martedì 10 dicembre 2024 · 0 min read
Cosa è un Sistema di Acquisizione Dati - DAQ o DAS?
Questo articolo tratta di Sistemi di Acquisizione Dati, approfondendo particolari dettagli che ti permetteranno di:
Vedere cosa è un Sistema di Acquisizione Dati (DAQ)
Imparare le caratteristiche chiave di un sistema DAQ e le sue capacità
Capire come un sistema DAQ è utilizzato oggi e perchè
Sei pronto? Iniziamo!
Cosa si intende per Acquisizione Dati ?
Quando parliamo di Acquisizione Dati, comunemente abbreviato come DAQ o DAS, ci stiamo riferendo al processo di misura di fenomeni fisici e alla loro registrazione, per poterli analizzare.
L'acquisizione dati è generalmente considerata diversa dalle prime forme di registrazione fatte su nastro o carta.
In contrasto con questi metodi, i segnali sono convertiti dal dominio analogico a quello digitale e poi registrati su un supporto digitale, come ad esempio memorie flash oppure hard disks.
I sistemi di acqusizione dati moderni sono costituiti da quattro componenti essenziali che permettono di misurare il fenomeno fisico:
Sensori
Condizionamento segnale
Convertitore Analogico-Digitale
Computer con software DAQ per registrazione dei segnali ed analisi
Il sistema di acquisizione dati (DAQ) tipico integra più di un canale di condizionamento che costituiscono un circuito elettrico di interfaccia tra il sensore esterno e il sottostistema di conversione A/D.
Scopri di più sugli elementi di un sistema di acquisizione dati digitale:
Cosa misura un sistema DAQ ?
I sistemi di acquisizione dati sono principalmente utilizzati per misurare fenomeni fisici come ad esempio:
Temperatura
Tensione
Corrente
Strain e Pressione
Shock e Vibrazioni
Distanza e Spostamento
RPM, Angolo ed Eventi Discreti
Peso
Molte altre grandezze possono essere misurate con un sistema di acquisizione dati, come ad esempio luce, immagini, suono, massa, posizione, velocità, etc.
Verificate i moderni sistemi di acquisizione dati digitali Dewesoft
Dewesoft offre sistemi di acquisizione dati digitali moderni e modulari, facili da usare. I sistemi sono progettati per essere facili da usare, ma possono essere utilizzati per le applicazioni di test e misura più impegnative. I DAQ Dewesoft offrono una garanzia di 7 anni, leader del settore.
Lo Scopo del Sistema di Acquisizione Dati
Lo scopo primario del sistema di acquisizione dati è di acquisire e memorizzare i dati. Essi sono anche pensati per fornire la visualizzazione dei dati in real-time e post-analisi. Inoltre, la maggior parte dei sistemi di acquisizione dati, integra alcune funzioni di analisi e generazione di report.
Una recente innovazione è la combinazione di acquisizione dati e controllo, dove il sistema DAQ è connesso strettamente e sincronizzato con un sistema di controllo rea-time. Puoi approfondire questo argomento nell'articolo "Unire un sistema di Acquisizione Dati con un Controllore Real-Time".
Naturalmente, ingegneri di applicazioni diverse hanno necessità diverse, ma tutti richiedono alcune funzioni chiave anche se in proporzioni diverse:
Acquisizione segnali
Registrazione dati
Visualizzazione dei dati in real-time
Analisi dei dati dopo la registrazione
Analisi dati utilizzando funzioni matematiche e statistiche
Generazione report
L'importanza dei Sistemi di Acquisizione Dati
I sistemi di acquisizione dati o DAQ sono essenziali per il test di prodotti, dalle automobili ai dispositivi medici. In pratica, qualsiasi dispositivo elettromeccanico in commercio.
Prima dell'acquisizione dati, i prodotti venivano testati in maniera non strutturata, utilizzando metodi fortemente soggettivi. Per esempio, durante il test di una nuova sospensione di un'automobile, gli ingegneri spesso si basavano sull'opinione di piloti esperti.
Con l'invenzione e lo sviluppo dei sistemi di acquisizione dati, che possono collezionare dati da un ampia varietà di sensori, queste opinioni soggettive sono state sostituite con misure oggettive. Queste possono essere facilmente ripetute, comparate, analizzate matematicamente e visualizzate in molti modi.
Esempio di uno scenario di test dove il Sistema di Acquisizione Dewesoft usato per acquisire, registrare e analizzare i segnali durante test estremi di carico su un camion
Oggi, nessuno prenderebbe più in considerazione la possibilità di realizzare qualsiasi tipo di veicolo, piccolo o grande, aereo, dispositivo medico, macchinari industriali, etc senza il coinvolgimento di sistemi di acquisizione in grado di misurare performances, sicurezza e affidabilità in maniera oggettiva.
Il Processo di Misura
L'acquisizione dati è il processo che converte i segnali reali nel mondo digitale per la loro visualizzazione, memorizzazione ed analisi. I fenomeni fisici esistono nel dominio analogico (nel mondo fisico in cui noi viviamo) e devono essere misurati e convertiti nel dominio digitale.
Questo processo viene svolto utilizzando una varietà di sensori e condizionatori. Le uscite sono campionate da convertitori analogico-digitali (ADCs) e poi convogliate in un flusso ordinato temporalmente ad un supporto digitale di memorizzazione. Chiamiamo questo sistema il sistema di misura.
Diamo un'occhiata in dettaglio a ciascuno di questi elementi della catena:
Sensori o Trasduttori
Condizionatori di Segnale
Isolamento
Filtraggio
Convertitori Analogici-Digitali (ADCs)
Memorizzazione dati
Visualizzazione dati
Analisi dati
Sensori e Trasduttori
La misura di un fenomeno fisico, come ad esempio la temperatura, il livello di sorgente sonora, o la vibrazione derivante da un moto oscillatorio, inizia con un sensore. Un sensore è anche chiamato trasduttore. Un sensore converte il fenomeno fisico in un segnale elettrico misurabile.
I sensori sono utilizzati nella nostra vita quotidiana. Ad esempio un comune termometro a mercurio è un vecchio tipo di sensore utilizzato per la misura della temperatura. Questo utilizza mercurio in un tubo sigillato e si basa sul principio di espansione termica del materiale in funzione della temperatura. Segnando sul tubo i valori di temperatura, ci consente di guardare il termometro e sapere la temperatura con discreta precisione.
Naturalmente, non c'è alcun tipo di uscita analogica oltre al valore visuale. Questo tipo di termometro primitivo, anche se utile nei forni o fuori da una finestra, non è particolarmente utile per applicazioni di acquisizione dati.
Quindi altri tipi di sensori sono stati inventati per misurare la temperatura, come termocoppie, termoresistenze, RTDs (Resistance Temperature Detectors), e anche rilevatori di temperatura ad infrarosso. Milioni di questi sensori sono impiegati ogni giorno in molte applicazioni: dalla temperatura del motore mostrato nella nostra automobile, alla temperatura misurata in una linea di produzione farmaceutica. Virtualmente, ogni industria utilizza misure di temperatura in qualche modo.
Naturalmnte ci sono moltri altri tipi di sensori che sono stati progettati per misurare altri fenomeni fisici:
Celle di carico: per misura del peso e delle forze in genere
Sensori LVDT: gli LVDT sono utilizzati per misurare spostamenti
Accelerometri: misurano vibrazioni e shock
Microfoni: per misure acustiche,
Estensimetri: per misure di stress superficiale, spesso utilizzati per misurare forza, pressione, tensione, peso, etc.,
Trasduttori di corrente: per misurare corrente AC o DC,
e molti altri ancora.
I sensori possono produrre diverse uscite elettriche come ad esempio tensione, corrente, resistenza o altre caratteristiche elettriche variabili con il fenomeno fisico misurato. Le uscita di questi sensori analogici sono tipicamente connesse all'ingresso del condizionatore di segnale, di cui parleremo nella prossima sezione.
Approfondisci i dettagli sui sensori e trasduttori:
Condizionatori di Segnale
I condizionatori di segnale sono progettati per trattare il segnale analogico proveniente dai sensori e prepararlo per essere campionato digitalmente.
Continuando l'esempio della termocoppia, il circuito di condizionamento deve linearizzare l'uscita del sensore, fornire isolamento elettrico ed amplificare il piccolo segnale ad un livello nominale che possa essere facilmente digitalizzato.
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.
Ogni condizionatore di segnale è progettato dal costruttore per effettuare la normalizzazione dell'uscita del sensore, assicurare la sua linearità e fedeltà al fenomeno fisico originario e prepararlo per la sua digitalizzazione. E poiché ogni sensore è diverso, i condizionatori di segnale devono adattarsi perfettamente.
Approfondisci i condizionatori di segnale:
Barriere di Isolamento (Isolamento Galvanico)
Occasionamente chiamato isolamento galvanico, l'isolamento elettrico è la separazione di un circuito da altre sorgenti di potenziale. Questo aspetto è particolarmente importante nei sistemi di misura perché si ha a che fare spesso con segnali con ampiezza ridotta, e i potenziali elettrici esterni possono influenzare la qualità del segnale in maniera importante, fornendo dei risultati errati. Le interferenze possono proveniere sia da potenziali AC che DC.
Per esempio, quando un sensore è posizionato direttamente su un oggetto in test, (ad esempio un alimentatore) che fornisce un potenziale rispetto a terra (non 0V) è possibile avere a che fare con offset DC di parecchi volts. L'interferenza elettrica o rumore possono anche avere la forma di segnali AC creati da componenti elettrici lungo il percorso del segnale nell'ambiente di test. Per esempio, le luci fluorescenti nella stanza possono irradiare un segnale a 400Hz che può essere rilevato da sensori particolarmente sensibili.
Questo è il motivo per cui i migliori sistemi di acquisizione dati integrano ingressi isolati - per preservare l'integrità della catena di segnale e assicurare che ciò che il sensore ha prodotto in uscita è esattamente quello che il sistema ha letto. Ci sono parecchie tecniche di isolamento elettrico utilizzate oggi.
Video che approfondisce l'alto isolamento galvanico integrato nei sistemi di acquisizione Dewesoft
Scopri di più
Filtraggio
Virtualmente, ogni segnale che vogliamo misurare può essere affetto da disturbi elettromagnetici o rumore. Questo può essere causato da molteplici fattori, incluso il campo elettromagnetico ambientale che può essere indotto in linee di segnale ad alto guadagno, oppure da semplici potenziali che esistono tra il sensore o il sistema di misura e l'oggetto in test. Quindi, i migliori condizionatori di segnale forniscono filtri selezionabili che possono essere scelti dagli ingegneri per rimuovere queste interferenze ed effettuare misure di migliore qualità.
I filtri sono normalmente definiti in termini di banda nella quale operano. Ci sono quattro tipi base di filtri:
Filtro Passa-Basso: questo filtro riduce o annulla il segnale da una frequenza data in poi.
Filtro Passa-Alto: esegue l'opposto e permette il passaggio del segnale sopra una data frequenza.
Filtro Passa-Banda ed Elimina-Banda: permette (passa) o inibisce (elimina) il passaggio dei segnali con frequenze tra due frequenze date.
Alcuni filtri, come ad esempio il filtro anti-aliasing, possono essere effettuati solo nel dominio analogico. Questo accede perché una volta che un segnale fittizio causato da sottocampionamento viene digitalizzato, non c'è più modo di ricostruire il segnale originario. D'altra parte, invece, praticamente tutti gli altri filtri possono essere realizzati nel dominio digitale, ad esempio via software dopo che il segnale è stato digitalizzato.
I filtri sono anche definiti dal numero dei poli della funzione di trasferimento che li descrive. Maggiore è il numero dei poli, maggiore è la pendenza della caratteristica del filtro. Dal numero dei poli si deriva tipicamente la pendenza massima del filtro in dB/Q.
L'hardware Dewesoft DAQ integra filtri passa-basso con caratteristiche tipicamente richieste dai segnali misurati. Alcuni condizionatori forniscono anche filtri passa-alto, per esempio, amplificatori CHARGE. La rimozione dei segnali a bassa frequenza è specialmente critico in caso di misura di accelerazione se il segnale viene integrado (o doppiamente integrato), in quanto, segnali non desiderati potrebbero distorcere il risultato derivato di velocità o spostamento.
Ti capiterà spesso di sentire nomi come Bessel, Butterworth, Elliptic, e Chebyshev giusto per nominarne alcuni. I filtri generano distorsioni del segnale a causa della loro natura, gli ingegneri hanno sviluppato, negli anni, svariati tipi di filtri che ottimizzano il risultato in applicazioni specifiche.
| Tipo Filtro | Pendenza | Ripple o Distorsione | Altri Fattori |
|---|---|---|---|
| Butterworth | Buona | Nessun ripple, ma onde quadre vengono distorte (isteresi) | Distorsione di fase moderata |
| Chebyshev | Ripida | Ripple in banda | Lenta risposta ai transitori |
| Bessel | Buona | Nessun ringing o sovraelongazione da segnali non sinusoidali | Maggiore sfasamento |
| Elliptic | Il più ripido | Ripple in banda | Risposta di fase non lineare |
Il Software Dewesoft X fornisce un'ampia selezione di filtri, inclusi tutti i tipi descritti sopra e più. E' interessante notare che i filtri software possono essere applicati, rimossi e modificati anche dopo la misura . Questo permette di analizzare i dati con molti strumenti, ma senza danneggiarli.
Utilizzando il software Dewesoft X, gli ingegneri possono registrare i dati senza filtrare, ed applicare qualsiasi filtro dopo la registrazione. E' anche possibile effettuare una comparazione fianco a fianco dei segnali filtrati con il segnale originale. Questa flessibilità costituisce uno strumento di analisi potente ed estremamente facile da utilizzare. Vengono preservati i segnali originali, i dati non filtrati e, contemporaneamente, si ha la possibilità di applicare i filtri necessari, creando un set di dati aggiuntivi per scopi interpretativi o per presentazioni.
Convertitori Analogici-Digitali (Convertitori ADCs o AD)
L'uscita della maggior parte dei condizionatori di segnali è un segnale analogico. E' necessario convertire questo segnale in una serie di valori digitali ad alta velocità in modo che possano essere mostrati e memorizzati dal sistema di acquisizione. Per questo scopo, un sottosistema A/D viene utilizzato per convertire il segnale.
Ci sono vari tipi di ADC, sia in architettura multiplexata, che con singolo convertitore per ogni canale. In un sistema ADC multiplexato, un singolo convertitore analogico-digitale viene utilizzato per convertire segnali multipli dal dominio analogico a quello digitale. Questo viene effettuato multiplexando i vari segnali analogici al singolo convertitore ADC.
Questo è un approccio a basso costo in comparazione con un'architettura con singolo convertitore ADC per ciascun canale. D'altra parte, con il multiplexer, non è possibile allineare i segnali sull'asse tempo, perché può essere convertito solo un segnale per volta. Quindi c'è sempre una distorsione temporale tra canali.
All'inizio della storia dei sistemi di acquisizione dati, erano comunemente utilizzati gli ADCs 8-bit. Al momento in cui stiamo scrivendo questo articolo, lo standard per sistemi di acquisizione dati per misure di segnali dinamici sono ADCs 24-bit, mentre gli ADCs 16-bit sono generalmente considerati come il minimo.
L'intervallo con il quale i segnali vengono convertiti è chiamato frequenza di campionamento. Alcune applicazioni, come ad esempio la maggior parte delle misure di temperatura, non richiedono frequenze di campionamento elevate, in quanto il fenomeno fisico osservato non cambia velocemente. Comunque, tensioni e correnti AC, shock e vibrazioni, e moltre altre grandezze fisiche richiedono frequenze di campionamento di decine o centinaia di migliaia di campioni al secondo o più. La frequenza di campionamento è considerata l'asse T oppure X della misura.
Gli ADC sono disponibili con varie risoluzioni. I più comuni oggi sono il 16-bit e il 24-bit. Un ADC con risoluzione di 16-bit può teoricamente digitalizzare un segnale in ingresso con una risoluzione di 1/65,535 (2^16 = 65,536). Questo numero è in realtà ridotto dal rumore e dall'errore di quatizzazione oltre che da altri fattori, ma fornisce un buon punto di partenza per la comparazione. Ogni bit di risoluzione raddoppia la risoluzione di quantizzazione. I sistemi con convertitori ADCs a 24-bit forniscono 2^24 = 16,777,216 passi di quantizzazione, quindi, un segnale di un volt in ingresso può essere diviso in più di 16 milioni di livelli sull'asse Y.
Gli ADCs che offrono un'alta frequenza di campionamento e un'alta risoluzione in ampiezza sono ottimali per l'analisi di segnali dinamici come shock e vibrazione. Basse frequenze di campionamento e alte risoluzioni in ampiezza sono ottimali per termocoppie e altri fenomeni che variano ampiamente ma lentamente.
Gli ADCs che integrano filtri anti-aliasing (AAF) sono fortemente desiderabili in applicazioni di misura di segnali dinamici perché evitano errori di misura causati da una frequenza di campionamento troppo bassa. L'aliasing è l'osservazione di segnali fittizi a causa della conversione ad intervalli troppo lunghi di un segnale velocemente variabile.
Una volta convertiti in digitale, i nostri segnali sono processati dal computer in molti modi. In primo luogo possono essere mostrati all'operatore sullo schermo per interpretazione ed analisi. Molti sistemi DAQ mostrano i dati in svariati formati popolari, incluso un grafico storia temporale (tipo registratore a carta Y/T) oppure un indicatore numerico. Altri displays sono disponibili in molti sistemi attualmente sul mercato, come ad esempio grafici a barre, grafici X-Y, e altro.
Scopri di più sui convertitori A/D:
Memorizzazione Dati
I moderni sistemi di acquisizione dati utilizzano tipicamente hard disk allo stato solido (SSD or HDD) su cui memorizzare permamentemente lo stream dei dati proveniente dal sottosistema ADC. I dati memorizzati su disco possono essere analizzati successivamente.
Molti sistemi DAQ permettono di esportare i dati in vari formati per effettuare analisi con software di terze parti. Tra i vari formati tipici troviamo CSV (Comma Separated Values), UNV (Universal File Format), e altro.
Il Software di acquisizione dati Dewesoft X è in grado di esportare questi formati così come molti altri ancora. Trovi qui la lista completa dei formati di esportazione dati.
Visualizzazione Dati e Display
Uno delle funzioni più critiche per i sistemi DAQ è la possibilità di visualizzare i dati in tempo reale durante la memorizzazione. I sistemi utilizzano un display integrato od esterno, che può essere configurato in una varità di formati visuali.
Le forme d'onda possono sempre essere visualizzati in un display in funzione del tempo, in grafici, griglie o displey numerici. In alcuni casi possono risultare utili altri tipi di visualizzatori come ad esempio grafici a barre, grafici FFT (Fast Fourier Transform) frequenza/ampiezza, e altro.
I sistemi DAQ moderni e flessibili permettono all'utente di configurare uno più displays liberamente e con metodi semplici utilizzando oggetti grafici integrati. Il Software di acquisizione Dewesoft X offre diversi strumenti visuali integrati:
Registratore: orizzontale, verticale e registratore XY
Oscilloscopio: scope, scope 3D, vectorscope
FFT: FFT, 3D FFT, Harmonic FFT, e Octave
Indicatori: digitale, analogico, display a barre orizzontale/verticale
Grafici: grafici 2D, grafici 3D, Ottave, Orbite, Campbell plot
Video: video standard e termografia con indicatori di temperatura
GPS: display della posizione con integrazione dati da Open Street Map
Controllo: puslante, interruttore, manopola, slider, campi ingresso utente
Analisi Combustione: diagramma P-V diagram e combustion scope
Bilanciamento rotore: per bilanciamento in campo
Automotive: 3D polygon per visualizzazione di oggetti in movimento
Aerospace: indicatore di altitudine e orizzonte arificiale
DSA/NVH: Modal circle
Altro: tabella 2D/3D, immagine, testo, linea, indicatore di overload, indicatore luce, note
Tutti gli strumenti visuali offrono diverse opzioni di personalizzazione con feedback visuale in tempo reale.
Display tipico del software Dewesoft X DAQ in esecuzione su un sistema di acquisizione dati Dewesoft. E' possibile visualizzare i dati in una varietà di grafici e "widgets" selezionabili dall'utente.
Analisi Dati
I sistemi di acquisizione, allo stato dell'arte, forniscono un ottimo feeback visuale in tempo reale durante il test. A seguito della registrazione nel sistema DAQ, i dati possono anche essere analizzati utilizzando strumenti integrati oppure con software di analisi di terze parti.
Come anticipato precedentemente, praticamente ciascun sistema DAQ attualmente in commercio integra svariati filtri di esportazione per convertire i dati dal formato proporietario ad altri formati utili per analisi off-line.
Tipi di Sistemi DAQ
Ci sono due tipi di sistemi DAQ:
Sistemi di acquisizione Pronti all'Uso o strumenti
DAQ fai-da-te come piattaforme di sviluppo
Prezzo dei Sistemi di Acquisizione Dati
I sistemi di acquisizione dati sono venduti da una miriade di aziende e sono disponibili con un'ampia gamma di capacità e specifiche, quindi il prezzo può variare in maniera significante. Fai riferimento alla guida "La lista completa dei Costruttori di Sistemi di Acquisizione Dati" per informazioni aggiornate.
E' comunque utilie fornire indicazioni generiche di prezzo per sistemi DAQ, utilizzando uno schema prezzo-per-canale.
Sistemi DAQ di fascia bassa tipicamente nel range di 200 - 500 €/canale
Sistemi DAQ di fascia media tipicamente nel range di 500-1000 €/canale
Sistemi DAQ di fascia alta tipicamente nel range di 1000-2000 €/canale
Per i sistemi DAQ fai-da-te non è possibile stimare il costo in quanto coprono una gamma molto ampia, da sistemi con pochi canali a sistemi di centinaia o migliaia di canali che hanno richiesto 10 anni di progettazione per essere realizzati.