101332 - INSTRUMENTACIÓN

Tipo de asignatura: obligatoria

Coordinador: Julián Horrillo Tello

trimestre: Tercer trimestre

Créditos: 6

Tanto la impartición de la asignatura como el material de soporte docente se dará en catalán. En cuanto a la interlocución, se podrán formular preguntas en cualquiera de los tres idiomas cooficiales y se responderán en el mismo idioma que se han formulado, de cara a facilitar la comprensión del estudiantado. 

Algunas sesiones pueden incluir el uso de materiales en inglés (artículos y especificaciones técnicas principalmente).

En cuanto a las actividades de evaluación, se formularán también en catalán, pero podrán contestarse indistintamente, en cualquiera de los tres idiomas co-oficiales.

La asignatura de Instrumentación forma parte de la materia de Sistemas Electrónicos Analógicos (#), que se imparte íntegramente a lo largo de los tres trimestres de tercer curso del Grado. En esta asignatura se hace uso de las diferentes técnicas de análisis y diseño electrónico analógico (-y digital en segundo término-), introducidas en las asignaturas previas de electrónica de la carrera (Electrónica Analógica I & II i Electrónica Digital II principalmente) para poder adquirir y procesar datos sobre magnitudes físico-químicas, diseñando y comprendiendo así los principios de los SSistemas de Adquisición de Datos (DAQs).

(#): De cara a matricular la asignatura, se recomienda encarecidamente la matriculación previa de las dos asignaturas que completan la materia de Sistemas Electrónicos Analógicos (Electrónica Analógica I y II), así como la superación en especial de la asignatura Electrónica Analógica II, de segundo trimestre.  

Esta asignatura contribuye al logro de los siguientes resultados de aprendizaje especificados por la materia a la que pertenece:

-RA1: Analiza circuitos de aplicación de los amplificadores operacionales, lineales y no lineales. (CE24)

-RA2: Conocer la estructura y funcionamiento de los sensores industriales. (CE23)
-RA3: Ser capaz de acotar los errores de las medidas. (CE23)
-RA4: Conocer los buses de interconexión de instrumentos. (CE23, CE24)

Al finalizar la asignatura el estudiante debe ser capaz de:

• Analizar, predecir y corregir los errores en el proceso de adquisición de los datos.
• Interpretar y diseñar el acondicionamiento de la señal de los distintos tipos de sensores genéricos.
• Modelizar las diferentes estructuras de Sistemas de Adquisición de Datos existentes.
• Utilizar los dispositivos pertinentes para el diseño y la implementación de DAQs básicos de propósito general.

La asignatura consta de 6 horas a la semana de naturaleza síncrona: 4 de teoría en el aula (presencial en condiciones normales) y 2 sesiones programadas para la realización de prácticas en el laboratorio. El trabajo en el aula se basará en clases donde la profesora explicará por un lado, los conceptos de teoría, acompañados de múltiples ejemplos y por otro, se plantearán sesiones exclusivas de resolución de problemas reales siguiendo la metodología PBL (Problem Based Learning).

En las sesiones de resolución de problemas se propone una experimentación tanto individual como colectiva, trabajando tanto el planteamiento como la resolución de los mismos siguiendo la heurística socrática.

Adicionalmente, de cara a incentivar el seguimiento de la sesión ya criterio de la profesora, el alumnado podrá obtener un más adicional a la nota de los distintos exámenes parciales, por la resolución y/o el planteamiento correcto de los problemas trabajados en clase. En cuanto a los restantes problemas a resolver de la colección, se facilitarán las herramientas y pautas necesarias para poder finalizarlos y/o resolverlos, fuera del espacio de clase y dentro del marco de las horas de aprendizaje autónomo.

Las actividades de naturaleza práctica se realizarán en grupos de dos estudiantes en el laboratorio de control. A continuación se detallan las metodologías de aprendizaje avanzado utilizadas en el diseño de las prácticas 2 y 3:

• Práctica 2: Metodologías PBL (Aprendizaje en base a proyectos) El LbD (Learning by Doing).
• Práctica 3: Metodología LbD (Learning by Doing).

Se pone a disposición del alumnado, los apuntes de clase, que forman parte de la base de aprendizaje y consecución de la asignatura, junto con las colecciones de problemas correspondientes a los Bloques 1 y 2 de la asignatura y los dossieres de prácticas.

Cabe notar que los apuntes en pdf entregados responden a diapositivas en PPT que se utilizan como hilo argumental de las sesiones teóricas. No son por tanto autocontenidos y será necesario, consecuentemente, que el alumnado los complete en clase con la información, ejemplos y aportaciones de detalle abordados en el transcurso de las diferentes sesiones expositivas.

1 SISTEMAS de INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA.

1.1 Introducción y Parámetros: Ancha de Banda. 

1.2 Amplificadores operaciones reales: Producto GBW. 

2 SENSORES Y ACONDICIONAMIENTO de la SEÑAL.

2.1 Introducción.

2.2 Sensor Hall.

2.3 Sensores Optoelectrónicos.

2.4 Sensores de Temperatura.

2.5 Galgas extensiométricas.

3. ACONDICIONAMIENTO de la SEÑAL: Circuitos Específicos.

3.1 Puente de Wheatstone.

3.2 Amplificador diferencial. CMRR.                                                                                                          

3.3 Amplificador de Instrumentación: Circuitos discretos e integrados.                                                                                                                  

4. SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS (DAQs).

4.1 Introducción a los DAQs.                                                         

   4.1.1 Diagrama de Bloques y Terminología.

   4.1.2 Teoría del Muestreo.         

4.2 Digitalización:

   4.2.1 Sample & Hold.

   4.2.2 Conversión Analógica-Digital               

4.3 Implementación de DAQs: Arquitecturas, condiciones y criterios de diseño.

Con el objetivo de recoger evidencia de la consecución de los resultados de aprendizaje esperados, se realizarán las siguientes actividades de aprendizaje de carácter evaluativo:

ACTIVIDAD 1: PRÁCTICAS (25%):

[Vinculada a la consecución de las Competencias CB2, CT2, CE23 (RA2, RA3) y CE24 (RA1, RA4)].

- PRÁCTICA 1: SENSORES OPTOELECTRÓNICOS (2 Sesiones):

Análisis, experimentación y diseño de los circuitos de acondicionamiento de los sensores optoelectrónicos básicos.

Los objetivos específicos de la práctica son:

• Conocer el mecanismo de funcionamiento de los dispositivos optoelectrónicos IRED, Fotodiodo y Fototransistor.
• Analizar las características del lazo optoelectrónico a partir de:
  • El Espectro de radiación del fotoemisor y la sensibilidad espectral del fotorreceptor.
  • Los diagramas de radiación del fotoemisor y de sensibilidad radiante del fotorreceptor.
• Familiarizarse con los sistemas de acondicionamiento de la señal propios de los dispositivos OE:
  • Fototransistor en configuración emisor común.
  • Efecto de la polarización inversa en el fotodiodo.
• Constatar las diferencias básicas existentes entre los distintos fotorreceptores.

- PRÁCTICA 2: SISTEMAS DE ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL ESPECÍFICA (4 Sesiones):

Diseño e implementación de un termómetro Digital (DAQ de temperatura), emulando el comportamiento del Termómetro Digital RS. La realización del acondicionamiento de la señal se realizará mediante un Puente de Wheatstone y un Amplificador de Instrumentación en sus modalidades discreta y/o integrada.

Los objetivos específicos de la práctica son:

• Introducir las sondas de temperatura como sensores de temperatura resistivos (RTDs) paradigmáticos para la medida de temperatura en los sectores de la industria, medición ambiental y aviación, principalmente.
• Familiarizarse con el montaje del puente de wheatstone como sistema de acondicionamiento de la señal estándar de la familia de sensores resistivos (termorresistencias, galgas extensiométricas, magnetoresistencias, etc) y sus principales características en términos de sensibilidad y linealidad.
• Interpretación del procedimiento de equilibrado previo del puente.
• Introducir consideraciones sobre la amplificación real de la señal diferencial en la salida del puente a partir del uso de drivers y de la propuesta inicial correspondiente al amplificador diferencial estándar.
• Constatar las diferencias entre los amplificadores de instrumentación discretos y las soluciones integradas que ofrecen los distintos fabricantes de componentes electrónicos.

- PRÁCTICA 3: DAQ: ADQUISICIÓN y PROCESAMIENTO DIGITAL DE SEÑALES en MATLAB (1-2 Sesiones):

Adquisición, análisis y procesado de señales de audio (voz) a través de la tarjeta de sonido (sound card) instalada en el ordenador (tarjeta de adquisición de datos dedicada) y gobernado por el entorno de programación Matlab y las toolboxes de Fecha Acquisition y Signal Processing.

Los objetivos específicos de la práctica son:

• Fidelizar el programa Matlab, como software de referencia de ingeniería, para analizar datos, desarrollar algoritmos y/o crear modelos.
• Familiarizarse con la herramienta de programación Matlab y la Caja de herramientas de adquisición de datos, para adquirir y analizar señales de audio.
• Reinterpretación de la transformada de Fourier, el FFT i el espectro de la señal.

Generalidades:

A criterio de la profesora, se propondrá de forma paralela, la realización de algunas partes de las experimentaciones correspondientes a la primera y segunda práctica mediante el paquete de edición de esquemáticos y simulación del entorno Cadence (Orcad+Pspice) (se presupone el conocimiento básico del mismo, una vez cursadas las dos asignaturas predecesoras que conforman / completan la materia de Sistemas Electrónicos Analógicos junto con la asignatura de instrumentación (Electrónica Analógica I y II).

Habrá que realizar un informe por grupos de cada una de las prácticas, que finalizará con un apartado obligado de conclusiones. Este último apartado de síntesis contabilizará el 20% de la nota de las prácticas 1 y 3 y el 10% de la práctica 2.

El número de sesiones finales para llevar a cabo la realización de las prácticas será función del calendario en curso.

ACTIVIDAD 2: EJERCICIOS (10%):

[Vinculada a la consecución de las Competencias CB2, CT2, CE23 (RA2, RA3) y CE24 (RA1)].

Combina una primera actividad individual de media duración y baja intensidad, que consta de dos apartados y que se realizará al inicio de curso, con una segunda, de corta duración y alta intensidad, que se llevará a cabo en el espacio de clase , en grupos de dos personas, en un día y hora fijado con antelación.

A continuación se recogen los rasgos generales de estas dos tareas:

• EJERCIO 1: (4%): Consta de dos partes:
  • 1ª Parte: Realización de un ejercicio de investigación y parametrización de un sensor específico a partir de la identificación de sus características y especificaciones más importantes (sensibilidad, linealidad, margen de operación, velocidad de respuesta, etc...).
  • 2ª Parte: Realización de una revisión tipo blind peer-review del documento entregado por uno de los compañeros, en la 1ª parte de la actividad. Constará de la revisión del documento anónimo asignado, aportando un report de mayor and/or minor revisiones  (correcciones, precisiones, mejoras y/o ampliaciones) acompañados de los/los comentarios de justificación correspondientes.
• EJERCICIOS 2 y 3 (3%+3%=6%): Resolución grupal (preferentemente miembros grupo de prácticas), de dos problemas específicos, post entrega del informe de las prácticas 1 y 2 respectivamente. Esta actividad se realizará con apuntes y se entregará al finalizar la clase.

ACTIVIDADES 3 y 4: EXAMENES PARCIALES 1 y 2 (30%+35%=65%):

[Vinculadas a la consecución de las Competencias CB2, CE23 (RA2) y CE24 (RA1)].

• Se realizan dos exámenes parciales que constan cada uno de ellos de la resolución de un número determinado de problemas, que oscilarán por regla general entre tres y cuatro, en función de la naturaleza y complejidad de los mismos.
• El segundo examen parcial incluirá de forma explícita, los contenidos de la 2ª parte de la asignatura y de forma implícita, algunos propios de la 1ª parte de la misma (y evaluados en el contexto del primer parcial).
• El primer examen se realizará durante el curso en un día fijado al inicio de curso y el segundo se realizará en la fecha programada para la dirección de estudios una vez finalizado el periodo de clases y dentro del periodo estipulado de exámenes.

La calificación final será la media ponderada de las calificaciones de las actividades evaluables mencionadas, como se concreta a continuación:

EXAMEN PARCIAL 1 (30%) + EXAMEN PARCIAL 2 (35%) + PRÁCTICAS (25%) + PROBLEMAS (10%)

Será necesario obtener una nota mínima de 3 en las dos pruebas escritas, para poder optar a aplicar la ponderación correspondiente.

Si la media de la asignatura es inferior a 5, se mantendrán el 25% de la calificación de prácticas y el 10% de la calificación obtenida en la componente de problemas y se activará paralelamente un mecanismo de recuperación de las actividades 3 y 4 correspondientes a los exámenes parciales, que consistirá en la resolución de un Examen de Recuperación y que contabilizará el 65% del cómputo total de la misma.

En caso de superar el global de la asignatura bajo este segundo supuesto, la nota final de la asignatura restará acotada a 5.

PALLÀS ARENY, R. Sensores y Acondicionadoras de Señal. 4ª Edición. 2005. ISBN 9788426713445.

ESPINOSA DURÓN, Virginia. Sensores y Acondicionamiento de la Señal: Notas de clase. Colección de problemas. Dossier de prácticas. Publicación Interna ESUPT. Tecnocampus. Edición 2021.

PALLÀS ARENY, R. Adquisición y Distribución de Señales. 3ª Ed. Marcombo. 1993.

PÉREZ GARCIA, et al, Instrumentación Electrónica. Ed. Thomson. Paraninfo. 2004. ISBN 84-9732-166-9.