NSK - Sensores de Vibração

Três estágios estão envolvidos no acompanhamento preditivo de uma máquina:

Estágio 1 - Aquisição de Dados: Conversão das vibrações produzidas pela máquina ousistema em sinais elétricos, através de sensores ou transdutores.

Estagio 2 - Processamento dos Sinais: Em analisadores e/ou programas de ManutençãoPreditiva, os sinais "brutos" são convertidos em dados digitais e manipulados para se obterinformações significativas para a avaliação das vibrações e definição da sua causa dominante.

Estado 3 - Avaliação da Condição: É o estágio de decisão, no qual os dados são comparadoscom dados de referência ou "assinaturas", dados anteriores e/ou limites de alarme estabelecidospor normas, fabricantes ou consultores, visando a avaliação da condição dos equipamentos e atomada de decisões sobre a necessidade de intervenções. Neste estágio, conceitos deconfiabilidade são largamente empregados.

Neste capitulo, trataremos dos equipamentos e tecnologias utilizados no Estágio 1, maisespecificamente dos sensores de vibração, deixando a abordagem dos demais equipamentos(gravadores, analisadores, coletores de dados etc.) para o capítulo seguinte.

AQUISIÇÃO DE DADOS NO MONITORAMENTO DE VIBRAÇÃO

Como o aparelho responsável pela conversão do movimento mecânico em um sinal elétrico, quepossa ser convenientemente amplificado gravado, exibido e analisado, o transdutor deve seradequado para a tarefa, corretamente montado e completamente entendido, para que aconversão seja realizada da forma mais precisa possível.

Inicialmente, é necessário escolher uma das três grandezas, aceleração, velocidade oudeslocamento, para medir as vibrações. Todas irão todos mostrar os mesmos componentes defreqüência, mas com sensibilidades diferentes, corno mostra a Figura 1.

Figura 1 - Variação da aceleração e do deslocamento em função da freqüência, mantendo umavelocidade de vibração constante.

Através da figura 1, pode?se constatar que as medições de aceleração reforçam as componentesde alta freqüência e as de deslocamento reforçam as componentes de baixa freqüência,enquanto que as de velocidade apresentam uma sensibilidade constante.

Isso leva a considerações práticas para a escolha da grandeza de medida, em função da faixa defreqüência que se deseja analisar.

Em princípio é vantajoso selecionar o parâmetro que forneça o espectro de freqüências maisuniforme para melhor utilizar a faixa dinâmica da instrumentação de medição.

Porém, como a força necessária para se produzir uma dada resposta varia significativamentecom a freqüência, ela também exerce limitações reais nas medições que podem ser feitasatravés de um transdutor especifico.

Por exemplo, uma aceleração de 100 g a 10 kHz, que denota uma amplitude absolutamente nãotolerável numa freqüência típica de passagem de palhetas em turbinas, corresponde a umdeslocamento de apenas 0,5 mm. Nesse caso, um nível intolerável de força produz umdeslocamento incomensurável, embora esteja dentro da faixa de resposta especificada para amaioria dos sensores de deslocamento.

NSK - Saiba Mais http://www1.br.nsk.com/etreinar/sm/sm4.asp

1 of 16 07/04/2014 10:27

Acelerômetros apresentam limitações semelhantes em baixas freqüências. À medida em que afreqüência decresce, os valores de aceleração diminuem drasticamente, reduzindo a relação sinal/ ruído, de modo que até níveis moderados de vibração se tornam difíceis de medir, em termosde aceleração, para freqüências abaixo de 10 Hz.

A natureza dos sistemas mecânicos é tal que deslocamentos apreciáveis apenas ocorrem embaixas freqüências. Consequentemente, medições de deslocamento são de valor limitado noestudo geral de vibrações mecânicas. O deslocamento é geralmente usado como indicador dedesbalanceamento em partes de máquinas rotativas, porque deslocamentos relativamentegrandes usualmente ocorrem na freqüência de rotação do eixo, que é a freqüência de interessepara avaliação do estado de balanceamento.

Transdutores são como janelas através das quais porções do espectro de freqüências podem serobservados. O tipo de máquina, o ponto de medição e as características a serem avaliadas, bemcomo as características, vantagens e limitações dos transdutores devem ser bem entendidas econsideradas para que os dados básicos representem a condição real da máquina. A adição deequipamento analítico sofisticado pode diminuir o tempo de análise e aumentar a sua precisão,mas não pode melhorar as limitações inerentes à coleta de dados.

ESCOLHENDO UM TRANSDUTOR

Um transdutor sente uma quantidade física como vibração, temperatura, ou pressão, e aconverte em um sinal elétrico proporcional à essa variável. Um transdutor de vibração medemovimento mecânico e converte o movimento em uma saída elétrica correspondente. Éfreqüentemente chamado de "sensor." Um transdutor é o primeiro vínculo vital em uma cadeiade medição.

O transdutor usado precisa ser sensível o bastante para medir a amplitude com precisão, alémde ter um alcance de freqüência suficiente para abranger toda a gama de sinais gerada pelosdiversos componentes da máquina, cujo estado queremos avaliar.

Embora nem sempre é fácil obter informações sobre os componentes da máquina, elas sãofundamentais para definir a gama de freqüências a ser analisada e o sensor mais adequado,levando em consideração também a sensibilidade, alcance de freqüência e freqüência naturalmontada dos transdutores disponíveis. A tabela abaixo indica as faixas de freqüênciarecomendadas para análise de diversos componentes de máquinas.

Também deve se considerar que, no caso de máquinas de velocidade variável, a gama defreqüências geradas pode variar bastante conforme a velocidade de operação.

TIPOS DE TRANSDUTORES DE VIBRAÇÃO

Os transdutores de vibração são classificados em função do princípio de funcionamento e dagrandeza medida (deslocamento, velocidade ou aceleração). Há muitas situações em que o usode um certo tipo de transdutor é mais vantajoso.

Os acelerômetros medem aceleração diretamente. Se os sinais forem integrados, eles medemvelocidade. Se integrados duplamente, medem deslocamento. A integração é feitoeletronicamente, com boa precisão, por circuitos especiais dentro do coletor/analisador ou dopróprio transdutor.

Transdutores de velocidade medem velocidade diretamente. Se os sinais forem integrados, elesmedem deslocamento. Como o processo de derivação para obtenção de sinais de aceleração émenos preciso do que o de integração, em aplicações práticas, os sensores de velocidade sãoempregados apenas para medir velocidade ou deslocamento.

Transdutores de deslocamento medem deslocamento diretamente. Devido às dificuldadesinerentes ao processo de derivação eles não são empregados em medidas de velocidade ouaceleração.

SENSORES DE DESLOCAMENTO

Sensores de deslocamento sem contato, também denominados "proxímetros", geralmenteoperam segundo o princípio de Correntes de Foucault ("Eddy Current" ou Correntes de Fuga).

Sua principal aplicação é a monitoração contínua e a proteção de máquinas rotativas equipadas


2 of 16 07/04/2014 10:27

com mancais de deslizamento. Como a transmissão de vibrações através desses mancais émuito pequena, para se obter uma proteção eficaz dessas máquinas é necessário medir asvibrações do próprio eixo.

Além disso, para se avaliar o estado e o desgaste dos mancais de escora dessas máquinas, éfundamental conhecer a posição axial dos seus rotores.

Como permitem realizar medições sem contato de vibração e também de posição, osproxímetros têm obtido grande aceitação na monitoração de máquinas críticas com mancais dedeslizamento.

Esses sensores geralmente são instalados pelos próprios fabricantes dessas máquinas, junto àssedes dos mancais, observando as vibrações radiais dos eixos e a posição axial dos rotores. Ossinais dos sensores são enviados a monitores permanentes, que podem sinalizar no caso devibração elevada ou desativar automaticamente as máquinas no caso de falha do mancal deescora.

CONSTRUÇÃO E OPERAÇÃO

Na verdade, esse transdutor é um sistema composto por um sensor ou "sonda", um cabo deextensão e um circuíto oscilador e demodulador.

O sensor consiste de uma bobina construída com um fio de liga especial, montada em umcarretel plástico ou de material cerâmico não condutor e alojada em uma carcaça metálica. Emoperação, o sensor é excitado por um sinal com freqüência de aproximadamente 1,5 Mega Hz(1,5 x 106 Hz), gerado por um oscilador e transmitido através do cabo de extensão. Essaexcitação produz um campo magnético que é irradiado da extremidade do sensor.

Quando a extremidade do sensor é colocada próxima de um alvo de material condutor, cujaposição se deseja medir, correntes de Foucault são induzidas na superfície do material, extraindoenergia do sinal de excitação e diminuindo a sua amplitude.

Dentro da seção demoduladora, um circuito mede a amplitude do sinal de excitação, gerando umsinal proporcional à distância entre a ponta sensora e a superfície do alvo (Figura 2).

Assim, quando a distância da extremidade do sensor ao material condutor varia, uma voltagemcorrespondente é produzida na saída do oscilador demodulador, que varia proporcionalmentecom a distância entre a extremidade do sensor e a superfície do alvo de material condutor.

Figura. 2 - Esquema do Sistema de Medição de Deslocamento por Corrente de Foucault

Uma curva típica de calibração de um proxímetro é mostrada na Figura 3. A curva pode serdividida em três regiões, iniciando com o sensor em contato com a superfície condutora e umasaída nula do oscilador/demodulador. Na maioria dos sistemas, a voltagem de saída não variaaté que o sensor seja afastado de uma pequena distância do alvo.

Quando o sensor é afastado, em um determinado ponto, a voltagem de saída irá crescerrepentinamente e, em seguida, entrar na segunda região ou região linear, aonde qualquermudança na distância ("gap") produz uma mudança proporcional correspondente na saída dodemodulador.

Dentro da faixa linear, que tipicamente pode se estender de 250 a 2.250 mm, as Normasrequerem relações padrões de 4 mV/mm ou 8 mV/mm entre o folga ("gap") e a voltagem desaída. Desta forma, uma variação de 250 mm na folga deve produzir uma mudança de voltagemde 1 volt a 4 mV/mm ou 2 volts a 8mV/mm.

Á medida que o sensor é afastado ainda mais, o sistema perde sua relação linear entre avoltagem de saída e folga, uma vez que a saída do oscilador/demodulador se aproxima datensão de alimentação. Assim, o sensor deve ser sempre instalado de tal forma que opere dentroda faixa linear.

Vale ressaltar que o sensor, o cabo de extensão e o oscilador demodulador constituem umcircuito ressonante sintonizado e, para máxima precisão, cada conjunto deve ser calibradoindividualmente.


3 of 16 07/04/2014 10:27

Entretanto, a maioria dos fabricantes especifica modelos de sensor, geralmente através dodiâmetro da extremidade e do comprimento total de cabos que devem ser usados com cadamodelo de circuíto oscilador/demodulador. Desde que essas especificações sejam seguidas, astolerâncias de fabricação manterão uma precisão de medição aceitável, sem que seja necessáriauma recalibração quando componentes forem substituídos.

Figura 3 - Curva de Calibração Típica de um Proximetro

A inclinação da curva e a faixa linear varia com mudanças na condutividade e permeabilidade doalvo. Dessa forma, um conjunto calibrado para alvos de um certo material não deve ser usadocom alvos de outro tipo sem recalibração.

Se um conjunto calibrado para aço 4140 for usado sem recalibração em um material como açoinoxidável ou Inconel, a inclinação da curva aumentará, produzindo uma voltagem de saídamaior para uma dada folga.

A temperatura também pode afetar os limites de uso dos sensores sem contato e a saída detensão para uma certa folga. Entretanto, a mudança é geralmente pequena ao longo da faixa detemperatura experimentada em uma sede de mancal.

Com tudo o mais mantido constante, o limite superior da faixa linear do proxímetro crescerá como aumento do diâmetro da bobina e com o aumento da tensão de alimentação.

A faixa linear de sensores com sensibilidade de 8 mV/mm, observando aço 4140, varia de 1.525mm, para 5 mm de diâmetro e 18 volts de alimentação, até 2.160 mm, com um diâmetro de 8mm e alimentação de 24 volts.

Medições feitas com sensores de deslocamento, ao contrário daquelas feitas com transdutores develocidade ou aceleração, são medições de posição relativa ou do movimento entre o sensor e asuperfície observada e não refletem o movimento espacial de nenhum deles isoladamente.

LIMITAÇÕES

O proxímetro não pode distinguir entre os movimentos do eixo e sinais gerados por defeitos taiscomo arranhões, fendas e variações em condutividade ou permeabilidade. Como conseqüência, osinal de saída, ao contrário de ser vibração pura, é a soma da vibração e todas as variações dasuperfície acima mencionadas.

Uma vez que o campo magnético do sensor de deslocamento por corrente de Foucault penetra asuperfície do material observado, qualquer metalização ou reparo que resulte em uma deposiçãode outro material (como cromação) irá introduzir distorções no sinal de saída do sensor.

As Figuras 4a e 4b ilustram dois tipos de distorção que devem ser evitadas quando se usasensores de corrente de Foucault. Na Figura 4a, um grande arranhão é prontamente visível naforma da onda, resultando numa órbita distorcida e na duplicação da amplitude que seria lida emum medidor. Se o arranhão se localizasse a 180 graus, a distorção de amplitude de vibraçãoseria ainda maior do que o dobro.

A Figura 4b ilustra um segundo exemplo de superfície defeituosa com uma série de pequenosarranhões.

Existem perigos ainda maiores: dependendo de sua fase, os defeitos superficiais podem produziruma diminuição na amplitude.

Segundo a Norma API, o "runout" total, ou o desvio entre a medida de um sensor dedeslocamento sem contato e o movimento real do eixo, deve ser inferior a 10% da vibraçãomáxima permitida. Uma vez que é muito difícil reduzir o "runout" total abaixo de 5mm, um valorprático de 6 mm é geralmente aceito como o "'runout" máximo permissível em máquinas de altavelocidade.


4 of 16 07/04/2014 10:27

Figura 4a - Eixo com grandes riscos Figura 4b - Eixo com pequenos riscos

O problema principal com "runout" excessivo é que ele obscurece a vibração do eixo e podecomprometer seriamente a habilidade de monitoramento e análise da máquina. O "runout" alteranão só a forma da onda e o espectro de vibração, bem como a curva de resposta de amplitudeversus velocidade do rotor usada na determinação de velocidades críticas.

É especialmente importante reconhecer que o "runout" é uma grandeza vetorial e, dessa forma,não pode ser apenas subtraído como um valor absoluto.

Eliminar o "runout" excessivo é sempre uma tarefa muito difícil. O primeiro passo deve ser dadodurante a fabricação, quando todo o cuidado deve ser tomado para assegurar que a superfície doeixo que irá ser observada pelo sensor seja concêntrica, polida e protegida contra danos duranteo transporte, manuseio e montagem.

Se, apesar de todos esses esforços, um "runout" excessivo persistir, ele pode ser de naturezaeletromagnética. Produzido quando o eixo é usinado, polido (procedimento proibido pela normaAPI especificamente por esse motivo) ou desmagnetizado incompletamente após uma inspeçãode partícula magnética (magnaflux), o "runout" eletromagnético pode ser geralmente eliminadoatravés da desmagnetização da superfície do eixo observada pelo sensor.

Se, após a desmagnetização, o "runout" persistir, é provável que ele seja devido a uma mudançana permeabilidade ou condutividade em torno da circunferência do eixo. Problema típico emeixos de alta liga endurecidos por precipitação, esse tipo de "runout" tem sido reduzido comsucesso através do brunimento da área.

Caso todos esses procedimentos falhem ou sejam impossíveis de implementar por qualquerrazão, o "runout" pode ser eletronicamente eliminado por um sistema subtrator de "runout". Embaixa rotação (abaixo de 300 rpm), todos os sinais de saída do sensor são considerações como"runout".

Nessa condição, o subtrator memoriza digitalmente o sinal em função do angulo de giro do eixo,calculado a partir de uma referência de fase e, na rotação de operação, subtrai automaticamentea forma da onda memorizada da forma de onda bruta fornecida pelo sensor, para produzir umaforma de onda correta, representativa do movimento real do eixo.

SENSORES DE VELOCIDADE (PICKUPS DE VELOCIDADE)

Um sensor típico de velocidade (Sísmico) é mostrado esquematicamente na Figura 5. Dentro docorpo do sensor, há uma bobina enrolada em uma massa suspensa por uma mola e envolvidapor um ímã permanente fixo à carcaça.

O sistema de suspensão é projetado para apresentar uma baixíssima freqüência natural, a fim deque a bobina permaneça estacionária em freqüências acima de 8 ?10 Hz. Dessa forma o sensorde velocidade é um transdutor absoluto, que mede a velocidade da vibração do ponto ao qual éfixado, com relação a um ponto fixo no espaço.

Um meio amortecedor, tipicamente um óleo sintético, é geralmente adicionado para exercer umamortecimento crítico na freqüência natural do sistema massa?mola e estender sua respostaplana abaixo de 10 Hz.


5 of 16 07/04/2014 10:27

Figura 5 - Sensor de Velocidade ( Sísmico )

Quando o sensor de velocidade é conectado a uma superfície vibratória, o movimento relativoentre o ímã fixo à superfície vibratória e a bobina estacionária faz com que as linhas de fluxomagnético do ímã permanente "cortem" a bobina, induzindo nela uma voltagem proporcional àvelocidade de vibração.

Assim, um sensor de velocidade é um aparelho auto gerador que produz um sinal de baixaimpedância que pode ser usado diretamente com equipamentos de análise ou monitoramento,sem qualquer condicionamento adicional de sinal.

A curva de resposta de sensibilidade versus freqüência de um sensor de velocidade é limitadaem baixas freqüências pela primeira freqüência natural criticamente amortecida (ver Figura 6). Aaltas freqüências, sua, resposta é limitada pela quantidade de movimento necessária para vencera inércia do sistema bem como pela presença de freqüências naturais de ordem superior. Naprática, um sensor de velocidade típico é limitado a freqüências entre aproximadamente 10 a2.000 Hz.

Devido ao fluido de amortecimento, um sensor de velocidade pode ser limitado a operar dentrode uma faixa relativamente estreita, de temperatura. Existem, no entanto, unidades especiais,dotadas de amortecimento elétrico, capazes de operar em temperaturas superiores a 180 °C.

Figura 6 - Sensibilidade Típica de Sensores de Velocidade

Esse tipo de sensor deve ser carregado com um valor específico de resistência a fim de satisfazersuas características de projeto. Se utilizado com um instrumento, como um osciloscópio,diferente daquele para o qual ele foi projetado, pode haver necessidade de se empregar umresistor shunt para prover a impedância de saída adequada para se obter o amortecimentonecessário.

Por dispensar cabos especiais ou condicionamento de sinal sofisticado. o sensor de velocidadetem mantido uma posição favorecida em aplicações onde não se requer resposta em altasfreqüências, como em equipamentos portáteis de baixo custo e em balanceadoras.

LIMITAÇÕES

O sensor de velocidade é um aparelho eletromecânico com partes móveis que podem sedanificar com certa facilidade. Consequentemente, tem sido gradualmente evitado em aplicaçõesonde se requer resistência a ambientes hostis. Alem disso, possui peso e dimensões elevadas efaixa de freqüência limitada, quando comparado com sensores de aceleração.

SENSORES DE ACELERAÇÃO

Acelerômetros Piezoelétricos são os transdutores mais largamente usados para converter aaceleração do movimento vibratório em um sinal elétrico proporcional, para propósito demedição, monitoramento e controle. Porém, estes acelerômetros não permitem medidas deestado constante, como a força da gravidade de terra, ou transientes muito lentos, comoaceleração ou frenagem de automóvel.

Graças a sua ampla faixa dinâmica (alcance de aceleração) podem ser empregados para medirvibração senoidal, randômica ou transitória, como em choques e impactos passageiros. Alémdisso, possuem alta sensibilidade e ampla faixa de freqüências (0,1 a 10.000 Hz). Existemmodelos adequados para utilização em aplicações de baixíssimas freqüências, como em testessísmicos, ou até em freqüências muito elevadas, como em estudos de engrenagens e plalhetasde turbina.

Considerando que acelerômetros piezoelétricos são dispositivos estáticos essencialmente sólidos,eles são muito duráveis e resistentes ao abuso. Não há partes móveis, o que lhe confere granderesistência e uma característica de operação confiável e repetitiva em ambientes extremos.


6 of 16 07/04/2014 10:27

Peso e dimensões reduzidas facilitam o seu emprego em análise modal e testes de estruturas,assim como em medições de choques experimentados por produtos empacotados durante otransporte, para a determinação da eficácia de embalagens.

Em suma, as características do acelerômetros piezoelétricos os tem transformado no transdutorpadrão para a maioria das aplicações industriais de medidas de vibrações e choques.

PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DE ACELERÔMETROS PIEZOELÉTRICOS

Acelerômetros Piezoelétricos são compostos por uma massa sísmica fixada sobre um cristal dequartzo ou de material piezoelétrico cerâmico sinterizado que, por sua vez, é fixado à base dosensor, como indicado na Figura 7.

Bem abaixo de sua freqüência natural, essa montagem obedece aproximadamente a lei deNewton, F = m.a, e a força transmitida pelo cristal é a necessária para que a massa sísmicaacompanhe a aceleração da base.

Uma tensão aplicada à estrutura de um cristal piezoelétrico produz uma acumulação oposta departículas carregadas nas faces do cristal. A carga elétrica assim gerada é proporcional à tensãoaplicada e, portanto, à força transmitida pelo cristal e à aceleração da base.

Quanto maior for a massa sísmica, maior será a tensão aplicada e, consequentemente, maiorserá o sinal de saída, porém, menor será a freqüência natural e a faixa de freqüências comsensibilidade constante.

Figura 7 - Princípio do Acelerômetro

Eletrodos coletam e transmitem a carga para um condicionador eletrônico de sinais, que gera umsinal de tensão proporcional à carga e mais adequado para exibição, registro, análise e controle.

Para que não haja perda de carga na transmissão, os cabos de conexão entre sensor econdicionador devem ter baixa capacitância. Por essa razão, alterações de capacitância doscabos, devido à mau contato ou deformações, podem provocar perdas de sensibilidade. Alémdisso, vibrações elevadas nos cabos podem provocar oscilações de capacitância, gerando ruídoelevado (efeito triboelétrico).

Para contornar essas severas limitações, nos acelerômetros modernos, denominadostransdutores ICP (Integrated Circuit Piezoeletric), os sinais de carga são transformados em sinaisde tensão elétrica através de microamplificadores eletrônicos, embutidos no próprio sensor,dispensando assim o uso de condicionadores externos e cabos especiais e eliminando aslimitações acima expostas.

CONFIGURAÇÕES MECÂNICAS DE ACELERÔMETROS PIEZOELÉTRICOS

Uma grande variedade de configurações mecânicas é empregada para executar os princípios detransdução de acelerômetros piezoelétricos. Essas configurações são classificadas pela forma deaplicação da força de aceleração da massa sísmica (força inercial) sobre o material piezoelétrico.

MODELO DE CISALHAMENTO

Os cristais piezoelétricos são intercalados entre um poste central e uma massa sísmica anular, aqual, sob aceleração, causa uma tensão de cisalhamento nos cristais. Para criar uma estruturalinear rígida, um anel de pré carga montado por interferência aplica uma tensão constante aoscristais.


7 of 16 07/04/2014 10:27

Figura 8 - Modelo de Cisalhamento

Essa forma construtiva isola os cristais das deformações introduzidas na base durante amontagem e dos transientes térmicos provenientes da máquina. Alem disso, permite projetoscom dimensões e peso reduzidos, facilitando a montagem e minimizando os efeitos de carga naestrutura em teste.

Com esta combinação de características ideais, os acelerômetros de cisalhamento oferecem umótimo desempenho.

MODELOS DE COMPRESSÃO

Acelerômetro de compressão tem desempenho inferior aos de cisalhamento, porém sãoamplamente utilizados, devido à sua simplidade e baixo custo de fabricação. Há três tiposbásicos de modelos de compressão: Vertical, Invertido e Isolado.

Compressão Vertical ? O cristal piezoelétrico é fixado entre a massa sísmica e uma base rígida,através de um parafuso que também aplica uma pré?carga aos cristais.

Figura 9 - Compressão Vertical

O modelo de compressão vertical oferece freqüência ressonante alta, o que resulta em umaampla resposta de freqüência. Este modelo geralmente é muito rígido e resiste a altos níveis dechoque. Porém, devido ao contato íntimo dos cristais com a base de montagem tende a ser maissensível aos efeitos de deformação da base e à transientes de temperatura. Estes efeitos sãomais pronunciados quando os sensores são montados sobre placas finas de metal ou usados embaixas freqüências em ambientes termicamente instáveis, como junto a ventiladores eexaustores.

Modelos de Compressão Invertidos foram desenvolvidos para isolar os cristais desensibilidade da base de montagem e reduzir os efeitos acima mencionados. Os acelerômetrosde referência (usados como padrão secundários para calibração de outros acelerômetros) usamesta forma construtiva, pois ela permite que o acelerômetro a ser calibrado seja montadodiretamente sobre o de referência.


8 of 16 07/04/2014 10:27

Figura 10 - Compressão Invertida

O Modelo de Compressão Isolado evita a geração de tensões nos cristais devido àdeformações da base isolando?os mecanicamente, através de um anel. Além disso, reduz osefeitos de transientes térmicos pelo emprego de um massa sísmica oca, que age como umabarreira térmica. Assim, oferece um desempenho estável em baixas freqüências, a um custorelativamente baixo.

Figura 11 - Modelo de Compressão Isolada

Modelos de Flexão - utilizam cristais em forma de vigas, apoiados de modo a criar tensões deflexão no cristal quando acelerados. Para maior sensibilidade, podem empregar cristais colados auma viga portadora, o que aumenta a tensão sobre os cristais.

Esta forma construtiva oferece baixo perfil, pouco peso, estabilidade térmica excelente e baixasensibilidade a movimentos transversais, a um preço econômico.

Devido à grande sensibilidade, os modelos com vigas portadoras são adequados para aplicaçõesem baixa freqüência e baixos níveis de aceleração, como em máquinas de baixa velocidade etestes estruturais.

Figura 12 - Modelo de Flexão

MATERIAIS PIEZOELÉTRICOS

Dois tipos básicos de materiais piezoelétricos são usados na construção de acelerômetros:quartzo natural (o Brasil é o principal fornecedor) e uma variedade de cerâmicas sinterizadas.

QUARTZO

Considerando que quartzo é um material piezoelétrico natural, ele não tem nenhuma tendênciapara relaxar a um estado alternativo e é considerado o mais estável de todos os materiaispiezoeléctricos. Além disso, o quartzo virtualmente não tem nenhum efeito piroelétrico (ruído


9 of 16 07/04/2014 10:27

devido à oscilações de temperatura), o que lhe garante alta estabilidade mesmo em ambientestermicamente ativos. Tais características tornam o quartzo a opção ideal para acelerômetros dereferência.

Considerando que o quartzo tem um baixo valor de capacitância, a sensibilidade de voltagem érelativamente alta quando comparada à maioria dos materiais cerâmicos, o que o torna idealpara uso em modo ICP. Reciprocamente, a sensibilidade de carga de quartzo é baixa o que inibea sua utilização em sistemas de carga amplificada. A máxima temperatura de operação deacelerômetros de quartzo é de 315° C (600 °F).

CERÂMICAS PIEZOELÉTRICAS SINTERIZADAS

Todos as cerâmicas piezoelétricas são produzidas pelo homem e são transformadasartificialmente em materiais piezoelétricos por um processo de polarização através expsição àum campo elétrico de altíssima intensidade. Este processo alinha o dipólos elétricos, fazendocom que o material se torne piezoelétrico.

Infelizmente, essa polarização tende a relaxar de forma exponencial com o passar do tempo, atéchegar a um estado estável. Se a cerâmica é exposta a temperaturas elevadas ou a camposelétricos que se aproximam da voltagem de "polarização", as propriedades piezoelétricas podemser alteradas drasticamente ou até destruídas. A acumulação de níveis altos de carga estática,por longos períodos também pode reduzir as propriedades piezoelétricas.

Uma grande variedade de materiais cerâmicos foi desenvolvida especificamente para empregoem acelerômetros, visando atender as exigências de diversas aplicações. Citaremos três tiposprincipais:

Cerâmicas de alta sensibilidade a voltagem - usadas em acelerômetros tipo ICP de uso geral. Cerâmicas de alta sensibilidade a carga - usadas para sensores de modo de carga, com

alcances de temperatura até 400° F, ou acelerômetros ICP de alta resolução. Cerâmicas de alta temperatura ? usadas em acelerômetros de modo de carga, com limite de

temperatura de até 600° F, para monitoramento de turbinas e máquinas super aquecidas.

SENSIBILIDADE DOS ACELERÔMETROS PIEZOELÉTRICOS

De maneira oposta aos sensores de velocidade, os acelerômetros operam abaixo de sua primeirafreqüência natural. O rápido aumento de sensibilidade ao se aproximar da ressonância (verFigura 13) é uma característica intrínseca dos acelerômetros que, em última análise, sãosistemas massa-mola não amortecidos de um grau de liberdade.

A maioria dos acelerômetros pode operar até aproximadamente 1/3 de sua freqüência naturalcom um desvio de sensibilidade da ordem de 10%. Nos modelos com maior amortecimento essedesvio já ocorre a 1/5 da freqüência natural. Note que, na curva genérica mostrada na Figura13, o eixo das freqüências é normalizado e representado como a razão entre a freqüência deoperação e a primeira freqüência natural.

Figura 13 - Sensibilidade Típica de um Acelerômetro

Para um dado cristal piezoelétrico, a sensibilidade de um acelerômetro é função direta da massa.Maior sensibilidade significa inevitavelmente maior massa com uma redução correspondente dafreqüência natural e da faixa de uso. Analogamente, acelerômetros com faixas de freqüênciaelevadas são pequenos e leves e possuem baixas sensibilidades (ver Figura 14).


10 of 16 07/04/2014 10:27

Figura 14 - Relação entre a Sensibilidade do Acelerômetro e sua Freqüência Natural.

Embora um acelerômetro tipicamente apresente uma faixa dinâmica muito extensa de 90 dB oumais, os melhores resultados são obtidos quando o acelerômetro possui a maior sensibilidadedisponível para a faixa de freqüência de interesse.

O acelerômetro piezoelétrico é um aparelho autogerador, porém possui impedância de saídamuito elevada e, consequentemente, requer o uso de circuitos eletrônicos de conversão deimpedância, que podem ser instalados dentro do acelerômetro, fora dele (mas próximo), ou nopróprio aparelho de monitoramento ou análise.

O uso de circuito eletrônico externo em uma localização arejada e distante do acelerômetro,permite ao sensor tolerar temperaturas muito mais elevadas, de até 760 °C em algumasunidades especiais.

Entretanto, a transmissão do sinal de alta impedância do acelerômetro até o circuito deconversão requer cabos e conectores especiais de baixo ruído (geralmente caros e poucoresistentes), além disso, o cabo deve ser fixado firmemente para evitar ruído triboelétrico.

Nas aplicações usuais em máquinas, o uso de acelerômetros com amplificadores internos é maisindicado, a menos que haja restrições quanto à temperatura. Acelerômetros tipo ICP são muitomais convenientes, pois empregam cabos e conectores convencionais e de baixo custo, mas sãolimitados a temperaturas da ordem de 120 a 180 °C.

OPERAÇÃO

O acelerômetros tipo ICP pode ser conectado a qualquer instrumento, como medidor devibração, analisador de espectro ou coletor de dados, dotado de uma fonte de alimentaçãoapropriada (18 a 24 Vcc, com limitador de corrente de 2 a 4 mA). O sinal de baixa impedânciadesse sensor pode ser transmitido em ambientes industriais a longas distâncias, por um simplesfio duplo enrolado ou um cabo coaxial padrão.

Além de prover a crucial conversão de impedância, os circuitos ICP também podem incluir outroscondicionamentos de sinal como integração, filtragem e até mesmo medição de nível com saídade corrente contínua de 4 a 20 mA, compatível com Controladores Lógicos Programáveis - CLP's.Duas montagens típicas de acelerômetro de ICP são mostradas abaixo:

Figura 15 - Sistemas de Montagem ICP

Acelerômetros de Carga têm alta impedância de saída e fornecem sinais de carga,


11 of 16 07/04/2014 10:27

extremamente sensíveis à ruídos induzidos pelos campos eletromagnéticos comuns emambientes industriais.

Dessa forma, para se obter medidas confiáveis, antes de transmitir o sinal desses sensores a umdispositivo de leitura ou registro, é imprescindível reduzir a impedância da linha, através deamplificadores ou conversores de carga. Esses instrumentos são constituídos por amplificadoresde realimentação capacitiva, com alta impedância de entrada e baixa impedância de saída.

Além da conversão de impedância, os amplificadores de carga permitem a alteração de ganho,através da seleção do capacitor de realimentação, e possuem ajustes para compensar variaçõesde sensibilidade dos sensores. Também possuem filtros passa?alta e passa?baixa para eliminarsinais fora da faixa de interesse.

Figura 16 - Amplificador de Carga

Existem também Amplificadores de Modo Dual, que provêm energia e condicionamento de sinaltanto para acelerômetros de carga como para acelerômetros tipo ICP.

Tipicamente, acelerômetros de modo de carga são usados quando se requer altas temperaturasde operação. Se o sinal de medida deve ser transmitido por longas distâncias, recomenda?se ouso de um conversor de carga próximo ao acelerômetro, para reduzir a sensibilidade a ruídos.

Figura 17 - Sistema com Conversor de Carga

Devido à alta impedância de saída dos acelerômetros de carga, sua utilização requer osseguintes cuidados: Sempre use cabo coaxial especial de baixo ruído e baixa capacitância entre o acelerômetro e

amplificador de carga. Este cabo é especialmente tratado para reduzir os efeitos de ruídoinduzido pelo movimento (efeito triboelétrico). Sempre mantenha os conectores do acelerômetro e dos cabos completamente secos e limpos,

para assegurar alta resistência de isolamento e baixas capacitâncias.

RESPOSTA DE FREQÜÊNCIA DA MONTAGEM

Uma das considerações mais importantes com relação à montagem de acelerômetros, é o seuefeito sobre a faixa de freqüência utilizável.

As faixas de utilização dos acelerômetros apresentadas nos folhetos de especificações sãodeterminadas a partir de freqüências naturais de montagem obtidas em condições ideais, isto é,com o acelerômetro firmemente aparafusado a uma superfície de alta dureza e perfeitamenteretificada, de modo que a freqüência ressonante seja a mais alta possível.

A adição de qualquer massa, como uma base de montagem adesiva ou magnética, reduzirá afreqüência natural da montagem e a faixa de freqüência utilizável. O uso de uma junta deborracha ou de qualquer material flexível cria um efeito de filtragem mecânica, reduzindodrasticamente a transmissibilidade em altas freqüências.

PREPARAÇÃO DA SUPERFÍCIE

Para melhores resultados de medida, especialmente em altas freqüências, é importante preparar


12 of 16 07/04/2014 10:27

uma superfície lisa e plana na máquina, aonde o acelerômetro será fixado. Inspecione a áreapara assegurar que nenhum pedaço de metal ou outras partículas externas interfiram nassuperfícies em contato. A aplicação de uma camada fina de graxa de silicone entre a base doacelerômetro e a superfície de montagem, também ajudará a alcançar um alto grau de contatoentre as superfícies, melhorando a transmissibilidade de altas freqüências.

MONTAGEM COM PARAFUSO PRISIONEIRO

Para instalações permanentes e medições acima de 4.000 Hz, é recomendada a montagem comparafuso, de acordo com as seguintes instruções:

Esmerilhe e aplaine uma área da máquina, de diâmetro 2 mm maior que o diâmetro do sensor. Prepare um furo com uma tolerância de perpendicularidade à superfície de montagem, rosca e

profundidade recomendadas pelo fabricante. A borda do furo deve ser escareada para evitar que o acelerômetro repouse sobre a borda. a transmissão de aceleração e afetará a precisão da medida. Ao aparafusar o acelerômetro, aplique apenas o torque recomendado pelo fabricante e evite

que o parafuso encoste no fundo do furo da base do acelerômetro e deforme a base,introduzindo tensão no cristal. Para evitar esse efeito, alguns parafusos de montagem tem umaponta flexível que deve ser montada do lado do acelerômetro.

Figura 18 - Montagem Padrão com Parafuso Prisioneiro

MONTAGEM COM ADESIVO

Quando a montagem por parafuso não é viável, a montagem com adesivo é a alternativaseguinte.

Neste caso, recomenda?se o uso de uma base ou bloco de montagem, para impedir que oadesivo danifique o acelerômetro entupindo as roscas de montagem. A maioria das basesdisponíveis oferece isolamento elétrico, que impede a geração de ruído por laços de terra("ground?loop").

Para a maioria das aplicações com adesivos, blocos de montagem semelhantes a Série 080 daPCB são altamente recomendados. Estes blocos mantêm a base do acelerômetro limpa e livre deepoxi e permitem uma fácil remoção sem dano para o acelerômetro ou para o objeto de teste.

Em temperaturas muito altas, aplique um pedaço de laminado de mica entre o acelerômetro e asuperfície da máquina com adesivo adequado. Depois do teste, a mica pode ser removidafacilmente sem dano ao sensor ou ao acabamento da superfície.

A planicidade da superfície, a dureza do adesivo, a força da adesão e o nível de aceleraçãoafetam a faixa de freqüência utilizável. Em baixos níveis de aceleração, se a superfície demontagem for bem plana e o sensor apertado firmemente contra a superfície para expulsar oexcesso de adesivo, o limite nominal de freqüência poderá ser facilmente alcançado.Irregularidades da superfície ou uma camada muito espessa de adesivo, reduzem a faixa defreqüência utilizável.

Figura 19 - Montagem padrão com adesivo

O tipo de adesivo recomendado depende da aplicação particular, principalmente da temperaturada superfície do tempo de utilização.

Adesivos de cura rápida a base de cianoacrilatos ou cera de abelha oferecem uma boa solução


13 of 16 07/04/2014 10:27

para instalação rápida em aplicações provisórias à temperatura ambiente. Adesivos temporáriosmenos duros reduzirão o alcance de freqüência utilizável e são recomendados apenas para baixafreqüência (<1.000 Hz) e testes estruturais a temperatura ambiente.

Adesivos á base de epoxi e cimento dental oferecem dureza elevada para uma boa resposta emalta freqüência e resistência à temperatura adequada para uma montagem permanente.

Existe uma variedade de adesivos de aplicações industriais cujos fabricantes fornecem boletinscom instruções de aplicação detalhadas. Um artigo da revista "Popular Science" de Fev./ 1989,"Segredos das Super Colas", provê dados informativos sobre vários adesivos.

MONTAGEM MAGNÉTICA

O uso de bases magnéticas é um método muito conveniente para fixação temporária asuperfícies magnéticas. Imãs que oferecem elevadas forças magnéticas provêem melhorresposta em altas

Figura 20 - Montagens padrão com bases magnéticas

Para bons resultados, a base magnética plana deve ser aplicada somente a superfícies lisas eplanas. Uma camada fina de graxa de silicone deve ser aplicada entre o sensor e basemagnética, como também entre a base magnética e a superfície.

Quando a superfície é irregular ou não magnética, a base magnética pode ser aplicada um discode aço colado com epoxi sobre a superfície. Isso também garante que as medições periódicasserão feitas exatamente na mesma posição, assegurando maior consistência às curvas detendência. Em superfícies curvas como caixas de mancais e tubulações bases magnéticas compólos salientes podem ser usadas, porém, sua resposta de freqüência é inferior à das basesplanas.

A escolha correta da base e uma preparação adequada de superfície de montagem é crítica parase obter medidas confiáveis, especialmente em altas freqüências. Instalações pobres podemcausar até 50% de redução na faixa de freqüência utilizável.

Figura 21 - Outras montagens com base magnética

MONTAGEM MANUAL COM PONTEIRAS

Acelerômetros presos pela mão com ponteiras devem ser utilizados somente quando outrastécnicas de montagem não são viáveis. A orientação e o nível de pressão aplicada, criam uma


14 of 16 07/04/2014 10:27

grande variabilidade que afeta a consistência das curvas de tendência. Este método só pode serusado para freqüências abaixo de 1000 Hz.

MASSA ADICIONADA

As características vibracionais de uma estrutura pode ser alteradas pela adição de massa. Umacelerômetro muito pesado montado em uma região pouco rígida da estrutura da máquina podeproduzir dados incorretos. Procure sempre selecionar o acelerômetro e o método de montagemmais adequados para cada aplicação.

CABOS E CONEXÕES

Os cabos devem ser bem fixados à estrutura com uma braçadeira, fita ou adesivo para minimizara movimentação do cabo e as tensões introduzidas junto aos conectores. A movimentação docabo pode gerar ruídos, especialmente em linhas de alta impedância, fenômeno este conhecidocomo efeito triboelétrico. Tensões junto aos conectores pode causar perda de dados devido aconexões intermitentes ou interrompidas.

As conexões podem ser protegidas com vedador de silicone RTV ou tubos termo?contráteis, paraevitar contaminação por umidade e sujeira. Anéis O?Ring com tubos termo?contráteis podemuma vedação eficaz para proteger conexões em uso submerso de curto prazo. O vedador desilicone apenas oferece proteção contra esguichos ou névoas.

Sob condições de choques elevados ou quando os cabos têm que sofrer grandes movimentos,como na monitoração de talhas e pontes rolantes, é recomendado o uso de cabos leves paraminimizar tensão induzida nos conectores e a possibilidade de conexões intermitentes ouabertas.

Para maior confiabilidade em aplicações que envolvam níveis muito elevados de choques érecomendado o uso de conexão com solda.

Figura 22 - Cuidados com cabos e conexões

ATENÇAO: CUIDADO COM O ACELERÔMETRO

Negligência no manuseio de acelerômetros, principalmente com bases magnéticas, pode gerarimpactos prejudiciais, que alteram a sua resposta de freqüência, afetando a qualidade dos dadosobtidos durante um longo período, pois essa alteração somente será detectada na próximacalibração, geralmente anual.


15 of 16 07/04/2014 10:27

Figura 23 - Situações que provocam impactos indesejáveis no acelerômetro.

Fonte: Apostila CSI:Treinamento Análise de Vibrações Nível I – VIB I

Desenvolvida por: Eng. Remo Alberto Pierri – Transmotor MBC Eng. Maurício Coronado - GYR


16 of 16 07/04/2014 10:27

Technology

NSK - Sensores de Vibração