tema: instrumentación y conocimiento del equipo · continúe con el paso 8, si son las puntas del...

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Tema: Instrumentación y Conocimiento del Equipo

Conocer algunos de los módulos del laboratorio de instrumentación y control

Realizar circuitos utilizando los paneles de instrumentación y control

Utilizar osciloscopios digitales para obtener las gráficas de voltaje de diferentes plantas

• 1 Termómetro• 1 Fuente de alimentación 15 VDC [SO3538-8D]• 1 Referencia de voltaje [SO3536-5A]• 1 Amplificador de potencia [SO3536-7Q] • 1 Sistema controlado de temperatura [SO3536-8T]• 1 Módulo con bomba [SO3536-9H]• 1 Módulo con tanque de llenado [SO3536-9K] • 1 Convertidor de presión a voltaje [SO3535-7U]• 1 Voltímetro de bobina móvil [SO5127-1H]• 2 Puntas para voltímetro• 1 Computadora con Run Intuilink Data Capture y PicoScope instalado• 1 Osciloscopio digital [DSO1052B] • 1 PicoScope 2204A• 2 Puntas para el osciloscopio DSO1052B• 2 Puntas para el PicoScope 2000• 1 Cable USB tipo A/B• 5 Cables• 12 Puentes• 1 Switch

Actualmente tanto en la industria como en el campo domestico es necesario controlar y mantenerconstantes algunas magnitudes, tales como presión, caudal, nivel, temperatura, pH, conductividad,velocidad, humedad, etc. Para el control y mantenimiento de estas magnitudes se ha desarrollado toda

Facultad: Ingeniería.Escuela: Electrónica.Asignatura: Sistemas de Control Automático.Lugar de ejecución: Instrumentación y Control (Edificio3, 2da planta).

Objetivos específicos

Materiales y equipo

Introducción teórica

Sistemas de Control Automático. Guía 1

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una teoría de control automático apoyada grandemente en instrumentos de medición y control.

En los inicios de la era industrial, la calidad de los productos estaba sujeta a la habilidad y dedicación delos operarios de las fábricas, los cuales velaban constantemente por el buen funcionamiento de la plantamediante controles manuales: válvulas, manómetros, termómetros, etc. Esto era permisible en aquelentonces, donde los procesos eran bastante simples; no obstante, los procesos actuales son mucho máscomplejos que los de aquella época y requieren de un mayor seguimiento, precisión y ejecución que nopuede exigírsele a un operario. Es a raíz de esta situación que los instrumentos de medición han idoprogresando hasta alcanzar el nivel actual y el control se realiza de manera automática. De igual formaen el campo doméstico aparatos como calefacción o aire acondicionado regulan automáticamente latemperatura y humedad de los hogares y edificios para lograr un ambiente agradable para las personassin que estas tengan que estar manipulando el aparato constantemente.

Todo sistema de control se compone de los siguientes elementos básicos:

• Señal de Referencia (Setpoint o consigna): es una señal de entrada conocida que nos sirvepara calibrar al sistema.

• Detector de error: como su nombre lo indica obtiene una señal de error de la diferencia entrela señal de referencia y la de realimentación.

• Controlador: gobierna el comportamiento del sistema en función de la señal de error.• Actuador: es un elemento que recibe una orden desde el regulador o controlador y la adapta a

un nivel adecuado según la variable de salida necesaria para accionar el elemento final decontrol, planta o proceso.

• Planta: Es el elemento que se desea controlar. Generalmente es un equipo, quizás un juego depiezas de una máquina, funcionando conjuntamente, cuyo objetivo es realizar una operacióndeterminada.

• Transductor: transforma una magnitud física en otra que es capaz de interpretar el sistema. Laseñal del transductor se realimenta para confrontarla con la señal de referencia, y de esta formarealizar o no una acción correctiva en el sistema.

El laboratorio de Instrumentación y Control nos permitirá trabajar y conocer el comportamiento y larelación que guardan estos elementos entre sí dentro de un sistema de control. Además está diseñadopara proveer al estudiante de los conocimientos básicos para la medición y control de las variables antesmencionadas a fin de poder aplicar esto en procesos más complejos dentro de la industria.

En la materia de Sistemas de Control Automático se utilizan en la mayoría de prácticas equipo didácticoLucas Nülle el cual está compuesto de módulos que requieren una alimentación de +15 VDC y -15VDC; Para formar un sistema estos módulos se deben interconectar con otros por medio de puentes.

Para medir voltaje o corriente se utilizarán multímetros de bobina móvil y para obtener gráficas devoltaje de los sistemas se utilizará un osciloscopio digital DSO1052B marca Agilent/Keysight o unPicoScope 2204A.

Para analizar sistemas de control automático se utilizará el programa MATLAB con su toolbox desistemas de control y su entorno de programación visual Simulink.


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Notas: Lea la guía de laboratorio antes de realizar los procedimientos. Esto le ayudará a clarificar elobjetivo perseguido, así como le ahorrará tiempo al ejecutar la práctica. Los grupos iniciarán con laparte I o II según el sistema que se le haya asignado y luego se intercambian

PARTE I. SISTEMA DE TEMPERATURA

Para esta parte utilizará el PicoScope para obtener las gráficas de salida del sistema

1. Arme el sistema que se muestra en la Figura 1.1, uniendo los módulos por medio de puentes, noolvide colocar el puente #1, puente #2 y el switch 1 que se indican en la figura, el switch 1 debeestar en la posición de abierto, verifique con el docente de laboratorio las conexiones.

Figura 1.1. Montaje del sistema térmico.2. Mida con un termómetro la temperatura ambiente del laboratorio y anótela a

continuación:______ºC3. Si ya está seguro de las conexiones, encienda la fuente de alimentación y mida con el voltímetro

el voltaje existente entre el punto que esta etiquetado como “S” en la Figura 1.1 y tierra, paraello presione en el multímetro el botón de Voltaje Directo (V=), luego conecte los terminales dela escala de 10V y 0 V= a los puntos correspondientes. Anote el valor obtenido: _____ V.

4. El punto etiquetado como “S” es la salida del transductor que convierte la temperatura delsistema en voltaje (que en este caso sería la temperatura ambiente, pues la planta aun no estáenergizada ya que el switch 1 está abierto), si la relación del transductor según se indica en elmódulo es de 10 °C por cada voltio, según la medida anterior ¿Cuál es la temperaturaambiente?:_______°C.NOTA: Como puede ver, esta no coincide con la del paso 2 debido a que el transductorpresenta un offset, por tanto para obtener el valor real de las mediciones posteriores,deberá hacer una regla de tres, sabiendo que la temperatura que tomó en el paso 2 eltransductor la lee como en el paso 4.

5. Revise las conexiones con el docente de laboratorio, si todo es correcto conecte el PicoScopemediante el cable USB a la computadora, conecte el canal A del PicoScope a la entrada delmódulo “Amplificador de potencia” (indicado como YR en el módulo) y el canal B a la salida deltransductor. No olvide conectar el terminal de tierra de una de las puntas a 0V en el sistema

6. Encienda la computadora y abra el programa PicoScope (si se indica que el PicoScope no sereconoce intente en otro puerto USB), coloque la escala tanto del canal A como del B en ± 20V

Procedimiento


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y la escala de tiempo en 20 s/div (Ver Figura 1.2).

Figura 1.2. Escalas del canal A y canal B del PicoScope.

7. Si está utilizando puntas con atenuación recuerde dejarlas en la opción 1X (ver Figura 1.3) ycontinúe con el paso 8, si son las puntas del osciloscopio Agilent/Keysight será necesario indicaren el PicoScope (en el canal correspondiente) que la punta tiene una atenuación de x10 como seindica en la Figura 1.4

Figura 1.3. Selección de la atenuación de la punta del osciloscopio para PicoScope.

Figura 1.4 Selección de atenuación de la sonda si se están utilizando las Agilent/Keysight.

8. Presione el botón “Parar” para detener la captura (Ver Figura 1.5), luego presione el botón “Ir”, laventana se limpia e inicia la graficación.

Figura 1.5 Botones para Iniciar y Parar la graficación en el PicoScope.

9. Como puede observar la señal del canal B que es la salida del transductor es diferente de cero,


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puesto que hay voltaje equivalente a la temperatura ambiente, detenga la graficación dando clicen el botón “Parar”.

10. Mida el voltaje equivalente a la temperatura ambiente en la gráfica utilizando un cursor, paraello como se muestra en la Figura 1.6 de clic en el cuadrado y arrástrelo hacia donde seencuentra la señal, en pantalla se mostrará el valor, anótelo:______________V. De la mismaforma es posible utilizar un segundo cursor si se necesita y también se mostrará la diferenciaentre el valor de uno y otro. Para eliminar el o los cursores simplemente cierre la ventana dondese muestra el valor de estos.

Figura 1.6. Cursores en PicoScope.11. ¿Cómo se compara este valor con el obtenido en el paso 3? ________________________________12. Ajuste el voltaje de referencia del sistema (módulo Setpoint) al 80%, inicie la graficación, y esta

vez cuando las señales pasen por la línea de 20s, cierre el switch 1 para obtener la respuesta delsistema a una entrada escalón.

13. Deje que la gráfica termine en la primera pantalla y pase a la siguiente para estar seguros de queel sistema ha alcanzado la estabilidad, cuando observe que la gráfica se ha estabilizado, presioneel botón “Parar” para detener la graficación.

14. Puede desplazarse entre las señales que almacenó el PicoScope dando clic en los botones“Anterior” y “Siguiente”. (Ver Figura 1.7).

Figura 1.7. Botones para desplazarse entre las señales que se guardaron en la memoria.

15. En la segunda pantalla mida el valor de voltaje equivalente al valor de temperatura en que seestabilizó el sistema:_____________V. Tomando en cuenta la nota del paso 4 ¿a que valor detemperatura real se estabilizó el sistema? __________°C.

16. Para guardar las señales en la computadora vaya al menú “Archivo”, luego elija “Guardar todaslas señales como...”, se abrirá un cuadro de dialogó donde es posible seleccionar como seguardarán las señales y si se almacenará solo una, un rango o todas. Elija la ruta donde las deseaalmacenar, en “Tipo” seleccione “PNG(*.png)”, coloque un nombre para el archivo y en“Opciones” seleccione “Todas las formas de onda (conteo:2)” y de clic en “Guardar”.


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17. Vaya a la ruta y verá que se almacenaron las dos imágenes .png de la señal, si se quisieran lospuntos “x” y “y” de las gráficas entonces debe almacenar las señales como .txt.

18. Cierre el programa PicoScope, apague la fuente de alimentación, desconecte el sistema y apaguela computadora.

PARTE II. SISTEMA HIDRÁULICO

Para esta parte utilizará el osciloscopio DSO1052B para obtener las gráficas de salida del

Guía básica para el uso del osciloscopio DSO1052B

1. Conecte la alimentación del osciloscopio y enciéndalo presionando la tecla correspondienteubicada en la parte superior.

Figura 1.8. Encendido del osciloscopio.

2. Conecte una de las sondas o puntas al canal 1 del osciloscopio y luego a la señal de pruebaProbe comp (ubicada en la esquina inferior derecha del osciloscopio, ver Figura 1.13). Si estáusando las puntas del fabricante del osciloscopio (Agilent/Keysight) continúe con el paso 3, sinoasegúrese que el selector de atenuación esté puesto en 10X (ver Figura 1.9).

Figura 1.9. Selección de la atenuación de la punta del osciloscopio.

3. Presione en el osciloscopio la tecla Default Setup (Figura 1.12) para que se coloquen los ajustesque trae por defecto el osciloscopio.

4. Presione la tecla selección de canal 1 (Ver Figura 1.10), en la pantalla debe mostrarse el menúpara las opciones del canal CH1, tales como: acople, límite de banda, sonda, etc. Si se requierecambiar alguno de estos parámetros ubíquese en la tecla programable (ver Figura 1.11) que estéjunto al parámetro a cambiar. Por ejemplo para cambiar el acople del osciloscopio presione latecla que está a la par de la opción, aparecerá un submenú, luego con la perilla de selección(ver Figura 1.12) verá que puede desplazarse entre las opciones CC, CA y GND, en este casoelija CC (corriente continua), presione la misma perilla para seleccionarla y para apagar el menú


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presione la tecla correspondiente Menu On/Off (Ver Figura 1.11).5. En pantalla debe mostrarse la señal de Probe Comp según la referencia y las escalas de voltaje y

tiempo que coloca por defecto el osciloscopio, pero para obtener una mejor visualización de lamisma, presione la tecla de Auto Scale (ver Figura 1.12) para que el osciloscopio seleccione lareferencia y las escalas de voltaje y tiempo en las que se verá mejor la señal medida, deberá verla señal que se muestra en la Figura 1.11.

Figura 1.10. Control de los canales.

Figura 1.11. Opciones canal 1 y señal de prueba.


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Figura 1.12. ubicación de la perilla de selección y de escala horizontal, tecla de autoescala ycontrol de ejecución.

Figura 1.13. Teclas de Menú y señal de prueba.

6. Presione de nuevo la tecla Menu On/Off para apagar el menú que se desplegó.7. En pantalla aparece el valor tanto de la escala de voltaje como de tiempo que seleccionó el

osciloscopio (ver Figura 1.11), cambie la escala de voltaje con la perilla de escala vertical delcanal 1 (ver Figura 1.10) a 1.00V/ y la escala de tiempo a 200.0us/ con la perilla de escalahorizontal (ver Figura 1.12).

8. Cambie el acople del canal 1 a GND para verificar donde está la referencia de la señal,comprobará que fue colocada en la penúltima linea horizontal de la pantalla. Con la perilla deposición del canal (ver Figura 1.10) puede mover esta referencia, colóquela en la línea centralde la pantalla y luego regrese el acople a CC.

9. Presione la tecla de menú Cursors (ver Figura 1.13), se desplegará un menú, en Modo cámbielo


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a Manual, se desplegarán nuevas opciones, en la opción Tipo elija Amplitud, en fuente CH1y que este activado solamente el cursor A (marcado en celeste el símbolo de selección ),apague el menú con la tecla Menú On/Off y con la perilla de selección mueva el cursor altope de la señal para saber su valor pico a pico, el cursor A, denominado como CurA deberáindicar un valor aproximadamente de 2.8 a 3.00V.

10. Presione de nuevo la tecla de menú Cursors, desactive el cursor A dando clic en el símbolo correspondiente y active el B, mueva ahora con la perilla de selección y desplace el cursor B a laparte inferior de la señal verá que se muestra el valor de 0.00V en este cursor. En pantallaentonces se mostrará el valor del cursor A (aprox. 3V), el valor del cursor B (0.0V) y la diferenciade ambos cursores B-A (∆y aprox. -3V) .

11. La tecla Run/Stop sirve para detener la adquisición de datos del osciloscopio y capturar enpantalla la última señal adquirida para analizarla, presione esta tecla, observará que se torna decolor rojo y que en pantalla se muestra la última señal adquirida, presione de nuevo la teclapara que el osciloscopio siga adquiriendo datos, la tecla vuelve a amarillo y se muestra enpantalla las señales que se adquieren en ese momento.

12. Si desea ver también la señal del canal 2 presione la tecla para seleccionar ese canal, deberámostrarse en pantalla una señal de color verde, si quiere dejar de ver algún canal, desactívelopresionando la tecla correspondiente, la tecla se apagará y la señal ya no se mostrará.

13. Si se desea almacenar o ver la señal del osciloscopio en la computadora conéctela por medio deun cable USB tipo A/B al puerto USB del osciloscopio en la parte posterior (Ver Figura 1.14).

Figura 1.14. Puerto USB del osciloscopio para conectarse con la computadora.

14. Ubique y abra el programa Run intuilink Data Capture.15. Se abrirá la ventana del programa, ahí seleccione del menú Instruments la opción Agilent 1000

series.16. Si le aparece la primera ventana de la Figura 1.15 continúe con el paso 17 y si es la de la Figura

1.17, simplemente presione OK en la ventana y continúe con el paso 18.17. De clic en el botón Find Instrument, el programa abrirá otra ventana (segunda imagen de la

Figura 1.15), ahí presione Identify Instruments deberá mostrar el osciloscopio en la lista deinstrumentos identificados, de clic sobre el nombre para seleccionarlo y luego presione OK enambas ventanas.


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Figura 1.15. Ventanas Agilent 1000 Series Add-In y Find Instruments.

18. El osciloscopio hará la primera captura con parámetros que alguien ajustó anteriormente, seesperaría ver una ventana con la imagen de la pantalla del osciloscopio y otra que contiene lospuntos de la señal, sino es así probablemente es por la configuración de las opciones de captura.

Figura 1.16. Primeras capturas del Intuilink.

NOTA: Una vez el osciloscopio ha sido reconocido por Intuilink este ya no responde si se lequiere cambiar una opción mediante las teclas o perillas, para realizar un cambio en elmismo deberá desconectarlo de la PC, cambiar lo que se desea y realizar otra vez el procesode conexión con Intuilink.

19. Para cambiar los parámetros de captura, seleccione del Menú Instruments la opciónDSO1052B, si selecciona las opciones que se muestran en la Figura 1.17, se va a adquirirúnicamente la imagen de la pantalla del osciloscopio y sin invertir los colores de esta, si deseaadquirir también los puntos X-Y de la señal deberá seleccionar la opción Get Waveform Data.


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Presione OK para realizar la captura.

Figura 1.17. Pestaña Get Waveform Data.

Nota: La opción “Enable run after get waveform complete” se selecciona si se desea que encuanto se haga la captura, el osciloscopio automáticamente se ponga en run y siga adquiriendoseñales.

20. Para guardar la imagen de clic sobre la ventana de la captura de pantalla (que tendrá el nombrede screen y un número) y elija guardar como, esta se guardara en formato .png. De igual forma sise desean guardar los puntos de la señal X-Y debe de dar un clic encima de la ventana de puntosde la gráfica (tiene el nombre de Waveform y un número), chequear la opción Include X-axisdata on save y luego guardar como.

21. Desconecte por el momento el osciloscopio de la computadora y apáguelo.22. Arme el sistema que se muestra en la Figura 1.18, uniendo los módulos por medio de puentes,

no olvide colocar el switch 1, este debe estar en la posición de abierto, verifique con el docentede laboratorio las conexiones.

19. Coloque la perilla de entrada del tanque (ubicada en la esquina superior izquierda) con lospuntos verde arriba y rojo abajo al frente, lo que indica que la entrada en el fondo del tanqueestá bloqueada y solamente entra el líquido por el orificio superior.

20. En la perilla de salida (esquina superior derecha) los diferentes tamaños del punto verde indicanla apertura de la válvula y el punto rojo que está completamente cerrada, deje la válvula cerradaubicando el punto rojo al frente.

21. Asegúrese que el tubo de medición del sensor de presión este dentro del orificio indicado y quetambién este fijado en el orificio inferior del tanque.

22. Pida al docente de laboratorio que revise las conexiones antes de continuar.23. A continuación se va a ajustar el valor de 0 del transductor de presión, para ello encienda la


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fuente, coloque la perilla del voltaje de referencia (SET POINT) al máximo y cierre el switch 1, labomba de llenado deberá activarse y el tanque empezará a llenarse, deje que se llene un poco yabra el switch.

Figura 1.18. Montaje del Sistema Hidráulico.

24. Vacíe el tanque abriendo la válvula de salida (cualquier punto verde al frente), cuando ya estécompletamente vacío mida con el voltímetro el voltaje existente entre el punto que estaetiquetado como “S” en la Figura 1.18 y tierra, para ello presione en el multímetro el botón deVoltaje Directo (V=), luego conecte los terminales de la escala de 10V y 0 V= a los puntoscorrespondientes.

25. Debería obtener un valor de 0 V en ese punto ya que es la salida del transductor que convierte lapresión del sistema en voltaje, y con el tanque vacío la presión debe de ser cero. Si no es ceroajuste cuidadosamente con la perilla llamada “Zero Point” del módulo Convertidor P/V para quehaya 0 voltios en este momento que la presión es cero.

26. Una vez ajustado el valor de 0 V, coloque la válvula de salida al mínimo girando la perilla ensentido de las agujas del reloj y dejando al frente el primer punto verde que sigue al punto rojo.

27. Coloque la perilla del módulo de voltaje de referencia (SET POINT) al 80%.28. Conecte el canal 1 del osciloscopio a la entrada del módulo “Amplificador de potencia”

(indicado como YR en el módulo) y el canal 2 en la salida del “transductor presión/voltaje”(punto etiquetado como “S” en la Figura 1.18). No olvide conectar el terminal de tierra de una delas puntas a 0V en el sistema.

29. Encienda el osciloscopio y coloque la referencia de los dos canales en la penúltima líneahorizontal de la pantalla del osciloscopio.

30. Ajuste las escalas de voltaje de ambos canales en 2.00V/ con las correspondientes perillas deescala vertical (ver Figura 1.10) en la parte inferior se mostrarán y la escala de tiempo en20.00s/ con la perilla de escala horizontal.

31. Con la perilla Ajuste a cero horizontal (Ver Figura 1.12) coloque el inicio de la graficación


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que tiene este símbolo a la izquierda en el tope de la pantalla del osciloscopio (apareceráel mensaje “Posición de disparo en el límite”).

32. En las teclas de menú, ver Figura 1.13, seleccione Display, luego en el menú que se despliegaen pantalla, ubique la opción Persistenc y con la tecla programable correspondiente elija laopción Infinito.

33. Siempre en el menú de Display seleccione la opción Limpiar, unos segundos después derealizado esto iniciará la graficación, deberá observar que ambas señales están en cero voltios sise calibró correctamente el 0 del transductor.

34. Limpie de nuevo la pantalla como lo hizo en el paso anterior, y esta vez cuando las señalespasen por la segunda o tercera linea vertical de la pantalla del osciloscopio, cierre el switch 1para obtener la respuesta del sistema a una entrada escalón.

35. Deje que la gráfica termine en la pantalla y vuelva a comenzar y cuando observe que la gráficase ha estabilizado, presione dos veces la tecla Run/Stop para detener la graficación.

36. Anote el valor que se indica en el voltímetro ahora que se ha estabilizado la presión_________V.37. Obtenga el valor de voltaje equivalente a la presión estable en la gráfica ya sea con el cursor o

manualmente sabiendo que la escala en “Y” es de 2V/div _________V. Compare este valor con elvalor obtenido en el paso 36 __________________________________________________________.

38. Si la relación del transductor es de 200Pa por cada voltio, según la medida anterior ¿A quepresión se estabiliza el sistema?: ______Pa.

39. Conecte el osciloscopio a la computadora y capture la imagen actual de la pantalla delosciloscopio y guárdela.

40. Apague la fuente de alimentación, desconecte el sistema y apague la computadora.

1. Presente las gráficas y las respuestas a las preguntas realizadas a lo largo del procedimiento.

• Ogata, K., (2010), Ingeniería de Control Moderna, Madrid, España: Pearson Educación, S.A.• Kuo, B., (1996), Sistemas de Control Automático, México DF, México: Prentice Hall

Hispanoamericana, S.A.


Bibliografía

Análisis de Resultados

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EVALUACIÓN

% 1-4 5-7 8-10 Nota

CONOCIMIENTO 25 Conocimiento deficiente de los siguientes fundamentos teóricos:-Partes de un sistema de control automático y sus funciones.-Partes del osciloscopio y sus funciones.

Conocimiento y explicación incompleta de los fundamentos teóricos.

Conocimiento completo y explicaciónclara de los fundamentos teóricos.

APLICACIÓN DELCONOCIMIENTO

70 Cumple solo con uno de los siguientes criterios:-Identifica la función de los módulos del laboratorio de Instrumentación y Control -Arma correctamente los sistemas utilizando los paneles de Instrumentación yControl. -Utiliza correctamente el osciloscopio para obtener las gráficas de voltaje de las plantas.-Utiliza correctamente el PicoScope para obtener las gráficas de voltaje de las plantas.

Cumple con dos o tres de los criterios.

Cumple con los cuatro criterios.

ACTITUD 2.5 Es un observador pasivo. Participa ocasionalmente o lo hace constantemente pero sin coordinarse con su compañero.

Participa propositiva e integralmente en toda la práctica.

2.5 Es ordenado pero no hace unuso adecuado de los recursos.

Hace un uso adecuadode lo recursos, respeta las pautas de seguridad, pero es desordenado.

Hace un manejo responsable y adecuado de los recursos conforme a pautas de seguridad e higiene.

TOTAL


Hoja de cotejo: 1

Guía 1: Instrumentación y Conocimiento del Equipo

Alumno:

Docente: Fecha:GL:

Puesto No:

tema: instrumentación y conocimiento del equipo · continúe con el paso 8, si son las puntas del...

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