Equipos de Prueba y Medida

La medición de señales grandes y pequeñas

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Una de las cosas más interesantes de trabajar como desarrollador es que el trabajo puede variar muchísimo. Un día estamos analizando los detalles de la interfaz serie en un microcontrolador, otro día estamos configurando la adquisición de datos en un nuevo proyecto y, para finales de semana, intentamos alimentar un motor de 20 kW. Cada tarea precisa de determinados conocimientos y habilidades, como la electrónica, los protocolos de datos, la programación de software o la seguridad eléctrica.

Muchos ingenieros son bastante reservados sobre su trabajo, seguramente porque no quieren que otros sepan lo bien que se lo pasan. Sin embargo, nuestro trabajo también tiene una vertiente muy seria: mejorar el entorno y las vidas de la gente. Reducimos el consumo de energía, minimizamos los desechos de la fabricación y ampliamos la vida útil de los equipos gracias a una estrategia más precisa de mantenimiento. Por lo tanto, es esencial que tengamos acceso a equipos que puedan medir señales grandes y pequeñas para poder tomar las decisiones adecuadas al desarrollar y perfeccionar los sistemas, hacer pruebas de final de línea de producción e instalar equipos.

La precisión en el consumo de energía
Las interfaces de usuario en los equipos industriales no destacan por su estética o su aspecto detallado. Sin embargo, esto cambia con la gama Carlo Gavazzi de analizadores de energía de dos y tres fases1. Los modelos EM530 y EM540 (imagen 1) conservan el LCD con retroiluminación típico de estos dispositivos, pero el equipo se ha esforzado por que sean fáciles de emplear, desde la instalación hasta el uso diario. Por ejemplo, los dígitos decimales en la pantalla de medición de energía son más pequeños que los demás dígitos. Esto facilita que los que ya tenemos unos cuantos años podamos leer con facilidad los números en la pantalla. También hay una función «presentación» para mostrar las mediciones deseadas en secuencia sin tener que tocar nada. Los dispositivos también disponen de un sistema de menús de fácil navegación que se controla con tres botones físicos.
Se logra un gran nivel de precisión: frecuencia de resolución de 0,001 Hz y resolución de energía de 0,001 kWh. Los modelos EM540 y EM530 también ofrecen un tiempo de respuesta de 100 ms para la tensión, intensidad, potencia y otras variables de sistema y de una sola fase. Esto resulta útil para instalaciones fotovoltaicas que precisan de gestión de autoconsumo nulo (es decir, que el exceso de energía generado no pueda entrar de nuevo en la red), en comparación con otros que son demasiado lentos al hacer esto.

Imagen 1: en aplicaciones de supervisión de energía, los modelos Carlo Gavazzi EM530 y EM540 ofrecen acceso remoto a los datos, una interfaz de usuario sencilla, medición en dos o tres fases y certificación MID.

Los analizadores de energía también pueden aportar un registro de ejecución preciso, lo que es de ayuda en el mantenimiento predictivo. Al definir un umbral por encima del consumo en espera del equipo vinculado, las unidades pueden medir las horas de funcionamiento. El tiempo del modo en espera también se puede determinar restando las horas de ejecución del tiempo de funcionamiento total. Los datos están disponibles para sistemas de supervisión mediante Modbus RTU. En combinación con una plataforma web universal (UWP), los equipos de soporte pueden usar esta transmisión automática de datos para detectar defectos en el cableado y para sugerir cómo resolver el problema a distancia.
El EM530 se puede emplear en centralitas de baja tensión, junto con transformadores de corriente con una corriente de secundario de 5 A. Esto permite el funcionamiento en sistemas con 10 kA nominales. De forma nominal, el EM540 mide corrientes de hasta 65 A. Ambas unidades se encuentran en una carcasa con soporte para tres carriles DIN, y también están disponibles como opción MID con un punto de cierre, de modo que se pueden emplear en aplicaciones residenciales de medición auxiliar.


La eficiencia en los controladores
Hace décadas ya que los organismos normativos vigilan la eficiencia energética de los motores eléctricos. A principios de este siglo, el consumo de energía de los motores suponía el 69 % del empleado en el sector industrial2, según los datos de la Agencia Internacional de la Energía (AIE). Actualmente, las clases de eficiencia energética para maquinaria eléctrica rotatoria se definen en la normativa IEC 60024. Esta definición va desde el nivel 1 (IE1) hasta el 4, aunque los motores IE1 ya han sido prohibidos desde entonces en muchos lugares3, como en la Unión Europea.
La eficiencia de un motor industrial se puede evaluar con equipos como el B&K Precision 5335C5, un compacto medidor de potencia CA/CC de una sola fase (imagen 2). Puede hacer mediciones de potencia de hasta 600 Vrms y 20 Arms, y ofrece un ancho de banda de hasta 100 kHz. El osciloscopio incluido visualiza formas de onda de tensión e intensidad, con lo que no es necesario adquirir equipos de medición adicionales.

Imagen 2: con el medidor de potencia B&K Precision 5335C, podemos lograr mediciones de eficiencia precisas en motores, dispositivos CC y pruebas de final de línea de producción.

Se pueden incluir transductores externos (máx. 10 A/2 V) al medir la intensidad por encima de los 20 A especificados. Para el control de velocidad PWM en motores, las mediciones se pueden hacer en el rango 0,5 Hz a 100 kHz (imagen 3). Por último, la conectividad, las conexiones de prueba y el disparador exterior están distribuidos de forma clara en la parte trasera de la unidad.
Con una pantalla TFT de 4,3 pulgadas, la unidad se configura con nueve botones no físicos. Se pueden mostrar hasta doce parámetros de medición al mismo tiempo, lo que incluye la corriente de arranque de pico y la sobretensión. Es posible hacer pruebas previas de conformidad con EMC para la IEC 62000-3-2/4-7 gracias a mediciones de armónicos hasta el orden 50. La unidad dispone de interfaces USB (compatible con USBTMC), RS232 y LAN para los que quieran configurar pruebas automatizadas. Al analizar sistemas conectados a la red, la función de integración ofrece mediciones integrales de corriente y potencia activa (Wh) con cambio de rango automático.

Imagen 3: el medidor de potencia 5335C puede determinar la eficiencia del motor controlado por velocidad PWM en tensiones de entrada de hasta 600 V; se pueden usar transductores de corriente externos.

Recopilación electrónica de datos
Los diseños electrónicos nuevos y eficaces se basan en un conocimiento profundo de los datos recabados por el sensor y, si nos metemos en el mundo del aprendizaje automático (AA), siempre nos van a faltar datos. Los algoritmos de AA permiten que los ingenieros de software integrado se enfrenten a desafíos que son extremadamente complejos con una programación basada en reglas. La detección de problemas a largo plazo, como la degradación en el funcionamiento de un motor o una fuente de alimentación, exige que entendamos la temperatura local y ambiente, el consumo de corriente, los cambios en la carga y las tensiones de entrada/salida bajo condiciones de funcionamiento dinámicas.

Las herramientas «set and forget» (algo así como «colocar y olvidar» en español), como los dispositivos Digilent MCC USB-230 DAQ [footnoteRef:6], son una opción ideal para obtener los datos necesarios con un gasto mínimo. Están disponibles en dos opciones de frecuencia de muestreo, 50 kS/s (USB-231) y 100 kS/s (USB-234), y se conectan con facilidad a un ordenador, gracias a un micro-USB tipo B (imagen 4). Hay cuatro entradas de 16 bits diferenciales u 8 entradas asimétricas de ±10 V (protección contra sobretensión de ±30 V), con banda ancha de 300 kHz para mediciones analógicas. La salida analógica también funciona a un nivel de hasta ±10 V, con una tasa de actualización de 5 kS/s (máximo) por canal. Hay ocho E/S funcionando a un nivel de hasta 5 V y ±4 mA. El conjunto de características se completa con un contador de 32 bits en las transiciones de estado bajo a alto.

Imagen 4: adquisición de datos profesional con el Digilent MCC USB-230 DAQ, una herramienta por USB; las regletas de conexiones facilitan la conexión de señales a la unidad DAQ.

Como es normal, los USB-230 DAQ disponen de un conjunto adecuado de herramientas de software6. DAQami es una herramienta visual para la adquisición de datos y la generación de señales. Dispone de una sencilla interfaz «arrastrar y colocar» que muestra datos de forma sencilla, y permite el uso de distintos dispositivos USB-230 conectados al mismo ordenador. También hay una MCC Universal Library7 para los que quieran desarrollar software de adquisición de datos personalizado de acuerdo con sus necesidades específicas, con compatibilidad de programación para Python en Windows. Los desarrolladores de Linux también disfrutan de compatibilidad con uldaq8. Los DAQ también son compatibles en LabVIEW y MATLAB.

Análisis de interfaces serie
Una de los problemas más grandes al cambiar de proveedor de microcontroladores es descubrir cómo funcionan los periféricos. Los registros, la funcionalidad y las descripciones de las hojas de características siempre son diferentes. Como resultado, emplear las interfaces serie resulta todo un reto y, a menudo, los desarrolladores no saben si han entendido y configurado correctamente cosas como la velocidad de transmisión. Así, que, si aún no tiene uno, adquirir un analizador lógico es una excelente idea.
Además, actualmente ya no hay excusa. Unidades como el analizador lógico SparkFun USB9 ofrecen una frecuencia de muestreo de 24 MHz con ocho canales a un precio asequible para todo el mundo (imagen 5). La unidad emplea el proyecto sigrok10 de software de código abierto, y hay decodificadores disponibles para todo tipo de situaciones. Además de los clásicos (serie, SPI e I2C), se pueden decodificar los protocolos usados para EEPROM, pantallas de 7 segmentos, DALI, LIN, CAN y distintas interfaces de depuración de procesador Arm (imagen 6).

Imagen 5: como herramienta para depurar rápidamente interfaces serie de cualquier tipo, es difícil lograr algo mejor que el analizador lógico SparkFun USB de 8 canales y 24 MHz.

El hardware puede gestionar señales de hasta 5,25 V y está alimentado mediante un puerto USB al que está conectado. Los puentes hembra a hembra codificados por colores facilitan las conexiones al sistema de destino, así que algunas placas, como Arduino, precisan de un conector macho adicional. Empezar a usarlo es sencillo, gracias a un tutorial SparkFun excelente11 que abarca el uso de la interfaz gráfica de usuario (GUI) y la interfaz de línea de comandos (CLI) de sigrok.

Todas las señales medidas, grandes y pequeñas
Los ingenieros siempre se han basado en datos de alta calidad para tomar buenas decisiones de diseño, ya sea al trabajar en un sistema o al desarrollar uno. La eficiencia energética es quizá uno de los problemas más importantes actualmente, así que es probable que los equipos de desarrollo se interesen cada vez más por adquirir analizadores de energía con una amplia gama de opciones. Además, cada vez es más común que las aplicaciones solo puedan mejorar empleando técnicas de AA. Hacen falta muchísimos datos para aprender de forma eficaz, aunque se trate de una red neuronal simple, y es aquí donde entra en juego el DAQ. Aunque los microcontroladores y las interfaces serie son fantásticas, muchas veces hay cosas que no se entienden. Gracias al hardware de bajo coste y a los esfuerzos de la comunidad de código abierto, ya no hay excusa para no tener un analizador lógico que nos explique lo que está pasando en esos cables.

NOTAS

[1] https://eu.mouser.com/new/test-measurement/carlo-gavazzi-em5x0-energy-analyzers/n-5gf3Z2opfnb

[2] https://iea.blob.core.windows.net/assets/d69b2a76-feb9-4a74-a921-2490a8fefcdf/EE_for_ElectricSystems.pdf

[3] https://biconconsultants.com/difference-between-ie2-and-ie3-motors/

[4] https://eu.mouser.com/new/test-measurement/bk-precision-5335c/n-5gf3Z22te6a

[5] https://eu.mouser.com/new/test-measurement/digilent-mcc-usb-230-daq-devices/n-5gf3Z31isz5

[6] https://www.mccdaq.com/software-downloads.aspx

[7] https://pypi.org/project/mcculw/

[8] https://github.com/mccdaq/uldaq

[9] https://eu.mouser.com/new/sparkfun/sparkfun-usb-logic-analyzer/

[10] https://sigrok.org/wiki/Main_Page

[11] https://learn.sparkfun.com/tutorials/using-the-usb-logic-analyzer-with-sigrok-pulseview

 

AUTOR:  Stuart Cording (para Mouser Electronics)

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