Fundamentos Teórico-experimental para o Monitoramento e Diagnóstico de Falhas por Análise de Vibrações Fonte: Apostila CSI: Treinamento Análise Análise de Vibrações Nível I – VIB I
CAPÍTULO 1 - SENSORES DE VIBRAÇÃO
Três estágios estão envolvidos no acompanhamento preditivo de uma máquina:
Estágio 1 - Aquisição de Dados: Conversão das vibrações produzidas pela máquina ou sistema em sinais elétricos, através de sensores ou transdutores. transdutores. Estagio 2 - Processamento dos Sinais: Em analisadores analisadores e/ou programas de Manutenção Preditiva, os sinais "brutos" são convertidos em dados digitais e manipulados para se obter informações significativas significativas para a avaliação das vibrações e definição da sua causa dominante. Estado 3 - Avaliação da Condição: É o estágio de decisão, no qual os dados são comparados com dados de referência ou "assinaturas", dados anteriores e/ou limites de alarme estabelecidos por normas, fabricantes ou consultores, visando a avaliação da condição dos equipamentos e a tomada de decisões sobre a necessidade de intervenções. Neste estágio, conceitos de confiabilidade são largamente empregados. Neste capitulo, trataremos dos equipamentos e tecnologias utilizados no Estágio 1, mais especificamente dos sensores de vibração, deixando a abordagem dos demais equipamentos (gravadores, analisadores, analisadores, coletores de dados etc.) para o capítulo seguinte.
AQUISIÇÃO DE DADOS NO MONITORAMENTO DE VIBRAÇÃO Como o aparelho responsável pela conversão do movimento mecânico em um sinal elétrico, que possa ser convenientemente amplificado gravado, exibido e analisado, analisado, o transdutor deve ser adequado para a tarefa, corretamente montado e completamente entendido, para que a conversão seja realizada da forma mais precisa possível. Inicialmente, é necessário escolher uma das três grandezas, aceleração, velocidade ou deslocamento, para medir as vibrações. Todas irão todos mostrar os mesmos componentes de freqüência, mas com sensibilidades diferentes, corno mostra a Figura 1.
Figura 1 - Variação da aceleração e do deslocamento em função da freqüência, mantendo uma velocidade de vibração constante. Através da figura 1, pode-se constatar que as medições de aceleração reforçam as componentes de alta freqüência e as de deslocamento reforçam as componentes de baixa freqüência, enquanto que as de velocidade apresentam uma sensibilidade constante. Isso leva a considerações práticas para a escolha da grandeza de medida, em função da faixa de freqüência que se deseja analisar. analisar. Em princípio é vantajoso selecionar o parâmetro que forneça o espectro de freqüências mais uniforme para melhor utilizar a faixa dinâmica da instrumentação de medição. Porém, como a força necessária para se produzir uma dada resposta varia significativamente com a freqüência, ela também exerce limitações reais nas medições que podem ser feitas através de um transdutor especifico. Por exemplo, uma aceleração de 100 g a 10 kHz, que denota uma amplitude absolutamente não tolerável numa freqüência típica de passagem de palhetas em turbinas, corresponde a um deslocamento de apenas 0,5 mm. Nesse caso, um nível intolerável de força produz um deslocamento incomensurável, embora esteja dentro da faixa de resposta especificada para a maioria dos sensores de deslocamento. deslocamento. Acelerômetros apresentam limitações semelhantes em baixas freqüências. À medida que a freqüência decresce, os valores de aceleração diminuem drasticamente, reduzindo a relação sinal / ruído, de modo que até níveis moderados de vibração se tornam difíceis de medir, em termos de aceleração, para freqüências abaixo de 10 Hz. A natureza dos sistemas mecânicos é tal que deslocamentos apreciáveis apenas ocorrem em baixas freqüências. Consequentemente, medições de deslocamento são de valor limitado no estudo geral de vibrações mecânicas. O deslocamento é geralmente usado como indicador de desbalanceamento em partes de máquinas rotativas, porque deslocamentos relativamente grandes usualmente ocorrem na freqüência de rotação do eixo, que é a freqüência de interesse para avaliação do estado de balanceamento. Transdutores são como janelas através das quais porções do espectro de freqüências podem ser observadas. O tipo de máquina, o ponto de medição e as características a serem avaliadas, bem como as características, vantagens e limitações dos transdutores devem ser bem
Figura 1 - Variação da aceleração e do deslocamento em função da freqüência, mantendo uma velocidade de vibração constante. Através da figura 1, pode-se constatar que as medições de aceleração reforçam as componentes de alta freqüência e as de deslocamento reforçam as componentes de baixa freqüência, enquanto que as de velocidade apresentam uma sensibilidade constante. Isso leva a considerações práticas para a escolha da grandeza de medida, em função da faixa de freqüência que se deseja analisar. analisar. Em princípio é vantajoso selecionar o parâmetro que forneça o espectro de freqüências mais uniforme para melhor utilizar a faixa dinâmica da instrumentação de medição. Porém, como a força necessária para se produzir uma dada resposta varia significativamente com a freqüência, ela também exerce limitações reais nas medições que podem ser feitas através de um transdutor especifico. Por exemplo, uma aceleração de 100 g a 10 kHz, que denota uma amplitude absolutamente não tolerável numa freqüência típica de passagem de palhetas em turbinas, corresponde a um deslocamento de apenas 0,5 mm. Nesse caso, um nível intolerável de força produz um deslocamento incomensurável, embora esteja dentro da faixa de resposta especificada para a maioria dos sensores de deslocamento. deslocamento. Acelerômetros apresentam limitações semelhantes em baixas freqüências. À medida que a freqüência decresce, os valores de aceleração diminuem drasticamente, reduzindo a relação sinal / ruído, de modo que até níveis moderados de vibração se tornam difíceis de medir, em termos de aceleração, para freqüências abaixo de 10 Hz. A natureza dos sistemas mecânicos é tal que deslocamentos apreciáveis apenas ocorrem em baixas freqüências. Consequentemente, medições de deslocamento são de valor limitado no estudo geral de vibrações mecânicas. O deslocamento é geralmente usado como indicador de desbalanceamento em partes de máquinas rotativas, porque deslocamentos relativamente grandes usualmente ocorrem na freqüência de rotação do eixo, que é a freqüência de interesse para avaliação do estado de balanceamento. Transdutores são como janelas através das quais porções do espectro de freqüências podem ser observadas. O tipo de máquina, o ponto de medição e as características a serem avaliadas, bem como as características, vantagens e limitações dos transdutores devem ser bem
entendidas e consideradas para que os dados básicos representem a condição real da máquina. A adição de equipamento analítico analítico sofisticado pode diminuir o tempo de análise e aumentar a sua precisão, mas não pode melhorar as limitações inerentes à coleta de dados.
ESCOLHENDO UM TRANSDUTOR Um transdutor sente uma quantidade física como vibração, temperatura, ou pressão, e a converte em um sinal elétrico proporcional a 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 analisada e o sensor mais adequado, levando em consideração também a sensibilidade, alcance de freqüência e freqüência natural montada dos transdutores disponíveis. A tabela abaixo indica as faixas de freqüência recomendadas para análise de diversos componentes de máquinas.
Também deve se considerar que, no caso de máquinas de velocidade variável, a gama de freqüências geradas pode variar bastante conforme a velocidade de operação.
TIPOS DE TRANSDUTORES DE VIBRAÇÃO 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/ anal coletor/ analisador isador 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.
SENSORES 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. r otores. 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.
CONSTRUÇÃO E OPERAÇÃO Na verdade, esse transdutor é um sistema composto por um sensor ou "sonda", um cabo de extensão e um circuíto 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 MHz (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 (Figura 2). 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.
Figura 2 - Esquema do Sistema de Medição de Deslocamento por Corrente de Foucault 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. 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 circuíto 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.
Figura 3 - Curva de Calibração Típica de um Proximetro A inclinação da curva na 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.
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.
Figura 4a - Eixo com grandes riscos
Figura 4b - Eixo com pequenos riscos
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 montagem. 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.
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.
SENSORES DE VELOCIDADE (PICKUPS DE VELOCIDADE) Um sensor típico de velocidade (Sísmico) é mostrado esquematicamente na Figura 5. 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.
Figura 5 - Sensor de Velocidade (Sísmico) 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 6). 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.
Figura 6 - Sensibilidade Típica de Sensores 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. Consequentemente 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.
SENSORES 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. 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 e mbalagens. Em suma, as características dos 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 7. Bem abaixo de sua freqüência natural, essa montagem o bedece 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. 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, consequentemente, maior será o sinal de saída, porém, menor será a freqüência natural e a faixa de freqüências com sensibilidade constante.
Figura 7 - Princípio do Acelerômetro 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 microamplificadores eletrônicos, embutidos no próprio sensor, dispensando assim o uso de condicionadores externos e cabos especiais e eliminando as limitações acima expostas.
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.
Figura 8 - Modelo de Cisalhamento 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 pré?carga aos cristais.
Figura 9 - Compressão Vertical 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.
Figura 10 - Compressão Invertida 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 uma massa sísmica oca, que age como uma barreira térmica. Assim, oferece um desempenho estável em baixas freqüências, a um custo relativamente baixo.
Figura 11 - Modelo de Compressão Isolada 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-se 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.
Figura 12 - Modelo de Flexão 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).
CERÂMICAS PIEZOELÉTRICAS SINTERIZADAS Todas 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 os 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: Cerâmicas de alta sensibilidade a voltagem - usadas em acelerômetros tipo ICP de uso geral. 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. Cerâmicas de alta temperatura - usadas em acelerômetros de modo de carga, com limite de temperatura de até 600° F, para monitoramento de turbinas e máquinas super aquecidas.
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 13) 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 13, o eixo das freqüências é normalizado e representado como a razão entre a freqüência de operação e a primeira freqüência natural.
Figura 13 - Sensibilidade Típica de um Acelerômetro 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 (ver Figura 14).
Figura 14 - Relação entre a Sensibilidade do Acelerômetro e sua Freqüência Natural. 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, consequentemente, 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.
OPERAÇÃO O acelerômetro 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:
Figura 15 - Sistemas de Montagem ICP 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.
Figura 16 - Amplificador de Carga 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.
Figura 17 - Sistema com Conversor de Carga Devido à alta impedância de saída dos acelerômetros de carga, sua utilização requer os seguintes cuidados: 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.
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.
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: Esmerilhe e aplaine uma área da máquina, de diâmetro 2 mm maior que o diâmetro do sensor. Prepare um furo com uma tolerância de perpendicularidade à superfície de montagem, rosca e profundidade recomendadas pelo fabricante. 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. 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.
Figura 18 - Montagem Padrão com Parafuso Prisioneiro 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.
Figura 19 - Montagem padrão com adesivo 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. Existe uma variedade de adesivos de aplicações industriais cujos fabricantes fornecem boletins com instruções de aplicação detalhadas. Um artigo da revista "Popular Science" de Fev./ 1989, "Segredos das Super Colas", provê dados informativos sobre vários adesivos.
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
Figura 20 - Montagens padrão com bases magnéticas 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 epoxi 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.
Figura 21 - Outras montagens com base magnética 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.
MASSA ADICIONADA As características vibracionais de uma estrutura pode ser alteradas pela adição de massa. Um acelerômetro muito pesado montado em uma região pouco rígida da estrutura da máquina pode produzir dados incorretos. Procure sempre selecionar o acelerômetro e o método de montagem mais adequado para cada aplicação.
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 podem 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.
Figura 22 - Cuidados com cabos e conexões
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.
Figura 23 - Situações que provocam impactos indesejáveis no acelerômetro.
CAPÍTULO 2 - INSTRUMENTAÇÃO PARA COLETA E ANÁLISE DE DADOS Os iniciantes em análise de vibração sempre se deparam com termos novos e até mesmo estranhos que são usados para descrever a instrumentação que deverão manipular. É importante conhecer os instrumentos e os dispositivos que são particularmente úteis na análise de máquinas e alguma terminologia básica. Essas informações poderão também propiciar um ponto de partida para a seleção dos instrumentos mais adequados para uma aplicação específica.
PRÉ-AMPLIFICADORES A leitura direta do sinal de saída de um acelerômetro piezoeléctrico através de uma linha de impedância relativamente alta, pode reduzir significativamente a sensibilidade do acelerômetro, bem como limitar a sua resposta de freqüência. Para eliminar esse efeito, o sinal de saída do acelerômetro é aplicado a um pré-amplificador que possui uma impedância de entrada muito alta e uma baixa impedância de saída, adequada para conexão com instrumentos de medição e análise. Existem dois tipos de pré-amplificadores para acelerômetros:
Pré-amplificadores de tensão foram largamente usados no passado, mas caíram em desuso nos últimos anos, logo que os amplificadores de carga se tornaram disponíveis. A principal razão para isso é que, em pré-amplificadores de voltagem, a sensibilidade da cadeia de medição depende da capacitância do cabo de conexão, de modo que a calibração do sistema deve ser refeita sempre que o comprimento do cabo for alterado significativamente.
Amplificadores de carga são bastante utilizados hoje em dia principalmente porque eliminam a influência de capacitâncias cabos de conexão, não sendo necessário se preocupar com o seu comprimento. Os folhetos de especificações dos acelerômetros apresentam a mbas as sensibilidades, de voltagem e de carga, para possibilitar o seu emprego tanto com pré-amplificadores de tensão como com amplificadores de carga. Além da função de conversão de impedância, a maioria dos pré-amplificadores apresenta amplificação variável e outras facilidades para o condicionamento do sinal. Vários modelos incluem integradores para converter o sinal de saída de aceleração em sinais de velocidade ou deslocamento, o que é muito útil quando o sinal alimentar um analisador não equipado com integradores. Para atenuar ruídos e sinais que se situam fora da faixa de freqüência de interesse, a maioria dos pré-amplificadores é equipada com uma coleção de filtros passa-alta e passa-baixa. Outras facilidades convenientes são um indicador de sobrecarga, um oscilados de referencia e um indicador da condição da bateria, quando aplicável.
FILTROS Os filtros são provavelmente os equipamentos auxiliares mais largamente utilizados em análise de vibrações. Simplesmente definido, um filtro limita o sinal de vibração em uma faixa ou banda de freqüências pode ser isolada para medição ou estudo. Os filtros podem ser classificados de acordo com 3 critérios: em função da banda de passagem em: passa-alta, passa-baixa, passa-banda e rejeita-banda. em função do tipo de sintonia em: fixo, manual ou automático. em função do método de implementação em: ativos ou passivos. Exemplos de aplicação: filtros passa-banda ajustáveis são largamente usados em analisadores de vibração. filtros passa-baixa são aplicados a sinais de deslocamento de eixos medidos com proxímetros, para eliminar altas freqüências geradas por riscos na superfície. filtros passa-alta são geralmente necessários para eliminar o ruído de baixa freqüência típico de integradores de sinais. filtros rejeita-banda são empregados para excluir uma componente de amplitude elevada para melhor analisar as demais, como no caso da análise de corrente elétrica em motores de indução, em que é conveniente remover a componente de 60 Hz para analisar outras componentes.
Figura 1 - Sinais de Deslocamento de Eixo (a) não filtrados e (b) com filtro passa-baixa. Dois tipos de filtros passa?banda são comumente usados em analisadores: 1) filtro de banda constante, através do qual irá passar uma banda de freqüências de largura constante, não importa aonde a freqüência central do filtro estiver sintonizada. Esse tipo de filtro fornece uma resolução uniforme ao longo da escala de freqüências. 2) filtro de percentagem constante, cuja banda passante é uma porcentagem da freqüência de sintonia, de tal forma que, se o filtro for sintonizado em freqüências mais elevadas, o largura da banda será maior, com a correspondente redução na resolução. A análise com banda de largura constante oferece maior capacidade de separação das freqüências mais altas e, ao ser plotada em escala de freqüência linear, é extremamente valiosa para se detectar harmônicos. Porém requer um tempo de processamento elevado. A resolução da análise com banda de percentagem constante é adequada para estudos ambientais de vibrações e ruído, mas pode ser insuficiente para separar os diversos componentes de interesse em espectros de vibrações de máquinas complexas, principalmente em freqüências altas. Por isso, em estudos de máquinas, ela é geralmente empregada para uma avaliação inicial mais rápida e para a seleção da faixa mais significativa do sinal, na qual será realizada uma análise com largura de banda constante, se necessário. Em analisadores FFT, em que velocidade de processamento não é problema, as análises são normalmente realizadas com banda de largura constante, com exceção de estudos de ruído e vibrações ambientais, em que se empregam bandas de porcentagem constante, que representam melhor a sensibilidade humana às variações de freqüência.
MEDIDOR DE VIBRAÇÃO DE USO GERAL Um medidor de vibração de uso geral consiste basicamente de duas partes. Um sensor (geralmente de aceleração) que é montado no ponto de medição para converter as vibrações mecânicas em um sinal elétrico, e um instrumento para medição e indicação, que consiste de: Um circuito seletor de filtros para limitar as extremidades inferior e superior da faixa de freqüências, de tal forma a eliminar ruídos e sinais indesejados, Integradores que permitem medir velocidade e deslocamento a partir da aceleração da vibração, Um detector de sinal e um indicador para fornecer o valor rms ou de pico do sinal.
ANALISADORES DE FREQÜÊNCIA ANALISADOR DE SINTONIA MANUAL Um analisador de sintonia manual é um medidor de vibrações dotado de um filtro passabanda que permite escolher uma freqüência específica para medição, para determinar a origem de vibração, além da sua severidade. Tal analisador apresenta também um seletor que desativa e ativa o filtro e permite selecionar a sua largura: uma banda mais larga para procura e uma banda mais estreita para sintonia mais precisa de uma freqüência especifica. Saídas de sinal filtrado e não filtrado, para visualização em osciloscópio, permitem verificar se a freqüência dominante foi encontrada, o é importante quando se trabalha com sinais complexos. Embora não incluídos em todos os analisadores, filtros passa-baixa e passa-alta são muito úteis quando se torna necessário "limpar" um sinal, principalmente no caso de análise de órbitas. Saídas em sinal contínuo proporcionais à amplitude e à freqüência podem ser usados para construir gráficos de espectros. Entretanto, esse é um método lento e pouco eficaz. Uma aplicação prática da saída de sinal contínuo proporcional à amplitude é suprir um registrador gráfico, para monitoração contínua de uma componente crítica da vibração.
ANALISADORES DE SINTONIA AUTOMÁTICA Um analisador de sintonia automática permite o uso de um sinal externo de referência para ajuste o filtro. Geralmente, esse sinal é gerado por um evento ou marca no eixo, que se repete apenas uma vez por revolução, de tal forma que o filtro permanece vinculado à velocidade de rotação, mesmo que esta varie. Circuitos separados ou incorporados ao analisador permitem multiplicar e/ou dividir a freqüência do sinal de referência para sintonizar o filtro em um múltiplo da freqüência de rotação. Esses analisadores geralmente permitem medir a fase do sinal filtrado vibração em relação ao de referência e possuem saídas de sinal contínuo proporcional à freqüência, amplitude filtrada e fase, muito úteis em balanceamentos. Em certos modelos, as saídas de sinal contínuo são disponíveis tanto em coordenadas retangulares quanto polares. Analisadores de sintonia automática de dois canais permitem construir órbitas filtradas e fornecem informações de fase e amplitude em ambos os canais para um balanceamento em dois planos.
ANALISADORES DE ESPECTRO DE TEMPO REAL Um analisador de espectro de tempo real é um instrumento capaz de transformar continuamente um sinal em função do tempo em seus componentes espectrais em função de freqüências, a uma velocidade tal que o resultado possa ser visualizado em um osciloscópio, e
qualquer mudança do sinal no tempo sempre resulte em mudanças correspondentes no espectro. Assim, os analisadores de tempo real fornecem uma exibição gráfica virtualmente instantânea do espectro analisado em uma tela constantemente atualizada. A Figura 2 mostra dois analisadores de tempo real do fabricante dinamarquês Brüel & Kjer. Além de reduzir drasticamente o tempo de análise, esses analisadores permitem acompanhar mudanças dinâmicas e espectrais, tais como as que ocorrem quando se aumenta a velocidade de uma máquina - característica muito útil em testes de vibração e no desenvolvimento de protótipos. Os analisadores de tempo real são também particularmente adequados para análise de sinais de curta duração, como os que ocorrem em vibrações transientes e choques.
Figura 2 - Analisadores de Espectro de Tempo Real Os modernos analisadores de tempo real são instrumentos digitais que empregam a Transformada Rápida de Fourier e podem armazenar os espectros já analisados e transferi-los para a memória de um computador, facilitando a emissão de relatórios documentados e a comparação de espectros, características indispensáveis em programas de monitoramento da condição de máquinas. A Transformada Rápida de Fourier (FFT - Fast Fourier Transform) é um algoritmo computacional desenvolvido a partir da Série de Fourier e concebido para máxima eficiência em computadores digitais. Os analisadores FFT executam análises de banda estreita e são, desta forma, particularmente adequados para análise de vibrações em máquinas. Eles também são capazes de exibir o sinal em função do o tempo, o que é uma facilidade bastante útil na análise de transientes. Analisadores FFT de dois canais podem comparar dois sinais e realizar várias análises matemáticas que permitem, por exemplo, avaliar se existe uma relação causa?efeito entre os sinais, determinar a curva de resposta dê sensores, a transmissibilidade de isoladores de vibração, etc. A capacidade de capturar transientes é outra característica muito útil dos analisadores de tempo real, pois permite determinar as freqüências naturais de estruturas e componentes, através da excitação por impacto.
ESPECIFICAÇÕES IMPORTANTES DE ANALISADORES DE ESPECTRO BANDA DE TEMPO REAL Quando o tempo de processamento de cada espectro é inferior ao tempo de aquisição de cada registro (Figura 4), a partir do segundo registro é possível calcular um espectro enquanto um novo registro é adquirido. Esta condição de operação é denominada de Operação em Tempo Real.
Figura 3 - Operação Em Tempo Real Por outro lado, quando o tempo de processamento de cada transformada de Fourier é maior do que o tempo de aquisição de cada registro (Figura 5), é necessário interromper a aquisição por algum tempo entre dois registros consecutivos para aguardar o término do processamento. Neste caso não há Operação em Tempo Real, porque alguns trechos da Forma de Onda original são ignorados.
Figura 4 - Operação Sem Tempo Real Como regra geral, a largura da Banda de Tempo Real é de pouca importância na análise de sinas estáveis. Analistas com alguma experiência podem realizar análises bastante complexas e eficazes desses sinais com analisadores de baixa Banda de Tempo Real. Porém essa característica pode ser muito importante para a análise de sinais que apresentam alterações rápidas, como aqueles encontrados durante a partida, a parada ou as alterações de condições operacionais das máquinas. Nestas situações analisadores com valores elevados de Banda de Tempo Real são altamente recomendados.
ALCANCE DINÂMICO E NÍVEL DE RUÍDO Quando coletando baixas freqüências ou dados de vibração com baixo nível de amplitude, é importante saber ó que representa alcance dinâmico para seu analisador em particular. O alcance dinâmico é a diferença em amplitude entre o maior sinal acomodado sem saturação e o menor sinal detectável, logo acima do nível de "ruído", como mostrado na Figura 5. Um grande alcance dinâmico significa que o instrumento pode mostrar claramente as vibrações muito pequenas e muito grandes no mesmo espectro, assegurando que picos que representam defeitos incipientes nas máquinas poderão ser vistos com maior antecedência.
Figura 5 - O "alcance dinâmico" é a diferença entre o mais alto e o mais baixo sinal detectável O alcance dinâmico normalmente é expresso em decibéis, ou dBs. Instrumentos típicos operarão entre 60-96 dBs. Em analisadores digitais o alcance dinâmico é função da resolução do conversor analógico digital, geralmente expressa em número de bits: 8-bit, 12-bit, 14-bit ou mais alto. Quanto mais alto for o número de decibéis, ou o número de bits de conversor analógico digital, maior será o alcance dinâmico. Em um instrumento com um alcance dinâmico pequeno, o nível de ruído visível pode ocupar uma porção considerável da exibição, de forma que componentes de baixa amplitude são mascarados pelo ruído de máquinas, não sendo mais discerníveis no espectro, como ilustrado na Figura 6.
Figura 6 - Com alcance dinâmico pequeno, picos espectrais importantes podem ser ocultos abaixo do nível de ruído. Em um instrumento com grande alcance dinâmico o nível de ruído é restrito a um nível mínimo. Como resultado, o pico espectral de baixa amplitude são claramente visíveis sobre o nível de ruído, e sua amplitude pode ser medida com precisão como ilustrado na Figura 7.
Figura 7 - Um instrumento com maior alcance dinâmico exibirá claramente pequenos picos de amplitude acima do nível de ruído. Resolução, Zoom e Expansão de Freqüência Além de grande alcance dinâmico suficiente, é igualmente importante ter alta resolução de freqüência. Esta característica é especialmente valiosa na análises de motores elétricos, caixas de engrenagens e outras máquinas onde ocorram modulações ou batimentos. Na análise dessas máquinas, componentes espectrais de alta freqüência proximamente espaçados devem ser separados e precisamente identificados. Isto pode ser conseguido de duas formas: através de alta resolução, geralmente expressa por um grande número de linhas (3200 linhas ou mais são resoluções típicas de analisadores atuais). pela capacidade de zoom, isto é, de concentrar a máxima resolução em uma faixa de freqüências estreita, escolhida pelo operador. A capacidade de zoom não deve ser confundida com expansão de freqüência. A expansão de freqüência envolve a ampliação de parte do gráfico de espectro para ocupar toda a largura de exibição da tela sem aumento de resolução. Isto é, a expansão de freqüência não aumenta a precisão de análise e não revela nenhum pico novo, mas somente torna mais fácil identificar visualmente os picos no gráfico do espectro.
Figura 8 - Exemplo de zoom que mostra claramente a separação picos proximamente espaçados. TIPOS DE MÉDIAS DE ESPECTROS Nos analisadores digitais diversos tipos de média podem ser empregados no cálculo dos espectros.
Geralmente, nos analisadores atuais os seguintes tipos de médias são disponíveis: Normal; Decrescente; Valores Máximos ou Peak Hold; Síncrona no Domínio da Freqüência ou Seguimento de Ordem; e Síncrona no Domínio do Tempo. Apresentaremos a seguir as principais aplicações e indicação de uso para cada um desses tipos de média de espectros.
Média Normal (também chamada linear averaging ou ensemble averaging ) Definição: Cada linha do espectro médio resultante da operação Média Normal é a média aritmética das linhas correspondentes dos N espectros. N = Quantidade de espectros ou de registros no tempo (formas de onda) empregados no cálculo da média. Função: Melhorar a precisão do espectro, reduzindo a influência de flutuações sobre o resultado das medições. Valores Máximos (Peak Hold) Definição: Cada linha do espectro resultante é o valor máximo observado nas linhas correspondentes dos N espectros. Funções: Detectar ressonâncias durante a partida ou parada de máquinas Verificar flutuações de amplitude e / ou de freqüência Medir a intensidade de modulação de amplitude ou de batimentos
Média Decrescente (também chamada média normal negativa) Definição: As linhas de cada novo espectro são subtraídas das linhas correspondentes de uma média normal crescente calculada anteriormente e o resultado é dividido pelo número de espectros menos um. Disponível apenas em certos analisadores avançados. Função: Remover sinais indesejados do resultado de uma medição. - Se a média decrescente for calculada com a máquina em estudo desligada, o ruído de fundo proveniente de outras máquinas será eliminado. - Se a média decrescente for calculada com o acionador desacoplado, as vibrações provenientes da máquina acionada serão eliminadas. - Se a média decrescente for calculada após um teste de impacto realizado com a máquina ligada, as vibrações provenientes do funcionamento da máquina serão eliminadas, resultando somente as vibrações provocadas pelos impactos.
Média Síncrona no Domínio da Freqüência - Seguimento de Ordem (Order Tracking) Definição: Adquire N formas de onda com taxa de amostragem comandada por tacômetro e calcula os respectivos espectros. Apresenta um espectro médio cujas linhas são a média
aritmética das linhas correspondentes dos N espectros e cuja escala de freqüência é calibrada em múltiplos da velocidade de rotação (ordens).
Função: Eliminar a perda de definição dos espectros devido à pequenas flutuações da velocidade de rotação (até 6%). Atenção: Vibrações aleatórias, provenientes de máquinas vizinhas e relacionadas com a freqüência da rede elétrica são atenuadas. Submúltiplos da freqüência de rotação e vibrações provenientes de rolamentos não são atenuados. Média Síncrona no Domínio do Tempo - MSDT (Syncronous Time Averaging - STA) Definição: Adquire N formas de onda, com disparo (início) comandado por tacômetro e com uma taxa de amostragem é igual a 2,56 vezes a freqüência do tacômetro x o número de ordens selecionado. Obtém uma Forma de Onda Média cujos pontos são a média aritmética dos pontos correspondentes das N formas de onda. Calcula e apresenta o espectro da Forma de Onda Média. Função: Atenuar sinais não síncronos, provenientes de equipamentos ou componentes vizinhos, ruído, etc. O fator de atenuação é proporcional à raiz quadrada do número de registros. Atenção: Atenua também as vibrações provenientes de rolamentos e as relacionadas com instabilidades de mancais de óleo e com a freqüência da rede elétrica. Aplicação: Em sistemas complexos, como caixas de engrenagens e prensas de papel, que possuem vários componentes operando em diferentes velocidades de rotação, é possível calcular a contribuição de um componente para a energia total da vibração, realizando uma MSDT sincronizada com esse componente. Além disso, a MSDT também elimina a perda de definição do espectro devido à pequenas variações de rotação. JANELA Outra escolha, confrontando o usuário, é selecionar uma determinada função de janela. O analisador não pode executar a transformação de Fourier continuamente, sendo assim ele deve examinar os dados divididos em uma série de blocos seqüenciais denominados registros de tempo. Uma janela é uma função matemática que é multiplicada por cada registro de tempo, visando eliminar as descontinuidades que seriam geradas pela FFT ao assumir a repetição indefinida do registro ao longo do tempo. As janelas usualmente disponíveis nos analisadores atuais são: Uniforme, Hanning, Flat-Top, Force e Exponencial. Suas definições e aplicações serão apresentadas a seguir. A janela uniforme não aplica nenhuma correção ao registro e é empregada na análise de transitórios de curta duração.
As outras janelas forçam o começo e o fim do registro de tempo para um valor zero, como ilustrado da figura 9.
A figura 10 mostra a grande melhoria obtida no espectro pela aplicação de uma janela. Para a maioria das aplicações de análise de vibração, a janela mais adequada é a janela de Hanning. A janela de Hanning espalha a energia de uma senoíde por mais de três linhas do espectro. A figura 11 mostra a atenuação introduzida pela janela Hanning ao se variar a freqüência do sinal de entrada. Se a freqüência não coincide com uma linha do espectro a medida de amplitude pode ter um erro de até -1,5 dB (-16%).
Figura 10
Para evitar esse erro, os analisadores e softwares da CSI empregam a função "Locate" (localizar pico), que usa um algoritmo especial para definir um valor mais preciso da freqüência a partir do maior valor próximo à posição do cursor e dos valores das duas linhas adjacentes (figura 12).
Figura 12 - Localização precisa da freqüência Outros analisadores oferecem a janela Flat-Top como alternativa. Essa janela reduz o erro de amplitude para apenas -0,1 dB (-1%), porém com prejuízo da resolução de freqüência, pois a janela Flat-Top tem menos capacidade de separar componentes próximas do que a janela de Hanning. As janelas Force e Response são usadas em ensaios de ressonância e de análise modal com excitação por impacto, reduzindo o ruído do sinal de força e evitando o truncamento do sinal da resposta. (vide figura 13).
Figura 13 – Tipos de Janelas Force e Response COLETORES DE DADOS FFT O coletor de dados FFT é o instrumento básico de um Programa de Manutenção Preditiva. Esses instrumentos são disponíveis em muitos modelos e configurações, como mostrado na Figura 14, e sua escolha dependerá dos tipos de análise necessários para as máquinas a serem monitoradas.
Figura 14 - Uma variedade de coletores e analisadores de dados disponível para o analista Por exemplo, algumas características importantes a considerar são: Alta resolução Zoom verdadeiro Entrada para estroboscópico e tacômetro Análise em dois canais Gráfico polar e geração de órbita Análise de transitórios Gráficos de partida e parada (Bode e Nyquist) O coletor de dados de preditiva combina a habilidade para medir vibração e analisar espectros com armazenamento automático. Possuem recursos de comunicação com microcomputadores, para receber rotas com todas as condições de medição programadas e transferir os resultados das medições ao computador. O coletor deve ser tão pequeno e tão leve quanto possível, de forma que o analista não se cansará rapidamente ao carregá?lo. Deve ser projetado para resistir à condições de uso adversas devendo ser dotado uma alça de segurança que deixa a mbas as mãos livres. A maioria dos coletores de dados pode capturar forma de onda no tempo e espectros de freqüência. Estes podem ser exibidos em uma tela de LCD (cristal líquido), em "tempo real", se desejado. O alcance de freqüência do coletor de dados comum é de 60 CPM (1 Hz) até aproximadamente 1.500.000 CPM (25.000 Hz). Coletores de dados avançados têm freqüência variando de DC até 40.000 Hz e são dotados de recursos para análise em dois ou mais canais simultaneamente. Um coletor de vibração típico funciona com baterias recarregáveis e possui um meio para indicar o momento adequado para a recarga da bateria. Utiliza um sensor (geralmente de aceleração), e é capaz de medir a amplitude tanto de velocidade quanto de deslocamento e aceleração, com funções dinâmicas de nível global, forma de onda e espectro com resolução de até 3200 linhas ou mais.
Essa resolução permite separar componentes espectrais muito próximas, como, por exemplo, a freqüência da rede elétrica da velocidade de rotação de um motor de dois pólos, ou as bandas laterais de um espectro de caixa de engrenagens. A Figura 15 mostra um modelo de coletor de vibração básico, barato e de uso simples, adequado para o início qualquer programa de acompanhamento de vibração. Pesando só 1,41 kg, esse coletor satisfaz todas as necessidades para uma rápida e prática coleta de dados com grande precisão e detalhamento. A memória padrão de 1,5 Mbytes permite armazenar até 1000 espectros de 800 linhas. Uma bateria com capacidade de 10 horas de uso constante (12 horas em um uso típico) permite estender a coleta de dados sem necessidade de recarga, eliminando a preocupação com eventual falha no meio da rota. Para facilitar a análise durante a coleta de dados possui capacidade de alarme no campo em 12 faixas de freqüências, com níveis de alarme independentes, além do tradicional alarme por nível global de vibração. Um programa opcional transforma o coletor em um instrumento para balanceamento de campo com avançadas características de automação.
Figura 15 - Coletor de Dados CSI 2117D1 DEMODULADORES Demoduladores são circuitos incluídos nos analisadores e coletores FFT com o objetivo de remover a portadora de sinais modulados, para permitir a análise das moduladoras. Em vários tipos de máquinas, é comum que componentes de amplitude altas com freqüências relativamente baixas, associadas a desbalanceamento, desalinhamento, passagem de pás, etc., dominem o espectro e dificultem a detecção de outras componentes com amplitudes relativamente baixas e freqüências mais altas, como as geradas por defeitos em rolamentos.
A demodulação aumenta a capacidade de detecção antecipada de certos defeitos porque melhora a faixa dinâmica efetiva do analisador em medições de sinais de baixo nível e alta freqüência relacionados com esses defeitos, que podem ser mascarados num espectro comum por sinais de baixa freqüência, que geralmente possuem amplitude muito mais elevada. Aplicações: Detecção antecipada de falhas ainda não visíveis no sinal não demodulado em rolamentos, engrenagens e motores elétricos Diagnóstico avançado: Possibilita a filtragem de sinais para certas análises específicas.
Figura 16 - Diagrama de bloco de um demodulador típico Pré Filtro: Função: Remover componentes de grande amplitude que dificultam a detecção das componentes moduladas de baixas amplitudes. Exemplos: - Desbalanceamento, desalinhamento, passagem de pás, podem dominar o espectro mascarando freqüências de rolamentos. - A freqüência de engrenamento pode mascarar bandas laterais geradas por defeitos das engrenagens. Tipos de Pré Filtro do Analisador CSI 2120 Passa Alta: 0,5 / 1.0 / 2.0 / 5.0 / 10.0 k Hz Aplicações: - Defeitos em Rolamentos e Engrenagens - Detecção de Ondas de Tensão geradas por impacto metal?metal, trincas de fadiga, etc. Critérios para seleção de Filtros Passa Alta (HP): - Para demodular freqüências de engrenamento ou rolamento, escolha um filtro HP que passa essas freqüências e rejeita as freqüências mais baixas.
- Para detecção de defeitos em rolamentos de máquinas de média velocidade (600 a 3600 rpm), geralmente o filtro passa-alta (HP) de 1000 Hz é urna boa escolha. - As freqüências de passagem do filtro devem ser iguais ou superiores a Fmax. - Valores de Fmax disponíveis: 20, 50, 100, 200, 400, 500, 1000, 2000 e 5000 Hz - É recomendável testar alguns filtros e comparar os resultados para determinar o filtro mais adequado
Passa Banda: 20 -150 e 50 - 300 / 100 - 600 / 500 - 1.000 Hz Aplicações: - modulação de engrenamento - outros eventos de freqüência conhecida - excitação de ressonâncias. Critérios para seleção de Filtros Passa Banda (BP):
GRAVADORES DE FITA MAGNÉTICA Gravadores de Fita Magnética são atualmente disponíveis com um grande número de canais (tipicamente 16, 32 ou 64) e são usualmente empregados no registro simultâneo de muitos pontos de medição durante os testes de partida e parada de grandes máquinas. Na gravação direta, um sinal de entrada alternado é amplificado e aplicado a uma espira no interior do cabeçote de gravação, onde ele aparece como um fluxo magnético variável através do cabeçote. Quando a fita de gravação magnética passa pelo cabeçote de gravação, as variações de fluxo produzem uma variação de magnetização correspondente na camada de óxido de ferro da fita.
Quando a fita magnetizada passa pelo cabeçote de reprodução, o processo é invertido. As variações de magnetização da fita induzem uma voltagem correspondente no cabeçote de reprodução, que é amplificada, gerando um sinal de saída. Como o nível do sinal reproduzido é proporcional á taxa de mudança e não à magnitude do fluxo, a intensidade do sinal de saída decai com a freqüência do sinal. Por esse motivo, é impossível reproduzir baixas freqüências no modo de gravação direta. A resposta da maioria dos gravadores que operam desse modo é limitada a aproximadamente 50 Hz. Para compensar a não-linearidade do processo gravação-reprodução direto e extender resposta em baixas freqüências, o sistema direto utiliza um circuito de equalização. Porém, esse circuito introduz distorções de fase e outras não linearidades que comprometem a fidelidade do sinal. O desvio de amplitude típico em modo direto é de ± 3 dB, o que significa que o sinal de saída pode variar de 0,7 a 1,4 vezes em relação ao sinal de entrada, ao longo da faixa útil de freqüências do gravador (tipicamente 50 a 12000 Hz). Por essas razões, mesmo os gravadores de música de melhor qualidade não possuem fidelidade suficiente para uso em análises de vibrações. Nessa aplicação é necessário utilizar gravadores de instrumentação que empregam o processo de gravação / reprodução em freqüência modulada - FM. Na gravação em FM, os cabeçotes e as técnicas para magnetização da fita e detecção das mudanças de fluxo são as mesmas utilizadas no método direto. Porém aqui terminam as similaridades. Na gravação FM, a amplitude do sinal de entrada é usada para modular a freqüência de uma onda portadora de alta freqüência (tipicamente 200 kHz). Como mostrado na Figura 17, o processo de modulação de freqüência converte as variações de amplitude e freqüência do sinal de entrada em variações de freqüência da portadora. Durante a reprodução, a amplitude e a freqüência do sinal original são reconstruídos pela demodulação do sinal recebido por um cabeçote reprodutor. O sistema FM de gravação/reprodução é muito mais linear em amplitude e fase do que o sistema direto, pois a amplitude do sinal reproduzido depende unicamente do desvio de freqüência da portadora, sendo pouco afetada pelos desvios do processo de magnetização. No sistema FM os erros de amplitude podem ser mantidos abaixo de 1 dB numa faixa útil de freqüências de DC a 10.000 Hz.
Figura 17 - Processo de Modulação de Freqüência
