Sensores para medições de Vibrações Mecânicas – Acelerómetros

Sensores para medições
de Vibrações Mecânicas
– Acelerómetros
M
116
Nos últimos anos, têm surgido algumas
FOR - Ventilador 1
VENTIL 1 -3H Ventilador, Ponto 3 Horizontal
empresas a desenvolver a prestação de
0.6
serviços nesta área, com sistemas disponíveis capazes de efetuar análises de
0.5
RMS Aceleração em G-s
a condição dos equipamentos.
0.4
0.3
SENSORES DE VIBRAÇÃO
Para a captação de vibrações, são uti-
0.2
lizados sensores a que se dá o nome
de transdutores de vibração mecâni-
0.1
ca. Existem vários tipos de sensores,
Cláudia Sequeira
Eng.ª Mecânica
ARTIGO CIENTÍFICO
tendência, executar cálculos e reportar
sendo o acelerómetro o mais utilizado
0
0
200
400
600
800
1000
Frequência em HZ
devido à sua enorme versatilidade, enquanto outros sensores se resumem a
*8+-2*9<!.#)(-&$#!.8!2=12*.6
Figura 1. Espectro de frequências em aceleração.
4
O sensor de deslocamento aplica-se no
RESUMO
ção prematura de avarias, através
caso de ser uma instalação permanen-
O presente artigo tem como principal
da observação da evolução do nível
te, enquanto o sensor de velocidade é
objetivo salientar a importância do ele-
global de vibrações e de uma análise
de aplicação mais restrita devido ao seu
mento sensor, na cadeia de medição da
das respetivas frequências, na análise
peso e fragilidade de componentes in-
análise de vibrações. Sendo esta uma
espectral.
ternos. Apesar de só possibilitar a recolha de frequências entre 10 e 1000 Hz,
ferramenta indispensável na Manutenção Condicionada, pois através dela é
As vibrações originam um processo de
apresenta como grande vantagem o
possível adquirir o conhecimento do
deterioração de vários componentes
facto de ser auto-gerador, o que permi-
estado de condição de vários equipa-
das máquinas. Essa deterioração cara-
te enviar o sinal elétrico a grandes dis-
mentos, permitindo assim mantê-los
&!'-"*7.!#8!+*#)$3-12*9:$#3*#3-.&'-%(--
tâncias por cabo, permitindo trabalhar
no seu desempenho máximo e por sua
ção de energia vibratória.
a altas temperaturas.
Algumas vibrações podem ser dese-
Antes de se efetuar qualquer análise,
jadas, outras podem perturbar o nor-
a vibração tem de ser convertida num
!"#$%&!'#()*#)!+,$'-*#.-/0-12*&- *#0*#
1*%-+-3*3!#3*#)45(-0*#!)#*04+-.!6#
mal funcionamento ou até destruir
sinal elétrico, sendo essa tarefa de-
A ANÁLISE DE VIBRAÇÕES
equipamentos. A análise de vibrações
sempenhada pelos transdutores. Es-
A análise de vibrações mecânicas é
é um dos indicadores mais precisos do
tes convertem uma forma de energia
um método indispensável na dete-
estado de funcionamento da máquina,
(sinal vibratório mecânico existente
8!')-&-03$# -3!0&-12*'# *# ;$0&!# 8!'&('-
na superfície da máquina), noutra for-
badora.
ma de energia, normalmente em sinais
elétricos caraterísticos da vibração do
Figura 2. Acelerómetro.
Estas técnicas provaram ser extrema-
equipamento, cuja forma de onda está
)!0&!# 14 !-.# !# %*.&*0&!# 8'!2-.*.# 0*#
relacionada com o movimento mecâ-
deteção de avarias. No entanto, por ve-
nico. A relação entre a forma de onda
zes não têm tanta aplicação como seria
mecânica e a forma da onda elétrica,
de esperar, devido ao elevado custo de
depende do tipo de transdutor utiliza-
investimento inicial e por necessitar de
do na transformação de sinal e no tipo
pessoal especializado na área.
de tratamento dado a esse sinal pelo
aparelho analisador. A complexidade
da instrumentação de medida e as téc-
Frequência
de ressonância
nicas de análise podem variar substancialmente, mas em todos os casos, o
Resposta linear
transdutor de vibrações é o ponto mais
Sensibilidade
crítico na cadeia de medição, porque
sem um sinal rigoroso os resultados da
*04+-.!#0:$#.!':$#14 !-.6#
105
100
95
+5%
-5%
Os transdutores são colocados em diversos pontos da máquina, para reco-
Hz
lhas nas direções radial e axial, podem
1
ser utilizados de várias formas, através
100
100
8000
de base ponteira, base magnética, base
Curva de resposta caraterística
do acelerómetro
roscada ou colada para um controlo
permanente.
Figura 4. Curva de resposta do acelerómetro.
ACELERÓMETROS
igual ao produto da aceleração com a
da frequência de ressonância. Por esse
nos cristais piezoelétricos, que depois
massa sísmica.
motivo, é aconselhável o uso do ace-
de sujeitos à compressão, geram um
lerómetro até este limite superior de
pequeno sinal elétrico proporcional à
O tamanho do acelerómetro (massa
aceleração.
.=.)-2*@# *-# -0A(!02-*'# *# /*)*# 3!# ;'!-
frequência.
quências utilizável e a sua sensibilidaQuando se encontra em funcionamen-
de. Regra geral, quanto maior for o
GAMA DE FREQUÊNCIAS
to, o transdutor acompanha a vibração
acelerómetro, maior a sua sensibilida-
A reposta em frequência de um acele-
transmitida pelo equipamento em es-
de e menor a gama de frequência má-
rómetro piezoelétrico tem uma curva
tudo, a massa no interior do transdutor
xima utilizável.
caraterística conforme apresentado
tende a manter-se estacionária no es-
na Figura 4. As medições deverão
paço. Um transdutor sensível à acelera-
O intervalo de frequência em que os
2$010*'7.!#B#8$'9:$#+-0!*'#3*#2(' *#3!#
ção denomina-se por acelerómetro, e,
acelerómetros trabalham situa-se abai-
resposta, onde existe a garantia de que
!.&!#>#1?*3$#0()*#.(8!';=2-!#!)#)$ --
xo da sua primeira frequência natural.
os valores medidos são, efetivamente,
mento, onde haverá um deslocamento
A sua sensibilidade é medida em mili-
proporcionais à vibração, “aceleração”
provocado pela força motriz F que dá
volts por unidade de aceleração “g” e
existente, a qual é limitada nas altas
origem ao movimento. Esta força é
é aproximadamente constante até 1/5
frequências pela ressonância da montagem do acelerómetro.
Na curva de resposta caraterística
8$3!7.!# !'-12*'# ()*# %*03*# 3!# ;'!quências onde a resposta é linear. Nas
baixas frequências apresenta-se uma
resposta não-linear ou seja, limitações
nos circuitos eletrónicos. Para as altas
frequências temos uma resposta não7+-0!*'# 3! -3$# B# -0A(C02-*# 3*# ;'!5(C0cia de ressonância.
VANTAGENS NA UTILIZAÇÃO
DE ACELERÓMETROS
›
Vasta gama de frequências utilizável 1 a 10 000 Hz, logo superior a
qualquer dos anteriores transdutores. Existem modelos de acelerómetros que podem medir baixas
Figura 3. Acelerómetro colocado na direção horizontal.
frequências na ordem dos 0,02 Hz;
5
transdutor de aceleração, baseia-se
ARTIGO CIENTÍFICO
O princípio de funcionamento do
›
›
›
Fáceis de instalar e no geral são
espaço; vertical, horizontal e axial,
mais pequenos e leves do que os
*..-)# 2$)$# *# 2$3-12*9:$# 3$.# 4'-$.#
anteriores;
pontos de leitura.
São muito robustos e estanques,
pelo que se tornam especialmente
Existem vários tipos de montagem, tais
apropriados para trabalhar em lo-
como:
cais fabris;
›
Fixação aparafusada;
Resistem ao choque, quedas, humi-
›
Fixação por colagem com discos
sividades ambientais e de manuse-
›
Fixação por base magnética;
Fixação do acelerómetro, recorrendo
amento;
›
Utilização de ponteira.
à utilização de ponteira. A pressão de
próprios;
dade, poeiras, óleo e outras agres-
›
Figura 7. Fixação com base magnética.
Pouco sensíveis a vibrações late-
contacto é totalmente manual. Este
rais, transversais e a campos mag-
A instalação do acelerómetro aparafu-
método é conveniente para algumas
néticos. São, por isso, bons na apli-
sado é a melhor solução, mas nem sem-
aplicações, mas apresenta algumas li-
cação a grandes motores elétricos.
pre é possível este tipo de colocação
mitações. A frequência máxima admis-
3! -3$# B.# 3-12(+3*3!.# 3!# 2,!/*'# *$.#
sível é de 1 kHz (Figura 8).
pontos de leitura (Figura 5).
SELEÇÃO E UTILIZAÇÃO
DE SENSORES DE MEDIÇÃO
O principal objetivo na seleção do sen-
ARTIGO CIENTÍFICO
sor é assegurar antecipadamente que
o sinal da vibração está dentro de vários constrangimentos.
Os sensores para altas temperaturas
este ligado a um cabo especial já fora
CONCLUSÕES
da zona de elevadas temperaturas.
Mostrou-se a importância dos sensoPara a seleção dos transdutores é ne-
6
Figura 8. Fixação com ponteira.
0:$#-02$'8$'*)#$#*)8+-12*3$'D#12*03$#
Figura 5. Fixação roscada.
cessário conhecer:
res na cadeia de medição. Cada transdutor é utilizado para um conjunto de
›
Gama de utilização;
›
Sensibilidade;
E*# 1/('*# .!/(-0&!# ># '!8'!.!0&*3*# *#
nhum deles é utilizado para o mesmo
›
Frequência (ou tempo de resposta);
1?*9:$# 8$'# 2$+*6# F# 3!. *0&*/!)# 3!.-
1)6# G$)$# 8'-02-8*-.# 3-;!'!09*.# 8$-
›
Compatibilidade com o meio am-
te tipo de montagem consiste nos
demos apontar o princípio de funcio-
biente;
aumentos de temperatura excessivos
namento, a grandeza medida, ou seja
›
Precisão;
5(!# 8$3!)# 3*0-12*'# $# %+$2$# *3!.- $#
o deslocamento, aceleração e veloci-
›
Caraterísticas elétricas;
(Figura 6).
dade, a gama de frequências e o tipo
›
Condições de aplicação e robustez.
máquinas e aplicações diferentes. Ne-
de aplicação pretendida. O transdutor
mais utilizado é o acelerómetro, pois
este abarca um maior campo de aplica-
SELEÇÃO DOS PONTOS
DE COLOCAÇÃO
ções, enquanto os outros tipos de sen-
A escolha dos pontos de leitura para a
!.8!2=12*.6
sores utilizam-se para aplicações mais
recolha dos sinais vibratórios deve ser
cuidadosamente estudada, tendo em
conta a sua acessibilidade e caraterísti-
REFERÊNCIAS
2*.#3$.#!5(-8*)!0&$.D#*#1)#3!#.!#! --
›
tarem possíveis erros de leitura, como
Vibrações como Ferramenta no Diagnós-
por exemplo descontinuidades do material entre o ponto de leitura e a fonte
Sequeira, Cláudia D.(2005) “A Análise de
tico de Avarias em Máquinas Rotativas”.
Figura 6. Fixação por base colada.
das vibrações.
Lisboa : Tese de Mestrado – FCT;
›
Wowk, Victor. (1991): “Machinery Vibration, Measure and analysis “. Mc-Graw Hill;
Para a análise da condição de funcio-
Base magnética é muito utilizada
namento de qualquer equipamento,
quando se pretende uma boa mon-
devem ser medidas e registadas as
tagem e há necessidade de retirar o
vibrações em cada uma das extremi-
acelerómetro de maneira esporádica
dades ou apoios. Nas três direções do
(Figura 7).
›
Taylor, James I. (2000): “The Vibration
Analysis Handbook”. First Edition, Vibration Consultants, inc;
›
Broch, Jens T. (1984): “Mechanical Vibration
an Shock Measurements”. Bruel & Kjaer.
M