101332 - INSTRUMENTACIÓ

Tipus d'assignatura: Obligatòria

Coordinador: Julián Horrillo Tello

Trimestre: Tercer trimestre

Crèdits: 6

Tant la impartició de l'assignatura com el material de suport docent es donarà en català. Pel que fa a la interlocució, es podran formular preguntes en qualsevol dels tres idiomes co-oficials i es respondran en el mateix idioma que s'han formulat, de cara a facilitar la comprensió de l'estudiantat. 

Algunes sessions poden incloure l'ús de materials en anglès (articles i especificacions tècniques principalment).

Pel que fa a les activitats d’avaluació, es formularan també en català, però es podran contestar indistintament, en qualsevol dels tres idiomes co-oficials.

L’assignatura d’Instrumentació forma part de la matèria de Sistemes Electrònics Analògics, que s'imparteix íntegrament al llarg dels tres trimestres de tercer curs del Grau. En aquesta assignatura es fa ús de les diferents tècniques d’anàlisi i disseny  electrònic analògic (-i digital en segon terme-), introduïdes en les assignatures prèvies d’electrònica de la carrera (Electrònica Analògica I &II i Electrònica Digital II principalment) per tal de poder adquirir i processar dades sobre magnituds físico-químiques, dissenyant i comprenent d'aquesta manera els principis dels Sistemes d'Adquisició de Dades (DAQs).

Aquesta assignatura disposa de recursos metodològics i digitals per fer possible la seva continuïtat en modalitat no presencial en el cas de ser necessari per motius relacionats amb la Covid-19. D'aquesta forma s'assegurarà l'assoliment dels mateixos coneixements i competències que s'especifiquen en aquest pla docent. El Tecnocampus posarà a l’abast del professorat i l’alumnat les eines digitals necessàries per poder dur a terme l’assignatura, així com guies i recomanacions que facilitin l’adaptació a la modalitat no presencial.

Aquesta assignatura contribueix a l’assoliment dels següents resultats d'aprenentatge especificats per la matèria a què pertany:

-RA1: Analitza circuits d’aplicació dels amplificadors operacionals, lineals i no lineals. (CE24)

-RA2: Conèixer l'estructura i funcionament dels sensors industrials. (CE23)
-RA3: Ser capaç d'acotar els errors de les mesures. (CE23)
-RA4: Conèixer els busos d'interconnexió d'instruments. (CE23, CE24)

En acabar l'assignatura  l’estudiant ha de ser capaç de:

• Analitzar, predir i corregir els errors en el procés d’adquisició de les dades.
• Interpretar i dissenyar el condicionament del senyal dels diferents tipus de sensors genèrics.
• Modelitzar les diferents estructures de Sistemes d'Adquisició de Dades existents.
• Utilitzar els dispositius pertinents pel disseny i la implementació de DAQs bàsics de propòsit general.

L'assignatura consta de 6 hores a la setmana de naturalesa síncrona: 4 de teoria a l’aula (presencial en condicions normals) i 2 de sessions programades per la realització de pràctiques al laboratori. El treball a l'aula es basarà en classes on la professora explicarà d’una banda, els conceptes de teoria, acompanyats de múltiples exemples i de l’altra, es plantejaran sessions exclusives de resolució de problemes reals seguint la metodologia PBL (Problem Based Learning).

En les sessions de resolució de problemes es proposa una experimentació tant individual com col·lectiva, treballant tant el plantejament com la resolució dels mateixos seguint l’heurística socràtica.

Addicionalment, de cara a incentivar el seguiment de la sessió i a criteri de la professora, los estudiants/as podran obtenir un plus addicional a la nota dels diferents exàmens parcials, per la resolució i/o el plantejament correcte dels problemes treballats a classe. Pel que fa als problemes restants a resoldre de la col·lecció, es facilitaran les eines i pautes necessàries per tal de poder finalitzar-los i/o resoldre’ls, fora de l’espai de classe i dins del marc de les hores d'aprenentatge autònom.

Les activitats de naturalesa pràctica es realitzaran en grups de dos estudiants/tes al laboratori de control. A continuació es detallen les metodologies d’aprenentatge avançat utilitzades en el disseny de les pràctiques 2 i 3:

• Pràctica 2: Metodologies PBL (Project Based Learning) i LbD (Learning by Doing).
• Pràctica 3: Metodologia LbD (Learning by Doing).

Es posa a disposició dels estudiants i estudiantes, els apunts de classe, que formen part de la base d’aprenentatge i assoliment de l’assignatura, juntament amb les col·leccions de problemes corresponents als Blocs 1 i 2 de l’assignatura i els dossiers de pràctiques.

Cal notar que els apunts en pdf lliurats responen a diapositives en PPT que s’utilitzen com a fil argumental de les sessions teòriques. No són per tant autocontinguts i caldrà conseqüentment, que l’estudiant/a els completi a classe amb la informació, exemples i aportacions de detall abordats en el transcurs de les diferents sessions expositives.

Aquest curs, a causa de la situació generada per la COVID, les sessions teòriques s’impartiran en mode on-line. Pel que fa a les sessions de pràctiques reglades que requereixin la presència de l’estudiant/a al laboratori, si s'escau, es treballarà simultàniament en diversos espais per tal de garantir que es compleixen les condicions establertes pels protocols de seguretat, establint una dinàmica d’assistència rotativa al laboratori nominal (Laboratori #1).

1 SISTEMES d’INSTRUMENTACIÓ ELECTRÒNICA.

1.1 Introducció i Paràmetres: Ampla de Banda. 

1.2 Errors en els sistemes de mesura.  

2 SENSORS I CONDICIONAMENT del SENYAL.

2.1 Introducció.

2.2 Sensor Hall.

2.3 Sensors Optoelectrònics.

2.4 Sensors de Temperatura.

2.5 Galgues Extensiomètriques.

3. CONDICIONAMENT del SENYAL: Circuits Específics.

3.1 Pont de Wheatstone.

3.2 Amplificador diferencial.                                                                                                           

3.3 Amplificador d’Instrumentació.                                                                                                             

4. SISTEMES D’ADQUISICIÓ DE DADES (DAQs).

4.1 Introducció als DAQs.                                                         

4.1.1 Implementació i Paràmetres.

4.1.2 Teoria del Mostreig.         

4.2 Sample&Hold.

4.3 Conversió Analògica-Digital.              

4.4 Implementació de DAQs.

Amb l’objectiu de recollir evidència de l’assoliment dels resultats d’aprenentatge esperats, es realitzaran les següents activitats d’aprenentatge de caràcter avaluatiu:

ACTIVITAT 1: PRÀCTIQUES (25%):

[Vinculada a l’assoliment de les Competències CB2, CT2, CE23 (RA2,RA3) i CE24 (RA1, RA4)].

- PRÀCTICA 1: SENSORS OPTOELECTRÒNICS (2 Sessions):

Anàlisi, experimentació i disseny dels circuits de condicionament dels sensors optoelectrònics bàsics.

Els objectius específics de la pràctica són:

• Conèixer el mecanisme de funcionament dels dispositius optoelectrònics IRED, Fotodíode i Fototransistor.
• Analitzar les característiques del llaç optoelectrònic a partir de:
  • L’Espectre de radiació del fotoemissor i la sensibilitat espectral del fotoreceptor.
  • Els diagrames de radiació del fotoemissor i de sensibilitat radiant del fotoreceptor.
• Familiaritzar-se amb els sistemes de condicionament del senyal propis dels dispositius OE:
  • Fototransistor en configuració emissor comú.
  • Efecte de la polarització inversa en el fotodíode.
• Constatar les diferències bàsiques existents entre els diferents fotoreceptors.

- PRÀCTICA 2: SISTEMES DE CONDICIONAMENT DEL SENYAL ESPECÍFICS (4 Sessions):

Disseny i implementació d’un termòmetre Digital (DAQ de temperatura), emulant el comportament del Termòmetre Digital RS. La realització del condicionament del senyal es realitzarà mitjançant un Pont de Wheatstone i un Amplificador d’Instrumentació en les seves modalitats discreta i/o integrada.

Els objectius específics de la pràctica són:

• Introduir les sondes de temperatura com a sensors de temperatura resistius (RTDs)  paradigmàtics per a la mesura de temperatura en els sectors de la indústria, la medició ambiental i l’aviació, principalment.
• Familiaritzar-se amb el muntatge del pont de wheatstone com a sistema de condicionament del senyal estàndard de la família de sensors resistius (termoresistències, galgues extensiomètriques, magnetoresistències, etc)  i les seves característiques principals en termes de sensibilitat i linealitat.
• Interpretació del procediment d’equilibrat previ del pont.
• Introduir consideracions sobre l’amplificació real del senyal diferencial a la sortida del pont a partir de l’ús de drivers i de la proposta inicial corresponent a l’amplificador diferencial estàndard.
• Constatar les diferències entre els amplificadors d’instrumentació discrets i les solucions integrades que ofereixen els diferents fabricants de components electrònics.

- PRÀCTICA 3: DAQ: ADQUISICIÓ i PROCESSAMENT DIGITAL DE SENYALS en MATLAB (1-2 Sessions):

Adquisició, anàlisi i processat de senyals d’àudio (veu)

a través de la targeta de so (sound card) instal·lada a l’ordinador (targeta d’adquisició de dades dedicada) i governat per l’entorn de programació Matlab i les toolboxes de Data Acquisition i Signal Processing .

Els objectius específics de la pràctica són:

• Fidelitzar el programa Matlab, com a software de referència d’enginyeria, per analitzar dades, desenvolupar algoritmes i/o crear models.
• Familiaritzar-se amb l’eina de programació Matlab i la Data Acquisition Toolbox, per adquirir i analitzar senyals d’audio.
• Reinterpretació de la transformada de Fourier, l’FFT i l’espectre del senyal.

Generalitats:

A criteri del professor, es proposarà de forma paral·lela, la realització d’algunes parts de les experimentacions corresponents a la primera i segona pràctica mitjançant el paquet d’edició d’esquemàtics i simulació Orcad (es pressuposa el coneixement bàsic del mateix, una vegada cursades les dues assignatures predecessores que conformen la matèria de Sistemes Electrònics Analògics (Electrònica Analògica I i II).

Caldrà realitzar un informe per grups de cadascuna de les pràctiques, que finalitzarà amb un apartat obligat de conclusions. Aquest últim apartat de síntesi, comptabilitzarà el 20% de la nota de les pràctiques 1 i 3, i el 10% de la pràctica 2.

El número de sessions final per dur a terme la realització de les pràctiques serà funció del calendari en curs.

ACTIVITAT 2: EXERCICIS (10%):

[Vinculada a l’assoliment de les Competències CB2, CT2, CE23 (RA2, RA3) i CE24 (RA1)].

Combina una primera activitat individual de mitja durada i baixa intensitat, que consta de dos apartats i que es realitzarà a l’inici de curs, amb una segona, de curta durada i alta intensitat, que es durà a terme a l’espai de classe, en grups de dos persones, en un dia i hora fixat amb antelació.

A continuació es recullen els trets generals d’aquestes dues tasques:

• Activitat 2a: (2%+2%=4%): Consta de dos parts:
  • 1ª Part: Realització d’un exercici de recerca i parametrització d’un sensor específic a partir de la identificació de les seves característiques i especificacions més importants (sensibilitat, linealitat, marge d’operació, velocitat de resposta, etc...).
  • 2ª Part: Realització d’una revisió tipus blind peer-review del document lliurat per un dels companys, en la 1ª part de l’activitat. Constarà de la revisió del document anònim assignat, aportant un report de major and/or minor revisions  (correccions, precisions, millores i/o ampliacions) acompanyats del/els comentaris de justificació corresponents.
• Activitat 2b i Activitat 2c (3%+3%=6%): Resolució grupal (preferentment membres grup de pràctiques), de dos problemes específics, post lliurament de l’informe de les pràctiques 1 i 2 respectivament. Aquesta activitat es realitzarà amb apunts I es lliurarà al finalitzar la classe.

ACTIVITATS 3 i 4: EXAMENS PARCIALS 1 i 2 (30%+35%=65%):

[Vinculades a l’assoliment de les Competències CB2, CE23 (RA2) i CE24 (RA1)].

• Es realitzen dos exàmens parcials que consten cadascun d’ells de la resolució d’un nombre determinat problemes, que oscil·laran per regla general entre tres i quatre, en funció de la naturalesa i complexitat dels mateixos.
• El segon examen parcial inclourà de forma explícita, els continguts de la 2ª part de l'assignatura i de forma implícita, alguns propis de la 1ª part de la mateixa (i avaluats en el context del al primer parcial).
• El primer examen es realitzarà durant el curs en un dia fixat a l’inici de curs i el segon es realitzarà en la data programada per la direcció d’estudis un cop finalitzat el període de classes i dins del període estipulat d’exàmens.

En cas de confinament s'aplicaran els següents canvis:

1. Relatius a l’Activitat 1: La Pràctica 1, es subdividirà en una part teòrica prèvia i una segona part simulada amb l’entorn Cadence. La Pràctica 2 es realitzarà també en versió simulada mitjançant l’ús del mateix software. La Pràctica 3 no presentarà cap modificació.
2. Les Activitats 3 i 4 corresponents als exàmens parcials programats de l'assignatura, es realitzaran en format on-line.
3. En cas que es requereixi de l’activació del mecanisme de recuperació de les activitats 3 i 4, s’explorarà i es valorarà la possibilitat de realitzar un examen oral on-line de curta durada com a solució alternativa a la programació de l’examen de recuperació en format presencial.

La qualificació final serà la mitjana ponderada de les qualificacions de les activitats avaluables mencionades, com es concreta a continuació:

EXAMEN PARCIAL 1 (30%) + EXAMEN PARCIAL 2 (35%) + PRÀCTIQUES (25%) + PROBLEMES (10%)

Caldrà obtenir una nota mínima de 3 en les dues proves escrites, per poder optar a aplicar la ponderació corresponent.

Si la mitjana de l'assignatura és inferior a 5, es mantindran el 25% de la qualificació de pràctiques i el 10% de la qualificació obtinguda en la component de problemes i s'activarà paral·lelament un mecanisme de recuperació de les activitats 3 i 4 corresponents als exàmens parcials, que consistirà en la resolució d'un Examen de Recuperació i que comptabilitzarà el 65% del còmput total de la mateixa.

En cas de superar el global de l'assignatura sota aquest segon supòsit, la nota final de l'assignatura restarà acotada a 5.

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

ESPINOSA DURÓ, Virginia. Sensors i Condicionament del Senyal: Notes de classe. Col·lecció de problemes. Dossier de pràctiques. Publicació Interna ESUPT. Tecnocampus. Edició 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.