AMBIENTE MULTIMÍDIA DE SUPORTE À DISCIPLINA DE PÓS-GRADUAÇÃO FERRAMENTAS DE DIAGNÓSTICO DE MÁQUINAS

1. 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

2. AMBIENTE MULTIMÍDIA DE SUPORTE À DISCIPLINA DE PÓS-GRADUAÇÃO FERRAMENTAS DE DIAGNÓSTICO DE MÁQUINAS Capítulo 2 – Instrumentação aplicada ao monitoramento

3. 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.

4. AMBIENTE MULTIMÍDIA DE SUPORTE À DISCIPLINA DE PÓS-GRADUAÇÃO FERRAMENTAS DE DIAGNÓSTICO DE MÁQUINAS Capítulo 2.2 – Sistemas de condicionamento de sinais

5. 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.

6. Sistemas de condicionamento de sinais Condicionador de sinais

7. 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; • Isolação; • Multiplexagem; • As técnicas de amplificação e filtragem são as mais utilizadas para o condicionamento de sinais e serão abordadas mais detalhadamente a seguir. • Filtragem; • Excitação; • Linearização.

8. 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.

9. 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.

10. Pré-Amplificador de tensão Pré-Amplificador de carga Sistemas de condicionamento de sinais Amplificação e Pré-Amplificação

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. Sistemas de condicionamento de sinais Tipos de filtros

17. 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.

18. 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

19. AMBIENTE MULTIMÍDIA DE SUPORTE À DISCIPLINA DE PÓS-GRADUAÇÃO FERRAMENTAS DE DIAGNÓSTICO DE MÁQUINAS Capítulo 2.3 – Coletores e analisadores digitais

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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.

24. Coletores e analisadores digitais Analisadores de espectro Osciloscópio mostrando o espectro de um sinal

25. 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.

26. 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; • Zoom verdadeiro; • Análise em 2 ou mais canais • Entrada para estroboscópio e tacômetro. • Gráfico polar e geração de órbita; • Análise de transitórios; • Gráficos de Bode e Nyquist;

27. Coletores e analisadores digitais Coletores e analisadores de dados Analisador de dados portátil Fonte: Crystal Instruments - http://www.go-ci.com/products.asp

28. 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/