Cs-95-019. INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA

Equivalencia: No tiene

Requisitos: Haber aprobado Cs00862 (Circuitos Digitales) y E00856 (ElectrónicaII).

7°, 8° y 9° Semestres de ISE

Objetivo General de la Materia:

Que el alumno comprenda y entienda cuales son las partes que conforman a cualquier sistema o instrumento electrónico, tales como los sensores o transductores, las señales que entregan y como se acondicionan para poder ser tratadas, como interfasarlas con sistemas de potencia, etc y la forma en que dichas partes funcionan de manera individual y como, al integrarse, se obtiene el adecuado funcionamiento del sistema en general, siempre y cuando se cuente con las medidas de seguridad adecuadas.

TEMAS Y SUBTEMAS DEL CURSO:

I. INTRODUCCIÓN.

I.1 Principios y Conceptos Básicos en la Instrumentación Electrónica.

I.2 Sistema Básico de Instrumentación Electrónica

I.3 Definiciones Básicas

I.3.1 Errores y Tipos de errores en las mediciones

I.3.2 Figura Significativa

I.3.3 Análisis Estadístico de los errores

I.4 Escalas Logarítmicas

I.5 Sistemas de Unidades de Medida

I.5.1 Análisis Dimensional

I.5.2 Diferentes Sistemas de Unidades y Conversiones entre ellos

I.6 Patrones de medición

I.7 Calibración

II. SENSORES Y TRANSDUCTORES.

II.1 Clasificación de los Sensores y Transductores

II.1.1 Primera Clasificación

II.1.1.1 Transductores Pasivos

II.1.1.2 Transductores Activos

II.1.2 Segunda Clasificación

II.1.2.1 Transductores de Temperatura

II.1.2.2 Transductores de Fuerza y Presión

II.1.2.3 Transductores de Movimiento

II.1.2.4 Transductores de Luz

II.1.2.5 Transductores de Radiación Nuclear

II.1.2.6 Transductores de Caudal

II.1.2.7 Transductores de Nivel

II.1.2.8 Transductores de Variables Químicas

II.1.2.9 Sensores y Transductores Biomédicos

II.2 Criterios en la Selección de Transductores

II.2.1 Requerimientos de Medición

II.2.1.1 Rango

II.2.1.2 Nivel mínimo de detección

II.2.1.3 Respuesta dinámica

II.2.1.4 Exactitud y Resolución

II.2.1.5 Repetibilidad

II.2.2 Consideraciones Ambientales y de Operación

II.2.2.1 Peligros naturales

II.2.2.2 Requerimientos de energía

II.2.2.3 Requerimientos de Acondicionamiento de la señal

II.2.2.4 Requerimientos físicos

II.2.2.5 Efectos de carga

II.2.3 Calibración del transductor

III. ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES

III.1 Sistemas Analógicos y Sistemas Digitales

III.2 Circuitos de Muestreo y Mantenimiento

III.3 Circuitos de Filtrado

III.4 Acoplamiento de Impedancias

III.5 Linealización

III.6 Amplificación

III.6.1 Características y especificaciones importantes en un Amplificador

III.6.2 Amplificadores de uso Común en Instrumentación

III.6.2.1 Amplificadores Operacionales

III.6.2.2 Amplificador de Instrumentación

III.6.2.3 Amplificador de Aislamiento

III.7 Convertidores A/D

III.8 Convertidores D/A

IV. ACOPLAMIENTO Y RUIDO.

IV.1 Fuentes de ruido

IV.1.1 Ruido Intrínseco

IV.1.2 Ruido Extrínseco

IV.2 Minimización del ruido en los instrumentos

IV.2.1 Blindaje

IV.2.2 Desacoplo y Aterrizaje

IV.3 Medición y Cuantificación del Ruido

IV.3.1 Razón Señal a Ruido

IV.3.2 Factor de Ruido

IV.3.3 Figura de Ruido

IV.3.4 Temperatura equivalente de ruido

IV.3.5 RRMC (Razón de Rechazo en Modo Común)

V. INTERFACES DE POTENCIA.

V.1 El Transistor como interruptor

V.2 Los Rectificadores Controlados de Silicio (SCR’s)

V.3 El Transistor Unipolar de juntura (UJT) como Dispositivo de disparo

V.4 El DIAC

V.5 El Interruptor Bilateral de Silicio (SBS)

V.6 El Interruptor Unilateral de Silicio (SUS)

V.7 El TRIAC

V.8 Dispositivos Optoelectrónicos

VI. CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMABALES (PLC’s)

VI.1 Introducción a los PLC’s: Tareas y Procesos

VI.2 Componentes de un PLC

VI.3 Direcciones e Instrucciones de un PLC

VI.4 Programación

VI.4.1 Diagrama de Contactos

VI.4.2 Diagrama de Funciones

VI.4.3 Listado de Instrucciones

VI.4.4 Realización de un programa en PLC

a) Consideraciones Previas

b) Listado de direcciones

c) Programación

d) Implementación y control

VII. CONFIABILIDAD Y CARACTERÍSTICAS MECANICAS DE LOS INSTRUMENTOS.

VII.1 Confiabilidad basada en los resultados de medición del Instrumento

VII.2 Confiabilidad basada en las especificaciones de fábrica del instrumento

VII.2.1 El Proceso de Calibración

VII.2.2 Parámetros y Estándares

VII.2.3 Grado de exactitud

VII.2.4 Documentación

VII.2.5 Frecuencia de Calibración

VII.2.6 Trazabilidad

VII.3 Confiabilidad basada en las características mecánicas y de diseño del instrumento

VII.3.1 Condiciones Ambientales

VII.3.2 Espacio físico destinado y/o permitido para el instrumento

VII.3.3 Consideraciones Ergonométricas

VII.3.4 Seguridad

VII.3.5 Tipo de Variable a medir o cuantificar

VIII. SEGURIDAD ELECTRICA.

VIII.1 Efectos Fisiológicos de la electricidad

VIII.2 Parámetros de susceptibilidad

VIII.3 Distribución de la Potencia Eléctrica

VIII.4 Peligros de un Macroshock

VIII.5 Peligros de un Microshock

VIII.6 Códigos y Estándares en Seguridad Eléctrica

VIII.7 Protección contra un choque eléctrico

VIII.7.1 Principios básicos contra un choque eléctrico

VIII.7.2 Distribución de Potencia o de cargas

VIII.7.3 Diseño del equipo

VIII.8 Análisis y pruebas de Seguridad Eléctrica en los Instrumentos

OBJETIVOS ESPECIFICOS DE APRENDIZAJE POR TEMAS:

DURANTE EL DESARROLLO DE ESTE CURSO EL ALUMNO:

I Introducción.

I.1 Comprenderá los principios y Conceptos Básicos de la Instrumentación Electrónica

I.2 Aprenderá las partes principales que conforman un Sistema Básico de Instrumentación Electrónica.

I.3 Comprenderá las definiciones básicas utilizadas dentro del lenguaje de Instrumentación.

I.3.1 Será capaz de obtener e identificar los diferentes tipos de errores que se pueden llegar a dar en un sistema electrónico de medición.

I.3.2 Comprenderá y aplicará el concepto de Figura Significativa en las mediciones hechas con cualquier instrumento.

I.3.3 Será capaz de realizar todo un análisis completo de los datos a través del análisis Estadístico de los mismos.

I.4 Aprenderá a utilizar las escalas logarítmicas de medición.

I.5 Aplicará el concepto de Sistema de Unidades de Medición para cualquier sistema, ya sea el métrico decimal, el inglés, etc., y las conversiones entre ellos.

I.5.1 Será capaz de utilizar adecuadamente el Análisis Dimensional en cualquier sisytema de medición y cualquier tipo o clase de mediciones.

I.5.2 Conocerá a fondo los diferentes Sistemas de Unidades y realizará conversiones entre ellos.

I.6 Conocerá el concepto de Patrones de Medición y su aplicación a los sistemas de Instrumentación y medición.

I.7 Identificará los diferentes métodos y procesos de calibración utilizados en los diferentes sistemas de Instrumentación y medición.

II Sensores y Transductores

II.1 Conocerá las diferentes clasificaciones de los sensores y transductores, además de diferenciar entre un sensor y un transductor.

II.1.1 Aplicará el concepto más general de la primera clasificación de los sensores y transductores con respecto a si son Pasivos o Activos y aprenderá a identificar dentro de que clasificación entra cada sensor o transductor .

II.1.2 Aplicará el concepto más particular de la segunda clasificación para reconocer los diferentes tipos de sensores o transductores según la magnitud a medir o cuantificar.

II.2 Conocerá y aplicará los criterios para una buena selección de los sensores y transductores según la aplicación que se les dará, la magnitud que cuantificará, los rangos dentro de los que trabajará, su nivel mínimo de detección, las condiciones ambientales en las que trabaja, sus necesidades de calibración, etc. para obtener de ellos el mejor funcionamiento y rendimiento.

II.2.1 Aprenderá a seleccionar los sensores y/o transductores según su repetibilidad, rango, respuesta dinámica, etc. para el mejor funcionamiento del sistema de Instrumentación.

II.2.2 Aprenderá, de acuerdo a las condiciones ambientales en que se utilizará el sensor o transductor, cuál es el mejor para su aplicación específica dentro de su proyecto de instrumentación.

II.2.3 Conocerá que cada tipo diferente de sensor o transductor lleva implícito un proceso de calibración y tendrá la habilidad de seleccionar el que, de acuerdo a esta característica , sea mejor para su diseño.

III Acondicionamiento de Señales

III.1 Conocerá las diferencias, ventajas y desventajas que ofrecen tanto los Sistemas Analógicos como los Sistemas Digitales y podrá diferenciar entre ellos cual es el más adecuado para su diseño.

III.2 Conocerá y aplicará las diferentes formas de Muestreo y Mantenimiento de las señales y los circuitos necesarios para realizar dichas tareas.

III.3 Conocerá y aplicará los diferentes circuitos utilizados para el filtrado de las señales que se recogen con los sensores o transductores para que sean señales limpias y puedan así ser procesadas posteriormente.

III.4 Aprenderá el concepto de Acoplamiento de Impedancias entre la salida de un sistema y la entrada de otro sistema entre los cuales se requiere interfazar una señal.

III.5 Aprenderá el concepto de Linealización de una señal y conocerá las diferentes técnicas y circuitos electrónicos utilizados para tal fin.

III.6 Será capaz de aplicar los amplificadores de uso común en Instrumentación para elevar los niveles de las señales entregadas por los sensores o transductores para que puedan ser tratadas y visualizadas posteriormente.

III.6.1 Aplicará los conceptos ya aprendidos con anterioridad sobre Amplificadores Operacionales como elementos básicos de Amplificación dentro de cualquier sistema de Instrumentación.

III.6.2 Conocerá y aplicará el Amplificador de Instrumentación para elevar señales en forma diferencial y con menor ruido

III.6.3 Conocerá y aplicará el Amplificador de Aislamiento para elevar señales que requieran que la parte de la señal en la que ya está amplificada esté aislada de la fuente misma de la señal.

III.7 Como parte del acondicionamiento de las señales, deberá conocer y aplicar los Convertidores Analógico/Digital (ADC) para transformar una señal analógica en una señal digital.

III.8 Como parte del acondicionamiento de las señales, deberá conocer y aplicar los Convertidores Digital/Analógico (DAC) para transformar una señal digital en una señal analógica.

IV Acoplamiento y Ruido

IV.1 Identificará y reconocerá las diferentes fuentes de ruido que pueden afectar en forma negativa a su señal. Conocerá las diferentes formas de ruido: Intrínsecas y extrínsecas y conocerá las formas y circuitos más eficientes para eliminarlos.

IV.2 Conocerá y aplicará los conceptos de Blindaje, Desacoplo y Aterrizaje para la minimización del ruido en los instrumentos.

IV.3 Aprenderá las formas y métodos de medición y cuantificación del ruido en los instrumentos, aplicando conceptos como el de la Razón señal a ruido, Factor de Ruido, Figura de ruido, Temperatura Equivalente de Ruido, Razón de Rechazo en Modo Común (RRMC), entre otros. Además de aprender a utilizarlas en sus instrumentos como factor de Confiabilidad.

V Interfaces de Potencia

V.1 Aprenderá a utilizar el Transistor como elemento de interrupción de una señal y como acoplamiento entre una señal de baja potencia y un elemento actuador de alta potencia.

V.2 Conocerá el funcionamiento de los Rectificadores Controlados de Silicio (SCR’s) y su aplicación como elementos de control e interrupción de un sistema de potencia controlado con señales de baja potencia. Aprenderá a interfasar sus señales de instrumentación para controlar el funcionamiento de un SCR.

V.3 Conocerá y aprenderá el funcionamiento y la forma de utilizar el Transistor Unipolar de Juntura (UJT) como dispositivo de disparo en circuitos de potencia (motores, lámparas, bombas, etc).

V.4 Conocerá y aprenderá el funcionamiento y la forma de utilizar el DIAC como dispositivo de disparo en circuitos de potencia (motores, lámparas, bombas, etc) y la forma en que ayuda en el control del ángulo de disparo de SCR´s y TRIAC’s.

V.5 Conocerá y aprenderá el funcionamiento y la forma de utilizar el Interruptor bilateral de Silicio (SBS) como dispositivo de disparo en circuitos de potencia (motores, lámparas, bombas, etc).

V.6 Conocerá y aprenderá el funcionamiento y la forma de utilizar el Interruptor Unilateral de Silicio (SUS) como dispositivo de disparo en circuitos de potencia (motores, lámparas, bombas, etc).

V.7 Conocerá el funcionamiento de los TRIAC’s y su aplicación como elementos de control e interrupción de un sistema de potencia controlado con señales de baja potencia. Aprenderá a interfasar sus señales de instrumentación para controlar el funcionamiento de un TRIACS.

V8. Aprenderá a utilizar los dispositivos optoelectrónicos como herramientas de ayuda para interfasar sin necesidad de conexiones físicas, las señales de baja potencia con un actuador de alta potencia.

VI Controladores Lógicos Programabales (PLC’s)

VI.1 Conocerá en forma general lo que son los PLC’s, sus funciones principales y los procesos que pueden controlarse con ellos.

VI.2 Aprenderá a reconocer las partes y componentes internos principales de un PLC.

VI.3 Conocerá y aprenderá aplicar las diferentes instrucciones de un PLC para la realización de la programación de los mismos.

VI.4 Conocerá los detalles de conexiones y contactos en la programación de un PLC, además de introducirse de lleno a la programación de un PLC real.

VI.5 Aprenderá a reconocer las condiciones necesarias para la realización de un Programa en PLC, tales como las consideraciones previas, el control del proceso, etc.

VII Confiabilidad y Características mecánicas de los Instrumentos.

VII.1 Conocerá el concepto de confiabilidad de un instrumento.

VII.2 Basado en las especificaciones dadas por el fabricante el alumno aprenderá como saber cuando un instrumento es confiable o no.

VII.3 Basado en las características mecánicas y de diseño del Instrumento el alumno sabrá cuando un instrumento es confiable o no.

VIII Seguridad Eléctrica.

VIII.1 Analizará, estudiará y comprenderá los efectos fisiológicos de la electricidad en el cuerpo humano.

VIII.2 Analizará cuáles son los parámetros de susceptibilidad en el cuerpo humano con respecto a la Energía Eléctrica.

VII.3 Estudiará y comprenderá como se distribuye la energía eléctrica en el cuerpo humano y las razones para ello.

VII.4 Analizará los peligros potenciales y las situaciones que pueden provocar un Macroshock Eléctrico y las consecuencias del mismo sobre el cuerpo humano.

VII.5 Analizará los peligros potenciales y las situaciones que pueden provocar un Microshock Eléctrico y las consecuencias del mismo sobre el cuerpo humano.

VII.6 Aprenderá a reconocer y utilizar los códigos y estándares utilizados en Seguridad Eléctrica.

VII.7 Conocerá y aplicará las formas de protección contra choques eléctricos en la Instrumentación Electrónica.

VII.8 Conocerá y aplicará los análisis y pruebas que se realizan a los instrumentos electrónicos para asegurar que sean seguros para el usuario.

METODOLOGÍA SUGERIDA Y ACTIVIDADES DE APRENDIZAJE

· Exposición del maestro (3 horas por semana) sobre los específicos correspondientes a cada semana.

· Autoestudio en el que el alumno:

· Estudiará el tema correspondiente.

· Autoevaluará su aprendizaje.

· Repasará sus áreas débiles.

· Realizar Investigaciones de Información que apoyen los conocimientos expuestos en clase.

· Realizar Tareas que refuercen lo visto en el salón de clase.

· Práctica (2 horas por semana): El alumno realizará las prácticas correspondientes a los temas vistos en clase, tratando de llevar el objetivo de que práctica a práctica (generales) se avance en el conocimiento que coadyuve al desarrollo final de un sistema o instrumento electrónico en particular, para la medición de una magnitud en específico.

· Proyecto Final: El alumno seleccionará el instrumento de medición que se adecue más a sus inclinaciones y conocimientos, para realizar un instrumento electrónico completo, en el cuál integre todos los conocimientos adquiridos durante el semestre, desde la parte del sensado de la magnitud a medir, pasando por la adecuación y amplificación de las señales, hasta su visualización gráfica, digital o analógica de sus resultados (según el caso lo requiera).

TIEMPO ESTIMADO DE CADA TEMA

Tema I: 2 semanas.

Tema II: 3 semanas.

Tema III: 2 semanas.

Tema IV: 2 semanas.

Tema V: 2 semanas.

Tema VI: 2 semanas.

Tema VII: 1 ½ semanas.

Tema VIII: 1 ½ semanas.

Total: 16 semanas.

POLÍTICAS DE EVALUACIÓN SUGERIDAS:

3 Exámenes Parciales 50 %

Tareas, investigaciones y participación 10 %

Examen Final 20 %

Proyecto Final 20 %

LIBROS DE TEXTO SUGERIDOS:

William David Cooper

“ELECTRONIC INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT”

Prentice may, USA

Antonio Creus

“INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL”

Ed Alfaomega-marcombo.

6 edición. (1998)

Neubert

“INSTRUMENT TRANSDUCERS”

Mc-Graw Hill, 1990

David Buchla and Wayne MCLachlan

“APPLIED ELECTRONIC INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT”

Mc-Millan Publishing Co. 1992.

Stanley Wolf

“GUIDE TO ELECTRONIC MEASUREMENTS AND LABORATORY”

Prentice Hall, USA 1998.

Harry N. Norton

“HANDBOOK OF TRANSDUCERS”

Prentice Hall, USA 1990.

A De Sa

“PRINCIPLES OF ELECTRONIC INSTRUMENTATION”

Edward Arnold Publishers, London, 1990.

Ernest O. Doebelin

“MEASUREMENTS SYSTEMS, APPLICATIONS AND DESIGN”

Mc Graw Hill Publishing Company, 1990

Josep Balcells y José Luis Romeral

“AUTÓMATAS PROGRAMABLES”

Ed. Alfaomega, 1998

Mandado, Marcos y Pérez

“CONTROLADORES LÓGICOS Y AUTÓMATAS PROGRAMABLES”

Ed. Alfa-Omega Marcombo, 2ª. Ed. 1999.

David W Pessen

“INDUSTRIAL AUTOMATION”

Ed. John Wiley & Sons, 1989

NORMA OFICIAL MEXICANA DE METROLOGÍA NOM-Z-55-1986

PERFIL DEL PROFESOR:

Profesor con Maestría en Ingeniería Eléctrica o Electrónica o especialidad en el área de la Instrumentación Electrónica ó experiencia laboral en áreas afines a la Electrónica e Instrumentación.