VIBRAÇÕES MODULO I PIEZOELETRICO/QUARTZO

Сomentários

Transcrição

VIBRAÇÕES MODULO I PIEZOELETRICO/QUARTZO
ANALISE DE VIBRAÇÕES – MODULO I
www.prediteceng.com.br
www.prediteceng.com.br
F2
F1
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – O QUE PREDITIVA?
•
•
•
Manutenção preditiva tem como conceito o ato de predizer o estado de desgaste ou
integridade dos componentes de máquina, isso hoje na industria. Mas manutenção preditiva
é mais do que meramente o ato predizer, é sistema de manutenção que permite a
aculturamento na industria que permite ao modelo de industria moderna o controle e
gestão e seus equipamentos. Podemos definir manutenção preditiva também como uma
idéia de controle para crescimento e racionalização de recursos na indústria.
Outro conceito de manutenção preditiva que também esta certo é o ato de mensurar por
quaisquer meio de controle ou parâmetros o desgaste ou condição do equipamento.
Podemos citar como modelos de controle:
Temperatura:
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – O QUE PREDITIVA?
•
•
•
•
•
•
Analise de Óleo (Tribologia);
Medições de corrente (elétrica);
Medições de pressão (hidráulica);
Medições de desgaste feitas com instrumentos;
Medições de vibração (mecânica);
Varias outros modelos de controle que podem ser considerados como manutenção preditiva,
ato ou efeito de controlar através de valores mensuráveis determinada condição ou
integridade de um equipamento ou processo.
•
Dos modelos de manutenção preditiva citados podemos afirmar que um dos modelos de
melhor empregabilidade e que obtém o resultado em prazos mais curtos é a Analise de
vibração.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – O QUE PREDITIVA?
Manutenção preditiva também pode ser definida como um conjunto de ações que
permitem manter ou restabelecer um estado operacional ou assegurar a funcionalidade do
equipamento.
• Existem basicamente 3 tipos de manutenção:
1. Manutenção corretiva;
2. Manutenção sistemática (preventiva);
3. Manutenção condicional ou preditiva.
•
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – O QUE PREDITIVA?
•
Manutenção corretiva é a mais antiga das manutenções, política que corresponde a uma
atitude curativa, efetua-se o conserto após a quebrado do equipamento, as características da
manutenção corretiva são negativas:
1. Na medida que os equipamentos vão envelhecendo o custo da manutenção aumenta
consideravelmente.
2. As quebras não previstas traduzem-se por uma parada imprevista. Gerando grandes perdas
de produção.
•
Manutenção sistemática (preventiva), aplica critérios estatísticos, recomendações do
fabricante e conhecimentos práticos sobres os equipamentos. E definido um programa de
manutenção com intervenções e troca de componentes em períodos pré definidos. A
vantagem deste tipo de manutenção é que as operações de parada são pré definidas,
permitindo o gerenciamento adequado da produção. As desvantagens são:
1. Custo de produção se eleva pois passa a englobar as perdas das paradas.
2. Desmontagem acarreta em troca de peças, aumentando o custo da manutenção.
3. A desmontagem e remontagem podem acontecer de se danificar um componente que antes
estava bom.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – O QUE PREDITIVA?
•
1.
2.
3.
4.
5.
Manutenção preditiva ou condicional, é o tipo de manutenção que esta condicionada a
algum tipo de informação reveladora do estado de degradação do equipamento. Nesse tipo
de manutenção as inspeções periódicas se limitam ao monitoramento dos parâmetros que
possam indicar o estado de desgaste do equipamento.
Se algum parâmetro monitorado indicar uma falha no funcionamento de um determinado
componente, faz-se um tendência evolutiva do defeito e quando chega-se a níveis
considerados críticos de falha programasse a intervenção somente no componente que esta
apresentando a falha.
A principal vantagem dessa manutenção é a diminuição dos custos e produção e
manutenção. As interrupções periódicas não existem nessa manutenção e tem uma
diminuição significativa das probabilidades de interrupção abrupta do processo. Vantagens:
Aumento da vida útil dos componentes e equipamentos.
Eliminação de paradas abruptas
Diminuição dos estoques de peças.
Diminuição do custo de manutenção.
Minimização das paradas não programadas.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – O QUE VIBRAÇÃO?
•
•
•
Vibração pode ser tecnicamente definida como a oscilação de um corpo em torno de um
referência, a vibração esta presente em torno de todos os meios físicos de nosso quotidiano,
nos aviões, carros, na industria em nosso corpo e varias situações do dia a dia. Muitas vezes
as vibrações em determinadas condições são maléficas, causando desgaste e danos muitas
vezes irreparáveis.
As vibrações na industria e na manutenção preditiva tem como idéia o seguinte princípio:
todos os equipamentos e componentes do equipamento geram vibração, mapeando as
freqüências de vibração de cada componente podemos associar a sua condição e integridade
associando freqüência e amplitude. Portanto nesse conceito já temos praticamente a
definição da função do analista de vibrações, serve ao analista de vibrações conhecer as
freqüências de desgaste e correlacioná-las a suas amplitudes determinando onde esta os
componentes de maior desgaste e indicam a equipe de manutenção onde direcionar os
esforços.
Algumas condições determinadas vibrações são necessários e induzidas, como em
motovibradores e bielas, mas mesmo nesses equipamentos tidos como especiais as
vibrações podem ser monitoradas.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – O QUE ANALISE DE VIBRAÇÃO?
•
•
Considerando que a deterioração do equipamento traduz-se por um modificação da energia
vibratória e a conseqüência disso é o aumento das amplitudes das vibrações, podemos com a
aquisição dessas vibrações em pontos determinados acompanhar a evolução desse sinal e
identificar novos eventos que determinam as falhas. O aparecimento de níveis abruptos são
indicadores de uma degradação ou má funcionalidade dos componentes.
Na analise de vibrações é necessário utilizar técnicas de processamento do sinal com o
objetivo de extrair o número maior de informações possível que possa ser correlacionado
com alguma característica de falha do equipamento. Os sinais processados mais comuns são:
1.
2.
3.
4.
Espectro de aceleração
Espectro de velocidade
Envelope de aceleração
Sinal no tempo
•
Existem outros processamento também menos comuns como diagramas de orbita, gráfico
polar, cepstrum, espectro de corrente elétrica entre outros.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – SISTEMA MASSA/MOLA?
•
Para entendermos vibração temos que ter em mente alguns conceito de física e um desse
conceitos é o sistema massa/mola, através do conceito massa mola podemos entender o
conceitos de ressonância, freqüência, período, freqüência natural:
•
•
•
K= rigidez da mola (N/m)
m= massa.a
C= constante amortecimento do conjunto
Massa M
FP=
1
2.π
k
m
Mola
Cte. k
www.prediteceng.com.br
Amortecedor
Coeficiente C
VIBRAÇÕES MODULO I – O QUE É FREQUENCIA?
•
•
•
Não há como separar os conceitos de vibração e freqüência, funciona como se tentássemos
negar a associação dos olhos e da visão, impossível.
Freqüência é uma grandeza física ondularia que indica o número de revoluções (ciclos,
revoluções, oscilações) por unidade de tempo. Podemos medir o tempo decorrido durante
um movimento de vibração, esse tempo recebe o nome de período. De forma simples
definimos freqüência como o numero de eventos em um determinado intervalo de tempo.
Já o tempo de realização de um ciclo chamamos de período.
Freqüência F é numero de repetições (periodo) deste fenômeno em segundos.
1 Hz = 1 ciclo por segundo
•
Para um sinal senoidal:
X = A0-p.sen(ω
ω.t+ϕ
ϕ)
•
•
ω = 2.π
π.F
Exemplo: A rotação de um motor 1800 rpm, portanto:
1800/60= 30 Hz ou rps.
Freqüência informa a origem da vibração!
www.prediteceng.com.br
1 sec.
VIBRAÇÕES MODULO I – O QUE É PERÍODO?
•
•
•
Período como vimos é o tempo de realização de um ciclo ou evento, o período pode ajudar a
definir as freqüências fundamentais e rotações dos equipamentos.
Período T é o intervalo de tempo que separa duas passagens sucessivas em uma mesma
posição e sentido.
Período se exprime em segundos (s):
T
1
T=
F
•
Período define a duração da volta do eixo da maquina.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – QUE GRANDEZAS USAMOS ?
•
As grandezas de vibração utilizadas são:
Deslocamento;
Velocidade;
Aceleração.
•
•
Essas grandezas físicas estão ligadas entre si por relações matemáticas. Essas relações são
simples para um sinal puramente senoidal.
A escolha de uma ou outra grandeza é fundamental na analise de vibração.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – DESLOCAMENTO?
•
O deslocamento quantifica a amplitude máxima de um sinal de vibração. Historicamente essa
foi primeira grandeza a ser utilizada, devido aos recursos utilizados no inicio das primeira
medições de vibração.
T=1/F
D
Um sinal de vibração senoidal gerado por um
desbalanceamento simples pode ser expresso
por:
d(t) = D.sen (2.π
2.π.F.t+ϕ
ϕ)
2.π
A unidade utilizada para a medição de
deslocamento é o micron (µm)
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – VELOCIDADE?
•
•
Em Física, velocidade (símbolo v) é a medida da rapidez com a qual um corpo altera sua
posição. A velocidade média, que é uma medida da velocidade, é a razão entre um
deslocamento e o intervalo de tempo levado para efetuar esse deslocamento.
A velocidade de um movimento corresponde à variação da sua posição com o tempo.
Matematicamente, a velocidade se exprime pela derivada do deslocamento em relação ao
tempo:
v(t)=
d[d(t)]
T=1/F
dt
Um sinal senoidal gerado por um
desbalanceamento simples se expressa por:
v(t) = V.sen (2.π
2.π.F.t+ϕ
ϕ)
2.π
A unidade utilizada é o mm/s
www.prediteceng.com.br
V
VIBRAÇÕES MODULO I – ACELERAÇÃO?
•
Em Física, a aceleração (símbolo: a) é a taxa de variação (ou derivada em função do tempo)
da velocidade. Ela é uma grandeza vetorial de dimensão comprimento/tempo² ou
velocidade/tempo. Em unidades SI, é quantificada em metro por segundo ao quadrado
(m/s²). No CGS, é quantificada em Gal, sendo que um Gal equivale a um centímetro por
segundo ao quadrado (cm/s²).
A aceleração de um movimento corresponde à
variação da velocidade com o tempo.
Matematicamente, a aceleração se exprime como
a derivada da velocidade com o tempo.
a(t)=
d[v(t)]
dt
a(t) = A.sen (2.π
2.π.F.t+ϕ
ϕ)
2.π
A unidade utilizada é g.
www.prediteceng.com.br
T=1/F
A
VIBRAÇÕES MODULO I – RELAÇÃO ENTRE AS GRANDEZAS ?
•
Para o caso de uma vibração puramente senoidal, os valores mensurados em deslocamento,
velocidade e aceleração são ligados por funções simples relacionadas com a freqüência:
A
V=
2.π.F
D=
V
2.π.F
D=
A
4.π2.F2
V=1561.
com as unidades:
D em µm
V em mm/s
A em g
D=159.
A
F
V
F
D=248199.
Nota: 1g = 9.80665 m/s2
www.prediteceng.com.br
F2
VIBRAÇÕES MODULO I – INFLUENCIA DAS GRANDEZAS ?
•
•
•
O deslocamento é inversamente proporcional ao quadrado da freqüência. Quanto maior a
freqüência, menor o deslocamento: é utilizado para freqüências muito baixas:
F ≤ 100 Hz
A velocidade é inversamente proporcional à freqüência. Quanto maior a freqüência, menor
a velocidade: é utilizada para freqüências baixas:
F ≤ 1000 Hz
A aceleração, representativa das forças dinâmicas, não depende da freqüência: este é um
parâmetro privilegiado em análise de vibrações pelo seu grande domínio de freqüências.
0 ≤F ≤ 20000 Hz
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – O QUE É FFT (FOURIER)?
•
•
•
•
A Transformada de Fourier, baptizada em homenagem a Jean-Baptiste Joseph Fourier, é uma
transformada integral que expressa uma função em termos de funções de base sinusoidal,
i.e., como soma ou integral de funções sinusoidais multiplicadas por coeficientes
("amplitudes"). Existem diversas variações directamente relacionadas desta transformada,
dependendo do tipo de função a transformar.
O conjunto de definições e princípios expostos adiante são baseados na hipótese que o sinal
é uma senóide pura.
Da prática, as vibrações reais são infinitamente mais complexas, constituidas de um grande
número de componentes de origens múltiplas e moduladas por um grande número de
parâmetros.
Não obstante, nós veremos adiante que vibrações complexas podem aparecer com a
superposição de componentes elementares puramente senoidais para o qual estes princípis
são aplicáveis. A transformação tempo - freqüência ou transformada de Fourier é uma das
ferramentas utilizadas com este propósito.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – O QUE É SINAL NO TEMPO?
•
O sinal de vibração temporal é composto de sinais periódicos e não periódicos (ruído de
fundo). Todas as componentes são somadas ao sinal resultante.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – O QUE É SINAL NO TEMPO (FFT)?
•
•
•
A decomposição de um sinal de vibração periódico complexo em suas diferentes
componentes senoidais, representadas cada uma delas por sua amplitude Ai e sua freqüência
Fi é feita por uma transformação tempo - freqüência chamada de Transformada de Fourier.
Esta função matemática faz uma transposição do sinal de domínio temporal para o domínio
freqüêncial. A representação do sinal obtido é denominado espectro em freqüências.
A Transformada de Fourier é implementada pelos analisadores de espectros modernos e são
chamadosde FFT (Fast Fourier Transform ou Transformada Rápida de Fourier).
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – O QUE É SINAL NO TEMPO (FFT)?
FFT
F1=1/T1
A1rms
F2=1/T
FFT
www.prediteceng.com.br
2
A2rms
VIBRAÇÕES MODULO I – O QUE É SINAL NO TEMPO (FFT)?
O espectro final contem um conjunto
de freqüências senoidais (picos
discretos) constituidos do sinal de
vibração original.
FFT
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – O QUE É SINAL NO TEMPO (FFT)?
Sinal temporal
Sinal freqüencial
FFT
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – O QUE É SINAL NO TEMPO (FFT)?
Sinal com
domínio no
tempo
F0
www.prediteceng.com.br
4.F0
3.F0
2.F0
VIBRAÇÕES MODULO I – AMPLITUDE
Noção de amplitude e de freqüência:
A análise das diferentes fontes sonoras podem ser feitas:
Pela amplitude: dos sons mais baixos para os mais altos.
Pela freqüência: dos sons mais graves para os mais agudos.
Uma analogia pode ser feita com uma orquestra. A música é a soma de diversas amplitudes e
freqüências:
O tambor pelos sons graves
O violino pelos sons agudos
Uma analogia pode ser feita com uma orquestra. A música é a soma de diversas amplitudes e
freqüências:
O tambor pelos sons graves
O violino pelos sons agudos
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – AMPLITUDE
•
•
Não há como desvincular a amplitude do sinal pela grandeza escolhida para monitoramento,
pois as unidades e valores se diferenciarão de acordo com essa escolha.
As vibrações de uma máquina são percebidas pelo simples contato da mão com a sua
estrutura.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – AMPLITUDE
•
•
•
Outro fator que interfere na amplitude do sinal é posicao que é instalado o sensor de
vibracao, devemos ter mente alguns detalhes sobre rigidez do ponto onde se instala o sensor.
Não há como obter um sinal confiavel medindo em partes não rígidas do equipamento.
É raro se conseguir fazer a distinção das origens das fontes de vibração com as mãos, pode-se
sentir a vibracao mas nao distinguir as vibracoes.
A percepção da energia de vibração é diferente dependendo de onde a mão ou sensor é
colocado: mancal (1), carcaça (2), skid (3) e no chão (4). Em locais distantes do ponto de
origem da vibracao pode se perder a amplitude ou aumentar em alguns casos dando a falsa
observacao de melhora ou piora da condicao da maquina.
2
1
3
4
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – AMPLITUDE
•
Portanto a posição do instalcao do sensor é fundamental para a confiabilidade da amplitude
e do sinal.
• A escolha das grandezas interferem da seguinte maniera: sabe-se que as grandezas para a
analise de vibração deslocamento, velocidade e aceleração. Cada grandeza dessas citadas
podem obviamente ser convertidas uma pela outra, mas o ajuste do sinal primeiro a ser
coletada é fundamental para a confiabilidade do sinal, ou seja, tecnicamente é possivel se
converter uma grandeza pela outra nos softwares de vibraçoes atuais, mas a condição
original de aquisição do sinal é de uma confiabilidade maior, atraves de testes pode se
comprovar.
• A maneira mais confiavel de se transformar um sinal pelo outro é atraves do pós
processamento, ferramenta qua existe em alguns softwares que permite adquirir o sinal no
tempo (materia prima) e gerar o espectro no proprio computador após a coleta.
• As unidades estão relacionadas as grandezas e amplitudes, as grandezas e suas unidades de
medida são:
1. Deslocamento (microns - µm)
2. Velocidade
(mm.s)
3. Aceleração
(g ou g`s) - Nota: 1g = 9.80665 m/s2
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – TIPOS DE VIBRAÇÃO
•
Os sinais de vibração pode ser classificados em 3 tipos, vibração periódica, vibração aleatória
e vibrações transitórias.
1. Vibração Periódica são vibrações que se repetem em intervalos de tempo. São as vibrações
no diagnóstico de máquina, a cada ciclo de rotação da-se a repeitção dos eventos da
máquina. A maioria dos sinais são periodicos.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – TIPOS DE VIBRAÇÃO
2. Vibração Aleatória são vibrações que em máquinas normalmente são de origem hidráulica ou
aerodinâmica. São exemplos a cavitação e instabilidade de bombas hidráulicas. Turbulência e
deslocamento em ventiladores também são vibrações aleatórias. São vibrações imprevisíveis
quanto a seu valor e frequencia. Os sinais aleatórios não são periodicos e não possuem uma
composição harmônica definada.
Modelo de propulsor gerando a cavitação em um túnel de água
Danos causados por cavitação em uma Turbina
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – TIPOS DE VIBRAÇÃO
mm/s
3. Vibração transitória existente apenas num espaço limitado de tempo, sendo nula em qualquer
outro. São exemplos arranques e paragens de máquina ou quando muda a condição de
funcionamento como carga e alívio de compressores e bombas, são importantes para
avaliação de ressonância e velocidades críticas.
FASE
90°
180°
AMPLITUDE
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – MODO DE DETECÇÃO
•
•
•
Os modos de detcção de vibração são: 0 a pico, pico a pico e RMS ROOT MEAN SQUARE OU VALOR
EFICAZ. Os 3 podem ser usados porém existem certos cuidados que devemos ter na escolha
de qual modo de quantificação das vibrações utilizaremos.
Existem alguns equipamentos onde não se emprega do forma confiável as detecções de pico
a pico e 0 a pico, como em compressores de parafuso devido as vibrações transitórias nestes
equipamentos, como exemplo se ao tormamos leitura na unidade de determinado
compressor de ar o mesmo alternar de carga para desgarga e tivessemos com a
parameterização de pico a pico teríamos valores em alta frequencia bastante elevados o que
poderia por em cheque o diagnótico, pois a curva de tendencia de falha em aceleração nesse
caso ficaria muito elevada indicando uma falha ou anormalidade onde teríamos somente um
pulso de vibração de carga e alívio .
Portanto a quantificação das vibrações pode ser dado em 3 seguintes tipos:
1. Zero-a-pico – valor medido de zero até o pico mais alta da onda.
2. Pico-a-pico – valor medido entre os extremos da onda.
3. Valor médio – média dos valores medidos em um intervalo de tempo (RMS)
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – MODO DE DETECÇÃO
•
RMS ROOT MEAN SQUARE OU VALOR EFICAZ. Na verdade tecnicamente a RMS é o melhor método
de detceção de vibração pois aponta de forma mais correta a energia real de vibração do
equipamento.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – ACELEROMETROS
Um transdutor sente uma quantidade física como vibração, temperatura, ou pressão, e a
converte em um sinal elétrico proporcional à essa variável. Um transdutor de vibração mede
movimento mecânico e converte o movimento em uma saída elétrica correspondente. É
freqüentemente chamado de "sensor." Um transdutor é o primeiro vínculo vital em uma
cadeia de medição.
O transdutor usado precisa ser sensível o bastante para medir a amplitude com precisão,
além de ter um alcance de freqüência suficiente para abranger toda a gama de sinais gerada
pelos diversos componentes da máquina, cujo estado queremos avaliar.
Embora nem sempre é fácil obter informações sobre os componentes da máquina, elas são
fundamentais para definir a gama de freqüências a ser analisada e o sensor mais adequado,
levando em consideração também a sensibilidade, alcance de freqüência e freqüência natural
montada dos transdutores disponíveis.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – TIPOS DE ACELEROMETROS
Os transdutores de vibração são classificados em função do princípio de funcionamento e da
grandeza medida (deslocamento, velocidade ou aceleração). Há muitas situações em que o
uso de um certo tipo de transdutor é mais vantajoso.
Os acelerômetros medem aceleração diretamente. Se os sinais forem integrados, eles medem
velocidade. Se integrados duplamente, medem deslocamento. A integração é feito
eletronicamente, com boa precisão, por circuitos especiais dentro do coletor/analisador ou
do próprio transdutor.
Transdutores de velocidade medem velocidade diretamente. Se os sinais forem integrados,
eles medem deslocamento. Como o processo de derivação para obtenção de sinais de
aceleração é menos preciso do que o de integração, em aplicações práticas, os sensores de
velocidade são empregados apenas para medir velocidade ou deslocamento.
Transdutores de deslocamento medem deslocamento diretamente. Devido às dificuldades
inerentes ao processo de derivação eles não são empregados em medidas de velocidade ou
aceleração.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – SENSOR DE DESLOCAMENTO
Sensores de deslocamento sem contato, também denominados "proxímetros", geralmente
operam segundo o princípio de Correntes de Foucault ("Eddy Current" ou Correntes de Fuga).
Sua principal aplicação é a monitoração contínua e a proteção de máquinas rotativas
equipadas com mancais de deslizamento. Como a transmissão de vibrações através desses
mancais é muito pequena, para se obter uma proteção eficaz dessas máquinas é necessário
medir as vibrações do próprio eixo.
Além disso, para se avaliar o estado e o desgaste dos mancais de escora dessas máquinas, é
fundamental conhecer a posição axial dos seus rotores.
Como permitem realizar medições sem contato de vibração e também de posição, os
proxímetros têm obtido grande aceitação na monitoração de máquinas críticas com mancais
de deslizamento.
Esses sensores geralmente são instalados pelos próprios fabricantes dessas máquinas, junto
às sedes dos mancais, observando as vibrações radiais dos eixos e a posição axial dos rotores.
Os sinais dos sensores são enviados a monitores permanentes, que podem sinalizar no caso
de vibração elevada ou desativar automaticamente as máquinas no caso de falha do mancal
de escora.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – SENSOR DE DESLOCAMENTO
Na verdade, esse transdutor é um sistema composto por um sensor ou "sonda", um cabo de
extensão e um circuito oscilador e demodulador.
O sensor consiste de uma bobina construída com um fio de liga especial, montada em um
carretel plástico ou de material cerâmico não condutor e alojada em uma carcaça metálica.
Em operação, o sensor é excitado por um sinal com freqüência de aproximadamente 1,5
Mega Hz (1,5 x 106 Hz), gerado por um oscilador e transmitido através do cabo de extensão.
Essa excitação produz um campo magnético que é irradiado da extremidade do sensor.
Quando a extremidade do sensor é colocada próxima de um alvo de material condutor, cuja
posição se deseja medir, correntes de Foucault são induzidas na superfície do material,
extraindo energia do sinal de excitação e diminuindo a sua amplitude.
Dentro da seção demoduladora, um circuito mede a amplitude do sinal de excitação, gerando
um sinal proporcional à distância entre a ponta sensora e a superfície do alvo.
Assim, quando a distância da extremidade do sensor ao material condutor varia, uma
voltagem correspondente é produzida na saída do oscilador demodulador, que varia
proporcionalmente com a distância entre a extremidade do sensor e a superfície do alvo de
material condutor.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – SENSOR DE DESLOCAMENTO
- Esquema do Sistema de Medição de Deslocamento por Corrente de Foucault
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – SENSOR DE DESLOCAMENTO
Uma curva típica de calibração de um proxímetro é mostrada na Figura 3. A curva pode ser
dividida em três regiões, iniciando com o sensor em contato com a superfície condutora e uma
saída nula do oscilador/demodulador. Na maioria dos sistemas, a voltagem de saída não varia até
que o sensor seja afastado de uma pequena distância do alvo.
Quando o sensor é afastado, em um determinado ponto, a voltagem de saída irá crescer
repentinamente e, em seguida, entrar na segunda região ou região linear, aonde qualquer
mudança na distância ("gap") produz uma mudança proporcional correspondente na saída do
demodulador.
Dentro da faixa linear, que tipicamente pode se estender de 250 a 2.250 mm, as Normas
requerem relações padrões de 4 mV/mm ou 8 mV/mm entre o folga ("gap") e a voltagem de
saída. Desta forma, uma variação de 250 mm na folga deve produzir uma mudança de voltagem
de 1 volt a 4 mV/mm ou 2 volts a 8mV/mm.
Á medida que o sensor é afastado ainda mais, o sistema perde sua relação linear entre a
voltagem de saída e folga, uma vez que a saída do oscilador/demodulador se aproxima da tensão
de alimentação. Assim, o sensor deve ser sempre instalado de tal forma que opere dentro da
faixa linear.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – SENSOR DE DESLOCAMENTO
Uma curva típica de calibração de um proxímetro é mostrada na Figura 3. A curva pode ser
dividida em três regiões, iniciando com o sensor em contato com a superfície condutora e uma
saída nula do oscilador/demodulador. Na maioria dos sistemas, a voltagem de saída não varia até
que o sensor seja afastado de uma pequena distância do alvo.
Quando o sensor é afastado, em um determinado ponto, a voltagem de saída irá crescer
repentinamente e, em seguida, entrar na segunda região ou região linear, aonde qualquer
mudança na distância ("gap") produz uma mudança proporcional correspondente na saída do
demodulador.
Dentro da faixa linear, que tipicamente pode se estender de 250 a 2.250 mm, as Normas
requerem relações padrões de 4 mV/mm ou 8 mV/mm entre o folga ("gap") e a voltagem de
saída. Desta forma, uma variação de 250 mm na folga deve produzir uma mudança de voltagem
de 1 volt a 4 mV/mm ou 2 volts a 8mV/mm.
Á medida que o sensor é afastado ainda mais, o sistema perde sua relação linear entre a
voltagem de saída e folga, uma vez que a saída do oscilador/demodulador se aproxima da tensão
de alimentação. Assim, o sensor deve ser sempre instalado de tal forma que opere dentro da
faixa linear.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – SENSOR DE DESLOCAMENTO
Vale ressaltar que o sensor, o cabo de extensão e o oscilador demodulador constituem um
circuito ressonante sintonizado e, para máxima precisão, cada conjunto deve ser calibrado
individualmente.
Entretanto, a maioria dos fabricantes especifica modelos de sensor, geralmente através do
diâmetro da extremidade e do comprimento total de cabos que devem ser usados com cada
modelo de circuito oscilador/demodulador. Desde que essas especificações sejam seguidas, as
tolerâncias de fabricação manterão uma precisão de medição aceitável, sem que seja necessária
uma recalibração quando componentes forem substituídos.
Curva de Calibração Típica de um Proximetro
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – SENSOR DE DESLOCAMENTO
A inclinação da curva e a faixa linear varia com mudanças na condutividade e permeabilidade do
alvo. Dessa forma, um conjunto calibrado para alvos de um certo material não deve ser usado
com alvos de outro tipo sem recalibração.
Se um conjunto calibrado para aço 4140 for usado sem recalibração em um material como aço
inoxidável ou Inconel, a inclinação da curva aumentará, produzindo uma voltagem de saída maior
para uma dada folga.
A temperatura também pode afetar os limites de uso dos sensores sem contato e a saída de
tensão para uma certa folga. Entretanto, a mudança é geralmente pequena ao longo da faixa de
temperatura experimentada em uma sede de mancal.
Com tudo o mais mantido constante, o limite superior da faixa linear do proxímetro crescerá com
o aumento do diâmetro da bobina e com o aumento da tensão de alimentação.
A faixa linear de sensores com sensibilidade de 8 mV/mm, observando aço 4140, varia de 1.525
mm, para 5 mm de diâmetro e 18 volts de alimentação, até 2.160 mm, com um diâmetro de 8
mm e alimentação de 24 volts.
Medições feitas com sensores de deslocamento, ao contrário daquelas feitas com transdutores
de velocidade ou aceleração, são medições de posição relativa ou do movimento entre o sensor e
a superfície observada e não refletem o movimento espacial de nenhum deles isoladamente.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – SENSOR DE DESLOCAMENTO
LIMITAÇÕES
O proxímetro não pode distinguir entre os movimentos do eixo e sinais gerados por defeitos tais como
arranhões, fendas e variações em condutividade ou permeabilidade. Como conseqüência, o sinal de
saída, ao contrário de ser vibração pura, é a soma da vibração e todas as variações da superfície acima
mencionadas.
Uma vez que o campo magnético do sensor de deslocamento por corrente de Foucault penetra a
superfície do material observado, qualquer metalização ou reparo que resulte em uma deposição de
outro material (como cromação) irá introduzir distorções no sinal de saída do sensor.
As Figuras 4a e 4b ilustram dois tipos de distorção que devem ser evitadas quando se usa sensores de
corrente de Foucault. Na Figura 4a, um grande arranhão é prontamente visível na forma da onda,
resultando numa órbita distorcida e na duplicação da amplitude que seria lida em um medidor. Se o
arranhão se localizasse a 180 graus, a distorção de amplitude de vibração seria ainda maior do que o
dobro.
A Figura 4b ilustra um segundo exemplo de superfície defeituosa com uma série de pequenos
arranhões.
Existem perigos ainda maiores: dependendo de sua fase, os defeitos superficiais podem produzir uma
diminuição na amplitude.
Segundo a Norma API, o "runout" total, ou o desvio entre a medida de um sensor de deslocamento
sem contato e o movimento real do eixo, deve ser inferior a 10% da vibração máxima permitida. Uma
vez que é muito difícil reduzir o "runout" total abaixo de 5mm, um valor prático de 6 mm é geralmente
aceito como o "'runout" máximo permissível em máquinas de alta velocidade.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – SENSOR DE DESLOCAMENTO
Figura 4a - Eixo com grandes riscos
Figura 4b - Eixo com pequenos riscos
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – SENSOR DE DESLOCAMENTO
O problema principal com "runout" excessivo é que ele obscurece a vibração do eixo e pode
comprometer seriamente a habilidade de monitoramento e análise da máquina. O "runout"
altera não só a forma da onda e o espectro de vibração, bem como a curva de resposta de
amplitude versus velocidade do rotor usada na determinação de velocidades críticas.
É especialmente importante reconhecer que o "runout" é uma grandeza vetorial e, dessa
forma, não pode ser apenas subtraído como um valor absoluto.
Eliminar o "runout" excessivo é sempre uma tarefa muito difícil. O primeiro passo deve ser
dado durante a fabricação, quando todo o cuidado deve ser tomado para assegurar que a
superfície do eixo que irá ser observada pelo sensor seja concêntrica, polida e protegida
contra danos durante o transporte, manuseio e m
Se, apesar de todos esses esforços, um "runout" excessivo persistir, ele pode ser de natureza
eletromagnética. Produzido quando o eixo é usinado, polido (procedimento proibido pela
norma API especificamente por esse motivo) ou desmagnetizado incompletamente após uma
inspeção de partícula magnética (magnaflux), o "runout" eletromagnético pode ser
geralmente eliminado através da desmagnetização da superfície do eixo observada pelo
sensor.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – SENSOR DE DESLOCAMENTO
Se, após a desmagnetização, o "runout" persistir, é provável que ele seja devido a uma
mudança na permeabilidade ou condutividade em torno da circunferência do eixo. Problema
típico em eixos de alta liga endurecidos por precipitação, esse tipo de "runout" tem sido
reduzido com sucesso através do brunimento da área.
Caso todos esses procedimentos falhem ou sejam impossíveis de implementar por qualquer
razão, o "runout" pode ser eletronicamente eliminado por um sistema subtrator de "runout".
Em baixa rotação (abaixo de 300 rpm), todos os sinais de saída do sensor são considerações
como "runout".
Nessa condição, o subtrator memoriza digitalmente o sinal em função do angulo de giro do
eixo, calculado a partir de uma referência de fase e, na rotação de operação, subtrai
automaticamente a forma da onda memorizada da forma de onda bruta fornecida pelo
sensor, para produzir uma forma de onda correta, representativa do movimento real do eixo.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – SENSOR DE VELOCIDADE
Um sensor típico de velocidade (Sísmico) é mostrado esquematicamente na Figura . Dentro
do corpo do sensor, há uma bobina enrolada em uma massa suspensa por uma mola e
envolvida por um ímã permanente fixo à carcaça.
O sistema de suspensão é projetado para apresentar uma baixíssima freqüência natural, a
fim de que a bobina permaneça estacionária em freqüências acima de 8 ?10 Hz. Dessa forma
o sensor de velocidade é um transdutor absoluto, que mede a velocidade da vibração do
ponto ao qual é fixado, com relação a um ponto fixo no espaço.
Um meio amortecedor, tipicamente um óleo sintético, é geralmente adicionado para exercer
um amortecimento crítico na freqüência natural do sistema massa?mola e estender sua
resposta plana abaixo de 10 Hz.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – SENSOR DE VELOCIDADE
Quando o sensor de velocidade é conectado a uma superfície vibratória, o movimento
relativo entre o ímã fixo à superfície vibratória e a bobina estacionária faz com que as linhas
de fluxo magnético do ímã permanente "cortem" a bobina, induzindo nela uma voltagem
proporcional à velocidade de vibração.
Assim, um sensor de velocidade é um aparelho auto gerador que produz um sinal de baixa
impedância que pode ser usado diretamente com equipamentos de análise ou
monitoramento, sem qualquer condicionamento adicional de sinal.
A curva de resposta de sensibilidade versus freqüência de um sensor de velocidade é limitada
em baixas freqüências pela primeira freqüência natural criticamente amortecida (ver Figura).
A altas freqüências, sua, resposta é limitada pela quantidade de movimento necessária para
vencer a inércia do sistema bem como pela presença de freqüências naturais de ordem
superior. Na prática, um sensor de velocidade típico é limitado a freqüências entre
aproximadamente 10 a 2.000 Hz.
Devido ao fluido de amortecimento, um sensor de velocidade pode ser limitado a operar
dentro de uma faixa relativamente estreita, de temperatura. Existem, no entanto, unidades
especiais, dotadas de amortecimento elétrico, capazes de operar em temperaturas
superiores a 180 °C.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – SENSOR DE VELOCIDADE
Sensibilidade Típica de Sensores de Velocidade
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – SENSOR DE VELOCIDADE
Esse tipo de sensor deve ser carregado com um valor específico de resistência a fim de
satisfazer suas características de projeto. Se utilizado com um instrumento, como um
osciloscópio, diferente daquele para o qual ele foi projetado, pode haver necessidade de se
empregar um resistor shunt para prover a impedância de saída adequada para se obter o
amortecimento necessário.
Por dispensar cabos especiais ou condicionamento de sinal sofisticado. o sensor de velocidade
tem mantido uma posição favorecida em aplicações onde não se requer resposta em altas
freqüências, como em equipamentos portáteis de baixo custo e em balanceadoras.
LIMITAÇÕES
O sensor de velocidade é um aparelho eletromecânico com partes móveis que podem se
danificar com certa facilidade. Conseqüentemente, tem sido gradualmente evitado em aplicações
onde se requer resistência a ambientes hostis. Alem disso, possui peso e dimensões elevadas e
faixa de freqüência limitada, quando comparado com sensores de aceleração.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – SENSOR DE ACELERAÇÃO
Acelerômetros Piezoelétricos são os transdutores mais largamente usados para converter a
aceleração do movimento vibratório em um sinal elétrico proporcional, para propósito de
medição, monitoramento e controle. Porém, estes acelerômetros não permitem medidas de
estado constante, como a força da gravidade de terra, ou transientes muito lentos, como
aceleração ou frenagem de automóvel.
Graças a sua ampla faixa dinâmica (alcance de aceleração) podem ser empregados para medir
vibração senoidal, randômica ou transitória, como em choques e impactos passageiros. Além
disso, possuem alta sensibilidade e ampla faixa de freqüências (0,1 a 10.000 Hz). Existem modelos
adequados para utilização em aplicações de baixíssimas freqüências, como em testes sísmicos, ou
até em freqüências muito elevadas, como em estudos de engrenagens e plalhetas de turbina.
Considerando que acelerômetros piezoelétricos são dispositivos estáticos essencialmente
sólidos, eles são muito duráveis e resistentes ao abuso. Não há partes móveis, o que lhe confere
grande resistência e uma característica de operação confiável e repetitiva em ambientes
extremos.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – SENSOR DE ACELERAÇÃO
Peso e dimensões reduzidas facilitam o seu emprego em análise modal e testes de estruturas,
assim como em medições de choques experimentados por produtos empacotados durante o
transporte, para a determinação da eficácia de embalagens.
Em suma, as características do acelerômetros piezoelétricos os tem transformado no transdutor
padrão para a maioria das aplicações industriais de medidas de vibrações e choques.
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DE ACELERÔMETROS PIEZOELÉTRICOS
Acelerômetros Piezoelétricos são compostos por uma massa sísmica fixada sobre um cristal de
quartzo ou de material piezoelétrico cerâmico sinterizado que, por sua vez, é fixado à base do
sensor, como indicado na Figura.
Bem abaixo de sua freqüência natural, essa montagem obedece aproximadamente a lei de
Newton, F = m.a, e a força transmitida pelo cristal é a necessária para que a massa sísmica
acompanhe a aceleração da base.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – SENSOR DE ACELERAÇÃO
Uma tensão aplicada à estrutura de um cristal piezoelétrico produz uma acumulação oposta de
partículas carregadas nas faces do cristal. A carga elétrica assim gerada é proporcional à tensão
aplicada e, portanto, à força transmitida pelo cristal e à aceleração da base.
Quanto maior for a massa sísmica, maior será a tensão aplicada e, conseqüentemente, maior
será o sinal de saída, porém, menor será a freqüência natural e a faixa de freqüências com
sensibilidade constante.
Eletrodos coletam e transmitem a carga para um condicionador eletrônico de sinais, que gera
um sinal de tensão proporcional à carga e mais adequado para exibição, registro, análise e
controle.
Para que não haja perda de carga na transmissão, os cabos de conexão entre sensor e
condicionador devem ter baixa capacitância. Por essa razão, alterações de capacitância dos cabos,
devido à mau contato ou deformações, podem provocar perdas de sensibilidade. Além disso,
vibrações elevadas nos cabos podem provocar oscilações de capacitância, gerando ruído elevado
(efeito triboelétrico).
Para contornar essas severas limitações, nos acelerômetros modernos, denominados
transdutores ICP (Integrated Circuit Piezoeletric), os sinais de carga são transformados em sinais
de tensão elétrica através de micro amplificadores eletrônicos, embutidos no próprio sensor,
dispensando assim o uso de condicionadores externos e cabos especiais e eliminando as
limitações acima expostas.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – SENSOR DE ACELERAÇÃO
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – SENSOR DE ACELERAÇÃO
CONFIGURAÇÕES MECÂNICAS DE ACELERÔMETROS PIEZOELÉTRICOS
Uma grande variedade de configurações mecânicas é empregada para executar os princípios de
transdução de acelerômetros piezoelétricos. Essas configurações são classificadas pela forma de
aplicação da força de aceleração da massa sísmica (força inercial) sobre o material piezoelétrico.
MODELO DE CISALHAMENTO
Os cristais piezoelétricos são intercalados entre um poste central e uma massa sísmica anular, a
qual, sob aceleração, causa uma tensão de cisalhamento nos cristais. Para criar uma estrutura
linear rígida, um anel de pré carga montado por interferência aplica uma tensão constante aos
cristais.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – SENSOR DE ACELERAÇÃO
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – SENSOR DE ACELERAÇÃO
Essa forma construtiva isola os cristais das deformações introduzidas na base durante a
montagem e dos transientes térmicos provenientes da máquina. Alem disso, permite projetos
com dimensões e peso reduzidos, facilitando a montagem e minimizando os efeitos de carga
na estrutura em teste.
Com esta combinação de características ideais, os acelerômetros de cisalhamento oferecem
um ótimo desempenho.
MODELOS DE COMPRESSÃO
Acelerômetro de compressão tem desempenho inferior aos de cisalhamento, porém são
amplamente utilizados, devido à sua simplidade e baixo custo de fabricação. Há três tipos
básicos de modelos de compressão: Vertical, Invertido e Isolado.
Compressão Vertical - O cristal piezoelétrico é fixado entre a massa sísmica e uma base rígida,
através de um parafuso que também aplica uma précarga aos cristais.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – SENSOR DE ACELERAÇÃO
Compressão Vertical
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – SENSOR DE ACELERAÇÃO
O modelo de compressão vertical oferece freqüência ressonante alta, o que resulta em uma
ampla resposta de freqüência. Este modelo geralmente é muito rígido e resiste a altos níveis de
choque. Porém, devido ao contato íntimo dos cristais com a base de montagem tende a ser mais
sensível aos efeitos de deformação da base e à transientes de temperatura. Estes efeitos são mais
pronunciados quando os sensores são montados sobre placas finas de metal ou usados em baixas
freqüências em ambientes termicamente instáveis, como junto a ventiladores e exaustores.
Modelos de Compressão Invertidos
foram desenvolvidos para isolar os cristais de sensibilidade da base de montagem e reduzir os
efeitos acima mencionados. Os acelerômetros de referência (usados como padrão secundários
para calibração de outros acelerômetros) usam esta forma construtiva, pois ela permite que o
acelerômetro a ser calibrado seja montado diretamente sobre o de referência.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – SENSOR DE ACELERAÇÃO
Compressão Invertida
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – SENSOR DE ACELERAÇÃO
O Modelo de Compressão Isolado evita a geração de tensões nos cristais devido à deformações
da base isolando?os mecanicamente, através de um anel. Além disso, reduz os efeitos de
transientes térmicos pelo emprego de um massa sísmica oca, que age como uma barreira térmica.
Assim, oferece um desempenho estável em baixas freqüências, a um custo relativamente baixo.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – SENSOR DE ACELERAÇÃO
Modelos de Flexão - utilizam cristais em forma de vigas, apoiados de modo a criar tensões de
flexão no cristal quando acelerados. Para maior sensibilidade, podem empregar cristais colados a
uma viga portadora, o que aumenta a tensão sobre os cristais.
Esta forma construtiva oferece baixo perfil, pouco peso, estabilidade térmica excelente e baixa
sensibilidade a movimentos transversais, a um preço econômico.
Devido à grande sensibilidade, os modelos com vigas portadoras são adequados para aplicações
em baixa freqüência e baixos níveis de aceleração, como em máquinas de baixa velocidade e
testes estruturais.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – PIEZOELETRICO/QUARTZO
MATERIAIS PIEZOELÉTRICOS
Dois tipos básicos de materiais piezoelétricos são usados na construção de acelerômetros:
quartzo natural (o Brasil é o principal fornecedor) e uma variedade de cerâmicas sinterizadas.
QUARTZO
Considerando que quartzo é um material piezoelétrico natural, ele não tem nenhuma tendência
para relaxar a um estado alternativo e é considerado o mais estável de todos os materiais
piezoeléctricos. Além disso, o quartzo virtualmente não tem nenhum efeito piroelétrico (ruído
devido à oscilações de temperatura), o que lhe garante alta estabilidade mesmo em ambientes
termicamente ativos. Tais características tornam o quartzo a opção ideal para acelerômetros de
referência.
Considerando que o quartzo tem um baixo valor de capacitância, a sensibilidade de voltagem é
relativamente alta quando comparada à maioria dos materiais cerâmicos, o que o torna ideal para
uso em modo ICP. Reciprocamente, a sensibilidade de carga de quartzo é baixa o que inibe a sua
utilização em sistemas de carga amplificada. A máxima temperatura de operação de
acelerômetros de quartzo é de 315° C (600 °F).
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – PIEZOELETRICO/QUARTZO
CERÂMICAS PIEZOELÉTRICAS SINTERIZADAS
Todos as cerâmicas piezoelétricas são produzidas pelo homem e são transformadas
artificialmente em materiais piezoelétricos por um processo de polarização através expsição à um
campo elétrico de altíssima intensidade. Este processo alinha o dipólos elétricos, fazendo com que
o material se torne piezoelétrico.
Infelizmente, essa polarização tende a relaxar de forma exponencial com o passar do tempo, até
chegar a um estado estável. Se a cerâmica é exposta a temperaturas elevadas ou a campos
elétricos que se aproximam da voltagem de "polarização", as propriedades piezoelétricas podem
ser alteradas drasticamente ou até destruídas. A acumulação de níveis altos de carga estática, por
longos períodos também pode reduzir as propriedades piezoelétricas.
Uma grande variedade de materiais cerâmicos foi desenvolvida especificamente para emprego
em acelerômetros, visando atender as exigências de diversas aplicações. Citaremos três tipos
principais:
1. Cerâmicas de alta sensibilidade a voltagem - usadas em acelerômetros tipo ICP de uso geral.
2. Cerâmicas de alta sensibilidade a carga - usadas para sensores de modo de carga, com
alcances de temperatura até 400° F, ou acelerômetros ICP de alta resolução.
3. Cerâmicas de alta temperatura são usadas em acelerômetros de modo de carga, com limite
de temperatura de até 600° F, para monitoramento de turbinas e máquinas super aquecidas.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – PIEZOELETRICO/QUARTZO
SENSIBILIDADE DOS ACELERÔMETROS PIEZOELÉTRICOS
De maneira oposta aos sensores de velocidade, os acelerômetros operam abaixo de sua
primeira freqüência natural. O rápido aumento de sensibilidade ao se aproximar da ressonância
(ver Figura) é uma característica intrínseca dos acelerômetros que, em última análise, são
sistemas massa-mola não amortecidos de um grau de liberdade.
A maioria dos acelerômetros pode operar até aproximadamente 1/3 de sua freqüência natural
com um desvio de sensibilidade da ordem de 10%. Nos modelos com maior amortecimento esse
desvio já ocorre a 1/5 da freqüência natural. Note que, na curva genérica mostrada na Figura, o
eixo das freqüências é normalizado e representado como a razão entre a freqüência de operação
e a primeira freqüência natural.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – PIEZOELETRICO/QUARTZO
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – PIEZOELETRICO/QUARTZO
Para um dado cristal piezoelétrico, a sensibilidade de um acelerômetro é função direta da massa.
Maior sensibilidade significa inevitavelmente maior massa com uma redução correspondente da
freqüência natural e da faixa de uso. Analogamente, acelerômetros com faixas de freqüência
elevadas são pequenos e leves e possuem baixas sensibilidades.
Relação entre a Sensibilidade do Acelerômetro e sua Freqüência Natural.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – PIEZOELETRICO/QUARTZO
Embora um acelerômetro tipicamente apresente uma faixa dinâmica muito extensa de 90 dB ou
mais, os melhores resultados são obtidos quando o acelerômetro possui a maior sensibilidade
disponível para a faixa de freqüência de interesse.
O acelerômetro piezoelétrico é um aparelho autogerador, porém possui impedância de saída
muito elevada e, conseqüentemente, requer o uso de circuitos eletrônicos de conversão de
impedância, que podem ser instalados dentro do acelerômetro, fora dele (mas próximo), ou no
próprio aparelho de monitoramento ou análise.
O uso de circuito eletrônico externo em uma localização arejada e distante do acelerômetro,
permite ao sensor tolerar temperaturas muito mais elevadas, de até 760 °C em algumas unidades
especiais.
Entretanto, a transmissão do sinal de alta impedância do acelerômetro até o circuito de
conversão requer cabos e conectores especiais de baixo ruído (geralmente caros e pouco
resistentes), além disso, o cabo deve ser fixado firmemente para evitar ruído triboelétrico.
Nas aplicações usuais em máquinas, o uso de acelerômetros com amplificadores internos é mais
indicado, a menos que haja restrições quanto à temperatura. Acelerômetros tipo ICP são muito
mais convenientes, pois empregam cabos e conectores convencionais e de baixo custo, mas são
limitados a temperaturas da ordem de 120 a 180 °C.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – PIEZOELETRICO/QUARTZO
O acelerômetros tipo ICP pode ser conectado a qualquer instrumento, como medidor de
vibração, analisador de espectro ou coletor de dados, dotado de uma fonte de alimentação
apropriada (18 a 24 Vcc, com limitador de corrente de 2 a 4 mA). O sinal de baixa impedância
desse sensor pode ser transmitido em ambientes industriais a longas distâncias, por um simples
fio duplo enrolado ou um cabo coaxial padrão.
Além de prover a crucial conversão de impedância, os circuitos ICP também podem incluir outros
condicionamentos de sinal como integração, filtragem e até mesmo medição de nível com saída
de corrente contínua de 4 a 20 mA, compatível com Controladores Lógicos Programáveis - CLP's.
Duas montagens típicas de acelerômetro de ICP são mostradas abaixo:
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – PIEZOELETRICO/QUARTZO
Acelerômetros de Carga têm alta impedância de saída e fornecem sinais de carga,
extremamente sensíveis à ruídos induzidos pelos campos eletromagnéticos comuns em ambientes
industriais.
Dessa forma, para se obter medidas confiáveis, antes de transmitir o sinal desses sensores a um
dispositivo de leitura ou registro, é imprescindível reduzir a impedância da linha, através de
amplificadores ou conversores de carga. Esses instrumentos são constituídos por amplificadores
de realimentação capacitiva, com alta impedância de entrada e baixa impedância de saída.
Além da conversão de impedância, os amplificadores de carga permitem a alteração de ganho,
através da seleção do capacitor de realimentação, e possuem ajustes para compensar variações
de sensibilidade dos sensores. Também possuem filtros passa-alta e passa-baixa para eliminar
sinais fora da faixa de interesse.
Existem também Amplificadores de Modo Dual, que provêm energia e condicionamento de sinal
tanto para acelerômetros de carga como para acelerômetros tipo ICP.
Tipicamente, acelerômetros de modo de carga são usados quando se requer altas temperaturas
de operação. Se o sinal de medida deve ser transmitido por longas distâncias, recomenda-se o uso
de um conversor de carga próximo ao acelerômetro, para reduzir a sensibilidade a ruídos.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – PIEZOELETRICO/QUARTZO
Devido à alta impedância de saída dos acelerômetros de carga, sua utilização requer os seguintes
cuidados:
1.
2.
Sempre use cabo coaxial especial de baixo ruído e baixa capacitância entre o acelerômetro e
amplificador de carga. Este cabo é especialmente tratado para reduzir os efeitos de ruído induzido
pelo movimento (efeito triboelétrico).
Sempre mantenha os conectores do acelerômetro e dos cabos completamente secos e limpos, para
assegurar alta resistência de isolamento e baixas capacitâncias.
RESPOSTA DE FREQÜÊNCIA DA MONTAGEM
Uma das considerações mais importantes com relação à montagem de acelerômetros, é o seu efeito
sobre a faixa de freqüência utilizável.
As faixas de utilização dos acelerômetros apresentadas nos folhetos de especificações são
determinadas a partir de freqüências naturais de montagem obtidas em condições ideais, isto é, com o
acelerômetro firmemente aparafusado a uma superfície de alta dureza e perfeitamente retificada, de
modo que a freqüência ressonante seja a mais alta possível.
A adição de qualquer massa, como uma base de montagem adesiva ou magnética, reduzirá a
freqüência natural da montagem e a faixa de freqüência utilizável. O uso de uma junta de borracha ou de
qualquer material flexível cria um efeito de filtragem mecânica, reduzindo drasticamente a
transmissibilidade em altas freqüências.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – PIEZOELETRICO/QUARTZO
PREPARAÇÃO DA SUPERFÍCIE
Para melhores resultados de medida, especialmente em altas freqüências, é importante
preparar uma superfície lisa e plana na máquina, aonde o acelerômetro será fixado. Inspecione a
área para assegurar que nenhum pedaço de metal ou outras partículas externas interfiram nas
superfícies em contato. A aplicação de uma camada fina de graxa de silicone entre a base do
acelerômetro e a superfície de montagem, também ajudará a alcançar um alto grau de contato
entre as superfícies, melhorando a transmissibilidade de altas freqüências.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – PIEZOELETRICO/QUARTZO
MONTAGEM COM PARAFUSO PRISIONEIRO
Para instalações permanentes e medições acima de 4.000 Hz, é recomendada a montagem com
parafuso, de acordo com as seguintes instruções:
1.
Esmerilhe e aplaine uma área da máquina, de diâmetro 2 mm maior que o diâmetro do
sensor.
2.
Prepare um furo com uma tolerância de perpendicularidade à superfície de montagem,
rosca e profundidade recomendadas pelo fabricante.
3.
A borda do furo deve ser escareada para evitar que o acelerômetro repouse sobre a borda.
a transmissão de aceleração e afetará a precisão da medida.
4.
Ao aparafusar o acelerômetro, aplique apenas o torque recomendado pelo fabricante e
evite que o parafuso encoste no fundo do furo da base do acelerômetro e deforme a base,
introduzindo tensão no cristal. Para evitar esse efeito, alguns parafusos de montagem tem
uma ponta flexível que deve ser montada do lado do acelerômetro.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – PIEZOELETRICO/QUARTZO
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – PIEZOELETRICO/QUARTZO
MONTAGEM COM ADESIVO
Quando a montagem por parafuso não é viável, a montagem com adesivo é a alternativa seguinte.
Neste caso, recomenda-se o uso de uma base ou bloco de montagem, para impedir que o adesivo
danifique o acelerômetro entupindo as roscas de montagem. A maioria das bases disponíveis
oferece isolamento elétrico, que impede a geração de ruído por laços de terra ("ground?loop").
Para a maioria das aplicações com adesivos, blocos de montagem semelhantes a Série 080 da PCB
são altamente recomendados. Estes blocos mantêm a base do acelerômetro limpa e livre de epoxi e
permitem uma fácil remoção sem dano para o acelerômetro ou para o objeto de teste.
Em temperaturas muito altas, aplique um pedaço de laminado de mica entre o acelerômetro e a
superfície da máquina com adesivo adequado. Depois do teste, a mica pode ser removida facilmente
sem dano ao sensor ou ao acabamento da superfície.
A planicidade da superfície, a dureza do adesivo, a força da adesão e o nível de aceleração afetam a
faixa de freqüência utilizável. Em baixos níveis de aceleração, se a superfície de montagem for bem
plana e o sensor apertado firmemente contra a superfície para expulsar o excesso de adesivo, o
limite nominal de freqüência poderá ser facilmente alcançado. Irregularidades da superfície ou uma
camada muito espessa de adesivo, reduzem a faixa de freqüência utilizável.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – PIEZOELETRICO/QUARTZO
O tipo de adesivo recomendado depende da aplicação particular, principalmente da temperatura
da superfície do tempo de utilização.
Adesivos de cura rápida a base de cianoacrilatos ou cera de abelha oferecem uma boa solução para
instalação rápida em aplicações provisórias à temperatura ambiente. Adesivos temporários menos
duros reduzirão o alcance de freqüência utilizável e são recomendados apenas para baixa freqüência
(<1.000 Hz) e testes estruturais a temperatura ambiente.
Adesivos á base de epoxi e cimento dental oferecem dureza elevada para uma boa resposta em
alta freqüência e resistência à temperatura adequada para uma montagem permanente.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – PIEZOELETRICO/QUARTZO
MONTAGEM MAGNÉTICA
O uso de bases magnéticas é um método muito conveniente para fixação temporária a superfícies
magnéticas. Imãs que oferecem elevadas forças magnéticas provêem melhor resposta em altas
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – PIEZOELETRICO/QUARTZO
Para bons resultados, a base magnética plana deve ser aplicada somente a superfícies lisas e
planas. Uma camada fina de graxa de silicone deve ser aplicada entre o sensor e base magnética,
como também entre a base magnética e a superfície.
Quando a superfície é irregular ou não magnética, a base magnética pode ser aplicada um disco de
aço colado com epóxi sobre a superfície. Isso também garante que as medições periódicas serão
feitas exatamente na mesma posição, assegurando maior consistência às curvas de tendência. Em
superfícies curvas como caixas de mancais e tubulações bases magnéticas com pólos salientes
podem ser usadas, porém, sua resposta de freqüência é inferior à das bases planas.
A escolha correta da base e uma preparação adequada de superfície de montagem é crítica para se
obter medidas confiáveis, especialmente em altas freqüências. Instalações pobres podem causar até
50% de redução na faixa de freqüência utilizável.
MONTAGEM MANUAL COM PONTEIRAS
Acelerômetros presos pela mão com ponteiras devem ser utilizados somente quando outras
técnicas de montagem não são viáveis. A orientação e o nível de pressão aplicada, criam uma grande
variabilidade que afeta a consistência das curvas de tendência. Este método só pode ser usado para
freqüências abaixo de 1000 Hz.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – PIEZOELETRICO/QUARTZO
CABOS E CONEXÕES
Os cabos devem ser bem fixados à estrutura com uma braçadeira, fita ou adesivo para minimizar a
movimentação do cabo e as tensões introduzidas junto aos conectores. A movimentação do cabo
pode gerar ruídos, especialmente em linhas de alta impedância, fenômeno este conhecido como
efeito triboelétrico. Tensões junto aos conectores pode causar perda de dados devido a conexões
intermitentes ou interrompidas.
As conexões podem ser protegidas com vedador de silicone RTV ou tubos termo-contráteis, para
evitar contaminação por umidade e sujeira. Anéis O-Ring com tubos termo-contráteis podem uma
vedação eficaz para proteger conexões em uso submerso de curto prazo. O vedador de silicone
apenas oferece proteção contra esguichos ou névoas.
Sob condições de choques elevados ou quando os cabos têm que sofrer grandes movimentos,
como na monitoração de talhas e pontes rolantes, é recomendado o uso de cabos leves para
minimizar tensão induzida nos conectores e a possibilidade de conexões intermitentes ou abertas.
Para maior confiabilidade em aplicações que envolvam níveis muito elevados de choques é
recomendado o uso de conexão com solda.
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – PIEZOELETRICO/QUARTZO
www.prediteceng.com.br
VIBRAÇÕES MODULO I – PIEZOELETRICO/QUARTZO
ATENÇAO: CUIDADO COM O ACELERÔMETRO
Negligência no manuseio de acelerômetros, principalmente com bases magnéticas, pode
gerar impactos prejudiciais, que alteram a sua resposta de freqüência, afetando a
qualidade dos dados obtidos durante um longo período, pois essa alteração somente será
detectada na próxima calibração, geralmente anual.
www.prediteceng.com.br

Documentos relacionados

Módulo 1 - Fundamentos da Vibração Dentro de Fundamentos da

Módulo 1 - Fundamentos da Vibração Dentro de Fundamentos da Os modelos podem ser simples de um grau de liberdade, ou seja, se movimentam em apenas uma direção, e complexos quando descritos por vários graus de liberdade, ou seja, têm a possibilidade de se mo...

Leia mais