ACELEROMETROS

CAPITULO III
ADQUISICIÓN DE DATOS Y PROCESAMIENTO
DE SEÑALES
3.1 TRANSDUCTORES.
El ser humano posee la sensibilidad de percibir condiciones del entorno que lo rodea
como temperatura, cantidad de luz, formas, etc., a través de los diferentes sentidos,
pero esta percepción esta limitada por ser cualitativa, cuando se requiere una
apreciación cuantitativa los elementos llamados sensores son los garantes de esta
apreciación, pudiendo ser este un elemento eléctrico, mecánico o químico, el cual es
capaz de convertir una característica del entorno físico en una medida cuantitativa,
cada sensor se basa en un principio de transducción: conversión de energía de una
forma en otra.
Entonces se puede llevar una señal física, a una representación eléctrica interpretable
por un sistema eléctrico – electrónico, a través de los llamados transductores. Un
buen transductor no debe agregar falsos componentes a la señal, y debería producir
señales uniformes en todo el rango de frecuencias que nos interesa.
Figura 3.1, Posición de los transductores
Fuente: Los autores
Para el desarrollo del proyecto la adquisición de las señales de vibración, velocidad y
corriente, serán implementados los siguientes sensores:
1
Ø Acelerómetro.
Ø Tacómetro.
Ø Sensor de corriente.
Ø Sensor del voltaje.
Estas señales serán llevadas a un CAS (circuito acondicionador de señal) para su
acondicionamiento
de manera que puedan ser digitalizadas por la tarjeta de
adquisición de datos y subidas al computador para su análisis.
Figura 3.2. Esquema del equipo
Fuente: Los autores
3.1.1 ACELERÓMETRO.
La medición de aceleración es importante en varias situaciones que involucran
sistemas mecánicos. Entre ello las vibraciones. La medición de vibraciones es útil
tanto para evaluar los esfuerzos que se producen en diferentes máquinas y su efecto,
incluso para rastrear el origen de diversos tipos de ruidos.
Figura 3.3. Acelerómetro.
Fuente: Los autores.
3.1.1.1 REQUERIMIENTOS:
Ø El sensor debe aplicarse de manera no invasiva.
2
Ø La señal de salida deberá conservar todas las características de la señal
censada.
Ø La señal de salida del sensor deberá poder ser acondicionada a un nivel de
voltaje compatible con el sistema de adquisición de datos.
Ø Deberá poseer un ancho de banda de 0-5000 Hz.
3.1.1.2 MODELO MATEMÁTICO.
La medición de aceleración puede realizarse midiendo la fuerza necesaria para
acelerar un objeto de masa conocida, para lo cual a su vez bastará medir la deflexión
de un resorte que sostiene a dicha masa. Figura 3.2
K
objeto
vibrante
m
F
X
Y
Figura 3.4. Modelo físico al cual se basa el funcionamiento de los acelerómetros integrados.
Fuente: Los autores
La disposición muestra un objeto vibrante cuya aceleración se desea medir. Sobre el
mismo está montado el dispositivo de medición formado por una masa m y un
resorte con constante elástica k. Lo que se desea medir es la segunda derivada del
desplazamiento del objeto vibrante, es decir
x '' t
at
3.1
La dificultad de medir la aceleración inercial directamente nos obliga a medir
deformación x (t) y y (t) del resorte. Ahora llamamos F a la fuerza aplicada por el
resorte a la masa m y que es la relación entre deformación y la aceleración
F
k x
mx ''
y
3.2
De donde se obtiene una ecuación diferencial que relaciona x e y
x ''
ky
kx
3
3.3
Aplicamos la transformada de Laplace con las condiciones iniciales nulas tenemos:
Y s
1
Donde
0
X s
m
k
X s
s
2
s
1
3.4
2
0
k m es la frecuencia natural o frecuencia de resonancia del sistema, si
hacemos X-Y:
X s
X s
2
s
1
2
0
Y s
s
1
0
2
1
0
s
2
As
3.5
0
Donde A(s) es la transformada de la aceleración, se puede ver que la deformación
del resorte es aproximadamente proporcional a la aceleración, cuando
xt
yt
1
2
at
0
3.6
0
Una vez reducido el problema de medir aceleración al de medir una deformación
geométrica, existen varios enfoques posibles para resolverlo. Uno sería utilizar una
celda de carga. Otro, aplicar el efecto piezoeléctrico que exhiben algunos cristales,
otro, transformar la deformación en una variación de capacitancia, que luego puede
medirse eléctricamente.
3.1.1.3 GENERALIDADES DEL ACELERÓMETRO.
Los acelerómetros son dispositivos para medir aceleración y vibración. Estos
dispositivos convierten la aceleración de gravedad o de movimiento, en una señal
eléctrica analógica proporcional a la fuerza aplicada al sistema, o mecanismo
sometido a vibración o aceleración. Esta señal analógica indica en tiempo real, la
aceleración instantánea del objeto sobre el cual el acelerómetro está montado.
4
Los acelerómetros miden la aceleración en unidades “g”. Un g se define como la
fuerza gravitacional de la tierra aplicada sobre un objeto o persona.
Los acelerómetros son direccionales, esto quiere decir que sólo miden aceleración en
un eje. Para monitorear aceleración en tres dimensiones, se emplea acelerómetros
multiejes (ejes x, y, z) los cuales son ortogonales.
La clasificación principal de los acelerómetros se constituye en dos grupos:
Ø Pasivos
Ø Activos.
Los acelerómetros pasivos envían la carga generada por el elemento sensor (puede
ser un material piezoeléctrico), y debido a que esta señal es muy pequeña, estos
acelerómetros requieren de un amplificador externo para incrementar la señal.
Los acelerómetros activos incluyen circuitos internos para convertir la carga del
acelerómetro a una señal de voltaje, pero requieren de una fuente constante de
corriente para alimentar el circuito.
3.1.1.4 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL ACELERÓMETRO
PIEZOELÉCTRICO.
Mide la fuerza de inercia generada cuando una masa sísmica es afectada por un
cambio de velocidad.
Se puede considerar al acelerómetro piezoeléctrico como el transductor estándar para
medición de vibración en máquinas. Se produce en varias configuraciones, pero la
ilustración del tipo a compresión sirve para describir el principio de funcionamiento.
Este se basa en el principio de que cuando se comprime un retículo cristalino
piezoeléctrico, se produce una carga eléctrica proporcional a la fuerza aplicada.
Cuando una materia está sujeta a una fuerza, se genera una carga eléctrica entre sus
superficies.
5
q
d 33 F
u
d 33 d
F
e33 A
A área del
d
F
electródo
grosor
fuerza
q
c arg a
u
voltaje
d 33 , e33 cons tan tes
piezoeléctricas
Figura 3.5. Elemento piezoeléctrico en forma de disco.
Fuente: Los autores.
Se puede apreciar en la figura 3.5 el elemento piezoeléctrico tiene forma circular,
este elemento puede ser de cristales de cuarzo o materiales sintéticos como
cerámicos. El elemento sensor de un acelerómetro piezoeléctrico consiste en dos
partes principales:
Ø Material piezoeléctrico
Ø Masa sísmica
El material piezoeléctrico esta conectado en forma rígida a la base del sensor. La
llamada masa sísmica se adjunta a la otra parte. Cuando el acelerómetro es sometido
a vibración, se genera una fuerza que actúa sobre el elemento piezoeléctrico. De
acuerdo con la ley de Newton (F=m.a) esta fuerza es igual al producto de la masa
sísmica y la aceleración. Por efecto piezoeléctrico una señal de carga eléctrica
aparece en la salida, proporcional a la fuerza aplicada dado que la masa sísmica es
constante la carga de la salida también es proporcional a al aceleración de la masa.
F
m.a
sencibilidad
Bqa
q
a
sencibilidad
Bua
de c arg a
de voltaje
u
a
Figura 3.6. Posición de la masa sísmica.
Fuente: Los autores
6
Como se menciono anteriormente el material piezoeléctrico puede variar, siendo el
cuarzo uno de los más utilizados. Algunos materiales son capaces de funcionar a
temperaturas más altas que el Cuarzo. Si se incrementa la temperatura de un material
piezoeléctrico, se debe cuidar de no llegar al llamado "punto Curie" o " temperatura
Curie" ya que se pierde la propiedad piezoeléctrica. Una vez que esto pasa, el
transductor está defectuoso y no se puede reparar.
Los niveles más bajos de aceleración que puede detectar son determinados
únicamente por el ruido del sistema electrónico y el límite de los niveles más altos es
la destrucción del mismo elemento piezoeléctrico. Este rango de niveles de
aceleración puede abarcar un rango de amplitudes de alrededor de 10, lo que es igual
a 160 dB. Ningún otro transductor puede igualar esto.
El acelerómetro piezoeléctrico es muy estable sobre largos periodos. Mantendrá su
calibración si no se le maltrata. Las dos maneras de que se puede dañar un
acelerómetro son la exposición a un calor excesivo y la caída en una superficie dura.
Si se cae de una altura de más de 60cm, en un piso de concreto, o en una cubierta de
acero, se debe volver a calibrar el acelerómetro para asegurarse que el cristal no se
cuarteó. Una pequeña cuarteadura causará una reducción en la sensibilidad y también
afectará de manera importante a la resonancia y a la respuesta de frecuencia.
El rango de frecuencias del acelerómetro es amplio y se extiende desde frecuencias
muy bajas en algunas unidades hasta varias decenas de Kilo hertzios. La respuesta de
alta frecuencia está limitada por la resonancia de la masa sísmica, junto con la
elasticidad del piezoelemento. Esa resonancia produce un pico importante en la
respuesta de la frecuencia natural del transductor y eso se sitúa normalmente
alrededor de 30 Khz. para los acelerómetros que se usan normalmente. Una regla
general es que un acelerómetro se puede usar alrededor de 1/3 de su frecuencia
natural, figura 3.5b. Valores por encima de esta frecuencia se acentuarán debido a la
respuesta resonante, pero se pueden usar si se toma en cuenta este efecto.
Fb
lim ite de baja frecuencia
F0
frecuencia de calibración
Fr
frecuencia de resonancia
7
(a)
(b)
Figura 3.7(a), 3.7(b). Régimen de trabajo del acelerómetro
Fuente: Metra Mess, ‘‘Teoría del Piezoeléctrico’’, www.MMF.de.
Comparados con otros tipos de transductores de aceleración (resistivos, capacitivos,
piezoresistivos, reluctancia, elemento vibrante, servo, etc.), los acelerómetros
piezoeléctricos tienen las siguientes ventajas:
Ø Un rango de medición bastante elevado, bajo ruido de salida
Ø Excelente linealidad en todo su rango dinámico
Ø Amplio rango de frecuencias
Ø Tamaño Compacto
Ø No lleva partes movibles
3.1.1.5 CONSTRUCCIÓN DE LOS ACELERÓMETROS.
Existen diversos materiales de cristales piezoeléctricos, que son útiles en la
construcción de acelerómetros. Entre los materiales más comunes se tiene
Metaniobato cerámico, Zirconato, Titanato y cristales naturales de cuarzo. La figura
3.6 muestra esquemáticamente el acelerómetro. Dichos elementos se encuentran
comprimidos por una masa, sujeta por una tuerca y perno axial asegurada en la base
y todo el conjunto dentro de una caja metálica. Este dispositivo junto con los
circuitos eléctricos asociados se puede usar para la medida de velocidad y
desplazamiento además de la determinación de formas de onda y frecuencia. Una de
las ventajas principales de este tipo de transductor es que se puede hacer tan pequeño
que su influencia sea despreciable sobre el dispositivo vibrador.
8
Figura 3.8. Componentes internos de un acelerómetro activo, cuyo efecto físico de funcionamiento es
la comprensión
Fuente: Metra Mess, Teoría del Piezoeléctrico, www.MMF.de.
Cristales Cerámicos
Cristales de Cuarzo
Cristales piezoeléctricos hechos por el hombre
Alta sensibilidad de Salida
Mas barato
Baja temperatura de operación
Cristales piezoeléctricos naturales
Baja sensibilidad de Salida
Costo Elevado
Alta temperatura de operación
Tabla 3.1 Comparación entre cristales de cuarzo y cristales cerámicos.
Fuente: Los autores.
3.1.1.6 TIPOS DE ACELERÓMETROS PIEZOELÉCTRICOS.
Existen tres tipos de acelerómetros piezoeléctricos:
Ø Por Compresión (Compresión)
Ø Por Cortante (Shear)
Ø Por Doblamiento (Bending)
Lar razón para la utilización de diferentes sistemas piezoeléctricos esta en función de
su actitud individual para diversas tareas de medición y sensibilidad a las diferentes
influencias ambientales. ANEXO 3.1
9
3.1.1.7
ACONDICIONADORES DE SEÑAL IEPE (Integrated Electonics
Piezo Electric) ó ICP (Integrated Circuit Piezolectric).
Como se menciono en la sección 3.1.1.5, existen actualmente dos tipos acelerómetros
piezoeléctricos
Ø Solo piezoeléctrico el cual genera cargas eléctricas en función de la carga
física aplicada, este puede trabajar a una temperatura superior al ICP
Ø El ICP es el que incorpora en su encapsulado un seguidor de tensión de
ganancia unidad, a más de elementos de amplificación. Los cuales incorporan
bondades como: salida ICP
(mV/g), adecuado para conexión directa a
instrumentación universal, versiones con ganancia 0.1, 1 y 10 mV/pC,
Conector BNC de salida, La salida de voltaje de máximo esta determinado
por el circuito electrónico interno regularmente oscila entre 4-8 voltios, con
sensibilidad de 1V/g.
La mayoría de los acelerómetros que hoy en día se usan en la industria son del tipo
ICP, lo que quiere decir que tienen un preamplificador interno de circuito integrado.
Este preamplificador recibe su energía de la polarización de la corriente directa por el
alambre de la misma señal, así que no se necesita alambrado suplementario. El
acelerómetro ICP tendrá un límite de baja frecuencia, debido al mismo amplificador
y este se sitúa generalmente a 1 Hz para la mayoría de las unidades disponibles
comercialmente. Algunas unidades fueron diseñadas especialmente para ir hasta [0,
1] Hz si se necesita datos de muy baja frecuencia. Cuando se usa un acelerómetro
ICP se debe tener cuidado de no exponerlo a niveles de aceleración donde el voltaje
de salida rebasara varios voltios. Si no, se sobrecargará el preamplificador interno y
el resultado será una distorsión.
Cuando se conecta un acelerómetro ICP a la fuente de energía, el amplificador
necesita unos segundos para estabilizarse. Durante este tiempo cualquier dato que la
unidad recogerá será contaminado por las lentas variaciones del voltaje. Por esa
razón, los recopiladores de datos deben de tener un retraso integrado, para asegurar
que la unidad está en condición estable. Si el retraso es demasiado breve, la forma de
onda de tiempo tendrá una rampa de voltaje en forma exponencial superpuesta sobre
los datos y en el espectro se verá una característica creciente de muy baja frecuencia
10
a veces llamada bajada de esquí. Este se debe evitar, ya que compromete el rango
dinámico de la medición.
3.1.1.8 MÉTODOS DE MONTAJE.
El método de montaje del acelerómetro, varia el valor de
la frecuencia de
resonancia, siendo más útil montarlo en la superficie a monitorear con tornillo, ya
que mantiene el rango de frecuencia para el acelerómetro.
Figura 3.9.Curvas modulo de vibración Vs. Frecuencia de trabajo, a diferentes tipos de montaje.
Fuente: WILCOXON,’’Vibration monitoring solutions at your
fingertips”www.honeywell.com/sensotec
Figura 3.10. Métodos de montaje del acelerómetro
Fuente: Metra Mess, ‘‘Teoría del Piezoeléctrico’’, www.MMF.de
Como se trata de un acelerómetro uniaxial, la toma de datos triaxiales se puede hacer
mediante tres acelerómetros como se muestra en la figura 3.10 (f), existen
11
acelerómetros triaxiales pero por cuestiones de costo se puede efectuar el montaje
mencionado siempre que se disponga de espacio (costo del acelerómetro triaxial
1250 dólares, costo de un acelerómetro uniaxial 185)27.
El acelerómetro uniaxial también detecta la vibración en otro eje pero es una señal
baja, es preferible colocar el acelerómetro e ir tomando las señales por cada uno de
los ejes X Y y Z
La sensibilidad de la aceleración del eje transversal es baja en un 5% de sensibilidad
sobre el eje de trabajo.
Figura 3.11.Sensibilidad de cruce entre ejes.
Fuente: Metra Mess, ‘‘Teoría del Piezoeléctrico’’, www.MMF.de
3.1.1.9 MONTAJE DEL CABLE AL ACELERÓMETRO.
Es importante el manejo de cables y conectores. En el acelerómetro es común el uso
del cable coaxial y si este se expone a condiciones de doblado o tensionado pudiera
ser que existieran cambios de capacitancia, en consecuencia adicionando cargas en
la señal (efecto llamado “triboelectric”),
afectando las mediciones de baja
frecuencia, para ello se aconseja sujetar el cable con rines, amarras en cadena o
sujetadores clips. Como se ve en la figura, 3.12, a mas de considerar que el cable de
sensores con carga de salida no debe exceder los 10 m, Los conectores deben estar
absolutamente limpios y libres de impurezas para reducir el ruido, Los acelerómetros
IEPE no necesitan cables especiales de bajo ruido, etc.
27
Costo consultado en www.omega.com
12
Figura 3.12.Métodos de tratamientos del cable.
Fuente: Metra Mess, ‘‘Teoría del Piezoeléctrico’’, www.MMF.de
3.1.1.10 CONEXIÓN A TIERRA DEL ACELERÓMETRO.
Cuando se enlaza dos partes eléctricamente activas, que tienen conexiones a tierra
diferentes, cada una de estas partes puede diferir en el nivel de tensión (milivoltios),
suficiente para afectar la lectura tomada por el acelerómetro ya que se trata de una
señal baja (1V/g) adicionando o sustraendo valor a la señal, figura 3.13.
Se puede corregir esta anomalía a partir de tres métodos:
Ø Conectando las dos partes activas a la misma tierra (siempre y cuando la
distancia no exceda 10m), figura 3.14
Ø Aislarse eléctricamente el acelerómetro de la estructura a monitorear, este
método compromete al valor de la frecuencia natural como se vio en la
sección 3.1.1.7, considerando la figura 3.15
Ø Utilizar acelerómetros que ya están provistos de aislamiento interno,
mostrado en la figura 3.16
ÁQUINA
ATERRADA 0
Figura 3.13 La diferencia de potencial entre
las masas del la maquina y el monitor
distorsiona la señal
Figura 3.14 El interconectar eléctricamente
masas a tierra elimina la distorsión de la señal
13
Figura 3.15 El aislamiento en el montaje
del acelerómetro, también suprime la
distorsión en la señal.
Figura 3.16 Existen acelerómetros
provistos de aislamiento interno.
Fuente: Las figuras 3.13, 3.14, 3.15 y 3.16, los autores
3.1.2 SENSOR DE VOLTAJE.
3.1.2.1 REQUERIMIENTOS:
Ø El sensor debe aplicarse de manera no invasiva
Ø La señal de salida deberá conservar todas las características de la señal
censada
Ø La señal de salida del sensor deberá poder ser acondicionada a un nivel de
voltaje compatible con el sistema de adquisición de datos
Ø Deberá poseer un ancho de banda de 0-500Hz
Tabla 3.2 Consideraciones para el sensor de voltaje:
Fuente: Los Autores.
14
3.1.2.2 PARÁMETROS DE SELECCIÓN:
Para la medición del voltaje de alimentación del motor se empleara divisores de
tensión por cada una de las líneas, de esta manera podemos obtener un nivel de
tensión pico menor a 10 voltios, magnitud que puede ser admitida por la tarjeta de
adquisición de datos, siendo el voltaje en la resistencia de menor valor, la que
proporcionara la señal de voltaje, ya que dentro de sus características se encuentra la
linealidad el voltaje y la fase será el reflejo de la fuente de alimentación de cada
línea.
ANEXO 3.3
3.1.3 SENSOR DE CORRIENTE.
3.1.3.1 REQUERIMIENTOS:
Ø Un método no invasivo
Ø Deberá poder medir un rango de corriente de al menos la nominal o a plena
carga del motor evaluado
Ø La señal de salida deberá contener todas las características de la señal de
corriente censada
Ø Deberá tener un ancho de banda de 0-500 Hz.
3.1.3.2 PARÁMETROS DE SELECCIÓN:
Tabla 3.3. Consideraciones para la elección del sensor de voltaje.
Fuente los Autores.
Para la adquisición del la magnitud de corriente que circula en cada una de las líneas
que alimenta al motor, se empleara el uso de sensores de corriente que basan su
15
funcionamiento en el principio físico del efecto Hall, cuya propiedad física propicia
la medición tanto en corriente alterna así como en corriente continua. ANEXO 3.4
Figura 3.17. Sensores de corriente, Efecto Hall
Fuente: Los autores.
3.1.3.3 EFECTO HALL.
Cuando una placa metálica transmite una corriente eléctrica y se halla situada en
un campo magnético perpendicular a la dirección de la corriente, se desarrolla por
encima de la placa un campo eléctrico transversal, es decir, perpendicular al
sentido de la corriente. Este campo, denominado campo de Hall, es la resultante
de fuerzas ejercidas por el campo magnético sobre las partículas de la corriente
eléctrica, sean positivas o negativas, o positivas en un sentido y negativas en el
otro.
Este fenómeno tiene dos consecuencias principales. La primera es que la
acumulación de cargas en un lado de la placa, en el campo así creado, implica que
el otro lado tiene una carga opuesta, creándose entonces una diferencia de potencial. La segunda es que la carga positiva posee un potencial superior al de la
carga negativa. La medida del potencial permite, por tanto, determinar si se trata
de un campo positivo o negativo.
16
3.1.4 TACÓMETRO.
3.1.4.1 REQUERIMIENTOS:
Ø Un método no invasivo.
Ø Deberá poder medir un rango de velocidad nominal.
Ø La señal de salida deberá poder mostrar en forma proporcional la velocidad
de giro a la frecuencia de la señal.
Ø Deberá tener un ancho de banda de 0-720 Hz.
A más de las variables eléctricas consideradas en el desarrollo del proyecto es
importante tener en cuenta el dato de velocidad de giro del motor, ya que análisis de
orden hace referencia a los eventos sucedidos por revolución.
Medir la velocidad en la flecha del rotor,
implica convertir la una señal de
movimiento en una señal eléctrica de la cual se presenta como un tren de pulsos a
una frecuencia igual a la del giro del motor multiplicado por el numero de tomas de
señal, con lo cual se pueden conocer los efectos que suceden con cada uno de los
parámetros del motor desde que arranca hasta alcanzar su velocidad nominal a mas
de que se puede saber a que velocidad puede presentarse el fenómeno de resonancia
con la estructura que sostiene el motor.
El tacómetro empleado censa la velocidad a partir del corte de señal de luz infrarroja
en el receptor a través de una rueda con una serie de muescas (24), esto producida un
tren de pulsos fácilmente interpretable como frecuencia. ANEXO 3.5.
Figura 3.18. Adquisición de la señal de velocidad
Fuente: Los autores.
17
3.2 ADQUISICIÓN DE SEÑALES.
La adquisición de señales tiene por objeto digitalizar la señal analógica del
transductor y llevarla al computador
La mayor parte de adquisición hoy en día son basados en la PC, o en algún tipo de
microprocesador que se adapte a un conversor Analógico – Digital y transfiere sus
lecturas a una memoria externa
Para la elaboración de nuestro sistema hemos considerado varias opciones de
comunicación como se muestran en la tabla 3.4
TIPO
DISPOSITIVOS
INTERNOS
MEDIO
TARJETAS PLUG-IN
PUERTO PARALELO
PUERTO SERIAL
DISPOSITIVOS
EXTERNOS
TARGETAS PC
PUERTO USB
DISPOSITIVOS
INDEPENDIENTES
INTERFACES
REGISTRADOR DE
DATOS
PC A IEEE 488
CARACTERISTICAS
VELOCIDAD LO MÁS RÁPIDA POSIBLE, NO
J
J J
J
COMPLICADA
VELOCIDAD RÁPIDA, PORTÁTIL, FÁCIL
EXPANSIÓN DE CANALES Y CONEXIÓN DE
SEÑAL
VELOCIDAD LENTA, PORTÁTIL, FÁCIL
CONEXIÓN DE SEÑAL
VELOCIDAD MEDIA A RÁPIDA, MUY
PORTÁTIL, CANALES Y CONEXIÓN DE SEÑAL
LIMITADOS
VELOCIDAD VARIABLE DE ACUERDO A LA
VERSIÓN, AUTOINSTALBLE EN EL MOMENTO
DE CONEXIÓN, MUY PORTÁTIL, FÁCIL
CONEXIÓN DE SEÑAL
BAJA VELOCIDAD, PORTÁTIL, CONEXIÓN DE
SEÑAL FACIL, NO NECESITA PC A EN EL SITO
DE PRUEBAS
VELOCIDAD DE TRANSFERENCIA BAJA,
CAPACIDADES DEPENDEN DEL
INSTRUMENTO ESPECÍFICO
Tabla 3.4 Opciones de comunicación para la adquisición de señales.
Fuente: Los autores
El sistema USB se ha vuelto bastante popular en la versión 2.0 siendo esta la más
actual y rápida a 12Mbits/s que es útil para aplicaciones sencillas en tiempo real
3.2.1 CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA DE ADQUISICIÓN
Ø Amplitud de la señal de entrada.
Ø Frecuencia máxima de señal.
Ø Ancho de Banda.
Ø Tipo de conversor Analógico Digital.
Ø Rango de resolución ADC.
Ø Relación señal a ruido de cuantización. (SQNR).
18
Ø Muestreo.
Ø Filtro Antialiasing.
Ø Configuración de la señal de entrada al ADC.
Ø Fuentes de ruido.
3.2.1.1 AMPLITUD DE ENTRADA.
En los diferentes canales de entrada los valores de voltaje de ingreso están en el
rango de
6V . Mientras que la tarjeta admite valores
tierra común) y
10V
RSE (referidos a
20V en configuración diferencial, con 8 y 4 canales de entrada
respectivamente.
3.2.1.2 FRECUENCIA MÁXIMA DE LA SEÑAL.
Cuando se realice las pruebas de medición de la corriente, la máxima frecuencia que
alcanza
la señal será
f máx
60 1 2s
s 1
180Hz 28. Mientras que cuando se
realice las pruebas de vibración la máxima frecuencia que puede alcanzar el
acelerómetro es de 6000 Hz, por lo que para la adquisición de las señales se
adjuntaran filtros antialiasing.
Para considerar el ancho de banda elevamos la frecuencia de la señal de corriente a
500 Hz, para no tener una atenuación de 3 dB. a 180Hz, mientras que para la
medición de aceleración el filtrado se tendrá un ancho de banda de 5000Hz.
3.2.1.3 CONVERSIÓN ANALÓGICO DIGITAL.
El ADC puede ser Flash, que tiene un buen rendimiento en cuanto a velocidad pero
tiene alto costo, y puede ser también de aproximaciones sucesivas que toma un
mayor tiempo en la digitalización.
En la implementación del sistema, puede utilizarse cualquiera de los dos tipos de
ADC, ya que la velocidad de transformación no será imprescindible y la frecuencia
de trabajo no se acercara a la frecuencia de corte del dispositivo ya que la banda es
en banda base.
28
Frecuencia de bandas laterales máxima, cuando el deslizamiento es igual 1, sección 2.3
19
3.2.1.4 RANGO DE RESOLUCIÓN DEL ADC
El rango del dispositivo debe concordar con los requerimientos del sistema de
adquisición. Como se menciona 3.2.1.1 el rango de voltaje máximo a cubrirse es de e
-6V a 6 V, en cuanto a las medidas de voltaje corriente y velocidad, mientras que
para el parámetro de aceleración, el acelerómetro entrega una tensión de 30mV/g, al
ser de tipo pasivo, de acuerdo a las normas mostradas en el ANEXO 3 el mínimo
valor a considerar seria 0,3 g para evaluar el nivel de vibración. Con lo que
tendríamos que adquirir la señal de voltaje en aceleración a un mínimo valor de
10mV (sin considerar la etapa de amplificación)
La resolución del dispositivo es determinada por el número de bits de salida ADC
D
2N
R
3.7
R Resolución en voltios
D Rango dinámico de la señal en voltios
N Número de bits del conversor ADC
n log 2 log D
R
6V
10mV
log 2
log
n
10bits de resolución
Entonces con 10 bits de resolución se puede leer un mínimo de 10mV de lectura sin
distorsión y SQRN tendría un equivalente de:
SQRN
20Log
Dseñal
Druido
Dseñal
Druido
SQNR
20 log
SQNR
N 20 log( 2)
SQNR
6,02 N
SQNR
60dB
20
3.8
20 log
Dseñal
Dseñal
2N
3.2.1.5 MUESTREO.
La frecuencia de muestreo depende de la frecuencia máxima que se quiera analizar.
Para esta consideración se debe tomar en cuenta el teorema de Shannon – Nyquist de
muestreo para evitar el Aliasing, por ello será necesario que las señales de voltaje y
corriente se muestreen a un rate de 1500 S/s, para el muestreo de la velocidad a 1800
S/s y para la señal de vibración a 15KS/s.
Para el análisis digital se adquirirán 6400 muestras por canal, la arquitectura del
sistema expone que un
máximo 3 canales
trabajen a la vez mediante la
múltiplexación o muestreo simultaneo.
3.2.1.6 FILTRO ANTIALISING.
Este efecto es eliminado considerando limitar el rango de frecuencias de la señal
admitida, interponiendo un filtro pasabajo entre la salida del instrumento analógico y
la entrada de la etapa de muestreo.
3.2.1.6.1 FORMACIÓN DE ALIASIS.
Si tenemos una señal en el tiempo encerrada en un intervalo de 0 a T, ¿Cuál es el
número de muestras necesarias para que la señal pueda ser procesada?, la
transformada de Fourier de la señal es:
T
y t .e
Y f
2 j ft
dt
3.9
0
Si el segmento esta limitado entre 0 y T la transformada de Fourier también esta
limitado entre –F y F ( en la practica el segmento es de longitud finita y el espectro
se limita con un filtro pasa bajo ), entonces para definir a la señal habrá que
muestrear ya sea la señal en el tiempo y(t) o el especto Y(f) a frecuencias iguales al
llamado “intervalo de NIQUIST” 1/T dentro del intervalo –F a F por lo que el
número requerido de muestras será:
N
2F
1
T
2FT
21
3.10
En cambio si muestreamos el segmento f(t) con el “intervalo de NIQUIST” 1/(2F)
entonces el número de muestras requeridas será:
N
T
1
2F
2FT
3.11
Esto indica que se necesita igual número de muestras, si se muestrea la señal y(t) en
el tiempo o el espectro Y(f) con el “intervalo de NYQUIST”.
En la ecuación anterior 3.11 podemos deducir que el máximo intervalo de muestreo
es 1/(2F) por lo que, si para maestrear se emplea un intervalo menor que 1/(2F), se
tomara mayor cantidad de muestras con consiguiente desperdicio de tiempo en el
cálculo y de memoria. Por lo contrario, se muestrea a un intervalo mayor que 1/(2F),
se tomaran menos muestras que las necesarias, siendo imposible reconstruir la señal,
confundiéndose las frecuencias en el espectro, este efecto se identifica como
ALIASING o en español ALIASIS.
Figura 4.19. Muestreo menor a la frecuencia de Nyquist se torna como una señal de menor frecuencia
Fuente: SCHEFFER,Cornelius, PRACTICAL
MACHINERY VIBRATION ANALYSIS AND PREDICTIVE MAINTENANCE, 2004, p 57.
Entonces para muestrear una señal se necesita dos muestras por periodo para poder
definir una componente de frecuencia en la señal original. Por lo tanto la mayor
frecuencia que puede se copiada fielmente será:
f NIQUIST
fN
2
22
3.12
A esta frecuencia se le conoce como la frecuencia de NYQUIST, las componentes de
la señal original y(t) cuyas frecuencias superen la frecuencia de NYQUIST,
aparecerán en el espectro por debajo de
f NIQUIST
confundiéndose con las
componentes de la señal original.
En la mayoría de los analizadores modernos, la frecuencia de muestreo esta puesta a
2. 56 veces la frecuencia límite del filtro.
3.2.1.7 EFECTO DE LEAKAGE
Si una forma de onda senoidal esta pasando a través del nivel cero, al principio y al
final de la grabación de tiempo, eso es si la grabación de tiempo abarca exactamente
un número entero de ciclos de la forma de onda, el espectro FFT resultante consistirá
de una sola línea con la amplitud y la frecuencia correcta. Si por otra parte, el nivel
de la señal no está en cero, en ambas partes de la grabación de tiempo, la forma de
onda será truncada y eso provocará una discontinuidad en la señal de la que se tomó
muestras. Esta discontinuidad no está bien manejada por el proceso FFT y el
resultado es que el espectro está ungido desde una sola línea en las líneas vecinas. A
este se le dio el nombre de fugas.
Figura 4.20 Transformada de Fourier ideal-real
Fuente: Los autores
Inevitablemente la señal registrada tiene que ser truncada en el tiempo, lo que
equivale a encerrara dentro de una ventana en el tiempo, realizando este
procedimiento de la señal antes de calcular la FFT. Ya que sino se lo hace aparecen
fugas tal como se menciona anteriormente, lo que hace la ponderación es reducir el
efecto de las fugas, vigilando que el nivel de la señal este en cero al principio y al
final de la grabación de tiempo. Esto se hace multiplicando los datos recopilados por
23
una función llamada "ventana" o "ponderada" Las ventanas son funciones
matemáticas usadas con frecuencia en el análisis y el procesamiento de señales para
evitar las discontinuidades al principio y al final de los bloques analizados. Una señal
de longitud voluntariamente limitada, los diferentes tipos de ventanas existentes son:
1. Rectangular (básica, sin ventana)
2. Flat top
3. Hanning
4. Hamming
5. Kaiser Bessel
6. Blackman
7. Barlett.
La función que mejor se adapta al tipo de señales manejadas en el proyecto es la
ventana de Hanning, que es diferente la ventana de Hamming que hoy es obsoleta.
3.2.1.7.1 LA VENTANA HANNING
Figura 4.21. Atropamiento de la señal en los niveles de cero al inicio y final
Fuente: Los autores
La ventana Hanning llamada por su inventor Von Hann, tiene la forma de un ciclo de
una onda cosenoidal, a que se agrega 1 para que así siempre sea positivo. Los valores
de la señal muestreada se multiplican por la función Hanning y el resultado se ve en
la gráfica. Noten que las extremidades de la grabación de tiempo fueron forzadas
hacia cero sin tomar en cuenta que está haciendo la señal de entrada.
La ventana Hanning realiza un buen trabajo, forzando las extremidades hacia cero,
pero también agrega distorsión a la forma de onda que se está analizando, bajo la
73
forma de modulación de amplitud, eso es la variación en amplitud de la señal sobre
la grabación de tiempo
Figura 4.22. La ponderación de Hanning no es adecuada para transitorios
Fuente: Los autores
La ventana Hanning siempre se debe usar con señales continuas y no para señales
transientes. La razón es que la forma del transiente será distorsionada por la forma de
la ventana. y la frecuencia y el contenido de un transiente están íntimamente
conectados con su forma.
El nivel medido también será fuertemente distorsionado. Aunque el transiente
estuviera en el centro de la ventana de Hanning, el nivel medido sería dos veces el
nivel actual, debido a la corrección de la amplitud, aplicada por el analizador cuando
esta usando el efecto de ponderado Hanning.
Una señal ponderada Hanning esta solamente presente por la mitad. La otra mitad
fue removida por el proceso de la ventana. Esta no presenta problemas con una señal
perfectamente suave, y continua como una onda senoidal, pero la mayoría de las
señales que queremos analizar, como firmas de vibraciones de máquinas no son
perfectamente suaves. Si ocurre un pequeño cambio en la señal cerca del inicio o del
final de la grabación en tiempo, o bien se analizará a un nivel mucho más bajo que su
nivel verdadero, o se puede pasar totalmente desapercibido.
3.2.1.8 CONFIGURACIÓN DE LA SEÑAL DE ENTRADA AL DISPOSITIVO
Principalmente existen dos formas de adquirir señales: referidas a tierra y
diferenciales o flotantes este ultimo hace presencia al tomar la señal de voltaje ya que
74
se conectan directamente en la red pública y el punto común de empalme no puede
ser enlazada a la tierra de referencia por un alto grado de ingerencia de ruido es por
ello que se implemento un hardware como se ve en el ANEXO 3.2 en la etapa
diferencial, de esta forma refiriendo la señal a la tierra común del sistema.
3.2.1.9 FUENTES DE RUIDO EN EL SISTEMA DE ADQUISICIÓN.
CARACTERISTICA
RUIDO
CONDUCTIVO
NATURALEZA DEL
LEY DE OHM
RUIDO
IMPEDANCIA DE
LOS CABLES
FUENTES DE RUIDO
DIFERENTE DE
CERO
FORMA DE
ATENUARLOS
USAR CABLES
PEQUEÑOS Y
RELATIVAMENTE
GRUESOS DE
ACUERDO A LA
CORRRIENTE QUE
MANEJEN
FRECUENCIA A LA
TODAS
QUE SE
PRESENTAN
RUIDO
CAPACITIVO
RUIDO
INDUCTIVO
RUIDO
RADIANTE
RUIDO DE
CUANTIZACIÓN
CAMPO
ELÉCTRICO
CAMPO
MAGNÉTICO
ONDAS
EFECTO DE
ELECTROMAGNÉ CUANTIZACIÓN DE LA
TICAS
CONVERSIÓN A/D
LÁMPARAS
FLUORECENTES
IONIZACIOÓN DEL
AMBIENTE, CLIMA
LLUVIOSO
CABLES
CERCANOS,
MAQUINAS
ELECTRICAS,
AMBIENTE
INDUSTRIAL
SEÑALES DE
TELEVISIÓN
RADIO Y
TELEFONÍA
FORRAR LOS
CABLES Y
ATERRAR LOS
FORROS
USAR PARES
TRENZADOS
FILTROS
AUMENTAR EL NÚMERO
PASABAJOS Y
DE BITS DEL
CABLES CORTOS CONVERSOR A/D
FRECUENCIA
INDUSTRIAL,
ALTAS
FRECUENCIAS
60Hz,
PRINCIPALMENT
ALTA
E FRECUENCIAS
FRECUENCIA
QUE CIRCULEN
EN LOS CABLES
CONVERSOR A/D
TODAS LA
FRECUENCIAS
Tabla 3.5 Tipos de ruido que pueden distorsionar la señal
Fuente: Los autores.
3.2.2 ESPECIFICACIONES DEL SISTEMA DE ADQUISICIÓN.
En resumen, las características mínimas del sistema para la implementación serán:
Ø Sistema que utilice una interfaz USB
Ø El sistema debe tener un rango de
6V y una resolución mínima de 10 bits
Ø El sistema debe tener la capacidad de muestreo de alrededor de 15KS/s
Ø Debe tener por lo menos 3 canales de muestreo simultáneo o por
múltiplexación
Ø Las conexiones deben tener aislamiento capacitivo conectado a tierra, ser en
par trenzado, a más de implementar sistema de CAS para el tratamiento de
las señales.
75
3.3 ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES.
Ø Mejora las señales para mejor calidad en medición
Ø Alimenta o excita sensores
Ø Lee información del sensor
Ø Protege al usuario y al sistema
3.3.1 INTRODUCCIÓN.
Figura 3.23, Conjunto de dispositivos
Fuente: Análisis Espectral, www.sonotest.com
Los sistemas de adquisición de datos (DAQ) basados en PC y dispositivos insertables
o dispositivos externos (DAQ 6009) 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 es conocido como acondicionamiento de señal, incluye
funciones como amplificación, filtrado y aislamiento eléctrico en el caso del
proyecto desarrollado.
3.3.2 AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTACIÓN.
Por lo general las señales que recibimos de un transductor deben ser amplificadas
propiciando una impedancia de entrada alta y una impedancia de salida baja, para
este fin se utilizan los amplificadores operacionales, ya que tienen las siguientes
características:
76
Ø Resistencia de entrada alta (orden de cientos de MŸ)
Ø Resistencia de salida baja (debajo de 1Ÿ)
Ø Gran ganancia de lazo abierto (orden de 1E4 a 1E6)
Ø Gran CMRR (common mode rejection ratio)
Ø Buen rango de frecuencias de operación
Ø Baja sensibilidad a las variaciones de la fuente de alimentación
Ø Gran estabilidad al cambio de temperatura en el ambiente
3.3.3 AMPLIFICACIÓN.
Cuando los niveles de voltaje que va a medir son muy pequeños, la amplificación se
usa para maximizar la efectividad de su digitalizador. Al amplificar la señal de
entrada, la señal acondicionada usa más efectivamente el rango del convertidor
analógico-digital (ADC) y mejora la precisión y resolución de la medición. El
proceso de amplificación esta aplicado a los sensores de corriente y al acelerómetro,
debido a que el voltaje es estos es de 287 mV a 3A y 30mV/g respectivamente, el
grado de amplificación para la señal de corriente y voltaje es de 10. En el caso de
las señales de velocidad y voltaje no amplifican ya que medida esta en el orden de
voltios.
3.3.4 FILTRADO.
Un filtro eléctrico o filtro electrónico es un elemento que discrimina una
determinada frecuencia o gama de frecuencias de una señal eléctrica que pasa a
través de él, pudiendo modificar tanto su amplitud como su fase.
Si clasificamos de acuerdo a su ganancia pueden ser:
Ø Filtros pasivos: los que atenuarán la señal en mayor o menor grado. Se
implementan con componentes pasivos como condensadores, bobinas y
resistencias.
Ø Filtros activos: son los que pueden presentar ganancia en toda o parte de la
señal de salida respecto a la de entrada. En su implementación suelen
aparecer amplificadores operacionales.
Si clasificamos de acuerdo al comportamiento con la frecuencia pueden ser:
77
Ø Filtro paso bajo: Es aquel que permite el paso de frecuencias bajas, desde
frecuencia 0 o continua hasta una determinada. Presentan ceros a alta
frecuencia y polos a bajas frecuencia.
Ø Filtro paso alto: Es el que permite el paso de frecuencias desde una frecuencia
de corte determinada hacia arriba, sin que exista un límite superior
especificado. Presentan ceros a bajas frecuencias y polos a altas frecuencias.
Ø Filtro pasa banda: Son aquellos que permiten el paso de componentes
frecuenciales contenidos
en un determinado
rango de frecuencias,
comprendido entre una frecuencia de corte superior y otra inferior.
Ø Filtro elimina banda: Es el que dificulta el paso de componentes frecuenciales
contenidos en un determinado rango de frecuencias, comprendido entre una
frecuencia de corte superior y otra inferior.
Ø Filtro multibanda: Es el que presenta varios rangos de frecuencias en los
cuales hay un comportamiento diferente.
Ø Filtro variable: Es aquel que puede cambiar sus márgenes de frecuencia
También pueden clasificarse de acuerdo al método de diseño:
Ø Filtro de Butterworth, con una banda de paso suave y un corte agudo
El filtro de Butterworth es uno de los filtros electrónicos más básicos, diseñado
para producir la respuesta más plana que sea posible hasta la frecuencia de corte. En
otras palabras, la salida se mantiene constante casi hasta la frecuencia de corte, luego
disminuye a razón de 20, 40, 60, etc. dB por década según sea la configuración. El
filtro de Butterworth más básico es el típico filtro paso bajo de primer orden, el cual
puede ser modificado a un filtro pasa alto o añadir en serie otros formando un filtro
pasa banda o elimina banda y filtros de mayores órdenes
Visto en un diagrama de Bode con escala logarítmica, la respuesta decae linealmente
desde la frecuencia de corte hacia menos infinito. Para un filtro de primer orden son 20 dB por década (aprox. -6dB por octava).
Ø Filtro de Chevyshev, con un corte agudo pero con una banda de paso con
ondulaciones
78
Ø Filtros elípticos o filtro de Cauer, que consiguen una zona de transición más
abrupta que los anteriores a costa de oscilaciones en todas sus bandas
Ø Filtro de Bessel, que, en el caso de ser analógico, aseguran una variación de
fase constante, lineal
Figura 3.24, Efecto de atenuación de los principales filtros
Fuente: Los autores.
3.3.5 AISLAMIENTO.
Las señales de voltaje fuera del rango del digitalizador pueden dañar el sistema de
medición y ser peligrosas para el operador. Por esta razón, normalmente es preciso
tener el aislamiento y la atenuación para proteger al sistema y al usuario de voltajes
relativamente altos o picos de voltaje. También se puede necesitar aislamiento si el
sensor está en un plano de tierra diferente al del sensor de medición (como un
termopar montado en una máquina).
3.6 ENTORNO DE LABVIEW.
3.6.1 ¿QUÉ ES LABVIEW?
LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) es un lenguaje
de programación gráfico (lenguaje G), para el diseño de sistemas de adquisición de
datos, instrumentación y control.
79
LabVIEW es a la vez compatible con otras herramientas de programación de
distintitos lenguajes por ello puede trabajar con programas de otra área de aplicación,
como por ejemplo Matlab o C.
Tiene la ventaja de que permite una fácil integración con hardware, específicamente
con tarjetas de medición, adquisición y procesamiento de datos (incluyendo
adquisición de imágenes).
3.6.2 APLICACIONES DE LABVIEW.
LabVIEW tiene su mayor aplicación en sistemas de medición, como monitoreo de
procesos y aplicaciones de control, un ejemplo de esto pueden ser sistemas de
monitoreo en transportación, Laboratorios para clases en universidades, procesos de
control industrial. LabVIEW es muy utilizado en procesamiento digital de señales
(wavelets, FFT, Total Distorsion Harmonic TDH), procesamiento en tiempo real de
aplicaciones biomédicas, manipulación de imágenes y audio, automatización, diseño
de filtros digitales, generación de señales, entre otras, etc.
Figura 3.25 Sistema de adquisición de señales.
Fuente: NATIONAL INSTRUMENTS, Introduction LABVIEW for Control Desing and simulation,
www.ni.com
3.6.3 FUNCIONES DE LABVIEW.
La programación G (gráfica) de LabVIEW consta de un panel frontal y un panel de
código. En el panel frontal es donde se diseña la interfase de usuario y se ubican los
80
controles e indicadores. En el panel de código se encuentran las funciones. Cada
control que se utiliza en la interfaz tiene una representación en el panel de código,
igualmente los indicadores necesarios para entregar la información procesada al
usuario tienen un icono que los identifica en el panel de código o de programación.
Los controles pueden ser boléanos, numéricos, strings, un arreglo matricial de estos o
una combinación de los anteriores; y los indicadores pueden ser como para el caso de
controles pero pudiéndolos visualizar como tablas, gráficos en 2D o 3D, browser,
entre otros.
Figura 3.26.Panel frontal y panel de programación en LABVIEW
Fuente: Los autores.
Las funciones pueden ser VIs prediseñados y que pueden ser reutilizados en
cualquier aplicación, estos bloques funcionales constan de entradas y salidas, igual
que en un lenguaje de programación estándar las funciones procesan las entradas y
entregan una o varias salidas, estos VI pueden también estar conformados de otros
SubVIs y así sucesivamente, de esta forma se pueden representar como un árbol
genealógico donde un VI se relaciona o depende de varios SubVIs.
LabVIEW tiene VIs de adquisición de datos e imágenes, de comunicaciones, de
procesamiento digital de señales, de funciones matemáticas simples, hasta funciones
que utilizan otros programas como Matlab o HiQ para resolver problemas, otras más
complejas como "nodos de formula" que se utilizan para la resolución de ecuaciones
editando directamente estas como en lenguajes de programación tradicionales y
definiendo las entradas y las salidas. LabVIEW también se puede utilizar para
graficar en tres dimensiones, en coordenadas polares y cartesianas, tiene disponibles
herramientas para análisis de circuitos RF como la Carta de Smith, tiene aplicaciones
en manejo de audio y se puede comunicar con la tarjeta de sonido del computador
para trabajar conjuntamente. Entre sus muchas funciones especiales se encuentran las
81
de procesamiento de imágenes, como capturar una imagen a través de una tarjeta de
adquisición como la PCI-1408 (monocromática), analizarla y entregar respuestas que
difícilmente otros sistemas realizarían.
Otra característica se encuentra en el flujo de datos, que muestra la ejecución
secuencial del programa, es decir, una tarea no se inicia hasta no tener en todos sus
variables de entrada información o que las tareas predecesoras hayan terminado de
ejecutarse. Debido al lenguaje gráfico el compilador con que cuenta LabVIEW es
más versátil ya que sobre el mismo código de programación se puede ver fácilmente
el flujo de datos, así como su contenido.
3.6.4 LABVIEW PARA REGISTRO DE DATOS.
LabVIEW proporciona utilidades para registro de datos y manejo de alarmas, así
como tendencias históricas y en tiempo real. Ya sea que esté coleccionando datos de
los productos de adquisición de datos de National Instruments, objetivos de
LabVIEW Real-Time, módulos Compact FieldPoint o CompactRIO, o controladores
de lógica programable, puede rápidamente configurar las E/S que desee y usar el
Módulo Datalogging and Supervisory Control (DSC) de LabVIEW para adquirir
datos de manera automática. Los datos históricos son almacenados en una base de
datos compatible con SQL 92 y ODBC 2.5, para que pueda utilizar herramientas
estándar de extracción de datos para extraer la información y usarla en otras partes de
la empresa. Debido a que puede utilizar el Módulo de LabVIEW DSC para registrar
los datos en cualquier máquina de su red de trabajo, puede seleccionar una sola
máquina para funcionar como servidor de su base de datos para todas sus
aplicaciones o elegir distribuir los datos en numerosas máquinas en red.
Adicionalmente, las ayudas intuitivas en LabVIEW le ayudan a desarrollar
aplicaciones de registro de datos con muy poca o nula programación. Usando
LabVIEW, puede fácilmente almacenar información por medio de un archive CSV,
Excel, o XML para análisis fuera de línea. El análisis de orden fuera de línea le
ayuda a predecir mantenimientos como lo es el cambio de valores antes de que
fallen. LabVIEW también puede escribir en bases de datos si lo requiere.
El menú de la ventana correspondiente a al panel frontal de controles contiene las
opciones como:
82
NUMERIC.-
Para
la
introducción
y
visualización
de
cantidades
numéricas.
BOOLEAN.- Para la entrada y visualización de valores boléanos (encendido
apagado)
STRING Y TABLE.- Para la entrada y visualización de texto
LIST Y RING.- Para visualizar y/o seleccionar una lista de opciones
ARRAY Y CLUSTER.- Para agrupar elementos
PATH Y REFNUM.- Para gestión de archivos.
GRAPH.- Para presentar gráficamente datos
DECORACIONES.- Para introducir decoraciones en el panel frontal.
3.6.5 CARACTERÍSTICAS DE LA TARJETA DE ADQUISICIÓN DE
DATOS.
EL modulo
NI de adquisición de datos DAQ multifunción USB – 6009 de
NATIONAL INSTRUMENTS (NI), es una opción de adquisición a bajo costo, con
el sistema plug-and-play USB de conexión.
A pesar de que la tarjeta no es de muestreo simultáneo para los ocho canales, posee
las siguientes características de adquisición: On Demad, Finite y Continuos (Sobre
la Demanda, Finito y Continua, es el caso para la elaboración de un osciloscopio
83
donde se puede designar únicamente dos canales de trabajo obteniendo excelentes
resultados a un rate de 10000Hz.
REQUERIMIENTOS DEL
SISTEMA
CARACTERISTICAS DE LA
DAQ 6009
SISTEMA DE ADQUISICION, INTERFAZ USB COMUNICACIÓN USB 2.0 FULL SPEED
RANGO DE VOLTAJE -6 +6 v
RANGO DE VOLTAJE -10 +10 v
EL ADC PUEDE SER POR
APROXIMACIONES SUCESIVAS O FLAH
EL ADC DEBERIA TENER UNA
RESOLUCIÓN DE 10 BITS
EL SQNR DEBE SER DE AL MENOS 60dB
ADC POR APROXIMACIONES SUCESIVAS
RESOLUCIÓN 14 BITS
SQNR = 82 dB
RATE 15KS/s
RATE 48KS/s, ENVIO DE DATOS MEDIANTE
BÚFER DIRECTO A MEMORIA RAM
TRES CANALES CON MUESTREO
SIMULTANEO O MULTIPLEXACIÓN
8 CANALES DE ENTRADA ANALOGICOS
REFERIDOS A TIERRA O 4 DIFERENCIALES,
MUESTREO POR MULTIPLEXACIÓN, 10E/S
DIGITALES
Tabla 3.7. Comparación entre requerimientos y disponibilidades con la tarjeta DAQ 6009 NI
Fuente: Los autores.
TRANSDUCTOR
SENSOR DE ACELERACIÓN
SENSOR DE VELOCIDAD
SENSOR DE CORRIENTE L1
SENSOR DE CORRIENTE L2
SENSOR DE CORRIENTE L3
SENSOR DE VOLTAJE L1
SENSOR DE VOLTAJE L2
SENSOR DE VOLTAJE L3
RELACIÓN DE
UNIDADES
30mV / g.
719,5Hz / 1800 rpm
61,667mV / A
61,667mV / A
61,667mV / A
3,76V / 127V
3,76V / 127V
3,76V / 127V
ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL
TRANDUCTORES -CAS
FILTRO
GANANCIA CAS-DAQ
2do ORDENN, BUTTERWORTH 5000Hz
SEGUIDOR DE VOLTAJE
4
FILTRO DC
2do ORDEN, BUTTERW ORTH 750Hz
1
SEGUIDOR DE VOLTAJE
2do ORDEN, BUTTERWORTH 500Hz
10
2do ORDEN, BUTTERWORTH 500Hz
10
SEGUIDOR DE VOLTAJE
SEGUIDOR DE VOLTAJE
2do ORDEN, BUTTERWORTH 500Hz
10
AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN 2do ORDEN, BUTTERWORTH 500Hz
1
AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN 2do ORDEN, BUTTERWORTH 500Hz
1
AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN 2do ORDEN, BUTTERWORTH 500Hz
1
-
Tabla 3.8. Resumen del sistema de acondicionamiento de señal.
Fuente: Los autores
Figura 3.27, Tarjeta de adquisición de datos DAQ 6009
Fuente: Los Autores.
84
General
Form ato Físico
So por te par a S O
T ip os de M edi da
F am il i a d e P ro duc tos
U SB
W i ndow s, Li nux , M a c OS
V oltaje
S erie B
Entrada Analógica
N úm ero d e Can ales
Ve loc i dad de M ue str eo
R eso lu ción
Mue streo Sim ultán eo
R ang o de Vo lt aje Má x im o
Prec i si ón del R an go
R ang o de Vo lt aje Mí ni mo
Prec i si ón del R an go
N úm ero d e Ran gos
Mem ori a I nterna
8 SE /4 DI
4 8 k S/ s
1 4 bi ts
No
-10 ..10 V
1 38 m V
-1. .1 V
3 7.5 mV
8
5 12 B
Salida Analógica
N úm ero d e Can ales
R az ón d e A ct ual iza ción
R eso lu ción
R ang o de Vo lt aje Má x im o
Prec i si ón del R an go
R ang o de Vo lt aje Mí ni mo
Prec i si ón del R an go
C apa cidad de Corrie nte (Ca nal/Tot al)
2
1 50 S /s
1 2 bi ts
0 ..5 V
7 mV
0 ..5 V
7 mV
5 m A/1 0 m A
E/S Digital
N úm ero d e Can ales
T em pori za ci ón
N iveles Lógicos
Máx im o Ra ngo de E ntra da
Máx im o Ra ngo de S ali da
En tr ada de F l uj o d e Co rr i ent e
F iltro s de En tr ada Prog ra ma bles
Sa li da de F l uj o de C o rri ent e
C apa cidad de Corrie nte (Ca nal/Tot al )
T em pori za dor W atc hdog
¿ So por ta Es tado s de E nce ndi do Pr ogra m ab le s?
¿ So por ta Proto co lo de Sinc r oniza ci ón para E/S ?
¿ So por ta E/S d e P atr one s?
1 2 DIO
S oftw ar e
TT L
0 ..5 V
0 ..5 V
S inkin g, S ourci ng
No
S inkin g, S ourci ng
8 .5 m A /102 m A
No
No
No
No
Contadores/T emporizadores
N úm ero d e Con tado re s/T e mp oriz ad ores
R eso lu ción
F r ecu enc i a M áx im a de l a F uent e
En trada M ín im a d e A nc ho d e P ul so
N iveles Lógicos
R ang o M áx im o
Es tabil i dad de T i em po
Si nc r oni z ac ión G P S
G ener ac i ón de P ulso
O perac iones a B úf er
Eli mi na ci ón de Rebot es
1
3 2 bi ts
5 MH z
1 00 n s
TT L
0 ..5 V
5 0 pp m
No
No
Sí
No
Temporización/Disparo/Sincronización
Bu s de S incr oniz ac ió n (RT S I)
Disparo
No
D igita l
Tabla 3.8 Características generales DAQ 6009.
Fuente: NATIONAL INSTRUMENT, USB 6009, www.highlights.ec
85