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MAESTRIA EN CIENCIAS EN INGENIERIA MECÁNICA

DISEÑO MECÁNICO

TESIS

DESARROLLO DE UN SISTEMA PARA LA CLASIFICACIÓN AUTOMATIZADA DE FRUTOS AGRICOLAS CON BASE A SU GRADO DE MADUREZ.

PRESENTA

ING. MONSERRAT ORTIZ ALVARADO.

ASESOR DE TESIS

DR. ENRIQUE SIMÓN GUTIÉRREZ WING.

COASESOR DE TESIS

DR. JORGE COLÍN OCAMPO.

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CUERNAVACA, MORELOS, 14 DE MARZO DE 2008

AGRADECIMIENTOS

En primer lugar, le quiero agradecer al creador por brindarme todo lo que veo, toco, degusto, escucho, respiro, disfruto y amo de esta maravillosa vida que me ha dado. Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt), Dirección General de Educación Superior Tecnológica (DGEST) y Secretaria de Educación Pública (SEP) por el apoyo económico brindado. Al Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (Cenidet) por la formación académica que se me otorgo a través de sus profesores. A mis asesores: Dr. Enrique Simón Gutiérrez Wing y Dr. Jorge Colín Ocampo por su apoyo y contribución en la realización de este trabajo, pero sobre todo por su amistad. A los miembros del jurado revisor: Dr. Dariusz Szwedowicz Wasik, Dr. Martín E. Baltazar López, M.C. Claudia Cortés García y por su valiosa aportación a este trabajo. A mis compañeros y amigos de generación: Alvarez Vera Melvyn, Arellano Cabrera José

Antonio, Cuevas Figueroa Gabriel, De la Cruz Padilla Mario Alberto Diabb Zavala José

Manuel, Estrada Rodas David Alonso, Flores Porras Jorge Daniel, Morales Alias Luis, Mejía

Hernández Guillermo Eduardo, Mendez Aguirre Jose Salvador Antonio, Miranda Ramírez

Marco Antonio, Pérez Hernández Efraín Betuel, Ruiz Jiménez José Angel, Solorzano Delgado

Luis Carlos, Ybarra Gutiérrez Daniel, Zagoya Juárez Vladimir, Zenteno Cardoso Eric

Fernando por todas las experiencias compartidas que se han convertido en anécdotas.

A mis amigos y compañeros del Cenidet: Rubén Ponce, Wences, Pedro Cruz Alcanzar.

A la Sra. Isabel por su amabilidad y atención en todo momento en el centro de información de Cenidet.

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A mi padre Odilón Ortiz Vazquez, a mi hermana Rosa Isela Ortiz Alvarado y a mi padrino José Luis Sanchez Aguilar por su cariño y apoyo en todo momento. A mis amigos: Mario Daniel Arrazola Núñes, Marco Antonio Miranda Ramírez, Anita paredes Toledo, María del Refugio Núñes, Ángela cuate, Estela Ariza Pastrana y Martha Orduña por brindarme su valiosa amistad y compartir grandes y maravillosos momentos. A todos ustedes que de una u otra manera contribuyeron para la finalización de esta meta en

mi vida.

GRACIAS ¡¡¡¡¡¡¡

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CONTENIDO Página

Lista de tablas ...................................................................................... i

Lista de figuras .................................................................................... ii

Resumen ............................................................................................ iii

Abstrac ............................................................................................... iii

Descripción de capítulos .................................................................... iv

CAPÍTULO 1-Introducción 1.1. ........................................................................................................ I

ntroducción .................................................................................. 1 1.2. ........................................................................................................

Planteamiento del problema ....................................................... 3 1.3. ........................................................................................................

Hipótesis. ...................................................................................... 6 1.4. ........................................................................................................

Estrategia .................................................................................... .6 1.5. ........................................................................................................

Objetivos. ..................................................................................... 6 1.6. ........................................................................................................

Alcance y limitación. ................................................................... 6 1.7. ........................................................................................................

Revisión Bibliográfica. ............................................................... 7 1.7.1 Anatomía y fisiología del fruto. ....................................................................... 7

1.7.2 Madurez y comercialización del fruto. ............................................................ 7

1.7.3 Métodos para estimar el estado de maduración. .............................................. 8

1.8. ........................................................................................................ Conceptos básicos .................................................................... 13

1.8.1 Teoría de impacto. ......................................................................................... 13

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1.8.2 Puerto paralelo. .............................................................................................. 17

1.8.3 Envío y lectura de datos por el puerto paralelo .............................................. 20

1.8.4 Convertidor analógico digital 0831. .............................................................. 21

CAPÍTULO 2-Diseño y construcción del impactador. 2.1. ........................................................................................................

Planteamiento de la necesidad. ............................................... 23 2.2. ........................................................................................................

Diseño conceptual. .................................................................... 23 2.3. ........................................................................................................

Configuración del dispositivo ................................................. .25 2.4. ........................................................................................................

Funcionamiento. ........................................................................ 26 2.5. ........................................................................................................

Análisis del la configuración. ................................................... 26 2.5.1. Modelo mecánico. ......................................................................................... 26

2.5.2. Modelo eléctrico. ........................................................................................... 28

2.5.3. Modelo Magnético. ....................................................................................... 29

2.6. ........................................................................................................ Ecuaciones para el dimensionamiento. .................................. 31

2.7. ........................................................................................................ Dimensionamiento de los elementos. ..................................... 32

2.8. ........................................................................................................ Ensamble del impactador. ........................................................ 39

CAPÍTULO 3-Sistemas de control, medición y procesamiento de datos.

Sistema de control. ......................................................................... 40 Circuito de control ..................................................................................................... 40

Software de control. .................................................................................................. 42

Sistema de medición. ...................................................................... 43 Sistema de procesamiento de datos. ............................................ 45 Integración del software. ................................................................ 47

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CAPÍTULO 4-Sistema de pruebas. Descripción del sistema de pruebas. ............................................ 48 Funcionamiento. .............................................................................. 49 Calibración ....................................................................................... 49

CAPÍTULO 5-Análisis de resultados. Descripción de las pruebas. ........................................................... 54

CAPÍTULO 6-Conclusiones y trabajos futuros. Conclusiones. .................................................................................. 58

APÉNDICE A-Pruebas de impacto por caída libre en fruto64 APÉNDICE B-Elaboración de especímenes sintéticos. ..... 70 REFERENCIAS BLIBLIOGRÁFICAS. ............................. 74

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LISTA DE TABLAS Página CAPÍTULO 1-Introducción

TABLA 1.1 Descripción de las líneas del puerto paralelo .......... 18

TABLA 1.2 Registro de datos ........................................................ 19

TABLA 1.3 Registro de control. .................................................... 19

TABLA 1.4 Registro de estado. .................................................... .19 CAPÍTULO 2-Diseño y construcción del impactador.

TABLA 2.1 Características de los sistemas para proveer la fuerza de impacto ....................................................................................... 24

TABLA 2.2 Lista de los elementos con los materiales seleccionados ................................................................................. 33

TABLA 2.3 Dimensiones de los elementos de las 3 propuestas.34 CAPÍTULO 3-Sistemas de control, medición y procesamiento

de datos. TABLA 3.1 Características del sensor FlexiForce A201. .............................. 44

CAPÍTULO 5-Análisis de resultados. TABLA 5.1 Prueba 1. Día 1. ........................................................... 56

TABLA 5.1 Prueba 2. Día 2. ........................................................... 56

TABLA 5.1 Prueba 3. Día 3. ........................................................... 56

TABLA 5.1 Prueba 4. Día 4. ........................................................... 57

TABLA 5.1 Prueba 5. Día 5. ........................................................... 57 APÉNDICE A-Pruebas de impacto por caída libre en fruto TABLA A.1 Primera prueba. .......................................................... 65

TABLA A.2 Segunda prueba ......................................................... 66

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TABLA A.3 Resultados de prueba 1 ............................................. 67

TABLA A.4 Resultados de prueba 2 ............................................. 67

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LISTA DE FIGURAS Página CAPÍTULO 1-Introducción

FIGURA 1.1 Colisión de 2 cuerpos ............................................... 14

FIGURA 1.2 Gráfica de la fuerza de impacto vs tiempo .............. 15

FIGURA 1.3 Diagrama de caída libre ............................................ 16

FIGURA 1.4 Esquema del puerto paralelo ................................... 18

FIGURA 1.5 Esquema del ADC0831 .............................................. 21

FIGURA 1.6 Diagrama de tiempos para realizar la conversión ADC0831 .......................................................................................... 22

CAPÍTULO 2-Diseño y construcción del impactador. FIGURA 2.1 Estructura conceptual ............................................... 24

FIGURA 2.2 Configuración tipo bocina ........................................ 25

FIGURA 2.3 Sistema masa resorte sin amortiguamiento ........... 27

FIGURA 2.4 Esquema eléctrico del sistema tipo bocina ............ 28

FIGURA 2.5 Esquema ideal del circuito magnético .................... 29

FIGURA 2.6 Esquema del punto de operación del imán ............ 31

FIGURA 2.7 Dimensiones del imán y tubo de acrílico ................ 33

FIGURA 2.8 Modelo simplificado del circuito magnético ........... 34

FIGURA 2.9 Curva de magnetización: imán cerámico grado 8 .. 35

FIGURA 2.10 Diagrama de cálculo de la densidad de flujo en el entrehierro ....................................................................................... 35

FIGURA 2.11 Diagrama de cálculo de NI ...................................... 36

FIGURA 2.12 Gráfica de NI vs k .................................................... 37

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FIGURA 2.13 Bobina móvil ............................................................ 37

FIGURA 2.14 Disco con eje en el centro ...................................... 38

FIGURA 2.15 Anillo ferromagnético e imán permanente ............ 38

FIGURA 2.16 Ensamble del disco con eje en el centro y la bobina .......................................................................................................... 39

FIGURA 2.17 Ensamble del impactador ....................................... 39

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CAPÍTULO 3-Sistemas de control, medición y procesamiento de datos.

FIGURA 3.1 Diagrama electrónico del sistema de control ......... 41

FIGURA 3.2 Circuito aislador ........................................................ 42

FIGURA 3.3 Sensor flexiforce A201 .............................................. 44

FIGURA 3.4 Diagrama de conexión del circuito de medición .... 45

FIGURA 3.5 Curvas de fuerza de impacto ................................... 47 CAPÍTULO 4-Sistema de pruebas.

FIGURA 4.1 Sistema de pruebas ................................................... 49

FIGURA 4.2 Espécimen sintético .................................................. 50

FIGURA 4.3 Mediciones del sistema de adquisición y el multímetro ........................................................................................ 51

FIGURA 4.4 Señales de alimentación del dispositivo y de fuerza de impacto ....................................................................................... 52

FIGURA 4.5 Pruebas de impacto con fruto sintético .................. 52

FIGURA 4.6 Magnitud de impacto de fruto verde ........................ 54

FIGURA 4.7 Magnitud de impacto de fruto con madurez media 54 CAPÍTULO 5-Análisis de resultados.

FIGURA 5.1 Curva de maduración de los frutos ......................... 58 APÉNDICE A-Pruebas de impacto por caída libre en fruto FIGURA A.1 Sistema de impacto por caída libre ......................... 63

FIGURA A.2 Frutos utilizados en las pruebas de impacto por caída libre ........................................................................................ 64

FIGURA A.3 Daño por impacto. .................................................... 68

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APÉNDICE B-Elaboración de especímenes sintéticos. FIGURA B.1 Caucho de silicón y Catalizador .............................. 70

FIGURA B.2 Moldes de silicón ...................................................... 71

FIGURA B.3 Moldes de silicón y el recipiente contenedor hecho en yeso. ............................................................................................ 71

FIGURA B.4 Orificio de inyección de material en el molde. ....... 71

FIGURA B.5 Unión del molde y recipiente. .................................. 72

FIGURA B.6 Molde de alginato. ..................................................... 72

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RESUMEN En este trabajo, se presenta el diseño y construcción de un sistema de pruebas no destructivo para determinar la dureza superficial de los frutos de aguacate, cualidad que se correlaciona con su estado de maduración. El funcionamiento del sistema basa su medición en la técnica de impacto de baja intensidad y está constituido por un dispositivo electromagnético, elementos de control, elementos de medición y adquisición de datos; así como también de software en la plataforma de Matlab, el cual integra acciones de control, medición y análisis de señales. Así mismo, se presentan los indicadores numéricos del grado de madurez de los frutos, los cuales se obtuvieron al analizar señales de impacto sobre dichos frutos. Con base en estos indicadores se presentan y discuten las tendencias del grado de madurez con el transcurso del tiempo.

ABSTRAC

This work presents the design and construction for the system of non-destructive testing of

avocado fruits aimed at determining their superficial hardness, a quality that is correlated with

its stage of ripeness. The operation of the system is based on the application of low-intensity

impact force to the fruits using an electromagnetic device data acquisition and measurement.

The software used to operate the system was written in the Matlab 7.0 platform. As well as,

numerical indicators of the degree of ripeness of the fruits are presented. These indicators

were obtained through the analysis of impact signals on the fruits. Based on these indicators,

the evolution of fruit ripeness as time progresses is presented and discussed.

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DESCRIPCIÓN DE LOS CAPÍTULOS.

El presente trabajo se ha organizado en 6 capítulos, en los cuales, primero se presenta un enfoque general del tema donde se muestra la problemática que se atiende, la forma en que se da solución y la contribución e impacto del la investigación. Puesto que, la solución planteada requirió de la construcción de un sistema de pruebas, en los capítulos 2 y 3 se presenta el diseño y construcción de los elementos que lo constituyen y en el capítulo 4 se presenta su integración y calibración. Por otra parte, en el capítulo 5 se presentan los resultados que se obtuvieron para validar la hipótesis, y finalmente en el capítulo 6 se presentan las conclusiones que se obtuvieron con base en los resultados y el desarrollo del tema. Para complementar el trabajo y proporcionar una buena comprensión del documento, se agregaron 2 apéndices. En el apéndice A se presenta el diseño y construcción de especímenes sintéticos, elementos que fueron fundamentales para realizar el proceso de calibración, en el apéndice B se presenta el planteamiento y desarrollo de pruebas de impacto por caída libre, las cuales sirvieron para establecer las magnitudes máximas de parámetros de diseño. A continuación se presenta el contenido más importante de cada capítulo: Capítulo 1: en este capítulo se presenta la introducción del tema, el planteamiento del problema y los conceptos básicos. A continuación se describen los 2 últimos subtemas:

En la sección de la revisión bibliográfica se presenta la secuencia de los estudios que se han realizado hasta el momento sobre el tema, para brindar el panorama cronológico del estudio realizado.

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En la sección de conceptos básicos se presentan los fundamentos para comprender los parámetros importantes en la implementación de la técnica que se utiliza; así mismo se establecen las bases para entender el diseño y construcción del dispositivo electromagnético, elementos de control y elementos de medición.

Capítulo 2: esta sección presenta la metodología que se utilizó para diseñar y construir el dispositivo electromagnético, cuya función es proporcionar impactos de fuerza controlada a los especímenes de prueba. Capítulo 3: esta sección presenta la descripción e implementación de los elementos de control, medición y procesamiento de datos; así como también de las tareas que desempeñan dentro del sistema de pruebas. Capitulo 4: en esta sección se presenta la descripción, funcionamiento y calibración del sistema de pruebas, cuyo objetivo es obtener índices mediante la técnica de impacto de baja intensidad que relacionan la dureza superficial con el estado de maduración de los frutos. Capítulo 5: en esta sección se muestran los resultados obtenidos durante las pruebas que se realizaron con frutos reales; así como también el comportamiento de los índices de maduración con el transcurso del tiempo. Capítulo 6: en esta sección se presentan las conclusiones obtenidas del desarrollo del trabajo realizado y del análisis de resultados. También se presentan posibles trabajos a futuro que se pueden desarrollar como complemento de este tema.

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Capítulo 1

INTRODUCCIÓN.

1.1 Introducción.

El sector agrícola de México tiene una notable contribución en la economía del País. Esto se debe a la gran variedad de productos que se comercializan en el mercado interno y en el extranjero, lo cual contribuye en la adquisición de divisas. Los productos agrícolas de mayor importancia, como parte de la base alimenticia y por su contribución económica son: grano de maíz, caña de azúcar, pasto, sorgo en grano, fríjol, tomate rojo, alfalfa y aguacate [1]. De los principales productos agrícolas, se destaca la contribución del aguacate, ya que este tiene una tendencia de crecimiento en cuanto a la superficie plantada y en la producción. Este fruto abunda en nuestro país, el cual ubica a México como el mayor productor en el mundo, con una contribución del 36.5% de la producción total y un ingreso de 750 millones de pesos [1]. El proceso productivo del cultivo genera 47,000 empleos directos, 70,000 empleos estaciónales y 187,000 empleos indirectos. En México, se producen en promedio 900,000 toneladas/temporada, de las cuales solo del 20-25% se exportan a países como EE.UU., Francia, Japón, Alemania, Inglaterra y Países de Centro América. La superficie aguacatera, principalmente se concentra en 5 entidades federativas con el 92% del total [1], estas entidades son: Michoacán, Nayarit, Morelos, Ciudad de México y Puebla. De éstas, Michoacán contribuye con el 82% aproximadamente.

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A causa de la competencia que se ha generado por el libre comercio de productos agrícolas en nuestro país y en el mercado internacional, los productores nacionales se ven en la necesidad de plantear mecanismos y métodos que garanticen una mayor calidad, tiempo de vida en el anaquel de sus productos y un mejor precio. La calidad del aguacate se basa en cualidades como: tamaño, color, forma y el grado de madurez. Las tres primeras cualidades no son tan difíciles de garantizar, pero la última es una cualidad muy compleja de estimarse, cuando no se cuenta con la tecnología y la normalización adecuada. Por lo tanto, la calidad depende del grado de madurez, cualidad que también determina la vida de anaquel del fruto. Para determinar el grado de madurez de los frutos, se han desarrollado métodos destructivos y no destructivos. Los métodos destructivos, basan su veracidad en el análisis directo de las propiedades de la pulpa, los cuales requieren de un tiempo considerable para su aplicación y no garantizan la homogeneidad, porque se aplican en muestras representativas de los lotes. Por otro lado, los métodos no destructivos reducen el tiempo de aplicación, además de hacer la medición fruto por fruto para garantizar la homogeneidad de los lotes. Con base en investigaciones realizadas, la técnica de impacto de baja intensidad demuestra ser viable en la implementación de métodos no destructivos para determinar el grado de madurez, con esta técnica se obtienen parámetros de impacto, los cuales se utilizan para obtener índices de madurez. Por tal razón, en esta tesis se desarrolló un sistema para estimar el grado de madurez del fruto de aguacate de forma no-destructiva por medio de la técnica de impacto de baja intensidad. El presente trabajo, se enfocó en el diseño y construcción de un sistema portátil por medio del cual, se provee impactos de magnitud controlada a los frutos para realizar mediciones de su estado de madurez. El sistema se calibró con frutos sintéticos, los cuales mantienen sus propiedades mecánicas con el transcurso del tiempo. Las pruebas de medición se realizaron con frutos de aguacate de la variedad Hass.

1.2 Planteamiento del problema.

En los últimos años, México ha perdido por completo el mercado Europeo, y las exportaciones de aguacate a Japón disminuyeron en un 50% [2]. El mercado Europeo de aguacate, se abastece por la producción de Israel, cuyos productores están organizados e invierten grandes presupuestos en la investigación y tecnología para mejorar y garantizar una buena calidad a un precio competitivo de su producto. La producción de Israel es pequeña; en comparación con la producción de México, Israel tiene una producción de 66,000 toneladas/año [3], pero su capacidad de exportación es del 80% al 90% de la producción total, producto de los estándares de calidad, en los cuales la tecnología contribuye a tener una calidad homogénea.

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El mercado más importante de exportación del aguacate mexicano, es Estados Unidos de Norte América, y existe riesgo de perderlo por no mantener un precio competitivo y por la heterogeneidad en la calidad del producto. En atención a los requerimientos de calidad en los mercados internacionales, las plantas de empaque nacionales clasifican los frutos de acuerdo a tamaño y peso empleando sistemas de tecnología relativamente sencilla, basados en básculas y cribas de diferentes tipos. Por otro lado, también han implementado técnicas para la evaluación del color de los frutos basadas en imágenes digitalizadas. A diferencia de lo que ocurre con el tamaño, el peso y el color, el grado de madurez es un parámetro difícil de medir objetivamente. Esta cualidad repercute directamente en la vida de anaquel de los frutos, ya que la descomposición de los frutos se acelera notablemente por la proximidad con otros en descomposición. Si en un lote hay frutos de diferentes grados de madurez, hay una alta probabilidad de que la descomposición del fruto más maduro acelere la del resto del lote. Una manera de minimizar este efecto es formar lotes sólo con frutos de madurez semejante, lo cual requiere de un sistema confiable para la clasificación por grado de madurez. Los métodos más aceptados para determinar el grado de madurez de aguacates se basan en la determinación de materia seca y la medición del contenido de aceite de los frutos. El primero es un método fácil de implementarse por que sólo requiere un horno, un par de cajas pétri, un termómetro, una balanza, un bisturí y personal sin especialización; en cambio el segundo requiere equipo de laboratorio y personal especializado [4]. El contenido de materia seca que debe contener el fruto para un grado de madurez aceptable es de 19.8% y el contenido de aceite es de 8% [4]. Estos valores son para aguacate de la variedad Hass, que es la producida más comúnmente en México. Los métodos citados anteriormente son destructivos y las pruebas asociadas con ellos requieren un tiempo considerable; también presentan la desventaja de no garantizar una homogeneidad en el grado de madurez de los aguacates que conforman un lote, ya que su aplicación es aleatoria en muestras representativas. Con el objetivo de crear sistemas de clasificación que se puedan implementar en las empacadoras para homogeneizar la madurez en los lotes de frutos, se han hecho investigaciones de métodos no destructivos. Las investigaciones que se han realizado para obtener este tipo de métodos son: medición de la velocidad ultrasónica, análisis por resonancia magnética nuclear, espectroscopia de fluorescencia de la clorofila y la determinación de la firmeza del fruto. Esos métodos muestran buenos resultados en la determinación del grado de madurez, pero su implementación en las etapas de clasificación de las empacadoras resulta poco viable por el alto costo que implica su instalación; además de la necesidad de personal especializado para su control y mantenimiento.

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Para la aplicación de sistemas que empleen métodos no destructivos, se requiere que sean de fácil instalación y mantenimiento, que no implique la inversión de grades presupuestos para su implementación. Así, en este proyecto se presenta una nueva alternativa para la medición del grado de madurez de forma no destructiva, en la cual se utiliza la técnica de impacto de baja intensidad. Con esto se espera apoyar a los empacadores mexicanos para que incrementen la calidad de su producto, ya que este proyecto proporciona una herramienta para estimar el grado de madurez de los frutos, con la cual, se puede homogeneizar la madurez de los mismos durante el proceso de empaque.

1.3 Hipótesis.

La clasificación de los frutos con base en su grado de maduración, se puede lograr con la obtención de indicadores que correlacionen los parámetros de dureza superficial y el estado de madurez, mediante un impacto de una fuerza controlada sobre la superficie del fruto de forma no destructiva.

1.4 Estrategia.

La estrategia que se utiliza en este proyecto, es correlacionar la dureza superficial de los frutos con su madurez. Para esto se plantea golpear con una fuerza de impacto controlada al

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espécimen y obtener los parámetros de correlación que permitan clasificar los frutos de aguacate sin destruirlos.

1.5 Objetivos.

Verificar y evaluar la viabilidad de la técnica de impacto para obtener parámetros que proporcionen índices del estado de madurez de los frutos. Diseñar y construir un sistema de impacto que permita controlar la fuerza de aplicación, medir su magnitud y obtener los parámetros que se relacionen con la maduración de los frutos.

1.6 Alcance y limitación.

En el presente trabajo, se establecerá la metodología para el diseño y construcción de un sistema que permita obtener parámetros que correlacionen el estado de madurez por medio de la técnica de impacto en frutos, donde los cambios en la firmeza de la pulpa, sean producto del proceso de maduración. El sistema diseñado en este trabajo, solo se calibró para obtener índices de madurez en frutos de aguacate de la variedad Hass, en atención a los requerimientos de los empacadores de dicho fruto.

1.7 Revisión Bibliográfica.

Anatomía y fisiología del fruto.

La descripción del aguacate, se refiere a un fruto monocarpelar con semilla única [5]. El pericarpio, que es la parte comestible del fruto, se divide en: exocarpio, mesocarpio y endocarpio [6]. Por otra parte, Adato y Gazit [7] mencionan que mientras el fruto se encuentra en el árbol, éste no se ablanda, debido a inhibidores que paralizan o detienen la madurez comercial. La madurez se divide en 2 fases: fisiológica y comercial. La madurez fisiológica es el estado de desarrollo del fruto donde, después de desprenderse del árbol, éste alcanza las características de óptimas de consumo [8]. Es decir, que el fruto obtiene la madurez comercial, estado de desarrollo en el cual, ha alcanzado las características óptimas de color, textura, olor y sabor. El proceso de maduración del fruto de aguacate, se relaciona con la producción de celulasa, enzima que se presenta en proporciones pequeñas en frutos recién cortados y su actividad se incrementa de forma considerable en frutos maduros; al mismo tiempo que la firmeza de la pulpa disminuye. Por otra parte Plank [9], señala que la mayor actividad de la celulasa se produce en el extremo distal y disminuye hasta ser muy baja en el extremo proximal del fruto.

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Madurez y comercialización del fruto.

El comercio moderno del aguacate, comenzó hace aproximadamente 82 años en California, que posteriormente se extendió a: Florida, Israel, Sudáfrica, Nueva Zelanda, y otros países más. Esto se debió a la organización de los productores que comenzaron a crear normas para promover la calidad del fruto e invertir en la investigación dirigida a mejorar el comercio de este cultivo. Para promover la comercialización, los productores de California comenzaron por implementar métodos para determinar el grado de madurez de los frutos; ya que la madurez es la cualidad que determina la buena calidad. En 1925, se aprobó la ley N.422 para la estandarización del fruto de aguacate en el estado de California E.U.A, en la cual se estableció que un fruto estaba legalmente maduro cuando su contenido de aceite alcanzaba el 8% del peso fresco [10]. Sin embargo, en 1981 Lee señala que el método estándar para determinar el contenido de aceite, basado en la extracción de material con éter de petróleo en un extractor Soxhlet, es un método caro, lento y fuera de alcance para los productores. El cual requiere de equipos de laboratorio y mano de obra especializada. Como alternativa Morris y Obrien [11] establecieron la estrecha relación que existe entre el contenido de aceite y el peso seco del fruto. El incremento del peso seco del fruto, se debe principalmente al incremento del porcentaje de aceite. En 1983, la industria del aguacate en California, cambió el indicador de madurez del contenido de aceite al contenido de materia seca [12]. Con el cambio del indicador de madurez, se comenzó a intensificar la investigación en el contenido de materia seca. En el 2001, se reporta una nueva forma para determinar el contenido de materia seca, la cual aumenta la relación de este parámetro con el grado de madurez y reduce el tiempo de medición hasta en un 60% [12].

Métodos para estimar el estado de maduración.

En la búsqueda del método que proporcione la mayor confiabilidad en el menor tiempo, se han realizado investigaciones en medición de la peroxidación de los lípidos [13], medición de la cantidad de azucares y medición del contenido de humedad, técnicas que basan su veracidad en el análisis directo de las propiedades de la pulpa. Con el objeto de crear sistemas de clasificación que se puedan implementar en las empacadoras para realizar la actividad de forma automática, se han hecho investigaciones en métodos no destructivos. Las investigaciones que se han realizado para obtener este tipo de métodos se presentan a continuación. Se estableció un patrón de la piel del fruto por medio del espectro de fluorescencia en 1983, el cual indica la organización normal de la clorofila contenida en el complejo de la membrana del tilacoide [14]. Los resultados obtenidos con la espectroscopia de fluorescencia indican que,

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esta se puede utilizar como una herramienta para estudiar la organización de la clorofila durante el periodo de crecimiento y maduración del fruto. Como una alternativa novedosa, Chean en 1993 [15] realizó experimentos con métodos de resonancia nuclear magnética, en los cuales determinó que la intensidad de imagen, la relación de aceite y los picos de resonancia del agua en una dimensión del espectro, se correlacionan con la madurez del fruto. Por otra parte, Self y colaboradores en 1994 [16] con base en sus investigaciones señalaron que la velocidad ultrasónica se relaciona positivamente con la humedad de la pulpa y observaron que durante la maduración del aguacate, se reduce el contenido de aire intercelular, parámetro que se correlaciona de forma negativa con la densidad de la pulpa. También mencionan que, al extrapolar la velocidad ultrasónica en secciones de pulpa a la fruta completa, se puede proveer de un índice no destructivo para evaluar la madurez de los frutos. Otro método que se estudió por Mizrach y Flitsanov en 1998 [17], consiste en medir la atenuación y velocidad de propagación de ondas a 50khz, mediante la técnica del uso de transductores emisor y receptor; este método se presenta como una alternativa para realizar ensayos no destructivos en aguacates. Este sistema presenta algunas complicaciones originadas por el acoplamiento de los transductores y por el uso del carozo como elemento reflector. Para el diseño de métodos no destructivos los investigadores han encontrado que la firmeza del fruto, es un parámetro físico que describe el comportamiento de la maduración y el contenido de aceite [18]. Zauberman en 1981 [19], reporta que la firmeza del aguacate decae en una tasa moderada al inicio del periodo de la madurez, posteriormente ésta disminuye de forma notable. La firmeza del fruto, se describe como la resistencia a la deformación y al esfuerzo cortante [20]. Este parámetro, se relaciona con las características de las paredes celulares, con la resistencia de las uniones intercelulares y depende del grado de madurez. Inicialmente su determinación se realizó de manera destructiva, al medir la fuerza necesaria de penetración de un elemento cilíndrico que se introducía en el fruto. En la actualidad, se encuentran varias investigaciones realizadas para determinar la firmeza del aguacate de forma no destructiva. Anne en 1997 [21] construyó una versión mejorada del Firmómetro de Sudáfrica, llamado Firmómetro Anderson. Este dispositivo utiliza el mismo principio que el Firmómetro de Sudáfrica; cuenta con un medidor digital de tiempo que controla el periodo de aplicación de la fuerza y un medidor digital de desplazamiento. Se reporta que este dispositivo mejorado reduce el tiempo de medición y la variabilidad en el uso. El medidor se calibró para determinar y correlacionar la firmeza de aguacate de la variedad Hass. Un valor promedio obtenido inmediatamente después de la cosecha, es un desplazamiento de 10-15 mm, dependiendo de la temporada de cosecha y un valor máximo para frutas suaves de 106-109 mm. La medición se realiza al aplicar un peso sobre la superficie ecuatorial del fruto por medio de un embolo esférico con diámetro de 17mm, durante un tiempo de 10 segundos.

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Con el objeto de determinar la eficacia de los dispositivos para determinar el estado de madurez de los frutos, J.S. Köhne y S. Kremer en 1998 [22], realizaron una comparación entre el Firmómetro de Sudáfrica y un densímetro de mano de procedencia Alemana. Este estudio, se realizó para determinar cual de los 2 dispositivos era mejor para determinar la firmeza de los aguacates. El densímetro de mano proporcionó un mejor resultado en las mediciones de la firmeza para la variedad del Fuerte. El densímetro cuenta con una esfera metálica de diámetro de 5mm, la cual se presiona en la superficie de la fruto por un tiempo de 5 segundos; la medición se registra en una carátula que está provista de una escala de 0 -100. Los métodos citados anteriormente muestran que son viables para poder medir la firmeza de los frutos, pero su aplicación en procesos reales para la clasificación, es limitada debido a la lentitud de la adquisición de datos y a la necesidad de cambios en la manipulación de los frutos. Para solucionar este tipo de restricciones, se han investigado métodos con visión de implementarse en la selección automática de los frutos. K. Peleg en 1999 [23] utilizó la respuesta de la fruta a la energía acústica para desarrollar un método de medición de la firmeza de la pulpa. Este método fue lo suficientemente preciso para implementarlo en un selector comercial. La máquina que construyó se utilizó para seleccionar frutos a diferentes velocidades. Delwiche y colaboradores en 1987 [24] construyeron y evaluaron un sistema para evaluar la firmeza de los duraznos mediante el método de fuerza de impacto; en la evaluación encontraron varios parámetros del fruto que se podían relacionar con la fuerza de impacto. Al continuar con la investigación dentro de las pruebas de impacto, implementaron el método en una máquina de selección automática para frutos. Continuando con la investigación de la técnica de impacto, Delwiche en colaboración con Sarig en 1991 [25] desarrolló un sensor de impacto con peso de 63g para determinar la firmeza de frutos. Para evaluar el desempeño del sensor, se realizaron pruebas de impacto por caída libre con diferentes alturas. De la pruebas, se crearon 2 índices de impacto C1 y C2, el primero se definió como C1= Fp/Tp y el segundo C2= Fp / (T p) 2, donde Fp es la fuerza máxima y Tp es el tiempo que se toma desde el inicio del impacto hasta que se alcanza el máximo valor de la fuerza. Los resultados indican que los índices de impacto son sensibles para evaluar un amplio rango de firmezas. Para determinar los parámetros mecánicos que se relacionan de forma precisa con la maduración, Paulo y colaboradores en 1995 [20] realizaron una evaluación de la técnica de impacto por caída libre. Para la evaluación utilizó un impactador esférico con masa de 49.29 g, el cual se dejó caer a una altura de 4cm. Las mediciones, se realizaron en tres puntos equidistantes de la zona ecuatorial del fruto. De las pruebas, obtuvieron que los parámetros indicativos que se relacionan con el estado de madurez del fruto son: duración del impacto, pendientes de la fuerza / deformación, fuerza/tiempo y la deformación máxima.

30

Chen y Tjan en 1998 [26], desarrollaron un nuevo sistema de impacto basado en un sensor de brazo móvil. Ellos reportaron un buen desarrollo del sistema cuando realizaron las mediciones en kiwis y duraznos. Pruebas preeliminares mostraron que el sensor puede medir la firmeza de la fruta a varias velocidades. Posteriormente, en el 2001 Ortiz -Canavate [27] utilizó una versión modificada del método de impacto, para un clasificador experimental en línea con una velocidad de operación de 5 frutos/segundo. Éste sistema tuvo buenos resultados en la medición de duraznos. Otra alternativa para determinar la firmeza del fruto fue presentada por Armstrong en el 2001[28], quien desarrolló el diseño de un sistema en línea para medir la firmeza del fruto en forma no destructiva, el cual fue llamado Detector Inteligente de Firmeza (IFD). El sistema está dotado de varios sensores que rodean al fruto, durante el proceso de selección los sensores realizan de 9 a 20 mediciones sobre el fruto. De acuerdo a la compañía que lo construyó, se ha utilizado para seleccionar aguacates, manzanas, mangos, duraznos y kiwis. Sinclair Internacional Ltd. desarrolló el medidor de firmeza (SIQ-FT), el cual se basa en un sensor de impacto desarrollado por Howarth [29]. El sistema realiza 4 mediciones independientes sobre 4 cuadrantes diferentes de la superficie del fruto, las cuales se promedian para determinar la firmeza. Para verificar la fiabilidad del sistema línea SIQ-FT, en el 2003 Howarth [30] realizó la evaluación del sistema para observar la correlación que existe entre éste y los métodos mecánicos destructivos en la medición de la firmeza de la fruta. Las pruebas se realizaron con aguate de la variedad Hass. Para la pruebas de compresión se utilizó una máquina universal de placas paralelas a una velocidad de 50mm / min, cuyo desplazamiento máximo fue de 5mm, mediante la prueba se midió el módulo elástico de acuerdo a la norma ASAE 368.3. El autor presenta una buena relación entre el sistema SIQ-FT y el método que determina el módulo elástico, dicha correlación tiene un comportamiento no lineal. Con base en los trabajos citados, se observa que un impacto pequeño, que no daña al fruto, ofrece datos e información fiable para estimar la maduración de los frutos; así como también que la técnica de impacto ofrece una buena alternativa para implementar un sistema en la clasificación de frutos, a causa de la buena relación entre los parámetros resultantes del impacto y el grado de madurez.

1.8 Conceptos Básicos.

1.8.1 Teoría de impacto Los cuerpos que se encuentran en movimiento poseen una cantidad de energía cinética dada por la ecuación (1) y un momento lineal dado por la ecuación (2).

(1) 2

21 mvEK =

31

(2) mvP = Donde: P = momento lineal, Ek = Energía cinética, m = masa, v = velocidad. Cuando 2 cuerpos que se encuentran en movimiento colisionan, se dice que ha ocurrido un impacto, el cual se caracteriza por la generación de fuerzas intensas de corta duración en el punto de contacto Harris and Crede (1961) [31]. Este fenómeno se clasifica en 2 tipos, que son: impacto elástico e impacto inelástico. En la figura 1.1, se muestra un esquema de la colisión de 2 cuerpos.

Colisión de 2 cuerpos

El impacto elástico ocurre cuando los cuerpos que colisionan se deforman pero recuperan su forma original. En este tipo de choque, la energía cinética se mantiene; así como la cantidad de momento. De la figura 1.1, se deducen las ecuaciones de la conservación de la energía cinética ecuación (3) y el momento lineal ecuación (4), para este tipo de choque.

(3)fi

kfki vmvmvmvmEE ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ +== 2

22211

222

211 2

121

21

21

(4) ( ) ( ) fifi vmvmvmvmPP 22112211 +=+== Donde: el subíndice “i” indica la condición antes del impacto y el subíndice “f” indica las condiciones después del impacto, y los subíndices 1,2 hacen referencia a los cuerpos.

En el caso del impacto inelástico, cuando los cuerpos que colisionan se deforman de manera permanente, no recuperan su forma original. En este tipo de choque, se pierde parte de la energía cinética de los cuerpos aún cuando la cantidad de momento lineal se conserve. Esto se representa mediante las ecuaciones (4) y (5).

(5) kfki EE ≠ La diferencia de la energía cinética se debe a que, durante el impacto, parte de ella se transforma en energía térmica, energía rotacional y energía potencial interna por la deformación.

32

Las fuerzas de contacto que se generan en los cuerpos durante el impacto, son de la misma magnitud pero con sentido contrario. La magnitud de esta fuerza tiene un comportamiento creciente hasta alcanzar el valor máximo y posteriormente decae hasta ser nula cuando los cuerpos dejan de estar en contacto. En la figura 1.2, se muestra una gráfica de la magnitud de la fuerza durante el periodo del impacto (T).

Gráfica de la fuerza de impacto vs tiempo.

El comportamiento de la fuerza de contacto, depende de la rigidez de los cuerpos que colisionan, a medida que la rigidez de los cuerpos disminuye la magnitud de la fuerza máxima disminuye y el periodo del impacto se incrementa (T). Esto quiere decir que cuando colisionan cuerpos de materiales duros el incremento y decremento de la fuerza de contacto se realiza en un periodo de tiempo menor al de cuerpos suaves. Se consideran materiales duros a los metales y suaves a los polímeros. Este fenómeno se observa de forma clara en condiciones de impacto elástico de poca intensidad. El fenómeno de impacto se puede originar de diferentes formas, colisionando cuerpos que se encuentran en movimiento, un cuerpo en movimiento y otro en reposo, y por el efecto de la caída libre de los cuerpos al chocar con el suelo. El efecto de la caída libre de los cuerpos se utiliza para realizar pruebas de impacto controlando la altura a la cual se deja caer el cuerpo. Con este parámetro, se realiza el cálculo de la velocidad de impacto de forma indirecta utilizando la teoría de movimiento de los cuerpos uniformemente acelerado o utilizando la ley de conservación de la energía. Donde la

33

energía potencial del cuerpo se iguala con la energía cinética que éste adquiere en el momento del impacto. En la figura 1.3, se muestra un esquema de un cuerpo en caída libre.

Diagrama de caída libre: h =altura, m = masa, Ep = energía potencial, Ek = Energía cinética, v = Velocidad, g = Aceleración de la gravedad.

En el instante que se deja caer el cuerpo, éste tiene una energía potencial máxima y una energía cinética nula en cambio, en el instante en que el cuerpo choca con el suelo tiene una energía cinética máxima y energía potencial nula. La energía cinética esta dada por la ecuación (1) y la energía potencial por la ecuación (6).

(6) mhgE p = Con base en la ley de la conservación de la energía, se iguala la energía potencial con la energía cinética, donde se despeja el parámetro de la velocidad como se muestra a continuación.

(6) 2

21 mvmhgEE kp ===

(7) hgv 2= Con la ecuación (7), se puede calcular la magnitud de la velocidad como función de la altura de caída y con este parámetro se puede hacer una estimación del impacto calculando el momento lineal.

1.8.2 Puerto paralelo.

El puerto paralelo o normalmente conocido como puerto Centronics, es la interfaz capaz de enviar datos de byte en byte, o sea 8 bits a la vez. La utilidad principal de este puerto es la conexión de impresoras, aunque a veces se utilizan otros periféricos como pueden ser unidades de discos, plotters, scanners.

34

El interfaz puerto paralelo consta de un conector hembra de 25 pins denominado, según el estándar IEEE 1284, DB25; de estos 25 pins, 8 se utilizan para la tierra digital, por lo que los 17 restantes son para señales. Estas señales se dividen en tres tipos:

8 líneas de Datos. 4 líneas de Control. 5 líneas de Estado.

Las líneas de datos se utilizan como salidas para transmitir los 8 bits que componen el dato que se quiere enviar. Las líneas de control se utilizan para que el computador maneje el dispositivo, la impresora normalmente. Por último las líneas de estado son las que informan al computador de como se encuentra el periférico. La tabla 1.1 resume y describe las patillas del puerto paralelo del conector DB25. En la figura 1.4, se muestra un esquema del puerto paralelo.

Esquema del puerto paralelo.

Descripción de las líneas del puerto paralelo.

Pin Nombre Tipo Descripción 1 Strobe Salida Validación de dato. 2 Data 0 Salida Dato 0 3 Data 1 Salida Dato 1 4 Data 2 Salida Dato 2 5 Data 3 Salida Dato 3 6 Data 4 Salida Dato 4 7 Data 5 Salida Dato 5 8 Data 6 Salida Dato 6 9 Data 7 Salida Dato 7 10 ack Entrada Reconocimiento de carácter aceptado. 11 Busy Entrada Ocupado 12 Pe Entrada Sin papel 13 Select Entrada Impresora en línea 14 Autofeed Salida Avance automático del papel. 15 error Entrada Error 16 int Salida Reset de Impresora 17 Selectin Salida Selección de impresora

35

18-25 Gnd Tierra Registros del puerto paralelo.

Registro de datos.

Bit Número Nombre

Pin Número

7 Dato 7 9 6 Dato 6 8 5 Dato 5 7 4 Dato 4 6 3 Dato 3 5 2 Dato 2 4 1 Dato 1 3 0 Dato 0 2

Registro de control.

Bit Número Nombre

Pin Número

7 No Usado 6 No Usado 5 Enab. Bi-dir. 4 Enab.IRQACK line 3 Select in 17 2 Init 16 1 Autofeed 14 0 Strobe 1

Registro de estado.

Bit Número Nombre

Pin Número

7 Busy 116 Ack 10

36

5 Pe 12 4 Select. 13 3 Error 15 2 IRQ 2 1 Reservado 1 0 Reservado 0

1.8.3 Envío y lectura de datos por el puerto paralelo

El envío de datos por medio del puerto paralelo, se realiza por el registro de datos y la implementación del utilitario matport para matlab, mediante la cual se pueden desarrollar programas en Matlab utilizando esta librería. Para la lectura de datos, también se utiliza el utilitario de matport y el registro de estado, con los cuales se pueden realizar programas para realizar lecturas de forma digital. Para que el utilitario de matport funcione correctamente es conveniente instalar las librerías del utilitario ntport, las cuales se pueden descargar de siguiente sitio: www.ntportlibrary.com. Posteriormente de haber descargado e instalado las librerías de matport y ntport, la forma y la sintaxis correspondiente para enviar y leer datos por el puerto paralelo a través de matlab, es la siguiente: Envío de datos

matport('outp', Puerto datos, Dato); Lectura de datos

variable = matport('Inport',Puerto estado); Donde: Puerto: Corresponde a la dirección del puerto que se esté utilizando en valor decimal, para el puerto de datos le corresponde 888, el de estado 889, y el de control 890. Dato: Corresponde el valor decimal del dato que se va a enviar que va desde 0 hasta 255. Variable: Es la dirección donde se guarda el dato leído en valor decimal.

1.8.4 Convertidor analógico digital 0831.

El convertidor analógico digital, es un dispositivo que se utiliza para cambiar las señales eléctricas de parámetros físicos a información digital, lo cual permite enviar la información de la medición a la computadora donde, se realiza el procesamiento y análisis de los datos.

http://www.ntportlibrary.com/

37

El ADC0831, es un convertidor analógico digital de 8 bits serie, esto quiere decir que el valor de la conversión tiene una resolución de de 8 bits, los cuales se toman de una línea de salida de forma sincrona. Este dispositivo tiene la ventaja que se puede utilizar con solo 3 líneas de control. En la figura 1.5, se muestra un esquema del circuito integrado ADC0831 con sus respectivas líneas de control.

Esquema del ADC0831.

De la figura 1.5, se tiene que:

D0: línea por la cual adquirimos vía serie los bits de la conversión. CLK: señal de reloj. Frecuencia a la cual van saliendo los bits. CS: línea de habilitación del chip. Activa a nivel bajo. Vref: Tensión de referencia. Fija la tensión mínima que se puede digitalizar, se conoce como resolución. Resolución = Vref / 255. Vin (+) y Vin(-): Entrada diferencial de la señal analógica que se quiere digitalizar.

Es importante respetar el diagrama de tiempos, ya que de este, se saca la información para obtener los bits de información y su orden de salida, además del estado de las señales CS\ y CLK. Otro punto importante, es que mientras se esta realizando la conversión no se deben tener interrupciones para no tener problemas en la lectura. En la figura 1.6, se muestra el diagrama de tiempos para poder realizar la conversión de la señal analógica.

38

Diagrama de tiempos para realizar la conversión ADC0831. Es importante saber que durante la lectura de los bits en el ADC0831, este dispositivo los proporciona del más significativo al menos significativo para no tener confusión al momento de realizar las operaciones de conversión. La conversión de los valores digitales obtenidos a su valor analógico se realiza al convertir los 8 bits obtenidos a valor decimal (bindec), que posteriormente se multiplica por la resolución. Las especificaciones eléctricas y los detalles de las conexiones, se presentan en la hoja de especificaciones técnicas del circuito integrado.

(8) Voltaje leído = bindec* resolución

Capítulo 2

DISEÑO Y CONSTRUCIÓN DEL

IMPACTADOR.

En el presente capítulo se describe la metodología seguida para el diseño y construcción del impactador, elemento que se utiliza para propiciar la colisión contra el fruto de forma controlada. Así mismo, se presentan los planos correspondientes a cada una de sus piezas y el ensamble final.

2.11.9 Planteamiento de la necesidad.

La implementación de la técnica de impacto, para determinar el grado de madurez de los frutos sin destruirlos, requiere de un dispositivo que permita controlar la fuerza, que sea de restitución rápida y proporcione un impacto uniforme; además que sea de bajo costo, fácil

Con formato: Numeración y viñetas

39

instalación y mantenimiento. Con base en los requerimientos, se construyó un impactador electromagnético que permite variar la magnitud de la fuerza de impacto por medio del voltaje de alimentación y tiene repuesta rápida a la señal de control.

2.21.10 Diseño conceptual.

En esta etapa se plantearon soluciones potenciales, las cuales se evaluaron para elegir la más apropiada. A continuación se presentan las ideas concebidas, los parámetros considerados, y la evaluación de cada uno de ellos. Para accionar el impactador, se consideró 2 tipos de sistemas para proveer la fuerza de accionamiento:

a) Sistema electro neumático.

b) Sistema electromagnético.


40

En la tabla 2.1, se presentan las principales características de los dos sistemas analizados.

Características de los sistemas para proveer la fuerza de impacto.

Sistema Sistema Electroneumático Electromagnético

Mantenimiento

Se necesita de personal especializado.

No requiere de personal especializado.

Instalación

Se necesita de una instalación especial.

Se requiere de una fuente de CC.

Tiempo de respuesta Largo. Corto. Control de fuerza Bueno Bueno Costos Elevado Bajo

Con base en la comparación de las características de ambos sistemas, se eligió al sistema electromagnético para proveer la fuerza de accionamiento. En la figura 2.1, se muestra la estructura conceptual del sistema con sus elementos principales que lo constituyen.

2 31

4

Figura 2.1. Estructura conceptual.

De la figura 2.1, los elementos que constituyen la estructura conceptual son:

1 Electroimán.

2 Elemento flexible.

3 Imán permanente.

4 Elemento de impacto con sensor tipo mica.

2.31.11 Configuración del dispositivo.

Con base en la estructura conceptual del sistema electromagnético, se propusieron diferentes configuraciones que se analizaron; como resultado se eligió la configuración tipo bocina que se muestra en la Figura 2.2. Esta configuración presenta buena eficiencia magnética debido a que la trayectoria del flujo magnético atraviesa por un entrehierro corto con baja reluctancia, por lo tanto no requiere de imanes potentes para producir fuerzas de las magnitudes requeridas


41

para este trabajo y esto ayuda a reducir los costos de construcción. En la figura 2.2, se muestra el esquema del sistema con la configuración seleccionada.

Figura 2.2. Configuración tipo bocina.

De acuerdo con la figura 2, los elementos que constituyen el dispositivo son:

1. Disco con eje en el centro.

2. Imán permanente.

3. Anillo ferromagnético.

4. Bobina móvil.

5. Resorte.

6. Elemento de soporte.

7. Vástago de impacto.

8. Trayectoria del flujo magnético.

2.41.12 Funcionamiento.

El imán permanente es la fuente de campo magnético principal que se complementa con el anillo ferromagnético y el disco con eje en el centro para formar el circuito magnético. Estos elementos establecen la trayectoria del flujo magnético, que se muestra con línea continua color rojo en la figura 2.2. El flujo magnético atraviesa de forma perpendicular a la bobina móvil, que al pasar la corriente eléctrica por ella, ésta interactúa con el campo principal y como consecuencia se produce una fuerza que acciona al vástago de impacto. Este elemento transmite la fuerza de impacto al fruto y sirve de soporte a la bobina móvil. Posterior al impacto, el resorte se encarga de restituir al vástago a su posición inicial y para evitar oscilaciones del mismo, la bobina móvil se energiza con polarización inversa. Esto atrae y retiene a la bobina móvil.


42

2.51.13 Análisis del la configuración.

Para dimensionar los elementos del dispositivo se realizó un análisis del sistema y se establecieron las ecuaciones características del fenómeno. Las ecuaciones del sistema se obtuvieron de 3 modelos simplificados: modelo mecánico, modelo eléctrico y modelo magnético. De cada uno de modelos se identificaron los parámetros de diseño, los cuales se relacionan en las ecuaciones que se presentan en la Sección 2.6.

2.5.1. Modelo mecánico.

El modelo que se consideró para evaluar los parámetros mecánicos fue el sistema masa-resorte sin amortiguamiento Figura 2.3. Este modelo se utilizó para hacer un análisis dinámico del sistema. Los parámetros de diseño que se consideraron son los siguientes: masa (m) y velocidad (v) del vástago de impacto, rigidez del resorte, tiempo (t) de restitución del vástago y distancia del fruto a impactar (x). En la masa del vástago también se toma en cuenta la masa de la bobina móvil.

Figura 2.3. Sistema masa-resorte sin amortiguamiento

Del sistema masa-resorte que se muestra en la figura 2.3, se obtiene la ecuación de movimiento aplicando la segunda ley de Newton.

(9) makxF =− Donde: F = fuerza de accionamiento. m = masa del vástago de impacto. k = constante de rigidez del resorte. x = desplazamiento del vástago ó distancia del fruto. a = aceleración del vástago. De la ecuación (9), se despeja la aceleración para dejarla en función de los demás parámetros.

(10) xmk

mFa −=



43

De las ecuaciones de movimiento con aceleración uniforme, se utiliza la ecuación que relaciona la velocidad, aceleración y la posición.

(11) adxvdv = Sustituyendo (10) en (11) e integrando, se obtiene:

(12) dxkxFm

vdv )(1−=

(13) ∫∫ −= dxkxFm

vdv )(1

De (13) se encuentra la velocidad en función de la masa, fuerza de accionamiento,

desplazamiento y rigidez del resorte.

(14) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

22 2kxFxm

v

De la ecuación (14) se despeja la variable de tiempo (t), como consecuencia se obtiene

(15)

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

=

22 2kxFxm

xt

Esta ecuación permite estimar el tiempo que tarda el vástago para colisionar con el fruto y el tiempo de retorno a su posición inicial.

2.5.2.Modelo eléctrico.

El modelo que se consideró para evaluar los parámetros eléctricos es el sistema que se muestra en la figura 2.4, y está constituido por una resistencia , R, una inductancia , L, una fuente de alimentación , V y el voltaje inducido , E; este último es producto del movimiento de la bobina móvil dentro del campo magnético principal. Este modelo se utilizó para hacer el análisis eléctrico, que involucra, además de los parámetros citados anteriormente, algunos parámetros magnéticos como son: la densidad de flujo magnético (B) y longitud de la bobina (l).


44

Figura 2.4. Esquema eléctrico del sistema tipo bocina. En el esquema que se muestra en la figura 2.4, se aplica la ley de voltaje de Kirchoff en la trayectoria del circuito, se obtiene que:

(16) EjwLIRIV ++= La magnitud de (E), que se induce en la bobina móvil, es proporcional a la velocidad (S) con la cual se desplaza en el campo magnético y se describe por:

(17) BlSE = La ecuación (18) relaciona la interacción de la corriente eléctrica que circula a través de un conductor dentro de un campo magnético, el efecto es una fuerza que impulsa al conductor. La fuerza que se produce tiene una dirección perpendicular al plano del flujo magnético, cuya magnitud es directamente proporcional a la longitud (l) y corriente de la bobina; con densidad de flujo (B) constante.

(18) BlIF = Las ecuaciones 16,17 y 18 se tomaron de la referencia [31].

2.5.3.Modelo Magnético.

Para establecer las ecuaciones de este modelo, se utilizo una aproximación que satisface el análisis de imanes permanentes, un circuito donde no hay pérdida de flujo en los materiales ferromagnéticos, para ello se propuso un modelo ideal, donde el material ferromagnético no presenta reluctancia. El circuito ideal que se utilizó para la obtención de las ecuaciones se muestra en la figura 2.5.

Figura 2.5. Esquema ideal del circuito magnético.

Al aplicar la ley de Ampere al circuito, donde se considera que no hay pérdidas de la fuerza magnetomotriz (fmm) en el material ferromagnético, se obtiene:

(19) ggmm lHlH = Donde: Hm = fmm del imán, lm = longitud del imán, Hg = fmm de la sección transversal del entrehierro y lg = longitud del entrehierro. Al considerar que todo el flujo del imán pasa a través del entrehierro, se establece la siguiente relación.

(20) ggmm ABAB = Donde: Bm = es la inducción del imán, Am = es el área de la sección transversal del imán, Bg = es la densidad de flujo dentro del entrehierro y Ag = es el área de la sección transversal del


45

entrehierro. Por lo tanto, al resolver la ecuación para Bm y Hm, se obtiene la ecuación (21), la cual representa al coeficiente de permeabilidad del imán (cp).

(21) gmg

mgg

m

m

lAHlAB

HB

=

La permeabilidad de un material se define como µ = B/H. En unidades CGS, la permeabilidad del aire tiene un valor unitario. Entonces la ecuación (21) se escribe de la siguiente forma:

(22) gm

mg

m

m

lAlA

HB

=

De la ecuación (22), se observa que la relación B/H sólo depende de las propiedades geométricas del circuito y no de las propiedades magnéticas. Esta relación es el coeficiente de permeabilidad, valor que también se utiliza para trazar una línea de carga que interfecta a la curva de magnetización del imán. Esta línea se dibuja desde el origen hasta cruzar con la curva de magnetización del imán en el segundo cuadrante, la intersección de las dos curvas se conoce como punto de operación, donde obtienen nuevos valores de Bm y Hm. Con el valor de Bm, se calcula la densidad de flujo en el entrehierro (Bg) mediante la ecuación (23).

(23) g

mmg A

BAB =

En la figura 2.6, se muestra la intersección de la línea de carga con la curva de magnetización del imán.

Figura 2.6. Es quema del punto de operación del imán.

2.61.14 Ecuaciones para el Dimensionamiento.

Con el análisis de los modelos simplificados se obtuvieron ecuaciones que al combinarse relacionan los parámetros eléctricos, mecánicos y magnéticos. De la ecuación (14) se despeja F para dejarla en función de las demás variables, como se muestra en la ecuación (24).

(24) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+= kx

xmvF

2

21

Donde F representa a la fuerza de accionamiento que impulsa al vástago de impacto, cuya magnitud depende de la masa del vástago (m), la velocidad a la cual impacta el fruto (v), la distancia del fruto (x) y la constante de rigidez del resorte. Esta fuerza, también se relaciona


46

con los parámetros eléctricos y magnéticos en la ecuación (18), que al sustituirla en la ecuación (24) se obtiene lo siguiente:

(25) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+= kx

xmvBlI

2

21

En la ecuación (25), se sustituye la relación geométrica de la longitud del conductor de la bobina móvil, dado que la bobina móvil es un enrollamiento circular del conductor, ésta depende del diámetro y del número de espiras. Por lo tanto, se puede reescribir como:

(26) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+= kx

xmvIDNB b

2

21)( π

Donde N = es el número de espiras de la bobina, Db = es el diámetro de la espira, I = corriente de bobina y B = densidad de flujo. De la ecuación (26) se despeja N e I, porque estas variables permiten especificar las características del conductor, material con el que se construye a la bobina móvil, dichas características son: longitud, calibre y masa.

(27) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+= kx

xmv

BDNI

b

2

21π

2.71.15 Dimensionamiento de los elementos.

Para dimensionar los elementos del impactador, primero se estableció el límite de la energía de impacto, con la cual se golpea al fruto sin dañarlo. Dado que la magnitud del impacto depende de la masa (m) y de la velocidad (v) del los cuerpos que colisionan, se realizaron pruebas de impacto a frutos por caída libre, en las cuales se golpearon a varios frutos con dos balines de diferente tamaño a diferentes alturas, de estas pruebas se obtuvieron valores de masa y velocidad para impactar los frutos. Con base en los resultados de las pruebas por caída libre, se estableció la magnitud de la masa y la velocidad para realizar los cálculos, la masa que se obtuvo fue m = 70gr y la velocidad de v = 0.5m/s. Las pruebas de impacto por caída libre y la manera en que se establecieron los límites de energía de impacto para los frutos se describen a detalle en el apéndice A Después de obtener las magnitudes base para los cálculos se seleccionaron los materiales con los cuales se construyeron los elementos del impactador. En la tabla 2.2, se presenta la lista de los elemento con los materiales seleccionados. Posteriormente, se establecieron 2 elementos como base para realizar los cálculos, los elementos seleccionados fueron: el imán y el vástago de impacto. La estrategia se estableció de esta forma puesto que, maquinar un imán permanente con dimensiones especiales tiene un costo elevado y en el caso del vástago de impacto, los perfiles comerciales que se presentan en los catálogos de los proveedores cumplieron con los requerimientos de diseño, con lo cual se evito el maquinado de esta pieza y reducir el costo por este concepto.


47

Lista de los elementos con los materiales seleccionados.

Figura 2.7. Elemento Figura 2.8. Material Figura 2.9. Descripción. Figura 2.10. 1. Disco con eje en el centro.

Figura 2.11. Hierro comercial.

Figura 2.12. Bajo costo y tiene buenas propiedades magnéticas.

Figura 2.13. 2. Imán permanente.

Figura 2.14. Cerámico de grado 8

Figura 2.15. Bajo costo y alta coersitividad.

Figura 2.16. 3. Anillo ferromagnético.

Figura 2.17. Hierro comercial.

Figura 2.18. Bajo costo y tiene buenas propiedades magnéticas.

Figura 2.19. 4. Bobina móvil. Figura 2.20. Alambre magneto de cobre.

Figura 2.21. Buenas propiedades eléctricas.

Figura 2.22. 5. Resorte. Figura 2.23. Acero. Figura 2.24. Bajo costo. Figura 2.25. 6. Elemento de soporte.

Figura 2.26. Madera y PVC. Figura 2.27. Materiales que no conducen el flujo magnético y bajo costo.

Figura 2.28. 7. Vástago de impacto

Figura 2.29. Acrílico. Figura 2.30. Ligero y buena rigidez para transmitir la fuerza de impacto.

De los catálogos de los proveedores de imán y acrílico, se seleccionaron 3 piezas de cada elemento y se formaron 3 propuestas con las cuales, se iniciaron los cálculos. Las propuestas se presentan en la tabla 2.3. Las dimensiones que se presentan en la tabla se muestran en la figura 2.7.

p

e

Di

DiDe

De

Imán

.

.

.

.

.

.

Vástago Figura 2.7.Figura 2.31. Dimensiones del imán y tubo de acrílico.


48

Dimensiones de los elementos de las 3 propuestas.

Propuesta Pieza Características De Di E p mm mm Mm mm

1

Imán Cerámico tipo anillo grado 8 115.31 44.45 10.16 Vástago Tubo de acrílico 31.7 25.7 3

2

Imán Cerámico tipo anillo grado 8 133.35 48.51 13.97 Vástago Tubo de acrílico 31.7 25.7 3

3

Imán Cerámico tipo anillo grado 8 85.75 32.51 11 Vástago Tubo de acrílico 19.7 17 1

Con los datos de las propuestas que se muestran en la tabla 2.3, se realizo el cálculo de la densidad de flujo en el entrehierro, para ello se construyó un esquema donde se representan a los elemento que forman el circuito magnético, dicho esquema se muestra en la figura 2.8. Los elementos 1 y 2 en la figura 2.8 representan al disco con eje en el centro, el elemento 3 representa al imán permanente y el 4 al anillo ferromagnético. Los parámetros que se tomaron para el cálculo son: la longitud, sección transversal y la permeabilidad del material en cada elemento. La longitud efectiva, se muestra en el esquema con sus respectivos subíndices, el subíndice g se refiere al entrehierro o discontinuidad del circuito. La línea discontinua en color azul representa la trayectoria del flujo magnético.

Figura 2.8.Figura 2.32. Modelo simplificado del circuito magnético.

Los cálculos de la densidad de flujo se realizaron para diferentes valores de los parámetros de cada elemento. Estos cálculos, se llevaron acabo con las ecuaciones que se obtuvieron en el modelo magnético. Se dieron valores de la longitud del imán y entrehierro, los cuales se sustituyeron en la ecuación (22), de donde se obtuvo la pendiente de la línea de carga, con el valor de la pendiente se busco la intersección con la curva de magnetización del imán, figura 2.9 , posteriormente con el nuevo valor de Bm se calculó Bg. El proceso del cálculo se muestra en el esquema de la figura 2.10.


49

Figura 2.9.Figura 2.33. Curva de magnetización: imán cerámico grado 8.[32]

Figura 2.10.Figura 2.34. Diagrama de cálculo de la densidad de flujo en el entrehierro.

El valor de la densidad flujo en el entrehierro, se tomó como dato de entrada para el cálculo de los parámetros NI. Para realizar la secuencia de cálculo, se proponen valores de distancia del fruto y constante de rigidez del resorte, estos se sustituyen en la ecuación (27). Las distancias del fruto propuestos son: x1 = 1cm, x2 = 1.5m y x3 = 2cm; para el caso de la rigidez del resorte, se creo un vector de rigidez k = 20 a 200N/m con incrementos de 10N/m. La secuencia de cálculo se muestra en la figura 2.11.



50

Figura 2.11.Figura 2.35. Diagrama de cálculo de NI.

Donde: k = Vector de la constante de rigidez del resorte, m = masa del vástago, V = velocidad de impacto del vástago, Bg = Densidad de flujo en el entrehierro, Db = Diámetro medio de la bobina móvil. De las pruebas de impacto por caída libre, se obtuvo la masa y velocidad del vástago de impacto para evitar daños en los frutos, valores que se sustituyeron en la secuencia de cálculo. En el caso del diámetro de la bobina móvil, se varió de acuerdo al espacio en el entrehierro. El cálculo se realizó por medio de iteraciones y se repitió hasta encontrar los valores mínimos de NI. En la figura 2.12, se presentan las gráficas de k vs NI, de las cuales se tomó el valor de NI para seleccionar el calibre del conductor y el número de espiras de la bobina. De la gráfica con desplazamiento de 2cm, se obtuvo el valor de NI = 30 Ae con una rigidez de resorte de 200N/m como valor máximo. A continuación se presentan las dimensiones y las características de los elementos que se construyeron. Bobina móvil. Este elemento, se construyó sobre un tubo de acrílico con De = 19mm, Di = 17mm y pared = 1mm, el cual tiene 4 capas con 59 espiras activas. En la figura 2.13, se muestra al elemento.


51

Figura 2.12.Figura 2.36. Gráficas de NI vs k.

Figura 2.13.Figura 2.37. Bobina móvil.

Disco con eje en el centro. El disco tiene un diámetro de 85mm y espesor de 6mm, el eje tiene un diámetro de 16.6mm y una altura de 38.5mm. Este elemento se muestra en la figura 2.14.

Figura 2.14.Figura 2.38. Disco con eje en el centro.

Anillo ferromagnético. El anillo tiene diámetro exterior de 85mm, diámetro interior de 24mm y espesor de 6mm. Este elemento, se muestra en la figura 2.15 en la parte superior de las piezas de imán.




52

Figura 2.15.Figura 2.39. Anillo ferromagnético e Imán permanente.

Imán permanente. Este elemento se construyó con 3 piezas de imán cerámico grado 8 Modelo CR337A con un campo remanente de 3850 gauss, diámetro exterior de 85.75mm, diámetro interior 32.51mm y espesor de 10.7mm. Este elemento se muestra en la figura 2.15. Resorte: Este elemento tiene una longitud libre L = 5.7cm y una constate de rigidez k = 116.6 N/m.

2.81.16 Ensamble del impactador.

La bobina se ensambla sobre el eje, donde tiene libre movimiento en dirección perpendicular al disco tal y como se muestra en la figura 2.16, posteriormente las piezas de imán y el anillo ferromagnético se unen para formar un bloque, el cual se une con el disco con eje en el centro que posee a la bobina, dicho ensamble se muestra en la figura 2.17.



53

Figura 2.16.Figura 2.40. Ensamble de disco con eje en el centro y la bobina.

Figura 2.17.Figura 2.41. Ensamble del impactador.

Capítulo 3

SISTEMAS DE CONTROL, MEDICIÓN Y

PROCESAMIENTO DE DATOS.

En este capítulo se describe el diseño, construcción e implementación de los sistemas: de control, medición y procesamiento de datos. El sistema de control coordina el impactador con la adquisición de datos, el sistema de medición permite obtener la magnitud del impacto durante las pruebas y el sistema de procesamiento de datos; obtiene la señal del sensor, calcula los parámetros de impacto y calcula los índices de maduración.

Sistema de control.

Con la finalidad de coordinar el instante de impacto con la adquisición de datos, se construyó un sistema de control para el impactador. Este sistema permite controlar la polarización del



54

voltaje que alimenta a la bobina móvil, la cual produce una fuerza de accionamiento en la dirección del impacto cuando se polariza de forma activa, mientras que ayuda a restituir el vástago a su condición inicial con una polarización inversa, evitando oscilaciones debido a la inercia del mismo. Mediante este sistema, también se puede variar la magnitud del voltaje, lo cual permite variar la magnitud del impacto.

Circuito de control

El circuito de control se construyó con: el circuito integrado L293b, un arreglo de transistores que funcionan como interruptores, resistencias y el puerto paralelo de la PC, que permite enviar pulsos lógicos con intervalos de tiempo ajustable.

48

En la Figura 3.1, se muestra el diagrama de conexión del circuito integrado (CI) L293b acoplado al arreglo de transistores. El cambio de polaridad, se realiza por medio del voltaje aplicado entre los puntos C y D: cuando el potencial en el punto C es mayor que en el D la carga se polariza en un sentido, y cuando es menor la polaridad se invierte. El suministro de voltaje en C y D se coordina por el arreglo de transistores, los cuales sólo necesitan la señal de control que se envía por la PC. La variación de la magnitud del voltaje que alimenta a la bobina, se realiza por medio de una fuente de corriente continua con voltaje regulable, la cual se conecta al punto marcado con Vss del diagrama de conexiones.

Figura 2.42. Diagrama electrónico del sistema de control.

Dado que, los puertos periférico de la computara son muy sensibles a las variaciones de corriente porque, están diseñados para trabajar con señales lógicas que manejan bajas intensidades de corriente, la PC se acopló a un circuito electrónico que lo aísla de cualquier falla o sobre corriente que se presente en los elementos electrónicos de control. En la figura 3.2, se muestra el diagrama de conexión del circuito aislador, el cual se construyó con un circuito integrado LS74244 y 3 resistencias eléctricas de 220Ω.

49

Figura 2.43. Circuito aislador.

De la figura 3.2, PP hace referencia al puerto paralelo de la PC. La señal del pulso de control, se genera mediante la plataforma en matlab, que posteriormente se transfiere al circuito integrado LS74244, para que este, lo envíe al circuito de control en el punto indicado por el diagrama de la figura 3.1.

Software de control.

Mediante el software de control se ajustan los parámetros de operación del sistema, para garantizar la adquisición de la señal con el número de muestras preestablecidas en las pruebas de calibración, ya que al atrasarse la adquisición no se obtendrá completa la señal de impacto y como consecuente no se podrá evaluar el estado de madurez de los frutos de forma confiable. Los parámetros que se ajustan mediante este módulo son: a) las características de las señales de control del impactador y b) la sincronización de las etapas del proceso de medición: inicio de la adquisición de señales, aplicación de la fuerza de impacto y fin de la adquisición. El software de control contiene rutinas en matlab para interactuar con el hardware de la PC. Para dicho control del sistema se utilizan las líneas del registro de datos (pin 2 y 3) y registro de control del puerto paralelo (pin 1). Características de las señales de control del impactador. El software de control consiste en un conjunto de rutinas que se elaboraron en la plataforma de matlab con las librerías matport y ntport. Mediante estas rutinas, se ajustan los parámetros de la señal de control: i) el tiempo de disparo del actuador, ii) el valor máximo del voltaje, y iv) el tiempo requerido para reestablecerlo a cero.

50

Sistema de medición.

La medición del impacto, se realizó por medio de un sensor de fuerza piezorresistivo tipo mica, que se localiza en el extremo superior del vástago de impacto, un convertidor analógico digital ADC0831 y software en la plataforma de matlab. La resistencia de este sensor cambia al aplicar una fuerza sobre el área activa del elemento; utilizando circuitos electrónicos es posible detectar estos cambios de resistencia y generar voltajes que sean proporcionales a la fuerza aplicada. Las variaciones de voltaje, se acondicionaron mediante un amplificador y un filtro pasa bajos, que posteriormente se transfirieren a una computadora personal (PC) para realizar el procesamiento de los datos. El sensor que se utilizó fue FlexiForce A201, es flexible y muy delgado. Su flexibilidad y poca invasión lo hicieron el adecuado para realizar su implementación como elemento de medición. Este elemento actúa como una resistencia de sensado en un circuito eléctrico: Cuando el sensor está sin carga, su resistencia es muy alta. En cambio cuando una fuerza se le aplica, la resistencia decrece. Puesto que las variaciones de la señal eléctrica son pequeñas para poderse medir, el sensor se acopló a un circuito que proporciona un acondicionamiento de la señal. En la figura 3.3, se presenta la imagen de dicho elemento cuyas características se muestran en la tabla 3.1.

Figura 2.44. Sensor FlexiForce A201.

Características del sensor FlexiForce A201.

Características físicas.

Grosor 0.208mm Longitud 203mm Ancho 14mm Diámetro de sensado 9.53mm Conector macho cuadrado 3 pines

Características de medición

Error de linealidad. < +/- 5%

Repetibilidad <+/-2.5% hasta el 80% de

la fuerza aplicada Tiempo de respuesta < 5 microsegundos Temperatura de operación (-9°C a 60°C) Rango de fuerza 0-1 lbs (4.4 N)

51

El circuito que acondiciona la señal eléctrica, consta de un amplificador operacional LM741 y un filtro pasivo pasa bajas, el cual tiene una frecuencia de corte de 67.7 Hz. El amplificador se conectó en su configuración no inversora, esta configuración se utilizó porque, presenta una fácil modificación en su relación de ganancia con los elementos que los constituyen. En la figura 3.4, se muestra el diagrama de conexiones y los elementos que lo constituyen. Donde R1= 220 kΩ, R2= 2.2 kΩ, R3= 5 k Ω variable, R4= 0.5 k Ω, C1= 0.1 µf, C2= 0.1 µf y C3= 4.7 µf.

Figura 2.45. Diagrama de conexión del circuito de medición.

En la figura 3.4, se muestra que la salida del circuito de amplificación se conecta en la entrada del convertidor analógico digital ADC0831, el cual se coordina mediante rutinas en matlab para realizar la conversión de la señal analógica a digital que, posteriormente se lee por el registro de estado del puerto paralelo mediante el pin 10. En la misma figura se muestra un esquema del circuito ADC0831 y las líneas del puerto que se utilizan para obtener la señal del sensor.

Sistema de procesamiento de datos.

Las rutinas que constituyen este módulo de software tienen como objetivo realizar la adquisición y el análisis de las señales provenientes del sensor. Las rutinas realizan las siguientes tareas: a) adquisición, b) análisis y procesamiento, c) despliegue de resultados.

Las rutinas de adquisición, se basan en librerías ntport y matport, las cuales tienen como objetivo controlar la operación del convertidos ADC0831 y su interacción con la PC para obtener las señales de impacto. Los parámetros que se ajustan mediante estas rutinas son: el número de muestras, los intervalos de voltaje.

52

Las rutinas de análisis y procesamiento, se ejecutan una vez que la señal de impacto ha sido digitalizada. Estas rutinas constituyen la parte principal del sistema de caracterización y tienen la función de automatizar el análisis de las señales de fuerza y hacer una correlación de las características de éstas con el grado de madurez de los especímenes de prueba.

Las etapas del procesamiento son:

a) Acondicionamiento. Se realiza directamente sobre la señal digitalizada para normalizar las señales mediante un ajuste de curva para obtener una señal bien definida mediante la cual se obtiene el índice del estado de madurez del fruto.

b) Detección de picos de amplitud. Las fuerzas de impacto únicamente se aplican durante un período corto que sólo corresponde a una fracción del total de datos que conforman la señal adquirida. Este período se determina automáticamente para realizar el análisis exclusivamente sobre la porción de la señal que contiene la información de la magnitud de impacto. Con este fin se detecta el máximo valor de la señal de fuerza y con éste se identifica el período correspondiente a la aplicación del impacto. Esta etapa mejora los resultados del análisis ya que elimina la influencia de ruido presente en las mediciones durante los períodos en los que el impactador no está en contacto con el fruto.

c) Caracterización de la magnitud de impacto como función del tiempo. Una vez que se ha localizado la porción de la señal correspondiente al período en el que ocurre el impacto se determina la duración de éste. En frutos suaves la magnitud de impacto crece lentamente hacia su valor máximo, figura 3.5 (b), mientras que en frutos más duros ésta crece súbitamente y decae de manera similar, figura 3.5 (a). La duración del impacto se relaciona entonces con la suavidad o dureza superficial de los frutos y éstas a su vez con su grado de madurez. Por tal razón, este parámetro se utiliza para obtener el índice de maduración.

d) Correlación de la señal de impacto con el grado de madurez de los frutos. Los resultados del análisis, se presentan en un formato que hace posible al usuario del sistema evaluar la madurez de los frutos. Con este fin los resultados del análisis se transforman de acuerdo con una escala que indica el grado de madurez de los frutos, y que asigna números menores a los frutos más verdes. El despliegue de los resultados es simplemente un número que indica el grado de madurez de los frutos. Este indicador, se calcula de la señal de impacto, el cual representa la cantidad de puntos que se contabilizan dentro de un intervalo de voltaje y su magnitud depende del tiempo de duración del impacto. En la sección 4.3 se describe con detalle la obtención de este indicador.

53

Figura 2.46. Curvas de fuerza de impacto para fruto verde (a) y un fruto de rigidez

intermedia (b) de aguacate Hass.

Integración del software.

Los sistemas de control, medición y procesamiento de datos se integran en un mismo software, desarrollado en la plataforma MATLAB. Debido a que las tareas de control y de medición deben sincronizarse para ejecutar exitosamente la obtención de los índices de madurez en los frutos, la operación conjunta de los 2 tipos de tarea representó un paso importante del desarrollo del software. Esto requirió resolver algunos conflictos de software relacionados con el inicio y la finalización de las diferentes tareas de medición y control. El uso de una plataforma común para el desarrollo de todas las rutinas de cómputo simplificó su operación conjunta, ya que la sincronización de las diferentes tareas que constituyen la obtención de los índices de madurez en frutos se pudo reducir a establecer períodos de retraso suficientemente grandes entre una y otra. Sin embargo, se observo que el control del impactador como la adquisición de las señales de impacto no impedía el correcto funcionamiento del sistema.

a) b)

54

Capítulo 4

SISTEMA DE PRUEBAS.

En el presente capítulo se describe el sistema de pruebas, donde se acoplan los elementos de

control, medición, impacto y procesamiento de datos en una base de soporte. El objetivo de

este sistema es calibrar los elementos que lo constituyen y obtener índices mediante la técnica

de impacto de baja intensidad que relacionen la dureza superficial con el estado de madurez.

También se describe el proceso de calibración y las magnitudes de los parámetros que se

establecieron para realizar mediciones con los frutos reales.

1.17 Descripción del sistema de pruebas.

El sistema de pruebas consta de un par de rodillos separados 2.5cm (1), impactador electromagnético (2), estructura de soporte (3), circuito de control y de medición (4), fuente de voltaje de cc (5) y una PC (6) donde, se encuentra el software: de control, adquisición, y análisis de las señales. En la figura 4.1, se muestran los elementos antes mencionados.

56

Figura 2.47. Sistema de pruebas.

1.18 Funcionamiento.

La fuente de voltaje alimenta el circuito de control, el circuito de medición e impactador. Por

medio del software se envía la señal de control que activa el actuador y el sistema de

adquisición de datos para obtener las variaciones de la señal de voltaje durante el impacto. El

impacto se proporciona al espécimen, elemento (7) de la figura 4.1, por el actuador cuya

posición se localiza a 0.5cm del espécimen. Posteriormente el software realiza el análisis de la

señal obtenida para obtener el índice de madurez correspondiente al espécimen y despliega los

resultados del análisis de forma gráfica en pantalla.

1.19 Calibración

Aunque el sistema para obtener índices de maduración se diseño para realizar mediciones con

frutos agrícolas naturales, es difícil probar la repetitividad de las pruebas realizadas con él

usando este tipo de especímenes debido a que sus propiedades varían con el tiempo. Para

evitar esto, se fabricaron especímenes de goma de alginato de diferentes grados de rigidez, los

cuales se pudieron someter a pruebas sin variar sus propiedades elásticas. Esto permitió

establecer los algoritmos más confiables para determinar la madurez de frutos y también elegir

los parámetros más representativos de esta característica. En la figura 4.2, se muestran las

1

2

6 5

4

3 7

57

imágenes de especimenes sintéticos utilizados; el diseño y su construcción, se describe con

detalle en el Apéndice B. La fabricación de estos especímenes la realizo el Dr. Enrique Simón

Gutiérrez Wing.[34]

Figura 2.48. Espécimen sintético.

Los parámetros del sistema que se ajustaron son: voltaje de alimentación del actuador, periodo

de la señal de control del actuador, frecuencia de muestreo, número de muestras y la

normalización de la señal de impacto para obtener los índices del estado de maduración del

fruto. Así mismo, se verificó la precisión del convertidor analógico digital ADC0831 y la

repetitividad de las pruebas.

Para verificar la precisión del convertidor analógico-digital, se realizaron pruebas de medición

de señales y se compararon con las de un multímetro digital, dispositivo que se considera

como elemento de referencia.

Dado que el convertidor analógico-digital tiene una resolución de 8 bits, el voltaje mínimo que

el convertidor puede medir está dado por:

Voltaje mínimo = Voltaje de referencia / 255.

58

El voltaje de referencia que se utilizo para el ADC0831 fue de 4.98volts, por lo que el voltaje

mínimo que el sistema de adquisición puede leer es de 0.019volts.

En la figura 4.2, se muestra una gráfica de la secuencia de mediciones que se realizaron con el

sistema de adquisición y el multímetro digital.

Figura 2.49. Mediciones del sistema de adquisición y el multímetro.

De acuerdo con las mediciones realizas que se muestran en la tabla 4.1, se observa que el

sistema de adquisición funciona de forma adecuada.

Después de verificar el buen funcionamiento del sistema de adquisición de señales, se

realizaron pruebas de impacto sobre el espécimen sintético con la finalidad de obtener el

periodo de la señal de control que activa el actuador, así como también la magnitud del voltaje

de alimentación. En la figura 4.4, se muestran señales del voltaje de alimentación del actuador

y de fuerza, las cuales se utilizaron para obtener el periodo del pulso de control y la magnitud

del voltaje de alimentación.

59

0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.40

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

X: 0.1918Y: 3

Tiempo ( s )

Volta

je (V

olts

)

Figura 2.50. Señales de alimentación del dispositivo (rojo) y de fuerza (azul) Con base en las pruebas realizadas, el periodo del pulso de control del actuador que se obtuvo

para la obtención adecuada de la señal de impacto, es de 0.0128 segundos con un voltaje de

alimentación de 3.36 volts. También se verifico la repetitividad de las pruebas para garantizar

las mismas condiciones de mediciones en los frutos reales. En la figura 4.4, se muestra una

secuencia de impactos realizados en el espécimen sintético, donde se observa uniformidad en

la magnitud y periodo de las señales obtenidas.

0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.40

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

Tiempo ( s )

Volta

je (V

olts

)

Figura 2.51. Pruebas de impacto con el fruto sintético.

60

Con la finalidad de obtener valores de correlación voltaje-fuerza del sensor, se aplicaron pesos conocidos para trazar la curva de respuesta. Esta curva se muestra en la Figura 4.6.

0 1000 2000 3000 4000 5000 60000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Voltaje ( mV)

Fuer

za (l

b)

Figura 2.52. Curva de respuesta del sensor de fuerza.

Para medir el impacto en los frutos se estableció una adquisición con una frecuencia de muestreo de 2307 muestras /segundo y el número de muestras que se toman por medición en cada impacto es de 150 muestras. La frecuencia de muestreo que se estableció, se determinó por la velocidad de adquisición máxima que el sistema de medición puede mantener constante. Por otra parte, el número de muestras se estableció con base en pruebas realizadas y se determinó que el número establecido es adecuado para representar la señal de frutos verdes y frutos maduros. Este número de muestras, se puede variar mediante el software ya sea para incrementarlo o disminuirlo por medio de bloques de rutinas que sincronizan al ADC0831.

El parámetro que se toma como indicador de maduración es la duración del impacto, medida

de una porción de la señal de impacto, la obtención de esta porción de señal se presenta con

detalle en el siguiente párrafo. Este parámetro varía de frutos verdes a frutos maduros. En el

caso de frutos verdes el incremento de la fuerza de impacto crece y decae de manera súbita,

61

figura 3.5 (a), mientras que en el caso de frutos más suaves la fuerza tiende a alcanzar su valor

máximo y decae de forma lenta, figura 3.5 (b).

El número de muestras localizadas en un intervalo de tiempo de la señal de impacto se

relaciona directamente con su duración, este parámetro se utilizó para crear un índice de

maduración . Este indicador hace referencia al estado de la consistencia de la pulpa del fruto.

Para obtener este índice, se localiza el punto máximo de la magnitud del impacto,

posteriormente con dicho valor, se establece un valor límite para cuantificar el número de

muestras que tienen un valor igual o mayor a este. El valor límite que se utiliza para

determinar el número de muestras en la señal de impacto es de 50% del valor máximo, este

valor se eligió porque permite obtener una porción de la señal, con la cual se identifican varios

índices de madurez, además de evitar efectos en la señal ajenos a la acción del impacto. En la

figura 4.6, se muestra la porción de la señal de impacto que se utiliza para calcular el índice de

la dureza superficial. El valor del indicador depende de la madurez del fruto, frecuencia de

digitalización y porcentaje de la máxima amplitud que se toma como referencia.

Las pruebas del software y el actuador se realizaron usando especímenes naturales y sintéticos. Con estas pruebas se verificó el funcionamiento adecuado del sistema para distinguir entre frutos de mayor o menor dureza superficial, y por consiguiente entre frutos naturales de distinto grado de madurez. En las Figuras 4.5 y 4.6, se presentan los resultados del análisis de dos frutos de diferente grado de dureza. Las curvas indican la evolución de las magnitudes de impacto con el tiempo, y el grado de dureza se especifica en la parte superior de la curva. La primera figura corresponde a un fruto relativamente duro, mientras que la segunda corresponde a un fruto más suave. Los grados de madurez más altos corresponden a frutos más suaves.

62

Figura 2.53. Magnitud de impacto de fruto verde.

Figura 2.54. Magnitud de impacto de fruto con madurez media.

T= Duración de impacto

T= Duración de impacto

63

Capítulo 5

ANÁLISIS DE RESULTADOS.

En este capítulo se presentan los índices de madurez obtenidos durante las pruebas que se realizaron con frutos de aguacate de la variedad hass. También se presenta el comportamiento de dicho indicador con el transcurso del tiempo en forma gráfica.

5.11.20 Descripción de las pruebas.

Las pruebas se realizaron con frutos de aguacate de la variedad hass en condiciones ambientales normales con una temperatura de 24oC, correspondiente a la zona sur de la ciudad de Cuernavaca Morelos, lugar donde, se localiza el CENIDET. En las pruebas se aplicaron 4 impactos a cada fruto en la zona ecuatorial, con estos se

obtuvieron los índices correspondiente al estado de maduración. Esta estrategia, se utilizó para

obtener un valor promedio del estado de madurez de los frutos porque la maduración no se

lleva acabo de forma homogénea en todo un fruto.

Para realizar las pruebas se utilizaron 10 frutos de aguacate, a estos se les midió el índice de

maduración durante 5 días. Durante ese tiempo los frutos alcanzaron las propiedades óptimas

de consumo. Estas propiedades son: color, sabor, olor y consistencia en la pulpa.

De la tabla 5.1 a la tabla 5.2 se muestra la variación de los índices de madurez en función del

tiempo, medido en días. Las tablas presentan los valores de los índices obtenidos por los 4

impactos aplicados a cada fruto y el valor promedio correspondiente.


61

Prueba 1.Día 1

Frutos Impactos Índice

Promedio 1 2 3 4 1 19 19 20 20 19.5 2 19 18 18 19 18.5 3 18 18 19 18 18.25 4 19 18 20 19 19 5 19 15 16 18 17 6 20 20 20 20 20 7 19 20 20 20 19.75 8 20 21 20 20 20.25 9 20 21 19 20 20 10 20 21 19 19 19.75

Prueba 2. Día 2

Frutos Impactos Índice

Promedio 1 2 3 4 1 21 20 22 22 21.25 2 20 20 21 20 20.25 3 20 20 19 20 19.75 4 21 22 21 21 21.25 5 20 21 22 20 20.75 6 22 21 22 22 21.75 7 22 23 21 22 22 8 22 23 21 22 22 9 22 23 23 21 22.25 10 23 22 21 22 22

Prueba 3. Día 3

Frutos

Impactos Índice Promedio 1 2 3 4

1 24 24 26 26 25 2 22 23 24 25 23.5 3 23 23 23 24 23.25 4 25 23 24 24 24 5 25 23 24 23 23.75 6 25 26 24 25 25 7 26 26 25 26 25.75 8 26 27 27 25 26.25 9 26 27 26 25 26 10 25 24 27 26 25.5

Prueba 4. Día 4

62

Frutos


1 30 31 32 33 31.5 2 29 31 30 29 29.75 3 29 30 31 30 30 4 31 31 30 31 30.75 5 32 31 30 32 31.25 6 33 30 31 33 31.75 7 32 34 33 31 32.5 8 34 33 30 32 32.25 9 31 32 33 32 32 10 33 31 33 33 32.5

Prueba 5. Día 5

Frutos


1 38 37 36 38 37.25 2 37 35 37 36 36.25 3 35 37 35 36 35.75 4 37 35 36 36 36 5 36 35 35 36 35.5 6 37 36 35 36 36 7 38 38 39 37 38 8 36 37 37 35 36.25 9 39 38 35 37 37.25 10 38 38 37 39 38

Con los valores del índice promedio de las pruebas realizadas se trazó una gráfica donde, se

muestra el comportamiento de este indicador con el transcurso del tiempo. Este gráfico se

muestra en la figura 5.1, donde el valor del índice de madurez se va incrementado con el paso

de los días. Esto se debe a que la celulasa va incrementando su actividad, cuya consecuencia

es la disminución de la firmeza del fruto. Dado que la celulasa se presenta en pequeñas

proporciones en los primeros días de haberse cortado el fruto, esta encima propicia cambios de

maduración poco significativos en los 3 primeros días en comparación con los cambios que se

presentan del tercer al quinto día, como se aprecia en el gráfico de la figura 5.1.

63

Con los índices de madurez obtenidos de los cuatro impactos aplicados a los frutos en cada

uno de los días, se observó una diferencia pequeña entre ellos. Con base en esto, se podría

obtener un indicador confiable con solo promediar la medición de 2 impactos aplicados en la

zona ecuatorial.

Figura 5.1.Figura 2.55. Curva de maduración de los frutos: a) escala lineal, b) escala logarítmica.

Los frutos que se seleccionaron para realizar las pruebas, se escogieron con las mismas

características en cuanto a su estado de maduración. Esto se puede corroborar al observar el

gráfico de la figura 5.1., en el cual se aprecia una diferencia pequeña entre los índices de

madurez de los diferentes frutos obtenidos en la prueba inicial y final.

En la figura 5.1, se presenta el comportamiento del índice de maduración de los 10 frutos

utilizados en las pruebas. En este gráfico, se observa que todos los frutos siguen la misma

tendencia de maduración con el transcurso del tiempo.

Con base en la observación que se realizó durante el transcurso de las pruebas en la obtención

de los índices de maduración, se establece que los frutos con índices de grado 36 a 38 se

consideran frutos maduros, los cuales presentan propiedades de color, sabor y textura

apropiadas para el consumo en ensalada o como aderezo. En cambio los frutos con índices de

a) b)


64

grado menor o igual a 32, se consideran frutos verdes, cuyas características de color, sabor y

textura no han alcanzado su estado óptimo.

Por otra parte, en la gráfica que se muestra en la figura 5.1 (b) también se aprecia que la

diferencia entre los índices de madurez de los frutos tiende a disminuir con el transcurso del

tiempo. Esto indica que los frutos que se encuentran bajo las mismas condiciones atmosféricas

tenderán a alcanzar su estado de madurez óptimo en diferentes lapsos de tiempo.

Capítulo 6

CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS

6.11.21 Conclusiones.

Con base en el desempeño del sistema que se construyó y las pruebas que se realizaron, se

concluye lo siguiente:

1) Se postuló y comprobó que existe una correlación entre la dureza superficial y el grado

de madurez de frutos de aguacate Hass. Esto se observa en la figura 5.1, donde se

muestra el índice de grado como función del tiempo, el cual se incrementa con forme

pasan los días. El incremento del índice se debe a la pérdida de la firmeza del fruto

como efecto del proceso de maduración ya que, en el inicio de las pruebas los frutos

presentaban una mayor firmeza que cuando estos se maduraron.


Con formato: Sangría: Izquierda: 18pto

65

2)La forma del pulso que representa la señal de fuerza de impacto como función del

tiempo puede emplearse para estimar la dureza superficial de los frutos. El ancho del

pulso es un indicador confiable de dicha dureza.

3)2) Utilizando un dispositivo electromagnético es posible aplicar una fuerza de

impacto con las características necesarias para estimar la dureza superficial de frutos

de aguacate.

4)3) El diseño del dispositivo electromagnético debe tomar en consideración los

siguientes parámetros: masa del vástago de impacto, velocidad de impacto y distancia

del espécimen de prueba. Estos sirven para establecer algunas características del

dispositivo como lo son: respuesta en lapso corto a la señal de control, restitución

rápida, bajo consumo de energía y control del incremento de la magnitud de fuerza de

impacto.



64

5)4) Es posible emplear sensores piezorresistivos para medir las fuerzas de impacto

que permite estimar la madurez de los frutos. Se comprobó que dichos sensores tienen

un comportamiento similar al de los sensores piezoeléctricos tradicionales, con la

ventaja de que son poco invasivos, ligeros, de fácil implementación y bajo costo.

6)5) Mediante el puerto paralelo y el circuito integrado ADC0831, es posible

implementar y utilizar un sistema de adquisición de señales para obtener señales de

impacto en pruebas con frutos de aguacate Hass.

6) La calibración del sistema de medición se puede establecer de forma rápida y confiable

mediante especímenes sintéticos que mantengan constes sus propiedades con el

transcurso del tiempo.

7) La forma del pulso que representa la señal de fuerza de impacto como función del

tiempo puede emplearse para estimar la dureza superficial de los frutos. El ancho del

pulso es un indicador de dicha dureza, dado que el incremento de este parámetro está

directamente relacionado con la disminución de la firmeza de la pulpa del fruto, lo cual

se puede apreciar en las figuras 4.6 y 4.7.

7)Es posible emplear sensores piezorresistivos para medir las fuerzas de impacto que

permite estimar la madurez de los frutos. Se comprobó que dichos sensores tienen un

comportamiento similar al de los sensores piezoeléctricos tradicionales, con la ventaja

de que son poco invasivos, ligeros, de fácil implementación y bajo costo.

6)8) Mediante las curvas de maduración tomadas en condiciones atmosféricas

controladas se podría predecir el tiempo en que tarda el fruto en alcanzar su madurez

de consumo, donde las características de color, olor, sabor y textura son óptimas.







65

Finalmente, con base en los resultados obtenidos, la técnica de impacto de baja intensidad se

puede implementar como método no destructivo para clasificar frutos de aguacate de forma

automática, puesto que mediante esta técnica se pueden obtener indicadores del estado de

madurez de los frutos de manera rápida y sin dañarlos.

1.22 Trabajos futuros

Obtener curvas de maduración en diferentes condiciones atmosféricas controlando la temperatura y la humedad relativa. Así mismo, utilizar dichas curvas para predecir el tiempo que se necesita para que el fruto alcance la madurez de consumo. Por otra parte, también es conveniente realizar mediciones en otras variedades de aguacate y frutos que presente similitud al proceso de maduración del aguacate Hass.

Obtener la velocidad máxima de medición con el dispositivo electromagnético al

implementarlo en un sistema para realizar clasificación de frutos en tiempo real.

Con base en las condiciones teóricas, se diseño y construyó un sistema de pruebas para determinar el estado de maduración de los frutos de aguacate mediante la técnica de impacto de baja intensidad. Con base en los requerimientos de la técnica de impacto de baja intensidad para determinar la dureza superficial en frutos de aguacate de forma no destructiva, se diseño y construyó un actuador electromagnético, el cual permite regular la magnitud de la fuerza de impacto mediante el voltaje de alimentación, además de tener buena respuesta a la señal de control. Este dispositivo también cuneta con la ventaja de tener una configuración sencilla para su fácil mantenimiento. Para coordinar la medición con el instante de impacto, se diseño y construyó un sistema de control constituido por un circuito electrónico y rutinas de software. Este sistema permite controlar el accionamiento del actuador, así como la magnitud de la fuerza de impacto. En la medición, se integró un circuito acondicionador de señal, el cual permite obtener señales de impacto sin interferencia de altas frecuencias. Su contribución permite visualizar las señales con formas definidas por los fundamentos teóricos.

Con formato: Título 1, Justificado,Espacio Antes: 12 pto, Después: 6pto, Interlineado: 1.5 líneas, Esquemanumerado + Nivel: 1 + Estilo denumeración: 1, 2, 3, … + Iniciar en: 1+ Alineación: Izquierda + Alineación: 14.2 pto + Tabulación después de: 42.55 pto + Sangría: 42.55 pto, Noajustar espacio entre texto latino yasiático

Con formato: Español (México)

Con formato: Normal

Con formato: Normal

Con formato: Español (México)

66

Se obtuvieron rutinas de software en la plataforma de matlab en las cuales se integraron las acciones de medición, control, y análisis de datos. Este software, se integró en un solo conjunto de rutinas para realizar la obtención de índices de madures de los especimenes de forma automática. Los índices de grado que se obtuvieron mediante el sistema de pruebas, permiten diferenciar frutos verdes de frutos maduros. Estos índices, establecen una relación del grado de maduración de los frutos con la consistencia de la pulpa. El incremento del índice de grado que se presenta en la figura 5.1, se relaciona con el incremento de la maduración de en los frutos. El valor de índice que se obtuvo para frutos maduros fue mayor a 36, mientras que para frutos verdes fue menor e igual a 25. Por lo tanto, la implementación de técnica de impacto de baja intensidad mediante el sistema de pruebas que se construyo, es una forma viable para obtener índices de maduración de los frutos de aguacate de forma no destructiva.Implementar y evaluar el funcionamiento del dispositivo electromagnético como excitador mecánico de elementos de máquinas para realizar pruebas dinámicas de vibraciones.

67

Apéndice A

Pruebas de impacto por caída libre en frutos.

1.1 Descripción de las pruebas.

En las pruebas se utilizó el siguiente material: 6 aguacates de la variedad Hass, 1 balín con diámetro de 7/16 pulgadas, 1 balín con diámetro de 3/8 pulgadas y el sistema de impacto por caída libre mostrado en la Figura A1.

sistema de impacto por caída libre.

Los elementos del sistema de impacto por caída libre son los siguientes:

Base: proporciona soporte al sistema. Bastidores: proporcionan soporte y permiten que la base móvil se deslice. Base móvil: permite transportar los balines a la altura requerida para la prueba. Patrón de altura: posee las maracas de las alturas de prueba y nos permite ubicar la

zona de impacto en el fruto. Compuerta deslizante: permite controlar el momento en el cual se deja caer el

balín.

1

2

3

4

5

70

Las pruebas de impacto consistieron en dejar caer los balines sobre los frutos a diferentes alturas. Los puntos de contacto en los frutos se marcaron con etiquetas para identificar el fruto, el balín que impactó y la altura de caída. Los frutos se etiquetaron siguiendo la siguiente convención: mm

xB , donde: B indica el número del fruto, x indica el elemento de impacto, y mm indica la altura de caída. En la figura A.2, se muestra un conjunto de frutos utilizados en las pruebas con sus respectivas etiquetas.

Frutos utilizados en las pruebas de impacto por caída libre

1.2 Secuencia de las pruebas.

Los frutos se enumeraron del 1-6, el 1 indica al fruto blando y el 6 al fruto con mayor dureza superficial. El balín de 7/16 se indico como elemento de impacto 1 y el de 3/8 como elemento de impacto 2. La secuencia de la prueba 1 se muestra en la Tabla A.1 y la secuencia de la prueba 2 se muestra en la Tabla A.2.

Primera prueba

71

Aguacate Elementos de impacto Altura de impacto (cm) 08

1 1 , 2 10 12 14 08 10

2 1 , 2 12 14 10 12

3 1 , 2 14 16 10 12

4 1 , 2 14 16 12 14

5 1 , 2 16 18 12 14

6 1 , 2 16 18

Segunda prueba

72

Aguacate Elementos de impactoAltura de impacto

(cm) 08

1 1 , 2 10 12 14 08 10

2 1 , 2 12 14 10 12

3 1 , 2 14 16 10 12

4 1 , 2 14 16 12 14

5 1 , 2 16 18 12 14

6 1 , 2 16 18

1.3 Resultados.

Después de 3 días a los frutos se les desprendió la cáscara para identificar las zonas dañadas. En algunos frutos se observaron marcas debido a la colisión de los balines. En la Tablas A.3 y A.4, se muestran los resultados de los daños por impacto. La x indica que el fruto sufrió daño con la masa y altura indicada.

Resultados de prueba 1

Fruto

Masa de impacto

Altura de impacto (cm)

04 06 08 10 12 14 16 18 20

73

1 1 2

2 1 x x 2 x

3 1 x x x x x 2 x x x x x

4 1 x x 2 x

5 1 x x x x 2 x x

6 1,2

Resultados de prueba 2

Fruto Masa de impacto

Altura de impacto (cm) 04 06 08 10 12 14 16 18 20

1 1 x x x 2 x

2 1 x 2

3 1 x x x 2 x

4 1 2

5 1 2 x

6 1 x 2

1.4 Observaciones.

El fruto 1 de la prueba 1 no fue posible analizarlo debido a una madurez excesiva. Esto impidió desprender la cáscara de la pulpa para identificar la zona dañada por impacto. Los daños de los frutos por impacto se presentan como puntos negros en la pulpa y en la cáscara, como se muestra en la Figura A.3.

74

Daño por impacto.

En los frutos se presentaron puntos donde se desprendió la pulpa, cuyo tamaño es similar a los daños por impacto. Estos daños son ajenos a los impactos aplicados en los frutos. La identificación de estos daños se realiza al tocar la cáscara, en la cual se aprecian bordes.

1.5 Conclusiones de las pruebas.

De acuerdo con la tabla A.3 y A.4 se observa que los frutos con una madurez avanzada presentan mayor daño por impacto. En la tabla A.4 se observa una secuencia inversa en el fruto 5 y 4, esto es porque el fruto 5 tiene mayor madurez que el 4, este orden erróneo se debe a la clasificación subjetiva que se realizó. El fruto 6 de la tabla 3 no presentó marcas por impacto, esto podría ser causa de su madurez poco avanzada.

Marca del impacto.

75

Apéndice B

ELABORACIÓN DE ESPECÍMENES

SINTÉTICOS

B.1 Introducción.

La elaboración de moldes es una de las técnicas más utilizadas para la reproducción de

objetos de manera artística y para la producción industrial de todo tipo de objetos en

diferentes materiales y formas. La creación de un molde permite capturar las características

simples y complejas, superficiales o volumétricas de un cuerpo con la ventaja principal de

poder tener repetitividad en la creación de modelos en serie.

Para los objetivos del presente trabajo se requería elaborar un molde que permitiera

reproducir la forma, tamaño y textura de un aguacate. Para esto se construyó un molde de

caucho de silicón, el cual capturó todos los detalles de un aguacate natural. El molde se

realizó con una goma flexible, en este caso caucho de silicón que reprodujo los detalles

exactos del aguacate, además la goma posee flexibilidad que permite un fácil

desmoldamiento del modelo original y generalmente duran por mucho tiempo, permitiendo

múltiples reproducciones

B.2 Proceso de elaboración del molde.

1.- Preparación del aguacate.

Se removieron todas las imperfecciones, sólidos y otros factores en al superficie del

aguacate, el cual debe estar libre de polvo y suciedad porque el caucho de silicona va a

reproducir exactamente todos los detalles de las superficies.

2.- Construcción de un recipiente.

Se debe tener un recipiente para prevenir que la goma líquida se expanda a los costados al momento de echarse

en el aguacate y además para que contenga a la goma líquida hasta que seque y se forma una masa flexible. El

tamaño del recipiente depende del tamaño y medida del modelo original que por lo menos es el doble en tamaño

del modelo. La pieza a modelar se debe colocar en el centro del recipiente.

3.- Aplicación del desmoldante (Aceite, Grasa, etc.). Al aguacate se le aplica un desmoldante en su superficie. Esto Para evitar que la goma de silicón se adhiera al

aguacate e impida que se pueda desmoldar una vez obtenido el molde.

4.- Medición y mezclado de la goma de silicón. Se midieron proporciones de soluto y el solvente por peso y se colocó el material base para hacer el molde en

un recipiente limpio. El caucho de silicón viene presentado en 2 componentes. Uno base y otro catalizador. De

acuerdo a la proporción que esta descripta en la hoja técnica.

Figura B.1. Caucho de silicón y Catalizador

El mezclado producirá un líquido uniforme que no debe dejar líneas de color visibles. Dos ciclos de 20

segundos son suficientes para mezclar el silicón y el catalizador, asegurándose que el material no quede en los

bordes y en el fondo del recipiente.

5.- Aplicación de la goma en el recipiente y sobre el aguacate. Una vez bien mezclado el silicón, se echa sobre el aguacate natural. Se debe evitar echarlo directamente sobre

el aguacate porque puede crear burbujas de aire. En vez, busca el lugar más bajo en el recipiente y echa la goma

ahí en un solo lugar y despacio, sin parar. De esta forma el molde no atrapa aire.

6.- Secado de la goma, corte y desmolde La goma cambiará de líquido a un sólido flexible en un promedio de 16 horas a temperatura de ambiente. Para

desmoldar el caucho de silicona seco del aguacate se cortó al silicón en dos partes, que dando una mitad de

aguacate en cada parte del molde (figura B.2).

Avance de tesis - 01 Monserrat Ortiz Alvarado.

1

Figura B.2. Moldes de silicón

7.- Unión del molde y el recipiente. En la figura B.3 se muestra la forma en que se unieron las mitades del molde con el recipiente de yeso. Al

momento de unir éstos, se requirió un orificio de inyección para el material del cual iba ser elaborado el modelo

del aguacate, este se muestra en la figura B.4.

Figura B.3. Moldes de silicón y el recipiente contenedor hecho en yeso.

Figura B.4. Orificio de inyección de material en el molde.

8.-Pruebas del molde.

Se realizaron los primeros modelos en el molde para ver la proximidad de la textura al aguacate natural. Los

primeros modelos se hicieron de yeso, para los cuales la textura y dimensiones fueron idénticas a los aguacates

naturales. La figura B.5 muestra los modelos de yeso.

Orificio de inyección


2

Figura B.5. Unión del molde y recipiente.

Como las condiciones de textura eran buenas en relación al aguacate natural y con el objetivo se acercarse más

al peso y dureza de un aguacate natural se realizaron modelos de una goma de Alginato, el cual se aproximaba a

la dureza y peso de un aguacate natural; éstos se muestran en la figura B.6.

Figura B.6. Molde de alginato.


3

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