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.

 

 Primer Examen Parcial 

 

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

 

Tercer Examen Parcial 

 

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

 

   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.