CARACTERÍSTICAS GERAIS DOS SINAIS UTILIZADOS PARA DIAGNÓSTICOS DE EQUIPAMENTOS UTILIZANDO O PARÂMETRO

VIBRAÇÃO.

Transdutores industriais usados para medidas de características dinâmicas dos equipamentos tipicamente são divididos em três categorias distintas: sensores de proximidade utilizados principalmente para medir oscilações eixo, sensores de velocidade e acelerômetros. Cada tipo de transdutor exibe um conjunto de pontos positivos bem como negativos em suas aplicações. As inovações tecnológicas não chegaram a criar um transdutor universal, ou seja, não existe um sensor universal que possa ser utilizado para obtenção de todas as medidas, em todas as máquinas e sobre todas as condições de funcionamento possíveis. Deste modo, o diagnóstico de máquinas deve ser intimamente

Capítulo 3: Os especialistas, instrumentação e características gerais dos transdutores de vibração. ₅₅

familiar com as características de cada tipo de transdutor e a aplicação desses dispositivos em que cada um possua uma melhor vantagem.

Transdutores dinâmicos medem eventos que ocorrem em pequenos intervalos de tempo. Por exemplo, um termopar utilizado em um equipamento pode ser usado para medir temperaturas que variam em minutos ou algumas horas. Transdutores dinâmicos utilizados para medir vibrações podem ser capazes de detectar um determinado fenômeno que ocorre em frações de segundos. Os sinais eletrônicos resultantes das medidas desses transdutores podem ser expostos em gráficos, geralmente complexos, que contem informações significantes, e esses dados são geralmente quantificados conforme os termos abaixo:

• Amplitude (magnitude ou severidade); • Freqüência (taxa de ocorrência); • Fase;

• Forma do sinal;

• Posição (geralmente usado quando aplicados proxímetros e triggers em máquinas rotativas).

A amplitude de um sinal dinâmico é geralmente proporcional a severidade de vibração do movimento, isto é, elevadas amplitudes são diretamente proporcionais com altos níveis de vibração e isso está geralmente associado com a ocorrência de um problema mecânico. Igualmente pode-se afirmar que uma baixa amplitude de vibração está diretamente associada com o comportamento próprio do equipamento e ausência de defeitos mecânicos. Em geral a degradação de uma peça do equipamento mecânico é observada pelo aumento das amplitudes de vibração. Existem exceções para essa regra geral, e ocasionalmente uma máquina poderá exibir um decréscimo na amplitude de vibração como uma condição mecânica degenerativa.

A freqüência do sinal é determinada pelo período do mesmo. Para exemplificar os pontos significantes de um sinal usar-se-á uma curva senóide dada pela equação 3.1.

) ( ⋅ +φ ⋅

=S sen f t

Capítulo 3: Os especialistas, instrumentação e características gerais dos transdutores de vibração. ₅₆

Onde:

• Y: Amplitude dinâmica;

• S: Módulo do valor máximo da amplitude; • f: freqüência;

• t: Tempo;

•

ø

As características “construtivas” da senóide utilizada para descrever o ciclo exemplo são descritas abaixo. Seu gráfico é mostrado na figura 3.2.

• S = 2mm; • f = 1Hz;

• t = 0 até 4,65 segundos;

• ø

Figura 3.2 – Sinal simples de uma senóide utilizado para exemplificar um ciclo.

Observa-se na figura 3.2 que são identificados três tipos de faixas utilizadas para determinar um ciclo. Basicamente os três tipos de faixas são idênticas e cada uma define um ciclo. No primeiro caso, a amplitude zero é usada para definir um ciclo completo. Nas outras duas faixas, o tempo entre dois picos ou dois vales consecutivos é adotado. Não

Capítulo 3: Os especialistas, instrumentação e características gerais dos transdutores de vibração. ₅₇

importa qual parte do ciclo é usado para determinar o período, o interessante é obter um ponto de medida idêntico aos outros ciclos posteriores.

A freqüência (f) é inversamente proporcional ao período (T), isto é, quanto menor a freqüência do movimento maior será o período do mesmo e vice versa, ou seja, o tempo para realização de um ciclo poderá ser elevado ou não respectivamente. Essa relação básica não é somente importante durante a análise do comportamento do sistema mecânico, ela também deve ser observada durante a seleção de um transdutor de vibração apropriado e associado a instrumentação de diagnóstico.

T

f = 1 (3.1)

Antes de entrar em detalhes sobre qualquer transdutor de vibração é necessário discutir o tempo entre os eventos. Esse é um ponto de vital importância, pois, é pequena a quantidade de problemas mecânicos que são resolvidos baseados sobre uma medida com um único transdutor. Em alguns casos, vários transdutores são aplicados e os sinais de saída são examinados por amplitudes relativas, conteúdo de freqüências, tempo e fases entre os sinais.

De uma forma simples, o ângulo de fase é somente o tempo retardado ou ângulo formado entre dois sinais como descrito na figura 3.3.

Figura 3.3 – Ângulo de fase entre duas senóides em um mesmo ciclo, de mesma freqüência e amplitude.

Capítulo 3: Os especialistas, instrumentação e características gerais dos transdutores de vibração. ₅₈

A seguir seis regras para ângulos de fases deverão ser consistentemente aplicadas em todo esse trabalho. São elas:

• Todas as medidas de fase requerem um mínimo de dois sinais ou dois parâmetros de um sinal, por exemplo, aceleração e velocidade;

• Medidas de fase devem ser feitas dentro de um mesmo ciclo;

• Ângulos de fase deverão ser expressos em graus de fase retardado. O termo retardado significa em ângulo de fase negativo, isto é, contrário a rotação e no sentido contrário do tempo.

Aplicam-se essas regras para todas as medidas de vibração, pulsação de pressão, sinais de força, entre outros. Vetores derivados de medidas de sinais dinâmicos deverão manter as mesmas regras e todos os cálculos analíticos deverão ser configurados conforme critério similar. Finalmente, a locação de massas de balanceamento e outras referências angulares específicas no rotor deverão ser consistentes com as regras citadas anteriormente.

Considere os gráficos no domínio do tempo mostrado na figura 3.4 até figura 3.7. Para a figura 3.4, a amplitude, freqüência fundamental (1X) e ângulo de fase são idênticos ao sinal seno utilizado na figura 3.2. Entretanto, pode-se notar que todas as amplitudes e a forma ou aparência geral das figuras 3.5 até 3.7 tiveram mudanças significativas se comparadas com o sinal seno inicial. Essas mudanças são devidas a adição de harmônicas da freqüência fundamental. Em todos os três casos, a adição de componentes harmônicos que são um conjunto de múltiplos da freqüência fundamental altera a forma básica do sinal. A resultante dessa somatória de harmônicas dos sinais senos com as mesmas amplitudes farão com que cada gráfico apresente formas distintas.

Capítulo 3: Os especialistas, instrumentação e características gerais dos transdutores de vibração. ₅₉

Figura 3.4 – Sinal no tempo de uma senóide com freqüência fundamental de 1Hz.

Figura 3.5 – Sinal no tempo de uma senóide com adição da primeira harmônica

Capítulo 3: Os especialistas, instrumentação e características gerais dos transdutores de vibração. ₆₀

Figura 3.7 – Sinal no tempo de uma senóide com adição da terceira harmônica.

A complexidade do sinal no domínio do tempo mostra a vastidão de formas que um sinal possa ter. É fácil visualizar e reconhecer alguns sinais que possuem combinações simples, mas quanto mais complexo o sinal maior a possibilidade do mesmo ser incompreensível no domínio do tempo. Por esta e outras razões, que técnicas mais avançadas, especiais para o processamento e análise de sinais são utilizadas na detecção de falhas.

3.3. VISÃO GERAL DOS EQUIPAMENTOS UTILIZADOS NA AQUISIÇÃO DE