Com'è noto, i sistemi di acquisizione dati (DAQ - Data Acquisition System) acquisiscono dati di misura utili per espletare compiti di caratterizzazione, monitoraggio e controllo. Essi possono essere utilizzati per la misura di una varietà di parametri fisici differenti tra cui temperatura, pressione, vibrazioni, suono, tensioni, correnti, accelerazioni, deformazioni, intensità luminosa, velocità di rotazione (RPM) e portata. I DAQ, inoltre, possono provocare l'avvio di azioni specifiche sulla base delle informazioni ricevute dal sistema, come ad esempio l'attivazione di un segnale di allarme, l'arresto di una linea di produzione o, più semplicemente, l'accensione di una luce.
Introduzione
Tra le applicazioni più critiche dei sistemi DAQ si possono annoverare il mantenimento del livello qualitativo della produzione di una stabilimento e il monitoraggio dello "stato di salute" dei macchinari in modo da poter anticipare interventi di manutenzione (eliminando così il rischio di tempi morti che potrebbero avere ripercussioni economiche anche di notevole entità). I parametri specifici di queste applicazioni determineranno la risoluzione, l'accuratezza e il numero di canali, oltre ai requisiti in termini di velocità, di un sistema DAQ.
Poiché i settori della produzione e delle lavorazioni industriali sono attivamente impegnati ad aumentare i livelli di efficienza, ridurre i costi e produrre senza interruzioni prodotti di qualità superiore, è necessario monitorare un'ampia gamma di parametri utilizzando una molteplicità di sensori: da qui l'esigenza di poter disporre di sistemi DAQ più evoluti in termini sia di hardware sia del relativo software di supporto. In modo del tutto analogo, le società che gestiscono le stazioni di pompaggio di carburante/acqua e le sottostazioni elettriche devono monitorare non solo prestazioni e stato delle loro apprecchiature, ma anche l'ambiente all'interno dei loro impianti al fine di garantire il mantenimento di condizioni operative ottimali.
In funzione del particolare tipo di applicazione considerata, è disponibile un'ampia gamma di soluzioni che spazia dai semplici data logger di tipo plug-and-play ai sistemi DAQ multi-funzione ad alto grado di integrazione. Nel seguito dell'articolo saranno descritte le diverse tipologie di soluzioni presenti sul mercato.
Data logger portatili e compatti per applicazioni specifiche
La serie USB-4700 di Advantech è composta da moduli DAQ che possono essere installati senza dover aprire lo chassis. L'utente deve semplicemente collegarli per accedere ai dati acquisiti. Caratterizzati da livelli di affidabilità e robustezza sufficienti per consentirne l'uso in applicazioni industriali ma offerti a prezzi accessibili per favorirne l'adozione anche in sistemi domestici, questi moduli permettono di aggiungere in modo semplice funzionalità di misura e controllo a computer dotati di porte USB. Il mod. USB-4716, ad esempio, vanta le seguenti caratteristiche: 16 ingressi analogici di tipo single-ended/8 differenziali con risoluzione di 16 bit, throughput di 200 KSample/s (max.), 16 I/O digitali, un contatore e due uscite analogiche a 16 bit. Poichè il modulo assorbe potenza dal computer attraverso la porta USB, non è richiesto il collegamento a un'alimentazione esterna.
I sistemi di acquisizione prodotti da MonoDAQ sono in grado di interfacciarsi con qualsiasi sensore per misure meccaniche da utilizzare in applicazioni quali misure di deformazione dei materiali, monitoraggio di carichi strutturali e misure di accelerazione. Questi dispositivi trasferiscono i dati attraverso un'interfaccia EtherCAT a un PC su cui gira DEWESoft, un software per acquisizione dati ad alte prestazioni e di semplice uso. L'amplificatore per estensimetri (strain gauge) isolato MonoDAQ-E-STG può acquisire dati provenienti da estensimetri e celle di carico utilizzando qualsiasi configurazione a ponte. Dispositivo programmabile a basso rumore, esso consente di impostare la tensione di ingresso in un intervallo compreso tra 100 mV a 50 V e una corrente di ingresso fino a 20 mA (con shunt interno). A complemento la società propone MonoDAQ-E-gMeter, un dispositivo DAQ all-in-one che integra un accelerometro MEMS a bassissimo rumore e si propone come la soluzione ideale per il monitoraggio strutturale di antenne o ponti e per le misure sismiche. Poichè la trasmissione della potenza e del segnale avviene sul medesimo cavo, essi possono essere distribuiti su tutta la struttura che richiede il monitoraggio dell'accelerazione. L'amplificatore per sensore di accelerazione MonoDAQ-E-ACC, invece, è stato progettato per le misure di precisione di vibrazioni e fornisce un condizionamento dei segnali di elevato livello qualitativo per i sensori IEPE (Integrated Electronic PiezoElectric). Monitoraggio di vibrazioni delle macchine, rilevamento di guasti nei cuscinetti e analisi modale per il monitoraggi strutturale sono alcuni esempi di applicazioni tipiche.
Figura 1: Il modulo E-gMeter di MonoDAQ.
Di uso particolarmente semplice, RHT35 di Extech Instruments è un data logger in grado di registrare informazioni relative a umidità, temperatura e pressione barometrica corredate da marca temporale che utilizza la connessione USB per trasferire fino a un massimo di 48.000 letture a un PC (in formato PDF o sotto forma di spreadsheet). Tra le altre caratteristiche di rilievo di possono segnalare le seguenti: possibilità di apporre segnalibri (fino a un massimo di 8) durante le operazioni di acquisizione dati, scelta tra 6 lingue, intervallo di campionamento programmabile, allarmi regolabili e procedura di log-in di sicurezza protetta da password. La medesima società propone anche VB300, un dispositivo in grado di registrare urti e vibrazioni (accelerazioni) in un intervallo compreso tra +/- 18g. Esso registra la forza di gravità su 3 assi e i relativi picchi in modo da fornire la cronologia degli urti e delle vibrazioni subite. L'orologio in tempo reale fornisce data e ora relativamente a tutti gli eventi. Il monitoraggio del trasporto di container è un esempio di un'applicazione tipica. VB300 dispone di un'interfaccia USB per semplificare il set-up e il download dei dati ed è corredato da base per il montaggio (di tipo magnetico o tramite bulloni), batteria a ioni di litio da 3,6 V e software di analisi compatibile con l'ambiente Windows.
La linea Slam Stick di Midé è composta da data logger ricaricabili portatili operanti a elevata velocità in grado di misurare l'accelerazione lungo i tre assi, oltre a pressione e temperatura. Questi dispositivi sfruttano una porta USB o micro-USB per eseguire "al volo" operazioni di configurazione, carica e download dei dati. Tra le numerose opzioni di configurazione previste si possono annoverare la possibilità di impostare un ritardo programmabile prima di ogni misura, definire differenti durate del periodo di misura e impostare un trigger basato su un livello di accelerazione prestabilito. Dispositivi molto leggeri che possono essere montati o attaccati utilizzando un nastro biadesivo, questi data logger possono essere utilizzati per la caratterizzazione delle vibrazioni in applicazioni di energy harvesting (accumulo e riutilizzo dell'energia), analisi modale e monitoraggio di apparecchiature.
Sistemi DAQ multi-funzione integrati
Semplicità di connessione grazie alla combinazione tra hardware e software di tipo plug-and-play, costo competitivo, praticità ma senza alcun compromesso in termini di accuratezza: questa la carta d'identità dei moduli DAQ USB di ADLINK. La gamma comprende il modulo DSA (Dynamic Signal Acquisition) USB mod.USB-2405, i moduli di I/O USB isolati modd. USB-7230/7250, il modulo DAQ mod. USB-1210 a 4 canali, il modulo DAQ USB con ingresso universale mod. USB-2401 e i moduli DAQ USB multi-funzione modd. USB-1901/1902/1903 a 8/16 canali operanti a una velocità di campionamento di 250kS/s. La medesima società rende disponibili una vasta gamma di piattaforme PXI e computer per applicazioni industriali in modo da consentire all'utente di scegliere i prodotti più adatti per le loro applicazioni di misure audio e di vibrazioni. Basati su diversi standard per bus, i moduli DSA sono stati espressamente progettati per la misura di vibrazioni, rumore e audio nell'ambito del monitoraggio delle condizioni dei macchinari. Caratterizzati da una velocità di campionamento massima pari a 432 kSample/s, risoluzione a 24 bit e dalla possibilità di effetttuare il condizionamento dei segnali provenienti da sensori IEPE, questi moduli permettono di eseguire acquisizioni molto accurate e di collegarsi direttamente e senza problemi a microfoni o accelerometri per il collaudo di componenti. Ciascuna unità è equipaggiata con 4 canali di ingresso analogici in grado di effettuare un campionamento simultaneo a una velocità di 128 KSample/s per canale. Tra le altre caratteristiche da segnalare configurazione dell'ingresso con accoppiamento in AC o DC selezionabile via software, sorgente di eccitazione di precisione integrata in grado di erogare una corrente di 2 mA e ridotta deriva termica.
Figura 2: Il modulo USB-2401 di ADLINK.
I convertitori A/D a 24 bit di tipo sigma-delta presenti a bordo consentono il filtraggio anti-aliasing, eliminando in tal modo il modulatore e il rumore dei segnali fuori banda e fornendo un'ampiezza di segnale utilizzabile alla frequenza di Nyquist. Questi moduli risultano pertanto particolarmente indicati per misure di segnali ad ampio range dinamico in applicazioni di analisi acustica e delle vibrazioni. Essi supportano sorgenti di trigger analogiche e digitali e prevedono diverse modalità di trigger (tra cui post-trigger, delay-trigger, middle-trigger, gated-trigger e pre-trigger) per garantire un'acquisizione efficiente dei dati senza dover ricorrere a un'elaborazione successiva.
USB-2401 è un modulo DAQ USB a 24 bit con ingresso universale in grado di effettuare il campionamento simultaneo sui quattro canali con circuito per il condizionamento dei segnale integrato e in grado di fornire una misura diretta dei segnali provenienti dai più diffusi sensori tra cui traduttori con uscita in corrente, termocoppie, RTD, celle di carico ed estensimetri. I singoli canali possono essere programmati per misurare differenti tipi di segnali. L'unità è equipaggiata con terminali a vite per semplificare il collegamento del dispositivo, mentre un supporto multifunzione permette il montaggio su banco, a parete o su guida. Questo DAQ è adatto per applicazioni di misura di base che richiedono elevati livelli di risoluzione e accuratezza. Il modulo può essere utilizzato sia per ricerche in laboratorio sia per applicazioni di collaudo dei materiali, oltre che per misure di temperatura in ambito industriale. USB-2401 è corredato da U-test, un software gratuito di semplice uso che consente il collaudo di tutte le funzioni chiave senza richiedere nessuna programmazione.
Il sistema DAQ della prossima generazione DAQ970A di Keysight assicura maggiori prestazioni e flessibilità pur mantenendo la compatibilità con i diffusi modelli 34970A e 34972A della medesima società. Questo sistema è in grado di misurare e convertire 12 differenti segnali di ingresso come temperature con termocoppie, RTD e termistori, tensioni DC e AC, resistenze a 2 e a 4 fili, frequenza e periodo, capacità e deformazioni. L'unità base del sistema è dotata di tre slot per ospitare moduli plug-in e integra un DMM a 6 1/2 digit e un circuito per il condizionamento dei segnali in modo da ridurre i tempi richiesti per lo sviluppo del test. Rispetto al suo predecessore, questo sistema è caratterizzato dal (quasi) raddoppio della velocità di scansione (che può arrivare a 450 canali/S) e dal miglioramento di un fattore pari a 10 della velocità di lettura. DAQ970A è in grado di misurare correnti piccolissime (1 μA in continua e 100 μA in alternata) e resistenze di valore molto elevato (fino a 1.000 MOhm) garantendo un'accuratezza migliore del 90% per le misure di tensione, corrente e resistenza. Per la compensazione del DMM interno è prevista una funzione di auto-calibrazione.
Figura 3: Il sistema DAQ970A di Keysight.
Sistemi DAQ: le prospettive future
La necessità di un'automazione sempre più spinta e i crescenti investimenti in infrastrutture e centrali per la produzione di energie rinnovabili sono alcuni dei fattori alla base della crescita del mercato dei sistemi DAQ. Secondo un recente studio condotto da Global Industry Analysts il mercato dei sistemi di acquisizione dati raggiungerà quota 1,7 miliardi di dollari entro il 2022, grazie da un lato al progressivo diffondersi dell'utilizzo delle tecnologie IIoT e dei processi di digitalizzazione della filiera produttiva (Industry 4.0) e dall'altro dalla necessità di ridurre il time-to-market, espressa in misura sempre magggiore dall'industria manifatturiera (specialmente nel settore automotive). Un'altra società di ricerche di mercato, Market Insights ha previsto per il settore dei DAQ un incremento su base annua (CAGR) del 6,04% da qui fino all'inizio del 2026, anno il cui il valore stimato del mercato raggiungerà i 3,61 miliardi di dollari. Ovviamente, vista la necessità di accedere a quantità di dati sempre maggiori provenienti da una molteplicità di fonti, la disponibilità della tecnologia adatta a espletare tale compito è di vitale importanza. Ciò porterà all'introduzione di nuovi prodotti nel settore dei DAQ e stimolerà l'innovazione, il cui obiettivo sarà quello di aumentare al massimo le prestazioni pur mantendendo livelli di prezzi il più possibile competitivi.
A cura di Mark Patrick, Mouser Electronics - Distributore autorizzato www.mouser.it
