Medición de Vibraciones; Sensores de Vibración; Medición Precisa de la Vibración

NOTA DE APLICACIÓN LA05-0020

Nota de aplicación de detección general LA05-0020

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Resumen:

Vibración Es una medida compleja que contiene diferentes parámetros. Las diferentes tecnologías de medición tienen ventajas y desventajas dependiendo del objetivo final de medición de vibración. Esta nota de aplicación aborda todas estas áreas.

Medida de Vibración

Vibración es un desplazamiento basado en el tiempo (periódico / cíclico) de un objeto alrededor de una posición estática central. Los siguientes factores contribuyentes tienen una relación compleja con la magnitud y la velocidad de la vibración:

  • Las frecuencias naturales del objeto y su rigidez.
  • La amplitud y las frecuencias de cualquier fuente de energía externa que induzca la vibración.
  • El mecanismo de acoplamiento entre la fuente de energía de vibración y el objeto de interés.

Medida de Vibraciones es complejo debido a sus muchos componentes: desplazamiento, velocidad, aceleración y frecuencias. Además, cada uno de estos componentes se puede medir de diferentes maneras: pico a pico, pico, promedio, RMS; cada uno de los cuales puede medirse en el dominio del tiempo (mediciones instantáneas en tiempo real con un osciloscopio o sistema de adquisición de datos) o dominio de frecuencia (magnitud de vibración a diferentes frecuencias a través de un espectro de frecuencia), o simplemente un solo número para "vibración total". "

Gráfico de vibraciones

Ver la vibración en el dominio del tiempo revela la ubicación instantánea de la superficie que vibra en diferentes momentos en el tiempo.

Vibración Viweing

Ver la vibración en el dominio de la frecuencia revela la magnitud de la vibración a diferentes frecuencias.

Módulo medidor MM190

La "vibración total" se puede mostrar con la función TIR en el módulo de medición MM190.

La medición de la vibración a veces se usa como una medida indirecta de algún otro valor. El objetivo de medición final determina el enfoque de la medición de vibraciones. A menudo, el monitoreo de condici´ón- predicción o monitoreo del desgaste, fatiga y falla - requiere medidas de vibración destinadas para determinar la energía cinética y las fuerzas que actúan sobre un objeto. Esto a menudo se llama vibración inercial. El monitoreo de motores de maquinaria (especialmente los cojinetes) en aplicaciones críticas es un ejemplo. En estos casos, la medida de la aceleración proporciona una conversión fácil a unidades de fuerza suponiendo que se conoce la masa del objeto.

Otras aplicaciones están relacionadas con el desplazamiento del objeto de interés, porque los desplazamientos involuntarios degradan el rendimiento de un sistema. Las unidades de disco duro y las máquinas herramienta son ejemplos de este tipo de medición de vibraciones, a veces denominadas como vibración posicional or vibración relativa.

Impulso y Medición Continua de Vibraciones

Dos escenarios más donde la vibración son las mediciones de vibración continua y de impulso. Las mediciones continuas de vibración se utilizan para el monitoreo del estado y las pruebas operacionales. Mide directamente lo que le sucede al objeto de interés en condiciones reales de operación.

Una medida de la vibración por impulso implica golpear el objeto, a menudo con un "martillo calibrado" que mide la fuerza del impacto, y luego mide la vibración resultante del objeto. Este tipo de prueba revela resonancias dentro del objeto para ayudar a predecir su comportamiento en condiciones operativas. A menudo conduce a consideraciones de diseño para evitar o acentuar las frecuencias resonantes dependiendo de la aplicación.

Equipos de Medición de Vibraciones y Tecnología de Sensores de Vibración

La vibración se mide como una aceleración, velocidad o desplazamiento. Cada uno tiene ventajas y desventajas, y cada unidad de vibración medida se puede convertir en las demás, aunque con consecuencias potencialmente adversas de la conversión. La aceleración y el desplazamiento son los métodos más comunes de medidas de vibraciones.

Medición de Vibraciones con Acelerómetros

Los acelerómetros son pequeños dispositivos que se instalan directamente en la superficie (o dentro) del objeto vibrante. Contienen una pequeña masa que está suspendida por partes flexibles que funcionan como resortes. Cuando se mueve el acelerómetro, la pequeña masa se desviará proporcionalmente a la velocidad de aceleración. Se puede usar una variedad de técnicas de detección para medir la cantidad de desviación de la masa. Como se conocen las fuerzas de masa y resorte, la cantidad de desviación se convierte fácilmente en un valor de aceleración. Los acelerómetros pueden proporcionar información de aceleración en uno o más ejes.

Las medidas de vibración inercial en las cuales las fuerzas que actúan sobre el objeto son el factor crítico y son bien servidas por los acelerómetros, pero los acelerómetros son sensibles a la frecuencia. Las vibraciones a frecuencias más altas tienen aceleraciones mayores que las de frecuencias más bajas. Por esta razón, los acelerómetros producen niveles de señal muy bajos para la vibración de baja frecuencia y pueden tener relaciones de señal a ruido deficientes. Además, el uso de la integración para derivar la velocidad o la doble integración para derivar los valores de desplazamiento reduce las señales de alta frecuencia.

Adjuntar un acelerómetro al objeto de interés cambia la masa del objeto que cambia sus frecuencias resonantes naturales. Cuando la masa del objeto es considerablemente mayor que la masa del acelerómetro, como suele ser el caso, el efecto es insignificante. Pero sí limita el uso del acelerómetro en objetos más pequeños.

Los acelerómetros son una gran opción para objetos grandes, que vibran a frecuencias más altas, en las que las fuerzas de inercia que actúan sobre el objeto es lo que debe medirse.

Medición de Vibración con Sensores de Desplazamiento Sin Contacto

Sensores de desplazamiento capacitivos sin contacto

Los sensores de desplazamiento sin contacto se montan con un pequeño espacio entre el sensor (sonda) y una superficie del objeto vibrante. Los sensores de desplazamiento capacitivos y de corrientes eddy son las mejores opciones para mediciones de alta resolución y alta velocidad. Porque sus salidas son medidas de desplazamiento, y son perfectas para mediciones de vibración relativa (vibración posicional). Estas mediciones se realizan cuando la ubicación física de la superficie del objeto vibrante en cualquier momento es un factor crítico.

Con una respuesta de frecuencia sobre 10 kHz y tan alta como 80 kHz, y resoluciones tan bajas como nanómetros, los sensores indicaran la ubicación instantánea precisa del objeto incluso cuando se este moviendo a alta velocidad.

Sensores de desplazamiento sin contacto por corrientes de Foucault

Debido a que los sensores no están montados en el objeto, no cambian la masa del objeto ni sus características de resonancia. Estos sensores tienen una respuesta de frecuencia plana de DC a cerca de su respuesta de frecuencia nominal. Debido a que la frecuencia de la vibración no afecta la salida, las medidas son más precisas en todo el espectro de frecuencias.

Los datos de desplazamiento de estos sensores pueden diferenciarse para proporcionar la información de velocidad y diferenciarse por segunda vez para obtener la información de aceleración. El proceso de diferenciación limitará las señales de baja frecuencia, y enfatizará las señales de mayor frecuencia. Esto dará como resultado relaciones de señal a ruido más bajas en las frecuencias más altas.

Vibración Instantánea y Total

La "vibración total" se puede medir con capturas TIR (pico a pico) de la señal de vibración.

Los sensores de desplazamiento producen salidas que se pueden observar en tiempo real en un osciloscopio, o con un sistema de adquisición de datos. Estos datos instantáneos en tiempo real proporcionan datos precisos de vibración que se pueden utilizar para determinar el rendimiento de una máquina en función del tiempo o la ubicación angular de una pieza giratoria.

En otras aplicaciones, un número simple de "vibración total" es necesario. Para obtener dicho número, la salida del sensor deberá ser procesado. Si se esta utilizando un sensor de desplazamiento capacitivo de la linea "Elite Series", el módulo de procesamiento de señales y medidor MM190 puede derivar una medición de vibración total. Las funciones de captura de picos incluyen una opción TIR (Total Indicator Reading) que muestra la diferencia entre las mediciones más negativas y más positivas. Un botón de reinicio borrara esos valores capturados para poder capturar nuevos valores. Esta medición única de pico a pico (pico a valle) es una indicación de la vibración total.

El cambio de "vibración total" se puede medir con la opción Tracking TIR del módulo MM190.

Si se espera que el valor de vibración cambie con el tiempo, tal vez en un ajuste al sistema mecánico, se puede usar la opción "Tracking" TIR. El seguimiento de TIR muestra el valor pico a pico, pero se permite que los valores pico disminuyan lentamente hacia cero. De esta manera, el indicador muestra el valor TIR actual después de unos segundos, incluso si el valor ha disminuido. Esta función facilita la experimentación con el entorno del objeto para determinar qué puede reducir la vibración total sin la necesidad de restablecer manualmente los valores máximos.

Montaje de la Sonda del Sensor de Desplazamiento

Al medir la vibración, es probable que los sensores de desplazamiento también estén expuestos a una vibración. Para minimizar los efectos de la vibración en los propios sensores, deben montarse rígidamente. Las sondas con cuerpos enroscados y apretados en un base rígida que minimizan los efectos de vibración.

El montaje con tornillo de fijación bloquea la sonda a lo largo del eje de la sonda, pero aún puede haber movimiento en los otros dos ejes, especialmente en los niveles micro y nano.

Un montaje de abrazadera es un montaje más estable que un montaje de tornillo de fijación. Pero en los niveles micro y nano, los errores de forma pueden dar como resultado una abrazadera de dos puntos muy parecida a un montaje de tornillo de fijación.

Un montaje de abrazadera de tres puntos es inherentemente estable y no se ve afectado por pequeños errores de forma en la redondez.

Las sondas cilíndricas lisas que se montan con abrazadera requieren una cuidadosa consideración, ya que es muy probable que se vean afectadas por un entorno vibratorio. Existen diferentes métodos de montaje de abrazaderas para sondas de estilo cilíndrico; algunos son mejores que otros. Al medir a altas resoluciones, el diseño de montaje comienza a jugar un papel importante en la calidad de la medición.

Un método de montaje común es un orificio pasante con un tornillo de fijación para asegurar la sonda. Para mediciones en un entorno estable y sin vibraciones que no mida a niveles submicrométricos, este método suele ser suficiente. Pero este sistema solo asegura la sonda en dos puntos (el tornillo de ajuste y el punto opuesto al tornillo de ajuste) lo que le permite cierta libertad de movimiento en al menos un eje. Para mediciones de alta resolución en un entorno vibratorio, se requiere un mejor sistema.

Una montura de "pinza" en la que se aprieta un orificio pasante en la sonda cilíndrica es una mejor solución. La abrazadera de circunferencia completa engancha más de la superficie de la sonda y proporciona un montaje más estable. Sin embargo, cualquier falta de redondez de la sonda o del orificio pasante puede comenzar a funcionar como la abrazadera de dos puntos de un tornillo de fijación.

El método de sujeción más estable utiliza una pinza que sujeta la sonda en tres o cuatro puntos en lugar de la circunferencia completa. Este método permanece estable a pesar de los errores de redondez del cuerpo de la sonda o del orificio pasante de la abrazadera.

Consideraciones Adicionales de Montaje del Sensor de Desplazamiento Capacitivo

Los sensores de desplazamiento capacitivos tienen un "tamaño de punto" de medición aproximado de 130% del diámetro del área de detección de la sonda. Si el área de medición es más pequeña que esta, será susceptible a errores y puede requerir una calibración especial.

Sondas Capacitivas Múltiples

Cuando se usan múltiples sondas capacitivas con el mismo objetivo, sus componentes electrónicos deben estar sincronizados. Los sistemas de sensores capacitivos multicanal Lion Precision (Elite Series y CPL230) utilizan electrónica sincronizada. Los sensores capacitivos no requieren una distancia mínima entre las sondas adyacentes.

Consideraciones Ambientales para Sensores Capacitivos

Los sensores capacitivos requieren un ambiente limpio y seco. Cualquier cambio en el material entre la sonda y el objetivo afectará la medición.

Todos los sensores tienen cierta sensibilidad a la temperatura, pero los sistemas de sensores capacitivos Lion Precision se compensan por los cambios de temperatura entre 20 ° C y 35 ° C con una deriva de menos de 0.04% FS / ° C.

Los cambios ordinarios en la humedad no tienen efecto en las mediciones de desplazamiento capacitivo. Las humedades en el rango de% 90 pueden comenzar a afectar la medición; cualquier condensación en el área de medición invalidará la medición.

Consideraciones Adicionales de Montaje del Sensor de Desplazamiento "Eddy-Current"

Los sensores de desplazamiento Eddy-Current utilizan un campo magnético que envuelve el extremo de la sonda. Como resultado, el "spot-size" de los sensores de desplazamiento de corriente parásita es aproximadamente 300% del diámetro de la sonda. Esto significa que cualquier objeto metálico dentro de los tres diámetros de la sonda afectará la salida del sensor.

Este campo magnético también se extiende a lo largo del eje de la sonda, hacia la parte posterior de la sonda. Por esta razón, la distancia entre la cara de detección de la sonda y el sistema de montaje debe ser al menos 1.5 veces el diámetro de la sonda. Los sensores de desplazamiento "Eddy-Current" no pueden montarse al ras de la superficie de montaje a menos que exista un contrafuerte diseñado y adecuado alrededor de la sonda.

El montaje de la sonda de corriente de Foucault debe permitir un espacio libre de metal alrededor de la punta al menos tres veces el diámetro de la sonda. El montaje empotrado requiere un contrafuerte.

Si los objetos cerca de la sonsa interfieren, se deberá realizar una calibración especial, idealmente realizada con la sonda en el dispositivo.

Sondas Múltiples "Eddy-Current"

Cuando se usan múltiples sondas con el mismo objetivo, deben estar separadas por al menos tres diámetros de sonda para evitar interferencias entre los canales. Si esto es inevitable, existen calibraciones especiales de fábrica para minimizar la interferencia.

Consideraciones Ambientales para Sensores "Eddy-Current"

Las mediciones de desplazamiento lineal con sensores de "Eddy-Current" son inmunes a materiales extraños en el área de medición. La gran ventaja de los sensores sin contacto "Eddy-Current" es que pueden usarse en entornos bastante hostiles. Todos los materiales no conductores son invisibles para los sensores de "Eddy-Current". Incluso los materiales metálicos como las virutas de un proceso de mecanizado son demasiado pequeños para interactuar significativamente con los sensores.

Los sensores "Eddy-Current" tienen cierta sensibilidad a la temperatura, pero los sistemas se compensan por los cambios de temperatura entre 15 ° C y 65 ° C con una deriva de menos de 0.01% FS / ° C.

Los cambios en la humedad no afectan las mediciones de desplazamiento "Eddy-Current".

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