6
UNIDAD
CIRCUITOS DE ADQUISICIÓN DE DATOS 6.1 Introducción. La adquisición de datos es el proceso por el cual un sistema digital adquiere datos analógicos como por ejemplo la temperatura, presión, etcétera y estos datos son digitalizados digitalizados para poder poder generar gráficos, cálculos, etcétera de muchos procesos que constantemente están emitiendo datos. En los procesos industriales las señales de medición son en su mayoría de tipo analógico, es decir continuas variando constantemente con el tiempo; las señales pueden ser muy lentas como la variación de temperatura de un tanque o muy rápida como una señal de audio, la figura 6-1 muestra algunas señales.
Figura. 6-1 Distintas señales analógicas. El tratamiento directo de la información analógica como comparar, realizar operaciones algebraicas, almacenar, recuperar, eliminar ruidos, transmitirla a distancia, presenta cierta complejidad pero que se pueden 127
llevar a cabo con circuitos electrónicos, sobre la base de eficientes circuitos circuitos integrados (IC) como el amplificador operacional (OP). En la industria las señales son en general de baja velocidad y pueden fácilmente representarse en forma digital, es decir como una combinación de "ceros" y "unos" (sistema binario). Esto se lleva a cabo mediante un circuito electrónico denominado conversor analógico - digital (ADC). El tratamiento de la información se realiza ahora por medio de uno o varios microprocesadores microprocesadores digitales, incluso, dentro de la computadora (PC). Finalmente, en muchos casos es necesario presentar los resultados finales en forma de salida analógica, por ejemplo: cierre - apertura continúo de una válvula de regulación, salida audible de música almacenada en el computador. Esto se lleva a cabo mediante un circuito electrónico denominado conversor digital -analógico (DAC). En conclusión se trata de la interconexión interconexión entre dos mundos, el analógico y el digital.
6.2 Sistema de adquisición de datos. Un sistema de adquisición de datos puede incluir algunos o todos los elementos que se muestran en la figura 6-2.
Figura. 6-2. Elementos de un sistema de adquisición de datos digital.
128
La gran mayoría de los sistemas de adquisición de datos constan de un bloque adicional que permite realizar acciones de control que pueden operar como salidas analógicas o digitales. La arquitectura simplificada de un sistema para adquisición y control es la que muestra la figura 6-3.
Figura 6-3. Sistema simplificado de adquisición y control.
6.3 Descripción del circuito de adquisición de datos. Las funciones de los elementos que integran un sistema de adquisición de datos se describen a continuación: A) Transductor . Este elemento depende del proceso como la presión, temperatura, aceleración, desplazamientos de pesos y velocidad; lo más común es llamarle sensor. El sensor transforma parámetros físicos en señales eléctricas eléctricas aceptables aceptables para el sistema de de adquisición adquisición de datos. Ejemplo de un sensor es un fotodiodo el cual se muestra en la figura 6-4; el elemento incrementara la cantidad de corriente conforme se le hace incidir luz.
129
Figura 6-4. Ejemplo de un sensor. Los voltajes y corrientes de muchos sensores son señales de poca potencia, además a menudo es necesario transmitir la salida del sensor cierta distancia hacia el sistema de adquisición de datos en ambientes industriales donde el ruido eléctrico puede causar serias dificultades, por lo que es necesario utilizar una conexión física (cable) con ciertas protecciones. La figura 6-5 muestra la utilización de un cable blindado para reducir los efectos del ruido eléctrico.
Figura. 6-5. Cable blindado para evitar el ruido eléctrico. B) Acondicionador de señal . Incluye la circuitería de soporte para el sensor. Esta circuitería puede proporcionar la energía de excitación, circuitos de equilibrio y elementos de calibración. Uno de los circuitos más utilizados en los acondicionadores de señal es el amplificador de instrumentación que son circuitos electrónicos que adaptan o que acondicionan el nivel de una señal suministrada por un sensor cualquiera a un nivel apropiado. Las principales características de un amplificador de instrumentación son: 130
• • •
Alta impedancia de entrada que no cambia aunque se varié la ganancia. Alta ganancia de voltaje. Amplificación de voltajes en forma diferencial y rechazo de voltajes en modo común (como el ruido).
Un ejemplo de un acondicionador de señal se muestra en la figura 6-6.
Figura. 6-6. Acondicionador de señal En la figura 6-7 se presenta el esquema de un amplificador de instrumentación de bajo costo el AD620 que solo necesita un resistor externo para definir las ganancias que van desde 1 a 1000. El fabricante proporciona la relación de ganancia y R G de la siguiente manera:
Ganacia
49400 = 1 + R G
131
Figura 6-7. Amplificador de instrumentación. C) Multiplexor. Acepta múltiples entradas analógicas y las conecta secuencialmente a la siguiente etapa. Este elemento se hace necesario para optimizar recursos y procedimientos de n señales diferentes Después de un transductor o de una fuente generadora de corrientes y/o voltajes, cada canal podrá necesitar sus propios amplificadores tanto de bajo como de alto nivel, con sus respectivas pre o post etapas para efectos de filtrado, así como un sistema apropiado de procesamiento analógico y/o digital en tiempo real; además, tal vez una unidad de registro o almacenamiento para reprocesamiento diferido.
Conectar ese conjunto de partes para obtener la solución sistemática del planteamiento anterior, seguramente dará lugar aun equipo en paquete bastante voluminoso, más grande entre mayor sea el número de canales; además, ante todo podría resultar prohibitivo por su costo. El enfoque moderno para la solución de este tipo de problemas, sigue la tendencia de utilizar el menor número posible de canales procesadores separados; es decir, pasar la variación continua, o una representación válida discreta (introduciendo técnicas de muestreo-retención y conversión A/D de los pulsos aun analógicos), de la señal independiente en cada uno de los canales, si es posible a través de una línea procesadora y transmisora. En general, este concepto es aplicable mediante dos técnicas generales conocidas como multiplexaje: analógico y digital.
132
Figura. 6-8. Comunicación digital. La figura 6-8 muestra la comunicación digital, soportada por componentes de hardware y software, software, que que ha permitido permitido implementar prestaciones de gran trascendencia en el diseño de los sistemas de automatización de plantas, pudiéndose mencionar: economía de cableado, programación a distancia de los dispositivos de campo, recibir información de diagnostico, distribuir funciones de control entre los dispositivos (real control distribuido), facilidades de sustitución y modularidad, disponibilidad de información para mantenimiento predictivo. etc. La distribución de funciones hace más confiable al sistema y disminuye el costo de los tradicionales dispositivos de control centralizados como PCs o PLCs, disminuyendo sus capacidades de procesamiento y memoria. El multiplexaje utilizado por los sistemas de adquisición de datos es el TDM (Multicanalización por División de Tiempo) el cual se muestra en las figuras 6-9 y 6-10.
133
Figura. 6-9. Representación del multiplexor analógico.
Figura. 6-10. Multiplexor analógico con FETs. C) Convertidor Analógico Digital. Convierte el voltaje analógico en su forma digital equivalente y lo envía al microcomputador, La velocidad de 134
conversión (muestras/segundo) será diferente según el principio que aplica. Hay distintos tipos según los requerimientos de velocidad y precisión: aproximaciones sucesivas, doble rampa, paralelo (flash), etc.
6.4 Aplicaciones. Dentro de la oferta comercial de componentes, periféricos y tarjetas para computadoras se encuentran las tarjetas de adquisición de datos, las cuales pueden ser directamente conectadas en el interior de una PC, en slots que el fabricante ha dispuesto para este propósito permitiendo que la tarjeta quede directamente conectada a la CPU del computador. La aplicación de esta tarjeta permite:
• • • •
• •
Presentación de las señales en tiempo real. Procesamiento de la señal para registrar y/o transmitirlas, aplicándoles su particular tratamiento estadístico (promedios, máximos o mínimos). Configuración de todos los parámetros relacionados con la adquisición (intervalo de muestreo, intervalo promedio, etc.) Configuración de todos los parámetros relacionados con la adquisición de datos de cada sensor (tipo y rango de la señal de entrada, valores de cero y fondo escala, conversión a unidades de ingeniería, límites de alarma, etc.). Transmisión de los valores registrados. Transmisión automática de alarmas al puesto central.
El diagrama simplificado de una tarjeta de adquisición de datos se muestra en la figura 6-11. Los sistemas de adquisición de datos se encuentran en procesos industriales tales como la química, textiles, metalúrgicas, en instrumentos digitales médicos como termómetros, esfigmomanómetros, electrocardiogramas, electrocardiogramas, etc. La figura 6-12 muestra otro ejemplo de la utilización del sistema de adquisición de datos; donde el sistema se encarga de la gestión del motor de gasolina de un vehículo.
135
Figura. 6-11. Tarjeta de adquisición de datos
Figura. 6-12. Sistema de adquisición encargado de la gestión del motor de gasolina.
136
BIBLIOGRAFÍA. J. Tocci, Ronald. Sistemas digitales, principios y aplicaciones. Prentice Hall.
F. Coughlin, Robert; F. Driscoll, Frederick. Amplificadores operacionales operacionales y circuitos integrados lineales. Prentice Hall.
Forcada G, Julio. El amplificador operacional. Alfaomega.
Boylestad Robert; Nashelsky Louis. Electrónica Teoría de circuitos. Prentice Hall. Sánchez L, Rafael. Sistemas electrónicos digitales, fundamentos para procesamiento de datos y transmisión de datos. Alfaomega. A. Dempsey, John. Electrónica digital básica, con aplicaciones a plicaciones msi. Alfaomega.
137
