MEDIDOR DE FUERZA

MEDIDOR DE FUERZA

INSTRUMENTACIN BASICAING: JORGE ROCAINTEGRANTES:JUAN CABRERAJOSE VILLACISJORGE BONIFAZROBERTO PARRA2015 - 2016

ContenidoIntroduccin31.- PROBLEMA41.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA41.2 FORMULACIN DEL PROBLEMA41.3 OBJETIVOS41.4 LIMITACIONES42.- MARCO TERICO52.1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIN52.2. BASES TERICAS52.3. DEFINICIN DE TRMINOS BSICOS73. MARCO METODOLGICO83.1. POBLACIN Y MUESTRA83.2. TCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIN DE DATOS83.3. TCNICAS DE PROCESAMIENTO Y ANLISIS DE DATOS104. ASPECTOS ADMINISTRATIVOS134.1. RECURSOS NECESARIOS134.2. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES145. ASPECTOS TCNICOS245.1. PARAMETROS DE CALIBRACIN DEL INSTRUMENTO DE MEDICIN.246. CONCLUSIONES257. BIBLIOGRAFA25

Introduccin

Los instrumentos de medicin son aquellos aparatos que tienen el fin de contrastar magnitudes fsicas distintas a travs de un procedimiento de medicin.

Existen varias caractersticas que se suelen medir con los instrumentos de medicin, las principales son las siguientes: Masa (balanza, catarmetro, bscula). Tiempo (cronmetro, reloj, calendario) Longitud (cinta mtrica, calibrador, regla graduada, odmetro, micrmetro), Velocidad (velocidad, anemmetro). Temperatura (termmetro, pirmetro). Presin (barmetro, manmetro). Fuerza (dinammetro)

Todos los instrumentos poseen tres etapas; sensora (detectora), transductora (acondicionadora) e indicadora.

Sensora: Etapa en la cual se detecta la variable fsica (presin, temperatura, etc) y se efecta una transformacin, ya sea mecnica o electica para convertir la seal de entrada en otro tipo de seal que sea ms manejable. Transductora: Se modifica la seal que proviene del transductor, ya sea amplificndola, filtrndola o por otro medio para obtener una seal de salida ms deseable. Indicadora: En esta etapa la variable medida se la muestra, registra o se controla. Los datos obtenidos estn expresados en unidades internacionalmente.En la actualidad, los sistemas digitales son muy utilizados y variados para diferentes tipos de aplicaciones que requieren mayor precisin las cuales en su mayora son aplicadas en la industria y en mayor parte de los equipos electrnicos.Estos sistemas nos permiten tener una mejor visualizacin de la variable que queremos determinar para nuestro fin. El proyecto realizado se basa en un resorte el cual est conectado a una base y nos va a permitir calcular la fuerza ejercida sobre l.El instrumento se basa en un conversor analgico-digital (ADC) que es un PIC de 10 bits de resolucin y 14 canales de entradas analgicas, la entrada analgica carga un capacitor. El PIC genera una seal digital usando el mtodo de aproximaciones sucesivas. Tambin consta de un sensor infrarrojo que es el que capta la seal analgica, y el LCD que nos arroja la seal digital. Para saber si el instrumento es bueno en cuanto a sensibilidad, exactitud y en sensar la distancia de estiramiento del resorte; se va a proceder a realizar anlisis estadsticos teniendo como instrumento patrn una balanza, se realizar pruebas de hiptesis segn sus medias, y se le realizar la prueba de hiptesis para determinar si nuestro instrumento tiende a una distribucin normal. Tambin se determinar los errores sistemticos y aleatorios. El prototipo construido podr usarse en reas industriales.Este tipo de instrumentos tienen como fundamentos tericos la parte de microprocesadores y la parte de programacin. El instrumento necesita el voltaje que resiste que es de 3-5.5v; de lo contrario aparecen muchos errores en la salida de la seal.1.- PROBLEMA

1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMAEn los procesos industriales es importante tener un debido control en la fuerza para ciertos procesos con normativas especiales, ya que si no se tiene en cuenta esto, puede darse que comiencen a tener fallas los equipos y por ende no se tenga una buena eficiencia e incurrir en prdidas de materia prima o productos terminados.Para medir esta fuerza se necesita de un equipo de medicin que permita con facilidad obtener informacin sobre la variacin de fuerza para as tener el debido control en la maquinaria y el sistema.1.2 FORMULACIN DEL PROBLEMAEn algunos de los procesos de la industria en especial los de metalurgia o de moldeado de metales de grosor elevado, se puede requerir la medicin de la fuerza aplicada sobre ciertas piezas que se estn tratando a lo largo del proceso.Tambin tenemos muchas de las veces que pesar ciertos productos para los cuales es excelente la utilizacin de un dinammetro ya sea analgico utilizando un resorte como digital. El nuestro est compuesto de un hibrido de los dos ya que contiene el resorte y mediante la Ley de Hooke vamos a poder calcular el peso o la fuerza que se est ejerciendo en el resorte. Este nos podra ayudar en procesos los cuales necesitemos saber el peso de algn producto para poder estar dentro de las especificaciones de calidad o con las normas que se aplican en ese pas para ese producto en especial.Muchas de las veces tambin son utilizadas como sistemas de seguridad para gras, ascensores, etc. Para lo cual nos puede ayudar en la parte de seguridad de los procesos.1.3 OBJETIVOS Construir un instrumento que pueda medir la fuerza o el peso de algn producto en especial. Conocer los diferentes tipos de instrumentos que miden fuerza y como usarlos para la construccin de nuestro propio instrumento. Construir el instrumento con materiales que no sean tan complicados de conseguir y que el costo no sea elevado para tenga buena acogida por las personas. Obtener datos que permitan analizar la precisin del instrumento y la manera en el cual podamos corregir los errores que se presenta. Que tenga una apariencia adecuada para que se pueda comercializar. 1.4 LIMITACIONESEl instrumento a construirse presenta algunas limitaciones de tipo tcnicas ya que en gran parte este es instrumento cuantitativo. En rango de la fuerza va a estar dado por el tipo de resorte que utilicemos, luego de la construccin del instrumento podemos ver que podemos trabajar con valores de: (0 y 150) cm de separacin , pasado est temperatura las lecturas del instrumento sern errneas. El voltaje que recibe es solo de (3-5.5) voltios, por lo que si se colocara un cargador de mayor voltaje de salida este no mostrara una buena resolucin porque el LCD se encendera mucho y el valor que arroja es muy elevado, y hasta podra fundir algunos elementos electrnicos del sistema.Por ltimo, como ya fue planteado en los objetivos, se deber usar materiales de fcil obtencin por lo que ese es otro limitante al momento de seleccionar cules sern los implementos que aporten de mejor manera a la construccin del instrumento; adems el tiempo de construccin es otro de los factores que influye ya que para poder analizar todas las fallas y corregir algunos errores en el prototipo se necesita realizar pruebas que necesitan de ms tiempo para ejecutarlas con xito.2.- MARCO TERICO2.1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACINEl instrumento de medicin que se desea construir ser usado para medir la fuerza que se ejerce sobre un resorte por medio de un sensor infrarrojo que emite un haz de luz.El sensor infrarrojo SHARP enva una seal de luz infrarroja que rebotar en una superficie, dependiendo de la intensidad de luz que rebote, el sensor enviar un nivel de voltaje anlogo que nos encargamos de leer con el microcontrolador. Como tenemos que la constante del resorte es de Aprox K=0.120 Kg/cm al obtener la distancia a travs de la programacin, en esa misma parte multiplicamos por la constante F=k*d y as obtenemos la fuerza en Kg ya que la contante est en Kg/cm y la distancia es calculada en cm. y mostramos en el LDC usando los comandos definidos por el programa.2.2. BASES TERICAS

Un convertidor) analgico-digital (CAD), (o tambin ADC del ingls "Analog-to-Digital Converter") es un dispositivo electrnico capaz de convertir una entrada analgica de voltaje en un valor binario, Se utiliza en equipos electrnicos como ordenadores, grabadores de sonido y de vdeo, y equipos de telecomunicaciones. La seal analgica, que vara de forma continua en el tiempo, se conecta a la entrada del dispositivo y se somete a un muestreo a una velocidad fija, obtenindose as una seal digital a la salida del mismo.Estos conversores poseen dos seales de entrada llamadas Vref+ y Vref- y determinan el rango en el cual se convertir una seal de entrada.El dispositivo establece una relacin entre su entrada (seal analgica) y su salida (digital) dependiendo de su resolucin. Esta resolucin se puede saber, siempre y cuando conozcamos el valor mximo que la entrada de informacin utiliza y la cantidad mxima de la salida en dgitos binariosPara el funcionamiento correcto del ADC del PIC se requiere que:

0 V Vin Vrefy tambin2 V Vref VDDEl ADC genera una seal digital usando el mtodo de aproximaciones sucesivas.

La conversin analgica-digital (ADC) consiste en la transcripcin de seales analgicas en seales digitales, con el propsito de facilitar su procesamiento (codificacin, compresin, etc.) y hacer la seal resultante (la digital) ms inmune al ruido y otras interferencias a las que son ms sensibles las seales analgicas.

2.3. DEFINICIN DE TRMINOS BSICOS

Instrumento de medicin: Aparato que se utiliza para comparar magnitudes fsicas mediante el proceso de medicin.

Fuerza: Lafuerzaes unamagnitudvectorial que mide laIntensidaddel intercambio demomento linealentre dospartculasosistemas de partculas.Kilogramos (Kg): Elkilogramooquilogramo(smbolo kg) es launidad bsicademasadelSistema Internacional de Unidades(SI), y supatrnse define como la masa que tiene el prototipo internacional, compuesto de unaaleacinde platinoeiridio.

Newton (N): Enfsica, unnewton(pronunciada/niton/) oneutoniooneutn(smbolo:N) es la unidad defuerzaen el Sistema Internacional de Unidades, nombrada as en reconocimiento aIsaac Newtonpor su aporte a la fsica, especialmente a lamecnica clsica.

Resorte: Se conoce comoresorteomuellea un operador elstico capaz de almacenar energa y desprenderse de ella sin sufrir de formacin permanente cuando cesan las fuerzas o la tensin a las que es sometido. ADC: Convertidor analgico digital.Microcontrolador: Un microcontrolador es un circuito integrado que nos ofrece las posibilidades de un pequeo computador. En su interior cuenta con una memoria para almacenar el programa, una memoria para almacenar datos y puertos de entrada y salida. Ejemplo el ARDUINOVref: Voltaje de referencia.Vin: Voltaje de entrada.Vdd: Voltaje de drenaje.

3. MARCO METODOLGICO3.1. POBLACIN Y MUESTRA

POBLACION: Fuerza Ejercida sobre el resorteMUESTRAS: Muestra 1: Fuerza ejercida por un peso de 0.5Kg, tamao 50.Muestra 2: Fuerza ejercida por un peso de 0.75Kg, tamao 50.Muestra 3: Fuerza ejercida por un peso de 1Kg, tamao 50.

3.2. TCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIN DE DATOS

Con el objetivo de identificar variabilidad de los datos tomados o posiblemente censados por nuestro instrumento de medicin, se procedi a realizar un muestreo de al menos 50 repeticiones de mediciones por cada medida patrn seleccionado.Dentro de las variables medidas estn:

1. El peso de 0.5Kg con la pesa patrn y luego con el Instrumento.2. El peso de 0.75Kg con la pesa patrn y luego con el Instrumento. 3. El peso de 0.75Kg con la pesa patrn y luego con el Instrumento.Posteriormente se procedi a tomar las repeticiones de mediciones de las medidas mencionadas. Esta toma de datos de fuerza se realiz por medio de dos instrumentos, una pesa de hasta 5 Kg de peso y nuestro instrumento de medicin.Para poder ingresar la formulas en el algoritmo se tuvo que calcular la constate del resorte con la ley de Hooke, para lo cual se tuvieron 3 pesos de referencia los cuales se comenzaron a poner en el resorte se determinaba cual era la deformacin para cada peso conocido. Entonces con la formula F= K * Deformacin, como conoca la masa y la deformacin de los 3 pesos que tena entonces solo despejbamos K. Para lo cual el valor de K nos daba aproximado: K=0.120 Kg/cm.Luego se tomaron los siguientes datos:

Se tom 50 datos por cada escenario propuesto y finalmente se recolecto la data que presentamos a continuacin resumida en tablas.3.3. TCNICAS DE PROCESAMIENTO Y ANLISIS DE DATOSLuego de la obtencin de la data correspondiente a las mediciones de fuerza con el instrumento patrn y nuestro instrumento de medicin de fuerza, se procede a hacer un anlisis estadstico, el mismo que detallamos a continuacin.Muestra 1: Fuerza ejercida por un peso de 0.5Kg, tamao 50.Anlisis: Prueba de Normalidad:H1: La muestra sigue una distribucin normalH0: La muestra no sigue una distribucin normal

Conclusin: Con un valor de p < 0.005 existe evidencia suficiente para no rechazar hiptesis nula (H1), por lo tanto podemos decir que los datos de la muestra evaluada siguen una distribucin normal.

Muestra 2: Fuerza ejercida por un peso de 0.75Kg, tamao 50.

Anlisis: Prueba de Normalidad:H1: La muestra sigue una distribucin normalH0: La muestra no sigue una distribucin normal

Conclusin: Con un valor de p < 0.005 existe evidencia suficiente para no rechazar hiptesis nula (H1), por lo tanto podemos decir que los datos de la muestra evaluada siguen una distribucin normal.

Muestra 3: Fuerza ejercida por un peso de 1Kg,, tamao 50.

Anlisis: Prueba de Normalidad:H1: La muestra sigue una distribucin normalH0: La muestra no sigue una distribucin normal

Conclusin: Con un valor de p < 0.005 existe evidencia suficiente para no rechazar hiptesis nula (H1), por lo tanto podemos decir que los datos de la muestra evaluada siguen una distribucin normal.

4. ASPECTOS ADMINISTRATIVOS4.1. RECURSOS NECESARIOSSe usaron algunas herramientas y materiales para la construccin del instrumento, en la siguiente tabla se muestran los materiales adquiridos:MaterialPrecio (U.S.D $)

Tarjeta Arduino 30.00

Sensor de distancia3.00

Resistencias (9)0.15 c/u

Cinta aislante0.60

Estao para la soldadura0.75

Madera3.00

Resorte2.50

Cables2.00

Batera3.00

Total45.00

Adems se usaron algunas herramientas nombradas en la siguiente lista:Herramienta

Regla

Cautn

Playo (Tenazas)

Destornillador

Cuchillo

Tijera

Voltmetro

Resorte

Palillos

Cepillo

Madera

4.2. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADESEn la siguiente tabla se presenta las actividades que se realizaron para la construccin del prototipo de este proyecto: FECHAACTIVIDADTIEMPO EMPLEADO

15/01/2015Reunin para escoger el tema del proyecto.1 hr.

16/01/2015Reunin para plantear el problema y formularlo.1.5 hrs.

22/01/2015Reunin para comprar los materiales para hacer el prototipo.3 hrs.

23/01/2015Reunin para armar la parte digital.8 hrs.

07/02/2015Se coloc la pantalla digital al medidor y probar que salga la fuerza esperada. 1 hr.

08/02/2015Reunin para la toma de datos y realizar el anlisis estadstico y las grficas respectivas.8 hrs.

09/01/2015Reunin para concluir la carpeta y ver algunas correcciones.4 hrs.

5. ASPECTOS TCNICOS5.2. DETALLES TCNICOS DEL INSTRUMENTO DE MEDICIN Medidor de Fuerza y Kg

Rango(0 - 150)cm

Resolucin interna10 bit

Exactitud19% de la medicin

Precisin0.05%

Resolucin (sensor)10mv/kg

Condiciones de trabajoA temperatura ambiente

VisualizadorDisplay LCD (LM044L)

AlimentacinBatera externa 9V

Unidad de medidaKg - N

SENSOR SHARP

El Sharp GP2Y0A02YK es un sensor de infrarrojos que proporciona una lectura continua de la distancia medida como una tensin analgica dentro de un rango de 20 a 150 cm. La tensin de alimentacin es de 5V y la tensin de salida varia unos 2 voltios de diferencia entre el margen mnimo y el mximo de la distancia medida. El encapsulado es similar a otros sensores sharp, pero presenta una mayor distancia entre la lente y el sensor con el fin de aumentar el rango de trabajo. La conexin se realiza mediante un conector JST (incluido) de 3 vas, 2 para la alimentacin y una para la salida. a salida est disponible de forma continua y su valor es actualizado cada 39 ms. Normalmente se conecta esta salida a la entrada de un convertidor analgico digital el cual convierte la distancia en un numero que puede ser usado por el microprocesador.

Caractersticas principales

LCD Un LCD es un dispositivo que muestra caracteres alfanumricos en una pantalla de varias lneas, todo LCD lleva un micro controlador interno que se encarga de gobernar su funcionamiento este micro controlador tiene unos pines para comunicarse con el mundo exterior y as poder realizar las distintas operaciones sobre la pantalla del LCD, lo que hace que manejar la pantalla sea muy sencillo. DESARROLLO DEL INSTRUMENTOA continuacin se mostrara algunas de las imgenes de la toma de datos y de las partes del instrumento:

Breve Funcionamiento del Circuito

5. ASPECTOS TCNICOS

5.1. PARAMETROS DE CALIBRACIN DEL INSTRUMENTO DE MEDICIN.

Finalmente, podemos resumir los datos generados en base al muestreo y variabilidad del instrumento como los siguientes:

6. CONCLUSIONES

Al realizar una medicin es muy probable que el resultado no coincida con el valor real de la magnitud, es decir, tal vez haya un error: puede ser un poco mayor o menor que la medida real.Los errores conducen a resultados aparentemente verdaderos, pero no pueden esperar conclusiones provechosas.Un experimento no est exento de errores por lo que es importante detectar la fuente de error para considerar su magnitud y buscar evitarlos, corregirlos o disminuirlos.Los errores o desviaciones de las mediciones tal vez se deben a los malos hbitos, descuidos o errores cometidos por el observador. Tambin puede tener influencia el medio, falta de calibracin y defectos de los aparatos e instrumentos de medicin.La eleccin de un instrumento de medicin se determina por la precisin requerida y por las condiciones fsicas que rodean la medicin, especficamente en nuestro caso el tema de medicin de fuerza es un parmetro vulnerable y variable de acuerdo a condiciones del entorno. Sin embargo luego de realizar la prueba y experimentacin de nuestro equipo en comparacin con un instrumento calibrado y de uso tradicional pudimos evidenciar variacin de 8% cuando estbamos trabajando con un peso pequeo, pero a medida que aumentbamos el peso el error se fue haciendo ms grande. Tal vez esto se daba por la posicin del sensor o el tipo de sensor pero el error en la parte final llego a ser de hasta el 30% de la medicin.Por lo tanto se pudo construir un instrumento capaz de medir fuerza, pero nos hicieron falta ajustes para su precisin.

7. BIBLIOGRAFA

http://pjmicrocontroladores.wordpress.com/2006/11/06/%C2%BFque-es-un-microcontrolador/ http://web.ing.puc.cl/~mtorrest/downloads/pic/tutorial_pic.pdf http://electronica.webcindario.com/componentes/lm35.htm

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