Carrera: Participantes. Academias de la carrera

Transcripción

1 1.- DATOS DE LA ASIGNATURA Nombre de la asignatura: INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL Carrera: INGENIERÍA ELÉCTRICA Clave de la asignatura: Horas teoría-horas práctica-créditos HISTORIA DEL PROGRAMA Lugar y fecha de elaboración o revisión Instituto Tecnológico de Participantes Academias de la carrera de Observaciones 3.- UBICACIÓN DE LA ASIGNATURA a). Relación con otras asignaturas del plan de estudio

2 Anteriores Posteriores Asignaturas Temas Asignaturas Temas Instrumentación Medición de variables físicas Transductores Procesamiento digital de señales Todos Se trata de una materia terminal, por lo tanto no hay asignaturas posteriores Circuitos Eléctricos I Electrónica industrial Técnicas de análisis de circuitos Todos Probabilidad Estadística y Variables aleatorias y distribución Análisis de regresión,correlac ión y varianza b). Aportación de la asignatura al perfil del egresado Conocimiento y manejo de la instrumentación analógica y virtual empleada en la automatización de procesos industriales. 4.- OBJETIVO(S) GENERAL(ES) DEL CURSO Aplicar los conocimientos de electrónica, programación, procesos industriales y procesamiento digital de señales para la solución de problemas industriales de instrumentación. Desarrollar sistemas de adquisición y presentación de datos. Apoyar el desarrollo de prácticas y proyectos mediante herramientas computacionales.

3 5.- TEMARIO Unidad Temas Subtemas Fundamentos de los Sistemas de Instrumentación Principios Operativos de los Sensores Acondicionamiento de Señales y Actuadores. 4 Instrumentación Virtual 5 6 Adquisición, Transmisión, Comunicación y Análisis de datos Desarrollo de Proyectos de Instrumentación Clases de instrumentos, simbología. Diagrama a bloques de un transductor Sistema de instrumentación típico Tipos de señales Características de las mediciones Sensores de temperatura Sensores de presión Sensores de posición Sensores de velocidad Sensores de flujo Sensores de fuerza Sensores eléctricos (voltaje, corriente, energía, Hz) Amplificadores de instrumentación Filtros analógicos y limitadores Técnicas de reducción de ruido eléctrico Válvulas Actuadores mecánicos Actuadores electromecánicos Introducción a la Instrumentación Virtual Diseño y programación de instrumentos virtuales Programación gráfica para instrumentación. Conversión, visualización y almacenamiento de datos Sistema de adquisición de datos Teorema del muestreo de datos Transmisión de datos Comunicación con instrumentos de medición Análisis estadístico de señales y ajuste paramétrico de datos. Análisis avanzado de señales. Medición de temperatura Medición de posición y velocidad Medición de parámetros eléctricos Medición de calidad de la energía eléctrica Medición de fuerza y presión Medición de nivel de líquidos

4 6.- APRENDIZAJES REQUERIDOS El alumno deberá conocer las clases de instrumentos de medición que existen en el mercado industrial y su utilización. El alumno deberá comprender la naturaleza de la conversión de energía dado por transductores y los tipos de señales que se puedan derivar de la conversión para caracterizar correctamente las mediciones que deban realizarse. El alumno deberá comprender los principios operativos de los sensores más comunes vistos en clase. El alumno deberá comprender la naturaleza de las señales para llevar a cabo un acondicionamiento adecuado de las mismas al implementar filtros, amplificadores y atenuadores para que sean medidas por instrumentos registradores. El alumno deberá entender el funcionamiento adecuado de los actuadores mecánicos, electromecánicos y válvulas. El alumno deberá adquirir el conocimiento de la programación gráfica G al utilizar el entorno gráfico de programación industrial LabVIEW. El alumno deberá comprender el teorema de Nyquist para muestrear señales correctamente con el fin de aprovechar la información registrada para su posterior procesamiento digital. El alumno deberá entender los protocolos de comunicación con instrumentos de medición para transmisión de datos con la computadora personal. El alumno deberá asimilar el análisis de señales con herramientas estadísticas y análisis avanzado de señales digitales. El alumno deberá ser capaz de desarrollar un proyecto de instrumentación analógica con el fin de desarrollar interfases o instrumentos virtuales para la adquisición, registro, análisis y visualización de datos por computadora, asimismo deberá ser capaz de desarrollar un sistema acondicionador para operar sobre algunos actuadores de alarma y/o control.

5 7.- SUGERENCIAS DIDÁCTICAS Se sugiere que el profesor de la materia facilite material como catálogos de fabricantes de dispositivos de instrumentación o medición analógica y digital, asimismo se sugiere que se les proporcione material sobre instrumentación virtual para despertar el interés en el desarrollo de interfases virtuales en computadora. Se sugiere que el catedrático exponga ampliamente un panorama acerca de los sistemas de instrumentación que existen en la industria, la problemática actual de las empresas con equipo de automatización obsoleto, los tipos de señales que se esperan medir en las diversas industrias y la vasta variedad de sensores que existen hoy en día para llevar a cabo esquemas de instrumentación de alta confiabilidad. Se sugiere que el profesor proporcione cinco sesiones de dos horas de programación gráfica G del lenguaje LabVIEW para que los alumnos sean capaces de desarrollar instrumentos virtuales útiles para la visualización de resultados y análisis de señales. Se sugiere el uso de tarjetas usb de adquisición de datos de bajo costo, marca Nacional Instruments para utilizar en conjunto con LabVIEW y así proponer esquemas de instrumentación de bajo riesgo para realizar adquisición de datos con la computadora y el (los) instrumento(s) virtual(es) desarrollado(s). Se sugiere que se desarrollen mediciones de señales generadas por un generador de funciones con el fin de verificar el teorema de Nyquist y la aparición de señales ALIAS. Se sugiere adquirir y realizar análisis de señales provenientes de un generador de funciones para determinar su espectro de frecuencia utilizando herramientas como Fourier, Hartley, etc, instalados dentro de LabVIEW. Se sugiere que se realice la instrumentación analógica de algún sistema físico para adquirir datos como temperatura, presión, fuerza, par, velocidad, voltaje, corriente, etc, de forma adecuada y visualizar las mediciones y resultados de análisis en un instrumento virtual.

6 8.- SUGERENCIAS DE EVALUACIÓN Se sugiere estimular y tomar más en cuenta el trabajo en equipo. Para motivar el trabajo en equipo debe diseñar un conjunto de proyectos bien estructurados orientados a la solución de problemas reales. Los proyectos deben estar diseñados de modo que los alumnos se enfrenten a problemas que los involucren en una metodología de solución que represente toda una estrategia y no solo la simple aplicación de fórmulas. La evaluación del trabajo en equipo deberá estar determinada por la exposición en clase de los resultados del proyecto, y el sometimiento de éstos al examen y escrutinio tanto del profesor como de los otros equipos. 9.- UNIDADES DE APRENDIZAJE Unidad 1: Fundamentos de los Sistemas de Instrumentación Objetivo Establecer las bases para las mediciones de señales con instrumentos reales. El profesor explicará con detalle el funcionamiento de los transductores como medios de conversión de energía, los tipos de señales que se pueden obtener de éstos y como realizar mediciones correctas con instrumentos de medición. UNIDAD 2: Principios Operativos de los Sensores Objetivo Conocer el funcionamiento de los sensores propuestos con el fin de proponer El profesor explica el principio operativo de cada tipo de sensor propuesto para que el alumno conozca el tipo de señal de entrada que requiere el sensor y así interpretar la señal de salida obtenida del

7 soluciones en el problema de instrumentación analógica. sensor. El profesor también explicará los principios físicos de conversión de energía de cada sensor y su acondicionamiento de la señal del sensor. El profesor expone los nuevos tipos de sensores industriales TEDS como dispositivos que facilitan la instrumentación de plantas industriales. UNIDAD 3: Acondicionamiento de Señales y Actuadores Objetivo Establecer el conocimiento sobre la necesidad de manipular señales para su adquisición y/o su utilización en el accionamiento de actuadores. El profesor explicará el uso de amplificadores de señales para manipular señales que deberán ser registradas por instrumentos de medición o adquisición de datos. El profesor explicará el uso de filtros analógicos y de dispositivos de protección para limitar las señales que por algún transitorio se pueda salir del rango de operación de los convertidores analógicos-digitales de los instrumentos de medición. El profesor expone el problema del ruido en las mediciones, así como las conexiones de modo común, referenciado y diferencial que se pueden usar para registrar señales ruidosas. El profesor explica el funcionamiento de algunos actuadores y de las señales de entrada requeridas para que dichos dispositivos funcionen correctamente.

8 UNIDAD 4: Instrumentación Virtual Objetivo Aprender el lenguaje de programación gráfica G para el desarrollo de instrumentos virtuales que ayuden a visualizar los resultados de adquisición y análisis de señales. El profesor explicará la programación gráfica G, así como sus estructuras computacionales para la construcción de instrumentos virtuales con cierto grado de complejidad. El profesor explicará el transporte del flujo de datos que se obtiene en el lenguaje G para convertir, visualizar y/o almacenar datos. UNIDAD 5: Adquisición, Transmisión, Comunicación y Análisis de datos Objetivo Establecer el conocimiento sobre adquisición de datos verificando el teorema de Nyquist, para reconstruir y hacer análisis avanzado de señales muestreadas y estudiar algunos protocolos de comunicación con instrumentos de medición. El profesor explicará el teorema de Nyquist para realizar una correcta adquisición de datos que conlleve a la reconstrucción fidedigna de la señal medida y a su procesamiento con herramientas estadísticas y/o avanzadas. El profesor demostrará con equipo de medición capaz de establecer comunicación periférica vía puerto serie, paralelo y/o GPIB la comunicación de datos con el paquete computacional industrial LabVIEW. UNIDAD 6: Desarrollo de Proyectos de Instrumentación

9 Objetivo Aplicar los conocimientos adquiridos durante todo el curso para resolver un problema de instrumentación analógica que permita llevar a cabo la recolección de datos en forma segura y mostrarlos en un instrumento virtual que analice la(s) señal(es) adquirida(s). El profesor, en conjunto con equipos de alumnos, propone una serie de proyectos alcanzables sobre instrumentación analógica para medir las diferentes variables físicas de acuerdo al equipo de sensores con que se cuente. 10. FUENTES DE INFORMACIÓN 1. Nasser Kehtarnavaz and Namjin Kim Digital Signal Processing System-Level Design Using LabVIEW. ELSEVIER 2005 Newness 2. Cory L. Clark LabVIEW Digital Signal Processing and digital communication McGraw Hill Jon S. Wilson (Editor in Chief) Sensor Technology Handbook Elsevier 2005 Newness 4. A. C. Fischer-Cripps. Newnes Interfacing Companion, Computers, Transducers, Instrumentation and Signal Processing. Elsevier 2002 Newness 5. Ed. Richard C. Dorf The Electrical Engineering Handbook Boca Raton: CRC Press LLC, John Webb

10 Industrial Control Electronics Ed. Wiley and sons 7. Pallas Areny R. Sensores y acondicionadores de señal Ed. Marcombo 8. Peter Hauptmann Sensor: principles and applications Ed. Prentice Hall. 9. Norman A. Anderson Instrumentation for process measurement and control Ed. Foxboro 10. Antonio Creuss, Instrumentación Industrial Ed. Marcombo 11. Douglas M. Coisidine Manual de instrumentación aplicada Ed. Mc. Graw Hill 12. National Instruments, LabVIEW Getting Started with LabVIEW, Part Number A-01, National Instruments, LabVIEW User Manual, Part Number E-01, National Instruments, LabVIEW Performance and Memory Management, Part Number A-01, National Instruments, Introduction to LabVIEW Six-Hour Course, Part Number B-01, Robert H. Bishop Learning With Labview 7 Express Prentice Hall, J. Proakis and D. Manolakis, Digital Signal Processing: Principles, Algorithms,and Applications, Prentice-Hall, 1996.

11 11. PRÁCTICAS Elaborar un prototipo de pruebas con circuitos eléctricos para realizar mediciones básicas de voltaje, corriente, temperatura, etc. con el fin de establecer un criterio en como tomar las mediciones tradicionales. (2 sesiones de 2 hrs) De acuerdo a los dispositivos sensores con que se cuente, elaborar un prototipo de pruebas que contribuya al uso de sensores con el fin de establecer una metodología para caracterizar la función del sensor. Se toman medidas de señales de entrada y se relacionan proporcionalmente a las señales de salida. Esta metodología se generaliza para cualquier sensor lineal. (2 sesiones de 2 hrs) Prácticas simples de programación en lenguaje G de LabVIEW (3 sesiones de 2 hrs) Simulación de dos señales generadas con distorsión armónica y ruido en LabVIEW para analizar sus espectros de frecuencia, calcular potencia activa y revisar el concepto de factor de potencia ante señales distorsionadas (se simula voltaje y corriente desfasada). Se repite el programa para la generación trifásica considerando desbalances de voltajes y corrientes. (2 sesiones de 2 hrs) Muestreo de una señal utilizando LabVIEW y una tarjeta de adquisición de datos USB Nacional Instruments. (1 sesión de 2 hrs.) Verificación del teorema de Nyquist al adquirir una señal externa con diferente tiempo de muestreo y realizando análisis espectral. (1 sesión de 2 hrs) Diseñar un proceso físico bien instrumentado en el cual aplique los conocimientos adquiridos durante el curso.