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Desarrollo de instrumentos de medición virtuales para smartphones y tablets en el ámbito de la ingeniería eléctrica

Instituto Universitario de Investigación de Ingeniería Energética

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Las prácticas de laboratorio son un elemento fundamental para la desarrollo de habilidades y competencias en las enseñanzas técnicas y científicas. En estas enseñanzas, el estudio de los fenómenos y la extracción de conclusiones y métodos de trabajo propuestos en las clases de teoría y problemas se debe integrar siempre con experiencias que complementen y/o refuercen el aprendizaje.

Desafortunadamente, en la mayoría de los ámbitos científicos y técnicos, hasta ahora sólo se podía contar con instrumentación tradicional, instrumentación que con frecuencia introduce barreras o dificultades en el proceso de aprendizaje en tres aspectos fundamentales: proporciona magnitudes directas sin establecer relaciones entre diferentes lecturas simultáneas o correspondientes a experimentos relacionados, el uso y manejo es a menudo complejo y requiere formación previa y, finalmente, requiere tediosos protocolos de toma de lecturas.

Investigadores del grupo iSEE (Instalaciones, Sistemas y Equipos Eléctricos) del IIE (instituto de Ingeniería Energética) trabajan en el desarrollo de instrumentos virtuales para smartphones y tablets que evitan las citadas dificultades ya que permiten el procesado de las medidas directas de forma que sean más significativas para el experimentador utilizando interfaces de usuario intuitivas similares a las de otras aplicaciones móviles con las que los estudiantes están familiarizados y que gestionan de forma eficiente la recopilación de datos de las experiencias y la generación de informes de ensayo. Estos instrumentos cuentan con la ventaja adicional de ser un elemento motivador ya que utiliza tecnologías familiares y cercanas al estudiante (al mismo tiempo que muy novedosas).

Los investigadores de la UPV han desarrollado ya varios de estos instrumentos virtuales aprovechando su experiencia en métodos numéricos para el diseño y análisis de máquinas y dispositivos eléctricos, automatización industrial de máquinas e instalaciones eléctricas y diagnóstico de averías en máquinas eléctricas mediante técnicas avanzadas de procesamiento de señal. Los instrumentos virtuales desarrollados abarcan experiencias variadas en la ingeniería eléctrica como control de iluminación mediante lámparas de descarga, compensación de potencia reactiva, circuitos magnéticos de máquinas eléctricas, curvas de disparo de elementos de protección de instalaciones o sistemas de arranque de motores asíncronos. La experiencia del grupo es directamente aplicable a otras áreas científicas y/o técnicas en las que se cuente con sensores y actuadores eléctricos/electrónicos para la realización de ensayos.

Responsable científico

Martínez Román Javier Andrés

Participantes

Pineda Sánchez Manuel, Martínez Román Javier Andrés, Roger Folch José, Pérez Cruz Juan

Aplicaciones

Actualmente están desarrolladas varias aplicaciones todas ellas relacionadas con laboratorios de tecnología y máquinas eléctricas: 1.- Circuitos magnéticos de máquinas eléctricas: pérdidas de potencia y consumo de reactiva y su relación con el ciclo de trabajo del material ferromagnético 2.- Arranque estrella triángulo de motores asíncronos. Corriente transitoria, influencia de la tensión y del tiempo de cambio estrella-triángulo. 3.- Curvas de disparo de interruptores automáticos. Determinación y comparación con la normativa. 4.- Compensación de energía reactiva manual y automática. Influencia en la eficiencia energética de la instalación y mejora del factor de potencia. 5.- Iluminación con lámparas de descarga y regulación del flujo luminoso. Comparación de la corriente consumida, ajuste del flujo luminoso mediante el Smartphone y control automático de la iluminación en función de la luz ambiente para ahorro energético. La versatilidad es tan grande que el concepto se puede extender a otros laboratorios o aplicaciones con la única condición de que existan transductores o sensores tecnológicamente viables y competitivos con los instrumentos tradicionales.

Beneficios que aporta

1.- Facilitar la comprensión del fenómeno ensayado. La captura y procesado de las magnitudes que caracterizan el fenómeno para transformarlas en otras magnitudes más complejas que se pueden mostrar y relacionar entre si facilita en muchas situaciones la comprensión del fenómeno por comparación con las posibilidades que ofrecen instrumentos tradicionales. Por ejemplo, para analizar el funcionamiento de un circuito magnético se pueden utilizar amperímetros y voltímetros de alterna de valor eficaz. La comparación de sus lecturas da una idea muy limitada del comportamiento del circuito magnético al estar dichas lecturas relacionadas con la fuerza magneto motriz y con el flujo respectivamente. Por el contrario, un instrumento virtual complementa las lecturas de tensión y de corriente eficaz con la representación instantánea de la inducción magnética en el núcleo comparada con la intensidad de campo magnético promedio (ambas magnitudes se obtienen mediante un procesado más o menos complejo a partir de la tensión y corriente instantáneas), es decir, el ciclo de trabajo magnético del material. Los cambios que se producen en el ciclo magnético son mucho más informativos y esclarecedores respecto al funcionamiento del circuito magnético que las lecturas de los instrumentos tradicionales. 2.- Manejo más sencillo por comparación con instrumentos de captura de datos tradicionales (osciloscopios). El manejo de osciloscopios digitales con todas las opciones asociadas como rangos horizontal y vertical, disparo, longitud de registro etc. supone que su aplicación en laboratorios se tenga que restringir a contextos en los que los estudiantes tienen una formación avanzada y específica en ciertos campos de la ingeniera. Los instrumentos virtuales utilizan interfaces de usuario intuitivas y sencillas de utilizar que aumentan increíblemente la productividad del tiempo dedicado por los estudiantes, y amplían extraordinariamente el ámbito de aplicación. La interfaz de usuario se puede adaptar además a contextos y necesidades formativas muy dispares a un coste asequible ya que se trata de un componente lógico y no físico. 3.- Generación de informes de ensayo y envío por email. La experimentación con instrumentos tradicionales lleva siempre asociada la necesidad de tomar nota de las condiciones de los ensayos junto con las lecturas proporcionadas por los instrumentos. A menudo es necesario también un posterior análisis de las lecturas de los instrumentos atendiendo a las condiciones de los ensayos para extraer conclusiones respecto al fenómeno observado. El uso de instrumentos virtuales sobre smartphones o tablets permite la generación automática de informes en los que se recogen tanto las condiciones del ensayo como las lecturas de los instrumentos e incluso las relaciones entre dichas lecturas y otras magnitudes procesadas a partir de ellas que facilitan la comprensión del fenómeno, permitiendo un análisis directo del ensayo. Más aún, estos informes se pueden enviar a la cuenta de correo del usuario mediante la propia aplicación o instrumento virtual utilizando la funcionalidad integrada en el propio sistema operativo. 4.- Mejora de la actitud del alumno ante las prácticas de laboratorio asociada al uso de tecnologías modernas. La mejora de la actitud del alumno facilita siempre su aprendizaje. La utilización de instrumentos tradicionales muchas veces es percibida como un obstáculo en el sentido de que requiere conocimientos previos respecto a su manejo. Por el contrario, los instrumentos virtuales basados en smartphones o tablets utilizan interfaces de usuario basadas en tecnologías que el alumno utiliza de forma cotidiana y continua. Por ello no requieren apenas formación y son percibidas como un elemento facilitador y cercano, lo que mejora la actitud del alumno.