CAPITULO No. 1 GENERALIDADES

1.1 INTRODUCCION La adquisicin de datos o adquisicin de seales, consiste en la toma de muestras del mundo real (sistema analgico) para generar datos que puedan ser manipulados por un ordenador u otras electrnicas (sistema digital). Consiste, en tomar un conjunto de seales fsicas, convertirlas en tensiones elctricas y digitalizarlas de manera que se puedan procesar en una computadora o PAC. Se requiere una etapa de acondicionamiento, que adecua la seal a niveles compatibles con el elemento que hace la transformacin a seal digital. El elemento que hace dicha transformacin es el mdulo de digitalizacin o tarjeta de Adquisicin de Datos (DAQ).

Se inicia con el fenmeno fsico o la propiedad fsica de un objeto (objeto de la investigacin) que se desea medir. Esta propiedad fsica o fenmeno podra ser el cambio de temperatura o la temperatura de una habitacin, la intensidad o intensidad del cambio de una fuente de luz, la presin dentro de una cmara, la fuerza aplicada a un objeto, o muchas otras cosas. Un eficaz sistema de adquisicin de datos pueden medir todas estas diferentes propiedades o fenmenos.

Podemos definir entonces que un sistema de adquisicin 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 fenmeno o magnitud fsica que se requiere estudiar, en una magnitud o seal elctrica.

1

2- Un sistema de acondicionamiento de seal, que va aislar, filtrar, convertir y/o amplificar la seal. En esta etapa se resuelven problemas relacionados con la seal obtenida, como son el ruido, la amplitud y/ potencia de la seal, la no linealidad de la misma, entre otras.

3- Un sistema de adquisicin de datos que convierte la seal analgica en digital.

4- Un sistema de tratamiento que va transformara la informacin digital, informacin til para el usuario.

5- Un sistema de visualizacin que va despegara la informacin procesada.

Figura 1.1. Sistema de adquisicin de datos

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1.2 OBJETIVO

Comprender las caractersticas de fabricacin de las tarjetas de adquisicin de datos as como establecer su relacin y aplicacin para un caso de monitoreo y/o control de variables fsicas de un sistema o maquina.

Establecer los parmetros y caractersticas de las tarjetas de adquisicin de datos as como los elementos a considerar para su seleccin e implementacin

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CAPITULO NO. 2 ADQUISICIN DE DATOS

2.1 QU ES ADQUISICIN DE DATOS?

El propsito de adquisicin de datos es medir un fenmeno elctrico y fsico como voltaje, corriente, temperatura, presin o sonido. La adquisicin de datos basada en PC (figura 2.1) utiliza una combinacin de hardware modular, software de aplicacin y una PC para realizar medidas. Mientras cada sistema de adquisicin de datos se define por sus requerimientos de aplicacin, cada sistema comparte una meta en comn de adquirir, analizar y presentar informacin.

Los sistemas de adquisicin de datos incorporan seales, sensores, actuadores, acondicionamiento de seales, dispositivos de adquisicin de datos y software de aplicacin.

Figura 2.1. Adquisicin de datos basado en PC

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Algunos de los trminos usados acerca de este tema son los siguientes:

Dato: Representacin simblica (numrica, alfabtica...), atributo o caracterstica de un valor. No tiene sentido en s mismo, pero convenientemente tratado (procesado) se puede utilizar en la relacin de clculos o toma de decisiones.

Adquisicin: Recogida de un conjunto de variables fsicas, conversin en voltaje y digitalizacin de manera que se puedan procesar en un ordenador.

Sistema: Conjunto organizado de dispositivos que interactan entre s ofreciendo prestaciones ms completas y de ms alto nivel. Una vez que las seales elctricas se transformaron en digitales, se envan a travs del bus de datos a la memoria del PC.

Bit de resolucin: Nmero de bits que el convertidor analgico a digital (ADC) utiliza para representar una seal.

Rango: Valores mximo y mnimo entre los que el sensor, instrumento o dispositivo funcionan bajo unas especificaciones.

Teorema de Nyquist: Al muestrear una seal, la frecuencia de muestreo debe ser mayor que dos veces el ancho de banda de la seal de entrada, para poder reconstruir la seal original de forma exacta a partir de sus muestras. En caso contrario, aparecer el fenmeno del aliasing que se produce al infra-muestrear. Si la seal sufre aliasing, es imposible recuperar el original.

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En la figura 2.1 se observa que dentro de las seales de entrada se encuentran los sensores, los cuales pueden ser los siguientes:

Sensores basados en puente Corriente Digital Filtros Frecuencia Humedad Acelermetro IEPE Codificadores de cuadratura Resistencia RTD RVDT Galgas Extensiomtricas Temperatura Termistores Termopares Voltaje

2.2 TIPOS DE SENSORES DE TEMPERATURA

La temperatura es una medida del promedio de energa cintica de las partculas en una unidad de masa, expresada en unidades de grados en una escala estndar. Puede medir temperatura de diferentes maneras que varan de acuerdo al costo del equipo y la precisin. Los tipos de sensores ms comunes son los termopares, RTDs y termistores.

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2.2.1 Termopares

Figura 2.3. Los termopares son econmicos 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

econmicos 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 pequeo voltaje de circuito abierto como una funcin de temperatura. Puede usar este voltaje termoelctrico, conocido como voltaje Seebeck para calcular la temperatura. Para pequeos cambios en temperatura, el voltaje es aproximadamente lineal:

Puede escoger entre diferentes tipos de termopares asignados con letras maysculas que indican su composicin de acuerdo al American National Standards Institute (ANSI). Los tipos de termopares ms comunes incluyen B, E, K, N, R, S y T.

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2.2.2 RTD

Figura 2.4 . Los RTDs estn hechos de bobinas de metal y pueden medir temperaturas hasta 850 C.

Un RTD de platino es un dispositivo hecho de bobinas o pelculas de metal (platino generalmente). Al calentarse, la resistencia del metal aumenta; al enfriarse, la resistencia disminuye. Pasar corriente a travs 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 relacin entre la resistencia y la temperatura es relativamente lineal. Generalmente, los RTDs tienen una resistencia de 100 a 0 C y pueden medir temperaturas hasta 850 C.

2.2.3 Termistor

figura 2.4. pasar corriente a travs de un termistor genera un voltaje proporcional a la temperatura.

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Un termistor es una pieza de semiconductor hecha de xidos de metal que estn comprimidos en una pieza, disco, oblea u otra forma y son sometidos a altas temperaturas. Por ltimo son cubiertos con epoxi o vidrio. Al igual que con los RTDs, usted puede pasar una corriente a travs de un termistor para leer el voltaje en el termistor y determinar su temperatura. Sin embargo, a diferencia de los RTDs, los termistores tienen ms alta resistencia (2,000 a 10,000 ) y una sensibilidad mucho ms alta (~200 /C), permitindoles alcanzar ms alta sensibilidad en un rango de temperatura limitado (hasta 300 C).

2.3 Bandas extensiomtricas y sensores de carga, presin y torsin

La tensin es la cantidad de deformacin de un cuerpo debido a la accin de una fuerza aplicada. Ms especficamente, la tensin (e) se define como el cambio fraccional en longitud.

2.3.1 Tipos de galga y de carga, presin y sensores de torque Existen muchos mtodos para medir tensin, el ms comn de todos es con un medidor de tensin (o galga extensiomtrica), un dispositivo cuya resistencia elctrica.

vara en proporcin a la cantidad de tensin en el dispositivo. La galga ms ampliamente usada es la galga extensiomtrica metlica limitada.

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Figura 2.5. Galgas medir pequeos cambios en la resistencia elctrica proporcional a la compresin y la tensin.

Un medidor de tensin es un dispositivo cuya resistencia elctrica vara en proporcin a las fuerzas de compresin y la tensin que est experimentando. Mediciones de tensin suelen incluir pequeas

variaciones en la resistencia, las cantidades del orden de milsimas. Para medir estos cambios en la resistencia, calibradores de tensin se utilizan casi siempre en una configuracin de puente con una fuente de consiste de

excitacin de voltaje. El general puente de Wheatstone

cuatro grupos de resistencia con un voltaje de excitacin, VEX, que se aplica a travs del puente. Cuando los cuatro brazos de resistencia coinciden con valores idnticos, VO en la Figura 2.6 se medir 0V. VO ser distinto de cero y varan cuando cualquiera de los brazos de resistencia no estn equilibradas. Cuarto, medio, o de puente completo configuraciones son empleados con diferentes niveles de precisin y facilidad de instalacin.

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Figura 2.6 El general puente de Wheatstone consiste de cuatro grupos de resistencia con un voltaje de excitacin.

2.3. TARJETAS DE DAQ

Las tarjetas DAQ son tarjetas de tipo insertables, que permiten la interaccin de datos con el computador por medio de entradas y salidas, dichas tarjetas tienen un comportamiento similar al de un puerto ms del computador, poseen todo un protocolo y sistema de manejo, por lo que entender cada tarjeta, como es su funcionamiento e implementacin, 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 desempeo, las ah de alto y bajo desempeo, las tarjetas de alto desempeo son programables, este tipo de tarjetas son ms eficientes y seguras que las dems, ya que no conprometen la velocidad ni el manejo de la informacin, las tarjetas de bajo desempeo requieren de un control directo del computador y estn 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 seales de radar, vibraciones o video su aplicacin puede dar problemas, sin embargo es til la operacin de estas tarjetas con este sistema cuando es una aplicacin que no exige demasiada precisin, como monitoreo de temperatura que no cambian drsticamente.11

Los dispositivos DAQ son por lo general las interfaces entre la seal y la PC y pueden estar en mdulos, 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 adquisicin 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 as a los programas acceso a las seales de lectura por el hardware DAQ.2.4. TIPOS DE PUERTOS Y SOFTWARE PARA SISTEMAS DE ADQUISICIN DE DATOS

Un puerto es una forma genrica de denominar a una interfaz a travs de la cual los diferentes tipos de datos se pueden enviar y recibir. Dicha interfaz puede ser de tipo fsico, o puede ser a nivel de software.

2.4.1 Puerto serie

Un puerto serie es una interfaz de comunicaciones entre ordenadores y perifricos en donde la informacin 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

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comparacin 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 ms baratos ya que usan la tcnica del par trenzado.

Figura 2.7 Cable RS-232

2.4.2 Puerto PCI

Los puertos PCI (Peripheral Component Interconnect) son ranuras de expansin de la placa madre de un ordenador en las que se pueden conectar tarjetas de sonido, de vdeo, de red, etc. Dentro de los slots PCI est el PCI-Express (PCIe), que es un nuevo desarrollo del bus PCI que usa los conceptos de programacin y los estndares de comunicacin existentes, pero se basa en un sistema de comunicacin serie mucho ms rpido que PCI y AGP. Tiene velocidad de transferencia de 16x (8GB/s) y se utiliza en tarjetas grficas.

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. Los componentes que suelen estar disponibles en este tipo de slot son:

Capturadoras de televisin Controladoras RAID Tarjetas de red, inalmbricas, o no Tarjetas de sonido

Figura 2.8 Ranuras de expansin PCI y PCIe

2.4.3 Puerto USB

Un puerto USB permite conectar hasta 127 dispositivos y ya es un estndar en los ordenadores de ltima generacin. Es totalmente Plug & Play, es decir, con slo conectar el dispositivo y se puede utilizar sin necesidad de configuracin con el ordenador, Slo es necesario que el Sistema Operativo lleve incluido el correspondiente controlador o driver. El puerto USB presenta una alta velocidad de transferencia en comparacin con otro tipo de puertos. A travs del cable USB no slo se transfieren datos; adems 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 ste debe cumplir las especificaciones del Standard USB.14

Figura 2.9 Puerto USB

2.4.5 Tarjeta GPIB

La conexin 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 ms 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 s 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 ms. Normalmente, solo se cuenta con una tarjeta de interfaz GPIB por

computadora. Pero se puede tener varias tarjetas si se necesita controlar ms instrumentos (el lmite 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 adems expanden grandemente la flexibilidad de sus aplicaciones.

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Figura 2.10 Tarjeta GPIB

2.4.6 Criterios para seleccin 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 adquisicin de datos se llevara de la manera ms fiable y eficientemente posible, algunos de los aspectos a considerar son los siguientes.

Tipo del sistema operativo del ordenador.- es importante saber qu tipo de sistema operativo ser con el que trabaje la PC ( Windows , MacOs, etc.) que se va usar ya que de esto depender mucho, la compatibilidad del hardware que se adquiera.

Tipo de Conector para la tarjeta.- se tiene que saber cules 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. Nmero de entradas analgicos o digitales.- con cuantas entradas analgicas o digitales se requiere trabajar.

Resolucin .- cuantos bits de resolucin sern necesarios para que la adquisicin de datos no se vea distorsionada.

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Frecuencia de muestreo de seales.- cuantas muestras es necesario obtener para que la adquisicin de datos sea representativa.

2.4.7 software para sistemas de adquisicin 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 parmetros para direccin de los canales de entrada y salida, nivel de interrupcin, canal usado para acceso directo a la memoria ya estn establecidos.

Uno de los drivers utilizados comnmente, es el denominado VISA, que es un estndar para la configuracin, programacin y comprobacin 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 programacin entre el hardware y los entornos de desarrollo como LabVIEW , el cual es un programa de aplicacin de ayuda al diseo de sistemas de medida y anlisis de datos, este programa es una herramienta suministrada por National Instruments, es una herramienta que utiliza un lenguaje de programacin tipo grafico, para el diseo de adquisicin 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 multifuncin de acuerdo a sus necesidades de precio y rendimiento. Todas ofrecen medidas de calidad, integracin superior de software y servicio y soporte reconocidos, a continuacin se muestra una tabla comparativa de las diferentes familias de tarjetas que maneja este proveedor con sus principales caractersticas.

En la siguiente tabla 2.1 se muestra una comparacin entre las familias de NI que ofrece en su portal de internet.

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Tabla 2.1 Comparacin entre familias de DAQ, (National Instrument). USB, PCMCIA Compact Flash Prxima Generaci n de la Serie M Muestreo Simultne o de la Serie S Acondiciona DAQ miento Inteligent Integrado de e de la Seales de Serie R la Serie SC

Funciones

Entrada Analgica Canales/mdulo, max. Velocidad muestreo, mximo Precisin de DC Precisin dinmica 80 80 8 8 8

200 1.25 MS/s 1.25 MS/s 10 kS/s/Can * * MS/s/Canal al Mejor Mejor Excelente Mejor Mejor 7 Excelente 8 Mejor Mejor -

333 kS/s * Excelente Mejor 10

Ajustes de 15 ganancia, mximo Muestreo simultneo Acondicionamiento integrado de seales Compatibilidad con acondicionamiento de seales SCXI Aislamiento Salida Analgica Canales/mdulo, mximo Razn actualizacin, mxima Precisin de 2.8 MS/s Mejor 4

-

-

-

4

4

8

0

2.8 MS/s

4 MS/s

1 MS/s

-

Excelente Excelente Mejor Excelente

Excelente Excelente -

Capacidad de salida Mejor de forma de onda

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Funciones

USB, PCMCIA Compact Flash de

Prxima Generaci n de la Serie M

Muestreo Simultne o de la Serie S -

Acondiciona DAQ miento Inteligent Integrado de e de la Seales de Serie R la Serie SC -

Referencia voltaje externo Calibracin Calibracin automtica

Calibracin interna en todos los rangos Certificado de calibracin trazable expedidos por el NIST Temporizacin y Disparo Enrutado interno para temporizacin y disparo Sincronizacin de bus entre dispositivos Disparo digital Disparo analgico Interfaz de Bus USB, PCMCIA Compact Flash PCI, PCI Express y PXI PCI, PXI nicamen te 6 4,095 1a3

-

-

Buses

PCI, PXI

PXI

Canales DMA**

3

1 512

Memoria interna AI 4,095 (muestras), mximo E/S Digital

32,000,000 40,000

20

Funciones

USB, PCMCIA Compact Flash 48 por

Prxima Generaci n de la Serie M 48

Muestreo Simultne o de la Serie S 8

Acondiciona DAQ miento Inteligent Integrado de e de la Seales de Serie R la Serie SC 160 0 -

Canales/mdulo, mximo Temporizacin hardware

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 nicamente - Algunos productos cumplen con este criterio. - Todos los productos cumplen con este criterio -

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2.5.3 Tarjeta De Adquisicin De Datos ACl-8112PG

La tarjeta de adquisicin 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 Adquisicin de Datos ACL-8112

La tarjeta ACL-8112 de la serie est diseada para combinar todas las funciones de adquisicin de datos, tales como A/D, D/A, DIO, y de temporizador / contador en un nico 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 adquisicin 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 seales 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 ADQUISICIN DE DATOS DAQ-6024E DE NATIONAL INSTRUMENTS

Figura 2.12 DAQ-6024E National Intruments.

2.6.1 caractersticas de la tarjeta. 16 Entradas Analgicas DAQ Multifuncin de 12 bits a 200 kS/s

Considere la Serie M para resolucin de 16 bits a 250 kS/s y costos similares con la PCI-6221, Dos salidas analgicas de 12 bits; 8 lneas 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 analgicos y el modo de funcionamiento de los canales de entrada. Un amplificador de instrumentacin de ganancia programable (PGIA) detrs del multiplexor. El PGIA es el encargado de que al ADC le llegue el nivel de tensin adecuado, que corresponde a un margen dinmico de [5V,5V]. A continuacin, el convertidor A/D de 12 bits. Dos convertidores digital-anloga DAC1 y DAC2 para dos salidas analgicas independientes. La resolucin 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 nico conector de entrada / salida con 68 pines ver el cual se aprecia en la figura 2.14.

Figura 2.14 I/O Asignacin de los pines para el conector.

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2.6.4 entrada anloga Un PGIA sigue a estas 16 lneas de entrada, de tal forma que cada canal programa al nico 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 Precisin de medicin.

Es preferible trabajar en modo independiente para cada canal (channel-tochannel independent, conseguir todas las muestras de un canal y despus 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 seales referenciadas a tierra y seales flotantes Seales a Tierra: Son seales 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 seales a Tierra ver Figura 2.14.1.

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Figura 2.14.1 Seales a Tierra. Seales Flotantes (seales flotantes): Son seales cuyo terminal de masa no est conectado a tierra. Pilas, termopares, transformadores, amplificadores de aislamiento son fuentes de tensin cuyas tensiones de salida son flotantes ver Figura 2.14.2.

Figura 2.14.2 Seales Flotantes.

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2.6.6 modo diferencial (DIFF configuration) El modo diferencial debe utilizarse para seales diferenciales, seales pequeas (1V), limpias de ruido, etc... (si no es as, se prefiere la configuracin diferencial).

Figura 2.17 Single-ended input conenections for ground-referenced signals.

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Figura 2.18 Summary of analog input connections.

2.6.9 ESCANEO Y CANALES Hay dos formas de adquirir las seales de entrada. Mediante Multichannel Scanning 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 adquisicin para cada canal (una muestra por el nmero de canales, en el dibujo de arriba, cuatro muestras). Number of samples es el nmero de puntos a adquirir por cada canal Scan rate es la frecuencia del escaneo. Es 1/Tscan Channel clock: es el tiempo entre la adquisicin de dos muestras consecutivas de dos canales diferentes en un mismo scan. Es el Tchannel. Tambin 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 nico 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 seales de sincronismo para la adquisicin de datos (DAQ sequence) Para la adquisicin de seales de entrada existen principalmente cuatro seales. Se puede adquirir una seal en modo pretrigger (empieza a adquirir datos antes de que le llegue la seal de trigger) o en modo posttrigger (slo despus empieza a leer datos de entrada). La seal TRIG1 acta en modo pretrigger y es el flag de inicio para que el ADC empiece a leer datos a la entrada.

El nmero de scans durante los cuales el ADC adquirir datos de la entrada vendr dado por la variable number of pretrigger scans (Figura 6.10.1). Una vez llegados a los tres scans ledos, 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 seal de TRIG2, el scan counter empieza a descontar hasta que el ADC termine de leer el number of posttrigger scans. La seal STARTSCAN da inicio a un scan. La seal CONVERT inicia una conversin del ADC (en nuestro caso tenemos dos canales por cada scan).

Figura 2.21 Typical pretriggered acquisition.

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Otra seal 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 despus de haber comenzado a convertir, ver cronograma de abajo).

Figura 2.22 Scanclk signal timing.

Una seal slo de salida es la EXTSTROBE que genera o bien un pulso (software control) o bien una secuencia de ocho pulsos (hardwarestrobe mode).

Esta seal sirve como trigger o como latch para dispositivos externos a la DAQ. Ya por ltimo, tenemos dos seales slo de entrada: AIGATE y SISOURCE. La seal AIGATE (Analog Input Gate) habilita o deshabilita la seal de entrada STARTSCAN, con lo que no se realizan ms scans de lectura. Se puede programar bien por nivel, bien por flanco. Si se activa por nivel, causando AIGATE es activa la seal 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 adquisicin. El trigger suele ser una seal externa, bien digital, bien analgica. Hasta ahora slo hemos visto el trigger digital, que entra por cualquiera de las lneas PFI. Slo debe especificarse el control del canal del trigger, como ya hemos visto: 1. Pretrigger scans. 2. Number of scans to acquire. 3. Posttrigger scans. 4. Trigger edge input (rising or falling edge)-flanco de bajada/de subida Anagamente, si tenemos un disparo analgico, deberemos especificar las condiciones del trigger, as como la lne por la que entra la seal: a) Pretrigger scans. b) Number of scans to acquire. c) Posttrigger scans. d) Trigger edge input (rising or falling edge)-flanco de bajada/de subida. e) Trigger channel number (lnea AI por la que entra). f) Trigger level.

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Figura 2.24 Diagram of an analog trigger.

Adems, podemos tambin operar con un trigger por software (conditional retrieval). 2.6.12 salida analoga Tambin la DAQ-6024E puede generar seales de salida. De hecho, consta de dos lneas 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]. Qu valor saca la tarjeta a la salida?. El valor que va sacando se ir actualizando, bien por software, bien por hardware. Si se actualiza por hardware, se hace segn el ritmo marcado por el update rate. Para la generacin de una secuencia de datos, la tarjeta usa tres seales. La seal WFTRIG inicia la35

generacin de una onda de la DAQ. La seal UPDATE actualiza las salidas de la DAQ. Si no cogemos la seal UPDATE como una entrada, el contador UI genera internamente los pulsos de UPDATE a partir del reloj UISOURCE (hasta 20 MHz si es una seal externa). Si no tenemos reloj externo UISOURCE, el propio contador UI genera internmante una seal UISOURCE. Los pulsos de UPDATE deben estar lo suficientemente espaciados para que los nuevos datos se puedan escribir en sus latches.

2.6.13 SEALES DE CONTEO

La DAQ-6024E tiene dos contadores exactamente iguales (0 y 1). Hay tres seales 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 seal GPCTR0_SOURCE. Cuando el count register alcanza un cierto valor (TC-Terminal Count) la seal de salida GPCTR0_OUT (ver Figura 2.26): 1. Cambia de polaridad (Toggle Output on TC). 2. Crea un pulso (Pulse on TC) de perodo un ciclo de la

GPCTR0_SOURCE

Figura 2.26 GPCTRO_OUT signal timing.

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Otra seal que controla si el contador decrementa o incrementa es la seal digital de entrada GPCTR0_UP_DOWN, que entra por el pin DIO6. Este control puede realizarse tambin por software, si se deja libre el pin DIO6. Anlogamente, el DIO7 controla el contador 1.

Figura 2.27 General-purpose counter 0.

En funcin de que la seal de GATE est configurada para enmascarar la seal de reloj CLK por flanco (subida/bajada) o por nivel (alto/bajo), tenemos estos cuatro modos de operacin, 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 PFIs, como entradas, pueden programarse para entrar seales 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 slo puede sacar una seal especfica: PFI9/GPCTR0_GATE, PFI8/GPCTR0_SOURCE, PFI15/UPDATE. El pin PFI9 slo puede sacar como salida la seal del contador 0 GPCTR0_GATE y as 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 Qu es CompactRIO? El controlador de automatizacin programable (PAC) NI

CompactRIO es un sistema reconfigurable de control y adquisicin a bajo costo diseado para aplicaciones que requieren alto rendimiento y fiabilidad. El sistema combina una arquitectura embebida abierta con un tamao pequeo, extrema robustez y mdulos industriales de E/S intercambiables en vivo. Compact RIO es alimentado por la tecnologa 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 lnea de sistemas integrados CompactRIO que combina el alto rendimiento de la arquitectura CompactRIO con un conjunto de caractersticas menor en comparacin 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. ADQUISICIN DE DATOS POR ETHERNET Los dispositivos de adquisicin de datos (DAQ) NI Ethernet extienden el alcance de la adquisicin de datos basada en PC para medidas remotas de sensor y elctricas desde el laboratorio a todo el mundo. Al combinar ms de 50 mdulos de E/S de la Serie C con chasis NI CompactDAQ Ethernet y sistemas Ethernet de un solo mdulo, los dispositivos NI Ethernet DAQ ofrecen datos de alta velocidad y facilidad de uso en un solo paquete de tamao pequeo. Adems, 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 programacin.

Figura 2.31 Dispositivo de adquisicin de datos por Ethernet

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2.9. ADQUISICIN DE DATOS CON PXI Y PXI EXPRESS PXI es una plataforma abierta basada en PC para pruebas, medidas y control. Con ms de 1,500 productos de ms 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 mdulos de adquisicin de datos para PXI, desde dispositivos digitales de bajo costo hasta dispositivos multifuncin de alto rendimiento con muestreo simultneo. Lograr una sincronizacin precisa de los mdulos PXI es fcil con los buses de temporizacin y disparo en el plano trasero PXI.

Sistemas PXI estn compuestos de tres componentes bsicos chasis, controlador del sistema y mdulos perifricos.

Figura 2.32 Partes bsicas de un dispositivo PXI

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2.10. TARJETA PXI-6024E

Es una tarjeta de adquisicin de datos, que se conecta al bus PXI, para este proyecto se utiliz 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 podra terminar en el dao 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 diecisis canales analgicos 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 configuracin, estos se muestran en la Figura 2.34 Es necesario conocer tambin 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 configuracin de canales anlogos de entrada.

La tarjeta se configur en el modo de DIFF, ya que este modo de configuracin es ms exacto que los anteriores y se presta muy bien para seales de DC.

Configuracin DIFF

Configuracin RSE

Configuracin NRSE

Figura 2.34 Modos de conectar las configuraciones.

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Tabla 2.3 Rangos de voltaje.

La tarjeta tambin cuenta con dos canales anlogos 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 cmo se configuren. La tarjeta tiene otras aplicaciones, como Contadores y Puertos Paralelos Programables (PPI), pero slo los primeros mencionados fueron los que se utilizaron. En el Capitulo de Instrumentacin se har mencin sobre las seales 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 ADQUISICIN 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 nicamente 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 adquisicin de datos.

Figura 2.36 CB-68LP Conector de pines de la tarjeta de adquisicin de datos.

Figura 2.37 R6868.

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2.11 ACONDICIONAMIENTO DE SEAL

Los sistemas de adquisicin 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. Tpicamente, los dispositivos DAQ insertables son

instrumentos de propsito general diseados para medir seales de voltaje.

El problema es que la mayora de los sensores y transductores generan seales que debe acondicionar antes de que un dispositivo DAQ pueda adquirir con precisin la seal. Este procesamiento al frente, conocido como acondicionamiento de seal, incluye funciones como amplificacin, filtrado, aislamiento elctrico y multiplexores as que la mayora de los sistemas DAQ basados en PC incluyen algn tipo de acondicionamiento de seal adems del dispositivo DAQ y la PC, como lo muestra la Figura 2.37

Figura 2.37. El acondicionamiento de seales es un componente importante en un sistema de adquisicin de datos.

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2.11.1 Acondicionamiento de Transductores

Los transductores son dispositivos que convierten fenmenos fsicos como temperatura, carga, presin o luz a seales elctricas como voltaje y resistencia. Las caractersticas de los transductores definen muchos de los requerimientos de acondicionamiento de seales de un sistema DAQ.

El acondicionamiento de seales suele ser necesario si la seal desde el transductor no es adecuado para la DAQ hardware que se utiliza. La seal puede ser amplificada o des amplificada, o puede requerir de filtrado, o un cierre patronal, en el amplificador se incluye para realizar demodulacin. Varios otros ejemplos de acondicionamiento de seales podra ser el puente de conclusin, la prestacin actual de tensin o excitacin al sensor, el aislamiento, linealizacin, etc. Este pretratamiento de seal normalmente lo realiza un pequeo mdulo 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 as a los programas acceso a las seales de lectura por el hardware DAQ. Un buen conductor ofrece un alto y bajo nivel de acceso.

Ejemplos de Sistemas de Adquisicin y control: DAQ para recoger datos (datalogger) medioambientales (energas renovables e ingeniera verde). DAQ para audio y vibraciones (mantenimiento, test). DAQ + control de movimiento (corte con laser). DAQ + control de movimiento+ visin artificial (robots modernos).

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Algunos de los parmetros que se debe de comprender dentro del acondicionamiento de seal comprende los siguientes puntos;

Amplificacin: Es el tipo ms comn de acondicionamiento. Para conseguir la mayor precisin posible la seal de entrada deber ser amplificada de modo que su mximo nivel coincida con la mxima tensin que el convertidor pueda leer.

Aislamiento: Otra aplicacin habitual en el acondicionamiento de la seal es el aislamiento elctrico entre el transductor y el ordenador, para proteger al mismo de transitorios de alta tensin que puedan daarlo. 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 comn.

Cuando el sistema de adquisicin y la seal a medir estn 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 errneos.

Multiplexado: El multiplexado es la conmutacin de las entradas del convertidor, de modo que con un slo convertidor podemos medir los datos de diferentes canales de entrada. Puesto que el mismo convertidor est midiendo diferentes canales, su frecuencia mxima de conversin ser la original dividida por el nmero de canales muestreados. Se aconseja que los multiplexores se utilizen antes del conversor y despus del condicionamiento del seal, ya que de esta manera no molestar a los aislantes que podamos tener.

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Filtrado: El fin del filtro es eliminar las seales no deseadas de la seal que estamos observando. Por ejemplo, en las seales cuasicontinuas, (como la temperatura) se usa un filtro de ruido de unos 4 Hz, que eliminar interferencias, incluidos los 50/60 Hz de la red elctrica.

Las seales alternas, tales como la vibracin, 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 seales de mayor frecuencia que la mxima a medir, ya que se si no se eliminasen apareceran superpuestas a la seal medida, con el consiguiente error.

Excitacin: La etapa de acondicionamiento de seal a veces genera excitacin para algunos transductores, como por ejemplos las galgas "extesomtricas", "termistores" o "RTD", que necesitan de la misma, bien por su constitucin interna, (como el termistor, que es una resistencia variable con la temperatura) o bien por la configuracin en que se conectan (como el caso de las galgas, que se suelen montar en un puente de Wheatstone).

Linealizacin: Muchos transductores, como los termopares, presentan una respuesta no lineal ante cambios lineales en los parmetros que estn siendo medidos. Aunque la linealizacin puede realizarse mediante mtodos numricos en el sistema de adquisicin de datos, suele ser una buena idea el hacer esta correccin mediante circuitera externa.

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A veces el sistema de adquisicin es parte de un sistema de control, y por tanto la informacin recibida se procesa para obtener una serie de seales de control. En este diagrama (figura 2.38) podemos ver los bloques que componen nuestro sistema de adquisicin 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 fsica que vamos a medir en una seal de salida (normalmente tensin o corriente) que puede ser procesada por nuestro sistema. Salvo que la seal de entrada sea elctrica, podemos decir que el transductor es un elemento que convierte energa de un tipo en otro. Por tanto, el transductor debe tomar poca energa del sistema bajo observacin, para no alterar la medida.

El acondicionamiento de seal es la etapa encargada de filtrar y adaptar la seal proveniente del transductor a la entrada del convertidor analgico / digital. Esta adaptacin suele ser doble y se encarga de:52

o Adaptar el rango de salida del transductor al rango de entrada del convertidor.(Normalmente en tensin). o Acoplar la impedancia de salida de uno con la impedancia de entrada del otro. La adaptacin entre los rangos de salida del convertidor y el de entrada del convertidor tiene como objetivo el aprovechar el margen dinmico del convertidor, de modo que la mxima seal de entrada debe coincidir con la mxima que el convertidor (pero no con la mxima tensin admisible, ya que para sta entran en funcionamiento las redes de proteccin que el convertidor lleva integrada).

El convertidor analgico/digital es un sistema que presenta en su salida una seal digital a partir de una seal analgica de entrada, (normalmente de tensin) realizando las funciones de cuantificacin y codificacin.

2.12 EJEMPLO DE LA ADQUISISCION DE TEMPERATURA POR UN TERMOPAR.

La temperatura es una medicin de la energa cintica promedio de las partculas en una muestra de materia, que se expresa en unidades de grados o en una escala estndar. Usted puede realizar mediciones de temperatura de muchas formas diferentes, que varan con la exactitud y costo del equipo. Las termopares son unos de los sensores ms comunes empleados en la medicin de temperatura, ya que son relativamente econmicos brindando exactitud y adems 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 pequeo voltaje en circuito abierto como una funcin de la temperatura. Este voltaje termoelctrico se conoce como el voltaje de Seebeck, en honor a Thomas Seebeck, quien lo descubri en el ao de 1821. El voltaje es no lineal con respecto a la temperatura. Sin embargo, para pequeos cambios en temperatura, el voltaje es aproximadamente lineal, es decir

(1) Donde V es el cambio en el voltaje, S es el coeficiente de Seebeck y dT es el cambio en la temperatura.

Estn disponibles muchos tipos de termopares que se designan mediante letras maysculas que indican la composicin 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 aleacin de cobre-nquel ). Otros tipos de termopares son las B, E, K, N, R, S y T.

2.12.1 Marco Terico

Para entender mejor cmo realizar una medicin con una termopar, usted primero debe entender como funciona sta. La primera parte de esta seccin explica la teora bsica sobre las termopares, mientras la ltima parte describe cmo realizar la conexin de la termopar a un instrumento y como hacer la medicin de temperatura.

Para medir el voltaje de Seebeck en una termopar, usted no puede simplemente conectar la termopar a un voltmetro u otro sistema de54

medicin, ya que la conexin de los cables de la termopar con el sistema de medicin crea circuitos termoelctricos 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 estn conectados a los cables de cobre que van hacia el dispositivo de adquisicin de datos. Observe que el circuito posee tres uniones diferentes de metales J1, J2 y J3. J1, la unin 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 termoelctrico que es proporcional a la temperatura de los terminales de adquisicin de datos. Para determinar la contribucin en el voltaje por J1, usted requiere conocer las temperaturas de las uniones J2 y J3 as como las relaciones voltaje-a-temperatura de estas uniones. Entonces usted podr sustraer las contribuciones de las uniones parsitas J2 y J3 del voltaje medido para la unin J1. Las termopares requieren alguna forma de temperatura de referencia para compensar las uniones en fro parsitas no deseadas. El mtodo ms comn es medir la temperatura en la unin de referencia con un sensor de temperatura de lectura directa y sustraer las contribuciones de voltaje de las uniones parsitas. Este proceso se denomina compensacin por55

unin-en-fro. Usted puede simplificar el clculo de compensacin por unin-en-fro aprovechando algunas caractersticas 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 adquisicin de datos depende nicamente del tipo de la termopar, del voltaje en la termopar y la temperatura de la unin-en-fro. El voltaje medido es independiente de la compensacin de los cables de medicin y de las uniones en-fro, 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 estn a la misma temperatura, es decir, sean isotrmicos.

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 ocasin un pequeo cable de constantan se ha insertado justo antes de la unin J3 y se asume que las uniones de ste poseen temperaturas idnticas. Asumiendo que las uniones J3 y J4 estn a la misma temperatura, La Ley de termopar para Metales Intermedios indica que el circuito de la Figura 2.41 es elctricamente equivalente al circuito de la Figura 2.40. Por lo tanto, cualquier resultado tomado desde el circuito de la Figura 2.40 tambin aplica para el circuito mostrado en la Figura 2.41.

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Figura 2.42. Insercin de un Cable Extra en la Regin Isotrmica

En la Figura 2.40, las uniones J2 y J4 son del mismo tipo (cobreconstantan); ya que ambas estn en la regin isotrmica, J2 y J4 tambin estn a la misma temperatura. Debido a la direccin de la corriente a travs 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 s, y la contribucin 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 regin isotrmica. Ya que estn a temperaturas diferentes, las uniones J1 y J3 producen un voltaje de Seebeck pero con magnitudes diferentes. Para compensar la unin-en-fro J3, su temperatura se mide y la contribucin de voltaje se resta de la medicin del termopar.

Usando la notacin VJx(Ty) para indicar el voltaje generado por la unin Jx a la temperatura Ty, el problema general de la termopar se reduce a la siguiente ecuacin:

VMEAS = VJ1(TTC ) + VJ3(Tref )

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donde VMEAS es el voltaje medido por el dispositivo de adquisicin de datos, TTC es la temperatura de la termopar en J1, y T ref es la temperatura de la unin de referencia.57

Note que en la Ecuacin 2, VJx(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 Ecuacin 2 ser vlida. Como se dijo antes, por ejemplo, las tablas de referencia de termopares NIST son generadas con la referencia de la unin-en-fro a 0 C.

Ya que la unin J3 es del mismo tipo de la unin 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 Ecuacin 2 es rescribe de la siguiente forma:

VMEAS = VTC (TTC ) - VTC (Tref )

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Por consiguiente, midiendo VMEAS y Tref , y conociendo la relacin voltaje-a-temperatura de la termopar, usted puede determinar la temperatura en la unin caliente de la termopar.

Existen dos tcnicas para implementar compensacin de uniones-en-fro compensacin por hardware y compensacin por software. Ambas tcnicas requieren que la temperatura en la unin de referencia sea medida con un sensor de lectura directa. Un sensor de lectura directa posee una salida que depende nicamente de la temperatura en el punto de medicin. Sensores tipo semiconductor, termistor y RTDs se emplean comnmente para medir la temperatura de la unin de referencia.

En la compensacin por hardware, se inserta una fuente variable de voltaje dentro del circuito para cancelar los voltajes termoelctricos parsitos. La fuente variable de voltaje genera un voltaje de

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Compensacin de acuerdo con la temperatura ambiente, para as poder adicionar el voltaje correcto para cancelar las seales

termoelctricas indeseadas. Cuando se cancelan estas seales parsitas, la nica seal que mide el dispositivo de adquisicin de datos es el voltaje desde la unin del termopar. Con la compensacin por hardware, la temperatura en los terminales del sistema de adquisicin de datos es irrelevante ya que los voltajes parsitos del termopar se han cancelado. La mayor desventaja de la compensacin por hardware es que cada tipo de termopar debe poseer un tipo separado de circuito que pueda adicionar el voltaje correcto de compensacin; este hecho hace que el circuito sea bastante costoso. La compensacin por hardware es generalmente menos exacta que la compensacin por software.

Como alternativa, usted puede usar compensacin por software para la unin-en-fro. Despus que un sensor de lectura directa mida la temperatura en la unin de referencia, el software puede adicionar el valor apropiado al voltaje medido con el fin de eliminar los efectos termoelctricos parsitos. Recuerde la Ecuacin 3, la cual establece que el voltaje medido, VMEAS, es igual a la diferencia entre los voltajes en la unin caliente (termopar) y la unin en fro.

Los voltajes de salida de una termopar con altamente no lineales. El coeficiente de Seebeck puede variar por un factor de tres o ms en el rango de temperatura de operacin de algunas termopares. Por esta razn, usted debe realizar aproximacin polinmica para la curva voltajecontra-temperatura de la termopar o usar una tabla de bsqueda.

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2.12.2 El equipo requerido

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Chasis USB de Alta-Velocidad de ocho ranuras cDAQ-

917 para NI CompactDAQ

-

Mdulo 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

l 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 tambin posee un terminal comn, COM, el cual est conectado internamente a la tierra aislada de referencia del mdulo. Refirase a la Figura 2.44 para la asignacin de terminales de cada canal y a la Figura 2.45 para el esquema de conexiones.

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Figura 2.44. Asignacin de Terminales

Figura 2.45. Esquema de Conexiones61

Ahora que ha conectado su termopar al dispositivo de medicin, puede usar el software de programacin grfica LabVIEW para transferir los datos desde el interior del computador hacia objetivos de visualizacin y anlisis. La Figura 4.2.2.4 muestra un ejemplo de despliegue para datos de temperatura medida dentro del ambiente de programacin LabVIEW.

Figura 2.46. Panel Frontal de LabVIEW Mostrando Datos de Temperatura

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