Guía técnica para capturar datos en procesos industriales (4ª PARTE)

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B)      SEÑALES ANALÓGICAS Y DIGITALES

1)      Clasificación de las señales

En el mundo real, los fenómenos físicos, tales como temperatura y presión, varían de acuerdo con las leyes de la naturaleza y exhiben propiedades que varían continuamente en el tiempo; esto es que todas las señales varían con el tiempo analógico.

Los transductores convierten el fenómeno físico en señales eléctricas como voltaje y corriente para acondicionamiento de señales tales como voltaje y corriente para acondicionamiento y medición dentro de sistemas DAQ. Si bien la señal de corriente o voltaje de los transductores tiene alguna relación directa con el fenómeno para el que se diseñaron no siempre está clara la información que se contendrá dentro de la señal de salida. Por ejemplo, en el caso de un medidor de caudal, la salida es un tren de pulsos digitales tiene una frecuencia que es directamente proporcional al caudal. Si bien el cambio en el caudal de un fluido puede variar lentamente con el tiempo, la señal de salida es un tren de pulso digital que puede variar rápidamente con el tiempo, dependiendo del caudal, y no de la velocidad en el cambio del caudal.

Esto nos lleva a la necesidad de clasificar las señales en los sistemas DAQ, ya que es la información contenida dentro de una señal la que determina su clasificación, y por lo tanto el método de medición de señal y o el tipo de hardware requerido para producir esa señal.

Señales digitales o binarias

Una señal digital o binaria puede tener solamente dos niveles o estados especificados; estado “on” en el que la señal está en el nivel más alto, y un estado “off”, en el que la señal está a su nivel más bajo.

Por ejemplo, la señal de voltaje de salida de un conmutador TTL (transistor-to-transistor logic) puede tener solamente dos estados – el valor en el estado “on es 5 V, mientras que el valor en el estado “off” es 0 V. Los dispositivos de control, tales como los relés, y los indicadores tales como LEDs, requieren señales de salida como las proporcionadas por las tarjetas I/O digitales.

Trenes de pulso digitales

Un tren de pulsos digitales es un tipo especial de señales digitales, comprendiendo una secuencia de pulsos digitales. Como todas las señales digitales, un pulso digital puede tener solamente dos niveles o estados definidos. Las señales de salida de un medidor de caudal o de un decodificador óptico montado en un eje rotatorio son ejemplos de un tren de pulsos digitales. También es posible para un sistema DAQ ser requerido para producir un tren de pulsos digital como parte del control del proceso. Un motor por pasos, por ejemplo, requiere una serie de pulsos digitales para controlar su velocidad y posición. Mientras que los trenes de pulsos digitales de salida y entrada pueden prácticamente medirse o producirse usando tarjetas I/O digitales, una tarjeta I/O contador/temporizador es más efectiva para realizar estas funciones.

Señales analógicas

Las señales analógicas contienen información dentro de la variación en la magnitud de la señal con respecto al tiempo. La información relevante contenida en la señal es dependiente de si la magnitud de la señal analógica varía lentamente o rápidamente con respecto al tiempo, o si la señal se considera en los dominios del tiempo o la frecuencia.

Señales DC analógicas

Las señales DC analógicas son estáticas o señales DC que varían lentamente. La información transportada en este tipo de señal está contenida en el nivel o amplitud de la señal en un instante dado de tiempo, pero no en cómo este nivel varía con respecto al tiempo.

La cadencia en las mediciones se hace lentamente cuando la variación de las señales no es crítica. Entonces solamente se requiere hardware DAQ para convertir el nivel de señal a una forma digital para procesarla por ordenador usando un convertidor analógico a digital (ADC). Las tarjetas A/D de baja velocidad serían capaces de medir esta clase de señal. El control de la presión y temperatura son solamente dos ejemplos de señales analógicas variando lentamente en las que las medidas del sistema y retorno de un único valor indican la magnitud de la señal en un instante de tiempo dado. Tales señales pueden usarse como entradas a displays digitales y medidores o procesados para indicar una acción de control (ej. hacer girar un calentador o abrir una válvula) para un proceso particular.

Por ejemplo, el hardware de control de un actuador de una válvula, requiere solo una señal analógica variando lentamente; la magnitud dada en un tiempo determina el punto de control. El hardware DAQ que realiza esta tarea sería requerida para convertir el punto de control digital a una forma analógica usando un convertidor digital-a-analógico (DAC) en el instante requerido. Una tarjeta D/A para propósitos generales de baja velocidad realiza esta función.

Los parámetros más importantes a considerar en tarjetas A/D de baja velocidad y tarjetas D/A son la exactitud y resolución en la que la señal que varía lentamente puede medirse.

Señales AC analógicas

La información transportada en las señales AC analógicas está contenida no solamente en el nivel o amplitud de la señal en un instante de tiempo dado, sino también la forma como la amplitud varía con respecto al tiempo. La forma de la señal, su pendiente en un punto dado, la frecuencia, y localización de picos de señal, pueden proporcionar información sobre la señal en sí mismas.

Ya que la señal analógica AC puede variar bastante rápidamente con respecto al tiempo, la cadencia de las medidas de este tipo de señales puede ser crítica. De aquí, que convertir la amplitud de la señal a una forma digital útil para ser procesada por el ordenador usando un ADC, debe requerirse hardware DAQ para tomar las medidas lo suficientemente cerca como para reproducir con exactitud la forma, y por lo tanto la información, contenida en la señal. Además de esto, la información extraída de la señal puede variar dependiendo de cuando la medición de la señal comience y acabe. El hardware DAQ usado para medir estas señales requeriría un ADC, un reloj y un disparador para comenzar y/o parar las mediciones en el momento adecuado, de acuerdo con algún evento o condición externo, de esta forma puede obtenerse la porción más relevante de la señal. Una tarjeta A/D de alta velocidad será capaz de realizar estas funciones.

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