CURSO: INSTRUMENTACIÓN
Quinto año.
Ciclo Escolar: 2003/2004
3
Horas/semana
OBJETIVO: Estudio de los dispositivos y técnicas que se
emplean en el diseño e implementación de sistemas de instrumentación para el
monitoreo, control y/o análisis de procesos.
BIBLIOGRAFIA
Libros de Texto:
1) Industrial Control
Electronics: Applications and Design.
J. Michael Jacob.
Prentice Hall 1988.
2). Active Filter Design.
Carson Chen.
Hayden Book Company. 1982
Libros de Consulta:
1) INTERFACING. A Laboratory
Approach Using the Microcomputer for Instrumentation, Data Analysis and
Control.
Stephen E. Derenzo
Prentice Hall
2) Sensors and Circuits
Joseph J. Carr
PTR
Prentice-Hall, 1993
3). Sensors and Transducers.
Keith Brindley.
Heinemann
Professional Publishing 1988.
4). Instrumentación Electrónica Moderna y
Técnicas de Medición.
William D.
Cooper, Albert D. Helfrick.
Prentice Hall
Hispanoamericana.
5). Instrumentation, Fundamentals
and Applications.
Ralph Morrison.
John Wiley & sons 1984.
6) Instrumentación Electrónica
A. J. Diefenderfer
Interamericana
7). Op-Amps and Linear Integrated
Circuits Technology.
Ramakant A. Gayakwad.
Prentice Hall 1983.
8). Circuitos Integrados Lineales y
Amplificadores Operacionales.
Robert F.
Coughlin, Frederick F. Driscoll.
Prentice Hall
Hispanoamericana.
9) Introducción a los Amplificadores
Operacionales con Aplicaciones ACI Lineales
Luces M. Faulkenberry
Limusa
10) Linear
Databook
National
Semiconductor Corporation
11) TTL Data
Book.
Texas
Instruments
PROGRAMA SINTÉTICO:
1. Conceptos Introductorios………………………………….…………………………….... 12 horas
2. Principios
Físicos de los Transductores…………………………………………..…… 5 horas
3. Herramientas
Analógicas para Acondicionamiento y Transmisión de Señales……………………………………………………………………………………………… 33 horas
4. Conversión
Analógico Digital y Muestreo de
Señales Analógicas………………………………………………………………………….…………….. 14 horas
5. Estándares
para Comunicación de Datos Digitales………………………….…… 6 horas
6. Cableado…………………………………………………………………………………………
6 horas
Total teoría: 76
horas
Exámenes Parciales: 8 horas
Total: 84
horas
PROGRAMA DESARROLLADO:
1. Conceptos Introductorios………………………………….…………………………….... 12 horas
1.1 Estructura
General de los Sistemas de Instrumentación
1.2 Estructura
de HW y SW de los Sistemas de Adquisición de Datos y Control Basados en Microcomputadoras
1.3 Terminología
1.3.1 Instrumento
1.3.2 Transductor
1.3.3 Características de las
Mediciones
1.3.3.1 Exactitud
1.3.3.2 Precisión
1.3.3.3 Sensibilidad
1.3.3.4 Linealidad
1.3.3.5 Resolución
1.3.4 Resolución de los Sistemas de
Instrumentación
1.3.5 Conversión de un Dato Digital
a sus Unidades Originales
2. Principios
Físicos de los Transductores……………………………………………….
5 horas
2.1 Transductores
Capacitivos
2.2 Transductores
Piezoeléctricos
2.3 Transductores
Electromagnéticos
2.4 Transductores
Electromecánicos
2.5 Transductores
Ionizantes
2.6 Transductores
Fotoeléctricos
2.7 Galgas
Extensométricas
2.8 Termistores
2.9 Transducción
Potenciométrica
2.10 Puente
de Wheatstone. Ventajas de un Circuito Puente
2.11 Transductores
de Semiconductor. Diodos, Fotodetectores, Efecto Hall
2.12 Transductores
Termoeléctricos
(PRIMER
Examen Parcial, 2 horas)
3. Herramientas
Analógicas para Acondicionamiento y Transmisión de Señales……………………………………………………………………………………………
33 horas
3.1 Circuitos
de Ajuste del Rango de Voltaje para Señales Diferenciales
3.1.1 Configuración Básica del Amplificador de Instrumentación
3.1.2 Incremento de la Corriente de Carga de un Amplificador de
Instrumentación
3.1.3 Ajuste del Rango de Voltaje y del Nivel de CD (4
horas)
3.2 Circuitos
de Ajuste del Rango de Voltaje para Señales No Diferenciales (2 horas)
3.3 Amplificadores
de Aislamiento
3.3.1 Amplificadores con Acoplamiento Electromagnético
3.3.2 Amplificadores con Acoplamiento Óptico
3.3.3 Acoplamiento Óptico para Señales Digitales (4
horas)
3.4 Transmisión
a Distancia de una Señal Analógica
3.4.1 Circuito Transmisor (Conversión de Voltaje
a Corriente)
3.4.2 Circuito Receptor (Conversión de Corriente a Voltaje)
3.4.3 Aplicación a un Sistema de Comunicación por Fibra Óptica (7
horas)
(SEGUNDO
Examen Parcial, 2 HORAS)
3.5
Filtros Analógicos Activos
3.5.1 Introducción
3.5.2 Implementación de Filtros Activos
3.5.2.1 Funciones de Transferencia de Algunos Filtros
Básicos
Filtro Pasa
Bajas de Segundo Orden
Filtro Pasa
Altas de Segundo Orden
Filtro Pasa
Banda de Segundo Orden
Filtro de
Rechazo de Banda de Segundo Orden
Filtro Pasa
Todo (Filtro de Corrimiento de Fase) de Segundo Orden (2 horas)
3.5.3 Implementación de Filtros Butterworth Pasa
Bajas de Primer Orden
3.5.4 Implementación de Filtros Butterworth
Pasa Bajas de Segundo Orden
3.5.4.1 Circuito y Función de Transferencia del
Filtro Butterworth Pasa Bajas de Segundo Orden
3.5.4.2 Respuesta a la Frecuencia del Filtro Pasa
Bajas de segundo Orden
3.5.4.3 Condiciones para Obtener una Respuesta
Máximamente Plana en la Banda de Paso
3.5.4.4 Diseño del Filtro Butterworth
de Segundo Orden (5
horas)
3.5.5 Filtros de Orden Superior
3.5.6 Cálculo del Orden del Filtro (4
horas)
3.5.7 Filtro Butterworth Pasa Altas de
Primer Orden
3.5.8 Filtro Butterworth Pasa Altas de
Segundo Orden y Orden Superior
3.5.9 Filtros Pasa Banda
3.5.9.1 Filtros Pasa Banda de Banda Amplia
3.5.9.2 Filtros Pasa Banda de Banda Estrecha
3.5.10 Filtros de Rechazo de Banda
3.5.10.1 Filtros de Rechazo de Banda de Banda Amplia
3.5.10.2 Filtros de Rechazo de Banda de Banda Angosta
3.5.11 Filtros Pasa Todo (Filtros de Corrimiento de Fase)
3.5.12 Ejemplos de Aplicación (5 horas)
(TERCER
Examen Parcial, 2 HORAS)
4. Conversión
Analógico Digital y Muestreo de
Señales Analógicas…... 14 horas
4.1 Amplificador
Muestreador/Retenedor (1 hora)
4.2 Circuitos
Convertidores de Digital a Analógico (D/A)
4.2.1 Características de los Convertidores D/A
4.2.2 Convertidor D/A Tipo Sumador con Entradas Ponderadas
4.2.3 Convertidor D/A Tipo Escalera Resistiva R-2R (4
horas)
4.3 Circuitos
Convertidores de Analógico a Digital (A/D)
4.3.1 Características de los Convertidores A/D
4.3.2 Conversión A/D Mediante Integración de Doble Rampa
4.3.3 Convertidor A/D Tipo Seguidor
4.3.4 Convertidor A/D de Aproximaciones Sucesivas
4.3.5 Convertidor A/D Tipo "Flash"
4.3.6 Convertidor A/D tipo "Flash" con Subrangos (4
horas)
4.4 Muestreo
de Señales Analógicas
4.4.1 Relación Entre la Frecuencia de una Señal Analógica y la
Resolución de la Señal Muestreada
4.4.2 Teorema de Muestreo de Nyquist
4.4.3 Consideraciones de Diseño del Filtro Analógico Antitraslape
4.4.4 Frecuencias Reales y Frecuencias Aparentes de una Señal
Muestreada (5
horas)
5. Estándares
para Comunicación de Datos Digitales………………………….. 6 horas
5.1 Estándares RS-232C, RS-422, RS-423, RS-485
5.2 Estándar IEEE-488
6. Cableado……………………………………………………………………………………… 6 horas
6.1 Pantallas
Contra Campos Magnéticos y Electrostáticos
6.2 Aterrizamiento
(CUARTO Examen
Parcial, 2 HORAS)
"PRACTICAS DE INSTRUMENTACION"
OBJETIVO: El presente programa fue desarrollado para reforzar
la materia teórica de Instrumentación impartida en quinto año de la Facultad de
Ingeniería Eléctrica.
INTRODUCCION: El presente programa es el resultado de
la recopilación de prácticas que se imparten en el laboratorio de
Instrumentación en el Laboratorio de Electrónica de la Facultad de Ingeniería
Eléctrica, en el cual los autores han sido Instructores del mismo durante algún
tiempo.
Cuenta con
una serie de prácticas bastante completas de los temas que se imparten en el
salón de clase. Cada una contiene sus objetivos específicos así como su
información necesaria para la realización de la misma.
El
tiempo de desarrollo de cada práctica, por parte del alumno, se calcula en 2 horas,
requiriéndose adicionalmente otras 2 horas para la explicación de la misma, y 4 horas para la aplicación de cada examen.
INDICE DE PRÁCTICAS
Práctica 1. "Caracterización de un Sensor"
OBJETIVO: Obtener la curva característica del sensor para obtener su modelo correspondiente y sus
parámetros.
Practica 2 "Transducción de la Respuesta del Sensor en Voltaje"
OBJETIVO: Implementar un transductor de resistencia a voltaje,
mediante el Puente de Wheatstone, para detectar
pequeños cambios de resistencia.
Practica 3 "El Amplificador de Instrumentación Básico"
OBJETIVO: Diseño y prueba de un amplificador de instrumentación
para acondicionar una señal de voltaje.
Practica 4 "Transmisión de Datos Analógicos Vía Remota
(Convertidor de Voltaje a Corriente), Primera Parte"
OBJETIVO: Diseñar e Implementar un Convertidor de Voltaje a Corriente
para Transmitir Datos Analógicos Vía Remota.
Practica 5 "Transmisión de Datos Vía Remota (Convertidor de
Corriente a Voltaje), Segunda Parte"
OBJETIVO: Diseñar e implementar un convertidor de corriente a
voltaje para recibir datos analógicos vía remota.
Segundo Examen Parcial
Practica 6 "Filtros Activos I (Filtro Pasa Bajas)"
OBJETIVO: Diseño, simulación y prueba de un filtro pasa bajas
tipo Butterworth
Practica 7 "Filtros Activos II (Filtro Pasa Altas) "
OBJETIVO: Diseño, simulación y prueba de un filtro pasa altas
tipo Butterworth
Practica 8 "Filtros Activos III (Filtro Pasa Bandas I)"
OBJETIVO: Diseño, simulación y prueba de un filtro pasa banda de
banda amplia.
Practica 9 "Filtros Activos IV (Filtro Pasa Bandas II)"
OBJETIVO: Diseño, simulación y prueba de un filtro pasa banda de
banda estrecha
Practica 10 "Filtros Activos V (Filtro Rechaza
Banda I)"
OBJETIVO: Diseño, simulación y prueba de un filtro rechaza
banda
Practica 11 "Filtros Activos VI (Filtro Rechaza
Bandas II)"
OBJETIVO: Diseño, simulación y prueba de un filtro rechaza
banda
Practica 12 "El convertidor A/D I"
OBJETIVO: Diseño en
forma práctica de un convertidor de analógico a digital.
Practica 13 "El convertidor A/D II"
OBJETIVO: Comprobar el funcionamiento en forma práctica de un
convertidor de analógico a digital.
Practica 14 "Estándares para comunicación de datos"
OBJETIVO: Obtención del protocolo de comunicación
serie.
Practica 15 "Muestreo de una Señal Analógica y el Efecto de
Traslape ("Aliasing")"
OBJETIVO: Observar el efecto de traslape o confusión de
frecuencias al muestrear y digitalizar una señal analógica.
Cuarto Examen
Parcial
CURSO:
INSTRUMENTACIÓN
5º Año
de Ingeniería Eléctrica Ciclo
Escolar: 2003/2004
3
Horas/semana
Profesor: Dr. Edmundo Barrera Cardiel
Evaluación del Curso:
Teoría
(Exámenes y Proyectos): 70%
Laboratorio: 30%
- En ambos conceptos se considerará el
promedio anual.
- Para aprobar el curso se requiere una
calificación promedio total 6.0
- Una calificación promedio menor que 6.0
se truncará al entero inmediato inferior.
- Una calificación promedio mayor que 6.0
se redondeará al entero más cercano.
- Para combinar los promedios de las
calificaciones de teoría y laboratorio se requiere que ambos promedios sean
aprobatorios. En caso contrario se reportará en el estado de examen la
calificación de la parte no aprobada.
- Las tareas son obligatorias. Se requiere
hacerlas para reafirmar los conceptos estudiados y se tomarán en cuenta para
decidir los casos en la frontera.
Última revisión agosto 2003.