CAPITULO No. 1 GENERALIDADES 1.1 INTRODUCCION La adquisición de datos o adquisición de señales, consiste en la toma de muestras del mundo real (sistema analógico) para generar datos que puedan ser manipulados por un ordenador u otras electrónicas (sistema digital). Consiste, en tomar un conjunto de señales físicas, convertirlas en tensiones eléctricas y digitalizarlas de manera que se puedan procesar en una computadora o PAC. Se requiere una etapa de acondicionamiento, que adecua la señal a niveles compatibles con el elemento que hace la transformación a señal digital. El elemento que hace dicha transformación es el módulo de digitalización o tarjeta de Adquisición de Datos (DAQ). Se inicia con el fenómeno físico o la propiedad física de un objeto (objeto de la investigación) que se desea medir. Esta propiedad física o fenómeno podría ser el cambio de temperatura o la temperatura de una habitación, la intensidad o intensidad del cambio de una fuente de luz, la presión dentro de una cámara, la fuerza aplicada a un objeto, o muchas otras cosas. Un eficaz sistema de adquisición de datos pueden medir todas estas diferentes propiedades o fenómenos. Podemos definir entonces que un sistema de adquisición de datos es el instrumento que nos sirve para obtener los datos de un proceso (figura 1.1), el cual se forma de las siguientes etapas: 1- Los sensores o transductores convierten un fenómeno o magnitud física que se requiere estudiar, en una magnitud o señal eléctrica.
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2- Un sistema de acondicionamiento de señal, que va aislar, filtrar, convertir y/o amplificar la señal. En esta etapa se resuelven problemas relacionados con la señal obtenida, como son el ruido, la amplitud y/ó potencia de la señal, la no linealidad de la misma, entre otras. 3- Un sistema de adquisición de datos que convierte la señal analógica en digital. 4- Un sistema de tratamiento que va transformara la información digital, información útil para el usuario. 5- Un sistema de visualización que va despegara la información procesada.
Figura 1.1. Sistema de adquisición de datos
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2- Un sistema de acondicionamiento de señal, que va aislar, filtrar, convertir y/o amplificar la señal. En esta etapa se resuelven problemas relacionados con la señal obtenida, como son el ruido, la amplitud y/ó potencia de la señal, la no linealidad de la misma, entre otras. 3- Un sistema de adquisición de datos que convierte la señal analógica en digital. 4- Un sistema de tratamiento que va transformara la información digital, información útil para el usuario. 5- Un sistema de visualización que va despegara la información procesada.
Figura 1.1. Sistema de adquisición de datos
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1.2 OBJETIVO
Comprender las características de fabricación de las tarjetas de adquisición de datos así como establecer su relación y aplicación para un caso de monitoreo y/o control de variables físicas de un sistema o maquina. Establecer los parámetros y características de las tarjetas de adquisición de datos así como los elementos a considerar para su selección e implementación
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CAPITULO NO. 2 ADQUISICIÓN DE DATOS
2.1 ¿QUÉ ES ADQUISICIÓN DE DATOS? El propósito de adquisición de datos es medir un fenómeno eléctrico y físico como voltaje, corriente, temperatura, presión o sonido. La adquisición de datos basada en PC (figura 2.1) utiliza una combinación de hardware modular, software de aplicación y una PC para realizar medidas. Mientras cada sistema de adquisición de datos se define por sus requerimientos de aplicación, cada sistema comparte una meta en común de adquirir, analizar y presentar información. Los sistemas de adquisición de datos incorporan señales, sensores, actuadores, acondicionamiento de señales, dispositivos de adquisición de datos y software de aplicación.
Figura 2.1. Adquisición de datos basado en PC
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Algunos de los términos usados acerca de este tema son los siguientes: Dato: Representación simbólica (numérica, alfabética...), atributo o
característica de un valor. No tiene sentido en sí mismo, pero convenientemente tratado (procesado) se puede utilizar en la relación de cálculos o toma de decisiones. Adquisición: Recogida de un conjunto de variables físicas, conversión en
voltaje y digitalización de manera que se puedan procesar en un ordenador. Sistema: Conjunto organizado de dispositivos que interactúan entre sí
ofreciendo prestaciones más completas y de más alto nivel. Una vez que las señales eléctricas se transformaron en digitales, se envían a través del bus de datos a la memoria del PC. Bit de resolución: Número de bits que el convertidor analógico a digital
(ADC) utiliza para representar una señal. Rango: Valores máximo y mínimo entre los que el sensor, instrumento o
dispositivo funcionan bajo unas especificaciones. Teorema de Nyquist: Al muestrear una señal, la frecuencia de muestreo
debe ser mayor que dos veces el ancho de banda de la señal de entrada, para poder reconstruir la señal original de forma exacta a partir de sus muestras. En caso contrario, aparecerá el fenómeno del aliasing que se produce al infra-muestrear. Si la señal sufre aliasing, es imposible recuperar el original.
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En la figura 2.1 se observa que dentro de las señales de entrada se encuentran los sensores, los cuales pueden ser los siguientes: • • • • • • • • • • • • • • • •
Sensores basados en puente Corriente Digital Filtros Frecuencia Humedad Acelerómetro IEPE Codificadores de cuadratura Resistencia RTD RVDT Galgas Extensiométricas Temperatura Termistores Termopares Voltaje
2.2 TIPOS DE SENSORES DE TEMPERATURA La temperatura es una medida del promedio de energía cinética de las partículas en una unidad de masa, expresada en unidades de grados en una escala estándar. Puede medir temperatura de diferentes maneras que varían de acuerdo al costo del equipo y la precisión. Los tipos de sensores más comunes son los termopares, RTDs y termistores.
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2.2.1 Termopares
Figura 2.3. Los termopares son económicos y pueden operan en un amplio rango de temperaturas.
Los termopares son los sensores de temperatura utilizados con mayor frecuencia porque son sensores precisos relativamente económicos que pueden operar en un amplio rango de temperaturas. Un termopar se crea cuando dos metales diferentes se juntan y el punto de contacto produce un pequeño voltaje de circuito abierto como una función de temperatura. Puede usar este voltaje termoeléctrico, conocido como voltaje Seebeck para calcular la temperatura. Para pequeños cambios en temperatura, el voltaje es aproximadamente lineal: Puede escoger entre diferentes tipos de termopares asignados con letras mayúsculas que indican su composición de acuerdo al American National Standards Institute (ANSI). Los tipos de termopares más comunes incluyen B, E, K, N, R, S y T.
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2.2.2 RTD
Figura 2.4 . Los RTDs están hechos de bobinas de metal y pueden medir temperaturas hasta 850 °C.
Un RTD de platino es un dispositivo hecho de bobinas o películas de metal (platino generalmente). Al calentarse, la resistencia del metal aumenta; al enfriarse, la resistencia disminuye. Pasar corriente a través de un RTD genera un voltaje en el RTD. Al medir este voltaje, usted puede determinar su resistencia y por lo tanto, su temperatura. La relación entre la resistencia y la temperatura es relativamente lineal. Generalmente, los RTDs tienen una resistencia de 100 Ω a 0 °C y pueden medir temperaturas hasta 850 °C.
2.2.3 Termistor
figura 2.4. pasar corriente a través de un termistor genera un voltaje proporcional a la temperatura.
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Un termistor es una pieza de semiconductor hecha de óxidos de metal que están comprimidos en una pieza, disco, oblea u otra forma y son sometidos a altas temperaturas. Por último son cubiertos con epoxi o vidrio. Al igual que con los RTDs, usted puede pasar una corriente a través de un termistor para leer el voltaje en el termistor y determinar su temperatura. Sin embargo, a diferencia de los RTDs, los termistores tienen más alta resistencia (2,000 a 10,000 Ω) y una sensibilidad mucho más alta (~200 Ω /°C), permitiéndoles alcanzar más alta sensibilidad en un rango de temperatura limitado (hasta 300 °C). 2.3 Bandas extensiométricas y sensores de carga, presión y torsión La tensión es la cantidad de deformación de un cuerpo debido a la acción de una fuerza aplicada. Más específicamente, la tensión (e) se define como el cambio fraccional en longitud.
2.3.1 Tipos de galga y de carga, presión y sensores de torque Existen muchos métodos para medir tensión, el más común de todos es con un medidor de tensión (o galga extensiométrica), un dispositivo cuya resistencia eléctrica. varía en proporción a la cantidad de tensión en el dispositivo. La galga más ampliamente usada es la galga extensiométrica metálica limitada.
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Figura 2.5. Galgas medir pequeños cambios en la resistencia eléctrica proporcional a la compresión y la tensión.
Un medidor de tensión es un dispositivo cuya resistencia eléctrica varía en proporción a las fuerzas de compresión y la tensión que está experimentando. Mediciones de tensión suelen incluir pequeñas variaciones en la resistencia, las cantidades del orden de milésimas. Para medir estos cambios en la resistencia, calibradores de tensión se utilizan casi siempre en una configuración de puente con una fuente de excitación de voltaje. El general puente de Wheatstone consiste de cuatro grupos de resistencia con un voltaje de excitación, VEX, que se aplica a través del puente. Cuando los cuatro brazos de resistencia coinciden con valores idénticos, VO en la Figura 2.6 se medirá 0V. VO será distinto de cero y varían cuando cualquiera de los brazos de resistencia no están equilibradas. Cuarto, medio, o de puente completo configuraciones son empleados con diferentes niveles de precisión y facilidad de instalación.
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Figura 2.6 El general puente de Wheatstone consiste de cuatro grupos de resistencia con un voltaje de excitación.
2.3. TARJETAS DE DAQ
Las tarjetas DAQ son tarjetas de tipo insertables, que permiten la interacción de datos con el computador por medio de entradas y salidas, dichas tarjetas tienen un comportamiento similar al de un puerto más del computador, poseen todo un protocolo y sistema de manejo, por lo que entender cada tarjeta, como es su funcionamiento e implementación, es una tarea que requiere de estudio, dependiendo del tipo, marca y modelo que se utiliza. Se pueden clasificar las tarjetas DAQ de acuerdo a su desempeño, las ahí de alto y bajo desempeño, las tarjetas de alto desempeño son programables, este tipo de tarjetas son más eficientes y seguras que las demás, ya que no conprometen la velocidad ni el manejo de la información, las tarjetas de bajo desempeño requieren de un control directo del computador y están limitadas por su velocidad, un ejemplo de esto es el hecho de que el sistema operativo Windows no trabaja en tiempo real y en operaciones en donde el muestreo es muy elevado, como lo son señales de radar, vibraciones o video su aplicación puede dar problemas, sin embargo es útil la operación de estas tarjetas con este sistema cuando es una aplicación que no exige demasiada precisión, como monitoreo de temperatura que no cambian drásticamente. 11
Los dispositivos DAQ son por lo general las interfaces entre la señal y la PC y pueden estar en módulos, conectados a la computador por medio de los puertos (USB, Paralelo, Serie, etc.) o bien conectado por medio de una tarjeta colocada en ranuras PCI, ISA entre otras. Otro accesorio que es necesario para la adquisición de datos es el cable, en donde en ocasiones su costo se eleva debido a que llevan blindaje para aislar el ruido o a la compatibilidad del tipo de conector, Driver software normalmente viene con el hardware DAQ o de otros provedores, y permite que el sistema operativo pueda reconocer el hardware DAQ y dar así a los programas acceso a las señales de lectura por el hardware DAQ. 2.4. TIPOS DE PUERTOS Y SOFTWARE PARA SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS
Un puerto es una forma genérica de denominar a una interfaz a través de la cual los diferentes tipos de datos se pueden enviar y recibir. Dicha interfaz puede ser de tipo físico, o puede ser a nivel de software. 2.4.1 Puerto serie Un puerto serie es una interfaz de comunicaciones entre ordenadores y periféricos en donde la información es transmitida bit a bit de manera secuencial, es decir, enviando un solo bit a la vez. La interfaz entre el RS-232 y el microprocesador generalmente se realiza mediante el integrado 82C50, utilizando 9 pines (figura 2.7), Uno de los defectos de los puertos serie iniciales era su lentitud en 12
comparación con los puertos paralelos, sin embargo, con el paso del tiempo, han ido apareciendo multitud de puertos serie con una alta velocidad que los hace muy interesantes ya que tienen la ventaja de un menor cableado y solucionan el problema de la velocidad. Son más baratos ya que usan la técnica del par trenzado.
Figura 2.7 Cable RS-232
2.4.2 Puerto PCI Los puertos PCI (Peripheral Component Interconnect) son ranuras de expansión de la placa madre de un ordenador en las que se pueden conectar tarjetas de sonido, de vídeo, de red, etc. Dentro de los slots PCI está el PCI-Express (PCIe), que es un nuevo desarrollo del bus PCI que usa los conceptos de programación y los estándares de comunicación existentes, pero se basa en un sistema de comunicación serie mucho más rápido que PCI y AGP. Tiene velocidad de transferencia de 16x (8GB/s) y se utiliza en tarjetas gráficas.
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. Los componentes que suelen estar disponibles en este tipo de slot son:
Capturadoras de televisión Controladoras RAID Tarjetas de red, inalámbricas, o no Tarjetas de sonido
Figura 2.8 Ranuras de expansión PCI y PCIe
2.4.3 Puerto USB Un puerto USB permite conectar hasta 127 dispositivos y ya es un estándar en los ordenadores de última generación. Es totalmente Plug & Play, es decir, con sólo conectar el dispositivo y se puede utilizar sin necesidad de configuración con el ordenador, Sólo es necesario que el Sistema Operativo lleve incluido el correspondiente controlador o driver. El puerto USB presenta una alta velocidad de transferencia en comparación con otro tipo de puertos. A través del cable USB no sólo se transfieren datos; además es posible alimentar dispositivos externos, Una de las limitaciones de este tipo de conexiones es que longitud del cable no debe superar los 5 mts y que éste debe cumplir las especificaciones del Standard USB. 14
Figura 2.9 Puerto USB
2.4.5 Tarjeta GPIB La conexión GPIB (General-Purpose Instrumentation Bus) fue estandarizada por la IEE en 1978 y es utilizada para dispositivos test y medida como osciloscopios, multimetros entre otros, la ventaja de un controlador GPIB, es que se puede lograr que los instrumentos hablen, escuchen y respondan mediante comandos Puede haber más de un controlador GPIB en un bus, pero solo uno puede tener el control a la vez. Un controlador GPIB pude pasar el control del bus de sí mismo a otro controlador en el bus. Se elabora varias tarjetas de interfaz GPIB insertable para los buses de computadoras tradicionales como: ISA, PCI, PCMCIA y más. Normalmente, solo se cuenta con una tarjeta de interfaz GPIB por computadora. Pero se puede tener varias tarjetas si se necesita controlar más instrumentos (el límite es 14 instrumentos por Controlador-A-Cargo). Adicionalmente a estas interfaces, los controladores GPIB pueden escapar los confines de una computadora y pasar por los puertos Ethernet, paralelo, serial, USB y FireWire. Estas alternativas a las interfaces GPIB cuentan con toda la funcionalidad de una tarjeta insertable y además expanden grandemente la flexibilidad de sus aplicaciones.
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Figura 2.10 Tarjeta GPIB
2.4.6 Criterios para selección de dispositivos DAQ Para seleccionar una tarjeta o dispositivo DAQ en particular, hay que tomar ciertas consideraciones para poder tener la certeza de que la adquisición de datos se llevara de la manera más fiable y eficientemente posible, algunos de los aspectos a considerar son los siguientes. Tipo del sistema operativo del ordenador .- es importante saber
qué tipo de sistema operativo será con el que trabaje la PC ( Windows , MacOs, etc.) que se va usar ya que de esto dependerá mucho, la compatibilidad del hardware que se adquiera. Tipo de Conector para la tarjeta. - se tiene que saber cuáles son los
tipos de conector (PCI, PCMCIA, USB, etc.) con los que cuenta la PC o el dispositivo con el cual se realizara la interface. Número de entradas analógicos o digitales .- con cuantas entradas
analógicas o digitales se requiere trabajar. Resolución .- cuantos bits de resolución serán necesarios para que
la adquisición de datos no se vea distorsionada. 16
Frecuencia de muestreo de señales .- cuantas muestras es
necesario obtener para que la adquisición de datos sea representativa. 2.4.7 software para sistemas de adquisición de datos
Las tarjetas disponen de drivers o programas suministrados por el fabricante para comunicarse con el ordenador indicado, en las tarjetas del tipo Plug and Play, los parámetros para dirección de los canales de entrada y salida, nivel de interrupción, canal usado para acceso directo a la memoria ya están establecidos.
Uno de los drivers utilizados comúnmente, es el denominado VISA, que es un estándar para la configuración, programación y comprobación de instrumentos, algunos de Instrumentos e interfaces para los que existe el soporte VISA son los siguientes: – GPIB – VXI – Serie (RS-232 o RS-485) – Ethernet – USB – IEEE 1394 (Firewire)
VISA proporciona la interfaz de programación entre el hardware y los entornos de desarrollo como LabVIEW , el cual es un programa de aplicación de ayuda al diseño de sistemas de medida y análisis de datos, este programa es una herramienta suministrada por National Instruments, es una herramienta que utiliza un lenguaje de programación tipo grafico, para el diseño de adquisición y control de instrumentos. . 17
2.5. FABRICANTES DE DAQ
2.5.1 Algunos fabricantes son: • • • • • • • •
National Instruments Blue Chip Technology Honeywell Spectrum Systementwicklung Microelectronic Logicbus Ametek Invensys Newark 2.5.2 National Instruments Esta empresa brinda una variedad de familias de productos DAQ multifunción de acuerdo a sus necesidades de precio y rendimiento. Todas ofrecen medidas de calidad, integración superior de software y servicio y soporte reconocidos, a continuación se muestra una tabla comparativa de las diferentes familias de tarjetas que maneja este proveedor con sus principales características. En la siguiente tabla 2.1 se muestra una comparación entre las familias de NI que ofrece en su portal de internet.
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Tabla 2.1 Comparación entre familias de DAQ, (National Instrument). USB, PCMCIA Compact Flash
Próxima Generaci ón de la Serie M
Muestreo Simultáne o de la Serie S
Acondiciona DAQ miento Inteligent Integrado de e de la Señales de Serie R la Serie SC
Canales/módulo, max.
80
80
8
8
Velocidad muestreo, máximo
200 1.25 MS/s 1.25 MS/s 10 * * MS/s/Canal kS/s/Can al
333 kS/s *
Precisión de DC
Mejor
Excelente Mejor
Mejor
Excelente
Precisión dinámica
Mejor
Mejor
Excelente
Mejor
Mejor
Ajustes de 15 ganancia, máximo
7
8
-
10
Muestreo simultáneo
-
Funciones
Entrada Analógica
Acondicionamiento integrado de señales
-
Compatibilidad con acondicionamiento de señales SCXI
-
Aislamiento
-
8
-
Salida Analógica Canales/módulo, máximo Razón actualización, máxima Precisión
de
4
4
4
8
0
2.8 MS/s
2.8 MS/s
4 MS/s
1 MS/s
-
Mejor
Excelente Excelente
Excelente -
Mejor
Excelente -
Capacidad de salida Mejor de forma de onda
19
Excelente
USB, PCMCIA Compact Flash
Funciones
Referencia voltaje externo
Próxima Generaci ón de la Serie M
de
Muestreo Simultáne o de la Serie S
Acondiciona DAQ miento Inteligent Integrado de e de la Señales de Serie R la Serie SC
-
-
-
Calibración
Calibración automática Calibración interna en todos los rangos
-
Certificado de calibración trazable expedidos por el NIST Temporización y Disparo
Enrutado interno para temporización y disparo Sincronización de bus entre dispositivos Disparo digital Disparo analógico
-
Interfaz de Bus
Buses
USB, PCMCIA Compact Flash
PCI, PCI Express y PXI PCI, PXI Únicamen te
PCI, PXI
PXI
Canales DMA**
-
6
1a3
3
1
4,095
32,000,000 40,000
Memoria interna AI 4,095 (muestras), máximo E/S Digital
20
512
Funciones
USB, PCMCIA Compact Flash
Próxima Generaci ón de la Serie M
Muestreo Simultáne o de la Serie S
Acondiciona DAQ miento Inteligent Integrado de e de la Señales de Serie R la Serie SC
Canales/módulo, máximo
48
48
8
160
Temporización por hardware
0 -
Servicios de Medida y Software Controlador
NI-DAQmx
-
NI-DAQmx Base
-
DDK de Hardware de Medida * Velocidad de muestreo acumulada ** PCI, PCI Express y PXI Únicamente - Algunos productos cumplen con este criterio. - Todos los productos cumplen con este criterio
21
-
2.5.3 Tarjeta De Adquisición De Datos ACl-8112PG La tarjeta de adquisición adquisición de datos ACL-8112 es una tarjeta de alto rendimiento y velocidad para computadoras compatibles, la cual se muestra en la figura 2.11.
Figura 2.11 Tarjeta de Adquisición de Datos ACL-8112
La tarjeta ACL-8112 de la serie está diseñada para combinar todas las funciones de adquisición de datos, tales como A/D, D/A, DIO, y de temporizador / contador en un único tablero. La alta gama de especificaciones de la tarjeta la hace ideal para una amplia gama de aplicaciones que requieren alta velocidad de 12 bits de adquisición de datos a bajo costo. La Serie ACL-8112 se compone de tres productos, la ACL8112HG, 8112DG-ACL y ACL-8112PG. La ACL-8112HG proporciona un instrumento amplificador programable de alta ganancia para aplicaciones de entrada de bajo nivel, como señales de medida de thermocouple. La ACL-8112DG ofrece velocidad de muestreo de alta velocidad (hasta 100 kHz) en todas las ganancias. 22
2.6 TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS DAQ-6024E DE NATIONAL INSTRUMENTS
Figura 2.12 DAQ-6024E National Intruments.
2.6.1 características de la tarjeta.
16 Entradas Analógicas DAQ Multifunción de 12 bits a 200 kS/s Considere la Serie M para resolución de 16 bits a 250 kS/s y costos similares con la PCI-6221, Dos salidas analógicas de 12 bits; 8 líneas de E/S digitales; dos contadores de 24 bits Software controlador NI-DAQmx incluido y servicios de medida adicionales
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2.6.2 diagrama de bloques. La DAQ-6024E consta de bloques ver Figura 7.2, por orden de importancia tenemos:
Un multiplexor para seleccionar los canales analógicos y el modo de funcionamiento de los canales de entrada. Un amplificador de instrumentación de ganancia programable (PGIA) detrás del multiplexor. El PGIA es el encargado de que al ADC le llegue el nivel de tensión adecuado, que corresponde a un margen dinámico de [5V,5V]. A continuación, el convertidor A/D de 12 bits. Dos convertidores digital-análoga DAC1 y DAC2 para dos salidas analógicas independientes. La resolución de los DACs es de 12 bits.
Un puerto de 8 entradas digitales.
Dos contadores.
Figura 2.13 Diagrama de Bloques de la tarjeta DAQ-6024. 24
2.6.3 PIN-OUT La tarjeta DAQ-6024E tiene un único conector de entrada / salida con 68 pines ver el cual se aprecia en la figura 2.14.
Figura 2.14 I/O Asignación de los pines para el conector.
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2.6.4 entrada análoga Un PGIA sigue a estas 16 líneas de entrada, de tal forma que cada canal programa al único PGIA con la ganancia adecuada. El PGIA se programa con una ganancia de 0.5, 1.0, 10.0 o 100.0 de tal forma que a la entrada del ADC tengamos un margen de [-5V,5V] ver Tabla 2.2. Tabla 2.2 Precisión de medición.
Es preferible trabajar en modo independiente para cada canal (channel-tochannel independent, conseguir todas las muestras de un canal y después pasar a otro canal) que en modo escaneo de varios canales (multiple-channel scanning, se toma una muestra de un canal, luego otra muestra de otro canal, etc..). 2.6.5 señales referenciadas a tierra y señales flotantes Señales a Tierra: Son señales referenciadas a una tierra, sea la Tierra o la tierra de un edificio (un clavo en una pared del edificio). La masa o terminal de referencia es un terminal absoluto: tierra. Los generadores de funciones y alimentaciones son señales a Tierra ver Figura 2.14.1.
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Figura 2.14.1 Señales a Tierra. Señales Flotantes (señales flotantes): Son señales cuyo terminal de masa no está conectado a tierra. Pilas, termopares, transformadores, amplificadores de aislamiento son fuentes de tensión cuyas tensiones de salida son flotantes ver Figura 2.14.2.
Figura 2.14.2 Señales Flotantes.
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2.6.6 modo diferencial (DIFF configuration) El modo diferencial debe utilizarse para señales diferenciales, señales pequeñas (<1voltio) o señales degradadas por el ruido.
Figura 2.15 Condiciones de entrada diferencial para tierra – referencia de señales.
2.6.7 modo referenced-single ended (RSE configuration) El modo RSE se utiliza para señales single-ended flotantes.
Figura 2.16 Single-ended input conecctions for nonseferenced or floating signals. 28
2.6.8 modo non-referenced-single ended (NRSE configuration) El modo NRSE se utiliza para señales single-ended no flotantes, es decir, referenciadas a tierra. O bien para señales que son grandes (>1V), limpias de ruido, etc... (si no es así, se prefiere la configuración diferencial).
Figura 2.17 Single-ended input conenections for ground-referenced signals.
29
Figura 2.18 Summary of analog input connections.
2.6.9 ESCANEO Y CANALES Hay dos formas de adquirir las señales de entrada. Mediante Multichannel Scanning ó mediante Round-Robin scanning. Veamos primero el Multichannel Scanning ver Figura 2.19.
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Figura 2.19 Escaneo multicanal. Un scan es una adquisición para cada canal (una muestra por el número de canales, en el dibujo de arriba, cuatro muestras). Number of samples es el número de puntos a adquirir por cada canal Scan rate es la frecuencia del escaneo. Es 1/Tscan Channel clock: es el tiempo entre la adquisición de dos muestras consecutivas de dos canales diferentes en un mismo scan. Es el Tchannel. También se llama interchannel delay. Round-Robin scanning: En este caso se deshabilita el scan clock (scan rate=0) y el interchannel delay Tchannel pasa a ser el único reloj. Este Tchannel depende del settling time del ADC (unos 10 microsegundos), Ver Figura 6.9.2.
Figura 2.20 Round-robin scanning. 31
2.6.10 señales de sincronismo para la adquisición de datos (DAQ sequence) Para la adquisición de señales de entrada existen principalmente cuatro señales. Se puede adquirir una señal en modo pretrigger (empieza a adquirir datos antes de que le llegue la señal de trigger) o en modo posttrigger (sólo después empieza a leer datos de entrada). La señal TRIG1 actúa en modo pretrigger y es el flag de inicio para que el ADC empiece a leer datos a la entrada. El número de scans durante los cuales el ADC adquirirá datos de la entrada vendrá dado por la variable number of pretrigger scans (Figura 6.10.1). Una vez llegados a los tres scans leídos, el scan counter se carga al number of posttrigger scans (2) y sigue leyendo de la entrada sin que el scan counter se decremente. Una vez llega la señal de TRIG2, el scan counter empieza a descontar hasta que el ADC termine de leer el number of posttrigger scans. La señal STARTSCAN da inicio a un scan. La señal CONVERT inicia una conversión del ADC (en nuestro caso tenemos dos canales por cada scan).
Figura 2.21 Typical pretriggered acquisition.
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Otra señal de salida es la SCANCLK ver Figura 2.22, que crea un pulso para indicar que el dato de entrada ya ha sido muestreado y puede ser retirado (td segundos después de haber comenzado a convertir, ver cronograma de abajo).
Figura 2.22 Scanclk signal timing.
Una señal sólo de salida es la EXTSTROBE que genera o bien un pulso (software control) o bien una secuencia de ocho pulsos (hardwarestrobe mode). Esta señal sirve como trigger o como latch para dispositivos externos a la DAQ. Ya por último, tenemos dos señales sólo de entrada: AIGATE y SISOURCE. La señal AIGATE (Analog Input Gate) habilita o deshabilita la señal de entrada STARTSCAN, con lo que no se realizan más scans de lectura. Se puede programar bien por nivel, bien por flanco. Si se activa por nivel, causando AIGATE es activa la señal STARTSCAN es emmascarada (masked off) y la DAQ se para de leer. Si se activa por flanco, el primer flanco activa deshabilita STARTSCAN y el segundo flanco activo la habilita otra vez.
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Figura 2.23 The aigate signal.
2.6.11 FUNCIONAMIENTO DE LOS TRIGGERS El trigger o disparo inicia una secuencia de adquisición. El trigger suele ser una señal externa, bien digital, bien analógica. Hasta ahora sólo hemos visto el trigger digital, que entra por cualquiera de las líneas PFI. Sólo debe especificarse el control del canal del trigger, como ya hemos visto: 1. 2. 3. 4.
Pretrigger scans. Number of scans to acquire. Posttrigger scans. Trigger edge input (rising or falling edge)-flanco de bajada/de subida Anaógamente, si tenemos un disparo analógico, deberemos especificar las condiciones del trigger, así como la líne por la que entra la señal:
a) b) c) d) e) f)
Pretrigger scans. Number of scans to acquire. Posttrigger scans. Trigger edge input (rising or falling edge)-flanco de bajada/de subida. Trigger channel number (línea AI por la que entra). Trigger level.
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Figura 2.24 Diagram of an analog trigger. Además, podemos también operar con un trigger por software (conditional retrieval). 2.6.12 salida analoga También la DAQ-6024E puede generar señales de salida. De hecho, consta de dos líneas de salida de analog output, dos canales: DAC0OUT y DAC1OUT con dos conversores DAC, ver Figura 2.25.
Figura 2.25 Analog output connections.
Estos conversores interpretan las entradas en complemento a dos. El nivel de los canales de salida es [-10V,10V]. ¿Qué valor saca la tarjeta a la salida?. El valor que va sacando se irá actualizando, bien por software, bien por hardware. Si se actualiza por hardware, se hace según el ritmo marcado por el update rate . Para la generación de una secuencia de datos, la tarjeta usa tres señales. La señal WFTRIG inicia la 35
generación de una onda de la DAQ. La señal UPDATE actualiza las salidas de la DAQ. Si no cogemos la señal UPDATE como una entrada, el contador UI genera internamente los pulsos de UPDATE a partir del reloj UISOURCE (hasta 20 MHz si es una señal externa). Si no tenemos reloj externo UISOURCE, el propio contador UI genera internmante una señal UISOURCE. Los pulsos de UPDATE deben estar lo suficientemente espaciados para que los nuevos datos se puedan escribir en sus latches.
2.6.13 SEÑALES DE CONTEO La DAQ-6024E tiene dos contadores exactamente iguales (0 y 1). Hay tres señales que controlan a cada contador. La GPCTR0_GATE habilita/deshabilita el contador 0. La GPCTR0_SOURCE es la entrada del contador 0. El registro del contador (count register) se va incrementando a cada flanco activo de la señal GPCTR0_SOURCE. Cuando el count register alcanza un cierto valor (TC-Terminal Count) la señal de salida GPCTR0_OUT (ver Figura 2.26): 1. Cambia de polaridad (Toggle Output on TC). 2. Crea un pulso (Pulse on TC) de período un ciclo de la GPCTR0_SOURCE
Figura 2.26 GPCTRO_OUT signal timing.
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Otra señal que controla si el contador decrementa o incrementa es la señal digital de entrada GPCTR0_UP_DOWN, que entra por el pin DIO6. Este control puede realizarse también por software, si se deja libre el pin DIO6. Análogamente, el DIO7 controla el contador 1.
Figura 2.27 General-purpose counter 0.
En función de que la señal de GATE esté configurada para enmascarar la señal de reloj CLK por flanco (subida/bajada) o por nivel (alto/bajo), tenemos estos cuatro modos de operación, ver Figura 2.28.
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Figura 2.28Counter gating modes.
2.6.14 PUERTOS DIGITALES La tarjeta DAQ6024E tiene 8 pins para entradas/salidas digitales DIO0-DIO7 (Figura 2.29). Cada uno de estos ocho puertos se puede programar individualmente. Como entradas, el DIO6 y el DIO7 controlan el control up/down de los contadores 0 y 1 respectivamente.
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Figura 2.29 Digital I/O connections.
2.6.15 PROGRAMMABLE FUNCTION INPUTS La tarjeta DAQ6024E tiene 10 pins PFI. Estas PFI’s, como
entradas, pueden programarse para entrar señales como TRIG1, TRIG2, STARTSCAN, CONVERT, AIGATE, SISOURCE, UPDATE, WFTRIG, UISOURCE, GPCTR0_SOURCE, GPCTR0_GATE, GPCTR1_SOURCE o GPCTR1_GATE. En cambio como salida, cada pin PFI sólo puede sacar una señal específica: PFI9/GPCTR0_GATE, PFI8/GPCTR0_SOURCE, PFI15/UPDATE. El pin PFI9 sólo puede sacar como salida la señal del contador 0 GPCTR0_GATE y así sucesivamente. El resto se pueden ver en el pin-out de la tarjeta. El generador de frecuencia interno de la tarjeta saca el reloj por el pin FREQ_OUT signal.
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2.7. COMPACTRIO 2.7.1 ¿Qué es CompactRIO? El controlador de automatización programable (PAC) NI CompactRIO es un sistema reconfigurable de control y adquisición a bajo costo diseñado para aplicaciones que requieren alto rendimiento y fiabilidad. El sistema combina una arquitectura embebida abierta con un tamaño pequeño, extrema robustez y módulos industriales de E/S intercambiables en vivo. Compact RIO es alimentado por la tecnología de arreglo de compuertas programables en campo (FPGA) de E/S reconfigurable (RIO).
Figura 2.30 Modulo de chasis y controlador de dispositivo CompactRIO 2.7.2 Chasis y Controlador Integrados National Instruments ofrece una línea de sistemas integrados CompactRIO que combina el alto rendimiento de la arquitectura CompactRIO con un conjunto de características menor en comparación a los sistemas modulares CompactRIO. Los sistemas integrados combinan el controlador en tiempo real CompactRIO y un plano trasero de ocho ranuras en un solo chasis que incluye el FPGA programable por el usuario.
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2.8. ADQUISICIÓN DE DATOS POR ETHERNET Los dispositivos de adquisición de datos (DAQ) NI Ethernet extienden el alcance de la adquisición de datos basada en PC para medidas remotas de sensor y eléctricas desde el laboratorio a todo el mundo. Al combinar más de 50 módulos de E/S de la Serie C con chasis NI CompactDAQ Ethernet y sistemas Ethernet de un solo módulo, los dispositivos NI Ethernet DAQ ofrecen datos de alta velocidad y facilidad de uso en un solo paquete de tamaño pequeño. Además, con el software controlador NI-DAQmx, puede registrar datos para experimentos sencillos o desarrollar un sistema completo de pruebas en NI LabVIEW, ANSI C/C++, Visual Basic .NET y otros entornos de programación.
Figura 2.31 Dispositivo de adquisición de datos por Ethernet
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2.9. ADQUISICIÓN DE DATOS CON PXI Y PXI EXPRESS PXI es una plataforma abierta basada en PC para pruebas, medidas y control. Con más de 1,500 productos de más de 70 proveedores, PXI es la plataforma definida por software elegida por miles de empresas en todo el mundo. National Instruments ofrece una variedad de módulos de adquisición de datos para PXI, desde dispositivos digitales de bajo costo hasta dispositivos multifunción de alto rendimiento con muestreo simultáneo. Lograr una sincronización precisa de los módulos PXI es fácil con los buses de temporización y disparo en el plano trasero PXI. Sistemas PXI están compuestos de tres componentes básicos chasis, controlador del sistema y módulos periféricos.
Figura 2.32 Partes básicas de un dispositivo PXI
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2.10. TARJETA PXI-6024E
Es una tarjeta de adquisición de datos, que se conecta al bus PXI, para este proyecto se utilizó aquella que se conecta al bus de la Laptop, PCMCIA de 32 bits. El proceso de aprendizaje, del funcionamiento de la misma, fue muy delicado, puesto que es una tarjeta con elementos muy sensibles, el uso incorrecto podría terminar en el daño de la misma. La Figura 2.33 muestra la tarjeta.
Figura 2.33 DAQCard-6024e de Nacional Instruments.
Cuenta con canales multifuncionales, entre los que tenemos dieciséis canales analógicos de entrada, mismos que tienen tres tipos de configuraciones, que se muestran en la Tabla 2.2 Es importante conocer como se conectan los canales de entrada en cada uno de sus modos de configuración, estos se muestran en la Figura 2.34 Es necesario conocer también los rangos de voltaje que manejan estos canales, estos se muestran en la Tabla 2.2.
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Tabla 2. 2 Modos de configuración de canales análogos de entrada.
La tarjeta se configuró en el modo de DIFF, ya que este modo de configuración es más exacto que los anteriores y se presta muy bien para señales de DC.
Configuración DIFF
Configuración RSE
Configuración NRSE Figura 2.34 Modos de conectar las configuraciones.
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Tabla 2.3 Rangos de voltaje.
La tarjeta también cuenta con dos canales análogos de salida, donde podemos desplegar voltaje. Los rangos de voltaje de estos canales de salida son iguales a los mostrados en la tabla de voltajes de entrada. Cuenta con ocho pines digitales para entrada y salida, estos pines se pueden leer individualmente o como si fuera un puerto de 8 bits, dependiendo de cómo se configuren. La tarjeta tiene otras aplicaciones, como Contadores y Puertos Paralelos Programables (PPI), pero sólo los primeros mencionados fueron los que se utilizaron. En el Capitulo de Instrumentación se hará mención sobre las señales que se utilizaron y a su vez los puertos de entrada y salida en donde se conectaron. En la Figura 10.3 podemos ver los pines de la tarjeta.
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Figura 2.35 Pin conector.
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2.10.1 ACCESORIOS PARA TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS Existen dos accesorios para facilitar las conexiones a los pines de la tarjeta y estos son el CB-68-LP que como la Figura 2.36 es únicamente un conector de pines. El otro accesorio es el cable R6868 (Figura 10.5), este simplemente es para conectar el CB-68-LP a la tarjeta de adquisición de datos.
Figura 2.36 CB-68LP Conector de pines de la tarjeta de adquisición de datos.
Figura 2.37 R6868.
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2.11 ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL Los sistemas de adquisición de datos (DAQ) basados en PC y dispositivos insertables son usados en un amplio rango de aplicaciones en los laboratorios, en el campo y en el piso de una planta de manufactura. Típicamente, los dispositivos DAQ insertables son instrumentos de propósito general diseñados para medir señales de voltaje. El problema es que la mayoría de los sensores y transductores generan señales que debe acondicionar antes de que un dispositivo DAQ pueda adquirir con precisión la señal. Este procesamiento al frente, conocido como acondicionamiento de señal, incluye funciones como amplificación, filtrado, aislamiento eléctrico y multiplexores así que la mayoría de los sistemas DAQ basados en PC incluyen algún tipo de acondicionamiento de señal además del dispositivo DAQ y la PC, como lo muestra la Figura 2.37
Figura 2.37. El acondicionamiento de señales es un componente importante en un sistema de adquisición de datos.
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2.11.1 Acondicionamiento de Transductores Los transductores son dispositivos que convierten fenómenos físicos como temperatura, carga, presión o luz a señales eléctricas como voltaje y resistencia. Las características de los transductores definen muchos de los requerimientos de acondicionamiento de señales de un sistema DAQ. El acondicionamiento de señales suele ser necesario si la señal desde el transductor no es adecuado para la DAQ hardware que se utiliza. La señal puede ser amplificada o des amplificada, o puede requerir de filtrado, o un cierre patronal, en el amplificador se incluye para realizar demodulación. Varios otros ejemplos de acondicionamiento de señales podría ser el puente de conclusión, la prestación actual de tensión o excitación al sensor, el aislamiento, linealización, etc. Este pretratamiento de señal normalmente lo realiza un pequeño módulo acoplado al transductor. El Driver software normalmente viene con el hardware DAQ o de otros proveedores, y permite que el sistema operativo pueda reconocer el hardware DAQ y dar así a los programas acceso a las señales de lectura por el hardware DAQ. Un buen conductor ofrece un alto y bajo nivel de acceso. Ejemplos de Sistemas de Adquisición y control: · DAQ para recoger datos (datalogger) medioambientales (energías renovables e ingeniería verde). · DAQ para audio y vibraciones (mantenimiento, test). · DAQ + control de movimiento (corte con laser). · DAQ + control de movimiento+ visión artificial (robots modernos).
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Algunos de los parámetros que se debe de comprender dentro del acondicionamiento de señal comprende los siguientes puntos; Amplificación: Es el tipo más común de acondicionamiento. Para
conseguir la mayor precisión posible la señal de entrada deber ser amplificada de modo que su máximo nivel coincida con la máxima tensión que el convertidor pueda leer. Aislamiento: Otra aplicación habitual en el acondicionamiento de
la señal es el aislamiento eléctrico entre el transductor y el ordenador, para proteger al mismo de transitorios de alta tensión que puedan dañarlo. Un motivo adicional para usar aislamiento es el garantizar que las lecturas del convertidor no son afectadas por diferencias en el potencial de masa o por tensiones en modo común. Cuando el sistema de adquisición y la señal a medir están ambas referidas a masa pueden aparecer problemas si hay una diferencia de potencial entre ambas masas, apareciendo un "bucle de masa", que puede devolver resultados erróneos. Multiplexado: El multiplexado es la conmutación de las entradas
del convertidor, de modo que con un sólo convertidor podemos medir los datos de diferentes canales de entrada. Puesto que el mismo convertidor está midiendo diferentes canales, su frecuencia máxima de conversión será la original dividida por el número de canales muestreados. Se aconseja que los multiplexores se utilizen antes del conversor y después del condicionamiento del señal, ya que de esta manera no molestará a los aislantes que podamos tener.
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Filtrado : El fin del filtro es eliminar las señales no deseadas de la
señal que estamos observando. Por ejemplo, en las señales cuasicontinuas, (como la temperatura) se usa un filtro de ruido de unos 4 Hz, que eliminará interferencias, incluidos los 50/60 Hz de la red eléctrica. Las señales alternas, tales como la vibración, necesitan un tipo distinto de filtro, conocido como filtro antialiasing, que es un filtro pasabajo pero con un corte muy brusco, que elimina totalmente las señales de mayor frecuencia que la máxima a medir, ya que se si no se eliminasen aparecerían superpuestas a la señal medida, con el consiguiente error. Excitación: La etapa de acondicionamiento de señal a veces
genera excitación para algunos transductores, como por ejemplos las galgas "extesométricas", "termistores" o "RTD", que necesitan de la misma, bien por su constitución interna, (como el termistor, que es una resistencia variable con la temperatura) o bien por la configuración en que se conectan (como el caso de las galgas, que se suelen montar en un puente de Wheatstone). Linealización : Muchos transductores, como los termopares,
presentan una respuesta no lineal ante cambios lineales en los parámetros que están siendo medidos. Aunque la linealización puede realizarse mediante métodos numéricos en el sistema de adquisición de datos, suele ser una buena idea el hacer esta corrección mediante circuitería externa.
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A veces el sistema de adquisición es parte de un sistema de control, y por tanto la información recibida se procesa para obtener una serie de señales de control. En este diagrama (figura 2.38) podemos ver los bloques que componen nuestro sistema de adquisición de datos.
Figura 2.38 Diagrama de bloques Como vemos, los bloques principales son los siguientes : El transductor es un elemento que convierte la magnitud física que vamos a medir en una señal de salida (normalmente tensión o corriente) que puede ser procesada por nuestro sistema. Salvo que la señal de entrada sea eléctrica, podemos decir que el transductor es un elemento que convierte energía de un tipo en otro. Por tanto, el transductor debe tomar poca energía del sistema bajo observación, para no alterar la medida. El acondicionamiento de señal es la etapa encargada de filtrar y adaptar la señal proveniente del transductor a la entrada del convertidor analógico / digital. Esta adaptación suele ser doble y se encarga de: 52
o
o
Adaptar el rango de salida del transductor al rango de entrada del convertidor.(Normalmente en tensión). Acoplar la impedancia de salida de uno con la impedancia de entrada del otro. La adaptación entre los rangos de salida del convertidor y el de entrada del convertidor tiene como objetivo el aprovechar el margen dinámico del convertidor, de modo que la máxima señal de entrada debe coincidir con la máxima que el convertidor (pero no con la máxima tensión admisible, ya que para ésta entran en funcionamiento las redes de protección que el convertidor lleva integrada). El convertidor analógico/digital es un sistema que presenta en su salida una señal digital a partir de una señal analógica de entrada, (normalmente de tensión) realizando las funciones de cuantificación y codificación.
2.12 EJEMPLO DE LA ADQUISISCION DE TEMPERATURA POR UN TERMOPAR. La temperatura es una medición de la energía cinética promedio de las partículas en una muestra de materia, que se expresa en unidades de grados o en una escala estándar. Usted puede realizar mediciones de temperatura de muchas formas diferentes, que varían con la exactitud y costo del equipo. Las termopares son unos de los sensores más comunes empleados en la medición de temperatura, ya que son relativamente económicos brindando exactitud y además pueden operar sobre un amplio rango de temperaturas.
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Una termocupla se crea siempre que dos metales diferentes se tocan y el punto de contacto produce un pequeño voltaje en circuito abierto como una función de la temperatura. Este voltaje termoeléctrico se conoce como el voltaje de Seebeck, en honor a Thomas Seebeck, quien lo descubrió en el año de 1821. El voltaje es no lineal con respecto a la temperatura. Sin embargo, para pequeños cambios en temperatura , el voltaje es aproximadamente lineal, es decir
(1) Donde ΔV es el cambio en el voltaje, S es el coeficiente de Seebeck y dT es el cambio en la temperatura. Están disponibles muchos tipos de termopares que se designan mediante letras mayúsculas que indican la composición de acuerdo con las convenciones del American National Standards Institute (ANSI). Por ejemplo, una termopar tipo-J posee un conductor de hierro y uno de constantan (una aleación de cobre-níquel ). Otros tipos de termopares son las B, E, K, N, R, S y T. 2.12.1 Marco Teórico Para entender mejor cómo realizar una medición con una termopar, usted primero debe entender como funciona ésta. La primera parte de esta sección explica la teoría básica sobre las termopares, mientras la última parte describe cómo realizar la conexión de la termopar a un instrumento y como hacer la medición de temperatura. Para medir el voltaje de Seebeck en una termopar, usted no puede simplemente conectar la termopar a un voltímetro u otro sistema de 54
medición, ya que la conexión de los cables de la termopar con el sistema de medición crea circuitos termoeléctricos adicionales.
Figura 2.40 termopar Tipo J Considere el circuito mostrado en la Figura 2.40, en el cual una termopar tipo J se encuentra en la llama de una vela, que es la temperatura que se desea medir. Los dos cables de la termopar están conectados a los cables de cobre que van hacia el dispositivo de adquisición de datos. Observe que el circuito posee tres uniones diferentes de metales – J1, J2 y J3. J1, la unión de la termopar, genera un voltaje de Seebeck proporcional a la temperatura en la llama de la vela. J2 y J3 poseen individualmente su propio coeficiente de Seebeck y generan su propio voltaje termoeléctrico que es proporcional a la temperatura de los terminales de adquisición de datos. Para determinar la contribución en el voltaje por J1, usted requiere conocer las temperaturas de las uniones J2 y J3 así como las relaciones voltaje-a-temperatura de estas uniones. Entonces usted podrá sustraer las contribuciones de las uniones parásitas J2 y J3 del voltaje medido para la unión J1. Las termopares requieren alguna forma de temperatura de referencia para compensar las uniones en “frío” parásitas no deseadas. El método más
común es medir la temperatura en la unión de referencia con un sensor de temperatura de lectura directa y sustraer las contribuciones de voltaje de las uniones parásitas. Este proceso se denomina compensación por 55
unión-en-frío. Usted puede simplificar el cálculo de compensación por unión-en-frío aprovechando algunas características de las termopares. Usando la Ley de termopar para Metales Intermedios y tomando algunas suposiciones simples, usted puede ver que el voltaje medido por un sistema de adquisición de datos depende únicamente del tipo de la termopar, del voltaje en la termopar y la temperatura de la unión-en-frío. El voltaje medido es independiente de la compensación de los cables de medición y de las uniones en-frío, J2 y J3. De acuerdo con la Ley de termopar para Metales Intermedios, que se ilustra en la Figura 2.41, al insertar cualquier tipo de cable dentro del circuito de una termopar no se tiene efecto en la salida siempre y cuando ambos terminales del cable estén a la misma temperatura, es decir, sean isotérmicos.
Figura 2.41 Ley de termopar para Metales Intermedios
Considere el circuito de la Figura 2.42. Este circuito es similar al descrito previamente en la Figura 2.40, pero en esta ocasión un pequeño cable de constantan se ha insertado justo antes de la unión J3 y se asume que las uniones de éste poseen temperaturas idénticas. Asumiendo que las uniones J3 y J4 están a la misma temperatura, La Ley de termopar para Metales Intermedios indica que el circuito de la Figura 2.41 es eléctricamente equivalente al circuito de la Figura 2.40. Por lo tanto, cualquier resultado tomado desde el circuito de la Figura 2.40 también aplica para el circuito mostrado en la Figura 2.41.
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Figura 2.42. Inserción de un Cable Extra en la Región Isotérmica
En la Figura 2.40, las uniones J2 y J4 son del mismo tipo (cobreconstantan); ya que ambas están en la región isotérmica, J2 y J4 también están a la misma temperatura. Debido a la dirección de la corriente a través del circuito, J4 contribuye con un voltaje de Seebeck positivo y J2 contribuye con uno igual pero de signo negativo. Por tanto, los efectos de las uniones se cancelan entre sí, y la contribución total al voltaje medido es de cero. Las uniones J1 y J3 son ambas de hierro-constantan, pero ellas pueden estar a temperaturas diferentes ya que no comparten una región isotérmica. Ya que están a temperaturas diferentes, las uniones J1 y J3 producen un voltaje de Seebeck pero con magnitudes diferentes. Para compensar la unión-en-frío J3, su temperatura se mide y la contribución de voltaje se resta de la medición del termopar. Usando la notación VJx(Ty) para indicar el voltaje generado por la unión Jx a la temperatura T y, el problema general de la termopar se reduce a la siguiente ecuación: VMEAS = VJ1(TTC ) + VJ3(Tref )
(2)
donde VMEAS es el voltaje medido por el dispositivo de adquisición de datos, TTC es la temperatura de la termopar en J1, y T ref es la temperatura de la unión de referencia. 57
Note que en la Ecuación 2, V Jx(Ty) es un voltaje generado a la temperatura Ty con respecto a la misma temperatura de referencia. Mientras VJ1 como VJ3 sean funciones de temperaturas relativas a la misma temperatura de referencia, la Ecuación 2 será válida. Como se dijo antes, por ejemplo, las tablas de referencia de termopares NIST son generadas con la referencia de la unión-en-frío a 0 °C. Ya que la unión J3 es del mismo tipo de la unión J1 pero con contribuciones opuestas de voltaje, VJ3(Tref ) = -VJ1(Tref ). Ya que VJ1 es el voltaje generado por el tipo de termopar usado en la prueba, usted puede renombrar este voltaje como VTC. Por tanto, la Ecuación 2 es rescribe de la siguiente forma: VMEAS = VTC (TTC ) - VTC (Tref )
(3)
Por consiguiente, midiendo VMEAS y Tref , y conociendo la relación voltaje-a-temperatura de la termopar, usted puede determinar la temperatura en la unión caliente de la termopar. Existen dos técnicas para implementar compensación de uniones-en-frío – compensación por hardware y compensación por software. Ambas técnicas requieren que la temperatura en la unión de referencia sea medida con un sensor de lectura directa. Un sensor de lectura directa posee una salida que depende únicamente de la temperatura en el punto de medición. Sensores tipo semiconductor, termistor y RTDs se emplean comúnmente para medir la temperatura de la unión de referencia. En la compensación por hardware, se inserta una fuente variable de voltaje dentro del circuito para cancelar los voltajes termoeléctricos parásitos. La fuente variable de voltaje genera un voltaje de 58
Compensación de acuerdo con la temperatura ambiente, para así poder adicionar el voltaje correcto para cancelar las señales termoeléctricas indeseadas. Cuando se cancelan estas señales parásitas, la única señal que mide el dispositivo de adquisición de datos es el voltaje desde la unión del termopar. Con la compensación por hardware, la temperatura en los terminales del sistema de adquisición de datos es irrelevante ya que los voltajes parásitos del termopar se han cancelado. La mayor desventaja de la compensación por hardware es que cada tipo de termopar debe poseer un tipo separado de circuito que pueda adicionar el voltaje correcto de compensación; este hecho hace que el circuito sea bastante costoso. La compensación por hardware es generalmente menos exacta que la compensación por software. Como alternativa, usted puede usar compensación por software para la unión-en-frío. Después que un sensor de lectura directa mida la temperatura en la unión de referencia, el software puede adicionar el valor apropiado al voltaje medido con el fin de eliminar los efectos termoeléctricos parásitos. Recuerde la Ecuación 3, la cual establece que el voltaje medido, V MEAS, es igual a la diferencia entre los voltajes en la unión caliente (termopar) y la unión en frío. Los voltajes de salida de una termopar con altamente no lineales. El coeficiente de Seebeck puede variar por un factor de tres o más en el rango de temperatura de operación de algunas termopares. Por esta razón, usted debe realizar aproximación polinómica para la curva voltajecontra-temperatura de la termopar o usar una tabla de búsqueda.
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2.12.2 El equipo requerido Chasis USB de Alta-Velocidad de ocho ranuras cDAQ917 para NI CompactDAQ Módulo de entrada de termopares NI 9211 de cuatro canales, 14 S/s, 24 bits y ±80 mV termopar tipo J
Figura 2.43 Sistema NI CompactDAQ Él NI 9211 posee un conector removible, con 10 terminales de tornillo, que provee las conexiones para cuatro canales de entrada para termopares. Cada canal posee un terminal al cual usted puede conectar el cable positivo de la termopar, TC+, y un terminal al cual puede conectar el cable negativo, TC –. El NI 9211 también posee un terminal común, COM, el cual está conectado internamente a la tierra aislada de referencia del módulo. Refiérase a la Figura 2.44 para la asignación de terminales de cada canal y a la Figura 2.45 para el esquema de conexiones.
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Figura 2.44. Asignación de Terminales
Figura 2.45. Esquema de Conexiones 61
