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Serie de Fundamentos de Mediciones con Sensores

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Fundamentos de Adquisicin de Datos

Anjelica Warren Gerente de productos National Instruments

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Qu es la adquisicin de datos (DAQ)?

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Por qu realizar mediciones?

Los ingenieros necesitan determinar el comportamiento de un sistema para optimizar el rendimiento.

Las seales de los sensores indican cmo est funcionando el sistema.

Los ingenieros pueden usar esa informacin para modificar el rendimiento.

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Registro de datos porttil La adquisicin de datos porttil es una tarea compleja que proporciona informacin valiosa sobre el rendimiento real de un vehculo en funcionamiento.

Es necesario recopilar diversos datos de orgenes diferentes: es posible que estn involucrados hasta 100 canales, incluidos transductores y buses como CAN.

Seales mixtas: vibracin, RPM, tensin mecnica, temperatura, torque, carga, presin, velocidad, CAN, etc.

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Qu es la adquisicin de datos (DAQ)?

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Qu es la adquisicin de datos (DAQ)?

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Qu es la adquisicin de datos (DAQ)?

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Componentes del sistema DAQ

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Informacin general sobre el sensor

Convierte fenmenos fsicos en una seal elctrica medible.

Transductor o sensor

Seal Fenmenos fsicos

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Ejemplos de sensores Fenmenos Transductores/sensores Caractersticas elctricas Temperatura Termopares, dispositivos de

temperatura resistivos (RTD), termistores

Salida de bajo voltaje, no lineal Resistencia baja, no lineal

Luz Tubo de vaco, fotosensores Salida de lazo de corriente, si es de corriente (generalmente entre 4 y 20 mA)

Sonido Micrfono Salida con carga, conversor alimentado

Fuerza y presin Galgas extensiomtricas, transductores piezoelctricos

Resistencia baja, sensibilidad baja, no lineal

Posicin y desplazamiento

Potencimetros, transformador diferencial de variacin lineal (LVDT), encoder ptico

LVDT: Inductivo, requiere demodulacin

Vibracin Acelermetro Salida con carga, conversor alimentado

pH Electrodos de pH

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Analgico

Las seales tienen dos formatos: digital y analgico

Digital

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Seales digitales

Las seales digitales tienen dos estados: alto y bajo Las lneas digitales de un dispositivo DAQ aceptan y generan seales compatibles con la lgica de transistor a transistor (TTL).

+0.8 V 0 V

+5.0 V

+2.2 V

Estado alto

Estado bajo

Indeterminado

Estado

Velocidad

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Analgico

Las seales tienen dos formatos: digital y analgico

Digital

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Seales analgicas

Las seales analgicas son seales continuas que pueden tener cualquier valor respecto al tiempo.

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Terminologa analgica

Nivel El valor instantneo de la seal en un momento determinado.

Forma La forma que toma la seal analgica, que suele indicar otros

anlisis que pueden realizarse sobre la seal.

Frecuencia La cantidad de ocurrencias de un evento que se repite en el

tiempo.

4.71 V

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Componentes del sistema DAQ

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Acondicionamiento de seales para mediciones de calidad El acondicionamiento de seales mejora una seal que es difcil de medir con su dispositivo DAQ.

El acondicionamiento de seales no siempre es necesario.

Seal con ruido y de bajo nivel Seal filtrada y amplificada

Acondicionamiento de seales

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Transductor/seales Acondicionamiento de seales

Termopares Amplificacin, linealizacin, compensacin de unin fra

RTD (sensor de temperatura basado en resistencia) Excitacin de corriente, linealizacin

Galga extensiomtrica Excitacin de voltaje, configuracin de puente, linealizacin

Voltaje alto o de modo comn Amplificador de aislamiento

Cargas que requieren conmutacin de CA o un gran flujo de corriente

Relevadores electromecnicos o relevadores de estado slido

Ruido de alta frecuencia Filtros pasa bajas

Ejemplos comunes de acondicionamiento de seales

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Acondicionamiento de seales comunes para mediciones de voltaje

Amplificacin

Atenuacin

Filtrado

Aislamiento

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Amplificacin

Se utiliza en seales de bajo nivel. Maximiza el uso del rango del convertidor analgico a digital (ADC) y aumenta la precisin.

Aumenta la relacin seal/ruido (SNR).

Amplificador

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Ejemplo: Amplificacin y la relacin seal/ruido (SNR)

Seal de 10 mV Ruido de 1 mV

SNR = 10

Amplificador de 1000x

Ruido de 1 mV

ADC

ADC

Amplificador de 1000x

Seal de 10 mV

SNR = 10 000

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Atenuacin

Disminuye la amplitud de la seal de entrada para adecuarse al rango del dispositivo DAQ.

Es necesario cuando los voltajes de la seal de entrada superan el rango del dispositivo DAQ.

Atenuador

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Filtros

Los filtros eliminan los ruidos no deseados de una seal medida y bloquean las frecuencias no deseadas.

Dominio del tiempo Filtro pasa bajas

Dominio de la frecuencia

Dominio del tiempo

Dominio de la frecuencia

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Aislamiento

El aislamiento ayuda a pasar una seal desde el origen hacia un dispositivo de medicin sin una conexin fsica directa.

Bloquea seales de modo comn altas. Elimina lazos a tierra. Protege su instrumentacin.

Electromagntico

Capacitivo

ptico

Aislamiento

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Componentes del sistema DAQ

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Las tres consideraciones de la adquisicin de datos: Resolucin

Resolucin Rango Tasa de muestreo Resolucin

de 6 bits

Resolucin de 3 bits

Seal original

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Las tres consideraciones de la adquisicin de datos: Rango

Resolucin Rango Tasa de muestreo

Seal original

Resolucin de 3 bits

Rango de -10 V a

10 V

Rango de -2 V a 2 V

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Las tres consideraciones de la adquisicin de datos: Tasa de muestreo

Resolucin Rango Tasa de muestreo Forma de onda original (10 Hz)

Tasa de muestreo = 11 Hz Tasa de muestreo = 25 Hz Tasa de muestreo = 100 Hz

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Consideraciones de la tasa de muestreo Una seal de entrada analgica

es continua con respecto al tiempo.

La seal muestreada es una serie de muestras discretas adquiridas a una tasa de muestreo especificada.

Mientras ms alta sea la velocidad de muestreo, ms se parecer la seal muestreada a nuestra seal real.

Si la velocidad de muestreo no es lo suficientemente rpida, se producir un error denominado aliasing.

Seal real

Seal muestreada

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Tasa de muestreo: con qu frecuencia se realiza una conversin A/D

Alias: representacin errnea de una seal

Aliasing

Muestra adecuada

Aliasing por submuestreo Frecuencia

Am

plitu

d

6

Frecuencia

Am

plitu

d

2

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El uso del Teorema de Nyquist evita el aliasing

Para representar con precisin la frecuencia de la seal original... Frecuencia

Debe tomar una muestra dos veces mayor al componente de frecuencia mxima de la seal.

Para representar con precisin la forma de la seal original Forma

Debe tomar una muestra entre 5 y 10 veces mayor al componente de frecuencia mxima de la seal.

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El Teorema de Nyquist en accin

Seal con aliasing

Muestra adecuada solo para frecuencia

Muestra adecuada para frecuencia y

forma

Onda sinusoidal de 100 Hz

Onda sinusoidal de 100 Hz

Muestra a 100 Hz

Muestra a 200 Hz

Muestra a 1 kHz Onda sinusoidal de 100 Hz

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Componentes del sistema DAQ

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Por qu el software es importante?

Costo total de la aplicacin de medicin =

Precio de hardware + precio de software + costos de desarrollo

Costo oculto Precio visible

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Por qu el software es importante?

36 %, Precio de hardware y software 64 %,

Costos de desarrollo

Fuente: Encuesta a clientes y clientes potenciales de adquisicin de datos de National Instruments, 2005

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Por qu es importante un controlador?

Hardware de DAQ Varios dispositivos

Bus USB, PXI Express, Ethernet, PCI, Wireless

Controlador de hardware DAQmx

Software de aplicacin LabVIEW, C, .NET

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Opciones de software

Programacin Configuracin

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Opciones de software

Programacin Configuracin

DAQmxCfgSampClkTiming( taskHandle, , 10000.0, , DAQmx_Val_FiniteSamps, 1000 );

Cdigo de LabVIEW Cdigo C

DAQmxClearTask( taskHandle );

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Solucin de adquisicin de datos de NI

DAQ porttil Se conecta fcilmente a cualquier equipo porttil o de escritorio con una instalacin simple

NI CompactDAQ Se personaliza con diversos chasis y tipos de mdulo

PXI Optimizado para grandes

cantidades de canales y estrecha sincronizacin

DAQ de escritorio Se instala en la ranura de un

equipo de escritorio para obtener la mxima transferencia de datos

Sistema

Dispositivo nico

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Supere la brecha entre hardware y software con NI-DAQmx NI-DAQmx es un controlador de hardware nico y gratuito

que admite varios lenguajes de desarrollo y cientos de plataformas de hardware de adquisicin de datos NI.

La marca LabWindows se utiliza bajo una licencia de Microsoft Corporation. Windows es una marca registrada de Microsoft Corporation en Estados Unidos y otros pases.

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Cmo elegir el mejor sistema de adquisicin de datos para su aplicacin Su sistema DAQ requiere:

Acondicionamiento de seales adecuado

Resolucin adecuada

Tasa de muestreo adecuada

Tipo adecuado de temporizacin y disparo

Bus correcto

La mejor tcnica de calibracin interna

El conjunto ms eficaz de software para anlisis y reportes

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