Aula 04 Instrumentacao aplicada ao monitoramento de maquinas Parte 1

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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
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.
Instrumentação aplicada ao monitoramento
AMBIENTE MULTIMÍDIA DE SUPORTE À DISCIPLINA DE PÓS-GRADUAÇÃO
 FERRAMENTAS DE DIAGNÓSTICO DE MÁQUINAS 
Capítulo 2.1 – Transdutores de vibração
Transdutores de vibração 
Introdução
Para a análise de vibrações é necessário a utilização de sensores para as medições, no entanto, dependendo da máquina a ser monitorada é necessário uma montagem definitiva ou provisória dos sensores.
 Montagem definitiva: é eficiente na detecção de mudanças súbitas nas assinaturas de vibração, como por exemplo no desbalanceamento repentino das pás de um ventilador por causa da poeira acumulada;
 Montagem provisória: custo mais barato de instalação dos sensores; possibilidade de aplicação de técnicas mais avançadas de processamento do sinal de vibração, podendo “predizer” de uma forma mais eficiente.
Transdutores de vibração são essenciais para monitorar a condição de máquinas, pois serão responsáveis pela transformação do sinal de vibração em um sinal elétrico que poderá ser processado e analisado de forma mais efetiva. No entanto, vibrações mecânicas podem ser analisadas em 3 parâmetros: deslocamento, velocidade e aceleração.
Transdutores de vibração 
Aplicação 
Transdutores de vibração 
Medidas de vibração absoluta e relativa
De acordo com a ISO 7919-1:
Medição de vibrações relativas geralmente são realizadas com um transdutor sem contato que percebe o deslocamento vibratório entre o eixo e um membro estrutural da máquina (mancal de deslizamento por exemplo).
Transdutores de vibração 
Medidas de vibração absoluta e relativa
Medição de vibrações absolutas são realizadas por um dos seguintes métodos:
 Por uma sonda eixo-equitação, em que um transdutor sísmico (acelerômetro ou transdutor de velocidade) é montado de forma que as vibrações absolutas do eixo sejam medidas diretamente;
 Por um transdutor sem contato que mede vibração relativa do eixo em combinação com um transdutor sísmico (acelerômetro ou transdutor de velocidade) que mede a vibração de apoio. Ambos os transdutores devem ser montados juntos para que eles sofram o mesmo movimento absoluto na direção de medição. Suas saídas condicionadas são somadas vetorialmente para fornecer uma medida do movimento absoluto do eixo.
Sensor do tipo Eddy Current (Proxímetros)
Sensor Indutivo (Trigger)
Transdutores de vibração
Transdutores de deslocamento
Os transdutores de deslocamento são geralmente sensíveis a um movimento relativo, como por exemplo a distância entre o sensor fixo em um mancal e um eixo vibrando. Os principais tipos são:
 Indutivo;
 Eddy Current;
 Capacitivo.
Vantagens
 Não tem contato com a superfície de medida;
 Opera em freqüência baixas, inclusive DC;
 Não possui partes móveis, de modo que não apresenta desgaste.
Desvantagens
 Faixa dinâmica é limitada;
 Faixa de freqüência limitada (DC a 200 Hz);
 Variações nas propriedades magnéticas do sistema podem ocasionar componentes errôneas;
 Necessidade de calibração local. 
Transdutores de vibração
Transdutores de deslocamento
Medição de rotação do eixo
Transdutores de vibração
Transdutores de deslocamento do tipo indutivo (Trigger)
Seu funcionamento baseia-se na variação da relutância magnética de um imã permanente, pela aproximação alternada de um material ferro-magnético. Que em movimento periódico gera uma frequência, ou seja, é utilizado principalmente para a medição de rotação de eixos.
Transdutores de vibração
Experimento de medição de rotação com trigger
Posicionamento do trigger próximo a chaveta de um eixo
Leitura da rotação obtida em um osciloscópio
Experimento de medição de rotação com trigger
Transdutores de vibração
Vídeo – Demonstração de medição de rotação com trigger.
Transdutores de vibração 
Transdutores de deslocamento do tipo Eddy Current (Proxímetro)
Seu funcionamento baseia-se na geração de um campo magnético por um oscilador de alta frequência, com a aproximação alternada da peça acaba provocando um efeito de modulação na amplitude da bobina secundária, em seguida o sinal é demodulado e transformado a forma de vibração requerida. 
Os proxímetros são normalmente utilizados para monitorar o movimento relativo entre um eixo e a carcaça de uma máquina. 
Transdutores de vibração 
Montagem de transdutores de deslocamento
Transdutores de deslocamento normalmente são montados de forma permanente em máquinas que utilizam mancais planos. 
Transdutores de deslocamento devem ser montados com um ângulo de 90º entre si. Preferencialmente em planos de 45º com a vertical em relação ao rolamento.
Transdutores de vibração 
Transdutores de velocidade
Os transdutores de velocidade (pickups) consistem geralmente de bobinas suspensas em molas. A bobina é deslocada em um campo homogêneo de um imã permanente através da vibração mecânica. A tensão induzida na bobina é proporcional ao número de interseções de linhas de força por unidade de tempo, ou seja, proporcional a velocidade da bobina.
Vantagens
 Robusto e resistente a meios agressivos;
 Sensibilidade alta em baixas freqüências;
 Alto sinal de saída com resistência interna baixa;
 Sensor ativo sem fonte de alimentação externa.
Desvantagens
 Faixa dinâmica é limitada;
 Faixa de freqüência limitada a 2000 Hz;
 Partes móveis passíveis a desgaste;
 Dimensão considerável;
 Sensível a orientação;
 Necessita calibração local.
Transdutores de vibração 
Transdutores de velocidade
Transdutores de vibração 
Transdutores de aceleração
Os transdutores de aceleração normalmente conhecidos como acelerômetros, em geral utilizam um cristal piezoelétrico, colocado entre a cobertura da cabeça do sensor e a massa sísmica do sensor. Ao ser submetido a uma aceleração a massa exerce por inércia uma força no cristal e a diferença de potencial que aparece entre os terminais preso ao cristal é proporcional á aceleração medida. Os sensores de aceleração piezoelétrico medem a aceleração absoluta do movimento. Os modernos equipamentos eletrônicos de condicionamento de sinais com auxílio de integradores e diferenciadores permitem avaliar a partir dos acelerômetros os três parâmetros de monitoramento de vibração.
Vantagens
 Encapsulamento hermético e robusto;
 Compacto;
 Ampla faixa de freqüência;
 Insensível a campos magnéticos.
Desvantagens
 Sensor passivo que requer fonte externa;
 Baixa sensibilidade na faixa inferior de freqüência.
Transdutores de vibração 
Transdutores de aceleração
Escolha e parâmetros dos acelerômetros
Transdutores de vibração 
Na definição do acelerômetro para quantificar a vibração de estruturas é recomendável definir o acelerômetro de trabalho com massa que não exceda a 1/10 da massa da estrutura a ser monitorada.
Usualmente os fabricantes de acelerômetros fornecem a curva de calibração que estabelece a faixa de freqüência de operação, sua freqüência de ressonância, o ganho (ou sensibilidade). A sensibilidade usualmente é dada em termos da aceleração da gravidade (g) ou no sistema internacional em m/s². Também é usual definir a sensibilidade do acelerômetro em termos da carga em (pC/g) em razão deste sensor apresentar uma alta capacitância elétrica.
Acelerômetro piezoelétrico
Tipos de acelerômetros
Transdutores de vibração 
Os principais tipos de acelerômetros são: o piezoelétrico, o piezorresistivo e o capacitivo.
Transdutores
de vibração 
Transdutores de aceleração
Transdutores de vibração 
Transdutores de aceleração
Os fabricantes de acelerômetros de precisão enviam as cartas de calibração do equipamento com as informações de:
Sensitividade
Freqüências limites
Valores máximos de aceleração
Transdutores de vibração 
Transdutores de aceleração
Informações importantes:
- Faixa de resposta em freqüência, contendo a freqüência de ressonância do acelerômetro
Transdutores de vibração 
Montagem dos transdutores de aceleração
Existem vários métodos de fixação, cada um apresentando vantagens e limitações. 
A fixação que apresenta melhor resultado é por parafuso prisioneiro. 
A utilização de imã permanente como método de fixação é versátil, mas é inadequado quando os níveis de aceleração são elevados. 
Outro tipo de fixação é através de hastes, este tipo apresenta várias restrições, em especial a de limitar a freqüência máxima de análise à 1 kHz, acima deste valor as medidas passam a ser não confiáveis. Este ultimo processo deve ser utilizado somente quando não há possibilidade de acoplamento rígido e direto com a estrutura. 
Transdutores de vibração 
Montagem dos transdutores de aceleração
Na figura abaixo são ilustrados as principais de formas fixação de acelerômetros.
Transdutores de vibração 
Montagem dos transdutores de aceleração
Na foto abaixo são ilustrados as principais de formas fixação de acelerômetros.
Fixação com base magnética
Probes de coleta com pontas agudas e circular
Fixação com parafuso prisioneiro
Escolha e parâmetros dos acelerômetros
Transdutores de vibração 
A escolha dos transdutores de vibração deve ser feita conforme a freqüência e unidade que se deseja medir. 
A tabela abaixo mostra uma relação entre a freqüência a ser medida e a eficácia do tipo do transdutor:
Escolha e parâmetros dos acelerômetros
Transdutores de vibração 
Deslocamento Velocidade Aceleração
Referências bibliográficas
Transdutores de vibração 
Bruel & Kjaer: http://www.bksv.com/Products/TransducersConditioning/VibrationTransducers.aspx 
SKF: http://www.skf.com/portal/skf/home/products?contentId=292734&lang=pt 
MMF: http://www.mmf.de/vibration_transducers.htm 
ENDEVCO: http://www.endevco.com/feature/Feature-751.html 
CTC: https://ctconline.com/__100_mv_g___standard_size_(most_common).aspx 
GE Bently Nevada: http://www.ge-mcs.com/en/bently-nevada-sensors-and-transducers.html 
Schenck: http://www.schenck-usa.com/prod_sensors.html 
GIF: http://www.gif.net/en/products/electronics/vibration/