AMBIENTE MULTIMÍDIA DE SUPORTE À DISCIPLINA DE
PÓS-GRADUAÇÃO
FERRAMENTAS DE DIAGNÓSTICO DE MÁQUINAS
Mauro Hugo Mathias
Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá
Programa de Pós-graduação em Mecânica
Área de Projetos
AMBIENTE MULTIMÍDIA DE SUPORTE À DISCIPLINA DE
PÓS-GRADUAÇÃO
FERRAMENTAS DE DIAGNÓSTICO DE MÁQUINAS
Capítulo 2 – Instrumentação aplicada ao monitoramento
Instrumentação aplicada ao monitoramento
Conteúdo do capítulo
Neste capítulo efetuaremos o estudo de:
2.1 – Transdutores de vibração;
2.2 – Sistemas de condicionamento de sinais;
2.3 – Coletores e analisadores digitais.
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PÓS-GRADUAÇÃO
FERRAMENTAS DE DIAGNÓSTICO DE MÁQUINAS
Capítulo 2.2 – Sistemas de condicionamento de sinais
Sistemas de condicionamento de sinais
O que é o condicionamento de sinais?
Um sinal de vibração, vindo por exemplo de um acelerômetro, há uma
perda significativa da sensibilidade e com isso uma perda da capacidade
da medição levando a resultados incorretos. Com isso é necessário uma
manipulação do sinal adquirido, amplificando-o e filtrando de ruídos
desnecessários. Essa é a definição do CONDICIONAMENTO DE SINAIS.
Sistemas de condicionamento de sinais
Condicionador de sinais
Sistemas de condicionamento de sinais
Métodos de condicionamento de sinais
Para o condicionamento de sinais podem ser usadas várias técnicas, entre
elas:
• Amplificação e Pré-Amplificação;
• Filtragem;
• Isolação;
• Excitação;
• Multiplexagem;
• Linearização.
As técnicas de amplificação e filtragem são as mais utilizadas para o
condicionamento de sinais e serão abordadas mais detalhadamente a
seguir.
Sistemas de condicionamento de sinais
Amplificação e Pré-Amplificação
A função dos pré-amplificadores é amplificar os sinais fracos dos sensores
e adequar a alta impedância de saída dos sensores, diminuindo a mesma
de forma a compatilibilizar com a baixa impedância da instrumentação de
medida e análise. Há dois tipos de pré-amplificadores que podem ser
usados em acelerômetros piezoelétricos, o de Carga e de Tensão.
Sistemas de condicionamento de sinais
Amplificação e Pré-Amplificação
Pré-Amplificadores de Carga: Produzem uma tensão de saída
proporcional à carga de entrada e não amplificam a carga. Os
amplificadores de carga são mais apropriados para medidas, tendo em
vista que estes são insensíveis a capacitância dos cabos e conexão e sua
freqüência não é influenciada pela impedância de entrada.
Pré-Amplificadores de Tensão: Os pré-amplificadores de tensão são
mais simples e de menor custo e apresentam desvantagens operacionais
se comparados aos pré-amplificadores de carga. O sinal de saída de um
pré-amplificador de tensão é proporcional à entrada da tensão e o
acelerômetro é tratado como uma fonte da tensão. As mudanças na
capacitância dos cabos causam uma mudança na sensibilidade do nível
global. As mudanças na resistência da entrada podem causar uma
mudança no desempenho da baixa freqüência.
Sistemas de condicionamento de sinais
Amplificação e Pré-Amplificação
Pré-Amplificador de tensão
Pré-Amplificador de
carga
Sistemas de condicionamento de sinais
Amplificação e Pré-Amplificação
Os amplificadores ainda podem vir acompanhados dos seguintes recursos:
• Instrumentos de leitura das grandezas de vibração;
• Integração da saída do acelerômetro para obter sinais de velocidade e
deslocamento;
• Identificação de sobrecarga na entrada e a saída do pré-amplificador;
• Filtrar sinais de baixa e alta freqüência para rejeitar sinais indesejados.
Sistemas de condicionamento de sinais
Amplificação e Pré-Amplificação
Nota: Nas medidas de componentes de vibração complexas a fase das
várias componentes de freqüência da vibração pode variar em função de
erros nos amplificadores, o que significa que a forma dos sinais de entrada
e saída não serão uniformes. Este problema é mais significativo nas faixas
de freqüências inferior e superior do sistema. É recomendável no caso de
sinais de vibração complexos:
• A menor componente de freqüência do sinal deve ser no mínimo 10 vezes
maior que o valor da freqüência limite inferior do instrumento;
• A componente de freqüência mais elevada deve ser 1/10 da freqüência de
limite superior do instrumento.
Sistemas de condicionamento de sinais
Filtragem
Os filtros são provavelmente os equipamentos auxiliares mais amplamente
utilizados na análise de vibrações. Os filtros de forma simplificada limitam o
sinal de vibração em uma faixa ou banda de freqüências que pode ser
isolada para medição ou estudo.
Sistemas de condicionamento de sinais
Tipos de filtros
Os filtros podem ser classificados em quatro tipos:
• Filtro passa-banda (Band Pass) os quais são amplamente utilizados em
analisadores de vibração.
• Filtro passa-baixa (Low Pass) são aplicados a sinais de deslocamento
de eixos medidos com proxímetros, para eliminar altas freqüências
geradas por riscos na superfície.
• Filtros passa-alta (High Pass) são geralmente necessários para eliminar
o ruído de baixa freqüência típico de integradores de sinais.
Sistemas de condicionamento de sinais
Tipos de filtros
• Filtros rejeita-banda (Band Stop) são empregados para excluir uma
componente de amplitude elevada, para evidenciar melhor as demais
componentes, 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.
Sistemas de condicionamento de sinais
Tipos de filtros
Sistemas de condicionamento de sinais
Filtros passa-banda
Dois tipos de filtro passa-banda são comumente usados em analisadores,
o filtro de banda constante e de porcentagem constante.
O de banda constante irá passar uma banda de freqüências de largura
constante, não importando onde a freqüência central do filtro estiver
sintonizada, esse tipo de filtro fornece uma resolução uniforme ao longo da
escala de freqüência, tendo assim uma capacidade de separação das
frequências mais altas e facilidade de detecção de harmônicos.
Já o de porcentagem constante, a banda passante é uma porcentagem da
freqüência de sintonia, de tal forma que, se o filtro for sintonizado em
freqüências mais elevadas, a largura da banda será maior, com a
correspondente redução na resolução, com isso é ideal para checagem
mais rápida das frequências e exige um tempo menor de processamento.
Sistemas de condicionamento de sinais
Referências bibliográficas
Bruel & Kjaer: http://www.bksv.com/Products/TransducersConditioning/ConditioningAndAmps.aspx
ENDEVCO: http://www.endevco.com/feature/Feature-751.html
National Instruments: http://www.ni.com/signalconditioning/
LYNX: http://www.lynxtec.com.br/prod_condic.htm
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Capítulo 2.3 – Coletores e analisadores digitais
Coletores e analisadores digitais
Introdução
A coleta e analise dos sinais de vibração pode ser feita de 2 formas: com
instrumentos de medição físico (um osciloscópio por exemplo) que consiga
processar o sinal de vibração; ou via computador, com placas de aquisição
de dados e programas de processamento de sinais.
Coletores e analisadores digitais
Medidores de vibração
Um instrumento de medição é composto basicamente em:
• 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.
Coletores e analisadores digitais
Analisadores de frequência
São dotados de filtros passa-banda podendo eliminar partes
desnecessárias e verificar assim a severidade da vibração. Podem ser de
sintonia manual ou automática (com Trigger).
Analisadores de frequência de sintonia automática são melhores, pois
conseguem ajustar o filtro a um sinal externo de referência, a rotação do
eixo por exemplo. Alguns deles possuem 2 ou mais canais possibilitando a
geração de gráficos de órbitas filtradas.
Coletores e analisadores digitais
Analisadores de espectro
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. Conseguindo acompanhar mudanças dinâmicas e espectrais,
como a mudança de rotação de uma máquina e a análise de sinais de
curta duração, como vibrações transientes e choques.
Um exemplo de analisador de espectro é o osciloscópio.
Coletores e analisadores digitais
Analisadores de espectro
Osciloscópio mostrando o espectro de um sinal
Coletores e analisadores digitais
Analisadores de espectro
Analisadores de espectro podem executar a FFT do sinal, gerando assim o
espectro de vibração, também há possibilidade de janelamento do sinal e o
cálculo da média do espectro.
Coletores e analisadores digitais
Coletores e analisadores de dados
Coletores e analisadores de dados são instrumentos de grande
importância para a manutenção preditiva, pois com eles é possível a
coleta, o processamento, o armazenamento e se necessário o envio de
dados de vibração para um computador. Se tornando assim um
indispensável equipamento para a monitoração de condição em máquinas.
Algumas de suas características:
• Alta resolução;
• Gráfico polar e geração de órbita;
• Zoom verdadeiro;
• Análise de transitórios;
• Análise em 2 ou mais canais
• Gráficos de Bode e Nyquist;
• Entrada para estroboscópio e tacômetro.
Coletores e analisadores digitais
Coletores e analisadores de dados
Analisador de dados portátil
Fonte: Crystal Instruments - http://www.go-ci.com/products.asp
Coletores e analisadores digitais
Referências bibliográficas
SKF: http://www.skf.com/portal/skf/home/products?contentId=292513&lang=pt
Bruel & Kjaer: http://www.bksv.com/Products/VibrationMeters.aspx
Minipa: http://www.minipa.com.br/modelos.aspx?ID_Sub_Categoria=36
ENDEVCO: http://www.endevco.com/feature/Feature-751.html
DLI Enginneer: http://www.azimadli.com/
GE Bently Nevada: http://www.ge-mcs.com/en/bently-nevada-portable-and-diagnostic/data-collection.html
Schenck: http://www.schenck-usa.com/prod_vibration.html
Agilent Technologies: http://www.home.agilent.com/agilent/product.jspx?nid=-536902453.0.00&pageMode=OV&lc=por&cc=BR#
Tektronix: http://www.tek.com/spectrum-analyzer
Rohde & Schwarz: http://www.rohde-schwarz.com.br/pt/products/teste-medida/spectrum_analysis/frequencies/