¿Por qué elegir una Grabadora de Adquisición de Datos todo en uno?

Los sistemas de adquisición de datos son utilizados para adquirir, visualizar y almacenar mediciones. Existen actualmente muchos tipos de sistemas de adquisición de datos disponibles en el mercado. Estos sistemas "todo en uno" incluyen tarjetas PCI internas, y hardware externo conectado a una computadora mediante un cable USB o Ethernet. Estos sistemas son comúnmente referidos como grabadoras de adquisición de datos, o simplemente grabadoras de datos, para abreviar. Estas proveen una solución completa y portátil que incluye hardware de adquisición de datos, una PC integrada y una pantalla para configurar el instrumento y ver los datos de medición. Los osciloscopios de almacenamiento digital (DSO) son otro tipo de sistema de adquisición de datos para uso en casos más específicos. Este artículo le ayudará a comprender los conceptos básicos de la adquisición de datos, comparar las soluciones disponibles, y seleccionar el sistema más adecuado para su aplicación. 

La adquisición de datos se refiere al proceso de medir fenómenos físicos como la temperatura, la fuerza (incluyendo presión y tensión), el caudal y más. El primer paso es convertir el fenómeno físico en una señal eléctrica como voltaje o corriente. Esta es la función de un sensor o transductor. Puede ser necesario un acondicionamiento adicional, como amplificar, atenuar, linealizar, aislar y filtrar. Este acondicionamiento de señal puede ser realizado a través de circuitos externos, pero muchos sistemas de adquisición de datos proporcionan acondicionamiento de señal incorporado.

Para convertir la señal eléctrica en un valor digital, los sistemas de adquisición de datos utilizan convertidores analógicos a digitales (ADC). La frecuencia de muestreo y el número de bits del ADC determinan la frecuencia máxima de la señal que se puede adquirir y la resolución a la que se puede capturar la señal. Para recrear digitalmente una señal analógica, el teorema de Nyquist establece que la velocidad de muestreo debe ser al menos dos veces más rápida que la frecuencia más alta que se está muestreando. Sin embargo, esto sólo garantiza que la frecuencia de la señal pueda reproducirse con precisión. La reconstrucción precisa de la forma generalmente requiere frecuencias de muestreo de al menos cinco a diez veces más rápidas que la frecuencia de la señal que se registra.

La resolución de medición se refiere al número de partes en las que se puede dividir una señal. Más bits le permiten detectar cambios más pequeños en la señal. Por ejemplo, un ADC de 12 bits de resolución significa que el cambio más pequeño detectable en una señal se puede determinar dividiendo el rango de entrada por 2^12 o 4096 pasos. Para un rango de entrada de 0 a 10 voltios, el cambio más pequeño detectable en la señal de entrada usando un ADC de 12 bits es de 2,4 milivoltios. Los ADC modernos suelen ofrecer una resolución de 12, 16, 18 o 24 bits.

Una vez que la señal se convierte a un formato digital, el instrumento puede mostrar y almacenar la información en su memoria. Los datos adquiridos también se pueden procesar mediante un microcontrolador o FPGA. Los ejemplos incluyen operaciones matemáticas o filtrado digital.

Los osciloscopios de almacenamiento digital (DSO, por sus siglas en inglés) y los sistemas de adquisición de datos son similares en muchos aspectos. En términos de funcionalidad, ambos son instrumentos versátiles que capturan y muestran señales que varían con el tiempo. Además, ambos incluyen herramientas de análisis de señales y capacidades de registro de datos. Sin embargo, estos instrumentos varían de muchas maneras, tales como frecuencias de muestreo, las opciones de acondicionamiento de señales y el espacio de almacenamiento. Como tales, se utilizan para aplicaciones muy diferentes.

Las rápidas velocidades de muestreo de un osciloscopio (normalmente cientos de megahercios a gigahercios) lo hacen ideal para analizar señales transitorias o de alta velocidad. Con una memoria más profunda y una amplia variedad de opciones de acondicionamiento de señales, los sistemas de adquisición de datos son más adecuados para adquirir una variedad de señales estáticas y dinámicas durante períodos de tiempo prolongados. Los sistemas de adquisición de datos tienden a tener un ADC de mayor resolución, pero velocidades de muestreo más lentas que las de un osciloscopio.

Los sistemas de adquisición de datos también proporcionan un mayor número de canales, múltiples tipos de entradas y funcionalidades adicionales, como salidas de alarma. Mientras que un DSO típico tiene 2 o 4 entradas, los sistemas de adquisición de datos pueden escalar de 4 a cientos de canales. Además, los módulos de entrada dedicados con acondicionamiento de señal incorporado permiten la conexión directa de sensores comunes como termopares, RTD, galgas extensométricas y más. Los sistemas de adquisición de datos también facilitan la configuración de canales de entrada para sensores específicos, incluido el escalado. Para una integración completa del sistema, los sistemas de adquisición de datos pueden proporcionar entradas digitales para monitorear el estado de dispositivos externos y salidas que pueden activarse según las condiciones definidas por el usuario.

Las grabadoras de adquisición de datos "todo en uno" brindan muchos beneficios sobre otros tipos de sistemas de adquisición de datos. Con una gran memoria interna, una pantalla para visualizar formas de onda y herramientas de análisis posterior a la adquisición, estos instrumentos eliminan la necesidad de una PC externa y al mismo tiempo ofrecen varios puertos de comunicación para acceso remoto y conexión en red. Además, su formato compacto, diseño resistente y batería interna hacen que las grabadoras de adquisición de datos sean ideales para una amplia variedad de aplicaciones, incluyendo las de mantenimiento y pruebas en el campo.

Figura 1: La Pantalla de Configuración de Canales facilita la selección del tipo de medición, el rango y la configuración de disparos.

Las grabadoras de datos vienen completas con un software de sistema para configurar canales de medición, visualizar datos en tiempo real y analizar datos almacenados, no requiriendo programación. Configurar canales es fácil teniendo tipos de medición predefinidos y escalado para sensores estándar o personalizados. Algunos sistemas proporcionan bibliotecas de sensores que facilitan aún más la configuración. Para visualizar los datos, el software permite elegir entre pantallas predefinidas (por ejemplo, series de tiempo, gráficos XY o valores numéricos) o sus propias pantallas personalizadas. También proporcionan herramientas de análisis integradas, como cursores, que le permiten realizar mediciones como máxima, mínima, pico a pico o tiempo entre eventos. Algunas grabadoras de datos también brindan funcionalidades específicas para aplicaciones, como análisis de energía, que pueden reducir o eliminar la necesidad de instrumentos adicionales.

Figura 2: Una pantalla similar a la de un osciloscopio es una de sus varias opciones para visualización.

Para la visualización y el análisis posteriores a la adquisición, las grabadoras de datos le permiten seleccionar un archivo, reproducir datos y aplicar una variedad de herramientas de análisis integradas. También pueden disponer de herramientas de software adicionales para análisis fuera de línea, exportar datos a formatos comunes y controlar unidades remotamente.

Al seleccionar una grabadora de datos, es importante asegurarse de que el instrumento satisfaga las necesidades de medición actuales y futuras. Estos pueden incluir el recuento de canales, la frecuencia máxima de muestreo, los tipos de medición admitidos, el modo de muestreo y la capacidad de almacenamiento. Otros requisitos, como la necesidad de sincronizar datos con otros sistemas o adquirir entradas de bus CAN, también pueden ser consideraciones importantes. Sin embargo, a menudo son los factores menos tangibles, como la facilidad de uso, las funciones del software, el soporte y los servicios del fabricante y la capacidad de ampliación, los que aumentan el valor empresarial y la satisfacción a largo plazo.

La frecuencia de muestreo debe seleccionarse en función del tipo de señales que se capturan. Las condiciones ambientales como la temperatura y la humedad ralentizan el cambio de las señales estáticas que pueden capturarse con precisión a bajas velocidades de muestreo (normalmente de 10 a cientos de muestras por segundo). Por el contrario, las señales dinámicas como la vibración y el choque mecánico cambian rápidamente y requieren velocidades mucho más altas (normalmente miles o incluso millones de muestras por segundo). Como se señaló anteriormente, reproducir con precisión una señal dinámica requiere un muestreo de al menos 2 veces la frecuencia esperada.

Además de la frecuencia máxima de muestreo, también es importante cómo se adquieren las muestras. Las grabadoras de datos adquieren mediciones de dos maneras: multiplexada o simultánea. En el muestreo multiplexado, el instrumento escanea los canales de entrada habilitados y adquiere un único punto de datos de cada uno. Todos los canales comparten un ADC común. Dado que existe un retraso fijo entre cada canal debido a los tiempos de conmutación y establecimiento, la frecuencia de muestreo más rápida está limitada por la cantidad de canales. Las grabadoras de datos con muestreo multiplexado son los más adecuados para recopilar mediciones estáticas en muchos canales durante períodos de tiempo prolongados.

En el muestreo simultáneo, cada canal tiene su propio ADC y las muestras se adquieren simultáneamente a una velocidad definida por el usuario. Además, los ADC están sincronizados con una base de tiempo común, lo que permite alinear los valores con una marca de tiempo específica. Esto es importante cuando se intenta comparar señales dinámicas. Es posible capturar señales estáticas (que cambian lentamente) y dinámicas (que cambian rápidamente), pero adquirir señales estáticas a altas velocidades de muestreo es un uso ineficiente de la memoria.

Figura 3: Diez canales activos en un sistema multiplexado de 1 kHz en comparación con un sistema de adquisición simultánea de 1 kHz.

Para aplicaciones en las que es deseable medir señales tanto estáticas como dinámicas, es una buena idea seleccionar una grabadora de datos que admita múltiples frecuencias de muestreo. Esto permite capturar señales estáticas a velocidades bajas y señales dinámicas a velocidades altas mientras se maximiza el espacio de almacenamiento disponible. Los fabricantes suelen ofrecer una gama de productos con diferentes recuentos de canales, modos de muestreo y velocidades máximas de muestreo.

Muchas grabadoras de datos proporcionan ranuras para módulos de medición dedicados. Esta arquitectura modular le permite configurar el sistema con la combinación adecuada de módulos de entrada, maximizando el rendimiento y eliminando la necesidad de acondicionamiento externo. Un sistema configurable también permite actualizar el sistema a medida que cambian las necesidades de prueba.

Para sincronizar los datos adquiridos dentro de un solo sistema o entre múltiples sistemas, muchas grabadoras de datos ofrecen entradas para fuentes de sincronización. Los tipos más comunes son IRIG y GPS. Ambos utilizan entradas dedicadas en el instrumento.

IRIG fue desarrollado en la década de 1950 por el Grupo de Instrumentación Inter-range (IRIG) del ejército estadounidense como un protocolo para transferir información de sincronización precisa. El estándar ha evolucionado a lo largo de los años e incluye múltiples definiciones de códigos de tiempo, cada una con una designación alfabética (por ejemplo, A, B, D, E, G y H). El código de tiempo especifica la velocidad de bits, el tiempo de bits, los bits por cuadro, el tiempo de cuadro y la velocidad de cuadros. Al seleccionar un sistema de adquisición de datos, es importante confirmar que el instrumento admite el código de tiempo requerido.

La sincronización GPS se basa en una señal de pulso por segundo (PPS) de alta precisión procedente de los satélites GPS. Se requiere un receptor GPS para recibir la señal y generar la salida PPS. El beneficio de la sincronización GPS es que permite a los sistemas adquirir mediciones sincronizadas en un área grande. También proporciona una marca de tiempo absoluta.

El espacio de almacenamiento disponible es una consideración clave al elegir entre los modelos disponibles. Las aplicaciones que requieren sólo una pequeña cantidad de canales o bajas tasas de adquisición no requieren mucho espacio de almacenamiento, pero adquirir una gran cantidad de canales a altas tasas de muestreo puede llenar un disco duro rápidamente. Cuando se utiliza como dispositivo independiente, el instrumento debe tener suficiente memoria para capturar todas las mediciones durante el período de tiempo deseado.

B&K Precision ofrece una selección completa de registradores de datos todo en uno, desde sistemas multicanal portátiles hasta sistemas configurables de alta velocidad. Todos los registradores de datos B&K Precision vienen con una aplicación de software integrada fácil de usar y las actualizaciones son gratuitas de por vida. La guía de selección a continuación lo ayudará a elegir el producto adecuado para su aplicación específica.

La Serie DAS200 es el diseño más pequeño y portátil de B&K Precision. El DAS220 y el DAS240 proporcionan una frecuencia de muestreo máxima de 1000 Sa/s y pueden acomodar 10 o 20 canales respectivamente. El DAS240 también se puede ampliar a 200 canales conectando en cadena múltiples bloques de terminales. Con entradas universales y hasta 15 horas de duración de la batería, la serie DAS200 es ideal para una amplia variedad de aplicaciones que incluyen registro de temperatura y monitoreo de procesos.

Figura 4: Software integrado para análisis de energía eléctrica trifásica.

La Serie DAS30/50/60 son grabadoras de datos multifunción de alta velocidad que proporcionan velocidades de muestreo de hasta 1 MSa/s y hasta 6 canales. Su método de adquisición simultánea hace que esta grabadora de datos sea ideal para aplicaciones como mantenimiento y análisis de fallas, análisis de energía eléctrica y pruebas de motores. Para imprimir copias impresas de datos, dispone de una impresora térmica de 110 mm instalada de fábrica.

Los Modelos DAS1700 y el DAS1800 son sistemas configurables de alta velocidad que ofrecen características y rendimiento de primera línea. Ambos ofrecen velocidades de muestreo rápidas (hasta 1 MS/seg.), un alto número de canales y un amplio espacio de almacenamiento para registrar datos durante largos períodos de tiempo. El factor de forma modular, con múltiples ranuras para módulos de entrada, hace que estos instrumentos sean altamente configurables y escalables. También proporcionan un modo de análisis de energía dedicado para probar redes eléctricas monofásicas o trifásicas.

Para obtener más información sobre la gama completa de grabadoras de adquisición de datos de B&K Precision, visite la Página de Grabadoras de Adquisición de Datos o Vea todas las Grabadoras de Adquisición de Datos.

Tabla 1: Guía de Selección de Grabadoras de Adquisición de Datos B&K Precision