Componente Practico

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Ciencias e ingenierías

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA INSTRUMENTACIÓN_COMPONENTE PRÁCTICO

Práctica 1. GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS DE INSTRUMENTACIÓN Practica 2. ARQUITECTURA DE LOS SISTEMAS DE INSTRUMENTACIÓN Practica 3. APLICACIONES DE LOS SISTEMAS DE INSTRUMENTACIÓN

Presentado por. ANDRES FELIPE ROCHA VILLALOBOS. Código: 1067815515 JONATHAN LEWIA CABRERA DIAZ. Código: 88034378 ROLAND DAVID ALARCÓN FERNANDEZ. Código: 18957812

Presentado a. Tutor virtual. Ing. ELBER FERNANDO CAMELO QUINTERO Tutor presencial. Ing. PABLO ANDRÉS GUERRA GONZÁLEZ Grupo. 203038_19

UNIVERSIDAD NACIONAL A DISTANCIA-UNAD CEAD VALLEDUPAR 21 de noviembre de 2016

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INTRODUCCIÓN

En el curso de instrumentación de manera general pudimos entender los principios básicos de distintos elementos y conceptos que se manejan en el diario vivir de los ingenieros electrónicos y de telecomunicaciones en sus distintos campos laborales. De manera puntual conocimos el funcionamiento y diseño de un galvanómetro, voltímetro, óhmetro y amperímetro, además de las distintas funcionalidades y aplicaciones de los amplificadores operacionales, de instrumentación y los puentes en equilibrio, como lo son el de Maxwell, Wheatstone, kelvin entre otros. A continuación desarrollaremos las distintas actividades propuestas por la hoja ruta, para cada una de las 3 prácticas de laboratorio realizadas en la ciudad de Valledupar. De manera organizada iremos presentando y evidenciando con fotografías y pantallazos del software aplicados en los distintos procedimientos que fueron necesarios aplicar para llegar a cada una de las soluciones, además contextualizaremos cada una de las prácticas con su respectivo material de apoyo.

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OBJETIVOS Objetivo general. A través de la aplicación de fórmulas matemáticas y estudio de conceptos entender con claridad; las generalidades de un sistema de instrumentación, con el fin de poder comprender claramente cuál es la arquitectura de estos sistemas y a la postre llevarlos a la aplicación. Objetivos específicos. 

Reconocer las generalidades de un sistema de instrumentación y partes del galvanómetro.



Montar en protoboar el galvanómetro de arsonval.



Simular los circuitos de del galvanómetros de arsonval.



Calcular la resistencia Res del galvanómetro para utilizarlo como voltímetro o amperímetro.



Comprender la arquitectura de un sistema de instrumentación



Medir en un osciloscopio el desfase entre dos señales



Proponer aplicaciones de instrumentación

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GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS DE INSTRUMENTACIÓN

Instrumentos necesarios. 

Protoboard.



Resistencias (según valores calculados en el diseño).



Multímetro digital.

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

Voltímetro análogo con escala <= 30V. (Comprar para llevar al laboratorio).



Fuente de poder y cables para conexión.

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Material de apoyo Construcción de voltímetro con base a un galvanómetro Para convertir un instrumento de medida general no solo un galvanómetro en un voltímetro se deberá conocer resistencia en serie con aquellas escogidas según la escala que se defina tal como se ilustra en la imagen. Figura l. Galvanómetro

como voltímetro

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Se puede ver fácilmente que la tensión en la figura a leer es corriente que atraviesa el medidor.

Cuando se requiera utilizar un medidor de tal forma que la reflexión máxima en el galvanómetro corresponde Vab bastara calcular el valor correcto para la resistencia Rm.

Construcción de amperímetro con base a un galvanómetro Un instrumento de medida general no solo un galvanómetro con una resistencia interna Rm puede emplearse como amperímetro de varias escalas según la resistencia que se conecte en


paralelo a manera de desviación (shunt) nomenclatura es.

Figura 2. Galvauémetro

en la figura muestra la conexión y en ella

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como amperímetro

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( ) Se observa que la corriente total a medir es en todo caso proporcional a la corriente que circula por el medidor para garantizar un trabajo en la escala que se quiera protegiendo siempre el galvanómetro se puede calcular con la siguiente formula.

Procedimientos. Actividades a realizar 1. Realice las mediciones correspondientes para identificar: a. La corriente Im del voltímetro análogo

b. La resistencia Rm del voltímetro análogo Solución:


2. Diseñe e Implemente los circuitos que le permitan con el multímetro análogo medir en las siguientes escalas de voltaje: a. 0 – 10V Solución:

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3. Diseñe e implemente los circuitos que le permitan con el multímetro análogo medir las siguientes escalas de corriente: a. 0 – 20mA

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Simulación para medir corriente 0 – 20mA

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Simulación para medir corriente de 0 – 200mA 4. Diseñe e implemente los circuitos que le permitan con el multímetro análogo medir resistencias inferiores 10Kohm. Solución:

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Nos di cuenta cuan es la corriente que pasa por el medidor que es de 69.7mA con la resistencia que calculamos. 5. Analice de manera clara las diferencias, ventajas y desventajas de usar simulador y llevar los diseños a la práctica. Las ventajas de del simulador.  Son una solución económica ya que suplen a un sistema físico costoso.  Proveen de ciertas interactividad en el tiempo de simulación es decir manipular un número reducido de variables.  Permite realizar rápidamente y sin costo correcciones en el sistema.  Proporciona una ilustración sobre los principios involucrados y como son afectadas las las variables cuando se manipulan cada una ellas.

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 Al tratarse de un modelo matemático. Se mantiene un aislamiento total de efectos. externos  Permite el ensayo prototipo.

de soluciones

antes

de la implementación física de un

Desventajas de los simuladores 

Falta de precisión en el comportamiento del circuito. Por ejemplo la resistencias de carbón las resistencia reales tienen tolerancia resistencia virtuales son exactas y lo reales no.

 Desde un punto de vista académico no se logra la misma experiencia que un sistema real. Si el profesor nos está de acuerdo con la filosofía de este tipo de material y cree que sus estudiantes no serán capaces de lograr lo compuesto no secara provecho como es la práctica real a lo que es el simulador. 6. Concluya sobre los pasos del 1 al 4. Conclusión que el galvanómetro de arsonval está compuesto por una bobina interna que es Rm y la corriente máxima (Im) son las características más importantes del mecanismo conociendo estas dos magnitudes se puede diseñar un medidor de varias funciones tales como la tensión, corriente y resistencia para resistencia de bajo valor llamada shunt de esta manera el instrumento puede medir intensidad elevadas e tensión eléctrica con muy poca caída tensión ya que el amperímetro puede se conecta en serie con el circuito para la medida de la tensión eléctricas dispone de una resistencia alta valor llamada multiplicadora en serie con el galvanómetro así instrumento presenta una impedancia de entrada alta y la carga sobre el circuito.

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ARQUITECTURA DE LOS SISTEMAS DE INSTRUMENTACIÓN

Instrumentos necesarios.     

Protoboard Resistencias (según valores calculados en el diseño) Multímetro Fuente de poder. Cables para conexión

Material de apoyo Medicíoues de fase a). l\létoclo ele Barrido disparado La fase de mia señal senoidal es la medida angular que especifica de la posición de la onda relativa a una referencia. Si el cmce por cero cuando la señal va subiendo ocurre en O. decimos que la señal no está desfasada. Si la señal está corrida hacia la izquierda o la derecha con respecto a la señal de referencia. entonces la señal tiene un desfasamieuto que puede ser medido en ángulos o radianes. Dependiendo hacia qué lado esté corrida. ese desfasamiento es negativo o positivo. La figura muestra dos señales: A y B: la señal A no está como referencia. mientras que la señal B está desfasada por 30° Podemos decir entonces. que la señal B está atrasada por 30° en relación a la señal A

Figura 3. Corrimiento de dos señales senoidales

Osciloscopio. El osciloscopio es básicamente un dispositivo de visualización gráfica que muestra señales eléctricas variables en el tiempo. El eje vertical, a partir de ahora denominado Y, representa el voltaje; mientras que el eje horizontal, denominado X, representa el tiempo. ¿Qué podemos hacer con un osciloscopio? Básicamente: Determinar directamente el periodo y el voltaje de una señal. Determinar indirectamente la frecuencia de una señal. Determinar que parte de la señal es DC y cual AC. Localizar averías en un circuito. Medir la fase entre dos señales.


Determinar que parte de la señal es ruido y como varia este en el tiempo. Los osciloscopios sirven tanto al profesional como al investigador para análisis de laboratorio o de investigación. Podrá adquirir osciloscopios con rangos de 60, 100, 150 y 250 MHz, osciloscopios analógicos y digitales, osciloscopios en tiempo real y / o con memoria. Además están equipados con dos o cuatro canales, con pantalla monocromática o en color. Para algunos modelos existe un software opcional para imprimir los datos de la pantalla o para transmitir los datos de medición a un PC.

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Tipos de osciloscopios. Los equipos electrónicos se dividen en dos tipos: Analógicos y Digitales. Los primeros trabajan con variables continuas mientras que los segundos lo hacen con variables discretas. Por ejemplo un tocadiscos es un equipo analógico y un Compact Disc es un equipo digital. Los Osciloscopios también pueden ser analógicos o digitales. Los primeros trabajan directamente con la señal aplicada, está una vez amplificada desvía un haz de electrones en sentido vertical proporcionalmente a su valor. En contraste los osciloscopios digitales utilizan previamente un

conversor analógico-digital (A/D) para almacenar digitalmente la señal de entrada, reconstruyendo posteriormente esta información en la pantalla. Ambos tipos tienen sus ventajas e inconvenientes. Los analógicos son preferibles cuando es prioritario visualizar variaciones rápidas de la señal de entrada en tiempo real. Los osciloscopios


digitales se utilizan cuando se desea visualizar y estudiar eventos no repetitivos (picos de tensión que se producen aleatoriamente). ¿Qué controles posee un osciloscopio típico? A primera vista un osciloscopio se parece a una pequeña televisión portátil, salvo una rejilla que ocupa la pantalla y el mayor número de controles que posee. En la siguiente figura se representan estos controles distribuidos en cinco secciones: POYER

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un puente de Maxwell para la medición de inductancias y

Utilizaremos estos datos para el diseño la onda sinodales.

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Una fuente de corriente AC de 50Hz y amplitud 30.35v R1=10k R2= 10k R3 = 10K Cp. = 98P RX = ¿? LX = ¿? Hayamos la resistencia Rx

Hayamos la inductancia Lx

Con estos valores el puente es estable el voltaje nos da cero

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Podemos observar las tres señales en el puente maxwell la de color fucsia es la de la fuente la de amarillo la resistencia y la azul la del inductor que están desfasada con relación a la fuente. Paso 5: Diseñar e implementar Puente de Wheatstone; realice la medición de un potenciómetro de 100KΩ. Amplifique la salida del puente de wheatstone por un número igual al # de grupo + 7.      

Utilizaremos estos datos Fuente = 9V R1= 8KΩ R2 = 5KΩ R3= 100kΩ R4 = ¿?

Hallamos R4 con la formula

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3. Compruebe su funcionamiento. Analice. Podemos analizar en el puente de maxwell y Wheatstone de los puentes podemos medir con el voltímetro obtenemos un voltaje de cero cuando el puente está estable conectado al

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osciloscopio podemos ver cómo se comporta la corriente en los diferentes componentes y también que al cambiarle el valor a la resistencia RS se comporta la señales sinodal. 4. Realice los ajustes necesarios para el correcto funcionamiento de los diseños solicitados. Justifique desde el punto de vista matemático y de diseño los ajustes. En los cálculos matemáticos nos da un aproximado de la resistencia ideal para el puente dando como resultado que obtenemos para ajustar los circuitos con que teníamos a disposición el cual hay resistencias que no teníamos en físico lo cual estos circuitos en lo físico tienen algunos márgenes de error ya que las resistencias no son exactas. 5. Analice el funcionamiento antes y después de los ajustes. En este caso de los puente maxwell y de Wheatstone el resultado va ser el mismo ya que los cálculos se debemos de buscar la forma de adatarlos a los componentes físico tales como la resistencia y la bobina tal que el circuito va funcionar tal como es su principio de funcionamiento. 6. Justifique porque debió realizar ajustes en el diseño simulado para llevarlo a la práctica. Se hicieron ajuste en el diseño ya que en la práctica no contamos con la resistencia ideal para el circuito ya que los elementos calcúlalos tales como la resistencia RS nos va dar con volares decimales que nos den tales como las comerciales por lo tanto debemos ajustarla a los elementos que compremos en el mercado. 7. Analice de manera clara las diferencias, ventajas y desventajas de usar simulador y llevar los diseños a la práctica. En estas practica podemos apreciar que en los simuladores ponemos valores exactos de los componentes que no lo conseguimos en el mercado comercial los simuladores son de gran ayuda para tener una buena prueba de cómo va a quedar nuestro circuito con probándolo antes de comprar los materiales y viendo las posibles fallas que este puede tener. Es de gran importancia utilizar los simuladores nos sirve para hacer los diferentes circuitos propuesto en esta unidad y también verificar si nuestros cálculos son correctos para no causar daños a nuestro circuitos ya que es una herramienta virtual. 8. Concluya En este laboratorio aprendimos a simular circuitos tales como el puente de maxwell y Wheatstone y el osciloscopio de Proteus que fue de gran ayuda para poder ver cómo se comporta la corriente en los diferentes elementos de los circuitos y calcular la resistencia Rs en los diferentes configuraciones de estos circuitos y comprobó sus funcionamiento en el simulador proteos el cual montamos los dos puentes con ayuda de profesor.

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APLICACIONES DE LOS SISTEMAS DE INSTRUMENTACIÓN

Insumos necesarios. • Protoboard, • Resistencias (según valores calculados en el diseño) • Multímetro • Fuente de poder • Generador de señales • Osciloscopio. 1. Implementar los circuitos diseñados y simulados en la fase 3 del curso.

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2. Compruebe su funcionamiento.

Para realizar los ejercicio diseñamos e implementamos un puente de Wheatstone en donde realizamos la medición de un potenciómetro de 20 k y obtuvimos una salida de voltaje de 0-9 V, variando el voltaje según la posición del potenciómetro, de acuerdo a los cálculos, la simulación

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y la práctica no hubo mayor diferencia ya que los valores de los elementos son iguales para los tres casos. En el segundo ejercicio nuestra variable escogida fue la temperatura y podemos observar que al variar esta se puede evidenciar en los leds como se van encendiendo. 3. Realice los ajustes necesarios para el correcto funcionamiento de los diseños solicitados. Justifique desde el punto de vista matemático y de diseño los ajustes. Para ambos casos se puede evidenciar el correcto funcionamiento de los circuitos, como los valores de los elementos tanto en la parte teórica, simulada y practica son iguales no hubo la necesidad de realizar más ajustes. 4. Analice el funcionamiento antes y después de los ajustes. Como en los dos ejercicios no hubo la necesidad de realizar ajustes ya que los valores calculados correspondían a valores de los elementos comerciales y los circuitos funcionan de la manera adecuada, no se realizó ninguna clase de cambio. 5. Justifique porque debió realizar ajustes en el diseño simulado para llevarlo a la práctica. No se realizó ninguna clase de cambio en el diseño simulado, ya que este era sencillo y los valores de los elementos coincidían, por tal motivo todo funciono a la perfección. Para 10K Ω 6. Analice de manera clara las diferencias, ventajas y desventajas de usar simulador y llevar los diseños a la práctica. En los diseños se puede apreciar no existen diferencias ya que los valores todos coincidieron, que lógicamente existirá un pequeño margen de error al ver los resultados pero esto se debe a la precisión de los instrumentos pero pues no influyen mucho pues son decimales. En cuanto al segundo ejercicio nos tocó utilizar otro tipo de simulador y no el que veníamos utilizando que era el multisim, pues este en las librerías no contaba con los elementos electrónicos requeridos, por tal motivo se hizo necesario la instalación y aprendizaje del simulador Proteus. 7. Concluya Con esta práctica logramos apropiarnos de diferentes conocimientos, uso y aplicación de diferentes elementos electrónicos, logramos utilizar de forma adecuada otro simulador para la verificación del correcto funcionamiento del ejercicio dos, debido a la falta de tiempo y a cuestiones laborales no fue posible montar de forma física el segundo ejercicio y con ello evidenciar el encendido secuencial de los leds, también debemos destacar que como nuestros cálculos dieron como resultados valores que correspondían a los comerciales no realizamos ninguna clase de ajuste cuando se montaron en físico.

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CONCLUSIONES En las distintas prácticas de laboratorio llevamos una línea clara de aprendizaje en la cual pudimos aplicar los conocimientos aprendidos en el curso virtual de instrumentación y donde tuvimos un fortalecimiento de los conocimientos de cada una de las fases del curso, por la necesidad de implementar las simulaciones en el componente practico. En el desarrollo de los laboratorios aprendimos a medir un galvanómetro de arsonval, además conocimos su arquitectura, construir un voltímetro, óhmetro, amperímetro y sus configuraciones. Los instrumento de medidas en la electricidad y la electrónica están formado por dispositivos fundamentales de medición (galvanómetro de arsonval. conectado en serie o paralelo o misto una disposición adecuada dependiendo el uso que se haga de ellos). Además de lo mencionado anteriormente se pudo entender cada uno de los circuitos hechos con el simulador de una mejor forma, como implementarlos en nuestra vida como ingenieros, se pudo comprender las diferentes herramientas de medición para poder encontrar valores reales de cada simulación física, se dimensiono de una forma práctica cada herramienta física que se utilizó en el desarrollo de cada circuito.

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Componente Practico

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