I sistemi di acquisizione dati basati su PC sono composti da apparati disposti in successione attraverso i quali effettuare specifiche operazioni che partono dalla misurazione dei fenomeni fisici, mediante i sensori, fino alla visualizzazione e analisi dei risultati delle misurazioni. Una delle componenti intermedie della catena di acquisizione che riveste un’importanza particolare è definita dal sistema di condizionamento dei segnali che costituisce l’anello di passaggio tra i trasduttori successivi ai sensori e il sistema di digitalizzazione. Nella comune pratica di acquisizione dei dati è spesso necessario ricorrere all’uso di differenti sensori per adattarsi ai fenomeni fisici da analizzare. Questa flessibilità non è però sempre condivisa dai DAQ (Data Acquisition System) in commercio i quali non riuscendo ad adattarsi alle specifiche necessità di condizionamento generano spesso inaccuratezza delle analisi, inefficienza dei sistemi e risultati a volte non attendibili. Le termocoppie per esempio producendo un segnale a basso livello voltaico necessitano di amplificazione, filtraggio e linearizzazione oppure degli accelerometri e dagli strain-gauge che, per effettuare significative acquisizioni dei fenomeni, richiedono un incremento della potenza. La flessibilità dei sistemi di acquisizione dati risulta essere quindi un elemento essenziale che contraddistingue i differenti DAQ. Tale flessibilità può essere conferita attraverso i sistemi di condizionamento front-end i quali, integrati all’interno del sistema di acquisizione e adattandosi alle necessità specifiche dei sensori, determinano le combinazioni delle attività necessarie alla rosa dei sensori in uso. In commercio è possibile acquistare sistemi front-end di condizionamento adatti alle esigenze specifiche anche se le caratteristiche peculiari minime che devono possedere sono la flessibilità nei confronti della programmazione dei parametri, la capacità di identificare automaticamente i sistema DAQ nei quali sono inseriti, un livello elevato di accuratezza e l’integrabilità con i software utilizzati per la semplificazione della gestione dell’intero sistema.
Escursus tecnologico
La maggior parte dei sensori produce segnali che, per poter essere digitalizzati, devono possedere delle caratteristiche determinate. L’utilizzazione di sensori come termocoppie, termistori, strain-gauge, RTD, ecc., necessita un’attenta attività di condizionamento nei confronti dei segnali prodotti. Con l’auspicio di fornire delle informazioni di chiarimento al complesso argomento dell’acquisizione dati, verranno di seguito illustrate le attività di condizionamento effettuate con maggior frequenza sui segnali specificando, di volta in volta, quali sensori necessitano di tali operazioni ed effettuando una panoramica sulle attività di condizionamento più critiche da un punto di vista tecnologico ed economico. Una della più frequenti attività di condizionamento è costituita dall’amplificazione. Tale operazione si rende necessaria quando il voltaggio del segnale prodotto è inferiore a un determinato livello. L’amplificazione del segnale di input rende possibile uno sfruttamento più efficace dell’intervallo di conversione tipico dei convertitori analogico-digitali (ADC, Analog to Digital Converter) elevando di conseguenza l’accuratezza e la risoluzione delle misurazioni effettate. Le termocoppie e gli strain-gauge rientrano nella gamma dei sensori che necessitano di tale accorgimento procedurale per un loro efficace utilizzo.
L’attività diametralmente opposta all’amplificazione è costituita dalla attenuazione che si rende necessaria, invece, quando il livello del voltaggio del segnale non rientra nell’intervallo di valori accettabile dall’apparato di conversione situato a valle. In concomitanza dell’attenuazione viene solitamente applicato anche l’isolamento. Tale procedura contraddistingue i sistemi soggetti a elevati valori di tensione che possono essere causa di danneggiamento degli apparati o addirittura provocare lesioni agli operatori. L’isolamento è determinato anche in tutte le circostanze nelle quali il sensore utilizzato è posto a un livello di potenziale differente rispetto ai sistemi di misura connessi e la riduzione dell’attendibilità delle misurazioni e i rumori sono gli effetti che solitamente si manifestano nei casi di trascuratezza nei confronti dei livelli di potenziale tra gli strumenti. L’isolamento tra i sensori e gli strumenti di misura può essere effettuato mediante connessioni di tipo non galvanico utilizzando trasformatori, accoppiamenti capacitivi o tecniche di tipo ottico.
Attraverso un’attenta disamina di tipo economico nei confronti della catena degli apparati che fanno parte dei DAQ ne emerge che l’anello più oneroso è solitamente costituito dal sistema di digitalizzazione. L’attività di multiplexing viene incontro a tale significativa esigenza attraverso l’instradamento sequenziale dei segnali provenienti da differenti sensori. Il multiplexer eleva l’efficacia del sistema globale di acquisizione soprattutto in occasione di applicazioni caratterizzate da un numero elevato di canali di trasferimento dei dati. Un’analisi approfondita sulle tecniche di acquisizione fa emergere, infatti, come la produzione simultanea di due o più segnali può determinare elevata criticità nelle misurazioni. La presenza di segnali simultanei obbliga a effettuare campionamenti contemporanei e i sistemi di condizionamento, anche per tale esigenza, offrono benefici soprattutto di carattere economico eliminando la necessità di dotarsi di un digitalizzatore per ogni canale utilizzato. I tipi di condizionamento dei segnali fin qui analizzati sono conseguenti soprattutto alle condizioni specifiche di lavoro (isolamento, amplificazione, attenuazione) e al tipo di impianto di acquisizione utilizzato (multiplexing). Nella realtà i segnali provenienti dai sensori subiscono disturbi che dovrebbero essere eliminati o attenuati per mantenere elevata l’attendibilità delle misurazioni. Il filtraggio costituisce l’insieme delle attività con le quali è possibile rimuovere le frequenze indesiderate dai segnali o il rumore in specifici intervalli di frequenza. La maggior parte dei sistemi di acquisizione sono soggetti, per esempio, a fenomeni di rumore nell’intervallo di frequenza tra 50 Hz e 60 Hz; tale rumore, come è facile intuire, è dovuto alla interferenza dei DAQ con linee di potenza o con macchine elettriche ed è per questo che i sistemi di condizionamento sono dotati di filtri passa-basso a elevata efficienza corrispondente proprio ai livelli di frequenza citati. I filtri sono utilizzati comunemente anche per evitare i fenomeni di aliasing che si manifestano solo in particolari condizioni di campionamento. Il teorema di Nyquist Shannon o di campionamento, attraverso il quale diviene comprensibile il fenomeno, afferma, infatti, che la frequenza di campionamento, per poter ricostruire correttamente in forma digitale una forma d’onda analogica, deve essere almeno doppia della massima frequenza contenuta nel segnale originale. In caso di mancanza di rispetto di tale regola si possono verificare fenomeni di foldover o sottocampionamento e il numero di campioni ottenuto non risulterebbe sufficiente per ricostruire correttamente il segnale originale.