Come Sostituire i Registratori Cartacei con un Sistema DAQ Digitale Dewesoft

Scritto da Grant Maloy Smith, esperto di acquisizione dati

In questo articolo, vedremo come è possibile sostituire i registratori oscillografici che stampano su carta con il DAQ (Sistema di Acquisizione Dati) digitale SIRIUS. Leggendo questo articolo potrai:

• Scoprire che i sistemi DAQ digitali possono essere più facili da usare rispetto ai vecchi registratori su carta
• Imparare le funzionalità avanzate fornite dai sistemi DAQ digitali
• Apprendere i vantaggi dei sistemi DAQ digitali, inclusi costi inferiori e manutenzione ridotta

Sei pronto? Iniziamo…

Oggi siamo tutti focalizzati sui dispositivi DAQ basati su computer, ma ci sono ancora applicazioni di test e misura in cui vengono utilizzati registratori grafici su carta in stile anni '80. Dagli anni '80, nonostante la maggior parte delle industrie si sia allontanata dai registratori cartacei, sostituendoli con sistemi di acquisizione dati basati su PC, ingegneri e tecnici in determinate applicazioni hanno continuato a utilizzarli. In effetti, oggi in molte centrali elettriche si trova ancora un numero relativamente elevato di registratori su carta utilizzati quotidianamente.

Perchè?

Le società elettriche (in particolare quelle nucleari) devono documentare un'ampia gamma di parametri secondo rigide normative. I registratori grafici su carta sono stati a lungo il modo principale per documentarli. Quaranta e cinquanta anni fa, la capacità di questi strumenti di produrre un output su carta era una vera comodità. C'erano pochi (se non nessuno) computer disponibili per i test e la maggior parte degli ingegneri non aveva nemmeno un computer alla propria scrivania. 

Oggi, i computer collegati (cablati e wireless) alle stampanti locali e in rete sono ovunque e praticamente accessibili a tutti. È molto meno costoso stampare grafici e report utilizzando stampanti per ufficio rispetto alla carta termica proprietaria richiesta dalla maggior parte dei registratori su carta. Inoltre, diagrammi e grafici stampati su carta termica svaniscono nel tempo e devono essere fotocopiati su carta da ufficio per la conservazione dei dati.

Nonostante la disponibilità e l’accessibilità ai computer sia cambiata radicalmente, c'è una lunga storia di utilizzo di registratori su carta in alcune compagnie elettriche, che continuano a usarli tutt’oggi. 
In questo articolo, mostreremo come i registratori su carta possono essere sostituiti con sistemi DAQ più piccoli, più moderni e dalle prestazioni migliori.

Che Cos'è un Registratore su Carta?

I registratori grafici su carta sono strumenti elettromeccanici che scrivono dati su una striscia mobile o un foglio di carta fisso. Ne esistono di diversi tipi:

• Registratori a Nastro
• Registratori a Grafico Circolare
• Registratori X-Y
• Registratori Oscillografici

Registratori a Nastro

I registratori a nastro hanno una larghezza di banda ridotta e solitamente utilizzano penne a inchiostro colorate per disegnare segnali su un rotolo o su carta a modulo continuo. I registratori a strisce sono spesso montati in modo permanente su un pannello, sebbene siano disponibili anche modelli da banco per applicazioni d’uso temporaneo. I registratori a nastro sono spesso utilizzati per acquisire segnali in tensione, temperatura e umidità in applicazioni di produzione e di processo.

Registratore a nastro EL3000. Immagine © Chino Corporation

Registratori a Grafico Circolare

I registratori di grafici circolari scrivono su un unico pezzo di carta rotondo che ruota lentamente, di solito per un periodo di giorni o settimane. Questi strumenti sono utilizzati principalmente per l’acquisizione di documentazione a lungo termine circa la temperatura e l'umidità in applicazioni di produzione e di processo.

Registratore grafico circolare, Arnold Reinhold, CC BY-SA 3, di Wikimedia Commons

Registratori X-Y

I registratori X-Y utilizzano una o più penne per scrivere su un foglio di carta rettangolare fisso. A differenza delle tipologie precedentemente citate, non tracciano i dati rispetto al tempo, ma tracciano un segnale rispetto a un altro. Ad esempio, possono essere utilizzati in un ambiente di processo per graficare la pressione rispetto alla deformazione, la velocità rispetto alla coppia, ecc.

Registratore X-Y flatbed 7046B di Hewlett Packard Immagine © 2022 Recycled Goods Inc.

Nel mercato esistono anche Data Loggers ma sono pensati per misure a bassa velocità e non hanno un output cartaceo, quindi non verranno trattati in questo articolo. Puoi saperne di più sui data logger in questo articolo.

Registratore Oscilloscopio

Di seguito, ci focalizzeremo sulla sostituzione dei registratori di grafici oscilloscopi. Gli oscilloscopi offrono una larghezza di banda relativamente elevata e una presentazione Y-T dei dati su carta in movimento.

I primi registratori oscilloscopi avevano solo un' uscita cartacea, mentre oggi forniscono anche una visualizzazione video e un’acquisizione dei dati nella memoria RAM o su disco rigido. La carta può essere utilizzata per stampare durante o dopo l’acquisizione dei dati. Alcuni modelli addirittura rinunciano completamente alla carta e sono chiamati "registratori senza carta".

Gli oscilloscopi accettano ingressi in tensione e spesso possono avere circuiti di condizionamento del segnale che consentono loro di gestire diversi fenomeni fisici, come temperatura, vibrazione, deformazione e pressione. Alcuni modelli possono accettare ingressi a impulsi per la misura di RPM e applicazioni di conteggio degli eventi.

Tali registratori sono generalmente configurati con 8 o 16 canali di ingresso analogico. Poiché gestiscono dati a velocità più elevata rispetto ai registratori su carta, i registratori oscilloscopi utilizzano in genere una testina di stampa ad array termico che stampa i dati, il testo e persino le griglie di sfondo su carta termicamente sensibile.

Tipico Oscilloscopio. Immagine © 2013 Soltec Corporation

I registratori oscilloscopi sono dispositivi elettromeccanici complessi. I loro meccanismi di stampa su carta richiedono manutenzione, durante la quale lo strumento non è in grado di produrre report. Richiedono anche rotoli o pacchi di carta per grafici che sia brevettata e termosensibile.

Una rapida ricerca su Internet mostra che il prezzo medio per un rotolo da 100 m o una confezione di questa carta può costare circa 50 €. Quindi, drasticamente più costoso della comune carta da ufficio in formato A4.

I registratori grafici odierni presentano nel loro chassis un computer, una memoria su disco rigido e un display a schermo piatto. Purtroppo però questi sono componenti che diventano molto rapidamente obsoleti e risultano praticamente impossibili da sostituire o aggiornare in questi strumenti.

I registratori grafici sono una soluzione semplice e nota. Esistono da molto tempo. Ma c'è una soluzione migliore che costa meno e che offre una lunga lista di vantaggi.

Il Sistema di Acquisizione Dati Digitale SIRIUS®

Il sistema DAQ SIRIUS di Dewesoft è un piccolo modulo DAQ a otto canali che si collega ad un qualsiasi computer Windows tramite USB. Ogni canale di ingresso è isolato galvanicamente, il che significa che c’è l'isolamento sia tra canale e canale sia tra canale e la terra. 

Gli amplificatori SIRIUS DualCore® hanno due convertitori A/D che funzionano in parallelo con guadagni diversi. Ciò protegge da variazioni impreviste del livello del segnale e porta ad una gamma dinamica maggiore di 160 dB,  precedentemente impossibile da raggiungere.

Un modulo SIRIUS è alto solo 64,5 mm e largo 266 mm. Ogni slice SIRIUS è ricavata da un unico blocco di alluminio lavorato mediante macchina a controllo numerico. Questi moduli sono realizzati per resistere ad urti e vibrazioni, eventi molto comuni nelle applicazioni DAQ. 

Le dimensioni e la massa ridotte, unite alla mancanza di parti mobili, rendono l'hardware DAQ SIRIUS più robusto dei registratori su carta. 
E poiché i computer di oggi sono potenti ed allo stesso tempo economici, è possibile rimuoverli dall'hardware DAQ. Di conseguenza, il costo e la complessità dei moduli DAQ sono ulteriormente ridotti.
Senza il computer integrato nell'hardware DAQ, è meno probabile che il modulo SIRIUS diventi obsoleto nel tempo. È molto sicuramente più semplice e meno dispendioso sostituire di tanto in tanto il computer piuttosto che investire in un nuovo sistema DAQ.

Ogni slice DualCore® SIRIUS standard può essere configurata con otto amplificatori ad alta velocità a scelta. Sono disponibili amplificatori per:

• Alta tensione (selezionabile ±1200 V e ±50 V)
• Bassa tensione (selezionabile ±200 V, ±10 V, ±1 V, ±100 mV)
• Ingressi "UNI" (universali), che includono deformazione, pressione, tensione, accelerazione e vibrazione IEPE, resistenza, temperatura e altro
• Si noti che molti amplificatori accettano adattatori DSI per acquisire e condizionare ancora più tipologie di sensori, come corrente, LVDT, termocoppie, sensori RTD e altro..
• Accelerometri o microfoni IEPE
• Microfoni a condensatore polarizzati
• Accelerometri di carica

I connettori sono adattati al tipo di ingresso, quindi, ad esempio, gli ingressi ad alta tensione utilizzano sempre connettori a banana isolati. Le basse tensioni possono avere connettori a banana, connettori BNC, LEMO o DB9. Gli accelerometri IEPE in genere utilizzano connettori BNC e gli estensimetri/ingressi universali utilizzano connettori multi-pin come DB9 o LEMO e così via.

Inoltre, gli amplificatori SIRIUS possono essere configurati con ingressi counter individuali per RPM, tachimetro e altre misure come duty cycle, encoder incrementali e conteggio eventi.

Confronto tra un Tipico Registratore Oscilloscopio e un Sistema DAQ SIRIUS

	Registratore Oscilloscopio	Sistema DAQ SIRIUS
Numero di canali analogici	Tipicamente 8 o 16	8 o 16 (per modulo)
Espandibile	Raramente	Sì. Più moduli possono essere collegati allo stesso computer e sincronizzati
Frequenza di campionamento massima	1 MS/s (typ.)	DualCore e HD: 200 kS/s SIRIUS HS: 1 MS/s SIRIUS XHS: 15 MS/s
Risoluzione	16-bit (typ.)	DualCore e HD: 24-bit SIRIUS HS: 16-bit SIRIUS XHS: 24-bit fino a 1 MS/s, quindi 16-bi
Input alta tensione	da ±100mV a ±500V (typ.) Le specifiche di isolamento variano in base al produttore	Amp HV: da ±50 V a ±1200 V Isolamento Galvanico: CAT III 600 V; CAT II 1000 V
Computer	Integrato. Solo aggiornamento di fabbrica o sostituzione	Notebook esterni o computer desktop possono essere sostituiti facilmente
Visualizzazione dei dati	LCD TFT integrato da 12,1" (1024x768 pixel) (tip.)	I computer notebook economici di oggi hanno una risoluzione di 15,6" 1920x1080 px e sono migliori.
Uscita carta	Stampante a matrice termica integrata, rotolo di cartografia da 8,5" o carta a modulo continuo. Le uscite sono solo in bianco e nero. È necessaria carta termicamente sensibile. La carta deve essere conservata in un ambiente a temperatura controllata per evitarne la cancellazione.	Vengono utilizzate stampanti e carta standard per ufficio. Le uscite possono essere a colori se lo si desidera. Le stampanti di grandi dimensioni possono essere utilizzate per la stampa di report di qualsiasi dimensione. Le stampe non sono soggette a cancellazione a causa delle alte temperature.
Archivio dati	64 GB HDD typ.	I computer notebook di oggi offrono centinaia di GB e TB di spazio di archiviazione dati. Ulteriori unità TB possono essere facilmente collegate tramite USB. I computer desktop offrono ancora più spazio di archiviazione.
Obsolescenza	I componenti relativi al computer diventano obsoleti molto rapidamente e non sono pratici da aggiornare.	Poiché il computer è completamente separato, può essere aggiornato o sostituito a buon mercato in qualsiasi momento.
Costo approssimativo	25k €	< 20k € (computer incluso)

Facile Utilizzo del Computer

L’hardware SIRIUS, come tutti gli hardware Dewesoft, include la licenza gratuita per il software DewesoftX. Il software DAQ Dewesoft ha vinto numerosi premi in tutto il mondo per la sua facilità d'uso e la versatilità della sua interfaccia grafica. Il software DewesoftX viene installato su computer Windows ed il modulo SIRIUS si collega al computer tramite un unico cavo USB, fornendo così un sistema di misura completo. Poiché la licenza si trova all'interno dell'hardware SIRIUS, è possibile installare il software su più computer e utilizzarne uno qualsiasi per l’acquisizione dei dati, evitando così problemi di licenza.

Quindi, ciascun utente può collegare il proprio computer al sistema DAQ SIRIUS. L’utente potrebbe anche voler utilizzare un computer dedicato per la fase di misura e spostare successivamente i dati su un computer diverso per l'analisi, il post processamento dei dati e la generazione di report. In fase di analisi non è richiesta alcuna licenza.

Schermata di configurazione di un canale in DewesoftX

DewesoftX fornisce una configurazione software dei canali. Non ci sono pulsanti o interruttori sull'hardware: tutto è impostato via software, incluso il range di misura e il filtraggio, la frequenza di campionamento, i trigger e altro ancora.

Una volta impostati i canali, il software crea automaticamente un’interfaccia contenente un grafico registratore, come mostrato di seguito:

Schermata del registratore grafico standard in DewesoftX

L’utente è libero di creare altri display, utilizzando un'ampia varietà di widget grafici, come contatori analogici e digitali, grafici oscilloscopi e altro ancora.

Display illimitati configurabili dall'utente in DewesoftX

E’ persino possibile creare display destinati alla stampa su stampanti per ufficio in bianco e nero o a colori, per la stesura di report:

I report stampabili sono facili da creare nel software DewesoftX

Alta tensione e alto isolamento

Nelle applicazioni di misure elettriche, l'isolamento è estremamente importante. Il SIRIUS HV (modulo ad alta tensione) accetta direttamente tensioni fino a ±1200 V ed è isolato galvanicamente.

L'amplificatore SIRIUS HV fornisce una protezione da sovratensione di 1,8 kV RMS (da IN+ a IN-) e 1,4 kV RMS (da INx a GND). È isolato a 1000 V con CAT II e 600 V con CAT III.

Anche il modulo SIRIUS LV a bassa tensione, che accetta segnali da ±100mV a ±200V, è isolato galvanicamente fino a 1000V, con protezione da sovratensione fino a 300V nel range di misura ±200V.

Esistono anche altri amplificatori SIRIUS DualCore realizzati per gestire altri segnali e sensori. Questi includono estensimetri, accelerometri, microfoni, LVDT, termocoppie, RTD e altro ancora. Includono anche l'isolamento galvanico fino a 1000 V.

Attivazione Avanzata di Trigger

Una delle caratteristiche più importanti delle applicazioni nelle centrali elettriche è l'attivazione su base trigger. Questa modalità è spesso usata per la ricerca di guasti. Invece di registrare in continuo per ore o addirittura giorni per acquisire un evento dell'interruttore, è possibile configurare il sistema in modo che registri solo quando l'interruttore effettivamente scatta. 

Ciò consente di risparmiare spazio su disco registrando solo i dati necessari. Mentre è in attesa del guasto, il sistema utilizza un buffer circolare, quindi può essere configurato per acquisire una certa quantità di dati prima dell'evento e un certo periodo di tempo dopo l'evento stesso. La registrazione dei dati può essere impostata per acquisire una volta e fermarsi o per ripristinarsi automaticamente e acquisire un numero qualsiasi di eventi.

Configurazione tipica del test dell'interruttore, con integrazione video

Aggiunta di Video ai tuoi Dati

Applicazioni come il test PRV (Valvola Limitatrice di Pressione), possono trarre vantaggio dall'aggiunta del video alla registrazione. Per applicazioni semplici, è possibile collegare una webcam standard da ufficio al computer che controlla il sistema SIRIUS DAQ. Queste webcam DirectX sono un modo molto economico per aggiungere un riferimento visivo a qualsiasi test. Queste tuttavia non sono estremamente veloci e sono sincronizzate via software.

Quando è necessaria una maggiore velocità e una sincronizzazione video hardware, è possibile scegliere da un’ampia gamma di DS-CAM da integrare con il sistema DAQ.

Videocamera Dewesoft DS-CAM sincronizzabile, ad alta velocità con compressione integrata

Le telecamere DS-CAM forniscono video ad alta velocità fino a 333 fps (fotogrammi al secondo) con risoluzione Full HD. Abbassando la risoluzione è possibile raggiungere fino a 600 fps. Le fotocamere DS-CAM sono dotate di compressione JPEG in tempo reale integrata. Questo consente lo streaming in tempo reale direttamente sul disco rigido del computer. A differenza delle webcam, le DS-CAM sono sincronizzate hardware, fotogramma per fotogramma allo chassis SIRIUS, utilizzando un cavo di sincronizzazione.

Espansione di un Sistema DAQ SIRIUS

Quando sono necessari più di otto canali analogici ad alta velocità, è possibile aggiungere ulteriori moduli SIRIUS al sistema. Più moduli SIRIUS possono essere sincronizzati tra loro e collegati allo stesso computer. A seconda delle esigenze, è possibile scegliere se impilare e bloccare insieme i vari moduli o lasciarli separati. 

Se le porte USB a disposizione sul computer non sono sufficienti per collegare più moduli SIRIUS è possibile usare degli hub USB. E’ quindi possibile collegare più slice SIRIUS insieme per creare un unico sistema con più di 100 canali ad alta velocità!

Tre moduli SIRIUS collegati tra loro tramite clip di bloccaggio integrate, che compongono un sistema con 32 canali analogici e 2 ingressi digitali

Risorse per la Formazione

Dewesoft fornisce diverse risorse per la formazione, online e offline:

• Corsi di formazione online: fDewesoft offre corsi di formazione online per ingegneri e tecnici che desiderano approfondire il funzionamento dei sistemi DAQ SIRIUS, il condizionamento del segnale o il funzionamento del software. Tutti i corsi di formazione sono gratuiti e disponibili alla sezione PRO-Training online
• Webinar Dewesoft: disponibili online, gratuitamente.
• Manuale online DewesoftX: Dewesoft dispone di un manuale online per il software di acquisizione dati DewesoftX. Accessibile anche con il tasto F1 direttamente dal software.

Un breve corso di formazione su come utilizzare i grafici registratore fa parte del Corso online sui Display tdisponibile per tutti gli utenti.

Riepilogo

Mentre l'era del registratore oscilloscopio volge al termine, ingegneri e tecnici devono trovare un sostituto che non solo svolga efficacemente il lavoro, ma che sia conveniente, robusto, facile da usare ed espandibile.

Un singolo modulo SIRIUS combinato con un computer portatile (o desktop) che esegue il software DewesoftX è il sostituto ideale. Soddisfa tutti i requisiti e va oltre, aggiungendo la possibilità di espandere in modo modulare ed economico il numero dei canali e la possibilità di registrazione video sincronizzata. SIRIUS rappresenta la soluzione ottimale per sostituire i vecchi registratori oscilloscopio, risparmiare denaro e portare i test ad un livello più elevato.