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Figura 1. termopar Tipo J
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- termopar tipo J
Figura 4. Sistema NI CompactDAQ
El NI 9211 posee un conector removible, con 10 terminales de tornillo, q...
Figura 6. Esquema de Conexiones
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4. Viendo su Medición: NI LabVIEW
Ahora que ha conectado su termopar al...
Figura 7. Panel Frontal de LabVIEW Mostrando Datos de Temperatura
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5. Hardware y Software Recomendado
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Diseño[editar · editar fuente]
El IEEE-488 permite que hasta 15 dispositivos inteligentes compartan un simple bus paralelo...
Historia[editar · editar fuente]
A finales de la década de 1960, Hewlett-Packard (HP) era un fabricante de equipos de test...
comandos estándar limitó los desarrollos de terceros y la interoperabilidad, y posteriormente, estándares
abiertos más ráp...
Partes de un Sistema DAQ | Vea una guía completa para construir un sistema de medidas
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National instrument

national instruments
Published on: Mar 3, 2016
Published in: Devices & Hardware      
Source: www.slideshare.net


Transcripts - National instrument

  • 1. El concepto de instrumentación virtual nace a partir del uso del computador personal como “instrumento” de medición de señales tales como temperatura, presión, caudal, entre otras. Es decir, el PC comienza a ser utilizado para realizar mediciones de fenómenos físicos representados en señales de corriente (como 4...20mA) y/o voltaje (por ejemplo, 0-5Vdc) normalmente con una gran precisión y número de muestras por segundo. Sin embargo, el concepto de "instrumentación virtual" va más allá de la simple medición de corriente o voltaje. También involucra el procesamiento, análisis, almacenamiento, distribución y despliegue de los datos e información relacionados con la medición de una o varias señales específicas. Con éstas, mediante software que permitan la implementación de algoritmos de control, es factible integrar y controlar complicados procesos. Es decir, el instrumento virtual no se conforma con la adquisición de la señal, sino que también involucra la interfaz hombre-máquina, las funciones de análisis y procesamiento de señales. Evolución de la tecnología En sus orígenes, estos equipos, compuestos de una tarjeta de adquisición de datos con acondicionamiento de señales (PCMCIA, ISA, XT, PCI, etc.) y el software apropiado estaban orientados a laboratorios, donde sus prestaciones eran muy requeridas por la gran precisión y capacidad de adecuar sus capacidades y cálculos acorde al proceso que se estaba analizando. Con el tiempo, éstas cada vez más robustas soluciones y prestaciones de PC industriales permiten encontrar aplicaciones en la industria, en sistemas de robótica y otras tantas aplicaciones donde la capacidad de cálculo hace que una instrumentación tradicional no sea capaz de responder al requerimiento del proceso. La flexibilidad, el bajo costo de mantenimiento, la reusabilidad, la personalización de cada instrumento, la rápida incorporación de nuevas tecnologías, el bajo costo por función y por canal son algunos de los beneficios que ofrece la instrumentación virtual. La instrumentación virtual puede también ser implementada en equipos móviles (laptops), equipos distribuidos en campo (RS-485), equipos a distancia (conectados vía radio, Internet, etc.) o equipos industriales (NEMA 4X, etc.). Existe una tarjeta de adquisición de datos para casi cualquier bus o canal de comunicación en PC (ISA, PCI, USB, serial RS-232/485, paralelo EPP, PCMCIA, CompactPCI, PCI, etc.) y un driver para casi cualquier sistema operativo (WIN 3.1/95/NT, DOS, Unix, MAC OS, etc.). Resumen Un instrumento virtual puede realizar las tres funciones básicas de un instrumento convencional: adquisición, análisis y presentación de datos. Sin embargo, el instrumento virtual permite personalizar el instrumento y agregarle mucha más funcionalidad sin incurrir en costos adicionales ¿Quiere conectividad de su instrumento con Ethernet? ¿Quiere almacenar sus datos en una tabla o archivo compatible con MS Excel? ¿Quiere agregarle a su instrumento un nuevo algoritmo o función que necesita en su experimento? La respuesta a todas estas preguntas está en sus manos, ya que todo ello puede hacerse y, mejor aún, puede hacerlo usted mismo. Aplicaciones Distribuidas Un instrumento virtual no está limitado a estar confinado en una computadora autónoma. En realidad, con los recientes
  • 2. desarrollos en tecnologías de redes y la Internet, es más común utilizar la potencia de conectividad de los instrumentos con el fin de compartir tareas. Ejemplos típicos incluyen supercomputadoras, monitoreo distribuido y dispositivos de control, así como también datos o visualización de resultados desde múltiples sitios 1. Descripción de Temperatura y Termopar La temperatura es una medición de la energía cinética promedio de las partículas en una muestra de materia, que se expresa en unidades de grados o en una escala estándar. Usted puede realizar mediciones de temperatura de muchas formas diferentes, que varían con la exactitud y costo del equipo. Las termopares son unos de los sensores más comunes empleados en la medición de temperatura, ya que son relativamente económicos brindando exactitud y además pueden operar sobre un amplio rango de temperaturas. Una termocupla se crea siempre que dos metales diferentes se tocan y el punto de contacto produce un pequeño voltaje en circuito abierto como una función de la temperatura. Este voltaje termoeléctrico se conoce como el voltaje de Seebeck, en honor a Thomas Seebeck, quien lo descubrió en el año de 1821. El voltaje es no lineal con respecto a la temperatura. Sin embargo, para pequeños cambios en temperatura, el voltaje es aproximadamente lineal, es decir (1) Donde ΔV es el cambio en el voltaje, S es el coeficiente de Seebeck y dT es el cambio en la temperatura. Están disponibles muchos tipos de termopares que se designan mediante letras mayúsculas que indican la composición de acuerdo con las convenciones del American National Standards Institute (ANSI). Por ejemplo, una termopar tipo-J posee un conductor de hierro y uno de constantan (una aleación de cobre-níquel ). Otros tipos de termopares son las B, E, K, N, R, S y T. Regresar al Inicio 2. Cómo Realizar una Medición con una termopar Marco Teórico Para entender mejor cómo realizar una medición con una termopar, usted primero debe entender como funciona ésta. La primera parte de esta sección explica la teoría básica sobre las termopares, mientras la última parte describe cómo realizar la conexión de la termopar a un instrumento y como hacer la medición de temperatura. Para medir el voltaje de Seebeck en una termopar, usted no puede simplemente conectar la termopar a un voltímetro u otro sistema de medición, ya que la conexión de los cables de la termopar con el sistema de medición crea circuitos termoeléctricos adicionales.
  • 3. Figura 1. termopar Tipo J Considere el circuito mostrado en la Figura 1, en el cual una termopar tipo J se encuentra en la llama de una vela, que es la temperatura que se desea medir. Los dos cables de la termopar están conectados a los cables de cobre que van hacia el dispositivo de adquisición de datos. Observe que el circuito posee tres uniones diferentes de metales – J1, J2 y J3. J1, la unión de la termopar, genera un voltaje de Seebeck proporcional a la temperatura en la llama de la vela. J2 y J3 poseen individualmente su propio coeficiente de Seebeck y generan su propio voltaje termoeléctrico que es proporcional a la temperatura de los terminales de adquisición de datos. Para determinar la contribución en el voltaje por J1, usted requiere conocer las temperaturas de las uniones J2 y J3 así como las relaciones voltaje-a-temperatura de estas uniones. Entonces usted podrá sustraer las contribuciones de las uniones parásitas J2 y J3 del voltaje medido para la unión J1. Las termopares requieren alguna forma de temperatura de referencia para compensar las uniones en “frío” parásitas no deseadas. El método más común es medir la temperatura en la unión de referencia con un sensor de temperatura de lectura directa y sustraer las contribuciones de voltaje de las uniones parásitas. Este proceso se denomina compensación por unión-en-frío. Usted puede simplificar el cálculo de compensación por unión-en-frío aprovechando algunas características de las termopares. Usando la Ley de termopar para Metales Intermedios y tomando algunas suposiciones simples, usted puede ver que el voltaje medido por un sistema de adquisición de datos depende únicamente del tipo de la termopar, del voltaje en la termopar y la temperatura de la unión-en-frío. El voltaje medido es independiente de la compensación de los cables de medición y de las uniones-en-frío, J2 y J3. De acuerdo con la Ley de termopar para Metales Intermedios, que se ilustra en la Figura 2, al insertar cualquier tipo de cable dentro del circuito de una termopar no se tiene efecto en la salida siempre y cuando ambos terminales del cable estén a la misma temperatura, es decir, sean isotérmicos. Figura 2. Ley de termopar para Metales Intermedios Considere el circuito de la Figura 3. Este circuito es similar al descrito previamente en la Figura 1, pero en esta ocasión un pequeño cable de constantan se ha insertado justo antes de la unión J3 y se asume que las uniones de éste poseen temperaturas idénticas. Asumiendo que las uniones J3 y J4 están a la misma temperatura, La Ley de termopar para Metales Intermedios indica que el circuito de la Figura 3 es eléctricamente equivalente al circuito de la Figura 1. Por lo tanto, cualquier resultado tomado desde el circuito de la Figura 3 también aplica para el circuito mostrado en la Figura 1. Figura 3. Inserción de un Cable Extra en la Región Isotérmica En la Figura 3, las uniones J2 y J4 son del mismo tipo (cobre-constantan); ya que ambas están en la región isotérmica, J2 y J4 también están a la misma temperatura. Debido a la dirección de la corriente a través del circuito,
  • 4. J4 contribuye con un voltaje de Seebeck positivo y J2 contribuye con uno igual pero de signo negativo. Por tanto, los efectos de las uniones se cancelan entre sí, y la contribución total al voltaje medido es de cero. Las uniones J1 y J3 son ambas de hierro-constantan, pero ellas pueden estar a temperaturas diferentes ya que no comparten una región isotérmica. Ya que están a temperaturas diferentes, las uniones J1 y J3 producen un voltaje de Seebeck pero con magnitudes diferentes. Para compensar la unión-en-frío J3, su temperatura se mide y la contribución de voltaje se resta de la medición de la termopar. Usando la notación VJx(Ty) para indicar el voltaje generado por la unión Jx a la temperatura Ty, el problema general de la termopar se reduce a la siguiente ecuación: VMEAS = VJ1(TTC ) + VJ3(Tref ) (2) donde VMEAS es el voltaje medido por el dispositivo de adquisición de datos, TTC es la temperatura de la termopar en J1, y Tref es la temperatura de la unión de referencia. Note que en la Ecuación 2, VJx(Ty) es un voltaje generado a la temperatura Ty con respecto a la misma temperatura de referencia. Mientras VJ1 como VJ3 sean funciones de temperaturas relativas a la misma temperatura de referencia, la Ecuación 2 será válida. Como se dijo antes, por ejemplo, las tablas de referencia de termopares NIST son generadas con la referencia de la unión-en-frío a 0 °C. Ya que la unión J3 es del mismo tipo de la unión J1 pero con contribuciones opuestas de voltaje, VJ3(Tref ) = - VJ1(Tref ). Ya que VJ1 es el voltaje generado por el tipo de termopar usado en la prueba, usted puede renombrar este voltaje como VTC. Por tanto, la Ecuación 2 es rescribe de la siguiente forma: VMEAS = VTC (TTC ) - VTC (Tref ) (3) Por consiguiente, midiendo VMEAS y Tref , y conociendo la relación voltaje-a-temperatura de la termopar, usted puede determinar la temperatura en la unión caliente de la termopar. Existen dos técnicas para implementar compensación de uniones-en-frío – compensación por hardware y compensación por software. Ambas técnicas requieren que la temperatura en la unión de referencia sea medida con un sensor de lectura directa. Un sensor de lectura directa posee una salida que depende únicamente de la temperatura en el punto de medición. Sensores tipo semiconductor, termistor y RTDs se emplean comúnmente para medir la temperatura de la unión de referencia. En la compensación por hardware, se inserta una fuente variable de voltaje dentro del circuito para cancelar los voltajes termoeléctricos parásitos. La fuente variable de voltaje genera un voltaje de compensación de acuerdo con la temperatura ambiente, para así poder adicionar el voltaje correcto para cancelar las señales termoeléctricas indeseadas. Cuando se cancelan estas señales parásitas, la única señal que mide el dispositivo de adquisición de datos es el voltaje desde la unión de la termopar. Con la compensación por hardware, la temperatura en los terminales del sistema de adquisición de datos es irrelevante ya que los voltajes parásitos de la termopar se han cancelado. La mayor desventaja de la compensación por hardware es que cada tipo de termopar debe poseer un tipo separado de circuito que pueda adicionar el voltaje correcto de compensación; este hecho hace que el circuito sea bastante costoso. La compensación por hardware es generalmente menos exacta que la compensación por software. Como alternativa, usted puede usar compensación por software para la unión-en-frío. Después que un sensor de lectura directa mida la temperatura en la unión de referencia, el software puede adicionar el valor apropiado al voltaje medido con el fin de eliminar los efectos termoeléctricos parásitos. Recuerde la Ecuación 3, la cual establece que el voltaje medido, VMEAS, es igual a la diferencia entre los voltajes en la unión caliente (termopar) y la unión en frío. Los voltajes de salida de una termopar con altamente no lineales. El coeficiente de Seebeck puede variar por un factor de tres o más en el rango de temperatura de operación de algunas termopares. Por esta razón, usted debe realizar aproximación polinómica para la curva voltaje-contra-temperatura de la termopar o usar una tabla de búsqueda. Regresar al Inicio 3. Conexión de una termopar a un Instrumento Para esta sección, considere un ejemplo en el cual se emplea un chasis NI cDAQ-9172 y un módulo de termopar de Series C NI 9211. Procedimientos similares aplican para la conexión de una termopar a diferentes instrumentos (ver Figura 4). El equipo requerido incluye los siguientes: - Módulo de entrada de termopares NI 9211 de cuatro canales, 14 S/s, 24 bits y ±80 mV
  • 5. - termopar tipo J Figura 4. Sistema NI CompactDAQ El NI 9211 posee un conector removible, con 10 terminales de tornillo, que provee las conexiones para cuatro canales de entrada para termopares. Cada canal posee un terminal al cual usted puede conectar el cable positivo de la termopar, TC+, y un terminal al cual puede conectar el cable negativo, TC–. El NI 9211 también posee un terminal común, COM, el cual está conectado internamente a la tierra aislada de referencia del módulo. Refiérase a la Figura 5 para la asignación de terminales de cada canal y a la Figura 6 para el esquema de conexiones. Figura 5. Asignación de Terminales
  • 6. Figura 6. Esquema de Conexiones Regresar al Inicio 4. Viendo su Medición: NI LabVIEW Ahora que ha conectado su termopar al dispositivo de medición, puede usar el software de programación gráfica LabVIEW para transferir los datos desde el interior del computador hacia objetivos de visualización y análisis. La Figura 7 muestra un ejemplo de despliegue para datos de temperatura medida dentro del ambiente de programación LabVIEW.
  • 7. Figura 7. Panel Frontal de LabVIEW Mostrando Datos de Temperatura Regresar al Inicio 5. Hardware y Software Recomendado Ejemplo de Sistema de Medición con termopar NI CompactDAQ: video de 3 minutos con enfoque innovador Tome una Visita Virtual de NI CompactDAQ Aprenda y pruebe gratis el software LabVIEW El Hewlett-Packard Instrument Bus (HP-IB) es un estándar bus de datos digital de corto rango desarrollado por Hewlett-Packard en los años 1970 para conectar dispositivos de test y medida (por ejemplo multímetros, osciloscopios, etc) con dispositivos que los controlen como un ordenador. Otros fabricantes copiaron el HP-IB, llamando a su implementación General-Purpose Instrumentation Bus (GP- IB). En 1978 el bus fue estandarizado por el Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) como el IEEE-488 (488.1]
  • 8. Diseño[editar · editar fuente] El IEEE-488 permite que hasta 15 dispositivos inteligentes compartan un simple bus paralelo de 8 bits, mediante conexión en cadena, con el dispositivo más lento determinando la velocidad de transferencia. La máxima velocidad de transmisión está sobre 1 Mbps en el estándar original y en 8 Mbps con IEEE-488.1-2003 (HS-488). Las 16 líneas que componen el bus están agrupadas en tres grupos de acuerdo con sus funciones: 8 de bus de datos, 3 de bus de control de transferencia de datos y 5 de bus general. Algunas de ellas tienen retornos de corrientes común y otras tienen un retorno propio, lo que provoca un aumento del número de líneas totales (8 masas).
  • 9. Historia[editar · editar fuente] A finales de la década de 1960, Hewlett-Packard (HP) era un fabricante de equipos de test e instrumentos de medición, comomultímetros digitales y analizadores lógicos. HP desarrolló el HP Interface Bus (HP-IB) para permitir una más fácil conexión entre instrumentos y controladores como los ordenadores. El bus es relativamente fácil de implementar usando la tecnología del momento, y utilizaba un simple bus paralelo y varias líneas de control individual. Otros fabricantes copiaron el HP-IB, llamando a su implementación el General Purpose Interface Bus (GPIB o bus de interfaz de propósito general). En 1975 el bus fue estandarizado por el Institute of Electrical and Electronics Engineers como el IEEE Standard Digital Interface for Programmable Instrumentation, IEEE-488-1975 (actualmente 488.1). IEEE- 488.1 define los parámetros mecánicos, eléctricos, y el protocolo básico de GPIB, pero no dice nada sobre el formato de los comandos o los datos. El estándar IEEE-488.2, Codes, Formats, Protocols, and Common Commands for IEEE-488.1 (Junio de 1987), proporciona la sintaxis básica y las convenciones de formato, así como los comandos independientes de dispositivo, estructuras de datos, protocolos de error, y similares. IEEE-488.2 se construyó sobre -488.1 sin sustituirlo; los equipos pueden configurarse para -488.1 sin seguir - 488.2. Mientras que IEEE-488.1 define el hardware, y IEEE-488.2 define la sintaxis, todavía no había estándar para comandos específicos de cada instrumento. Los comandos para controlar la misma clase de instrumento (por ej., multímetros) pueden variar entre diferentes fabricantes e incluso modelos. Un estándar para comandos de dispositivo, SCPI, fue introducido en los 90. Debido a su reciente introducción, no ha sido implementado universalmente. National Instruments introdujo una extensión retro-compatible a IEEE-488.1, conocida originalmente como HS- 488. Esta incrementa la velocidad máxima a 8 MB/s, aunque la velocidad disminuye a medida que se conectan más dispositivos al bus. Fue incorporada al estándar en 2003, como IEEE-488.1-2003. Además del IEEE otros comités han adoptado el HP-IB. El American National Standards Institute (ANSI) lo llama ANSI Standard MC 1.1, y para la International Electrotechnical Commission (IEC) es el IEC Publication 625-1. Aplicaciones[editar · editar fuente] Al principio, los diseñadores de HP no planearon el IEEE-488 como un estandar de interfaz de periféricos para ordenadores de propósito general. En 1977 la familia Commodore PET/CBM de ordenadores educativos/domésticos/personales conectaban sus unidades de disco, impresoras, modems, etc, mediante el bus IEEE-488. Todos los equipos de 8 bits posteriores deCommodore del VIC-20 al Commodore 128, utilizan un bus serial IEEE-488 propietario (también llamado bus serial Commodore) para sus periféricos, con conectores DIN-6 en lugar de los resistentes conectores HP-IB o un conector de borde de tarjeta en la placa madre (para los ordenadores PET). En él los dispositivos conectados al ordenador hablaban (talking) y escuchaba (listening) las líneas para realizar sus tareas. Los ordenadores de HP también han usado este bus con un protocolo llamado CS-80. Hewlett-Packard y Tektronix también usaron el IEEE-488 como interfaz de periféricos para conectar unidades de disco, unidades de cinta, impresoras, plotters etc. a sus estaciones de trabajo y a los miniordenadores HP 3000. Mientras que la velocidad del bus se incrementaba a 10 MB para esos usos, la falta de un protocolo de
  • 10. comandos estándar limitó los desarrollos de terceros y la interoperabilidad, y posteriormente, estándares abiertos más rápidos como SCSI acabaron superando a IEEE-488 para la conexión de periféricos. Adicionalmente, algunas de las calculadoras/ordenadores avanzados de HP en la década de 1980, como las series HP-41 yHP-71, pueden trabajar con varios instrumentos mediante una interfaz HP-IB opcional. La interfaz puede conectarse a la calculadora mediante un módulo opcional HP-IL. Conector hembra IEEE-488 Pin 1 DIO1 Data input/output bit. Pin 2 DIO2 Data input/output bit. Pin 3 DIO3 Data input/output bit. Pin 4 DIO4 Data input/output bit. Pin 5 EOI End-or-identify. Pin 6 DAV Data valid. Pin 7 NRFD Not ready for data. Pin 8 NDAC Not data accepted. Pin 9 IFC Interface clear. Pin 10 SRQ Service request. Pin 11 ATN Attention. Pin 12 SHIELD Pin 13 DIO5 Data input/output bit. Pin 14 DIO6 Data input/output bit. Pin 15 DIO7 Data input/output bit. Pin 16 DIO8 Data input/output bit. Pin 17 REN Remote enable. Pin 18 GND (emparejado con DAV) Pin 19 GND (emparejado con NRFD) Pin 20 GND (emparejado con NDAC) Pin 21 GND (emparejado con IFC) Pin 22 GND (emparejado con SRQ) Pin 23 GND (emparejado con ATN) ¿Qué es Adquisición de Datos? La adquisición de datos (DAQ) es el proceso de medir con una PC un fenómeno eléctrico o físico como voltaje, corriente, temperatura, presión o sonido. Un sistema DAQ consiste de sensores, hardware de medidas DAQ y una PC con software programable. Comparados con los sistemas de medidas tradicionales, los sistemas DAQ basados en PC aprovechan la potencia del procesamiento, la productividad, la visualización y las habilidades de conectividad de las PCs estándares en la industria proporcionando una solución de medidas más potente, flexible y rentable.
  • 11. Partes de un Sistema DAQ | Vea una guía completa para construir un sistema de medidas http://www.ni.com/data-acquisition/what-is/esa/

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