Medição de vibração; Sensores de vibração; Medindo a vibração com precisão

NOTA DE APLICAÇÃO LA05-0020

Nota sobre a aplicação de detecção geral LA05-0020

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Resumo:

vibração é uma medida complexa que contém muitos parâmetros diferentes. Diferentes tecnologias de medição têm vantagens e desvantagens, dependendo dos objetivos finais de medição de vibração. Esta nota de aplicação aborda todas essas áreas.

Medição de Vibração

vibração é um deslocamento baseado em tempo (periódico / cíclico) de um objeto em torno de uma posição estática central. Os seguintes fatores contribuintes têm uma relação complexa com a magnitude e a taxa da vibração:

  • As próprias frequências e rigidez naturais do objeto
  • A amplitude e frequências de qualquer fonte externa de energia que induza a vibração
  • O mecanismo de acoplamento entre a fonte de energia da vibração e o objeto de interesse.

Medição de vibração é complexo por causa de seus muitos componentes - deslocamento, velocidade, aceleração e frequências. Além disso, cada um desses componentes pode ser medido de diferentes maneiras - pico a pico, pico, média, RMS; cada um dos quais pode ser medido no domínio do tempo (medições instantâneas em tempo real com um osciloscópio ou sistema de aquisição de dados) ou no domínio da frequência (magnitude da vibração em diferentes frequências em um espectro de frequência) ou apenas um número único para “vibração total. "

Gráfico de vibração

A visualização da vibração no domínio do tempo revela a localização instantânea da superfície vibratória em diferentes momentos no tempo.

Vibração Viweing

A visualização da vibração no domínio da frequência revela a magnitude da vibração em diferentes frequências.

Módulo de medidor MM190

“Vibração total” pode ser exibido com a função TIR no módulo do medidor MM190.

Às vezes, a medição de vibração é usada como uma medida indireta de algum outro valor. O objetivo final de medição determina a abordagem para o medição de vibração. Frequentemente, monitoramento de condição- prever ou monitorar desgaste, fadiga e falha - requer medições de vibração destinadas a determinar a energia cinética e as forças que agem sobre um objeto. Isso geralmente é chamado de vibração inercial. O monitoramento de motores de máquinas (especialmente os rolamentos) em aplicações críticas é um exemplo. Nesses casos, a medição da aceleração fornece uma conversão fácil para unidades de força, assumindo que a massa do objeto é conhecida.

Outras aplicações estão preocupadas com o deslocamento do objeto de interesse, porque deslocamentos não intencionais degradam o desempenho de um sistema. Unidades de disco rígido e máquinas-ferramentas são exemplos desse tipo de medição de vibração, às vezes chamado de vibração posicional or vibração relativa.

Medição de impulso e vibração contínua

Mais dois cenários de vibração são medições de vibração contínua e por impulso. Medições de vibração contínua são usadas para monitoramento de condições e testes operacionais. Ele mede diretamente o que acontece com o objeto de interesse em condições reais de operação.

Uma medição de vibração por impulso envolve bater no objeto, geralmente com um “martelo calibrado” que mede a força de impacto e, em seguida, mede a vibração resultante do objeto. Esse tipo de teste revela ressonâncias dentro do objeto para ajudar a prever seu comportamento em condições operacionais. Geralmente, leva a considerações de projeto para evitar ou acentuar frequências ressonantes, dependendo da aplicação.

Equipamento de medição de vibração e tecnologia de sensor de vibração

A vibração é medida como uma aceleração, velocidade ou deslocamento. Cada um tem vantagens e desvantagens e cada unidade de medição de vibração pode ser convertida nas outras, embora com conseqüências potencialmente adversas da conversão. Aceleração e deslocamento são os métodos mais comuns de medição de vibração.

Medição de vibração com acelerômetros

Acelerômetros são pequenos dispositivos que são instalados diretamente na superfície (ou dentro) do objeto em vibração. Eles contêm uma pequena massa que é suspensa por peças flexíveis que operam como molas. Quando o acelerômetro é movido, a pequena massa se desviará proporcionalmente à taxa de aceleração. Uma variedade de técnicas de detecção pode ser usada para medir a quantidade de deflexão da massa. Como as forças de massa e mola são conhecidas, a quantidade de deflexão é prontamente convertida em um valor de aceleração. Os acelerômetros podem fornecer informações de aceleração em um ou mais eixos.

Medições de vibração inercial nas quais as forças que atuam sobre o objeto são o fator crítico são bem servidas pelos acelerômetros, mas os acelerômetros são sensíveis à frequência. Vibrações em frequências mais altas têm acelerações maiores do que aquelas em frequências mais baixas. Por esse motivo, os acelerômetros produzem níveis de sinal muito baixos para vibrações de baixa frequência e podem ter taxas ruins de sinal / ruído. Além disso, o uso da integração para derivar velocidade ou a integração dupla para derivar valores de deslocamento reduz os sinais de alta frequência.

Anexar acelerômetros ao objeto de interesse altera a massa do objeto, que altera suas frequências ressonantes naturais. Quando a massa do objeto é consideravelmente maior que a massa do acelerômetro, como costuma ser o caso, o efeito é desprezível. Mas limita o uso de acelerômetros em objetos menores.

Os acelerômetros são uma ótima opção para objetos maiores, vibrando em frequências mais altas, nas quais as forças inerciais que atuam sobre o objeto é o que precisa ser medido.

Medição de vibração com sensores de deslocamento sem contato

Sensores capacitivos de deslocamento sem contato

Os sensores de deslocamento sem contato são montados com um pequeno espaço entre o sensor (sonda) e a superfície do objeto em vibração. Os sensores de deslocamento capacitivo e de corrente de Foucault são as melhores opções para medições de alta resolução e alta velocidade. Como suas saídas são medições de deslocamento, elas são perfeitas para medições de vibração relativa (vibração posicional). Essas medições são feitas quando a localização física da superfície do objeto em vibração a qualquer momento é um fator crítico.

Com resposta de frequência acima de 10 kHz e até 80 kHz e resoluções tão baixas quanto nanômetros, esses sensores indicam a localização instantânea precisa do objeto, mesmo quando ele está se movendo em alta velocidade.

Sensores de deslocamento sem contato com corrente de Foucault

Como os sensores não estão montados no objeto, eles não alteram a massa do objeto ou suas características ressonantes. Esses sensores têm uma resposta de frequência plana de CC para quase sua resposta de frequência nominal. Como a saída não é afetada pela frequência da vibração, as medições são mais precisas em todo o espectro de frequências.

Os dados de deslocamento desses sensores podem ser diferenciados para fornecer informações de velocidade e diferenciados uma segunda vez para obter informações de aceleração. O processo de diferenciação limitará os sinais de baixa frequência e enfatizará os sinais de frequência mais alta. Isso resultará em menores relações sinal / ruído nas frequências mais altas.

Vibração instantânea e total

A “vibração total” pode ser medida com capturas TIR (pico a pico) do sinal de vibração.

Os sensores de deslocamento produzem saídas que podem ser observadas em tempo real em um osciloscópio ou com um sistema de aquisição de dados. Esses dados instantâneos em tempo real fornecem dados de vibração precisos que podem ser usados ​​para determinar o desempenho de uma máquina em função do tempo ou da localização angular de uma peça rotativa.

Em outras aplicações, é necessário um número simples de "vibração total". Para obter esse número, a saída do sensor precisará ser processada. Se você estiver usando sensores de deslocamento capacitivo da Série Elite, o módulo Processador de sinal e medidor MM190 poderá obter uma medição de vibração total. As funções de captura de pico incluem uma opção TIR (Leitura total do indicador), que exibe a diferença entre as medições mais negativas e mais positivas. Um botão Redefinir limpa esses valores capturados para que novos valores possam ser capturados. Essa medição de pico a pico (pico a vale) é uma indicação da vibração total.

A alteração da “vibração total” pode ser medida com a opção Tracking TIR do módulo MM190.

Se for esperado que o valor da vibração mude ao longo do tempo, talvez durante um ajuste no sistema mecânico, a opção Tracking TIR pode ser usada. O rastreamento TIR exibe o valor pico a pico, mas os valores de pico podem decair lentamente em direção a zero. Dessa forma, o indicador mostra o valor atual do TIR após alguns segundos, mesmo que o valor tenha diminuído. Essa função facilita a experimentação com o ambiente do objeto para determinar o que pode reduzir a vibração total sem a necessidade de redefinições manuais dos valores de pico.

Montagem da sonda do sensor de deslocamento

Ao medir a vibração, é provável que os sensores de deslocamento também sejam expostos a uma vibração. Para minimizar os efeitos da vibração nos próprios sensores, eles devem ser montados rigidamente. As sondas com corpos rosqueados apertados em uma montagem rígida devem fornecer a rigidez necessária para minimizar os efeitos de vibração.

A montagem do parafuso de fixação trava a sonda ao longo do eixo da sonda, mas ainda pode haver movimento nos outros dois eixos, especialmente nos níveis micro e nano.

Uma montagem de braçadeira é uma montagem mais estável do que uma montagem de parafuso de fixação. Porém, nos níveis micro e nano, os erros de forma podem resultar em apenas um grampo de dois pontos, como uma montagem de parafuso de fixação.

Uma montagem de braçadeira de três pontos é inerentemente estável e não é afetada por pequenos erros de forma na redondeza.

As sondas cilíndricas e lisas montadas em braçadeira requerem uma consideração cuidadosa, pois são mais propensas a serem afetadas por um ambiente vibratório. Existem diferentes métodos de montagem de braçadeira para sondas cilíndricas; Alguns são melhores que outros. Ao medir em altas resoluções, o design da montagem começa a desempenhar um papel importante na qualidade da medição.

Um método de montagem comum é um furo passante com um parafuso de fixação para prender a sonda. Para medições em um ambiente estável e sem vibração que não mede nos níveis submícron, esse método geralmente é suficiente. Porém, esse sistema protege a sonda apenas em dois pontos (o parafuso de ajuste e o ponto oposto ao parafuso de ajuste), o que permite alguma liberdade de movimento em pelo menos um eixo. Para medições de alta resolução em um ambiente vibratório, é necessário um sistema melhor.

Uma montagem de “pinça de aperto” na qual um orifício passante é apertado na sonda cilíndrica é uma solução melhor. O grampo de circunferência total envolve mais a superfície da sonda e fornece uma montagem mais estável. No entanto, qualquer arredondamento da sonda ou do orifício passante pode começar a funcionar como o grampo de dois pontos de um parafuso de fixação.

O método de fixação mais estável usa uma pinça de aperto que prende a sonda em três ou quatro pontos, em vez da circunferência total. Este método permanece estável, apesar dos erros de redondeza do corpo da sonda ou do orifício de passagem da pinça.

Considerações adicionais sobre montagem de sensores de deslocamento capacitivo

Os sensores de deslocamento capacitivo têm um "tamanho do ponto" de medição de cerca de 130% do diâmetro da área de detecção da sonda. Se a área de destino da medição for menor que essa, ela será suscetível a erros e poderá exigir calibração especial.

Várias sondas capacitivas

Quando várias sondas capacitivas são usadas com o mesmo alvo, seus componentes eletrônicos de acionamento devem ser sincronizados. Os sistemas de sensores capacitivos multicanais Lion Precision (Elite Series e CPL230) usam componentes eletrônicos sincronizados. Sensores capacitivos não requerem distância mínima entre sondas adjacentes.

Considerações ambientais para sensores capacitivos

Os sensores capacitivos requerem um ambiente limpo e seco. Qualquer alteração no material entre a sonda e o alvo afetará a medição.

Todos os sensores têm alguma sensibilidade à temperatura, mas os sistemas de sensores capacitivos Lion Precision são compensados ​​por mudanças de temperatura entre 20 ° C e 35 ° C com um desvio de menos de 0.04% FS / ° C.

Mudanças comuns na umidade não afetam as medições de deslocamento capacitivo. Umidades na faixa de 90% podem começar a afetar a medição; qualquer condensação na área de medição invalidará a medição.

Considerações adicionais sobre montagem de sensores de deslocamento com corrente de Foucault

Os sensores de deslocamento de corrente de Foucault usam um campo magnético que envolve o final da sonda. Como resultado, o "tamanho do ponto" dos sensores de deslocamento de corrente de Foucault é de cerca de 300% do diâmetro da sonda. Isso significa que qualquer objeto metálico dentro de três diâmetros da sonda afetará a saída do sensor.

Esse campo magnético também se estende ao longo do eixo da sonda em direção à parte traseira da sonda. Por esse motivo, a distância entre a face sensora da sonda e o sistema de montagem deve ser pelo menos 1.5 vezes o diâmetro da sonda. Os sensores de deslocamento com corrente de Foucault não podem ser montados alinhados com a superfície de montagem, a menos que exista um contra-furo projetado adequadamente ao redor da sonda.

A montagem da sonda de corrente parasita deve permitir um espaço livre de metal ao redor da ponta pelo menos três vezes o diâmetro da sonda. A montagem embutida requer um contra furo.

Se a interferência de objetos próximos à sonda for inevitável, uma calibração especial, idealmente feita com a sonda no dispositivo, deverá ser realizada.

Várias sondas de corrente de Foucault

Quando várias sondas são usadas com o mesmo alvo, elas devem ser separadas por pelo menos três diâmetros da sonda para evitar interferência entre os canais. Se isso for inevitável, são possíveis calibrações especiais de fábrica para minimizar a interferência.

Considerações ambientais para sensores de corrente de Foucault

As medições de deslocamento linear com sensores de corrente de Foucault são imunes a materiais estranhos na área de medição. A grande vantagem dos sensores sem contato com corrente de Foucault é que eles podem ser usados ​​em ambientes bastante hostis. Todos os materiais não condutores são invisíveis para os sensores de corrente de Foucault. Até materiais metálicos, como cavacos de um processo de usinagem, são pequenos demais para interagir significativamente com os sensores.

Os sensores de corrente de Foucault têm alguma sensibilidade à temperatura, mas os sistemas são compensados ​​por mudanças de temperatura entre 15 ° C e 65 ° C com um desvio de menos de 0.01% FS / ° C.

Mudanças na umidade não afetam as medições de deslocamento de corrente de Foucault.

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