Guía de clase - Introducción a los procesos de medición PDF

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Material de la cuarta clase de Taller de Ingenieria....

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Guía de clase:

Instituto de Ingeniería Taller de Ingeniería

INTRODUCCIÓN A LOS PROCESOS DE MEDICIÓN

Confeccionó: P DR Rev 4 Vigencia: marzo 2016

INTRODUCCIÓN A LOS PROCESOS DE MEDICIÓN En las actividades de la ingeniería tiene importancia fundamental el conocimiento adecuado de las características de los elementos físicos con que se trabaja y el entorno en que se realizan las actividades. En general, no sólo los ingenieros, sino todo el personal involucrado con: los productos, venta, las refacciones de mantenimiento, las materias primas, el equipo de trabajo, requiere estar empapado de los conocimientos de medición y tener la habilidad para realizar prácticas correctas para dar una lectura confiable en los casos en los que se soliciten datos, una inspección o revisión de las medidas de un producto. En particular en los procesos industriales se releva en forma permanente las características dimensionales de los elementos producidos, tanto como las condiciones en que se realizan por medio de sistemas de control de productos y de procesos, lo que permite dar cierta seguridad sobre las características del producto que ha cumplido cierto proceso. Por lo tanto para poder realizar adecuadamente todos los procesos de diseño, dimensionamiento, ensayo, producción, utilización mantenimiento o reemplazo de cualquier producto en necesario tener conocimiento de los procesos para realizar mediciones.

Mediciones Medir es realizar una comparación entre alguna característica física de un hecho u objeto y la unidad que la representa. Para hacer esta comparación se utiliza algún instrumento adecuado. Instrumento: dispositivo empleado para determinar el valor de una cantidad o variable.

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En la legislación argentina (Ley 19.511) se define al instrumento de medición como todo aparato, medio o elemento que sirva para contar o determinar valores de cualquier magnitud. Sintetizando, un instrumento de medición es un aparato que se usa para comparar magnitudes físicas mediante un proceso de medición. Como unidades de medida se utilizan objetos y sucesos previamente establecidos como estándares o patrones y de la medición resulta un número que es la relación entre el objeto de estudio y la unidad de referencia. Los instrumentos de medición son el medio por el que se hace esta conversión. Para realizar adecuadamente una medición debe definirse antes: que es lo que se va a medir, como vamos a realizar la medición, con qué elementos lo vamos a realizar y quién va a realizar la medición.

Mediciones y Errores Siendo que toda dimensión debe medirse utilizando algún instrumento y por medio de un operador, y sabiendo que ninguno de los dos puede ser absolutamente ideal y perfecto, podemos afirmar que ninguna medida en Ingeniería es exacta en el sentido matemático de la palabra. Todo instrumento mide con un cierto grado de error. Además los mismos operadores que hacen las mediciones cometen errores por sus propias tendencias, distracciones o imperfecciones. A los errores de los instrumentos o del método empleado para medir se los denomina errores sistemáticos, suelen conservar la magnitud y el sentido, mientras que los cometidos por los operadores se denominan errores accidentales o aleatorios: son los que se producen de un modo no regular, variando en magnitud y sentido de forma aleatoria, son difíciles de prever, y dan lugar a la falta de calidad de la medición. Visto que todas las cantidades de la ingeniería tienen alguna forma de error, sea por su forma de medición como por inevitables deficiencias de elaboración, se hace necesario, al describir un elemento, especificar el margen que se acepta en las dimensiones. La tolerancia es la diferencia permitida entre la dimensión teórica requerida y la real encontrada. Esto es particularmente importante cuando diversas piezas mecánicas deben formar un conjunto armónico. Si medimos con el mismo instrumento y el mismo operador, a efecto de minimizar los errores accidentales y sistemáticos, asignamos como el valor más probable para la variable medida, la media aritmética o promedio. Siendo que estas inexactitudes o errores pueden influir en el resultado de una acción ingenieril, se hace necesario incluirlos en los cálculos a fin de mejorar la relación entre lo calculado y el comportamiento real de los elementos. Para su tratamiento matemático se define:

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Error absoluto: Se define error absoluto Ex como la diferencia: Ex = Xm - Xvc Donde Xm es el valor medido y Xvc el valor verdadero que hemos adoptado convencionalmente. Error relativo: Se define simplemente como el cociente del error absoluto por el valor verdadero (o verdadero convencional si aquel no fuese conocido). Generalmente se expresa en por ciento (%). ex = ( Xm – Xvc ) / Xvc Es necesario aclarar el significado de dos términos que aparecerán al realizar mediciones: Exactitud y Precisión Medir con exactitud significa obtener una serie de datos experimentales, cuyo valor es cercano al valor verdadero. Medir con precisión significa, obtener una serie de datos experimentales cuyos valores son cercanos o parecidos entre si (no necesariamente iguales al valor verdadero).

Promedio medido aparente Valor medido

Dispersión debida al error aleatorio Error sistemático de la prueba

Valor verdadero o conocido

1

2

3

4

Datos medidos

5

6

7

8 9 10 Número de lectura medida

Gráfico 1: Ejemplo de ensayo de medición elaborado en base a Mediciones Mecánicas Teoría y Diseño

En la figura pueden verse los efectos de los errores en la lectura de una serie de mediciones. ¿Puede el estudiante relacionar el ensayo con los conceptos de precisión y exactitud?

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Ejercicios 1) Como resultado de una serie de mediciones de un objeto se han obtenido los siguientes datos Medición

1

2

3

4

5

Resultado

12,06

11,89

11,95

12,10

12,01

Calcular: a) El valor más probable (promedio) b) El error absoluto en cada caso c) El error relativo en cada caso 2) A fin de determinar las medidas de dos parámetros de un objeto, se han realizado una serie de mediciones sobre cada uno llegando al siguiente resultado: p1 = 6,34 ± 0,02 m p2 = 3,13 ± 0.02 m Comparando los errores absolutos y relativos de estas mediciones, ¿podria decir que alguna es de “mejor calidad” que la otra? 3) La siguiente tabla muestra las dimensiones de una caja de hierro, especificando sus tolerancias. Indicar las dimensiones máximas y mínimas permitidas: Dimensión Largo Ancho Alto Espesor de la chapa

Especificación 0,8 m ± 1% 0,5 m + 1cm - 2cm 0,20m ± 5mm 3,5 mm + 0,5mm - 0mm

Máximo

Mínimo

4) Una fábrica de reglas ha especificado que su regla mide 35 cm ± 1 mm de largo y que su espesor es de 3 mm ± 2 x 10 -2 mm. Del siguiente lote de piezas, indicar cuáles deben ser aprobadas y cuáles rechazadas. Indicar cuál es la medida fuera de tolerancia. Largo 35,01 cm 35,09 cm 35,2 cm 34,95 cm 34,85 cm

Espesor 3,010 mm 2,970 mm 3,002 mm 2,985 mm 3,025 mm

Aprobada

Rechazada

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Mediciones e instrumentos Ya vimos que un instrumento de medición es un aparato que se usa para comparar magnitudes físicas mediante un proceso de medición. Para asegurar el adecuado funcionamiento y comparación entre mediciones, la Ley 19511 indica que es obligatoria la verificación periódica y vigilancia de uso de todo instrumento de medición reglamentado que sea utilizado en: a) Transacciones comerciales. b) Verificación del peso o medida de materiales o mercaderías que se reciban o expidan en toda explotación comercial, industrial, agropecuaria o minera. c) Valoración o fiscalización de servicios. d) Valoración o fiscalización del trabajo realizado por operarios. e) Reparticiones públicas. f) Cualquier actividad que, por su importancia, incluya la reglamentación. Asimismo es obligatorio para los fabricantes, importadores o representantes someter a la aprobación de modelo y a la verificación primitiva todo instrumento de medición reglamentado por dicha ley. Características de los instrumentos  Rango de indicación: expresa los valores límites, inferior y superior, que mide el instrumento.  Intervalo de medición: Diferencia entre los límites del rango.  Valor de división: Diferencia entre los valores de dos marcas sucesivas de la escala.  Sensibilidad: relación de la respuesta del instrumento al cambio de la variable medida (es la relación de desplazamiento entre el indicador de la medida y la medida real).  Resolución: es el cambio más pequeño en el elemento medido al cual el instrumento responderá correctamente.

Clasificación de instrumentos A fin de brindar una descripción general, clasificaremos en principio los instrumentos según su principio de funcionamiento y presentación de la información en dos grandes grupos: - ANALÓGICOS - DIGITALES

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Son analógicos aquéllos instrumentos que utilizan un elemento mecánico como una aguja o puntero para indicar, sobre una escala determinada, la magnitud medida. La aguja es generalmente un elemento móvil que se desplaza sobre la escala del cuadrante, y el valor a medir se lee donde se posiciona la aguja. Esta lectura puede ser directa, si la aguja coincide con algún valor de la escala, o, en caso contrario, haciendo una simple interpolación entre valores cercanos.

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Fig 1, 2 Instrumental analógico utilizado en clase. Pueden verse las agujas y la indicación señalada. Ambas imágenes fueron tomadas en clase de taller de Ingeniería.

Pueden presentar uno o más elementos de lectura (agujas) como puede verse en el instrumento de la fig. 2 o en un reloj común de agujas, y a su vez para cada aguja una o más escalas por aguja. Digitales: en estos instrumentos la indicación de la magnitud medida se presenta con uno o más números, de la escala decimal, denominados dígitos. Generalmente no hay partes móviles y el sistema es electrónico. En estos instrumentos suele se fácil de diferenciar la parte sensora de la de presentación de datos. En general la información presentada incluye el procesamiento o la realización de cálculos con la variable detectada, por lo que suelen configurarse antes de realizar la medición a fin de obtener la lectura adecuada.

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FIG 3,4: en las imágenes tomadas en clase pueden verse instrumentos digitales siendo configurados para tomar las mediciones solicitadas.

Ambos sistemas tienen sus VENTAJAS Y DESVENTAJAS. Instrumentos Analógicos Ventajas a) Bajo costo. b) En algunos casos no requieren de energía de alimentación. c) No requieren gran sofisticación. d) Presentan con facilidad las variaciones cualitativas de los parámetros para visualizar rápidamente si el valor aumenta o disminuye. e) Es sencillo adaptarlos a diferentes tipos de escalas no lineales Desventajas a) Tienen poca resolución, típicamente no proporcionan más de 3 cifras. b) El error de paralaje limita la exactitud a ± 0.5% a plena escala en el mejor de los casos. c) Las lecturas se prestan a errores graves cuando el instrumento tiene varias escalas. d) La rapidez de lectura es baja, típicamente 1 lectura/ segundo. e) No pueden emplearse como parte de un sistema de procesamiento de datos de tipo digital.

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Instrumentos Digitales Ventajas a) Tienen alta resolución alcanzando en algunos casos más de 9 cifras en lecturas de frecuencia y una exactitud de + 0.002% en mediciones de voltajes. b) No están sujetos al error de paralaje. c) Pueden eliminar la posibilidad de errores por confusión de escalas. d) Tienen una rapidez de lectura que puede superar las 1000 lecturas por segundo. e) Pueden entregar información digital para procesamiento inmediato en computadora. Desventajas a) El costo es elevado respecto a los instrumentos analógicos. b) Son complejos en su construcción. c) Las escalas no lineales son difíciles de introducir. d) En todos los casos requieren de fuente de alimentación.

Sobre los instrumentos a utilizar en la materia En la materia Taller de Ingeniería se utiliza una importante cantidad y variedad de instrumentos. Para una adecuada preservación de ellos los estudiantes deberán esforzarse por dar un uso adecuado a los mismos y un orden y guarda adecuados. En general el equipo provisto a los estudiantes consiste en un estuche clasificado con una numeración que contiene al instrumento, su equipo de apoyo energético (baterías y/o cableado), otros elementos de apoyo (herramientas, patrones para calibración, etc.) manual de uso, y documentación que suele constar de certificado de garantía y certificado de calibración. Al abrir el estuche los estudiantes deben verificar los elementos que contiene y al terminar la actividad proceder al guardado ordenado de todo el contenido. Ante cualquier faltante observado se debe notificar al docente a fin de informar la novedad para que se proceda a subsanar el inconveniente. Una cuestión elemental pero importante es que el material correspondiente a un estuche sea guardado en el mismo, ya que la documentación suele estar asociada a un instrumento en particular con un número de instrumento, de lo contrario pierde validez.

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La aplicación en Taller de Ingeniería Cada actividad en Taller de Ingeniería tiene como objeto familiarizar al estudiante de ingeniería en acciones usuales en la profesión como medir y calcular, mediante las tareas denominadas “de campo”, es decir realizadas en el lugar de la obra o intervención y de “gabinete”, o sea en el estudio de ingeniería u oficina técnica. En términos generales, toda vez que se realice el relevamiento de un hecho u objeto se seguirá la siguiente metodología: a) Realizar un croquis a mano alzada del objeto a medir b) Determinar en el croquis cada una de las medidas a relevar 1 y asignarle una denominación (puede ser una letra) c) Realizar al menos tres determinaciones con cada instrumento d) Confeccionar una tabla de valores para cada una de las dimensiones medidas, registrando las medidas realizadas. e) Calcular el valor más probable para cada dimensión relevada.

Presentación de la información Cuando se debe presentar la información, ya sea para uso posterior o para comunicar a terceros, debe estar adecuadamente organizada de manera que resulte comprensible para el destinatario. Asimismo, en el momento de la recolección de datos, hay que trabajar con un esquema organizado que permita su adecuado registro de forma de facilitar la tarea de recolección y uso de la información. Cada grupo debe definir antes de realizar las actividades la manera de realizar estos registros. Deberá también realizarse una tabla o cuadro de resultados en la que figuren las medidas obtenidas y los resultados de los cálculos que solicite el docente en cada caso.

Informe Se realizará un informe grupal con los siguientes contenidos mínimos: a)

Introducción

b) Metodología e Instrumental (se describe el tipo, marca, modelo, características). c)

Croquis y Tabla de Relevamiento.

d)

Cálculos y cuadro de resultados.

e) Conclusiónes: Deberá analizarse la actividad realizada y en base a los resultados y el procedimiento para arribar a los mismo, sacar conclusiones. Relevar: acción de adquirir datos que permitan realizar una descripción adecuada de una situación, hecho u objeto. 1

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Bibliografía: Marcelo Sobrevila, “Ingeniería General”. Editorial Alsina, Buenos Aires, 2001. Secciones 2.5 y 3.2. Vocabulario Internacional de Metrología. Guía ISO/IEC 98-3:2008 Richard S. Figliola, Donald E, Beasley, “Mediciones Mecánicas Teoría y Diseño” 4ta edición. Ed. Alfaomega. 2008.

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