3. Adquisición de datos y procesamiento de señales (acelerómetro)

1

CAPITULO III

ADQUISICIÓN DE DATOS Y PROCESAMIENTO

DE SEÑALES

3.1 TRANSDUCTORES.

El ser humano posee la sensibilidad de percibir condiciones del entorno que lo rodea

como temperatura, cantidad de luz, formas, etc., a través de los diferentes sentidos,

pero esta percepción esta limitada por ser cualitativa, cuando se requiere una

apreciación cuantitativa los elementos llamados sensores son los garantes de esta

apreciación, pudiendo ser este un elemento eléctrico, mecánico o químico, el cual es

capaz de convertir una característica del entorno físico en una medida cuantitativa,

cada sensor se basa en un principio de transducción: conversión de energía de una

forma en otra.

Entonces se puede llevar una señal física, a una representación eléctrica interpretable

por un sistema eléctrico – electrónico, a través de los llamados transductores. Un

buen transductor no debe agregar falsos componentes a la señal, y debería producir

señales uniformes en todo el rango de frecuencias que nos interesa.

Figura 3.1, Posición de los transductores Fuente: Los autores

Para el desarrollo del proyecto la adquisición de las señales de vibración, velocidad y

corriente, serán implementados los siguientes sensores:

2

Ø Acelerómetro.

Ø Tacómetro.

Ø Sensor de corriente.

Ø Sensor del voltaje.

Estas señales serán llevadas a un CAS (circuito acondicionador de señal) para su

acondicionamiento de manera que puedan ser digitalizadas por la tarjeta de

adquisición de datos y subidas al computador para su análisis.

Figura 3.2. Esquema del equipo Fuente: Los autores

3.1.1 ACELERÓMETRO.

La medición de aceleración es importante en varias situaciones que involucran

sistemas mecánicos. Entre ello las vibraciones. La medición de vibraciones es útil

tanto para evaluar los esfuerzos que se producen en diferentes máquinas y su efecto,

incluso para rastrear el origen de diversos tipos de ruidos.

Figura 3.3. Acelerómetro. Fuente: Los autores.

3.1.1.1 REQUERIMIENTOS:

Ø El sensor debe aplicarse de manera no invasiva.

3

m

Ø La señal de salida deberá conservar todas las características de la señal

censada.

Ø La señal de salida del sensor deberá poder ser acondicionada a un nivel de

voltaje compatible con el sistema de adquisición de datos.

Ø Deberá poseer un ancho de banda de 0-5000 Hz.

3.1.1.2 MODELO MATEMÁTICO.

La medición de aceleración puede realizarse midiendo la fuerza necesaria para

acelerar un objeto de masa conocida, para lo cual a su vez bastará medir la deflexión

de un resorte que sostiene a dicha masa. Figura 3.2

K objeto vibrante F

X Y

Figura 3.4. Modelo físico al cual se basa el funcionamiento de los acelerómetros integrados. Fuente: Los autores

La disposición muestra un objeto vibrante cuya aceleración se desea medir. Sobre el

mismo está montado el dispositivo de medición formado por una masa m y un

resorte con constante elástica k. Lo que se desea medir es la segunda derivada del

desplazamiento del objeto vibrante, es decir

a t x '' t 3.1

La dificultad de medir la aceleración inercial directamente nos obliga a medir

deformación x (t) y y (t) del resorte. Ahora llamamos F a la fuerza aplicada por el

resorte a la masa m y que es la relación entre deformación y la aceleración

F k x y mx '' 3.2

De donde se obtiene una ecuación diferencial que relaciona x e y

x ' ' ky kx 3.3

4

m1

2

2

Aplicamos la transformada de Laplace con las condiciones iniciales nulas tenemos:

Y s X s X s

3.4 2

1 s 2 s k

0

Donde 0 k m es la frecuencia natural o frecuencia de resonancia del sistema, si

hacemos X-Y:

X s Y s

2

X s s 0

2

1 2

0 A s

3.5

1 s 1 s 0 0

Donde A(s) es la transformada de la aceleración, se puede ver que la deformación

del resorte es aproximadamente proporcional a la aceleración, cuando 0

x t y t 1 a t 0

3.6

Una vez reducido el problema de medir aceleración al de medir una deformación

geométrica, existen varios enfoques posibles para resolverlo. Uno sería utilizar una

celda de carga. Otro, aplicar el efecto piezoeléctrico que exhiben algunos cristales,

otro, transformar la deformación en una variación de capacitancia, que luego puede

medirse eléctricamente.

3.1.1.3 GENERALIDADES DEL ACELERÓMETRO.

Los acelerómetros son dispositivos para medir aceleración y vibración. Estos

dispositivos convierten la aceleración de gravedad o de movimiento, en una señal

eléctrica analógica proporcional a la fuerza aplicada al sistema, o mecanismo

sometido a vibración o aceleración. Esta señal analógica indica en tiempo real, la

aceleración instantánea del objeto sobre el cual el acelerómetro está montado.

5

Los acelerómetros miden la aceleración en unidades “g”. Un g se define como la

fuerza gravitacional de la tierra aplicada sobre un objeto o persona.

Los acelerómetros son direccionales, esto quiere decir que sólo miden aceleración en

un eje. Para monitorear aceleración en tres dimensiones, se emplea acelerómetros

multiejes (ejes x, y, z) los cuales son ortogonales.

La clasificación principal de los acelerómetros se constituye en dos grupos:

Ø Pasivos

Ø Activos.

Los acelerómetros pasivos envían la carga generada por el elemento sensor (puede

ser un material piezoeléctrico), y debido a que esta señal es muy pequeña, estos

acelerómetros requieren de un amplificador externo para incrementar la señal.

Los acelerómetros activos incluyen circuitos internos para convertir la carga del

acelerómetro a una señal de voltaje, pero requieren de una fuente constante de

corriente para alimentar el circuito.

3.1.1.4 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL ACELERÓMETRO

PIEZOELÉCTRICO.

Mide la fuerza de inercia generada cuando una masa sísmica es afectada por un

cambio de velocidad.

Se puede considerar al acelerómetro piezoeléctrico como el transductor estándar para

medición de vibración en máquinas. Se produce en varias configuraciones, pero la

ilustración del tipo a compresión sirve para describir el principio de funcionamiento.

Este se basa en el principio de que cuando se comprime un retículo cristalino

piezoeléctrico, se produce una carga eléctrica proporcional a la fuerza aplicada.

Cuando una materia está sujeta a una fuerza, se genera una carga eléctrica entre sus

superficies.

6

q d33 F

u d33 d F e33 A

A área d grosor F fuerza q c arg a u voltaje

del electródo

d33 , e33 cons tan tes piezoeléctricas

Figura 3.5. Elemento piezoeléctrico en forma de disco. Fuente: Los autores.

Se puede apreciar en la figura 3.5 el elemento piezoeléctrico tiene forma circular,

este elemento puede ser de cristales de cuarzo o materiales sintéticos como

cerámicos. El elemento sensor de un acelerómetro piezoeléctrico consiste en dos

partes principales:

Ø Material piezoeléctrico

Ø Masa sísmica

El material piezoeléctrico esta conectado en forma rígida a la base del sensor. La

llamada masa sísmica se adjunta a la otra parte. Cuando el acelerómetro es sometido

a vibración, se genera una fuerza que actúa sobre el elemento piezoeléctrico. De

acuerdo con la ley de Newton (F=m.a) esta fuerza es igual al producto de la masa

sísmica y la aceleración. Por efecto piezoeléctrico una señal de carga eléctrica

aparece en la salida, proporcional a la fuerza aplicada dado que la masa sísmica es

constante la carga de la salida también es proporcional a al aceleración de la masa.

F m.a sencibilidad de c arg a

Bqa q a

sencibilidad de voltaje

Bua u a

Figura 3.6. Posición de la masa sísmica. Fuente: Los autores

7

Como se menciono anteriormente el material piezoeléctrico puede variar, siendo el

cuarzo uno de los más utilizados. Algunos materiales son capaces de funcionar a

temperaturas más altas que el Cuarzo. Si se incrementa la temperatura de un material

piezoeléctrico, se debe cuidar de no llegar al llamado "punto Curie" o " temperatura

Curie" ya que se pierde la propiedad piezoeléctrica. Una vez que esto pasa, el

transductor está defectuoso y no se puede reparar.

Los niveles más bajos de aceleración que puede detectar son determinados

únicamente por el ruido del sistema electrónico y el límite de los niveles más altos es

la destrucción del mismo elemento piezoeléctrico. Este rango de niveles de

aceleración puede abarcar un rango de amplitudes de alrededor de 10, lo que es igual

a 160 dB. Ningún otro transductor puede igualar esto.

El acelerómetro piezoeléctrico es muy estable sobre largos periodos. Mantendrá su

calibración si no se le maltrata. Las dos maneras de que se puede dañar un

acelerómetro son la exposición a un calor excesivo y la caída en una superficie dura.

Si se cae de una altura de más de 60cm, en un piso de concreto, o en una cubierta de

acero, se debe volver a calibrar el acelerómetro para asegurarse que el cristal no se

cuarteó. Una pequeña cuarteadura causará una reducción en la sensibilidad y también

afectará de manera importante a la resonancia y a la respuesta de frecuencia.

El rango de frecuencias del acelerómetro es amplio y se extiende desde frecuencias

muy bajas en algunas unidades hasta varias decenas de Kilo hertzios. La respuesta de

alta frecuencia está limitada por la resonancia de la masa sísmica, junto con la

elasticidad del piezoelemento. Esa resonancia produce un pico importante en la

respuesta de la frecuencia natural del transductor y eso se sitúa normalmente

alrededor de 30 Khz. para los acelerómetros que se usan normalmente. Una regla

general es que un acelerómetro se puede usar alrededor de 1/3 de su frecuencia

natural, figura 3.5b. Valores por encima de esta frecuencia se acentuarán debido a la

respuesta resonante, pero se pueden usar si se toma en cuenta este efecto.

Fb lim ite de baja frecuencia F0 frecuencia de calibración Fr frecuencia de resonancia

8

(a) (b)

Figura 3.7(a), 3.7(b). Régimen de trabajo del acelerómetro

Fuente: Metra Mess, ‘‘Teoría del Piezoeléctrico’’, www.MMF.de.

Comparados con otros tipos de transductores de aceleración (resistivos, capacitivos,

piezoresistivos, reluctancia, elemento vibrante, servo, etc.), los acelerómetros

piezoeléctricos tienen las siguientes ventajas:

Ø Un rango de medición bastante elevado, bajo ruido de salida

Ø Excelente linealidad en todo su rango dinámico

Ø Amplio rango de frecuencias

Ø Tamaño Compacto

Ø No lleva partes movibles

3.1.1.5 CONSTRUCCIÓN DE LOS ACELERÓMETROS.

Existen diversos materiales de cristales piezoeléctricos, que son útiles en la

construcción de acelerómetros. Entre los materiales más comunes se tiene

Metaniobato cerámico, Zirconato, Titanato y cristales naturales de cuarzo. La figura

3.6 muestra esquemáticamente el acelerómetro. Dichos elementos se encuentran

comprimidos por una masa, sujeta por una tuerca y perno axial asegurada en la base

y todo el conjunto dentro de una caja metálica. Este dispositivo junto con los

circuitos eléctricos asociados se puede usar para la medida de velocidad y

desplazamiento además de la determinación de formas de onda y frecuencia. Una de

las ventajas principales de este tipo de transductor es que se puede hacer tan pequeño

que su influencia sea despreciable sobre el dispositivo vibrador.

9

Figura 3.8. Componentes internos de un acelerómetro activo, cuyo efecto físico de funcionamiento es la comprensión

Fuente: Metra Mess, Teoría del Piezoeléctrico, www.MMF.de.

Cristales Cerámicos Cristales de Cuarzo

Cristales piezoeléctricos hechos por el hombre Cristales piezoeléctricos naturalesAlta sensibilidad de Salida Baja sensibilidad de Salida Mas barato Costo ElevadoBaja temperatura de operación Alta temperatura de operación

Tabla 3.1 Comparación entre cristales de cuarzo y cristales cerámicos.

Fuente: Los autores.

3.1.1.6 TIPOS DE ACELERÓMETROS PIEZOELÉCTRICOS.

Existen tres tipos de acelerómetros piezoeléctricos:

Ø Por Compresión (Compresión)

Ø Por Cortante (Shear)

Ø Por Doblamiento (Bending)

Lar razón para la utilización de diferentes sistemas piezoeléctricos esta en función de

su actitud individual para diversas tareas de medición y sensibilidad a las diferentes

influencias ambientales. ANEXO 3.1

10

3.1.1.7 ACONDICIONADORES DE SEÑAL IEPE (Integrated Electonics

Piezo Electric) ó ICP (Integrated Circuit Piezolectric).

Como se menciono en la sección 3.1.1.5, existen actualmente dos tipos acelerómetros

piezoeléctricos

Ø Solo piezoeléctrico el cual genera cargas eléctricas en función de la carga

física aplicada, este puede trabajar a una temperatura superior al ICP

Ø El ICP es el que incorpora en su encapsulado un seguidor de tensión de

ganancia unidad, a más de elementos de amplificación. Los cuales incorporan

bondades como: salida ICP (mV/g), adecuado para conexión directa a

instrumentación universal, versiones con ganancia 0.1, 1 y 10 mV/pC,

Conector BNC de salida, La salida de voltaje de máximo esta determinado

por el circuito electrónico interno regularmente oscila entre 4-8 voltios, con

sensibilidad de 1V/g.

La mayoría de los acelerómetros que hoy en día se usan en la industria son del tipo

ICP, lo que quiere decir que tienen un preamplificador interno de circuito integrado.

Este preamplificador recibe su energía de la polarización de la corriente directa por el

alambre de la misma señal, así que no se necesita alambrado suplementario. El

acelerómetro ICP tendrá un límite de baja frecuencia, debido al mismo amplificador

y este se sitúa generalmente a 1 Hz para la mayoría de las unidades disponibles

comercialmente. Algunas unidades fueron diseñadas especialmente para ir hasta [0,

1] Hz si se necesita datos de muy baja frecuencia. Cuando se usa un acelerómetro

ICP se debe tener cuidado de no exponerlo a niveles de aceleración donde el voltaje

de salida rebasara varios voltios. Si no, se sobrecargará el preamplificador interno y

el resultado será una distorsión.

Cuando se conecta un acelerómetro ICP a la fuente de energía, el amplificador

necesita unos segundos para estabilizarse. Durante este tiempo cualquier dato que la

unidad recogerá será contaminado por las lentas variaciones del voltaje. Por esa

razón, los recopiladores de datos deben de tener un retraso integrado, para asegurar

que la unidad está en condición estable. Si el retraso es demasiado breve, la forma de

onda de tiempo tendrá una rampa de voltaje en forma exponencial superpuesta sobre

los datos y en el espectro se verá una característica creciente de muy baja frecuencia

11

a veces llamada bajada de esquí. Este se debe evitar, ya que compromete el rango

dinámico de la medición.

3.1.1.8 MÉTODOS DE MONTAJE.

El método de montaje del acelerómetro, varia el valor de la frecuencia de

resonancia, siendo más útil montarlo en la superficie a monitorear con tornillo, ya

que mantiene el rango de frecuencia para el acelerómetro.

Figura 3.9.Curvas modulo de vibración Vs. Frecuencia de trabajo, a diferentes tipos de montaje.

Fuente: WILCOXON,’’Vibration monitoring solutions at your fingertips”www.honeywell.com/sensotec

Figura 3.10. Métodos de montaje del acelerómetro Fuente: Metra Mess, ‘‘Teoría del Piezoeléctrico’’, www.MMF.de

Como se trata de un acelerómetro uniaxial, la toma de datos triaxiales se puede hacer

mediante tres acelerómetros como se muestra en la figura 3.10 (f), existen

12

acelerómetros triaxiales pero por cuestiones de costo se puede efectuar el montaje

mencionado siempre que se disponga de espacio (costo del acelerómetro triaxial

1250 dólares, costo de un acelerómetro uniaxial 185)27.

El acelerómetro uniaxial también detecta la vibración en otro eje pero es una señal

baja, es preferible colocar el acelerómetro e ir tomando las señales por cada uno de

los ejes X Y y Z

La sensibilidad de la aceleración del eje transversal es baja en un 5% de sensibilidad

sobre el eje de trabajo.

Figura 3.11.Sensibilidad de cruce entre ejes. Fuente: Metra Mess, ‘‘Teoría del Piezoeléctrico’’, www.MMF.de

3.1.1.9 MONTAJE DEL CABLE AL ACELERÓMETRO.

Es importante el manejo de cables y conectores. En el acelerómetro es común el uso

del cable coaxial y si este se expone a condiciones de doblado o tensionado pudiera

ser que existieran cambios de capacitancia, en consecuencia adicionando cargas en

la señal (efecto llamado “triboelectric”), afectando las mediciones de baja

frecuencia, para ello se aconseja sujetar el cable con rines, amarras en cadena o

sujetadores clips. Como se ve en la figura, 3.12, a mas de considerar que el cable de

sensores con carga de salida no debe exceder los 10 m, Los conectores deben estar

absolutamente limpios y libres de impurezas para reducir el ruido, Los acelerómetros

IEPE no necesitan cables especiales de bajo ruido, etc.

27 Costo consultado en www.omega.com

13

Figura 3.12.Métodos de tratamientos del cable. Fuente: Metra Mess, ‘‘Teoría del Piezoeléctrico’’, www.MMF.de

3.1.1.10 CONEXIÓN A TIERRA DEL ACELERÓMETRO.

Cuando se enlaza dos partes eléctricamente activas, que tienen conexiones a tierra

diferentes, cada una de estas partes puede diferir en el nivel de tensión (milivoltios),

suficiente para afectar la lectura tomada por el acelerómetro ya que se trata de una

señal baja (1V/g) adicionando o sustraendo valor a la señal, figura 3.13.

Se puede corregir esta anomalía a partir de tres métodos:

Ø Conectando las dos partes activas a la misma tierra (siempre y cuando la

distancia no exceda 10m), figura 3.14

Ø Aislarse eléctricamente el acelerómetro de la estructura a monitorear, este

método compromete al valor de la frecuencia natural como se vio en la

sección 3.1.1.7, considerando la figura 3.15

Ø Utilizar acelerómetros que ya están provistos de aislamiento interno,

mostrado en la figura 3.16

ÁQUINA ATERRADA 0

Figura 3.13 La diferencia de potencial entre Figura 3.14 El interconectar eléctricamente las masas del la maquina y el monitor masas a tierra elimina la distorsión de la señal distorsiona la señal

14

Figura 3.15 El aislamiento en el montaje Figura 3.16 Existen acelerómetros del acelerómetro, también suprime la provistos de aislamiento interno. distorsión en la señal.

Fuente: Las figuras 3.13, 3.14, 3.15 y 3.16, los autores

3.1.2 SENSOR DE VOLTAJE.


Ø El sensor debe aplicarse de manera no invasiva

Ø La señal de salida deberá conservar todas las características de la señal

censada

Ø La señal de salida del sensor deberá poder ser acondicionada a un nivel de

voltaje compatible con el sistema de adquisición de datos

Ø Deberá poseer un ancho de banda de 0-500Hz

Tabla 3.2 Consideraciones para el sensor de voltaje: Fuente: Los Autores.

15

3.1.2.2 PARÁMETROS DE SELECCIÓN:

Para la medición del voltaje de alimentación del motor se empleara divisores de

tensión por cada una de las líneas, de esta manera podemos obtener un nivel de

tensión pico menor a 10 voltios, magnitud que puede ser admitida por la tarjeta de

adquisición de datos, siendo el voltaje en la resistencia de menor valor, la que

proporcionara la señal de voltaje, ya que dentro de sus características se encuentra la

linealidad el voltaje y la fase será el reflejo de la fuente de alimentación de cada

línea. ANEXO 3.3

3.1.3 SENSOR DE CORRIENTE.


Ø Un método no invasivo

Ø Deberá poder medir un rango de corriente de al menos la nominal o a plena

carga del motor evaluado

Ø La señal de salida deberá contener todas las características de la señal de

corriente censada

Ø Deberá tener un ancho de banda de 0-500 Hz.

3.1.3.2 PARÁMETROS DE SELECCIÓN:

Tabla 3.3. Consideraciones para la elección del sensor de voltaje. Fuente los Autores.

Para la adquisición del la magnitud de corriente que circula en cada una de las líneas

que alimenta al motor, se empleara el uso de sensores de corriente que basan su

16

funcionamiento en el principio físico del efecto Hall, cuya propiedad física propicia

la medición tanto en corriente alterna así como en corriente continua. ANEXO 3.4

Figura 3.17. Sensores de corriente, Efecto Hall Fuente: Los autores.

3.1.3.3 EFECTO HALL.

Cuando una placa metálica transmite una corriente eléctrica y se halla situada en

un campo magnético perpendicular a la dirección de la corriente, se desarrolla por

encima de la placa un campo eléctrico transversal, es decir, perpendicular al

sentido de la corriente. Este campo, denominado campo de Hall, es la resultante

de fuerzas ejercidas por el campo magnético sobre las partículas de la corriente

eléctrica, sean positivas o negativas, o positivas en un sentido y negativas en el

otro.

Este fenómeno tiene dos consecuencias principales. La primera es que la

acumulación de cargas en un lado de la placa, en el campo así creado, implica que

el otro lado tiene una carga opuesta, creándose entonces una diferencia de poten-

cial. La segunda es que la carga positiva posee un potencial superior al de la

carga negativa. La medida del potencial permite, por tanto, determinar si se trata

de un campo positivo o negativo.

17

3.1.4 TACÓMETRO.


Ø Un método no invasivo.

Ø Deberá poder medir un rango de velocidad nominal.

Ø La señal de salida deberá poder mostrar en forma proporcional la velocidad

de giro a la frecuencia de la señal.

Ø Deberá tener un ancho de banda de 0-720 Hz.

A más de las variables eléctricas consideradas en el desarrollo del proyecto es

importante tener en cuenta el dato de velocidad de giro del motor, ya que análisis de

orden hace referencia a los eventos sucedidos por revolución.

Medir la velocidad en la flecha del rotor, implica convertir la una señal de

movimiento en una señal eléctrica de la cual se presenta como un tren de pulsos a

una frecuencia igual a la del giro del motor multiplicado por el numero de tomas de

señal, con lo cual se pueden conocer los efectos que suceden con cada uno de los

parámetros del motor desde que arranca hasta alcanzar su velocidad nominal a mas

de que se puede saber a que velocidad puede presentarse el fenómeno de resonancia

con la estructura que sostiene el motor.

El tacómetro empleado censa la velocidad a partir del corte de señal de luz infrarroja

en el receptor a través de una rueda con una serie de muescas (24), esto producida un

tren de pulsos fácilmente interpretable como frecuencia. ANEXO 3.5.

Figura 3.18. Adquisición de la señal de velocidad


18

3.2 ADQUISICIÓN DE SEÑALES.

La adquisición de señales tiene por objeto digitalizar la señal analógica del

transductor y llevarla al computador

La mayor parte de adquisición hoy en día son basados en la PC, o en algún tipo de

microprocesador que se adapte a un conversor Analógico – Digital y transfiere sus

lecturas a una memoria externa

Para la elaboración de nuestro sistema hemos considerado varias opciones de

comunicación como se muestran en la tabla 3.4

TIPO MEDIO CARACTERISTICAS DISPOSITIVOS

INTERNOS TARJETAS PLUG-IN

VELOCIDAD LO MÁS RÁPIDA POSIBLE, NO J��J�J��J�COMPLICADA

DISPOSITIVOS EXTERNOS

PUERTO PARALELO

VELOCIDAD RÁPIDA, PORTÁTIL, FÁCIL EXPANSIÓN DE CANALES Y CONEXIÓN DE SEÑAL

PUERTO SERIAL VELOCIDAD LENTA, PORTÁTIL, FÁCIL CONEXIÓN DE SEÑAL

TARGETAS PC

VELOCIDAD MEDIA A RÁPIDA, MUY PORTÁTIL, CANALES Y CONEXIÓN DE SEÑAL LIMITADOS

PUERTO USB

VELOCIDAD VARIABLE DE ACUERDO A LA VERSIÓN, AUTOINSTALBLE EN EL MOMENTO DE CONEXIÓN, MUY PORTÁTIL, FÁCIL CONEXIÓN DE SEÑAL

DISPOSITIVOS INDEPENDIENTES

REGISTRADOR DE DATOS

BAJA VELOCIDAD, PORTÁTIL, CONEXIÓN DE SEÑAL FACIL, NO NECESITA PC A EN EL SITO DE PRUEBAS

INTERFACES

PC A IEEE 488

VELOCIDAD DE TRANSFERENCIA BAJA, CAPACIDADES DEPENDEN DEL INSTRUMENTO ESPECÍFICO

Tabla 3.4 Opciones de comunicación para la adquisición de señales. Fuente: Los autores

El sistema USB se ha vuelto bastante popular en la versión 2.0 siendo esta la más

actual y rápida a 12Mbits/s que es útil para aplicaciones sencillas en tiempo real

3.2.1 CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA DE ADQUISICIÓN

Ø Amplitud de la señal de entrada.

Ø Frecuencia máxima de señal.

Ø Ancho de Banda.

Ø Tipo de conversor Analógico Digital.

Ø Rango de resolución ADC.

Ø Relación señal a ruido de cuantización. (SQNR).

19

Ø Muestreo.

Ø Filtro Antialiasing.

Ø Configuración de la señal de entrada al ADC.

Ø Fuentes de ruido.

3.2.1.1 AMPLITUD DE ENTRADA.

En los diferentes canales de entrada los valores de voltaje de ingreso están en el

rango de

6V . Mientras que la tarjeta admite valores

10V

RSE

(referidos a

tierra común) y

respectivamente.

20V en configuración diferencial, con 8 y 4 canales de entrada

3.2.1.2 FRECUENCIA MÁXIMA DE LA SEÑAL.

Cuando se realice las pruebas de medición de la corriente, la máxima frecuencia que

alcanza la señal será fmáx

60 1 2s

s 1

180Hz 28. Mientras que cuando se

realice las pruebas de vibración la máxima frecuencia que puede alcanzar el

acelerómetro es de 6000 Hz, por lo que para la adquisición de las señales se

adjuntaran filtros antialiasing.

Para considerar el ancho de banda elevamos la frecuencia de la señal de corriente a

500 Hz, para no tener una atenuación de 3 dB. a 180Hz, mientras que para la

medición de aceleración el filtrado se tendrá un ancho de banda de 5000Hz.

3.2.1.3 CONVERSIÓN ANALÓGICO DIGITAL.

El ADC puede ser Flash, que tiene un buen rendimiento en cuanto a velocidad pero

tiene alto costo, y puede ser también de aproximaciones sucesivas que toma un

mayor tiempo en la digitalización.

En la implementación del sistema, puede utilizarse cualquiera de los dos tipos de

ADC, ya que la velocidad de transformación no será imprescindible y la frecuencia

de trabajo no se acercara a la frecuencia de corte del dispositivo ya que la banda es

en banda base.

28 Frecuencia de bandas laterales máxima, cuando el deslizamiento es igual 1, sección 2.3

20

3.2.1.4 RANGO DE RESOLUCIÓN DEL ADC

El rango del dispositivo debe concordar con los requerimientos del sistema de

adquisición. Como se menciona 3.2.1.1 el rango de voltaje máximo a cubrirse es de e

-6V a 6 V, en cuanto a las medidas de voltaje corriente y velocidad, mientras que

para el parámetro de aceleración, el acelerómetro entrega una tensión de 30mV/g, al

ser de tipo pasivo, de acuerdo a las normas mostradas en el ANEXO 3 el mínimo

valor a considerar seria 0,3 g para evaluar el nivel de vibración. Con lo que

tendríamos que adquirir la señal de voltaje en aceleración a un mínimo valor de

10mV (sin considerar la etapa de amplificación)

La resolución del dispositivo es determinada por el número de bits de salida ADC

R Resolución en voltios

R D 3.7 2N

D Rango dinámico de la señal en voltios

N Número de bits del conversor ADC

n log 2

log D R

log n

6V 10mV

log 2

10bits de resolución

Entonces con 10 bits de resolución se puede leer un mínimo de 10mV de lectura sin

distorsión y SQRN tendría un equivalente de:

SQRN

SQNR

SQNR SQNR SQNR

20Log Dseñal

Druido

20 log Dseñal

Druido

N 20 log( 2) 6,02 N 60dB

3.8

20 log Dseñal Dseñal

2 N

21

3.2.1.5 MUESTREO.

La frecuencia de muestreo depende de la frecuencia máxima que se quiera analizar.

Para esta consideración se debe tomar en cuenta el teorema de Shannon – Nyquist de

muestreo para evitar el Aliasing, por ello será necesario que las señales de voltaje y

corriente se muestreen a un rate de 1500 S/s, para el muestreo de la velocidad a 1800

S/s y para la señal de vibración a 15KS/s.

Para el análisis digital se adquirirán 6400 muestras por canal, la arquitectura del

sistema expone que un máximo 3 canales trabajen a la vez mediante la

múltiplexación o muestreo simultaneo.

3.2.1.6 FILTRO ANTIALISING.

Este efecto es eliminado considerando limitar el rango de frecuencias de la señal

admitida, interponiendo un filtro pasabajo entre la salida del instrumento analógico y

la entrada de la etapa de muestreo.

3.2.1.6.1 FORMACIÓN DE ALIASIS.

Si tenemos una señal en el tiempo encerrada en un intervalo de 0 a T, ¿Cuál es el

número de muestras necesarias para que la señal pueda ser procesada?, la

transformada de Fourier de la señal es:

T

Y f y t .e 0

2 j ft dt

3.9

Si el segmento esta limitado entre 0 y T la transformada de Fourier también esta

limitado entre –F y F ( en la practica el segmento es de longitud finita y el espectro

se limita con un filtro pasa bajo ), entonces para definir a la señal habrá que

muestrear ya sea la señal en el tiempo y(t) o el especto Y(f) a frecuencias iguales al

llamado “intervalo de NIQUIST” 1/T dentro del intervalo –F a F por lo que el

número requerido de muestras será:

N 2F 1 T

2FT

3.10

22

En cambio si muestreamos el segmento f(t) con el “intervalo de NIQUIST” 1/(2F)

entonces el número de muestras requeridas será:

N T 2FT 1

2F

3.11

Esto indica que se necesita igual número de muestras, si se muestrea la señal y(t) en

el tiempo o el espectro Y(f) con el “intervalo de NYQUIST”.

En la ecuación anterior 3.11 podemos deducir que el máximo intervalo de muestreo

es 1/(2F) por lo que, si para maestrear se emplea un intervalo menor que 1/(2F), se

tomara mayor cantidad de muestras con consiguiente desperdicio de tiempo en el

cálculo y de memoria. Por lo contrario, se muestrea a un intervalo mayor que 1/(2F),

se tomaran menos muestras que las necesarias, siendo imposible reconstruir la señal,

confundiéndose las frecuencias en el espectro, este efecto se identifica como

ALIASING o en español ALIASIS.

Figura 4.19. Muestreo menor a la frecuencia de Nyquist se torna como una señal de menor frecuencia Fuente: SCHEFFER,Cornelius, PRACTICAL

MACHINERY VIBRATION ANALYSIS AND PREDICTIVE MAINTENANCE, 2004, p 57.

Entonces para muestrear una señal se necesita dos muestras por periodo para poder

definir una componente de frecuencia en la señal original. Por lo tanto la mayor

frecuencia que puede se copiada fielmente será:

f N f NIQUIST 2

3.12

23

A esta frecuencia se le conoce como la frecuencia de NYQUIST, las componentes de

la señal original y(t) cuyas frecuencias superen la frecuencia de NYQUIST,

aparecerán en el espectro por debajo de

componentes de la señal original.

f NIQUIST

confundiéndose con las

En la mayoría de los analizadores modernos, la frecuencia de muestreo esta puesta a

2. 56 veces la frecuencia límite del filtro.

3.2.1.7 EFECTO DE LEAKAGE

Si una forma de onda senoidal esta pasando a través del nivel cero, al principio y al

final de la grabación de tiempo, eso es si la grabación de tiempo abarca exactamente

un número entero de ciclos de la forma de onda, el espectro FFT resultante consistirá

de una sola línea con la amplitud y la frecuencia correcta. Si por otra parte, el nivel

de la señal no está en cero, en ambas partes de la grabación de tiempo, la forma de

onda será truncada y eso provocará una discontinuidad en la señal de la que se tomó

muestras. Esta discontinuidad no está bien manejada por el proceso FFT y el

resultado es que el espectro está ungido desde una sola línea en las líneas vecinas. A

este se le dio el nombre de fugas.

Figura 4.20 Transformada de Fourier ideal-real Fuente: Los autores

Inevitablemente la señal registrada tiene que ser truncada en el tiempo, lo que

equivale a encerrara dentro de una ventana en el tiempo, realizando este

procedimiento de la señal antes de calcular la FFT. Ya que sino se lo hace aparecen

fugas tal como se menciona anteriormente, lo que hace la ponderación es reducir el

efecto de las fugas, vigilando que el nivel de la señal este en cero al principio y al

final de la grabación de tiempo. Esto se hace multiplicando los datos recopilados por

73

una función llamada "ventana" o "ponderada" Las ventanas son funciones

matemáticas usadas con frecuencia en el análisis y el procesamiento de señales para

evitar las discontinuidades al principio y al final de los bloques analizados. Una señal

de longitud voluntariamente limitada, los diferentes tipos de ventanas existentes son:

1. Rectangular (básica, sin ventana)

2. Flat top

3. Hanning

4. Hamming

5. Kaiser Bessel

6. Blackman

7. Barlett.

La función que mejor se adapta al tipo de señales manejadas en el proyecto es la

ventana de Hanning, que es diferente la ventana de Hamming que hoy es obsoleta.

3.2.1.7.1 LA VENTANA HANNING

Figura 4.21. Atropamiento de la señal en los niveles de cero al inicio y final Fuente: Los autores

La ventana Hanning llamada por su inventor Von Hann, tiene la forma de un ciclo de

una onda cosenoidal, a que se agrega 1 para que así siempre sea positivo. Los valores

de la señal muestreada se multiplican por la función Hanning y el resultado se ve en

la gráfica. Noten que las extremidades de la grabación de tiempo fueron forzadas

hacia cero sin tomar en cuenta que está haciendo la señal de entrada.

La ventana Hanning realiza un buen trabajo, forzando las extremidades hacia cero,

pero también agrega distorsión a la forma de onda que se está analizando, bajo la

74

forma de modulación de amplitud, eso es la variación en amplitud de la señal sobre

la grabación de tiempo

Figura 4.22. La ponderación de Hanning no es adecuada para transitorios Fuente: Los autores

La ventana Hanning siempre se debe usar con señales continuas y no para señales

transientes. La razón es que la forma del transiente será distorsionada por la forma de

la ventana. y la frecuencia y el contenido de un transiente están íntimamente

conectados con su forma.

El nivel medido también será fuertemente distorsionado. Aunque el transiente

estuviera en el centro de la ventana de Hanning, el nivel medido sería dos veces el

nivel actual, debido a la corrección de la amplitud, aplicada por el analizador cuando

esta usando el efecto de ponderado Hanning.

Una señal ponderada Hanning esta solamente presente por la mitad. La otra mitad

fue removida por el proceso de la ventana. Esta no presenta problemas con una señal

perfectamente suave, y continua como una onda senoidal, pero la mayoría de las

señales que queremos analizar, como firmas de vibraciones de máquinas no son

perfectamente suaves. Si ocurre un pequeño cambio en la señal cerca del inicio o del

final de la grabación en tiempo, o bien se analizará a un nivel mucho más bajo que su

nivel verdadero, o se puede pasar totalmente desapercibido.

3.2.1.8 CONFIGURACIÓN DE LA SEÑAL DE ENTRADA AL DISPOSITIVO

Principalmente existen dos formas de adquirir señales: referidas a tierra y

diferenciales o flotantes este ultimo hace presencia al tomar la señal de voltaje ya que

75

se conectan directamente en la red pública y el punto común de empalme no puede

ser enlazada a la tierra de referencia por un alto grado de ingerencia de ruido es por

ello que se implemento un hardware como se ve en el ANEXO 3.2 en la etapa

diferencial, de esta forma refiriendo la señal a la tierra común del sistema.

3.2.1.9 FUENTES DE RUIDO EN EL SISTEMA DE ADQUISICIÓN.

CARACTERISTICA RUIDO CONDUCTIVO

RUIDO CAPACITIVO

RUIDO INDUCTIVO

RUIDO RADIANTE

RUIDO DE CUANTIZACIÓN

NATURALEZA DEL RUIDO

LEY DE OHM CAMPO

ELÉCTRICO CAMPO MAGNÉTICO

ONDAS ELECTROMAGNÉ TICAS

EFECTO DE CUANTIZACIÓN DE LA CONVERSIÓN A/D

FUENTES DE RUIDO

IMPEDANCIA DE LOS CABLES DIFERENTE DE CERO

LÁMPARAS FLUORECENTES IONIZACIOÓN DEL AMBIENTE, CLIMA LLUVIOSO

CABLES CERCANOS, MAQUINAS ELECTRICAS, AMBIENTE INDUSTRIAL

SEÑALES DE TELEVISIÓN RADIO Y TELEFONÍA

CONVERSOR A/D

FORMA DE ATENUARLOS

USAR CABLES PEQUEÑOS Y RELATIVAMENTE GRUESOS DE ACUERDO A LA CORRRIENTE QUE MANEJEN

FORRAR LOS CABLES Y ATERRAR LOS FORROS

USAR PARES TRENZADOS

FILTROS PASABAJOS Y CABLES CORTOS

AUMENTAR EL NÚMERO DE BITS DEL CONVERSOR A/D

FRECUENCIA A LA

QUE SE PRESENTAN

TODAS

FRECUENCIA INDUSTRIAL, ALTAS FRECUENCIAS

60Hz, PRINCIPALMENT E FRECUENCIAS QUE CIRCULEN EN LOS CABLES

ALTA FRECUENCIA

TODAS LA FRECUENCIAS

Tabla 3.5 Tipos de ruido que pueden distorsionar la señal


3.2.2 ESPECIFICACIONES DEL SISTEMA DE ADQUISICIÓN.

En resumen, las características mínimas del sistema para la implementación serán:

Ø Sistema que utilice una interfaz USB

Ø El sistema debe tener un rango de

6V y una resolución mínima de 10 bits

Ø El sistema debe tener la capacidad de muestreo de alrededor de 15KS/s

Ø Debe tener por lo menos 3 canales de muestreo simultáneo o por

múltiplexación

Ø Las conexiones deben tener aislamiento capacitivo conectado a tierra, ser en

par trenzado, a más de implementar sistema de CAS para el tratamiento de

las señales.

76

3.3 ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES.

Ø Mejora las señales para mejor calidad en medición

Ø Alimenta o excita sensores

Ø Lee información del sensor

Ø Protege al usuario y al sistema

3.3.1 INTRODUCCIÓN.

Figura 3.23, Conjunto de dispositivos Fuente: Análisis Espectral, www.sonotest.com

Los sistemas de adquisición de datos (DAQ) basados en PC y dispositivos insertables

o dispositivos externos (DAQ 6009) son usados en un amplio rango de aplicaciones

en los laboratorios, en el campo y en el piso de una planta de manufactura.

Típicamente, los dispositivos DAQ insertables son instrumentos de propósito general

diseñados para medir señales de voltaje.

El problema es que la mayoría de los sensores y transductores generan señales que

debe acondicionar antes de que un dispositivo DAQ pueda adquirir con precisión la

señal. Este procesamiento es conocido como acondicionamiento de señal, incluye

funciones como amplificación, filtrado y aislamiento eléctrico en el caso del

proyecto desarrollado.

3.3.2 AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTACIÓN.

Por lo general las señales que recibimos de un transductor deben ser amplificadas

propiciando una impedancia de entrada alta y una impedancia de salida baja, para

este fin se utilizan los amplificadores operacionales, ya que tienen las siguientes

características:

77

Ø Resistencia de entrada alta (orden de cientos de MŸ)

Ø Resistencia de salida baja (debajo de 1Ÿ)

Ø Gran ganancia de lazo abierto (orden de 1E4 a 1E6)

Ø Gran CMRR (common mode rejection ratio)

Ø Buen rango de frecuencias de operación

Ø Baja sensibilidad a las variaciones de la fuente de alimentación

Ø Gran estabilidad al cambio de temperatura en el ambiente

3.3.3 AMPLIFICACIÓN.

Cuando los niveles de voltaje que va a medir son muy pequeños, la amplificación se

usa para maximizar la efectividad de su digitalizador. Al amplificar la señal de

entrada, la señal acondicionada usa más efectivamente el rango del convertidor

analógico-digital (ADC) y mejora la precisión y resolución de la medición. El

proceso de amplificación esta aplicado a los sensores de corriente y al acelerómetro,

debido a que el voltaje es estos es de 287 mV a 3A y 30mV/g respectivamente, el

grado de amplificación para la señal de corriente y voltaje es de 10. En el caso de

las señales de velocidad y voltaje no amplifican ya que medida esta en el orden de

voltios.

3.3.4 FILTRADO.

Un filtro eléctrico o filtro electrónico es un elemento que discrimina una

determinada frecuencia o gama de frecuencias de una señal eléctrica que pasa a

través de él, pudiendo modificar tanto su amplitud como su fase.

Si clasificamos de acuerdo a su ganancia pueden ser:

Ø Filtros pasivos: los que atenuarán la señal en mayor o menor grado. Se

implementan con componentes pasivos como condensadores, bobinas y

resistencias.

Ø Filtros activos: son los que pueden presentar ganancia en toda o parte de la

señal de salida respecto a la de entrada. En su implementación suelen

aparecer amplificadores operacionales.

Si clasificamos de acuerdo al comportamiento con la frecuencia pueden ser:

78

Ø Filtro paso bajo: Es aquel que permite el paso de frecuencias bajas, desde

frecuencia 0 o continua hasta una determinada. Presentan ceros a alta

frecuencia y polos a bajas frecuencia.

Ø Filtro paso alto: Es el que permite el paso de frecuencias desde una frecuencia

de corte determinada hacia arriba, sin que exista un límite superior

especificado. Presentan ceros a bajas frecuencias y polos a altas frecuencias.

Ø Filtro pasa banda: Son aquellos que permiten el paso de componentes

frecuenciales contenidos en un determinado rango de frecuencias,

comprendido entre una frecuencia de corte superior y otra inferior.

Ø Filtro elimina banda: Es el que dificulta el paso de componentes frecuenciales

contenidos en un determinado rango de frecuencias, comprendido entre una

frecuencia de corte superior y otra inferior.

Ø Filtro multibanda: Es el que presenta varios rangos de frecuencias en los

cuales hay un comportamiento diferente.

Ø Filtro variable: Es aquel que puede cambiar sus márgenes de frecuencia

También pueden clasificarse de acuerdo al método de diseño:

Ø Filtro de Butterworth, con una banda de paso suave y un corte agudo

El filtro de Butterworth es uno de los filtros electrónicos más básicos, diseñado

para producir la respuesta más plana que sea posible hasta la frecuencia de corte. En

otras palabras, la salida se mantiene constante casi hasta la frecuencia de corte, luego

disminuye a razón de 20, 40, 60, etc. dB por década según sea la configuración. El

filtro de Butterworth más básico es el típico filtro paso bajo de primer orden, el cual

puede ser modificado a un filtro pasa alto o añadir en serie otros formando un filtro

pasa banda o elimina banda y filtros de mayores órdenes

Visto en un diagrama de Bode con escala logarítmica, la respuesta decae linealmente

desde la frecuencia de corte hacia menos infinito. Para un filtro de primer orden son -

20 dB por década (aprox. -6dB por octava).

Ø Filtro de Chevyshev, con un corte agudo pero con una banda de paso con

ondulaciones

79

Ø Filtros elípticos o filtro de Cauer, que consiguen una zona de transición más

abrupta que los anteriores a costa de oscilaciones en todas sus bandas

Ø Filtro de Bessel, que, en el caso de ser analógico, aseguran una variación de

fase constante, lineal

Figura 3.24, Efecto de atenuación de los principales filtros Fuente: Los autores.

3.3.5 AISLAMIENTO.

Las señales de voltaje fuera del rango del digitalizador pueden dañar el sistema de

medición y ser peligrosas para el operador. Por esta razón, normalmente es preciso

tener el aislamiento y la atenuación para proteger al sistema y al usuario de voltajes

relativamente altos o picos de voltaje. También se puede necesitar aislamiento si el

sensor está en un plano de tierra diferente al del sensor de medición (como un

termopar montado en una máquina).

3.6 ENTORNO DE LABVIEW.

3.6.1 ¿QUÉ ES LABVIEW?

LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) es un lenguaje

de programación gráfico (lenguaje G), para el diseño de sistemas de adquisición de

datos, instrumentación y control.

80

LabVIEW es a la vez compatible con otras herramientas de programación de

distintitos lenguajes por ello puede trabajar con programas de otra área de aplicación,

como por ejemplo Matlab o C.

Tiene la ventaja de que permite una fácil integración con hardware, específicamente

con tarjetas de medición, adquisición y procesamiento de datos (incluyendo

adquisición de imágenes).

3.6.2 APLICACIONES DE LABVIEW.

LabVIEW tiene su mayor aplicación en sistemas de medición, como monitoreo de

procesos y aplicaciones de control, un ejemplo de esto pueden ser sistemas de

monitoreo en transportación, Laboratorios para clases en universidades, procesos de

control industrial. LabVIEW es muy utilizado en procesamiento digital de señales

(wavelets, FFT, Total Distorsion Harmonic TDH), procesamiento en tiempo real de

aplicaciones biomédicas, manipulación de imágenes y audio, automatización, diseño

de filtros digitales, generación de señales, entre otras, etc.

Figura 3.25 Sistema de adquisición de señales. Fuente: NATIONAL INSTRUMENTS, Introduction LABVIEW for Control Desing and simulation,

www.ni.com

3.6.3 FUNCIONES DE LABVIEW.

La programación G (gráfica) de LabVIEW consta de un panel frontal y un panel de

código. En el panel frontal es donde se diseña la interfase de usuario y se ubican los

81

controles e indicadores. En el panel de código se encuentran las funciones. Cada

control que se utiliza en la interfaz tiene una representación en el panel de código,

igualmente los indicadores necesarios para entregar la información procesada al

usuario tienen un icono que los identifica en el panel de código o de programación.

Los controles pueden ser boléanos, numéricos, strings, un arreglo matricial de estos o

una combinación de los anteriores; y los indicadores pueden ser como para el caso de

controles pero pudiéndolos visualizar como tablas, gráficos en 2D o 3D, browser,

entre otros.

Figura 3.26.Panel frontal y panel de programación en LABVIEW Fuente: Los autores.

Las funciones pueden ser VIs prediseñados y que pueden ser reutilizados en

cualquier aplicación, estos bloques funcionales constan de entradas y salidas, igual

que en un lenguaje de programación estándar las funciones procesan las entradas y

entregan una o varias salidas, estos VI pueden también estar conformados de otros

SubVIs y así sucesivamente, de esta forma se pueden representar como un árbol

genealógico donde un VI se relaciona o depende de varios SubVIs.

LabVIEW tiene VIs de adquisición de datos e imágenes, de comunicaciones, de

procesamiento digital de señales, de funciones matemáticas simples, hasta funciones

que utilizan otros programas como Matlab o HiQ para resolver problemas, otras más

complejas como "nodos de formula" que se utilizan para la resolución de ecuaciones

editando directamente estas como en lenguajes de programación tradicionales y

definiendo las entradas y las salidas. LabVIEW también se puede utilizar para

graficar en tres dimensiones, en coordenadas polares y cartesianas, tiene disponibles

herramientas para análisis de circuitos RF como la Carta de Smith, tiene aplicaciones

en manejo de audio y se puede comunicar con la tarjeta de sonido del computador

para trabajar conjuntamente. Entre sus muchas funciones especiales se encuentran las

82

de procesamiento de imágenes, como capturar una imagen a través de una tarjeta de

adquisición como la PCI-1408 (monocromática), analizarla y entregar respuestas que

difícilmente otros sistemas realizarían.

Otra característica se encuentra en el flujo de datos, que muestra la ejecución

secuencial del programa, es decir, una tarea no se inicia hasta no tener en todos sus

variables de entrada información o que las tareas predecesoras hayan terminado de

ejecutarse. Debido al lenguaje gráfico el compilador con que cuenta LabVIEW es

más versátil ya que sobre el mismo código de programación se puede ver fácilmente

el flujo de datos, así como su contenido.

3.6.4 LABVIEW PARA REGISTRO DE DATOS.

LabVIEW proporciona utilidades para registro de datos y manejo de alarmas, así

como tendencias históricas y en tiempo real. Ya sea que esté coleccionando datos de

los productos de adquisición de datos de National Instruments, objetivos de

LabVIEW Real-Time, módulos Compact FieldPoint o CompactRIO, o controladores

de lógica programable, puede rápidamente configurar las E/S que desee y usar el

Módulo Datalogging and Supervisory Control (DSC) de LabVIEW para adquirir

datos de manera automática. Los datos históricos son almacenados en una base de

datos compatible con SQL 92 y ODBC 2.5, para que pueda utilizar herramientas

estándar de extracción de datos para extraer la información y usarla en otras partes de

la empresa. Debido a que puede utilizar el Módulo de LabVIEW DSC para registrar

los datos en cualquier máquina de su red de trabajo, puede seleccionar una sola

máquina para funcionar como servidor de su base de datos para todas sus

aplicaciones o elegir distribuir los datos en numerosas máquinas en red.

Adicionalmente, las ayudas intuitivas en LabVIEW le ayudan a desarrollar

aplicaciones de registro de datos con muy poca o nula programación. Usando

LabVIEW, puede fácilmente almacenar información por medio de un archive CSV,

Excel, o XML para análisis fuera de línea. El análisis de orden fuera de línea le

ayuda a predecir mantenimientos como lo es el cambio de valores antes de que

fallen. LabVIEW también puede escribir en bases de datos si lo requiere.

El menú de la ventana correspondiente a al panel frontal de controles contiene las

opciones como:

83

NUMERIC.- Para la introducción y visualización de cantidades

numéricas.

BOOLEAN.- Para la entrada y visualización de valores boléanos (encendido

apagado)

STRING Y TABLE.- Para la entrada y visualización de texto

LIST Y RING.- Para visualizar y/o seleccionar una lista de opciones

ARRAY Y CLUSTER.- Para agrupar elementos

PATH Y REFNUM.- Para gestión de archivos.

GRAPH.- Para presentar gráficamente datos

DECORACIONES.- Para introducir decoraciones en el panel frontal.

3.6.5 CARACTERÍSTICAS DE LA TARJETA DE ADQUISICIÓN DE

DATOS.

EL modulo NI de adquisición de datos DAQ multifunción USB – 6009 de

NATIONAL INSTRUMENTS (NI), es una opción de adquisición a bajo costo, con

el sistema plug-and-play USB de conexión.

A pesar de que la tarjeta no es de muestreo simultáneo para los ocho canales, posee

las siguientes características de adquisición: On Demad, Finite y Continuos (Sobre

la Demanda, Finito y Continua, es el caso para la elaboración de un osciloscopio

84

donde se puede designar únicamente dos canales de trabajo obteniendo excelentes

resultados a un rate de 10000Hz.

REQUERIMIENTOS DEL

SISTEMACARACTERISTICAS DE LA

DAQ 6009SISTEMA DE ADQUISICION, INTERFAZ USB COMUNICACIÓN USB 2.0 FULL SPEED RANGO DE VOLTAJE -6 +6 v RANGO DE VOLTAJE -10 +10 vEL ADC PUEDE SER POR APROXIMACIONES SUCESIVAS O FLAH ADC POR APROXIMACIONES SUCESIVAS EL ADC DEBERIA TENER UNA RESOLUCIÓN DE 10 BITS RESOLUCIÓN 14 BITS EL SQNR DEBE SER DE AL MENOS 60dB SQNR = 82 dB

RATE 15KS/s RATE 48KS/s, ENVIO DE DATOS MEDIANTE BÚFER DIRECTO A MEMORIA RAM

TRES CANALES CON MUESTREO SIMULTANEO O MULTIPLEXACIÓN

8 CANALES DE ENTRADA ANALOGICOS REFERIDOS A TIERRA O 4 DIFERENCIALES, MUESTREO POR MULTIPLEXACIÓN, 10E/S DIGITALES

Tabla 3.7. Comparación entre requerimientos y disponibilidades con la tarjeta DAQ 6009 NI Fuente: Los autores.

TRANSDUCTOR RELACIÓN DEUNIDADES ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL

TRANDUCTORES -CAS FILTRO GANANCIA CAS-DAQSENSOR DE ACELERACIÓN SENSOR DE VELOCIDAD SENSOR DE CORRIENTE L1 SENSOR DE CORRIENTE L2 SENSOR DE CORRIENTE L3 SENSOR DE VOLTAJE L1 SENSOR DE VOLTAJE L2 SENSOR DE VOLTAJE L3

30mV / g. 719,5Hz / 1800 rpm

61,667mV / A 61,667mV / A 61,667mV / A 3,76V / 127V 3,76V / 127V 3,76V / 127V

SEGUIDOR DE VOLTAJE-

SEGUIDOR DE VOLTAJE SEGUIDOR DE VOLTAJE SEGUIDOR DE VOLTAJE

AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓNAMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN

2do ORDENN, BUTTERWORTH 5000Hz 2do ORDEN, BUTTERW ORTH 750Hz 2do ORDEN, BUTTERWORTH 500Hz 2do ORDEN, BUTTERWORTH 500Hz 2do ORDEN, BUTTERWORTH 500Hz 2do ORDEN, BUTTERWORTH 500Hz 2do ORDEN, BUTTERWORTH 500Hz 2do ORDEN, BUTTERWORTH 500Hz

4 1

10 10 10 1 1 1

FILTRO DC- - - - - - -

Tabla 3.8. Resumen del sistema de acondicionamiento de señal. Fuente: Los autores

Figura 3.27, Tarjeta de adquisición de datos DAQ 6009 Fuente: Los Autores.

85

GeneralForm ato Físico U SBSo por te par a S O W i ndow s, Li nux , M a c OS T ip os de M edi da V oltajeF am il i a d e P ro duc tos S erie B

Entrada Analógica

N úm ero d e Can ales 8 SE /4 DIVe loc i dad de M ue str eo 4 8 k S/ sR eso lu ción 1 4 bi tsMue streo Sim ultán eo N o R ang o de Vo lt aje Má x im o -10 ..10 VPrec i si ón del R an go 1 38 m VR ang o de Vo lt aje Mí ni mo -1. .1 VPrec i si ón del R an go 3 7.5 mVN úm ero d e Ran gos 8Mem ori a I nterna 5 12 B

Salida Analógica

N úm ero d e Can ales 2R az ón d e A ct ual iza ción 1 50 S /sR eso lu ción 1 2 bi tsR ang o de Vo lt aje Má x im o 0 ..5 VPrec i si ón del R an go 7 m V R ang o de Vo lt aje Mí ni mo 0 ..5 VPrec i si ón del R an go 7 m VC apa cidad de Corrie nte (Ca nal/Tot al) 5 m A/1 0 m A

E/S Digital

N úm ero d e Can ales 1 2 DIO T em pori za ci ón S oftware N iveles Lógicos T T L Máx im o Ra ngo de E ntra da 0 ..5 VMáx im o Ra ngo de S ali da 0 ..5 VEn tr ada de F l uj o d e Co rr i ent e S inkin g, S ourci ng F iltro s de En tr ada Prog ra ma bles N o Sa li da de F l uj o de C o rri ente S inkin g, S ourci ng C apa cidad de Corrie nte (Ca nal/Tot al) 8 .5 m A/102 m A T em pori za dor W atc hdog N o¿ So por ta Es tado s de E nce ndi do Pr ogra m ab le s? N o ¿ So por ta Proto co lo de Sinc r oniza ci ón para E/S ? N o ¿ So por ta E/S d e P atr one s? N o

Contadores/Temporizadores

N úm ero d e Con tado re s/T e mp oriz ad ores 1R eso lu ción 3 2 bi tsF r ecu enc i a M áx im a de l a F uent e 5 M H z En trada M ín im a d e A nc ho d e P ul so 1 00 n s N iveles Lógicos TT LR ang o M áx im o 0 ..5 VEs tabil i dad de T i em po 5 0 pp mSi nc r oni zac ión GPS N o G ener ac i ón de P ulso N o O perac iones a B úf er Sí Eli mi na ci ón de Rebot es N o

Temporización/Disparo/Sincronización Bu s de S incr oniz ac ió n (RT S I) N o Disparo D igita l

Tabla 3.8 Características generales DAQ 6009. Fuente: NATIONAL INSTRUMENT, USB 6009, www.highlights.ec

3. Adquisición de datos y procesamiento de señales (acelerómetro)

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