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Información detallada de curso

 

Primer semestre 2017
Abr 23, 2024
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1. IDENTIFICACION DEL CURSO

Código y Nombre de la Asignatura: IEL 8435 - MEDICIONES E INSTRUMENTACION
División Académica: División de Ingenierías
Departamento Académico: Dpto.Ing Eléctrica-Electrónica
IEN 4020 Calificación mínima de 3.0 y IEL 1021 Calificación mínima de 3.0
Número de créditos:
Intensidad horaria (semanal para nivel pregrado y total para nivel postgrado):
2.000 Horas de Teoría
2.000 Horas de Laboratorio
Niveles: Educación Superior Pregrado
Tipos de Horario: Teoría y Laboratorio


En esta asignatura se estudian los conceptos básicos sobre sistemas de medida e instrumentación, que permiten su análisis, selección e implementación, de acuerdo con la variable física a medir y con los requerimientos de exactitud, sensibilidad y robustez.
El curso comienza introduciendo los instrumentos de medición más comunes en ingenierías eléctrica y electrónica, así como los aspectos más relevantes de la seguridad eléctrica, especialmente para el diseño y montaje de prototipos en el laboratorio. Se sigue con los principios de operación de sistemas de acondicionamiento de señales (amplificadores de instrumentación y filtros analógicos), y luego se concentra en sensores industriales y su principio de funcionamiento. El estudiante aprende a comparar y seleccionar sensores como parte del diseño de sistemas de medición. Las aplicaciones presentadas son en su mayoría sistemas de control automáticos en los que la realimentación es un sistema de medida. Al final del curso se tocan los temas de interferencias electromagnéticas, apantallado y recomendaciones para el montaje en tarjetas de circuito impreso.


2.Justificación
El desarrollo tecnológico ha conllevado a una creciente utilización de sistemas de instrumentación para la producción de bienes y servicios, lo cual hace necesario preparar a los futuros ingenieros electricistas y electrónicos en el área de mediciones e instrumentación.
El profesional debe estar capacitado para comprender, seleccionar, operar y mejorar sistemas de instrumentación electrónica, tanto en sectores científicos como el productivo, contribuyendo a su calidad y competitividad en un mercado cambiante y globalizado.


3. Objetivos

General. Conocer y aplicar los conceptos básicos sobre sistemas de medida, instrumentación y sensores.

Específicos. (Course Outcomes)
1.Caracterizar y usar de forma segura los principales instrumentos de medición.
2.Diseñar e implementar sistemas básicos de acondicionamiento.
3.Identificar las características de diferentes sensores, conocer su principio de operación y seleccionar el más adecuado de acuerdo a la aplicación.
4.Diseñar e implementar sistemas básicos de adquisición de datos.
Assessment
SO-G. An ability to communicate effectively.
SO-K. An ability to use the techniques, skills, and modern engineering tools necessary for engineering practice.


4. Metodología
Asignatura. Se desarrolla semanalmente en una sesión magistral y una sesión práctica por grupos en el laboratorio, cada una de 2 horas por semana. Metodología:
Los estudiantes realizan las lecturas obligatorias antes de la clase.
El docente presenta los temas magistralmente y discute aplicaciones.
El tema de sensores se trabaja con vídeos preparados por el docente. El estudiante los mira con antelación y anota las dudas. En clase despeja inquietudes y discute. Los vídeos estarán disponibles desde el inicio de clases.
Se promueve el uso del idioma inglés. Parte de la bibliografía está en inglés y en los exámens hay bonificaciones por el uso de esta lengua.
Laboratorio. Metodología:
Se trabaja en grupos de hasta 4 integrantes.
Los estudiantes preparan la práctica con antelación.
La sustentación puede ser oral o escrita.
Es posible entregar los reportes de laboratorio antes de lo estipulado, así como solicitar una revisión previa de los mismos.
El tiempo para completar el proyecto integrador al final del semestre es corto, ya que se espera que el proyecto haya sido adelantado en las prácticas previas.
edios
Catálogo Web Uninorte, Matlab & Simulink® (MathWorks), LabVIEW® (National Instruments), FilterPro™ (Texas Instruments), biblioteca universitaria, bases de datos e Internet, tablero, videobeam, vídeos académicos preparados por el docente con acompañamiento del CEDU-Uninorte, sesiones prácticas de laboratorio con acompañamiento de asistente graduado o monitor.


5. Contenido general
Sistemas de medida
Seguridad en instrumentación
Amplificadores (OpAmps, INAs)
Filtros: fundamentos y diseño.
Sensores: teoría, selección y aplicaciones industriales
Sistemas de adquisición de datos
Interferencias electromagnéticas y cableados
Recomendaciones para diseño de PCBs


6. Evaluación
Teoría. Se hace con exámenes escritos mediante preguntas abiertas y problemas de cálculo o diseño. Habrá un punto de bonificación por contestar una pregunta en inglés.
Laboratorios. En los laboratorios el reporte vale 70% y la sustentación 30%. El detalle de valoración se suministra en un documento de lineamientos del laboratorio.
Actividad
Valor
Quiz 1
5%
Parcial 1
15%
Lab 1
10%
Quiz 2
10%
Lab 2
10%
Parcial 2
15%
Lab 3
10%
Lab 4
10%
Final
15%

Plan
Sem
Fecha
Temas
Ref. Obligat.
Ref. Adicion.



7.. Introducción al curso
Sistemas de medida y control
Lab: Instrumentos comunes
Seguridad en instrumentación
Amplificador operacional ideal

Parámetros reales
Lab 1: Inicia Amplificación y filtrado

Amp. de instrumentación (INA)
Amp. de aislamiento (ISO)

Lab 1: Continúa
Tema: Semana 1
Filtros analógicos
Pasivos, activos, topologías

Caract. en frecuencia y tiempo
Lab 1: Diag. de Bode y FilterPro
Diseño de filtro
Criterios de selección de filtros

Lab 1: continúa

Parcial 1
Temas: Semanas 1 a 5
Lab 1: Entrega y sustentación

Sensores potenciométricos

Resistance Temp. Detectors (RTD)

Light Dependent Resistors (LDR)

Lab 2: Inicia Selección de sensores

Galgas extensiométricas

Sensores capacitivos
Switches y actuadores

Lab 2: continúa
Sensores inductivos (LVDT, proxim.)

Temopares

Sensores Piezoeléctricos

Sensores ultrasónicos

Lab 2: continúa
Quiz 2
Tema: Semana 7-8

Sensores piroeléctricos

Optoelectrónicos y enconders

Sensores de efecto Hall

Lab 2: Entrega y sustentación

Selección de sensores

Manejo de catálogo

Temas: Semanas 7 a 11 (Todo sensores)
Lab 3: Sistemas DAQ Inicia

Interferencias electromagnéticas

Cableado para minimizar interferencias
Lab 3: continúa
Lab 3: Entrega y sustentación

Recomendaciones para diseño de PCBs
Lab 4: Proyecto Integrador
Apoyo a proyecto integrador
Lab 4: Entrega y sustentación
Registro
Examen final
Temas: Acumulativo.



8. Bibliografía
1 PÉREZ GARCÍA, Miguel, et al. Instrumentación electrónica. España: Thomson Learning, 862p. 2004. SigTop 621.381548 I59
Texto guía. Nomenclatura eléctrica española. Narrativa agradable e informativa. No asume conocimientos previos, salvo análisis de circuitos. Tiene numerosos ejemplos resueltos. Trae un CD con solucionario.
2 QUINTERO, Christian, et al. Instrumentación Electrónica Aplicada Prácticas de Laboratorio. Ediciones Uninorte, 53p. 2011. SigTop 621.381540287 Q7
Texto guía para laboratorios. Allí se describen las prácticas con detalle y se establecen los criterios de evaluación. Este texto ha sido preparado por el Prof. Quintero (DIEE). Las sugerencias para mejorarlo son bienvenidas.
3 TORRES, Luis. Vídeos del temario de sensores en la asignatura Mediciones e Instrumentación. Dep. de Ing. Eléctrica y Electrónica - Centro de Excelencia Docente Universitaria. Universidad del Norte. 2013. Enlace Online.
Material obligatorio preparado por el docente con la asesoría y aprobación del CEDU-Uninorte mediante un proyecto de innovación pedagógica. Los vídeos recopilan las clases para que el estudiante pueda accederlas de manera libre y autónoma, cuántas veces lo desee. Los vídeos corresponden a los capítulos del libro, con duraciones de media a una hora. Críticas a los vídeos y propuestas de mejora son bienvenidas!
4 JONES, David. How NOT to blow-up your oscilloscope. Electronics Engineering Video Blog. May 2012. Available online.
Excelente vídeo obligatorio. Muestra los peligros potenciales cuando se mide con el osciloscopio y se ignora el papel de la tierra de alimentación. Vídeo en inglés.
5 FLOYD, Thomas. Principles of electric circuits: conventional current convention. Prentice Hall, 2007. 948p. SigTop 621.3192 F645p; (En español, SigTop 621.3192 F645pr)
Texto sencillo con muchas fotos de dispositivos eléctricos fundamentales. La edición en inglés tiene fotos a color. Verificar obligatoriamente que se conocen los temas: resistores, capacitores e inductores, tanto fijos como variables; fuentes de tensión y de corriente, interruptores, fusibles, conductores, concepto de tierra (grounding) física y de chasís, seguridad eléctrica (Cap. 2, 12.1--2, 13.1--2); interruptores magnéticos, electroválvulas, parlantes y relés (Cap. 10. 1--3);
6 WITTE, Robert. Electronic Test Instruments, 2Ed. Prentice-Hall, 2002. 371p. SigTop 621.37 W828
Texto amplio y sencillo. Introduce: multímetros, generadores de señal, osciloscopios, fuentes de energía, analizadores lógicos, de espectro, y de redes. Toca aspectos de seguridad relacionados con el aterrizaje de los instrumentos (grounding) e indica la correcta conexión al momento de trabjar con éstos.
7 BALCELLS, Joseph, et al. Interferencias electromagnéticas en sistemas electrónicos. Alfaomega, 1992. 421p. SigTop 621.381 I61
Trata extensivamente el tema de interferencias en circuitos electrónicos. Particularmente son de interés los temas de las fuentes de interferencia y las soluciones a este problema por medio del buen diseño de masas y tierra (Cap. 2,3,8). Los apéndices resumen temas como: decibelio (Ap. 4), radiación de campos electromagnéticos (Ap.3), y guía rápida de acciones contra las interferencias (Ap. 5).
8 REHG, James and SARTORI, Glenn. Industrial Electronics. Prentice-Hall, 2006. 862p. SigTop 621.381 R345
Libro con muchas fotos de sensores y actuadores industriales reales. El cap. 2 presenta interruptores, relays, contactores, válvulas y su simbología industrial. El cap. 4 trata los amplificadores operacionales. El cap. 5 trata dispositivos de electrónica de potencia. Los cap. 6 y 7 tratan sensores: capacitivos, inductivos, fotoeléctricos, ultrasonidos, de temperatura, piroeléctricos, de presión, galgas, de flujo y nivel. También se explican válvulas neumáticas y eléctricas.
9 COUGHLIN, Robert y DRISCOLL, Frederick. Operational Amplifiers and Linear Integrated Circuits, 6Ed. Prentice-Hall, 2000. 5290p. SigTop 621.3815 C854 (4Ed, 1993, en Español)
Excelente texto que introduce los OpAmps con recomendaciones prácticas, de seguridad y contra averías (p.e. lectura obligatoria: Cap. 1.6) en los montajes de laboratorio. Además, presenta ejemplos claros de acondicionamiento para varios sensores de fácil consecución.
10 PALLÁS ARENY, Ramón. Sensores y Acondicionadores de Señal, 4Ed. Alfaomega Marcombo, 2003. 480 p. SigTop 621.3678 P164S (3Ed, 1998)
Texto español de gran tradición. Recopila numerosos modelos de sensores junto con recomendaciones de diseño. Agrupa los sensores en (Cap. 2,4,6): resistivos, de reactancia variable (capacitivos e inductivos), y sensores generadores (termopares, piezo- y piroeléctricos, y fotovoltaicos). Presenta circuitos de acondicionamiento para éstos (Cap. 3,5,6). El libro tiene muchos ejemplos de diseño y todos los problemas de fin de capítulo tienen solución.
11 HUIDOBRO, José y MILLAN, Ramón. Domótica: Edificios Inteligentes. Creaciones Copyright, 2004. 359p. SigTop 693.8 H899
Aplicaciones de los sensores en domótica. Texto sugerido para la realización del proyecto integrador de donde se pueden sacar ideas para los servicios a implementar.
12 MANCINI, Ron. OpAmps for everyone. Design Reference. Advance Analog Products. Texas Instruments, 2002. 464p. Available online. A more recent edition is also available.
Libro fácil de seguir. Cap. 3 y 4 tratan el amplificador operacional ideal y no ideal. Cap. 10 explica detalladamente el ruido en los amplificadores. El cap. 11 ofrece una explicación de los parámetros de los amplificadores. Finalmente, el cap. 16 es lectura obligatoria y explica la teoría de filtros activos y técnicas de diseño.
13 TEXAS INSTRUMENTS. FilterPro™ User's Guide. Texas Instruments Inc. 2011, 39p. Available Online.
Software tool (MS Windows®) to design active filters. The use of this software is strongly recommended in the lab session of filter design. .
14 MANCINI, Ron. Single-supply Op Amp Design. Analog Applications Journal. Texas Instruments Inc. 1999, 20-22p. Available online . An extended application report (22p.) on the same issue is also available online.
The design with single-supply (Vcc-Gnd) sources should be contrasted with the more common double-supply (Vcc-Gnd-Vee) design. The advantage of single-supply circuits is that they can be powered by a single battery (or cell). The short article is recommended reading.
15 MAXIM. A Filter Primer - Tutorial 733. Maxim Integrated Products, 2008. 19p. Available online.
Lectura obiligatoria. This tutorial offers an excellent overview on filter theory by plotting the magnitude of transfer functions on the complex plane. This allows to understand the origin of many filter design techniques, as well as a better understanding of the Bode plots of several filters.
16 FOWLER, Kim y SCHMALZEL, John. Why do we care about measurement?. Instrumentation & Measurement Magazine, IEEE , vol.7, no.1, pp.38-46, March 2004. Available online.
Tutorial article. Part 1 of 3. Several application examples on measurement are presented.

17 EATON. Volume 8: Sensing Solutions CA08100010E. Online Sensor Catalog. Eaton, Inc. May, 2013. Available online. Also the full catalog is available.
Catálogo de productos de la empresa Eaton, USA. El volumen 8 se concentra en el sector eléctrico y de control industrial. Las Sec. 2--5 explican la operación básica de los interruptores de fin de carrera (limit switches), así como de los sensores de proximidad capacitivos e inductivos, junto con los fotoeléctricos. Asímismo, presentan una guía para escoger el producto más adecuado para la necesidad en la aplicación. La Sec. 12 es un excelente tutorial en los principales sensores utilizados en la industria (lectura obligatoria). El curso cubre los sensores de las Sec. 2--5 y tiene pregutas de autorepaso. Finalmente, la Sec. 13 presenta una selección de aplicaciones comunes en la industria y los sensores usados en ellas.
18 ELECTRICAS BC. Catálogo de Productos - Instrumentación de Control. Eléctricas BC, Co. USA, 2013. 127p. Available online.
Catálogo industrial donde se presentan sensores comunes y sus aplicaciones. Su contenido es explicado en uno de los vídeos de la asignatura (vídeo obligatorio) donde se aclara algunas aplicaciones mostradas. El catálogo se puede descargar alternativamente de \url{http://www.servielectric.com.sv/Catalogos.html}.
19 LAJARA, José y PELEGRI, José. LabVIEW: Entorno gráfico de programación. Alfaomega Marcombo, 2007. 372p. SigTop 005.4 L191
Uno de los textos en español más usados como guía para LabVIEW®.
20 LabVIEW. Getting Started with LabVIEW. National Instruments. 2007. 92p. Available online.
If you wish to start with LabVIEW®, this is the starting point. This is a step-by-step guide.
21 HOGG, Simon. LabVIEW o C? Podría por favor reformular la pregunta?. National Instruments Newsletter. Segundo Trimestre 2013, p. 6 7. Available online.
Breve artículo que muestra la diferencia de los campos de acción de LabVIEW comparado con el lenguaje C. Al final hay una nota divertida que cita la Guía del viajero intergaláctico, una novela de ciencia ficción.
22 Matlab & Simulink. Data Acquisition Toolbox User's Guide R2012b. MathWorks Inc. 2012. 535p. Available online.
Detailed guide to use the DAQ in MatLab.
23 QUESTEX Media Group LLC. Sensors Technical Articles. Online Magazine. 2013. Available online.
Website con muchos tutoriales, casos de estudio y notas técnicas donde se emplean sensores de todo tipo. Diriga al público técnico en general.

24 OpenStax College. College Physics. OpenStax CNX. Dec 10, 2014. Section 20.7 “Electric hazards and humand body and Section 23.9 “Electrical Safety: System and Devices”. The full book is also available online.
Lectura obligatoria para el tema de seguridad eléctrica. Es un libro virtual con excelente contenido de física general.
25 Basic Oscilloscope Operation. Worksheet. All About Circuits (Website). Creative Commons License. 2015. Available online.
Lectura obligatoria. Serie de ejercicios que preparan para manejar osciloscopios adecuadamente.
26 COOMBES, Mike. Electrical Ground in AC Systems (Webpage). Kwantlen Polytechnic University. Retrieved on 2014. Availaible online.
Lectura obligatoria. Trata el problema del aterrizaje de dispositivos y los riesgos cuando se manejan instrumentos de medición como osciloscopios.
27 IEEE. Manuscript Templates for Conference Proceedings. IEEE Official Website. Available online.
Este es el template que será usado para los reportes de laboratorio. La sección de bibliografía tiene especial consideración en lo que respecta a la calidad y fiabilidad de las fuentes usadas. Consulte este aspecto con el docente o asistente del laboratorio. 1
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