos de bajo nivel de excitación proporcionan una salida de señales que van desde milivoltios al rango de los voltios, pero los sensores de elevado nivel de excitación requieren para su funcionamiento fuentes de alimentación externa de mayor potencia y una salida de ±5V, ±10V o 4-20 ma. Como se trata de una medida de la deformación de puente completo, se aplica también el acondicionamiento de señal comentado previamente en las medidas de deformación, como la teledetección y la calibración de la derivación (shunt). 10 V Offset 0-10 V Offset de CC Acelerómetros y micrófonos Las medidas de sonido y vibración están estrechamente relacionadas. Los acelerómetros y los micrófonos miden oscilaciones, pero en diferentes medios; por lo tanto, la teoría de las medidas de sonido y vibración y sus técnicas de acondicionamiento de señales necesarias son similares. El tipo de acondicionamiento de señales implementado para los acelerómetros y los micrófonos depende de si tienen amplificadores incorporados. Debido a que la carga producida por un acelerómetro es muy pequeña, la señal eléctrica producida por el sensor es susceptible al ruido y se deben utilizar aparatos electrónicos sensibles para amplificar y acondicionar la señal. 10 V 0-10 V Figura 8. Los filtros de acoplamiento de CA eliminan la componente de CC de la señal para incrementar la resolución de la medida. Acoplamiento de CA Los sensores IEPE (Integrated Electronic Piezoelectric) integran el amplificador de carga o de tensión cerca del sensor para garantizar una mejor inmunidad al ruido y un encapsulado más conveniente. Este acondicionamiento de la señal proporciona una fuente de corriente constante para alimentar la circuitería dentro de los sensores. Puesto que los acelerómetros piezoeléctricos son fuentes de alta impedancia, se debe diseñar un amplificador sensible a la carga con bajo ruido, alta impedancia de entrada y baja impedancia de salida. Al igual que los acelerómetros, los micrófonos pueden ser alimentados externamente o internamente. Los micrófonos de condensador polarizados externamente requieren 200 V de una fuente de alimentación externa. Los micrófonos de condensador prepolarizado son alimentados por preamplificadores IEPE que requieren una fuente de corriente constante. TOC ni.com/compactdaq 8

9 Cuando el acondicionamiento de la señal de un IEPE está habilitado, se genera un offset de tensión de CC que es igual al producto de la corriente de excitación y la impedancia del sensor. La señal adquirida por el sensor consta de ambas componentes CA y CC, donde la componente CC desplaza la componente CA del nivel de cero. Esto puede reducir la resolución de la medida debido a que la amplificación de la señal está limitada por el intervalo del ADC. Se puede resolver este problema mediante la implementación del acoplamiento de CA. También conocido como acoplamiento capacitivo, el acoplamiento de CA utiliza un condensador en serie con la señal para filtrar la componente de CC de una señal. LVDTs Los LVDTs (Linear Variable Differential Transformers) y los RVDTs (Rotary Variable Differential Transformers) son sensores populares para medidas. Los LVDTs funcionan como transformadores y constan de un conjunto de bobina estacionaria y núcleo móvil. Un LVDT mide el desplazamiento mediante la asociación de un valor de señal específico con cualquier posición dada del núcleo. Es esencial la utilización de un circuito de acondicionamiento de señal para el correcto funcionamiento de un LVDT. Se debe generar una señal sinusoidal para proporcionar excitación a la bobina primaria. Esta señal se encuentra normalmente entre 400 Hz y 10 khz, y su frecuencia debe ser al menos 10 veces superior a la frecuencia más alta esperada del movimiento del núcleo. Se debería aplicar la misma onda sinusoidal utilizada en la excitación para demodular la señal de salida secundaria. También se debe incluir un filtro de paso-bajo para eliminar la ondulación de alta frecuencia. La salida resultante es una tensión de CC que es proporcional al desplazamiento del núcleo. TOC ni.com/compactdaq 9

10 Consideraciones clave al crear un sistema de acondicionamiento de señales Cuando se está diseñando un nuevo sistema de medida acondicionado, hay que tener en cuenta que algunas de las variables que contribuyen a su éxito están directamente relacionadas con los circuitos de acondicionamiento como se detalló anteriormente, mientras que otras son más prácticas y se relacionan con la implementación, la integración de sistemas y el mantenimiento del diseño. No dar importancia a estos, puede tener un impacto significativo en el tiempo, dinero y recursos que se dedican al proyecto en su conjunto. Integración La capacidad del sistema de acondicionamiento de señales para integrarse fácilmente con el resto del sistema es importante. La comprensión de la interacción entre los diferentes componentes de la cadena de medida ayuda a caracterizar los resultados esperados y a solucionar problemas inesperados. Desde el sensor a cada etapa del acondicionamiento, el ADC y el bus de comunicaciones, cada eslabón de la cadena añade más fuentes de error y puede degradar las especificaciones del sistema. Donde sea posible, se debe reducir este riesgo de error mediante la combinación de cadenas de medida en un solo sistema, como por ejemplo, la integración del ADC y del acondicionamiento dentro de un único módulo. Conectividad La conexión de señales a un sistema de acondicionamiento de señales puede ser un gran problema si no se tiene en cuenta cuidadosamente de antemano. Un buen sistema de acondicionamiento de señales debería ofrecer una amplia gama de opciones de conectividad, incluyendo conexiones de termopares, terminales de tornillo y conectores BNC. Cuando la aplicación cambia, también lo hace la necesidad de una conectividad diferente, como por ejemplo D-SUB, RJ45/50, mini-xlr y LEMO. La creación de nuevos dispositivos de conectividad para cambiar los requisitos de prueba puede llegar a ser inmanejable a lo largo del tiempo cuando cambian los requisitos tecnológicos. Cuando se utiliza un método que dispone de opciones de conectividad se limitan las preocupaciones por la conexión y el mantenimiento adecuado. Capacidad de ampliación Si se construye un sistema de forma modular, se tiene más flexibilidad para cambiar y ampliar tanto el número de canales, como la mezcla de señales. Las arquitecturas con altos niveles de dependencia de funciones cruzadas pueden requerir una revisión masiva para realizar modificaciones incluso relativamente menores. Vamos a pensar que se están registrando datos de temperatura para evaluar los límites de diseño de un motor en una célula de prueba y que para ello se implementó originalmente un termopar debido a su gran rango de funcionamiento, pero ahora se necesita un sensor más preciso como una RTD para afinar más con la temperatura que hace que un componente falle. Puesto que las RTDs son sensores activos, se debe incorporar ahora una corriente de excitación en el sistema. Si el diseño se hizo de forma modular, se puede intercambiar el módulo termopar con relativa facilidad. Pero si se combina el módulo termopar con otros módulos de termopar en una PCB, se está obligado a comprometer la medida y seguir adelante con el termopar o a invertir fuertemente en un rediseño completo. TOC ni.com/compactdaq 10

11 Asilamiento Cuando la señal medida es de alta tensión o de una tensión sujeta a picos, se deben aislar las señales del resto del sistema. Un aislamiento inadecuado compromete la seguridad del operador, así como la integridad de todo el sistema de adquisición de datos. Cuando se determinan los requisitos de aislamiento del sistema, se deben tener especificaciones de aislamiento fiables y precisas, incluyendo una tensión nominal de trabajo seguro y una calificación de la instalación. Los vendedores trabajan habitualmente con las especificaciones de aislamiento y certificaciones para garantizar que un producto cumple con los estándares de la industria. Si se tiene una comprensión completa de estos requisitos, entonces se puede crear con éxito un sistema aislado. Ancho de banda Cuando se diseñan o especifican sistemas de adquisición de datos, hay que asegúrese de que el ancho de banda de los sistemas es lo suficientemente grande como para manejar el flujo de datos que se necesita y tener capacidad para hacer frente al crecimiento futuro del número de canales. El ancho de banda del sistema se expresa típicamente en muestras por segundo (hertzios). Para determinar el ancho de banda mínimo necesario para el sistema, se multiplica el número total de canales esperados por la velocidad de muestreo máxima de cada canal. Cuando se diseñan o especifican productos para el acondicionamiento de señales hay que considerar factores externos que podrían afectar al ancho de banda del sistema. Por ejemplo, muchos sensores de presión tienen altos valores de salida y por lo tanto no necesitan amplificación. Sin embargo, la elevada impedancia de salida de estos sensores hace que se incremente el tiempo de establecimiento de los canales en los dispositivos de adquisición de datos multiplexados o escaneados. Esto puede hacer que ocurra un efecto fantasma si la frecuencia de muestreo es demasiado alta, debido a que el condensador no tiene tiempo para cargarse o descargarse a la tensión correcta. Si no se diseña un seguidor de tensión o circuito amortiguador en el acondicionador de señal, se tendría que poner entonces límites a la velocidad de muestreo máxima permitida. Software Una gran parte del coste total de un sistema de prueba y medida es el desarrollo de la aplicación cuando se cuenta con los recursos de ingeniería y tiempo necesarios para la instalación, el desarrollo y las pruebas. Se puede minimizar este coste mediante el desarrollo dentro de un entorno diseñado específicamente para este tipo de aplicación de ingeniería. Por ejemplo, a pesar de que es posible utilizar el hardware para realizar una calibración del punto de equilibrio de una galga extensiométrica, es posible que no quiera dejar esta tarea o responsabilidad al operador o técnico. Por lo tanto, se debería compensar el offset inicial de la galga en el software para garantizar que la calibración se ha completado correctamente antes de cada adquisición. Los entornos de desarrollo, tales como LabVIEW, están optimizados para este tipo de tareas con el fin obtener más productividad y dedicar el tiempo a lo que importa. TOC ni.com/compactdaq 11

12 Configuración e instalación Cualquier sistema de acondicionamiento de señales debería ser fácil de usar. Nadie puede darse el lujo de perder el tiempo debido a problemas de instalación o configuración excesivamente complejos. Un sistema ideal de acondicionamiento de señales monitoriza el hardware, informa sobre qué equipo está presente y proporciona una interfaz de software para la asignación de todos los ajustes. Se debe ser capaz de utilizar el entorno de software para configurar y ampliar el número de canales. Calibración Para realizar las medidas más precisas posibles, se debe calibrar periódicamente todo el sistema de adquisición de datos. La mayoría de los dispositivos de medida se calibran en fábrica, pero la precisión deriva a lo largo del tiempo. Muchos sistemas COTS (Commercial Off-The-Shelf) tienen incorporadas referencias de tensión de precisión, esto permite que el sistema de medida pueda ajustarse para compensar los cambios de temperatura. Este método, que es ideal para los cambios ambientales a corto plazo, se utiliza a menudo como una comprobación fácil del rendimiento para confirmar el funcionamiento completo del sistema antes de realizar las secuencias de prueba. Hay que tener en cuenta que incluso estas referencias incorporadas tienen derivas; así que, esto no sustituye a los servicios de calibración externos que mantienen el sistema funcionando de acuerdo a las especificaciones publicadas año tras año. Si hay disponible un laboratorio de metrología, se pueden seguir fácilmente los procedimientos de calibración documentados. Sin embargo, si la documentación no está actualizada, el laboratorio de metrología no está disponible o el ingeniero que implementó el sistema no está accesible, el mantenimiento de los estándares de calibración puede suponer un reto costoso. Un buen sistema de acondicionamiento de señal COTS se entrega con las especificaciones publicadas y los servicios de calibración actualizados que pueden mitigar estos retos. Mantenimiento Una vez que se haya finalizado el diseño del acondicionamiento de la señal, es necesario recopilar toda la información del sistema en un documento formal. Buscar problemas en el sistema, añadir nuevas funcionalidades o duplicar el sistema puede ser casi imposible sin una documentación detallada. Es deseable estar preparado para el caso de que el ingeniero que diseñó el sistema se cambie de empresa o proyecto. Tomarse un tiempo para desarrollar y documentar adecuadamente los procedimientos de prueba utilizados ayuda también a minimizar el tiempo y el coste cuando se necesita llevar a cabo reparaciones o modificaciones. Muchos proveedores COTS de acondicionamiento y hardware de ADC integrados ofrecen la mayor parte de esta documentación, pero aún así es importante comprobar y documentar los diagramas de cableado y conectividad. TOC ni.com/compactdaq 12

13 Implementación de un sistema de acondicionamiento de señales Cuando se está pensando en la posibilidad de si construir e incorporar el propio sistema personalizado de acondicionamiento de señales o comprar una solución de acondicionamiento de señales integrado, se deben evaluar los requisitos de la aplicación, los recursos disponibles y las consideraciones clave para determinar el camino correcto a seguir. Se puede utilizar la siguiente tabla como guía para elegir el mejor método para la aplicación. Casos de utilización del acondicionamiento de señales integrado y personalizado: Acondicionamiento de señales integrado Mejor para: Sistemas mixtos de medida Sistemas flexibles o sistemas expuestos a una ampliación potencial Proyectos a corto plazo Sistemas que pueden ser reproducidos Sistemas que deben mantenerse durante mucho tiempo Acondicionamiento de señales personalizado Mejor para: Reducir el tamaño, funcionalidad fija; sistemas con un número de canales fijo Proyectos con bajo presupuesto y equipo humano con dominio del diseño analógico Proyectos a largo plazo Especialización extrema de la entrada de la señal Se debería considerar al sistema de acondicionamiento de señales como una plataforma que define las capacidades de medida de un sistema de adquisición de datos. Gracias a la amplia variedad de acondicionamiento de precisión que proporciona el mercado, no es necesario invertir el tiempo en el acondicionamiento personalizado. TOC ni.com/compactdaq 13

14 NI dispone de dos plataformas que ofrecen sistemas de adquisición de datos para el acondicionamiento de señales: CompactDAQ y PXI. Estos sistemas constan de módulos multicanales con acondicionamiento de señales que ofrecen entradas analógicas, salidas analógicas, E/S digitales, contadores/temporizadores y conmutación instalados en uno o varios chasis. Las plataformas CompactDAQ y PXI están diseñadas para proporcionar una configuración de precisión para las medidas, cualesquiera que sean sus necesidades de acondicionamiento personalizado. La combinación de circuitos de acondicionamiento con ADCs de alta resolución y buses de comunicaciones reduce el riesgo de error debido a la utilización de componentes dispares y disminuye drásticamente la inversión en el diseño de hardware en comparación con los circuitos personalizados National Instruments. Todos los derechos reservados. LabVIEW, National Instruments, NI, ni.com y NI CompactDAQ son marcas registradas de National Instruments. Otros nombres de productos y compañías mencionados son marcas comerciales o nombres comerciales de sus respectivas compañías. Autores: David Ashlock, director de producto de adquisición de datos de NI Anjelica Warren, directora de producto de adquisición de datos de NI TOC ni.com/compactdaq 14