Desarrollo de un sistema de instrumentación básico basado en detección de fase y demodulación síncrona para la enseñanza de mediciones de impedancia

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Título :	Desarrollo de un sistema de instrumentación básico basado en detección de fase y demodulación síncrona para la enseñanza de mediciones de impedancia
Autor :	GUADARRAMA SANTANA, ASUR
Fecha de publicación :	2019
Resumen :	La propuesta propone recursos de enseñanza para facilitar el aprendizaje didáctico de los sistemas de medición mencionados a un nivel muy elemental en bachillerato, y con mayor profundidad en nivel licenciatura y maestría, siendo un antecedente el proyecto PAPIME PE-110916, el cual servirá como soporte técnico en la implementación del dispositivo sensor modificando la geometría de los electrodos con el fin de mostrar que es posible realizar mediciones de impedancia en materiales con el sistema de instrumentación básico que se pretende construir en este proyecto, y comparar con las realizadas por un sistema comercial. De esta forma se estará preparando, en específico a los alumnos de ingeniería eléctrica, y a estudiantes de otros programas que cursen asignaturas sobre instrumentación, en la comprensión del principio de operación de instrumentos de medición de impedancias de bajo ruido comerciales, así como en algunas aplicaciones de la caracterización de materiales.
URI :	http://132.248.161.133:8080/jspui/handle/123456789/6072
metadata.dc.contributor.responsible:	GUADARRAMA SANTANA, ASUR
metadata.dc.coverage.temporal:	2019-2021
metadata.dcterms.educationLevel.SEP:	Licenciatura
metadata.dc.description.objective:	- Implementación del sistema - Realización de pruebas experimentales - Elaboración de material didáctico - Elaboración de informe técnico - Presentar resultados en congreso 1. Realizar simulaciones de elemento finito del sensor de campo eléctrico propuesto para obtener imágenes que se van a emplear en los recursos didácticos visuales. 2. Desarrollar e implementar el dispositivo sensor propuesto. 3. Analizar cada bloque que conforma un sistema de medición de impedancia para diseñar los bloques del sistema de medición de impedancias básico. 4. Implementar el sistema de medición básico utilizando componentes electrónicos. 5. Realizar pruebas experimentales para caracterizar la respuesta del sistema. 6. Realizar mediciones experimentales con el sistema de medición completo. 7. Elaborar material didáctico teórico en soporte electrónico. 8. Elaborar material didáctico visual. 9. Elaborar una propuesta de práctica de laboratorio empleando el material didáctico propuesto. 10. Elaborar informe técnico de fabricación de sensor de campo eléctrico. 11. Presentar trabajo en extenso de resultados obtenidos en congreso.
metadata.dc.description.hypothesis:	La instrumentación para realizar mediciones de impedancia es muy requerida en la investigación porque con ella se caracterizan: materiales, procesos físico-químicos y procesos biológicos. En la industria también es empleada como una herramienta de medición en los sectores: alimentario, químico, biológico, y físico-químico, entre otros. Estos sistemas de medición no se abordan a detalle en las asignaturas de Instrumentación (teoría y laboratorio) que se cursan en la licenciatura, debido a que estos sistemas requieren de algunos conceptos de análisis de señales, circuitos eléctricos, circuitos electrónicos analógicos y circuitos electrónicos digitales que los estudiantes no han consolidado por la ubicación de dichas asignaturas en los planes de estudio; lo que hace que su enseñanza sea complicada por la cantidad de tiempo que se requeriría. Otro aspecto a considerar, es el dispositivo sensor y acondicionamiento electrónico de la señal obtenida, que también requiere de un análisis extenso debido a que involucra el principio físico de funcionamiento del sensor. Cabe resaltar que este esquema de instrumentación básico es el concepto clave para entender la estructura de un sistema básico de medición de bajo ruido que no es común ver en las asignaturas de instrumentación a nivel licenciatura, maestría y doctorado. Por las razones expuestas, consideramos necesario proponer recursos que permitan la enseñanza de estos temas de instrumentación de forma visual mediante simulaciones para facilitar la comprensión del aspecto teórico, con prácticas de laboratorio usando material específico que permitan implementar un sistema de medición de impedancia básico para lograr que el estudiante entienda el principio de operación, obtenga datos experimentales para realizar su análisis y contraste sus resultados con los modelos teóricos.
metadata.dc.description.strategies:	Simulación de sensores de campo eléctrico - Estudiar distribución de campo y potencial eléctricos entre electrodos y determinar sus dimensiones y superficie de sensado. Fabricación de dispositivo sensor - Fabricación de electrodos conductores sobre substrato dieléctrico. Diseño electrónico de los bloques del sistema de medición - Busqueda de partes y componentes electrónicos - Realizar estudio teórico de las etapas de sensado, acondicionamiento electrónico, detector de fase y filtrado. - Simulación del circuito electrónico del sistema Implementación del sistema - Pruebas experimentales de caracterización - Realizar mediciones experimentales con sensores - Comparación de resultados teóricos con experimentales Realización de material didáctico - Visual con simulaciones - Experimental con desarrollo de prácticas de laboratorio El objetivo del proyecto es proponer una metodología didáctica mediante recursos visuales y experimentales para facilitar al estudiante el aprendizaje de los sistemas de medición de impedancia que no son vistos a profundidad en la licenciatura y maestría pero están presentes en diferentes áreas de la industria y representan una herramienta muy valiosa para los egresados en el campo de la Instrumentación, debido a que los sistemas de medición de impedancia son utilizados en la caracterización eléctrica de materiales, procesos físico-químicos y biológicos.
metadata.dc.description.goals:	Se realizó un estudio para el diseño e implementación de dos prototipos de sensores de campo eléctrico con electrodos de diferente geometría (coplanarios y punta-plano). Se realizaron mediciones de impedancia para caracterizar eléctricamente la respuesta en frecuencia de los prototipos de sensores propuestos con un equipo de medición LCR comercial. Se implementó un sistema de medición virtual en una pc que se conecta con el medidor LCR mencionado para monitorizar en tiempo real las variables requeridas en las mediciones. Este sistema permite configurar los parámetros de medición directamente desde una computadora y además se incrementa el registro de la memoria para guardar los datos obtenidos en las mediciones realizadas permitiendo aumentar los tiempos de medición y monitorización. Se propuso una metodología de medición con el sistema de medición LCR-Virtual para realizar la medición y caracterización de elementos pasivos resistivos, reactivos y dispositivos sensores. Se propuso una serie de actividades prácticas, utilizando el sistema y metodología de medición implementados, enfocadas a la enseñanza de la impedancia eléctrica de elementos resistivos y reactivos y su aplicación para caracterizar eléctricamente estos elementos y sensores con materiales bajo prueba. Se redactaron notas para curso de Instrumentación Electrónica sobre la teoría de funcionamiento de sistemas de medición de señales eléctricas complejas la cual es la base de los sistemas de medición LCR y de sistemas de medición de bajo ruido comerciales. Se redactaron dos notas de curso sobre el desarrollo y diseño de un sistema de simulación electrónica didáctico, para medir señales eléctricas complejas, basado en los conceptos teóricos de las notas de curso de Instrumentación Electrónica. Se muestra la comparación de los resultados teóricos para los casos de un circuito RC en paralelo y en serie, con los resultados obtenidos del sistema de medición simulado y con mediciones experimentales realizadas con el LCR para caso. Se realizaron dos presentaciones para curso basadas en las notas de curso mencionadas anteriormente para el caso de un circuito RC en paralelo y en serie. Se proponen actividades prácticas y una serie de preguntas teóricas y prácticas relacionadas con las actividades a realizadas para cada caso. Se presentó el trabajo en extenso, “Simulación de un sistema de medición electrónico didáctico basado en demodulación síncrona para determinar la impedancia eléctrica de un circuito reactivo pasivo”, en el cual se presentan el desarrollo teórico y el diseño electrónico del sistema de medición didáctico propuesto, así como los resultados obtenidos Se realizó un informe técnico sobre el desarrollo e implementación del sistema de medición LCR-Virtual y la metodología de medición propuesta. Aquí se explica a detalle la implementación del instrumento virtual, los pasos de configuración del sistema de medición para realizar las mediciones y la metodología de medición propuesta.
metadata.dc.description.selfAssessment:	El proyecto cumplió con la mayoría de las metas propuestas en relación a el sistema de medición propuesto LCR-Virtual, informe técnico del sistema de medición, actividades prácticas de laboratorio relacionadas con la medición de impedancia eléctrica, notas de curso que tratan los aspectos teóricos de los sistemas de medición de señales eléctricas complejas, notas de curso que tratan del desarrollo, diseño y simulación de un sistema de medición didáctico de señales complejas para el caso de circuitos eléctricos RC en serie y en paralelo, presentación de notas con actividades prácticas realizando simulaciones con el sistema de medición propuesto para los casos de circuitos eléctricos RC en serie y en paralelo y presentación en congreso de un trabajo en extenso del sistema de medición propuesto para circuitos RC en paralelo y resultados obtenidos. Por otro lado quedaron inconclusas las actividades de puesta en operación y configuración de una máquina CNC para realizar la fabricación de dispositivos sensores capacitivos coplanarios, circuitos impresos y monturas mecánicas necesarias en la implementación del sistema de medición didáctico. La propuesta inicial era que el alumno implementara y realizara mediciones experimentales, en tabletas para prototipos electrónicos, con el sistema propuesto para que monitorizara las señales eléctricas en cada etapa del sistema, midiera las componentes real y compleja de señales de voltaje, calculara los valores de resistencia, capacitancia, ángulo de desfasamiento y magnitud de la impedancia y que los comparara con los obtenidos con los resultados teóricos, simulados y experimentales. De esta forma podría comprobar los fundamentos teóricos y prácticos relacionados con la impedancia eléctrica y principio de operación del sistema de medición. Esto debido a retrasos con la adquisición de equipo y materiales además del cierre de las instalaciones de la UNAM por la situación de contingencia que se presentó el año pasado y el presente. Sin embargo, el material didáctico de simulación desarrollado en el proyecto es muy conveniente para las clases a distancia las cuales se están realizando en todas las instituciones educativas. El material didáctico desarrollado se ha utilizado en clases a distancia del Posgrado de Ingeniería Eléctrica (Instrumentación) pero puede adaptarse para un nivel de Licenciatura en Ingeniería Eléctrica en materias que presenten temas de Electricidad, Circuitos Eléctricos, Electrónica e Instrumentación.
metadata.dcterms.provenance:	Instituto de Ciencias Aplicadas y Tecnología (ICAT)
metadata.dc.subject.DGAPA:	Ingenierías bajo ruido campo eléctrico capacitancia impedancia Instrumentación Sensores
metadata.dc.type:	Proyecto PAPIME
Aparece en las colecciones:	1. Área de las Ciencias Físico Matemáticas y de las Ingenierías

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