Analiza unor sisteme de achiziții de date folosind materiale avansate Coordonator științific: Asist.Univ.Nicolae Marian -Ștefan Absolvent: Barbu… [609646]

PROIECT DE DIPLOM Ă

Analiza unor sisteme de achiziții de date folosind
materiale avansate

Coordonator științific:
Asist.Univ.Nicolae Marian -Ștefan

Absolvent: [anonimizat], 2020

Introducere

Achiziția de date este procesul de eșantionare a semnalelor care măsoara condițiile
fizice din lumea reală și transformă eșantioanele rezultate in valori numerice digitale care pot fi
controlate de un computer.Sistemele de achiziții de date, abreviate SAD sau DAQ, transformă de
obicei formele de undă analogice in valori digitale pentru procesare.[3]
Un sistem de achiziție de date trebuie să poată executa trei funcții fundamentale :
• convertirea fenomenului fizic într -un semnal care poate fi măsurat;
• măsurarea semnalelor generate de senzori în scopul extragerii informației;
• analizarea datelor și prezentarea lor într -o formă utilizabilă. [5]
Aplicațiile cu achiziții de date sunt de obicei controlate de programe software dezvoltate
folosind diferite limbaje de programare cum ar fi limbajele de asamblare, BASIC, C, C++,
Fortran, Java, LabVIEW, Lisp, Pascal, etc. [3]

Capitolul 1
NOȚIUNI TEORETICE PRIVIND SISTEMELE DE ACHIZIȚII
DE DATE

1.1 Aspecte generale
Sistemele de achiziții de date sunt circuite complexe, cu rolul de a realiza conversia
analog -numerică a unuia sau a mai multor semnale analogice în scopul stocarii, transmiterii,
prelucrarii sau vizualizării informației sub formă numerică.
Problema generală const ă în a obține informații despre procesele fizice pentru memorare și redare,
pentru comunicație sau pentru control.
Aceste procese sunt caracterizate prin mărimi fizice care pot fi transformate în semnale
electrice analogice utilizând traductoare.Prin prel ucrarea acestor semnale, fie prin tehnici
analogice, fie prin tehnici numerice, se pot obține informații necesare monitorizării și/sau
conducerii proceselor respective.Prelucrarea numerică presupune transformarea semnalelor
analogice în semnale numerice cu ajutorul unui sistem de achiziție de date .
Semnalele electrice de la ieșirile traductoarelor sunt supuse unor prelucrări analogice inițiale și
transformate în tensiuni electrice cu circuite de condiționare a semnalelor ce realizează
următoarele funcții :divizare, amplificare, filtrare, izolare, conversie curent -tensiune etc.
Semnalele numerice se obțin prin prelevarea, la momente de timp date, a valorilor semnalelor
analogice și conversia acestor valori sub formă numerică, deci compon entele de bază ale
sistemelor de achiziție de date sunt circuitele de eșantionare și memorare și convertoarele analog –
numerice.Sistemul de prelucrare numerică poate realiza următoarele operații asupra semnalelor
numerice: filtrare, reprezentare în dom eniul frecvență, clasificare, identificare, etc. obținându -se
astfel semnalele numerice prelucrate care conțin informații despre procesele fizice, în reprezentări
corespunzătoare aplicațiilor și care pot fi transformate în semnale analogice cu convertoar e
numeric -analogice.După prelucrare, semnalele numerice și analogice rezultate, pot fi utilizate
pentru memorarea și redarea informației în vederea monitorizării sau pentru comanda elementelor
de execuție (motoare, relee, electrovalve, etc.), prin care se realizează controlul procesului

fizic.Canalul de control prevăzut în majoritatea sistemelor de achiziție realizează conducerea
optimală, adaptivă a procesului,ale cărei mărimi caracteristice au fost culese.
Se poate aprecia că în momentul de față exi stă două mari categorii de sisteme de achiziții
de date:
• Sisteme de achiziție pentru utilizări generale, folosite în cele mai diverse scopuri (ceretare,
educație, etc.)
• Sisteme de achiziție utilizate în mediul industrial
Din punct de vedere al realiz ării fizice, sistemele de achiziții de date pentru utilizări generale se
materializează sub următoarele forme:
• fie ca plăci echipate cu componente,incluse în calculator și conectate electric la
magistralele existente pe placa de bază a acestuia
• fie ca e chipamente de sine stătătoare, ce pot fi conectate din exterior la calculator.
Conectarea se poate face la portul paralel (mai rar), la portul serial și cel mai frecvent la magistrala
USB (Universal Serial Bus).
Sistemele de achiziție pentru aplicații industriale rezultă prin conectarea unui număr variabil de
traductoare (senzori împreună cu circuitele electronice aferente) la o unitate central de procesare
și comandă, care se interfațează cu operatorul uman.Dependet de natura procesului indus trial
deservit, sistemul de traductoare acoperă și o arie geometrică mai mult sau mai puțin extinsă, fapt
ce impune probleme specific de soluționat: pe de o parte, problema transmiterii la distanță a
informației achiziționate, iar pe de altă parte, este necesară stabilirea unui echilibru optim între
cantitatea de informație procesată local (lângă traductor) și informația vehiculată și prelucrată în
unitatea central ă de procesare și comandă.
Au fost elaborate medii de dezvoltare de aplicații software spe cific sistemelor de achiziție
și prelucrare de date, dintre care cele mai larg utilizate sunt LabVIEW (Laboratory Virtual
Instrument Engineering Workbench) și Matlab .
LabVIEW este un mediu de programare dedicat exclusiv ahiziției și procesării datelor .

Dintre caracteristicile sale remarcabile se menționează eficiența în programare precum și
posibilitatea elaborării, cu ușurință, a unor interfețe grafice -utilizator apropiate ca imagine de
panourile frontale ale instrumentației de măsură (de unde și de numirea de “instrumente virtuale”) .
Eficiența în utilizare a mediului LabVIEW esre rezultatul următoarelor caracteristici particulare :
• programarea se face grafic, adică se conectează grafic între ele blocuri, care reprezintă
anumite funcții de achiziți e, prelucrare, analiză și afișare a semnalelor obținute dintr -o
gamă largă de dispositive (inclusive GPIB, VXI, dispositive de comunicație serială, PLC –
uri, plăci plug -in de achiziție) .
• orice aplicație soft se elaborează in LabVIEW, în paralel cu interfața grafică -utilizator
aferentă, pentru care există obiecte virtuale predefinite (butoane, liste derulante,
instrumente, ecran de osciloscop, etc.) ușor de utilizat.
MATLAB, utilizat cu precădere in cercetare și în învățăm ânt, include o serie de unelte (tool box-
uri) specific pe domenii, care permit soluționarea eficientă a următoarelor categorii de
probleme:procesare date, simulare, vizualizare grafică a rezultatelor obținute.
O facilitate aparte oferită de mediul MATLAB o constituie posibilitatea dezvoltăr ii unor interfețe
grafice -utilizator specifice achiziției de date.
Achiziția de date este întâlnită în foarte multe din domeniile de activitate:
• în industrie: în cadrul calculatoarelor de process care supraveghează și reglează instalații
tehnologice ;
• în cercetarea științifică pentru măsurarea și prelucrarea unui spectru extrem de vast de
mărimi electrie și neelectrice ;
• în comunicații: pentru supravegherea și măsurarea liniilor de comunicație ;
• in viața de zi cu zi, de exemplu în calculatoarele de bord ce echipează multe din
automobilele moderne. [1].[2].

1.2 Structura unui sistem de achiziții de date
Componentele unui sistem de achizitii de date (Fig. 1.1) includ :
• Traductoare sau senzori pentru a converti parametrii fizici in semnale electrice.
• Circuite de condiționare a semnalului, pentru a converti semnalele senzorului intr -o
formă care poate fi convertită în valori digitale.
• Convertoare analog -digitale, pentru a converti semnale le condiționate in valori digitale.

Fig. 1.1 Structura tipică a unui sistem de achiziții de date [3].

1.2.1 Traductorul reprezintă un mijloc de măsurare care asigură conversia de suport
informațional în următoarele scopuri:
• creșterea preciziei și a comodității măsurării;
• obținerea unor facilități de prelucrare complexă a informației precum :
– memorare;
– transmisie la distanță;
– cuplarea cu un element de calcul.

• uniformizarea suportului informațional la nivelul unui sistem de măsurare sau comandă
(cum este cazul unor sisteme de măsurare sau comandă când traductorul este înglobat în
calea de reacție) .
În general un traductor (Fig.1. 2) este compus dintr -un senzor în care are loc conversia de suport
informațional, și un adaptor ce îndeplinește anumite condiții impuse mărimii de ieșire a
traductorului precum:
– domeniul de variație al valorilor;
– nivelul puterii disponibile;
– impedanța de ieșire;
– corecția dependenței intrare – ieșire (liniarizare, compresie, etc.).

Fig1.2 Structura unu i traductor

1.2.2 Circuite de condiționare
Circuitele pentru condiționarea semnalelor de la ieșirea traductoarelor au rolul de amplificare sau
atenuare, de izolare galvanică, de separare de perturbații prin filtrare, de conversie în semnale
unificate compatibile cu intrările blocurilor de conversie analognumerică (0…1V, 0…5V, 0…10V,
-1…+1V, -5…+5V, -10…+10V, 2…10mA, 4…20mA), de efectuarea unor eventuale operații
matematice și de liniarizarea caracteristicilor.
Trebuie sublinia t faptul că precizia cu care sunt achiziționate semnalele analogice și apoi prelucrate
numeric depinde deopotrivă de precizia asigurată de circuitele analogice cât și de circuitele
numerice, precum și de programele de prelucrare corespunzătoare. De aceea, trebuie acordată o
atenție sporită circuitelor de condiționare a semnalelor, pentru că odată ce semnalul analogic

achiziționat prezintă erori mari, chiar și cele mai sofisticate programe de prelucrare numerică pot
întâmpina dificultăți pentru a obține rezu ltatul dorit.
Circuitele de condiționare pot fi:
• grupate în module speciale, plasate între sursa de semnal și unitatea de calcul, în cazul
semnalelor sensibile la zgomote, având posibilitatea de a procesa concomitent un număr
mare de canale;
• directe pe pl aca de achiziție sau în module simple, în cazul aplicaților cu un număr mai mic
de intrări și cu exigențe de imunitate la perturbații reduse;
• absente , la aplicații care nu necesită condiționare, semnalele surselor aplicându -se direct
prin intermediul elementelor de conectare, unității de calcul.
Circuitele de condiționare, se realizează de regulă într -un modul separat pentru sistemul de
achiziții de date, în funcție de traductorul utilizat (Fig. 1.3). Indiferent de tipul de traductoare
folosit, echipamentul corespunzător de condiționare a semnalului îmbunătățește calitatea și
performanța sistemului .

Fig1.3 Poziția blocului de condiționare a semnalului în sistemul de achiziție de date

A. Conversia semnalului de ieșire al traductorului în tensiune electrică
Circuitele pentru condiționarea semnalelor, inserate într -un sistem computerizat de măsurare,
monitorizare și control între traductoare și placa de achiziție de date, îndeplinesc funcțiuni a căror
necesitate rezultă atât din tipul și caracteristicile constructive ale traductoarelor utilizate (funcțiuni
specifice) cât și din caracteristicile de funcționare ale plăcii de achiziție (funcțiuni generale).
Majoritatea traductoarelor analogice utilizate pentru conversia mărimilo r neelectrice în semnale
electrice nu furnizează la ieșire tensiuni electrice, deci prima funcțiune a circuitelor pentru
condiționarea semnalelor este conversia acestor semnale în tensiuni electrice. Structura circuitelor
pentru condiționarea semnalelor es te determinată de tipul traductoarelor utilizate. În cazul în care
traductorul furnizează la ieșire un semnal de curent unificat (2÷10 mA sau 4÷20 mA), conversia
acestuia în tensiune se poate realiza foarte simplu prin intermediul unui rezistor (Fig. 1.4).
Valoarea rezistenței rezultă în funcție de curentul de ieșire al traductorului și de domeniul de
tensiune dorit. Abaterea valorii rezistenței utilizate, față de cea rezultată prin calcul, se poate
corecta prin efectuarea unei calibrări inițiale prin care se determină factorul de corecție necesar.
După aceea, operația de corecție poate fi aplicată automat (prin program) la efectuarea fiecărei
măsurători.

Fig 1.4 .Convertor curent -tensiune

În cazul în care valoarea curentului de ieșire al traductorului e ste mică, este necesară utilizarea
unui convertor curent -tensiune cu amplificator operational.

B. Adaptarea în nivel (amplificare sau atenuare) a semnalelor

Nivelul tensiunilor electrice obținute la ieșirea traductoarelor este de obicei scăzut, ceea ce face
necesară amplificarea acestora pentru a putea fi utilizate în lanțul de măsurare. Alegerea tipului de
amplificator depinde de natura fiecărei aplicații, de caracterul semnalului, de forma și nivelul
perturbațiilor. Se folosește pe scară largă amplifica torul operațional care este un circuit cu intrare
diferențială și ieșire simplă, în scheme cu reacție externă el poate fie să amplifice semnalul de
intrare, fie să -l prelucreze după o anumită relație matematică.
Avantajele circuitelor cu amplificatoare ope raționale se datorează utilizării reacției negative
externe, care controlează amplificarea totală, tinde să îmbunătățească stabilitatea câștigului în
circuit închis și liniaritatea, reduce impedanța de ieșire și în unele configurații mărește rezistența
de intrare.
Măsurările de precizie care necesită amplificarea unor semnale de nivel foarte redus, în prezența
unor tensiuni de mod comun mari, furnizate de punțile de măsură, șunturi sau alte traductoare,
montate la distanță de punctul de prelucrare a date lor, impun utilizarea unor amplificatoare
performante, numite amplificatoare de instrumentație care sunt amplificatoare diferențiale cu
amplificar e finită, foarte precis reglabilă și cu impedanța mare de intrare, respectiv rejecția de
mod comun de valori foarte mari.
În structura sistemelor de achiziții de date se folosesc atât pentru condiționarea semnalelor , cât și
pentru a asigura o gamă dinamică largă pentru semnale mici, amplificatoare programabile numeric
prin soft (Fig. 1.5). Plasând un convertor numeric analogic în circuitul de reacție a unui
amplificator operațional, se obține un amplificator cu câștig programabil numeric pentru care:

𝑢2=2𝑛
𝑁 𝑢1 (1.1)

unde N este num ăr zecimal exprimat în binar natural, N ∈ [1…2n -1].

Fig 1.5 Amplificator cu câștig programabil

În cazul când tensiunea de măsurat sau tensiunea de ieșire a traductorului are un nivel mai mare în
raport cu nivelul necesar convertorului analog -numeric, se folosesc atenuatoare realizate fie cu
divizoare de tensiune, fie cu amplificatoare operaționale.
Divizorul de tensiune programat numeric ( 1.6) realizat cu comutatoare analogice (în tehnologie
CMOS) permite, funcție de pozițiile comutatorilor, să se obțină diverși factori de divizare ai
tensiunii de intrare u1.

Fig 1.6 Divizor de tensiune programat numeric

În cazul general cu n comutatori, tensiunea de ieșire are expresia:

𝑢2=𝑅𝑒𝑐ℎ
𝑅+𝑅𝑒𝑐ℎ𝑢1 (1.2)

unde Rech este rezistența echivalentă conform poziției închis a comutatoarelor ana logice
CA 1…CA n .
În prezent se întâlnește atenuatorul programabil (Fig. 1.7), constituit dintr -un convertor
numeric analogic care este în esență o rețea R -2R inversată, conectată la intrarea inversoare a
unui amplificator operațional, pentru care atenuarea este exprimată de relația:

𝑢2=−𝑅𝑖2 =𝑁
2𝑛 𝑢1 (1.3)

În expresia lui u2, N este codul cuvântului de comandă aplicat schemei de către
microcalculator și cum N< 2𝑛, rezultă |u2|<|u1|, schema realizând o atenuare.

Fig 1.7 Schema de principiu a unui atenuator programabil

1.2.3 Convertorul analog numeric (CAN) acceptă ca mărime de intrare un semnal
analogic (tensiune sau curent) și furnizează la ieșire un semnal numeric, dependent de valoarea
semnalului analogic de intrare. De fapt, rezultatul unei conversii analog numerice îl constituie
numărul de trepte (cuante) elementare care aproximează cel mai bine valoarea semnalului de
intrare.
Principalele caracteristici funcționale ale convertorului a nalog numeric, sunt: rezoluția,
caracteristica de transfer, eroarea de cuantizare, timpul de conversie, precizia, tensiunea de intrare,
codul de ieșire.
Rezoluția este cea mai mică variație a tensiunii de intrare necesară pentru a schimba două valori
numerice consecutive la ieșire. Rezoluția unui convertor analog numeric se exprimă prin valoarea
mărimii de 1 LSB:

1𝐿𝑆𝐵 =𝑞= 𝑈𝑚𝑎𝑥
2𝑛 (1.4)

unde Umax este limita maximă a tensiuni de intrare, iar n este numărul de biți ai codului numeric
de la ieșirea convertorului.

Se observă că unui LSB îi corespunde o variație a tensiunii de intrare de valoare egală cu q, numită
cuanta sau treaptă elementară a convertorului. Rezoluția unui CAN este dată de numărul n de biți
din care este formată secvența binară de ieșire. De aceea, rezoluția trebuie interpretată ca un
parametru de proiectare și nu ca o performanță specifică care rezultă prin măsurători.
Caracteristica de transfer (Fig. 1.8.a) reprezintă depe ndența codului numeric de la ieșire, de
tensiunea aplicată la intrare:

DCF=∑ 𝑏𝑘 𝑛
𝑘=1 × 2−𝑘=1
𝑈𝑚𝑎𝑥 ×𝑢1 (1.5)

Unde D CF reprezintă valoarea zecimală corespunzătoare secvenței (b 1,b2,…,b k,…,bn) în codificare
fracționară (CF).

Eroarea de cuantizare (Fig1.8 b)poate fi exprimată prin relația:

𝜀=𝑈𝑚𝑎𝑥 ∑ 𝑏𝑘 ×2 −𝑘 𝑛
𝑘=1 −𝑢1 [V] (1.6)

Unde b k sunt biții codului binar de la ieșirea convertorului.
Timpul de conversie (Tc) definit ca intervalul de timp dintre momentul începerii conversiei și
obținerea codului numeric la ieșire, caracterizează regimul dinamic al convertoarelor
analognumerice. Vite za (rata) de conversie este invers proporțională cu timpul de conversie și se
exprimă în număr de conversii/secundă.

Fig 1.8 Caracteristică statică ideală de transfer a CAN

Precizia unui convertor analog numeric se apreciază prin valoarea erorii absolute sau relative.
Eroarea absolută reprezintă abaterea maximă a tensiunii de intrare (în tot domeniul de variație a
acesteia), față de dreapta conversiei ideale. Deoarece același cod numeric la ieșirea unui convertor
poate fi produs de o tensiune într -o bandă de variație restrânsă, prin tensiune de intrare se înțelege
punctul median al benzii de intrare care produce același cod la ieșire.

Eroarea absolută include totalitatea erorilor sistematice:
– eroarea de decalaj (Fig. 1.9) de ofset sau de zero, este valoarea tensiunii de intrare
caredetermină ca ieșirea numerică să fie zero. Are ca efect deplasarea caracteristicii
detransfer spre stânga sau dreapta.

Fig 1.9 Eroare de decalaj a CAN

– eroarea de câștig (Fig.1.10 )reprezintă abaterea valorii tensiunii de intrare față de valoarea
ideală
care corespunde codului maxim de la ieșire;

Fig 1.10 Eroare de câștig a CAN

– eroarea de neliniaritate datorită nesatisfacerii condiției de proporționalitate între codul
numeric de ieșire și valoarea tensiunii de intrare. La fel ca și în cazul convertorului numeric
analogic, se poate defini neliniaritatea integrală (Fig. 1.11) și neliniaritate diferențială
(Fig. 1.12) corespunzătoare unui convertor analog numeric. Erorile de liniaritate sunt
exprimate tot în procente din FSR sau unități LSB. Erorile sunt cauzate, în mare parte, de
tensiunea de ofset a comparatoarelor și dispersia rezistoarelor în jurul valorii lor nominale,
care determină atât erori de zero, dar și de câștig și de neliniaritate .
Datorită acestor neliniarități, codurile numerice de la ieșire se schimbă la valori diferite față de
valorile ideale și astfel nu mai este îndeplinită condiția de proporționalitate între valoarea codului
de la ieșire și mărimea semnalului analogic de la intrare.

Fig. 1.11 Eroare de neliniaritate integral a CAN

Dacă neliniaritățile diferențiale sunt mari, pot să apară chiar și omisiuni de coduri datorită
neuniformității lățimii treptelor din caracteristica de transfer (Fig. 1.12).

Fig 1.12 Eroare de neliniaritate diferențială a CAN

1.3 Func țiile sistemelor de achiziții de date
Sistemele de achiziții și prelucrare a datelor sunt siteme de complexitate variată, dezvoltate,
realizate și utilizate pentru a îndeplinii următoarele funcții :
1.3.1 Achiziția datelor
Datele primare de intrare ale unui sistem de achiziție și prelucrare a datelor pot fi mărimi electrice
și neelectrice, continue sau variabile în timp, analogice sau numerice, într -un interval larg de
valori.
Cea mai mare parte a mărimilor de măsurat, de achiziționat este neelectrică, ceea ce implică
utilizarea de traductoare (senzori) care transformă mărimea respectivă într -o reprezentare electrică,
care să conțină în mod univoc în limite de precizie cunoscute, informația valori că despre mărimea
neelectrică originală.

Unele mărimi electrice de achiziționat au deja forma fizică convenabilă sistemului, care trebuie
doar culese și condiționate (ex : tensiune, curent electric), altele (puterea electrică, parametrii de
circuit), treb uie în prealabil convertite în purtătoarele uzuale de informație (tensiune,curent).
La nivelul achiziției datelor de intrare mai apare o problemă specială, cu efect e limitative asupra
performanțelor și anume rejec ția perturbațiilor exterioare.Efectul pertu rbațiilor exterioare se
manifestă distribuit în spațiu și minimizarea lui depinde în principal de trei factori:
• De caracteristicile sursei de semnal (dacă este flotantă sau nu, nivelul și tipul
semnalului,etc.)
• De caracteristicile canalului de legătură între sursa de semnal și sistemul de achiziție și
prelucrare a datelor (tipul și lungimea cablului de legătură)
• De eficiența circuitului de intrare al sistemului de achiziție și prelucrarea datelor privind
rejecția perturbațiilor exterioare (filtr are, etc.)

1.3.2 Condiționarea semnalelor electrice
Deși o parte din semnalele de intrare pot avea parametrii care să permită aplicarea lor direct
la intrarea circuitelor de cuantizare, de regulă se impune o prelucrare prealabilă a semnalelor
de intrar e, numită operație de cuantizare a semnalului pentru a le încadra în astfel de parametri
adecvați (ex . : tensiune 0…1/2/5/10 V sau ± 1/2/5/10 V, etc.)
Condiționarea semnalelor electrice, constă în realizarea următoarelor funcții:
• Adaptare de nivel sau de impedanță (amplificare sau divizare de semnal, impedanță
corespunzătoare de intrare) ;
• Rejecția perturbațiilor exterioare (filtrare,intrări flotante sau diferențiale, izolare
galvanică) ;
• Conversia în tensiune a altor semnale electrice (curent, sarcină, rezistență) ;
• Conversia c.a. -c.c (de valoare medie, efectivă sau de vârf) ;
• Liniarizarea caracteristicilor unor senzori sau convertoare (termistor, punte) ;
• Procesare analogică de semnal (multiplicare, logaritmare, integrare, etc.) .

1.3.3 Multiplexa rea semnalelor electrice
Sistemul de achiziție de date operează în general cu o multitudine de semnale de
intrare/ieșire,care poate ajunge în funcție de complexitate la ordinul zecilor, sutelor, sau chiar
mai mult, astfel încât devine esențială reducer ea numărului de canale de transmitere sau
prelucrare a semnalelor.
Multiplexarea este operația prin care se efectuează transmiterea mai multor semnale pe o cale
comună, operația inversă fiind numită demultiplexare.Ambele operații pot fi realizate cu
acela și tip de circuite, numite multiplexoare(analogice sau numerice).

1.3.4 Discretizarea datelor
Semnalele purtătoare de informații care provin direct sau de la traductoare sunt ,de cele mai
multe ori, semnale analogice fiind variabile continuu în timp, prezentând o infinitate de valori
atât într -un anumit interval de timp, cât și într -un anumit interval de amplitudine.
Semnalul analogic este un semnal continuu în timp și în valori .
Pentru ca aceste semnale să poată fi prelucrate numer ic este necesară discretizarea lor și
prelevarea unui număr finit de valori pe fiecare din cele două direcții.În acest sens este necesară
conversia analog -numerică, înțelegând prin acest proces asocierea semnalului analogic unei
secvențe de coduri numeri ce compatibile cu structura internă a calculatorului, fiind necesară
trei procese succesive : eșantionarea, cuantizarea și codarea.
Eșantionarea reprezintă procesul prin care semnalul cu variație continuă în timp este
discretizat, adică din infinitatea de valori pe care le poate lua un astfel de semnal într -un
interval de timp sunt prelevate numai un anumit număr finit de valori. Deoarece valorile
eșantioanelor prelevate trebuie menținute constante pe durata prelucrărilor ulterioare, este
necesară o memora re analogică a acestor valori, astfel încât circuitele utilizate în acest scop
sunt numite circuite de eșantionare -memorare.
Semnalul în timp discret se mai numește semnal eșantionat.

Cuantizarea reprezintă procesul prin care fiecare eșantion este aproxim at cu un nivel
determinat dintr -un set finit de nivele.
Codarea reprezintă procesul prin care se atribuie câte un cod numeric nivelului cuantizat, prin
care este reprezentat eșantionul semnalului analogic.
Conversia analog -numerică, incluzând fazele de cuantizare și codare, reprezintă operația
completă prin care un semnal analogic este convertit într -un semnal numeri, circuitele aferente
fiind numite convertoare analog -numerice.
Semnalul numeric este discontinuu în timp și în valori și se mai numește s emnal în timp discret
și cu valori discrete.
1.3.5 Conversia numeric -analogică a datelor
Conversia numeric -analogică a datelor reprezintă operația inversă conversiei analog -numerice,
adică conversia unui semnal numeric într -un semnal analogic și constituie o funcție uzuală a
sistemului de achiziție și prelucrare a datelor, în special atunci când lucrează în buclă închisă.
Circuitele specializate pentru efectuarea acestei opgerații sunt convertoarele numeric –
analogice.
1.3.6 Memorarea, prelucrar ea și afișarea datelor.
Calculatorul preia datele numerice conform programului de achiziție, care definește canalele
de semnal achiziționat, factorii de scală, frecvențele de eșantionare.Cu excepția regimului de
achiziție DMA (Direct Memory Access), conc omitent cu achiziția are loc și stocarea datelor
brute in memoria volatilă, prelucrarea primară și stocarea acestora în memoria virtuală a
calculatorului.Există achiziție – prelucrare -control în timp real (on -line) și prelucrare de date
ulterioară (off -line).
Varianta online constă în calculul mărimilor de control pe baza datelor actual culese și a
modelelor matematice ale fenomenelor și transmiterea acestor mărimi la elementele de
execuție. Procesarea on -line se bazează pe sisteme de operare în timp real , care îndeplinesc ca
sarcini:managementul timpului procesorului, managementul memoriei, controlul perifericelor,
managementul bazei de date și tratarea întreruperilor.

Prin achiziție se pot obține următoarele tipuri de date, care sunt transmise calculator ului:
-Massive de date, o cantitate care nu poate fi stocată în memorie, situație în care după
prelucrarea segmentelor de date se rețin doar datele statistice (media, suma ,deviația standard
etc.), date comprimate, doar segmente semnificative de date comp lete.
-mulțimi de date complete, stocabile în memoria calculatorului, care apoi sunt prelucrate
pentru analiza lor .Astfel de prelucrări sunt Ș filtrarea numerică, analiza spectrală, convoluție,
corelație, calculi statistice, decimate ,transformate, detecț ie de vârf ș.a.
Datele se prelucrează cu scopul de a fi vizualizate sau pentru a se elabora rapoarte la periferice
cu elementele esențiale ale rezultatului analizei semnalelor.
1.3.7 Comunicația în cadrul sistemelor de achiziție și prelucrarea datelor
Informațiile numerice(date, adrese, comenzi) sunt transmise în cadrul sistemelor de achiziție
de date, între :
• Convertoarele analog -numerice sau memorile de capacitate mica în care se rețin datele
cuantizate și calculatorul direct coordonator
• Calculatorul direct coordonator și alte calculatoare ierarhic identice, inferioare sau
superioare
• Calculatorul direct coordonator și perifericele de comenzi și execuție din sistemele de
reglare.
Comunicația dintre semnalul achiziționat (după cu antizare) și calculatorul direct coordonator (cel
mai frecvent un microcalculator PC ) are loc prin:
– Magistrala locală ISA (Industry Standard Architecture) de 16 biți sau EISA (extended ISA)
și MCA (Micro Channel Architecture) de 32 de biți
– Magistrala loca lă PCI de 32 de biți sau 64 de biți
– interfața serială RS -232C, RS -422A, RS -423A, RS -449 sau RS -485
– interfața de magistrală pe cablu GPIB (General Purpose Interface Bus, numit și IEEE -488,
HP-IB, IEC -625)
– interfața de magistrală pe placă VXI ( VME bus e Xtension for Instrumentation)

Comunicația între calculatorul direct coordonator al achiziției, măsurarii și / sau controluluiși
alte calculatoare ierarhic egale sau diferite se face prin intermediul structurilor de rețele locale
de calculatoare LAN (Local Area Network) și magistrale de date (Data Highway), utilizând fie
protocoale generale LAN: Ethernet, Token Ring, Novell, fie protocoale specific industriei, ca
MAP (Manufacturin Automation Protocol). [1][2][4]

2. Materiale avansate folosite in sistemele de achiziții de date

2.1 Miniaturizarea celulelor bateriei Zn/Br cu curgere
Bateria cu curgere (Redox flow) este un tip de baterie secundară, asemănătoare cu o celulă
de combustie, deoarece utilizează materiale active furnizate din e xterior.
I-a fost acordată atenție din momentul în care a fost considerată ca soluție de stocare a
energiei la scară mare. S -a miniaturizat bateria cu curgere Zn/Br ca sursă de energie pentru un nod
al unei rețele de senzori wireless. Raportăm fabricarea ș i performanțele experimentale
caracteristice bateriei cu curgere Zn/Br miniaturizată. Interesează în mod deosebit caracteristicile
materialului din compoziția electrodului și influența acestuia asupra caracteristicilor sale, la
utilizarea a trei tipuri de materiale carbonice.
Bateria secundară a fost propusă inițial de către L.H. Thaller (NASA, SUA) în 1974 [ 6].,
fiind denumită și baterie cu curgere (Redox). Bateria cu curgere este un sistem electrochimic ce
promovează reacția redox între materialele active prin circulantia electrolitului. De regulă, bateria
cu curgere constă dintr -o pompă de circulare electrolitică, un rezervor electrolitic și o celulă
asemănătoare cu celula din Fig. 2.1. În Fig. 2.1 se prezintă schematic diagrama bateriei cu curgere,
care utilizează Zn și Br ca materiale active pentru reacția redox. Electrozii din compoziția bateriei
respective sunt separați de o membrană poroasă. În cazul bateriei cu curgere a sisemului
electrochimic de stocare a energiei, energia electrică este stocată în două soluții separate, care
conțin diferite cupluri redox, având potențial electrochimic diferit.
[7].O varietate de cupluri redox au fost studiate până in prezent. De exemplu, s -au studiat
baterii cu curgere cu vanadiu [ 8,9]și baterii cu curgerea unui al iaj de fier -crom (Fe/Cr)[ 10] etc.
Dintre soluțiile studiate, bateria cu vanadiu este foarte aproape de comercializare, deoarece
prezintă avantaje din punct de vedere al duratei de viață și al siguranței. În cazul bateriei cu
vanadiu, nu există o pierdere a performanțelor, deoarece apar foarte rar schimbări de fază și
deformări ale materialelor active. Cu alte cuvinte, încărcarea -descărcarea bateriei cu vanadiu este
influențată doar de valorile valențelor fierului din reacțiile electrochimice ale b ateriei. În plus,
electrolitul din bateriile cu curgerea vanadiului nu este inflamabil, acesta fiind motivul pentru care

bateria este sigură. Însă prezintă și un dezavantaj, deoarece densitatea de energie este mult mai
mică decât la alte baterii cu curgere .

Fig. 2.1. Diagrama schematică a unei baterii cu curgere tipică. În
diagramă, Zn și Br sunt utilizate ca materiale active.

Bateria cu curgere este considerată un sistem de stocare a energiei de viitor, datorită
ciclurilor de încărcare -descărcare, flex ibilității proiectării pentru a obține o anumită capacitate,
utilizării unor materiale cu preț redus și întreținerii ușoare.[ 11]
Cuplajele redox și materialele electrozilor sunt cele mai importante pentru bateriile cu
curgere, și de aceea au fost propuse o multitudine de materiale pentru a obține performanțe ale
puterii de ieșire constante mai bune. În cadrul acestui studiu am propus miniaturizarea bateriei cu
curgere și folosirea ei ca sursă de energie într -un nod al unei rețele de senzori wireless. Pentru
cuplajele redox se utilizează zinc și brom, deoarece cuplajele acestora au o densitate a energiei
teoretic mai mare comparativ cu alte cuplaje folosite pentru bateriile cu curgere.

Reacțiile electrochimice ce apar în bateriile Zn/Br cu curgere sunt:
Reacția anodică : 2Br⁻ ⇄ Br2 + 2e⁻ (E⁰= 1.087 V vs SHE),
Reacție catodică: Zn²⁺ + 2e⁻ ⇄ Zn (E⁰= – 0.763 V vs SHE),
Reacția celulei: Zn²⁺ + 2Br⁻ ⇄ Zn + Br2,
în care SHE reprezintă electrodul standard cu hidrogen, care a fost folosit ca electrod de reper.
În cadrul acestui studiu, raportăm fabricarea bateriei Zn/Br cu curgere miniaturizate și rezultatele
experimentale pentru a valida puterea de ieșire și performanțele acesteia.

Fig. 2.2. O secțiune transversală a bateriei miniaturizate Zn / Br cu curgere

În plus, prezentăm cerecetări referitoare la influența materialului electrodului asupra
caracteristicilor de ieșire. În experiment, trei tipuri de materiale carbonice au fost utilizate, precum
carbonul activ, cărbunele tare și nanotuburile de car bon.
Proiectare și fabricație
S-a proiectat o celulă a unei de baterii miniaturizate Zn/Br cu curgere.
O vedere a secțiunii transversale a acestei baterii miniaturizate poate fi observată în Fig. 2.2 În
figură este prezentată doar o celulă a bateriei, fără aparatura necesară pentru a alimenta curgerea

Zn/Br. Are o structură simetrică în jurul membranei poroase. Celula bateriei din Fig. 2.2 este
alcătuită din celule conținând electrolit și materiale ale electrodului, membrană și colectorul
curentului. Celule le de baterie sunt fabricate cu un substrat de sticlă de 20 mm2. Mai mult, foaia
de grafit este utilizată pentru colectorul curentului, iar materialul poros este selectat ca membrană
pentru schimbul de ioni. Jumătatea superioară a celulei care acoperă memb rana din Fig. 2.2 este
prezentată separat în Fig. 3.2, dimensiunile sale fiind 10mm x 10mm x 2mm.
Ca materiale ale electrodului s -au investigat 3 materiale carbonice : carbon activat, cărbune
tare și nanotub de carbon, pentru a le compara caracteristicile și a găsi materialul adecvat bateriei
noastre miniaturizate Zn/Br cu curgere.
Celulele sunt umplute cu amestecul de 2M bromură de zinc, soluție apoasă (250 µL/celulă) și
pudră a materialului electrodului (0.2 g/celulă). În plus, un material semi -solid ca o pastă este
introdus în amestec, astfel încât cuplajele redox Zn/Br și materialele electrodului să se lipească
foarte bine pe foița de grafen. Foița de grafen este fol osită ca electrod principal. Poza unei jumătăți
de celulă fabricată este prezentată în Fig. 2.3 a.

a) O jumătate de celulă, umplută cu : soluție rezultată din cuplaje redox ale Zn/Br, materialul electrodului din
carbon activat, carbon tare sau nano -tuburi de carbon și un material semi -solid, ca o pastă pentru lipirea pe foița
de carbon.

b) Vedere în secțiune a celulei asamblate a bateriei cu curgere, fără aparatura destinată curgerii
Fig. 2.3. Fotografii ale celulei bateriei Zn/Br cu curgere miniaturizate fabricate

Fiecare jumătate de celulă intră în contact cu membrana poroasă, iar celula bateriei cu curgere
Zn/Br asamblată este redată în Fig. 2.3(b). Celulele cu curgere din Fig. 2.3 fabricate au un substrat
de sticlă subțire de 1 mm grosim e, format cu tehnica uzuală de sablare.
2.2 Experimente si rezultate
S-au realizat experimente pentru a măsura performanțele celulei bateriei miniaturizate Zn/Br cu
curgere. În cadrul experimentului se prezintă doar performanțele celulei din Fig. 2.3 b. Cu alte
cuvinte, s -a efectuat experimentul fără aparatura destinată circulației cuplurilorlor Zn/Br rezultate
din redox, precum pompa din Fig. 2.1. Ca rezultat, performanțele măsurătorilor sunt reprezentate
de capacitatea celulei de curgere însăși, având cup laje redox Zn/Br interne destinate încărcării, fără
furnizarea unor materiale active suplimentare.
În cadrul experimentelor, s -au realizat teste de încărcare și descărcare, cercetări asupra morfologiei
celor trei materiale diferite ale electrodului și asup ra ciclului de viață la încărcare / descărcare.

2.2.1 Test de încărcare/descărcare
Pentru a confirma capacitatea de bază a celulei bateriei Zn/Br miniaturizată, pentru început
s-a efectuat testul de încărcare/descărcare. Inițial, celula bateriei a fost încărcată cu o densitate a
curentului de 15 mA/cm2, timp de 15 minute, iar apoi descarcată. Pentru descărcare a fost folosită
metoda descărcării cu o rezistență constantă de 175 Ω, la temperatura camerei. Tensiunea de
descărcare și timpul au fost măsurate până ce tensiunea de descărcare de ieșire a ajuns la 0,3 V.
Mai mult, s -a realizat testul de încărcare/descărcare cu 3 tipuri diferite de electrozi de carbon :
carbon activat, cărbune tare și nanotub de carbon, pentru a clarifica influența materialului
electrodului asupra caracteristicilor de bază ale celulei bateriei cu curgere miniaturizate.
În Fig. 5 sunt arătate rezultatele testului de încărcare/descărcare, prin compararea tensiunii
de încărcare ca funcție de timp pentru trei tipuri diferite de electroz i de carbon. Ca rezultat,
tensiunea de descărcare a bateriei cu curgere în cazul electrodului din cărbune tare a fost redusă
rapid de la 1,7 V la 0,8 V, scădere puțin probabilă pentru alte tipuri de electrozi. Presupunem ca
aceasta este cauzată de absorbți a redusă a Bromului în electrod. Totuși, comportamentul la
descărcare poate fi îmbunătățit în cazul electrodului de cărbune tare, care a primit un tratament de
activare. În plus, dintre cele trei celule de curgere, celula de curgere utilizând electrodul d in
cărbune activ a avut cea mai bună eficiență a încărcării și descărcării. Toate curbele de încărcare /
descărcare din Fig. 2.4. arată caracteristicile de descărcare cu pas dublu al căderilor de tensiune.

Fig. 2.4 . Curbele de încărcare / descărcare ale celulei bateriei cu curgere Zn / Br miniaturizate. Densitatea
curentului de încărcare este de 15 mA / cm2, la descărcarea cu o contra -rezistență, până când se ajunge la 300 mV.
Testul de descărcare a sarcinii electrice este efectuat pentru t rei tipuri de materiale ale electrodului, bazate pe
carbon.

2.2.2 Morfologia celor trei materiale ale electrodului

Morfologia suprafeței celor trei tipuri de material al electrodului a fost caracterizată de
observațiile SME. Rezultatele observației sunt rezumate în Fig. 2.5

Fig. 2.5. Morfologia materialelor electrozilor utilizați de celulele bateriei Zn / Br miniaturizate cu curgere,
observată prin scanarea la microscopul electronic (SME).

Dimensiunea particulei de cărbune tare a fost cea mai mare dintre cele trei materiale ale
electrodului. Pe de altă parte, dimensiunea particulei carbonului activat a fost mai mică decât cea
a cărbunelui tare, care are totodată o porozitate superioară. Aceste tipuri de caracteristic i
morfologice sunt considerate motivul pentru care se obțin performanțe bune, demonstrate de
rezultatele experimentului de încărcare / descărcare. Se pare că numărul mare de pori ai carbonului
activat contribuie foarte mult la performanțele de încărcare / descărcare ale celulei bateriei cu
curgere. Cu alte cuvinte, datorită numărului mare de pori, rata de absorbție a Br pe suprafața
electrodului ar putea crește semnificativ în cazul electrodului din cărbune activat. Pentru a crește
performanțele încărcării / descărcării bateriei cu curgere, cel mai important parametru pentru
proiectare ar trebui să fie porozitatea materialului electrodului.

Nanotuburile de carbon au fost observate ca pachete dense. Cu toate că nanotubul de carbon
are, la rândul său, o porozi tate bună, suprafața de contact dintre electrod și electrolit poate fi mai
mică decât în cazul electrodului din carbon activ, datorită pachetelor dense care se formează la
nanotubul carbonic. Suprafața de contact dintre electrod și electrolit este strâns l egată de eficiența
reacției electrochimice a bateriei cu curgere.
2.2.3 Testarea duratei de viață încărcare / descărcare
Cele 10 cicluri încărcare / descărcare au fost realizate cu o interfață 1000TM (Gamry
Instruments, SUA) la o densitate a curentului de 10 mA/cm2. Acest test a fost realizat cu două
tipuri de celule ale bateriei cu curgere, care utilizează carbon activat sau nanotub carbonic ca
material al electrodului. În cazul electrodului de cărbune tare, deoarece rezultatele testului inițial
de încărca re / descărcare au fost mai slabe, s -au omis ciclurile de teste la încărcare / descărcare
pentru electrodul din cărbune tare. Rezultatele experimentului sunt prezentate în Fig. 2.6
Performanțele bateriei cu curgere cu electrodul din nanotub carbonic au fos t menținute foarte
stabile în timpul celor 10 cicluri. Însă eficiența coulombică medie a celulei bateriei cu electrodul
din nanotub de carbon a fost mai slabă decât cea a celulei bateriei cu electrod din carbon activat.

Fig. 2.6 Rezultatele testelor ref eritoare la durata de viață în cazul ciclurilor de încărcare -descărcare a
bateriei Zn / Br cu curgere miniaturizate.

2.2.4 Concluzii
S-a proiectat și fabricat o baterie, alcătuită din celule Zn/Br, cu curgere, miniaturizată pentru a fi
utilizată ca sursă de energie electrică în cazul unei rețele de noduri ale unui sistem de senzori
wireless. S -au evaluat totodată caracteristicile de baz ă ale performanțelor sale. În plus, s -a
investigat influența materialelor electrodului asupra caracteristicilor de performanță, în funcție de
testul de descărcare și de testul duratei de viață la încărcare/descărcare. S -a obținut o eficiență
coulombică de 85,3 % și 88,6 % pentru celulele bateriei din nanotuburi de carbon, respectiv cu
electrozi activați.
În cadrul experimentului, deși materialele electrodului sunt împachetate în celulele bateriei
cu curgere pentru a li se evalua caracteristicile principale , electrozii, dar mai ales electrozii din
nanotuburi de carbon vor fi integrați pe viitor. Pentru aceasta, vor trebui reproiectate celulele
bateriei cu curgere miniaturizate. Mai mult, o miniaturizare a aparaturii necesare celulelor bateriei
cu curgere pen tru furnizarea unor materiale active va fi considerată pe viitor, incluzând cercetarea
și dezvoltarea unei micro -pompe, având un consum redus de energie.
[1]. Dobriceanu Mircea; Traductoare, interfețe și achiții de date ; Notițe de curs, Tipografia
Universi tății din Craiova, 2011 și format electronic postat pe http://www.em.ucv.ro
[2]. Dobriceanu Mircea; Sisteme de achiziție și microprocesoare ,Editura Universitaria Craiova,
2003, p.304, ISBN 973 -8043 -289-8
[3]. https://en.wikipedia.org/wiki/Data_acquisition
[4]. Gacsádi Alexandru, Tiponuț Virgil; S isteme de achiziții de date,
Editura Universității din Oradea, 2005, ISBN 973 -613-868-2
[5]. „A. Mateescu, Semnale, circuite și sisteme , Editura Didactică și Pedagogică, București,
1984.’’

[6]. L. H. Thaller, “Electrically rechargeable redox flow cells,” Proc. Of Intersociety Energy Conv.
Eng. Conf., pp. 924 -928, Aug., 1974.
[7]. Q. Lai, H. Zhan g, X. Li, L. Zhang, and Y. Cheng, “A novel single zincbromine battery with
improved energy density,” J. of Power Sources,
235, pp. 1 -4, 2013.

[8]. M. Skyllas -Kazacos, M. Rychcik, R.G. Robins, A.G. Fane, and M.A. Green, “New all –
vanadium redox flow cell,” J . Electrochem. Soc. 133, pp. 1057 -1058, 1986.
[9]. P. Zhao, H.M. Zhang, H.T. Zhou, and B.L. Yi, “Nickel foam and carbon felt applications for
sodium poly sulfide/bromine redox flow battery
electrodes,” Electrochim. Acta, 51, pp. 1091 -1098, 2005.
[10]. Z. G. Yang, J. L. Zhang, M. C.W. Kintner -Meyer, X. C. Lu, D. Choi, J. P. Lemmon, and J.
Liu, “Electrochemical energy storage for green grid,” 111, Chem. Rev., pp. 3577 -3613, 2011.
[11]. L.H. Thaller, “Electrically rechargeable redox flow cells,” NASA TMX – 7154 0, 1974.