Instrumentos Electrodigitales. Introducción. Demanda de sistemas digitales de medición. 

	Cuando el diámetro de una barra redonda o el espesor de una placa se miden con un micrómetro convencional, la medición la indica una escala analógica. Si el verdadero valor de la medición pudiera expresarse, se requerirá un número infinito de dígitos decimales.
	Cuando una dimensión puede representarse con un numero finito de dígitos, 10.24 o 10.25 mm, en realidad este numero solo es la mejor estimación que el operador puede leer en la escala del instrumento. En otras palabras, el operador ha convertido el valor analógico en un valor digital basándose en su juicio.
	Un instrumento de medición capaz de mostrar instantáneamente valores digitales evitaría el juicio del operador en la lectura de la escala. La necesidad de facilitar la lectura, aun con iluminación insuficiente, fomenta la introducción de dispositivos que proporcionen lecturas digitales, y especialmente en el caso de herramientas como el micrómetro, el cual evita lecturas erróneas de la más pequeña graduación sobre el tambor de este.
	Con el objeto de proporcionar lectura digital, es necesario disponer de un mecanismo para convertir valores de datos analógicos en digitales.
	Fue necesario realizar múltiples investigaciones para lograr un sistema de lectura digital en instrumentos de medición que utilizan contadores mecánicos y convertidores eléctricos A/D (analógico/digitales). En las etapas iniciales algunos fabricantes de equipo de medición elaboraron instrumentos como las cabezas micrometrícas electrodigitales, las cuales se instalaban sobre la platina de un comparador óptico y se conectaban con un cable a un contador digital independiente. No tuvieron mucho éxito como dispositivos populares de medición porque eran poco prácticos y muy caros.

El arribo de los instrumentos electrodigitales de medición. 

	Desde entonces, el desarrollo de la tecnología ha sido notable. Al final de los años 70, el arribo de nuevos tipos de instrumentos digitales de medición que no requerían cables fue favorecido por el rápido progreso de la tecnología de integración en gran escala (LSI), junto con el desarrollo de pantallas digitales, como las de cristal líquido (LCD), y la miniaturización de las baterías. En 1982 entro al mercado el calibrador electrodigital que fue un instrumento difícil de digitalizar debido a su pequeño tamaño.
	La adopción de tecnología electrónica avanzada no solo ha hallado el camino de los instrumentos electrodigitales de medición, sino que también ha posibilitado la expansión de funciones de una forma que fue difícil lograr con sistemas mecánicos.
	El precio, inevitablemente, se incremento, pero la mejor funcionalidad justifica el aumento. Las herramientas de medición con funciones múltiples también han estado disponibles debido ala aplicación de microprocesadores.
	Los requerimientos para mediciones exactas han intensificado el cumplimiento de estándares elevados en técnicas de fabricación. Los instrumentos electrodigitales dan valores de medición solo hasta un cierto lugar decimal, y no indican los valores de los datos a media graduación que permiten los tipos analógicos por estimación visual. Debido a esta limitación, y con el objeto de minimizar errores que surgen del truncamiento de fracciones que se acumulan en procesamientos complejos de datos como cálculos estadísticos, los requerimientos se han incrementado para lograr una resolución mayor y así proporcionar un lugar decimal adicional. Para algunos tipos de mediciones, la lectura analógica es mejor. Los sistemas electrodigitales, sin embargo, han permitido nuevas aplicaciones, a las cuales no puede accederse con las herramientas convencionales de medición porque los sistemas electrodigitales pueden incorporar funciones de procesamiento de datos y proporcionar datos a dispositivos externos. Algunas de las futuras tendencias para los instrumentos electrodigitales de medición son las siguientes:

A. Miniaturización y menor precio con un mínimo numero de funciones con el objeto de remplazar los instrumentos convencionales de medición. B. Serán del tipo de propósito múltiple con muchas funciones y gran exactitud. C. Integración a sistemas de medición y control de calidad mediante conexión a procesadores de datos o computadores personales.

SENSORES DE POSICION. 

	La tabla 1.1 y las figuras 1.2, 1.3 y 1.4 muestran varios tipos de sensores de posición usados en herramientas de medición.





















	El mecanismo de detección del desplazamiento en un medidor de alturas es un codificador rotatorio que convierte el desplazamiento lineal del cursor en el movimiento rotatorio de un disco ranurado.
	Entonces se digitaliza el número de revoluciones del disco para determinar el desplazamiento; en la fig. 1.5 el piñón que esta en contacto con la cremallera sobre la columna principal gira conforme el cursor se mueve arriba abajo. El giro del piñón se transmite por medio de un engrane al piñón central y entonces gira el disco ranurado, el cual es concéntrico con el piñón central.
	Cualquier juego entre la cremallera y el piñón central se elimina mediante la tensión del resorte espiral que esta entre el piñón y engrane antijuego. El disco tiene 125 ranuras dispuestas radialmente cerca de la orilla;

Conforme el disco gira, el dispositivo fotoeléctrico recibe luz que cambia periódicamente de intensidad a través de las ranuras y genera señales de salida de 125 ciclos por cada giro del disco, cada ciclo de señal se divide eléctricamente en 4 pulsos. Debido a que el disco esta diseñado para girar una vez por cada 5 mm de desplazamiento del cursor, se obtiene una resolución de 0.01mm. 

	La figura 1.6 muestra la estructura del codificador rotatorio utilizado en una cabeza micrometrica. El disco de vidrio tiene 250 segmentos igualmente divididos: 125 partes transparentes y 125 partes oscurecidas con cromo.
	La cabeza micrometrica con lectura dual en mm y pulgadas tienen 2 pistas: la que es para mm esta en lado exterior y tiene 127–127 segmentos, y la que es para pulgadas esta en el interior y tiene 100–100 segmentos.
	El elemento sensor que esta incorporado con una escala índice de ranuras esta frente al Diodo Emisor de Luz (LED) dejando en medio al disco como lo muestra la figura 1.6.
	Las ranuras de 90° de diferencia de fase eléctrica.
	Conforme el disco gira, el elemento sensor obtiene 2 señales, con diferencia de fase de 90°, que se generan de acuerdo con el cambio periódico en la intensidad de la luz.
	Una revolución del tornillo de alimentación hace avanzar al husillo (que es el tipo no giratorio) hacia delante o hacia atrás 0.5 mm. Con las señales que se generan, el controlador produce 4 pulsos por un ciclo que será contado y digitalmente mostrado en una pantalla.

Con un solo giro del tambor en sentido horario el contador cuenta como sigue: 

	El sensor de desplazamiento de los calibradores electrodigitales utiliza un codificador lineal tipo capacitancía, el cual detecta desplazamientos basados en la diferencia de fase de corriente eléctrica inducida. Como lo muestra la figura 1.7, cada unidad sensora consiste de placas capacitares paralelas C1 y C2, placas emisoras P1 y P2 y placa receptora R.

Cuando se aplican voltaje de onda senoidal V1 (= sen ωt) y V2 (= cos ωt) alas placas emisoras P1 y P2 respectivamente, la fase de la corriente eléctrica generada por la carga QR sobre la placa R se recorre desde la V1 en proporción al desplazamiento de las placas emisoras. Una vez detectada la diferencia de fase, el desplazamiento o el valor medido se determina como muestra la fig. 1.8. El sensor de desplazamiento de un calibrador electrodigital contiene 6 conjuntos de 8 placas emisoras (lo que proporciona ocho diferentes fases) o 48 placas emisoras en total.

FUNCIONES BASICAS DE LOS INSTRUMENTOS ELECTRODIGITALES DE MEDICION. 

	Las funciones básicas de los instrumentos electrodigitales de medición son las siguientes. Las funciones disponibles varían según el tipo de producto.

1. Encendido/apagado (on/off) Cuando un instrumento de medición no vaya a utilizarse por un largo periodo, la energía debe interrumpirse para ahorrar baterías o por razones de seguridad si se utiliza una línea como fuente de poder. Algunos productos tienen una función de auto apagado, la cual automáticamente interrumpe la corriente cuando el instrumento permanece ocioso por un cierto periodo. Una desventaja de este sistema es que cuando se apaga el instrumento, el operador tiene que fijar el origen o punto de referencia nuevamente. Para evitar este inconveniente, algunos productos tienen la función de auto apagado, o disminución automática de corriente, la cual baja la corriente a un nivel de justo, lo suficiente para retener el origen en la memoria. Recientemente han sido elaborados productos cuyo consumo de corriente es ultra bajo; estos aparatos no tienen tecla on/off y pueden funcionar con una pequeña batería hasta por dos años.

2. Fijado de origen. Utilizado para fijar el origen cuando se empieza la medición, algunos micrometros permiten que su valor de punto dato (por ejemplo, 25.000 mm para micrometros de rango 25–50 mm) sea fijado como el valor de origen. 

	La fig.1.9 ilustra el procedimiento con micrometros que tienen la tecla ORGIN; en otros se utiliza el prefijo descrito en el siguiente punto.

3. Prefijado. Permite prefijar cualquier valor deseado sobre la pantalla a partir del cual empieza el conteo. 

   A continuación se ilustra el procedimiento para prefijado; se usa como ejemplo el valor de de 15.00 mm.

Después de encender el instrumento:

a) Mantenga oprimida la tecla PREST. b) Libere la tecla cuando el cursor empiece a parpadear bajo la posición del digito que va a modificarse. c) Oprima y suelte la tecla PRESET las veces que sean necesarias para obtener el valor deseado (en nuestro ejemplo es 1). d) Mantenga oprimida la tecla PRESET hasta que el cursor parpadee bajo la siguiente posición en la que se desea cambiar el valor del digito mostrado.

e) Oprima y suelte la tecla PRESET las veces necesarias hasta obtener el valor deseado (en nuestro ejemplo es 5) f) Cuando termine de poner en pantalla en el valor deseado mantenga oprimida la tecla PRESET; cuando la letra P empiece a parpadear suéltela. g) Oprima y suelte la tecla PRESET.

4. Fijado del cero. Esta función sirve para poner cero en la pantalla en cualquier punto durante la medición, de tal modo que las mediciones relativas a este punto dato puedan determinarse. Esta función facilita mediciones comparativas o de paso. Cuando se realiza el fijado del cero, el punto de origen puede perderse o conservarse, lo que dependerá del modelo del instrumentote medición. En muchos casos la función de fijado del cero también se utiliza para borrar errores o mensajes de alarma. Algunos ejemplos de aplicación con calibradores electrónicos se muestran en las figuras 1.10 a 1.15.

Poner a cero sobre un patrón (exterior o interior); la desviación de la nominal se muestra directamente.

Medición comparativa.

Midiendo el juego entre el eje y agujero.

Midiendo el espesor de pared. 

     Medición de paso de agujeros o ranuras de las mismas dimensiones.

Medición del paso de pernos del mismo diámetro.

Medición con la pantalla volteada.

5. Restauración de origen (regreso al modo ABS). Si el punto de origen se fijo al principio de la medición, esta función permite mostrar en pantalla la distancia absoluta desde el origen, aun después de fijar el cero. Algunos instrumentos tienen dos sistemas de medición: ABS (absoluto) e INC (incremental), los cuales se usan selectivamente reacuerdo con los requerimientos de medición. Una señal de ABS o INC se muestra en la pantalla para indicar de que modo de medición se esta. En otros modelos aparece un cursor bajo la indicación ABS o INC, según corresponda. A continuación se describe cada modo, refiriéndose a un medidor de alturas.

A. Modo ABS. Después de colocar el trazador con la fuerza adecuada sobre la superficie de referencia, asegúrese de que la señal ABS aparezca en la pantalla junto con la indicación cero (0.00 mm). Esto hará que la posición del cursor (o posición del trazador) sea el origen (cero absoluto) de la medición.

B. Modo INC. Cuando el instrumento esta en el modo ABS, presione la tecla de 0 y el signo INC aparecerá en la pantalla junto con el valor cero, el cual es un cero flotante (fig. 1.17). En el modo INC es factible utilizar cualquier posición deseada por como cero, mediante la tecla de cero, y tomar medición de escalonamientos. La función de prefijado también puede utilizarse en el modo INC. (El valor prefijado no se almacena la memoria, a diferencia de la función de prefijado ABS.)

C. Cambiando del modo INC al modo ABS. Si se mantiene presionada la tecla ABS mientras la pantalla muestra la posición actual del trazador como medida desde el origen (cero absoluto), esto es, el origen fijado en el sistema ABS permanece valido a menos que el instrumento sea apagado.

Fijado en el sistema ABS permanece válido a menos que el instrumento sea apagado. 

 D. Aplicación

Para tener una imagen de cómo operan los modos ABS e INC, supongamos que deseamos tener las mediciones correspondientes a las alturas H1, H2 Y H3, así como los escalonamientos P1, P2 Y P3 de una pieza como la de la figura 1.18. El sistema ABS se utiliza para H1, H2 Y H3.

1° Determine el origen (cero absoluto) sobre la mesa de granito encendiendo el instrumento con el trazador colocado adecuadamente sobre la mesa. 2° Sucesivamente, tome las mediciones H1, H2 Y H3 colocando el trazador en forma adecuada sobre las superficies correspondientes.

El sistema INC se utiliza para P1, P2 Y P3.

1 ° Coloque adecuadamente el trazador sobre el punto medido (!) y oprima la tecla del cero. La pantalla cambia al modo INC y el sistema INC se fija a cero (cero flotante).

2° Coloque bien el trazador sobre la superficie 2 y la pantalla muestra el valor de P1, presione de nuevo la tecla del cero. 3° la pantalla muestra el valor de P2 cuando el trazador se coloca adecuadamente sobre la superficie 3, en la misma forma también se puede tomar la medición P3. 4° Cuando se presiona la tecla ABS con el trazador colocado adecuadamente sobre la superficie 4, la pantalla cambia al modo ABS y muestra la altura H3.

En algunos instrumentos las teclas del cero y ABS están en una sola, oprimiendo y soltándola se pone cero en INC; si mantenemos oprimida la tecla durante algunos segundos cambia al modo ABS (figura 1.19).

6. Selección pulg/mm. Ésta es utilizada para cambiar la unidad de medición entre pulgadas y milímetros. Muy pocos instrumentos de medición requieren fijar el origen cada vez que se hace el cambio pulg/mm (figura 1.20).

7. Cambio de dirección. Utilizada para cambiar la dirección de conteo respecto a la de movimiento del detector; algunos tipos de instrumentos de medición requieren esta función (figuras 1.21 y 1.22).

8. Modo mantener (congelar en pantalla). Esta función congela en la pantalla un valor medido. Mientras el detector continúa moviéndose, el conteo del desplazamiento del detector continúa internamente, así que al eliminar el modo mantener puede obtenerse la posición actual del detector. Según el sistema, el modo mantener se activa manualmente, utilizando una tecla, o se dispara automática mente cuando el palpador toca un punto medido (figura 1.23).

9. Modo de mantener pico (congelar en pantalla el valor máximo o el mínimo). Esta función permite retener en pantalla el valor máximo o mínimo durante una medición continua (figuras 1.24 y 1.25).

10. Medición de cabeceo [Modo FIM (movimiento total de indicador)]. Utilizada para obtener en pantalla la diferencia entre los valores máximo y mínimo retenidos con el modo de mantener pico (figuras 1.24 y 1.25).

11. Fijado de tolerancia y juicio pasa-no pasa. Esta función muestra o proporciona un juicio pasa-no pasa para cada, medición, de acuerdo con el prefijado de los límites de tolerancia superior e inferior. Hay dos métodos de fijar tolerancia: tecleando los valores límite y fijando el instrumento para mostrar los límites superior e inferior utilizando patrones. La figura 1.26 muestra un indicador electrodigital que cuenta con esta función, y la figura 1.27 ilustra cómo es indicado en la pantalla.

12. Cálculos estadísticos. Esta función se utiliza para realizar cálculos estadísticos de las mediciones y mostrar los resultados en pantalla. Los parámetros estadísticos

Incluían el tamaño de muestra, los valores máximo y mínimo, la media y la desviación estándar. Algunas unidades proporcionaban parámetros adicionales: la fracción defectiva y el índice de capacidad de proceso; actualmente sólo es posible obtenerlos por medio de microprocesadores o computadoras personales con más información estadística.

13. Salida de datos. Los datos medidos, el juicio pasa-no pasa y los resultados de cálculos estadísticos pueden enviarse a dispositivos periféricos como una impresora y un procesador de datos. Según el sistema de datos utilizado, la salida de éstos puede iniciarse empleando un interruptor sobre el instrumento de medición, sobre el dispositivo periférico o desde ambos. Recientemente ha sido creado un sistema inalámbrico para enviar el comando de salida de datos con rayos infrarrojos u ondas de radio. La salida de datos de los instrumentos de medición electrodigital en la mayoría de los casos requiere una interfase para convertirla a RS 232C.

14. Alarma de lectura errónea. El contador tiene una cierta velocidad límite para registrar datos. Una alta velocidad de movimiento del detector puede causar errores. Existe también la posibilidad de obtener una lectura errónea debido a interferencia eléctrica. Esta función se utiliza para evitar lecturas erróneas porque muestra en pantalla un mensaje de error cuando la velocidad del detector excede cierto límite (figura 1.28).

15. Alarma de bajo voltaje de batería. En los instrumentos que funcionan con batería aparece un mensaje de alarma cuando el voltaje de la batería baja hasta cierto nivel. El cambio de batería es bastante simple, como puede apreciarse en las figuras 1.31, 1.32 Y 1.33.

16. Control remoto. Esta función permite ejecutar comandos, como fijado de cero, prefijado, mantener en pantalla, salida de datos y fijado de tolerancias, desde una unidad de control remoto. La unidad de control puede estar conectada al instrumento de medición con un cable o ser inalámbrica, si utiliza rayos infrarrojos (figura 1.34).

El control remoto mostrado en la figura 1.34 corresponde al indicador electrodigital mostrado en la figura 1.35, al cual corresponden las indicaciones mostradas en las figuras 1.22 y 1.24 Y 1.25. Debe tenerse presente que no todos los instrumentos poseen todas las funciones que se han descrito, sino que cada uno está dotado con las que son útiles para el trabajo al que normalmente se destinan, por tanto, debe tenerse cuidado al seleccionar el instrumento adecuado para una aplicación particular. Un ejemplo indiscutible lo constituye el indicador electrodigital, ya que existen modelos con muy pocas funciones o como el que muestra la figura 1.35 y que posee múltiples funciones cuando se le utiliza con el control remoto, con el cual incluso el prefijado es más sencillo, pues se cuenta con las teclas numéricas.

SISTEMA M-SPC. Introducción Como se mencionó en la primera parte de este capítulo, los instrumentos de medición digital fueron introducidos porque:

1. No se necesita experiencia para leer los valores medidos. 2. La medición puede realizarse aún con baja intensidad luminosa.

3. No ocurren errores al leer la más pequeña graduación sobre el cilindro del micrómetro (0.5 mm para el tipo métrico).

Las ventajas de los instrumentos electrodigitales de medición superan esto con muchas funciones adicionales con las cuales no cuentan los instrumentos analógicos convencionales; por ejemplo, la función de juicio pasa-no pasa, lo cual habilita al operador para inspeccionar instantáneamente cada producto cuando sale de la línea de producción. Puesto que la tendencia actual en la industria es hacia el control computarizado de todo el proceso de producción, la función de salida de datos de instrumentos electrodigitales ha asumido, en la actualidad, un nuevo papel muy importante. Hay instrumentos que no sólo son útiles para verificar productos terminados, sino que permiten controlar el proceso a través de la inspección en la línea de producción con el objeto de minimizar el número de productos defectuosos. El SPC (control estadístico del proceso) es un sistema integral de herramientas de medición y unidades procesadoras de datos para el control estadístico de calidad de productos por medio del control del proceso de producción. El sistema Mitutoyo de control estadístico del proceso (sistema M-SPC) integra una gran variedad de instrumentos de medición dentro de un sistema que comprende el control del proceso. Todos los instrumentos electrodigitales utilizan un formato estándar de salida de datos, el cual permite conectarlos con unidades comunes de procesamiento de datos con el objeto de construir un sistema M-SPC. Las siguientes secciones delinean los tipos estándar de procesamiento de datos, las unidades de colección y la transmisión utilizadas en los sistemas M-SPC.

Miniprocesador (figura 1.36) Éste es un procesador de datos autónomo que proporciona el procesamiento estadístico de los datos medidos con una operación simple. El procesador cuenta con un conjunto de programas integrados. Los operadores pueden realizar el procesamiento requerido de los datos sin ningún conocimiento especial de programación. Se describen los dos tipos de miniprocesadores que siguen:

a) DP-1HS b) DP-7

Consúltese en la tabla 1.2 las funciones y especificaciones de cada procesador.

Unidad de transmisión de datos Los siguientes sistemas se utilizan para transferir datos medidos desde un instrumento electrodigital a una computadora personal.

Sistema de procesamiento por lote (figura 1.20) 

 En este sistema los datos se almacenan en un dispositivo conforme se realizan las mediciones, y después se descargan en lote en una computadora para realizar el procesamiento de datos. El sistema consiste de dos unidades: una almacena los datos (data logger) y otra los transmite (data transmitter).

• Data logger DL-10 Máximo número de datos almacenados: 100 Número de características: 1–10*

Contenido de la pantalla: número de entrada, número de características, dato medido.

  • El número de características significa el número de partes medidas en una pieza. El fijado del número de características se utiliza cuando más de una característica se mide en cada pieza.

Fuente de poder: LR6 4 piezas. Vida de la batería: aprox. 30 h en uso continuo. Disminución automática de corriente 10 minutos después de la última operación (los datos son retenidos en memoria).

• Data transmitter DT-10. Especificación de salida: interfase RS-232C, opción de Baud rate (300, 600, 1200, 2400 bps).

Fuente de poder: 1 00 V AC, 50/60 Hz

Sistema de procesamiento de datos en línea (figura 1.38) En este sistema el dato medido en un área de trabajo es transmitido inmediatamente a la computadora personal a través de un cable. Un multiplexor digimatic MUX-10 o MUX-40 se utiliza para transmisión de datos.

• Multiplexor MUX-10

Especificación de salida: Interfase RS 232 C


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