Escuela de Ingeniería Eléctrica y Mecánica Facultad de

Escuela de Ingeniería Eléctrica y Mecánica
Facultad de Minas
Universidad Nacional de Colombia
Sede Medellín
Curso:
Código:
Intensidad Horaria:
Créditos:
Programa académico:
Habilitable:
Validable
Prerrequisitos:
Semestre.
Periodo Académico:
1.
Instrumentación industrial
4 Teóricas,
4
Ingeniería Control
Si
Si
Electrónica análoga II,
A definir
2009-2
Objetivos General
Capacitar al estudiante en los principios generales de la instrumentación electrónica y el
acondicionamiento de señales.
1.1
Objetivos específicos
 Conocer los principios de funcionamiento de los sensores
 Precisar los conceptos involucrados en la metrología y utilizar correctamente el
sistema internacional de medidas.
 Especificar y utilizar diferentes transductores requeridos en un sistema de medida,
registro o control de procesos.
 Diseñar los sistemas de adecuación analógica y digital de una señal eléctrica
obtenida de un transductor
 Especificar y diseñar un instrumento electrónico capaz de medir una magnitud física
determinada.
2.
Metodología y Evaluación
El curso se desarrollara con clases de cuatro horas semanales y se programaran
prácticas de simulación y montaje de elementos electrónicos, de tal modo que se
puedan aplicar los conceptos previos vistos en clase.
Se espera participación de los estudiantes en la solución de problemas propuestos, de
tal modo que el estudiante pueda identificar los conceptos necesarios y requeridos para
abordar la solución de un problema propuesto. Este tipo de actividades se desarrollaran
en la modalidad de proyectos de curso, el cual está previsto de varias actividades para
ser desarrolladas en grupos de tres personas.
3.
Descripción del curso
Con las herramientas proporcionadas en el curso y la utilización de software para
simulación, el estudiante estará en capacidad de analizar e implementar cualquier
circuito de instrumetación y medida conformado por sensores, transductores y
elementos electrónicos.
4. Contenido
4.1 Introducción a los sistemas de medida (Principios generales de la medición)







Conceptos generales y terminología
Tipos de transductores
Configuración general entrada - salida
Características estáticas de los sistemas de medida
Características dinámicas de los sistemas de medida
Características de entrada: impedancia
Sensores primarios
o Sensores de temperatura : bimetales
o Sensores de presión
o Sensores de flujo y caudal
 sensores de fuerza y par
4.2 Transductores resistivos (Sensores y Transductores)
 Potenciómetros
 Galgas extensiométricas
o Fundamento: efecto piezorresistivo
o Tipos y aplicaciones
 Detectores de temperatura resistivos (RTA)
 Termistores
o Modelos. Tipos y aplicaciones
o Linealización
 Magnetorresistencias
 Fotorresistencias (L.D.R)
 Higrómetros resistivos
4.3 Acondicionadores de señal para transductores resistivos





Medida de resistencias
Divisores de tensión
Puente de Wheatstone. Medidas por comparación. Medidas por deflexión
Sensibilidad y linealidad
Linealización analógica de puentes resistivos
 Calibración de puentes de transductores
 Medidas diferenciales y medias. Compensaciones
 Amplificadores de instrumentación
o Su necesidad: amplificadores diferenciales
o Diferentes tipos de amplificadores de instrumentación discretos
o Amplificadores de instrumentación monolíticos
 Interferencias
o Tipos de interferencias y su reducción
o Puesta a masa de circuitos de señal. Puesta a masa de blindajes
o Amplificadores de aislamiento
4.4 Transductores de reactancia variable y electromagnéticos
 Transductores capacitivos
 Capacitor variable. Capacitor diferencial
 Transductores inductivos
o Transductores basados en una variación de reluctancia
o Transductores basados en las corrientes de Foucault
o Transformadores diferenciales (L.V.D.T.)
o Transformadores variables
o Transductores magnetoelásticos
 Transductores electromagnéticos
o Transductores basados en la ley de Faraday
o Transductores basados en el efecto Hall
 Transductores monolíticos
4.5 Acondicionadores de señal para transductores de reactancia variable
 Aspectos introductorios
 Puentes de corriente alterna
o Sensibilidad y linealidad
o Linealización analógica de puentes capacitivos
o Amplificadores de corriente alterna. Desacoplamiento
o Blindajes electrostático. Guardas activas
 Amplificadores de portadora
o Su necesidad y estructura
o Detectores de fase
o Aplicaciones al L.V.D.T.
 Osciladores variables
o Osciladores senoidales
o Osciladores de relajación
 convertidores resolver a digital y digital a resolver
o Convertidor sincro - resolver
o Convertidores digital a resolver (D/R)
o Convertidores resolver a digital (R/D)
4.6 Transductores generadores
 Transductores termoeléctricos: termopares
o Efectos termoeléctricos
o Tipos de termopares
o Normas de aplicación práctica para los termopares
o Compensación de la unión de referencia en circuitos con termopares
 Transductores piezoeléctricos
o Efecto piezoeléctrico
o Materiales piezoeléctricos
 Transductores piroeléctricos
o Efecto piroeléctrico
o Materiales piroeléctricos
o Radiación: leyes de Planck, Wien y Stefan - Boltzman
 Transductores fotovoltaicos
o Efecto fotovoltaico
o Materiales y aplicaciones
 Transductores electroquímicos
4.7 Acondicionadores de señal para transductores generadores
 Amplificadores troceadores y de baja dispersión (drift)
o Desequilibrios y dispersiones en OP AMP
o Amplificadores troceadores (chopper)
o Amplificadores troceadores compensados
o Amplificadores con autoconección de la dispersión
o Desequilibrios y dispersiones en amplificadores de instrumentación
 Amplificadores electrométricos
 Amplificadores de carga
 Ruido en amplificadores
o Ruido en OP AMP
o Ruido en amplificadores de instrumentación
4.8 Transductores digitales
 Codificadores de posición
o Codificadores incrementales
o Codificadores absolutos
 Transductores de frecuencia variable
o Termómetros digitales de cuarzo
o Galgas acústicas
o Transductores basados en cilindros vibrantes
o Transductores basados en dispositivos de ondas superficiales (SAW)
o Caudalímetros de vórtices (digitales)
4.9 Otros métodos de transducción
 Transductores basados en uniones semiconductoras
o Termómetros basados en uniones semiconductoras
o Magnetodiodos y magnetotransistores
o Fotodiodos y fototransistores
 Transductores basados en MOSFETs
 Transductores basados en ultrasonido
o Fundamentos
o Aplicaciones
 Transductores basados en fibras ópticas
4.10 Telemedida y adquisición de datos
 Estructura del sistema de adquisición de datos
 Estructura de los sistemas de telemedida
 Telemedida por amplitud
o Telemedida por tensión
o Telemedida por corriente
 Telemedida por frecuencia
o Convertidores voltaje - frecuencia (V/F)
o Convertidores frecuencia - voltaje (F/V)
 Sistemas de multiplexado
o Multiplexado por división de frecuencia (FDM)
o Multiplexado por división de tiempo (TDM)
o Módems
o Redes locales
4.11 Elementos procesadores de señales
 Circuitos selectos de escala análoga
 convertidores análogo a digital aplicando la instrumentación
4.12
Elementos Elementos procesadores de datos
 Indicadores de escala y manecilla
 Graficadores análogos, despliegues alfanuméricos de pequeña y grande escala.
4.12
Normas sobre instrumentación y medición
 Instituciones generadoras de normas, instalaciones certificadoras de norma, algunas
normas sobre procesos de medición, algunas normas sobre instrumentación.
4.13
Calibración de instrumentos
 Revisión de sistemas de unidades, patrones de calibración de instrumentos
 caracterización y normalización de instrumentos.
4.14 Aplicaciones: análisis de instrumentos




Selección de variable que debe medirse
Selección y caracterización del elemento sensor,
Selección del elemento presentador de datos
Caracterización de los elementos acondicionadores y procesadores de señales,
interacción de los diferentes elementos.
4.14
Instrumentación virtual
 LabVIEW
 Desarrollo de aplicaciones de de instrumentación virtual
4.15 Introducción a la instrumentación virtual
 Conceptos básicos de instrumentación virtual
5.
Evaluación
Primer parcial
Segundo parcial
Tercer parcial
Practicas de laboratorio
Proyecto de curso
Exposición
20%
20%
20%
20%
10%
10%
6. Referencias
1. Ramon Pallas, “sensores y acondicionamiento de señales”, Alfaomega, 2001
2. William Coper, Alber Helfrick, “Instrumentación electrónica moderna y técnicas de
medición” , Prentice Hall 1991.
3. Antonio Creus Sole, “Instrumentación Industrial” , Alfa Omega 1995.
4. Mamad H. Rashid “Circuitos Microelectrónicos , Análisis y Diseño”,editorial
Thomson Editores, Ed. 2000
5. Joseph J Carr, “Introduction to Biomedical Equipment Technology”, Fourth
Edition, Prentice Hall, 2001.
6. John G. Websrer, “ Bioinstrumentation”, John Wiley & Sons, 2004.
7. John G. Websrer, “ Medical Instrumentation Application and design”, John Wiley
& Sons, 1998.
8. BENTLEY, John., “Sistemas de medición. Principios y aplicaciones”. Segunda
Edición, Compañía Editorial Continental. México., 1993
9. LESZER, HOZER, “Semiconductor Ceramics Grain Boundary Effects”, Ed. Ellis
Horwood. N, 1994
10. MOULSON A.J., HERBERT J.M, Electroceramic – materials properties
applications, Ed. Chapman & Hall N.Y, 1995
11. HERDERT, J.M., “Ferroelectrics transducers and sensors V.3”, Ed. Gordon and
Breach science Publishers N, 1982.
12. PEREZ Garcia Miguel, “Instrumentacion Electronica” Thomson, 2005.
1. Temas de laboratorio recomendados
Como prácticas de laboratorio se recomienda los siguientes temas:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Temperatura, presión, caudal, velocidad, corriente, posición, humedad
Desarrollo de aplicaciones con sensores de ultrasonido
Desarrollo de aplicaciones con sensores de efecto hall.
Desarrollo de aplicaciones con acelerómetros de impacto e inclinación.
Comunicaciones inalámbricas tipo radio, IR en sistemas de medida
Monitoreo de variables físicas a través del PC
Adquisición y procesamiento de variables físicas aplicadas al control de
procesos
8. Desarrollo aplicaciones en instrumentación virtual
ADQ, procesamiento, y almacenamiento
9. Desarrollo aplicaciones de instrumentación con sistemas microcontolados
(PIC y/o DSPIC)
10. Control de un robot con sensores de proximidad para desarrollar una tarea
especifica.
11. Control de un sistema móvil en una ruta determinada.