martes, 10 de diciembre de 2024 · 0 min read
Qué es Adquisición de Datos - DAQ o DAS?
En este artículo aprenderemos sobre Adquisición de datos, describiéndolo con suficiente detalle para que:
Vea qué es la adquisición de datos (DAQ)
Conozca las características y capacidades clave de DAQ
Comprenda cómo se usa DAQ en la actualidad y por qué
¿Estas listo para empezar? ¡Vamos!
Qué es Adquisición de Datos?
When we talk about Data Acquisition, commonly abbreviated as either DAQ or DAS, we are referring to the process of making measurements of physical phenomena and recording them in some fashion in order to analyze them.
Cuando hablamos de adquisición de datos, comúnmente abreviado como DAQ o DAS, nos referimos al proceso de realizar mediciones de fenómenos físicos y registrarlos de alguna manera para analizarlos.
En general, se acepta que la adquisición de datos es distinta de las formas anteriores de grabación en cinta o gráficos de papel.
A diferencia de esos métodos, las señales se convierten del dominio analógico al dominio digital y luego se graban en un medio digital como ROM, medios flash o unidades de disco duro.
Los sistemas modernos de adquisición de datos digitales constan de cuatro componentes esenciales que forman toda la cadena de medición de los fenómenos físicos:
Sensores
Acondicionamiento de Señal
Convertidores Analógico-Digital
Computadora con software DAQ para registro y análisis de señales
El sistema típico de adquisición de datos (DAQ) tiene múltiples canales de circuitos de acondicionamiento de señales que proporcionan la interfaz entre los sensores externos y el subsistema de conversión A / D.
Obtenga más información sobre los elementos de un sistema de adquisición de datos digitales:
¿Qué mide un sistema DAQ?
Los sistemas de adquisición de datos están principalmente en el negocio de medir fenómenos físicos tales como:
Temperatura
Voltaje
Corriente
Esfuerzo y presión
Shock y Vibración
Distancia y Desplazamiento
RPM's, Ángulo y Eventos Discretos
Peso
Tenga en cuenta que hay varios otras variables, que incluyen luz e imágenes, sonido, masa, posición, velocidad, etc., que pueden medirse mediante el sistema de adquisición de datos.
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Dewesoft ofrece sistemas de adquisición de datos digitales modernos y modulares fáciles de usar. Los sistemas están diseñados para ser fáciles de usar y, sin embargo, puede utilizarlos para las aplicaciones de prueba y medición más exigentes. Los DAQs de Dewesoft ofrecen una garantía líder en la industria de 7 años.
Los Propósitos de la Adquisición de Datos
El propósito principal de un sistema de adquisición de datos es adquirir y almacenar los datos. Pero también están destinados a proporcionar visualización y análisis de los datos en tiempo real y posteriores a la grabación. Además, la mayoría de los sistemas de adquisición de datos tienen incorporada alguna capacidad analítica y de generación de informes.
Una innovación reciente es la combinación de adquisición y control de datos, donde un sistema DAQ está estrechamente conectado y sincronizado con un sistema de control en tiempo real. Puede leer más sobre este tema en el artículo relacionado: “Fusionar la adquisición de datos con un sistema de control en tiempo real”.
Los ingenieros en diferentes aplicaciones tienen varios requisitos, por supuesto, pero estas capacidades clave están presentes en proporciones variables:
Registro de datos
Almacenamiento de datos
Visualización de datos en tiempo real
Revisión de datos posteriores a la grabación
Análisis de datos utilizando varios cálculos matemáticos y estadísticos.
Generación del informe
Importancia de los Sistemas de Adquisición de Datos
Los sistemas de adquisición de datos o dispositivos DAQ son esenciales en la prueba de productos, desde automóviles hasta dispositivos médicos, básicamente, cualquier dispositivo electromecánico que utilice la gente.
Antes de la adquisición de datos, los productos se probaron de una manera no estructurada y altamente subjetiva. Por ejemplo, al probar una nueva suspensión en un automóvil, los ingenieros a menudo confiaban en las opiniones de los conductores de prueba en cuanto a cómo les “sentían” la suspensión.
Con la invención y el desarrollo de sistemas de adquisición de datos, que podían recopilar datos de una amplia variedad de sensores, este tipo de opiniones subjetivas fueron reemplazadas por mediciones objetivas. Estos podrían repetirse, compararse, analizarse matemáticamente y visualizarse fácilmente de muchas maneras.
Ejemplo de un escenario de pruebas en el que el sistema de adquisición de datos de Dewesoft se utiliza para registrar, almacenar y analizar los datos durante las pruebas de carga de peso extremo en un camión
Hoy en día, nadie consideraría fabricar ningún tipo de vehículo, grande o pequeño, aeronaves, dispositivos médicos, maquinaria a gran escala, etc. sin emplear la adquisición de datos para medir objetivamente su rendimiento, seguridad y confiabilidad.
El Proceso de Medición
La adquisición de datos es el proceso de convertir señales del mundo real al dominio digital para su visualización, almacenamiento y análisis. Debido a que los fenómenos físicos existen en el dominio analógico, es decir, el mundo físico en el que vivimos, primero deben medirse allí y luego convertirse al dominio digital.
Este proceso se realiza utilizando una variedad de sensores y acondicionadores de señal. Las salidas se muestrean mediante convertidores de analógico a digital (ADC) y luego se escriben en un flujo basado en el tiempo en un medio de memoria digital, como se mencionó anteriormente. Generalmente llamamos a estos sistemas los sistemas de medición.
Veamos cada uno de estos elementos de la cadena con más detalle:
Sensores o Transductores
Acondicionadores de Señal
Aislamiento
Filtrado
Convertidores Analógo-Digital (ADCs)
Almacenamiento de Datos
Visualización de Datos
Análisis de Datos
Sensores o Transductores
La medición de un fenómeno físico, como la temperatura, el nivel de una fuente de sonido o la vibración que se produce por el movimiento constante, comienza con un sensor. Un sensor también se llama transductor. Un sensor convierte un fenómeno físico en una señal eléctrica medible.
Los sensores se utilizan en nuestra vida diaria. Por ejemplo, el termómetro de mercurio común es un tipo de sensor muy antiguo que se usa para medir la temperatura. Al usar mercurio coloreado en un tubo cerrado, se basa en el hecho de que este químico tiene una reacción constante y lineal a los cambios de temperatura. Al marcar el tubo con valores de temperatura, podemos mirar el termómetro y ver cuál es la temperatura con precisión limitada.
Por supuesto, no hay otra salida analógica que la visual. Este tipo de termómetro primitivo, aunque es útil en el horno o fuera de la ventana de la cocina, no es particularmente útil para aplicaciones de adquisición de datos.
Por eso se han inventado otros tipos de sensores para medir temperaturas, como termopares, termistores, RTD (Detectores de temperatura de resistencia) e incluso detectores de temperatura por infrarrojos. Millones de estos sensores funcionan todos los días en todo tipo de aplicaciones, desde la temperatura del motor que se muestra en el tablero de nuestro automóvil, hasta las temperaturas medidas en la fabricación farmacéutica. Prácticamente todas las industrias utilizan la medición de temperatura de alguna manera.
Por supuesto, hay muchos otros tipos de sensores que se han inventado para medir otro fenómeno físico:
Céldas de carga: para medir peso y carga
Sensores LVDT: los LVDT se utilizan para medir el desplazamiento en la distancia
Acelerómetros: medición de vibraciones y golpes
Micrófonos: para medir el sonido,
Medidores de deformación: para medir la deformación de un objeto, p. Ej. medir fuerza, presión, tensión, peso, etc.,
Transductores de corriente: para medir corriente CA o CC,
e innumerables más.
Dependiendo del tipo de sensor, su salida eléctrica puede ser un voltaje, corriente, resistencia u otro atributo eléctrico que varía con el tiempo. La salida de estos sensores analógicos generalmente está conectada a la entrada de un acondicionador de señal, que discutiremos en la siguiente sección.
Obtenga más información sobre sensores y transductores:
Acondicionadores de Señal
Los acondicionadores de señal se dedican a tomar la salida de los sensores analógicos y prepararlos para muestrearlos digitalmente.
If we continue the example of the thermocouple. The signal conditioning circuitry needs to linearize the output from the sensor as well as provide isolation, and amplification to bring the very small voltage up to a nominal level for digitizing.
Si continuamos con el ejemplo del termopar. El circuito de acondicionamiento de señales necesita linealizar la salida del sensor, así como proporcionar aislamiento y amplificación para llevar el voltaje muy pequeño hasta un nivel nominal para la digitalización.
Cada acondicionador de señal está diseñado por el fabricante para realizar la normalización elemental de la salida del sensor para asegurar su linealidad y fidelidad a los fenómenos de la fuente, y prepararlo para la digitalización. Y dado que cada tipo de sensor es diferente, los acondicionadores de señal deben adaptarse perfectamente a ellos.
Obtenga más información sobre el acondicionamiento de señales:
Barreras de Aislamiento (Aislamiento Galvánico)
A veces también conocido como aislamiento galvánico, el aislamiento eléctrico es la separación de un circuito de otras fuentes de potenciales eléctricos. Esto es especialmente importante con los sistemas de medición porque la mayoría de las señales existen a niveles relativamente bajos y los potenciales eléctricos externos pueden influir en gran medida en la calidad de la señal, lo que resulta en lecturas incorrectas. Los potenciales de interferencia pueden ser tanto de CA como de CC por naturaleza.
Por ejemplo, cuando se coloca un sensor directamente sobre un artículo bajo prueba (por ejemplo, una fuente de alimentación) que tiene potencial sobre el suelo (es decir, no a 0 V), esto puede imponer una compensación de CC en la señal de cientos de voltios. La interferencia eléctrica o el ruido también pueden tomar la forma de señales de CA creadas por otros componentes eléctricos en la ruta de la señal o en el entorno alrededor de la prueba. Por ejemplo, las luces fluorescentes en la habitación pueden irradiar 400Hz que pueden ser captadas por sensores muy sensibles.
Ésta es la razón por la que los mejores sistemas de adquisición de datos tienen entradas aisladas, para preservar la integridad de la cadena de señales y garantizar que lo que emite el sensor sea realmente lo que se ha leído. Actualmente se emplean varios tipos de técnicas de aislamiento.
Video que explica el alto aislamiento galvánico en los sistemas de adquisición de datos Dewesoft
Obtenga más información sobre el aislamiento de DAQ:
Filtrado
Prácticamente todas las señales que queremos medir pueden verse afectadas por interferencias o ruidos eléctricos. Esto tiene una variedad de causas, incluidos campos electromagnéticos ambientales que pueden inducirse en líneas de señal de alta ganancia, o potenciales de voltaje simples que existen entre el sensor o sistema de medición y el objeto bajo prueba. Por lo tanto, los mejores sistemas de acondicionamiento de señales proporcionan un filtrado seleccionable que el ingeniero puede utilizar para eliminar estas interferencias y realizar mejores mediciones.
Los filtros se expresan normalmente en términos de la banda sobre la que operan. Hay cuatro tipos básicos de filtros de señal:
Filtro de paso bajo: este filtro reduce o se “apaga” a partir de una frecuencia determinada y las que están por encima de ella.
Filtro de paso alto: hace lo contrario y permite el paso de frecuencias que están por encima de una determinada frecuencia.
Filtros de paso de banda y de rechazo de banda: pasan o detienen (rechazan) frecuencias entre dos valores dados.
Algunos filtros, como el filtrado anti-aliasing, solo se pueden realizar en el dominio analógico. Esto se debe a que una vez que se ha digitalizado una señal falsa causada por submuestreo, ya no hay forma de saber cómo era la señal real. Sin embargo, casi todos los demás filtros se pueden realizar en el dominio digital, es decir, en software, después de que la señal ha sido digitalizada.
Los filtros también se definen por la cantidad de polos que tienen. Cuantos más polos, más pronunciada es la caída que son capaces de realizar en la señal. Esta caída o pendiente simplemente significa cuántos decibeles de la señal se pueden reducir por octava. La especificación del filtro en cuestión normalmente dará la caída máxima en dB / Q.
El hardware DAQ de Dewesoft generalmente proporciona filtrado de paso bajo según lo requieran los tipos de señales que se miden. Algunos acondicionadores proporcionan además filtrado de paso alto, por ejemplo, amplificadores de señal de CARGA. La eliminación de elementos de baja frecuencia no deseados es especialmente crítico si la señal medida será integrada o doblemente integrada, ya que los elementos no deseados distorsionarían gravemente los valores de velocidad o desplazamiento derivados.
También oirá hablar de tipos de filtros como Bessel, Butterworth, Elliptic y Chebyshev, por nombrar solo algunos. Debido a que todos los filtros imponen distorsiones a la señal en sí debido a su propia naturaleza, los ingenieros a lo largo de los años han desarrollado sus propios tipos de filtrado para proporcionar los mejores resultados posibles para sus propósitos específicos.
| Tipo de Filtro | Pendiente de roll-off | Ondulación o distorsión | Otros factores |
|---|---|---|---|
| Butterworth | Bueno | Sin ondulación, pero las ondas cuadradas causan distorsión (histéresis) | Distorsión de fase moderada |
| Chebyshev | Empinado | Ondas en la banda de paso | Mala respuesta transitoria |
| Bessel | Bueno | Sin timbre o sobreimpulso de formas de onda no sinusales | Retardo de fase aumentado |
| Elliptic | Empinado | Ondas en la banda de paso | Respuesta de fase no lineal |
El software Dewesoft X proporciona una amplia paleta de opciones de filtrado seleccionables por el usuario, incluidas todas las mencionadas anteriormente y más. Es interesante observar que los filtros de software se pueden aplicar después de la medición, e incluso eliminarlos o modificarlos después de la medición. Esto le proporciona al ingeniero muchas herramientas para analizar sus datos de forma no destructiva.
Con el software Dewesoft X, los ingenieros pueden registrar sus datos sin filtrar, y luego aplicar varios filtros después de grabar y experimentar, incluso haciendo comparaciones lado a lado con la señal original. Esta flexibilidad es una poderosa herramienta de análisis y extremadamente fácil de implementar. Conserva los datos sin procesar y sin filtrar y, simultáneamente, permite al ingeniero aplicar filtros según sea necesario, creando un conjunto de datos diferente con fines analíticos o de presentación.
Convertidores de analógico a digital (ADC o convertidores AD)
La salida de la mayoría de las condiciones de la señal de medición física es una señal analógica. Es necesario convertir esta señal a una serie de valores digitales de alta velocidad para que el sistema de adquisición de datos pueda visualizarla y almacenarla. Como tal, se utiliza una tarjeta A / D o un subsistema A / D para convertir esta señal.
Hay una variedad de tipos de ADC, incluidos convertidores multiplexados y simples por canal. En un sistema ADC multiplexado, se utiliza un único convertidor de analógico a digital para convertir múltiples señales de dominio analógico a digital. Esto se hace multiplexando las señales analógicas de una en una en el ADC.
Este es un enfoque de menor costo en comparación con tener un chip ADC por canal. Pero, por otro lado, no es posible alinear con precisión las señales en el eje del tiempo, porque solo se puede convertir una señal a la vez. Por lo tanto, siempre hay una desviación de tiempo entre canales.
En los primeros días de la adquisición de datos, los ADC de 8 bits eran comunes. En el momento de escribir este artículo, los ADC de 24 bits son estándar entre la mayoría de los sistemas de adquisición de datos diseñados para realizar mediciones dinámicas, y los ADC de 16 bits se consideran comúnmente la resolución mínima para las señales en general.
La velocidad a la que se convierten las señales se denomina frecuencia de muestreo. Ciertas aplicaciones, como la mayoría de las mediciones de temperatura, no requieren una velocidad alta ya que los mensurandos no cambian muy rápidamente. Sin embargo, los voltajes y corrientes de CA, los golpes y las vibraciones y muchos otros mensurandos requieren frecuencias de muestreo de decenas o cientos de miles de muestras por segundo o más. La frecuencia de muestreo se considera el eje T o X de medición.
En el eje Y o vertical, los ADC están disponibles con varias resoluciones. Los más comunes hoy en día son los de 16 y 24 bits. Un ADC con una resolución de 16 bits teóricamente puede digitalizar una señal entrante con una resolución de una parte en 65,535 (2 ^ 16 = 65,536).
Este número en realidad se reduce por el ruido y el error de cuantificación, entre otros factores, pero proporciona un buen punto de partida para la comparación. Debido a que cada bit de resolución duplica efectivamente la resolución de cuantificación, los sistemas con ADC de 24 bits proporcionan 2 ^ 24 = 16.777.216. Por lo tanto, una señal entrante de un voltio se puede dividir en más de 16 millones de pasos en el eje Y.
Los ADC que ofrecen altas frecuencias de muestreo y una resolución de eje de alta amplitud son óptimos para el análisis de señales dinámicas como golpes y vibraciones. Las frecuencias de muestreo bajas y la resolución del eje de alta amplitud son óptimas para termopares y otros mensurandos que tienen un amplio rango de amplitud pero que no cambian de estado rápidamente.
Los ADC que proporcionan filtrado anti-aliasing (AAF) son muy deseables en todas las aplicaciones que involucran mediciones dinámicas porque evitan los errores de medición causados por el muestreo de una señal a una velocidad demasiado baja. Este aliasing es cuando se crea una señal falsa al muestrear con poca frecuencia para una señal que cambia rápidamente.
Una vez convertidas a digitales, nuestras señales (también conocidas como mensurandos) son procesadas por el subsistema informático de varias formas. En primer lugar, se pueden mostrar al operador de prueba en la pantalla del sistema para una inspección y revisión visual. La mayoría de los sistemas DAQ muestran los datos en varios formatos populares, incluida una pantalla de historial de tiempo también conocida como "gráfico de bandas" (Y / T), así como una pantalla numérica. Pero otros tipos de pantallas están disponibles en muchos sistemas en el mercado hoy en día, incluidos gráficos de barras, gráficos X-Y y más.
Obtenga más información sobre los convertidores A/D:
Almacenamiento de Datos
Los sistemas de adquisición de datos actuales generalmente utilizan una unidad de disco duro de estado sólido (SSD o HDD) para transmitir datos desde el subsistema ADC al almacenamiento permanente. Escribir los datos en el disco también permite analizarlos una vez finalizada la prueba.
La mayoría de los sistemas DAQ permiten que los datos se exporten a diferentes formatos de archivo para su análisis utilizando herramientas de software de terceros. Los formatos de datos comunes incluyen CSV (valores separados por comas), UNV (formato de archivo universal) y más.
El software de adquisición de datos Dewesoft X puede exportar datos a ambos formatos y a muchos otros. Consulte la lista completa de formatos de archivo de datos exportados.
Pantalla y Visualización de Datos
Una de las funciones más críticas de cualquier sistema DAQ es la capacidad de visualizar los datos en tiempo real durante el almacenamiento de datos. Los sistemas suelen emplear una pantalla plana integrada o separada, que se puede configurar en una variedad de formatos visuales.
Los datos de forma de onda casi siempre se pueden mostrar como formas de onda Y / T en un gráfico o cuadrícula, y en forma numérica. Pero también se pueden emplear otras convenciones gráficas, como medidores de gráficos de barras, gráficos de frecuencia / magnitud FFT (Transformada rápida de Fourier), y más.
Los sistemas DAQ más flexibles de la actualidad permiten al usuario configurar una o más pantallas libremente utilizando widgets gráficos integrados de una manera sencilla. El software de adquisición de datos Dewesoft X ofrece varios instrumentos visuales integrados:
Registradores: registrador horizontal, vertical y XY
Osciloscopio: alcance, alcance 3D, vectorscopio
FFT: FFT, FFT 3D, FFT armónica y octava
Medidores: medidores de barras digitales, analógicos, horizontales / verticales
Gráficos: 2D, gráfico 3D, octava, órbita, diagrama de Campbell
Video: pantalla de video estándar y pantalla de video térmica con indicadores de temperatura
GPS: pantalla de posicionamiento con soporte interactivo de capas de Open Street Map
Control: botón, interruptor, perilla, control deslizante, entrada de usuario
Análisis de combustión: diagrama P-V y alcance de combustión
Equilibrador de rotor: para equilibrar el campo
Automotriz: polígono 3D para mostrar objetos en movimiento
Aeroespacial: indicador de altitud u horizonte artificial
DSA / NVH: círculo modal
Otros: tabla 2D / 3D, imagen, texto, línea, indicador de sobrecarga, lámpara indicadora, nota
Todos los instrumentos visuales ofrecen diferentes opciones de personalización con retroalimentación visual en tiempo real.
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Análisis de los Datos
Los sistemas de adquisición de datos proporcionan una referencia visual importante sobre el estado de la prueba en tiempo real. Pero una vez que se han almacenado en el sistema DAQ, los datos también se pueden analizar utilizando herramientas integradas en el sistema DAQ o software de análisis de datos de terceros.
Como se mencionó anteriormente, casi todos los sistemas DAQ en el mercado tienen varios filtros de exportación de datos incorporados que convierten el formato de datos patentado del sistema a formatos de datos de terceros para análisis fuera de línea.
Tipos Básicos de Sistemas DAQ
Hay dos tipos básicos de sistemas DAQ:
Sistema o instrumentos de adquisición de datos llave en mano
Plataformas de desarrollo DAQ hágalo usted mismo
Precio del Sistema de Adquisición de Datos
Los sistemas de adquisición de datos son vendidos por una variedad de compañías y están disponibles con una amplia gama de capacidades y especificaciones, por lo que los precios pueden variar significativamente. Consulte la guía Lista completa de empresas de adquisición de datos para obtener la lista actualizada de empresas de adquisición de datos.
Es útil proporcionar precios generales para estos distintos niveles de sistemas DAQ, utilizando el modelo de precio por canal. Los precios estimados se dan en USD (dólares estadounidenses):
Los sistemas DAQ de gama baja suelen oscilar entre 200 y 500 dólares por canal
Los sistemas DAQ de gama media suelen oscilar entre 500 y 1000 dólares por canal
Los sistemas DAQ de gama alta suelen oscilar entre $ 1000-2000 / canal
Los sistemas DAQ "Hágalo Ud. Mismo" son imposibles de estimar porque cubren un amplio intervalo desde unos pocos canales hasta un sistema que tardó 10 años-hombre en desarrollarse y / o que involucra cientos o incluso miles de canales.