INSTRUMENTAÇÃO PARA COLETA E ANÁLISE DE DADOS

Os iniciantes em análise de vibração sempre se deparam com termos novos e até mesmo estranhos que são usados para descrever a instrumentação que deverão manipular.

É importante conhecer os instrumentos e os dispositivos que são particularmente úteis na análise de máquinas e alguma terminologia básica. Essas informações poderão também propiciar um ponto de partida para a seleção dos instrumentos mais adequados para uma aplicação específica.


Pré-Amplificadores

A leitura direta do sinal de saída de um acelerômetro piezoeléctrico através de uma linha de impedância relativamente alta, pode reduzir significativamente a sensibilidade do acelerômetro, bem como limitar a sua resposta de frequência.

Para eliminar esse efeito, o sinal de saída do acelerômetro é aplicado a um pré-amplificador que possui uma impedância de entrada muito alta e uma baixa impedância de saída, adequada para conexão com instrumentos de medição e análise.

Existem dois tipos de pré-amplificadores para acelerômetros:


Pré-amplificadores de tensão foram largamente usados no passado, mas caíram em desuso nos últimos anos, logo que os amplificadores de carga se tornaram disponíveis. A principal razão para isso é que, em pré-amplificadores de voltagem, a sensibilidade da cadeia de medição depende da capacitância do cabo de conexão, de modo que a calibração do sistema deve ser refeita sempre que o comprimento do cabo for alterado significativamente.

Amplificadores de carga são bastante utilizados hoje em dia principalmente porque eliminam a influência de capacitâncias cabos de conexão, não sendo necessário se preocupar com o seu comprimento.

Os folhetos de especificações dos acelerômetros apresentam ambas as sensibilidades, de voltagem e de carga, para possibilitar o seu emprego tanto com pré-amplificadores de tensão como com amplificadores de carga.

Além da função de conversão de impedância, a maioria dos pré-amplificadores apresenta amplificação variável e outras facilidades para o condicionamento do sinal. Vários modelos incluem integradores para converter o sinal de saída de aceleração em sinais de velocidade ou deslocamento, o que é muito útil quando o sinal alimentar um analisador não equipado com integradores.

Para atenuar ruídos e sinais que se situam fora da faixa de frequência de interesse, a maioria dos pré-amplificadores é equipada com uma coleção de filtros passa-alta e passa-baixa.

Outras facilidades convenientes são um indicador de sobrecarga, um oscilador de referência e um indicador da condição da bateria, quando aplicável.


Filtros

Os filtros são provavelmente os equipamentos auxiliares mais largamente utilizados em análise de vibrações. Simplesmente definido, um filtro limita o sinal de vibração em uma faixa ou banda de frequências pode ser isolada para medição ou estudo.

Os filtros podem ser classificados de acordo com 3 critérios:
 em função da banda de passagem em: passa-alta, passa-baixa, passa-banda e rejeita-banda.
 em função do tipo de sintonia em: fixo, manual ou automático.
 em função do método de implementação em: ativos ou passivos.

Exemplos de aplicação:

 filtros passa-banda ajustáveis são largamente usados em analisadores de vibração.
 filtros passa-baixa são aplicados a sinais de deslocamento de eixos medidos com proxímetros, para eliminar altas freqüências geradas por riscos na superfície.
 filtros passa-alta são geralmente necessários para eliminar o ruído de baixa frequência típico de integradores de sinais.
 filtros rejeita-banda são empregados para excluir uma componente de amplitude elevada para melhor analisar as demais, 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.


Figura 1 - Sinais de Deslocamento de Eixo (a) não filtrados e (b) com filtro passa-baixa.

Dois tipos de filtros passa-banda são comumente usados em analisadores:
1) filtro de banda constante, através do qual irá passar uma banda de freqüências de largura constante, não importa aonde a frequência central do filtro estiver sintonizada. Esse tipo de filtro fornece uma resolução uniforme ao longo da escala de freqüências.
2) filtro de percentagem constante, cuja banda passante é uma porcentagem da frequência de sintonia, de tal forma que, se o filtro for sintonizado em freqüências mais elevadas, o largura da banda será maior, com a correspondente redução na resolução.

A análise com banda de largura constante oferece maior capacidade de separação das freqüências mais altas e, ao ser plotada em escala de frequência linear, é extremamente valiosa para se detectar harmônicos. Porém requer um tempo de processamento elevado.

A resolução da análise com banda de percentagem constante é adequada para estudos ambientais de vibrações e ruído, mas pode ser insuficiente para separar os diversos componentes de interesse em espectros de vibrações de máquinas complexas, principalmente em freqüências altas.

Por isso, em estudos de máquinas, ela é geralmente empregada para uma avaliação inicial mais rápida e para a seleção da faixa mais significativa do sinal, na qual será realizada uma análise com largura de banda constante, se necessário.

Em analisadores FFT, em que velocidade de processamento não é problema, as análises são normalmente realizadas com banda de largura constante, com exceção de estudos de ruído e vibrações ambientais, em que se empregam bandas de porcentagem constante, que representam melhor a sensibilidade humana às variações de frequência.


Medidor de Vibração de Uso Geral

Um medidor de vibração de uso geral consiste basicamente de duas partes. Um sensor (geralmente de aceleração) que é montado no ponto de medição para converter as vibrações mecânicas em um sinal elétrico, e um instrumento para medição e indicação, que consiste de:
 Um circuito seletor de filtros para limitar as extremidades inferior e superior da faixa de frequências, 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.


Analisadores de Freqüência


Analisador de Sintonia Manual

Um analisador de sintonia manual é um medidor de vibrações dotado de um filtro passa-banda que permite escolher uma frequência específica para medição, para determinar a origem de vibração, além da sua severidade.

Tal analisador apresenta também um seletor que desativa e ativa o filtro e permite selecionar a sua largura: uma banda mais larga para procura e uma banda mais estreita para sintonia mais precisa de uma frequência especifica.

Saídas de sinal filtrado e não filtrado, para visualização em osciloscópio, permitem verificar se a frequência dominante foi encontrada, o é importante quando se trabalha com sinais complexos.

Embora não incluídos em todos os analisadores, filtros passa-baixa e passa-alta são muito úteis quando se torna necessário "limpar" um sinal, principalmente no caso de análise de órbitas.

Saídas em sinal contínuo proporcionais à amplitude e à frequência podem ser usados para construir gráficos de espectros. Entretanto, esse é um método lento e pouco eficaz. Uma aplicação prática da saída de sinal contínuo proporcional à amplitude é suprir um registrador gráfico, para monitoração contínua de uma componente crítica da vibração.

Analisadores de Sintonia Automática

Um analisador de sintonia automática permite o uso de um sinal externo de referência para ajuste o filtro. Geralmente, esse sinal é gerado por um evento ou marca no eixo, que se repete apenas uma vez por revolução, de tal forma que o filtro permanece vinculado à velocidade de rotação, mesmo que esta varie.

Circuítos separados ou incorporados ao analisador permitem multiplicar e/ou dividir a frequência do sinal de referência para sintonizar o filtro em um múltiplo da frequência de rotação.

Esses analisadores geralmente permitem medir a fase do sinal filtrado vibração em relação ao de referência e possuem saídas de sinal contínuo proporcional à frequência, amplitude filtrada e fase, muito úteis em balanceamentos. Em certos modelos, as saídas de sinal contínuo são disponíveis tanto em coordenadas retangulares quanto polares.

Analisadores de sintonia automática de dois canais permitem construir órbitas filtradas e fornecem informações de fase e amplitude em ambos os canais para um balanceamento em dois planos.

Analisadores de Espectro de Tempo Real

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.

Assim, os analisadores de tempo real fornecem uma exibição gráfica virtualmente instantânea do espectro analisado em uma tela constantemente atualizada. A Figura 2 mostra dois analisadores de tempo real do fabricante dinamarquês Brüel & Kjer.

Além de reduzir drasticamente o tempo de análise, esses analisadores permitem acompanhar mudanças dinâmicas e espectrais, tais como as que ocorrem quando se aumenta a velocidade de uma máquina – característica muito útil em testes de vibração e no desenvolvimento de protótipos. Os analisadores de tempo real são também particularmente adequados para análise de sinais de curta duração, como os que ocorrem em vibrações transientes e choques.

Figura 2 - Analisadores de Espectro de Tempo Real

Os modernos analisadores de tempo real são instrumentos digitais que empregam a Transformada Rápida de Fourier e podem armazenar os espectros já analisados e tranferi-los para a memória de um computador, facilitando a emissão de relatórios documentados e a comparação de espectros, características indispensáveis em programas de monitoramento da condição de máquinas.

A Transformada Rápida de Fourier (FFT - Fast Fourier Transform) é um algoritmo computacional desenvolvido a partir da Série de Fourier e concebido para máxima eficiência em computadores digitais.

Os analisadores FFT executam análises de banda estreita e são, desta forma, particularmente adequados para análise de vibrações em máquinas. Eles também são capazes de exibir o sinal em função do o tempo, o que é uma facilidade bastante útil na análise de transientes.

Analisadores FFT de dois canais podem comparar dois sinais e realizar várias análises matemáticas que permitem, por exemplo, avaliar se existe uma relação causa-efeito entre os sinais, determinar a curva de resposta de sensores, a transmissibilidade de isoladores de vibração, etc.

A capacidade de capturar transientes é outra característica muito útil dos analisadores de tempo real, pois permite determinar as frequências naturais de estruturas e componentes, através da excitação por impacto.

Especificações Importantes de Analisadores de Espectro

Banda de Tempo Real

Quando o tempo de processamento de cada espectro é inferior ao tempo de aquisição de cada registro (Figura 4), a partir do segundo registro é possível calcular um espectro enquanto um novo registro é adquirido. Esta condição de operação é denominada de Operação em Tempo Real.


REGISTRO 1 REGISTRO 2 REGISTRO 3 REGISTRO 4
FFT 1 FFT 2 FFT 3

Figura 3 - Operação Em Tempo Real

Por outro lado, quando o tempo de processamento de cada transformada de Fourier é maior do que o tempo de aquisição de cada registro (Figura 5), é necessário interromper a aquisição por algum tempo entre dois registros consecutivos para aguardar o término do processamento. Neste caso não há Operação em Tempo Real, porque alguns trechos da Forma de Onda original são ignorados.


REGISTRO 3 REGISTRO 2 REGISTRO 3 REGISTRO 4
FFT 1 FFT 2 FFT 3

Figura 4 - Operação Sem Tempo Real

Como regra geral, a largura da Banda de Tempo Real é de pouca importância na análise de sinas estáveis. Analistas com alguma experiência podem realizar análises bastante complexas e eficazes desses sinais com analisadores de baixa Banda de Tempo Real.

Porém essa característica pode ser muito importante para a análise de sinais que apresentam alterações rápidas, como aqueles encontrados durante a partida, a parada ou as alterações de condições operacionais das máquinas. Nestas situações analisadores com valores elevados de Banda de Tempo Real são altamente recomendados.

Alcance Dinâmico e Nível de Ruído

Quando coletando baixas freqüências ou dados de vibração com baixo nível de amplitude, é importante saber o que representa alcance dinâmico para seu analisador em particular.

O alcance dinâmico é a diferença em amplitude entre o maior sinal acomodado sem saturação e o menor sinal detectável, logo acima do nível de “ruído”, como mostrado na Figura 5.

Um grande alcance dinâmico significa que o instrumento pode mostrar claramente as vibrações muito pequenas e muito grandes no mesmo espectro, assegurando que picos que representam defeitos incipientes nas máquinas poderão ser vistos com maior antecedência .

Figura 5 – O “alcance dinâmico” é a diferença entre
o mais alto e o mais baixo sinal detectável

O alcance dinâmico normalmente é expresso em decibéis, ou dBs. Instrumentos típicos operarão entre 60-96 dBs. Em analisadores digitais o alcance dinâmico é função da resolução do conversor analógico digital, geralmente expressa em número de bits: 8-bit, 12-bit, 14-bit ou mais alto.

Quanto mais alto for o número de decibéis, ou o número de bits de conversor analógico digital, maior será o alcance dinâmico.

Em um instrumento com um alcance dinâmico pequeno, o nível de ruído visível pode ocupar uma porção considerável da exibição, de forma que componentes de baixa amplitude são mascarados pelo ruído de máquinas, não sendo mais discerníveis no espectro, como ilustrado na Figura 6.

Figura 6 – Com alcance dinâmico pequeno, picos espectrais
importantes podem ser ocultos abaixo do nível de ruído.

Em um instrumento com grande alcance dinâmico o nível de ruído é restrito a um nível mínimo. Como resultado, o pico espectral de baixa amplitude são claramente visíveis sobre o nível de ruído, e sua amplitude pode ser medida com precisão como ilustrado na Figura 7.

Figura 7 – Um instrumento com maior alcance dinâmico exibirá
claramente pequenos picos de amplitude acima do nível de ruído.

Resolução, Zoom e Expansão de Freqüência

Além de grande alcance dinâmico suficiente, é igualmente importante ter alta resolução de frequência. Esta característica é especialmente valiosa na análises de motores elétricos, caixas de engrenagens e outras máquinas onde ocorram modulações ou batimentos.

Na análise dessas máquinas, componentes espectrais de alta frequência proximamente espaçados devem ser separados e precisamente identificados. Isto pode ser conseguido de duas formas:

• através de alta resolução, geralmente expressa por um grande número de linhas (3200 linhas ou mais são resoluções típicas de analisadores atuais).

• pela capacidade de zoom, isto é, de concentrar a máxima resolução em uma faixa de frequências estreita, escolhida pelo operador.

A capacidade de zoom não deve ser confundida com expansão de freqüência. A expansão de freqüência envolve a ampliação de parte do gráfico de espectro para ocupar toda a largura de exibição da tela sem aumento de resolução. Isto é, a expansão de freqüência não aumenta a precisão de análise e não revela nenhum pico novo, mas somente torna mais fácil identificar visualmente os picos no gráfico do espectro.

Figura 8 –Exemplo de zoom que mostra claramente a separação picos proximamente espaçados.


Tipos de Médias de Espectros

Nos analisadores digitais diversos tipos de média podem ser empregados no cálculo dos espectros.

Geralmente, nos analisadores atuais os seguintes tipos de médias são disponíveis:
Normal; Decrescente; Valores Máximos ou Peak Hold; Síncrona no Domínio da Freqüência ou Seguimento de Ordem; e Síncrona no Domínio do Tempo.

Apresentaremos a seguir as principais aplicações e indicação de uso para cada um desses tipos de média de espectros.


• Média Normal (também chamada linear averaging ou ensemble averaging)

Definição: Cada linha do espectro médio resultante da operação Média Normal é a média aritmética das linhas correspondentes dos N espectros. N = Quantidade de espectros ou de registros no tempo (formas de onda) empregados no cálculo da média.

Função: Melhorar a precisão do espectro, reduzindo a influência de flutuações sobre o resultado das medições.


• Valores Máximos (Peak Hold)

Definição: Cada linha do espectro resultante é o valor máximo observado nas linhas correspondentes dos N espectros.

Funções: Detectar ressonâncias durante a partida ou parada de máquinas
Verificar flutuações de amplitude e / ou de frequência
Medir a intensidade de modulação de amplitude ou de batimentos


• Média Decrescente (também chamada média normal negativa)

Definição: As linhas de cada novo espectro são subtraídas das linhas correspondentes de uma média normal crescente calculada anteriormente e o resultado é dividido pelo número de espectros menos um. Disponível apenas em certos analisadores avançados.

Função: Remover sinais indesejados do resultado de uma medição.

- Se a média decrescente for calculada com a máquina em estudo desligada, o ruído de fundo proveniente de outras máquinas será eliminado.
- Se a média decrescente for calculada com o acionador desacoplado, as vibrações provenientes da máquina acionada serão eliminadas.
- Se a média decrescente for calculada após um teste de impacto realizado com a máquina ligada, as vibrações provenientes do funcionamento da máquina serão eliminadas, resultando somente as vibrações provocadas pelos impactos.

• Média Sincrona no Domínio da Freqüência - Seguimento de Ordem (Order Tracking)

Definição: Adquire N formas de onda com taxa de amostragem comandada por tacômetro e calcula os respectivos espectros. Apresenta um espectro médio cujas linhas são a média aritmética das linhas correspondentes dos N espectros e cuja escala de freqüência é calibrada em múltiplos da velocidade de rotação (ordens).

Função: Eliminar a perda de definição dos espectros devido à pequenas flutuações da velocidade de rotação (até 6%).

Atenção: Vibrações aleatórias, provenientes de máquinas vizinhas e relacionadas com a freqüência da rede elétrica são atenuadas. Submúltiplos da freqüência de rotação e vibrações provenientes de rolamentos não são atenuados.

• Média Sincrona no Domínio do Tempo – MSDT (Syncronous Time Averaging –STA)

Definição: Adquire N formas de onda, com disparo (início) comandado por tacômetro e com uma taxa de amostragem é igual a 2,56 vezes a freqüência do tacômetro x o número de ordens selecionado. Obtém uma Forma de Onda Média cujos pontos são a média aritmética dos pontos correspondentes das N formas de onda. Calcula e apresenta o espectro da Forma de Onda Média.

Função: Atenuar sinais não síncronos, provenientes de equipamentos ou componentes vizinhos, ruído, etc. O fator de atenuação é proporcional à raiz quadrada do número de registros.

Atenção: Atenua também as vibrações provenientes de rolamentos e as relacionadas com instabilidades de mancais de óleo e com a freqüência da rede elétrica.

Aplicação: Em sistemas complexos, como caixas de engrenagens e prensas de papel, que possuem vários componentes operando em diferentes velocidades de rotação, é possível calcular a contribuição de um componente para a energia total da vibração, realizando uma MSDT sincronizada com esse componente. Além disso, a MSDT também elimina a perda de definição do espectro devido à pequenas variações de rotação.
Janela

Outra escolha, confrontando o usuário, é selecionar uma determinada função de janela.

O analisador não pode executar a transformação de Fourier continuamente, sendo assim ele deve examinar os dados divididos em uma série de blocos sequenciais denominados registros de tempo.

Uma janela é uma função matemática que é multiplicada por cada registro de tempo, visando eliminar as descontinuidades que seriam geradas pela FFT ao assumir a repetição indefinida do registro ao longo do tempo.

As janelas usualmente disponíveis nos analisadores atuais são: Uniforme, Hanning, Flat-Top, Force e Exponencial. Suas definições e aplicações serão apresentadas a seguir.

A janela uniforme não aplica nenhuma correção ao registro e é empregada na análise de transitórios de curta duração.

As outras janelas forçam o começo e o fim do registro de tempo para um valor zero, como ilustrado da figura 9.


Figura 9

A figura 10 mostra a grande melhoria obtida no espectro pela aplicação de uma janela.

Para a maioria das aplicações de análise de vibração, a janela mais adequada é a janela de Hanning.

A janela de Hanning espalha a energia de uma senoíde por mais de três linhas do espectro.

A figura 11 mostra a atenuação introduzida pela janela Hanning ao se variar a freqüência do sinal de entrada. Se a freqüência não coincide com uma linha do espectro a medida de amplitude pode ter um erro de até -1,5 dB (-16%).

Figura 10

Figura 11

Para evitar esse erro, os analisadores e softwares da CSI empregam a função “Locate” (localizar pico), que usa um algorítmo especial para definir um valor mais preciso da frequência a partir do maior valor próximo à posição do cursor e dos valores das duas linhas adjacentes (figura 12).




A




f c
F Fc

F = frequência da célula com maior valor de amplitude
A = diferença em dB entre as amplitudes da célula F e da célula adjacente com maior amplitude
c = f . (2 – 10A) / (1 + 10A)
Fc = freqüência corrigida = F  c ( + se a célula seguinte a F tiver valor maior do que a anterior
– no caso contrário )

Figura 12 – Localização precisa da freqüência

Outros analisadores oferecem a janela Flat-Top como alternativa. Essa janela reduz o erro de amplitude para apenas -0,1 dB (-1%), porém com prejuízo da resolução de freqüência, pois a janela Flat-Top tem menos capacidade de separar componentes próximas do que a janela de Hanning.

As janelas Force e Response são usadas em ensaios de ressonância e de análise modal com excitação por impacto, reduzindo o ruído do sinal de força e evitando o truncamento do sinal da resposta. (vide figura 13).


Figura 13



Coletores de Dados FFT

O coletor de dados FFT é o instrumento básico de um Programa de Manutenção Preditiva. Esses instrumentos são disponíveis em muitos modelos e configurações, como mostrado na Figura 14, e sua escolha dependerá dos tipos de análise necessários para as máquinas a serem monitoradas.

Figura 14 – Uma variedade de coletores e analisadores de dados disponível para o analista

Por exemplo, algumas características importantes a considerar são:


 Alta resolução
 Zoom verdadeiro
 Entrada para estroboscópico e tacômetro
 Análise em dois canais
 Gráfico polar e geração de órbita
 Análise de transitórios
 Gráficos de partida e parada (Bodé e Nyquist)

O coletor de dados de preditiva combina a habilidade para medir vibração e analisar espectros com armazenamento automático. Possue recursos de comunicação com microcomputadores, para receber rotas com todas as condições de medição programadas e transferir os resultados das medições ao computador.

O coletor deve ser tão pequeno e tão leve quanto possível, de forma que o analista não se cansará rapidamente ao carregá-lo. Deve ser projetado para resistir à condições de uso adversas devendo ser dotado uma alça de segurança que deixa ambas as mãos livres.

A maioria dos coletores de dados pode capturar forma de onda no tempo e espectros de freqüência. Estes podem ser exibidos em uma tela de LCD (cristal líquido), em “tempo real”, se desejado.

O alcance de freqüência do coletor de dados comum é de 60 CPM (1Hz) até aproximadamente 1,500,000 CPM (25,000 Hz). Coletores de dados avançados têm freqüência variando de DC até 40.000 Hz e são dotados de recursos para análise em dois ou mais canais simultaneamente.

Um coletor de vibração típico funciona com baterias recarregáveis e possui um meio para indicar o momento adequado para a recarga da bateria. Utiliza um sensor (geralmente de aceleração), e é capaz de medir a amplitude tanto de velocidade quanto de deslocamento e aceleração, com funções dinâmicas de nível global, forma de onda e espectro com resolução de até 3200 linhas ou mais.

Essa resolução permite separar componentes espectrais muito próximas, como, por exemplo, a freqüência da rede elétrica da velocidade de rotação de um motor de dois polos, ou as bandas laterais de um espectro de caixa de engrenagens.

A Figura 15 mostra um modelo de coletor de vibração básico, barato e de uso simples, adequado para o início qualquer programa de acompanhamento de vibração.

Pesando só 1,41 kg, esse coletor satisfaz todas as necessidades para uma rápida e prática coleta de dados com grande precisão e detalhamento. A memória padrão de 1,5 Mbytes permite armazenar até 1000 espectros de 800 linhas.

Uma bateria com capacidade de 10 horas de uso constante (12 horas em um uso típico) permite estender a coleta de dados sem necessidade de recarga, eliminando a preocupação com eventual falha no meio da rota.

Para facilitar a análise durante a coleta de dados possui capacidade de alarme no campo em 12 faixas de freqüências, com níveis de alarme independentes, além do tradicional alarme por nível global de vibração. Um programa opcional transforma o coletor em um instrumento para balanceamento de campo com avançadas características de automação.

Figura 15 - Coletor de Dados CSI 2117D1

Demoduladores

Demoduladores são circuítos incluídos nos analisadores e coletores FFT com o objetivo de remover a portadora de sinais modulados, para permitir a análise das moduladoras.

Em vários tipos de máquinas, é comum que componentes de amplitude altas com freqüências relativamente baixas, associadas a desbalanceamento, desalinhamento, passagem de pás, etc., dominem o espectro e dificultem a detecção de outras componentes com amplitudes relativamente baixas e freqüências mais altas, como as geradas por defeitos em rolamentos.

A demodulação aumenta a capacidade de detecção antecipada de certos defeitos porque melhora a faixa dinâmica efetiva do analisador em medições de sinais de baixo nível e alta frequência relacionados com esses defeitos, que podem ser mascarados num espectro comum por sinais de baixa frequência, que geralmente possuem amplitude muito mais elevada.

Aplicações:

• Detecção antecipada de falhas ainda não visíveis no sinal não demodulado em rolamentos, engrenagens e motores elétricos

• Diagnóstico avançado: Possibilita a filtragem de sinais para certas análises específicas.


Figura 16 - Diagrama de bloco de um demodulador típico

Pré Filtro:

Função: Remover componentes de grande amplitude que dificultam a detecção das componentes moduladas de baixas amplitudes.

Exemplos:

- Desbalanceamento, desalinhamento, passagem de pás, podem dominar o espectro mascarando freqüências de rolamentos.
- A freqüência de engrenamento pode mascarar bandas laterais geradas por defeitos das engrenagens.

Tipos de Pré Filtro do Analisador CSI 2120

Passa Alta: 0,5 / 1.0 / 2.0 / 5.0 / 10.0 k Hz

Aplicações:
- Defeitos em Rolamentos e Engrenagens
- Detecção de Ondas de Tensão geradas por impacto metal-metal, trincas de fadiga, etc.

Critérios para seleção de Filtros Passa Alta (HP):

- Para demodular frequências de engrenamento ou rolamento, escolha um filtro HP que passa essas frequências e rejeita as freqüências mais baixas.
- Para detecção de defeitos em rolamentos de máquinas de média velocidade (600 a 3600 rpm), geralmente o filtro passa-alta (HP) de 1000 Hz é uma boa escolha.
- As frequências de passagem do filtro devem ser iguais ou superiores a Fmax.
- Valores de Fmax disponíveis: 20, 50, 100, 200, 400, 500, 1000, 2000 e 5000 Hz
- É recomendável testar alguns filtros e comparar os resultados para determinar o filtro mais adequado

Filtro RPM do
Rolamento Frequência de
Engrenamento
500 Hz < 900 < 125 Hz 1 kHz 900 a 2000 < 300 Hz 2 kHz 2000 a 4000 < 600 Hz 5 kHz 4000 a 9000 < 1500 Hz 10 kHz > 9000 < 3000 Hz Passa Banda: 20 -150 / 50 - 300 / 100 - 600 / 500 - 1.000 Hz Aplicações: - modulação de engrenamento - outros eventos de freqüência conhecida - excitação de ressonâncias. Critérios para seleção Filtros Passa Banda (BP): Filtro Aplicação 20 – 150 Hz Problemas em prensas de máquinas de papel Aplicações de baixíssima rotação (< 100 rpm) 50 – 300 Hz Engrenamento de baixa rotação (100 a 600 rpm) Ressonâncias estruturais 100- 600 Hz Engrenamento de média rotação (600 a 3600 rpm) 500 – 1 kHz Engrenamento de alta rotação (> 3600 rpm)



Gravadores de Fita Magética

Gravadores de Fita Magnética são atualmente disponíveis com um grande número de canais (tipicamente 16, 32 ou 64) e são usualmente empregados no registro simultâneo de muitos pontos de medição durante os testes de partida e parada de grandes máquinas.

Na gravação direta, um sinal de entrada alternado é amplificado e aplicado a uma espira no interior do cabeçote de gravação, onde ele aparece como um fluxo magnético variável através do cabeçote.

Quando a fita de gravação magnética passa pelo cabeçote de gravação, as variações de fluxo produzem uma variação de magnetização correspondente na camada de óxido de ferro da fita.

Quando a fita magnetizada passa pelo cabeçote de reprodução, o processo é invertido. As variações de magnetização da fita induzem uma voltagem correspondente no cabeçote de reprodução, que é amplificada, gerando um sinal de saída.

Como o nível do sinal reproduzido é proporcional á taxa de mudança e não à magnitude do fluxo, a intensidade do sinal de saída decai com a freqüência do sinal. Por esse motivo, é impossível reproduzir baixas freqüências no modo de gravação direta. A resposta da maioria dos gravadores que operam desse modo é limitada a aproximadamente 50 Hz.

Para compensar a não-linearidade do processo gravação-reprodução direto e extender resposta em baixas frequências, o sistema direto utiliza um circuíto de equalização. Porém, esse circuíto introduz distorções de fase e outras não linearidades que comprometem a fidelidade do sinal. O desvio de amplitude típico em modo direto é de  3 dB, o que significa que o sinal de saída pode variar de 0,7 a 1,4 vezes em relação ao sinal de entrada, ao longo da faixa útil de frequências do gravador (tipicamente 50 a 12000 Hz).

Por essas razões, mesmo os gravadores de música de melhor qualidade não possuem fidelidade suficiente para uso em análises de vibrações. Nessa aplicação é necessário utilizar gravadores de instrumentação que empregam o processo de gravação / reprodução em frequência modulada – FM.

Na gravação em FM, os cabeçotes e as técnicas para magnetização da fita e detecção das mudanças de fluxo são as mesmas utilizadas no método direto. Porém aqui terminam as similaridades. Na gravação FM, a amplitude do sinal de entrada é usada para modular a frequência de uma onda portadora de alta frequência (tipicamente 200 kHz).

Como mostrado na Figura 17, o processo de modulação de frequência converte as variações de amplitude e frequência do sinal de entrada em variações de frequência da portadora. Durante a reprodução, a amplitude e a frequência do sinal original são reconstruídos pela demodulação do sinal recebido por um cabeçote reprodutor.

O sistema FM de gravação/reprodução é muito mais linear em amplitude e fase do que o sistema direto, pois a amplitude do sinal reproduzido depende unicamente do desvio de frequência da portadora, sendo pouco afetada pelos desvios do processo de magnetização. No sistema FM os erros de amplitude podem ser mantidos abaixo de 1dB numa faixa útil de frequências de DC a 10.000 Hz.



Figura 17 - Processo de Modulação de Frequência

A gravação FM é pouco sensível às variações de características da fita, porém é muito dependente da estabilidade da velocidade de transporte da fita, pois qualquer variação desta será interpretada como uma modulação da portadora. Por isso, os gravadores FM de instrumentação requererem uma mecânica muito precisa e, consequentemente, tem preço bastante elevado.