Compreendendo os Transdutores Sísmicos
A transdutor sísmico — também chamado de sensor sísmico ou transdutor inercial — é um vibração sensor que usa uma massa sísmica interna (uma “massa de prova”) suspensa em molas ou flexuras flexíveis como referência inercial, permitindo que ele meça o movimento absoluto da base do sensor. Quando a caixa vibra, o movimento relativo entre a massa suspensa e a caixa é convertido em um sinal elétrico que representa a vibração. Dependendo de onde a frequência de medição se situa em relação à do sistema massa-mola frequência natural, o sensor opera em um de dois regimes: acima da ressonância, a massa tende a permanecer parada no espaço e o movimento relativo segue o deslocamento da caixa (o regime clássico do sismômetro e do transdutor de velocidade), enquanto abaixo da ressonância, a pequena deflexão residual da massa é proporcional à aceleração da caixa (o regime do acelerômetro). A característica definidora é que a referência é carregada interna pelo próprio sensor, portanto, nenhum datum externo fixo é necessário.
O nome “sísmico” vem da instrumentação sísmica: a massa suspensa de um sismômetro permanece relativamente parada enquanto o solo se move sob ela. No monitoramento de máquinas, tanto transdutores de velocidade e acelerômetros são transdutores sísmicos nesse sentido, embora o termo seja mais frequentemente associado ao captador de velocidade clássico.
1. Princípio de Funcionamento
Sistema Massa-Mola-Amortecedor
Todo transdutor sísmico é, em essência, um pequeno oscilador mecânico com quatro partes funcionais:
- Massa sísmica: uma massa de prova calibrada suspensa dentro do mancal do sensor.
- Mola: molas mecânicas ou flexuras finas que suportam a massa.
- Amortecimento: amortecimento a ar, magnético (correntes de Foucault) ou fluido que controla a ressonância.
- Transdução: o elemento que converte o movimento relativo entre a massa e o mancal em uma tensão.
Regiões de Resposta em Frequência
O comportamento do sensor depende inteiramente de onde a frequência de excitação se situa em relação à sua própria frequência natural — e as duas principais famílias de sensores operam deliberadamente em lados opostos da ressonância:
- Abaixo da frequência natural (regime do acelerômetro): massa e caixa se movem essencialmente juntos, e a pequena deflexão residual da massa é proporcional à aceleração da caixa aceleração. Acelerômetros piezoelétricos e MEMS operam aqui, abaixo de sua alta ressonância montada.
- Na frequência natural: o sistema entra em ressonância — a saída é amplificada, mas distorcida e pouco confiável, portanto a medição próxima à ressonância é evitada.
- Acima da frequência natural (regime do sismômetro): a massa efetivamente permanece parada enquanto a caixa vibra ao seu redor, e o movimento relativo segue o deslocamento da caixa deslocamento (ou velocidade). Sismômetros de deslocamento e transdutores de velocidade com bobina móvel operam aqui, acima de sua baixa frequência natural.
- Faixas utilizáveis: um transdutor de velocidade é convencionalmente usado acima de aproximadamente 2× sua frequência natural, onde sua resposta se estabilizou e é plana; um acelerômetro é usado bem abaixo de sua ressonância montada — tipicamente até cerca de um terço dela para boa precisão.
2. Tipos de Transdutor Sísmico
Transdutores de Velocidade (Bobina Móvel)
- Um ímã é suspenso em molas dentro de uma bobina fixa (ou vice-versa).
- A velocidade relativa entre o ímã e a bobina gera uma tensão por indução eletromagnética.
- Frequência natural tipicamente de 8–15 Hz.
- Utilizável acima de aproximadamente 16–30 Hz.
- Mede a velocidade diretamente, não necessitando de integração de sinal.
Acelerômetros
- Piezoelétrico Os tipos piezoelétricos usam um cristal piezoelétrico para detectar a força inercial da massa.
- Os tipos MEMS usam detecção capacitiva ou piezoresistiva em um elemento micromecânico.
- Frequência natural (montada) muito mais alta, tipicamente 10–30 kHz.
- Ao contrário dos transdutores de velocidade, usados abaixo ressonância: utilizável desde cerca de 1 Hz até aproximadamente um terço da frequência de ressonância montada.
- Mede a aceleração, que pode ser integrada para velocidade ou deslocamento.
3. Sensores Sísmicos vs. Não Sísmicos
A família sísmica é melhor compreendida por contraste com sensores que dependem de uma referência externa.
Sensores Sísmicos (Referência Inercial)
- Acelerômetros e transdutores de velocidade.
- Medem o movimento absoluto no espaço inercial.
- São montados diretamente na estrutura vibrante.
- Carregam sua própria massa interna como referência.
- A escolha mais comum para monitoramento de máquinas.
Sensores Não Sísmicos (Referência Externa)
- Sondas de proximidade (sensores de correntes de Foucault).
- Medem o movimento relativo entre duas superfícies.
- Requerem um ponto de montagem estacionário para observar.
- Tipicamente medem o movimento do eixo em relação ao rolamento.
- Padrão para medição de vibração de eixo em máquinas com mancas de deslizamento.
4. Vantagens do Projeto Sísmico
Referência Autônoma
- Não é necessário um sistema de referência externo.
- O sensor pode ser montado em quase qualquer lugar em uma estrutura vibrante.
- Ele reporta o verdadeiro movimento absoluto no espaço inercial.
Versatilidade
- Um tipo de sensor cobre uma grande variedade de aplicações.
- Adequado tanto para levantamentos temporários quanto para instalações permanentes.
- Fácil de transportar de máquina a máquina.
Essa versatilidade é a razão pela qual os instrumentos portáteis dependem deles. O de dois canais Balanset-1A, por exemplo, obtém suas leituras de acelerômetros fixados nas caixas dos rolamentos — sensores sísmicos auto-referenciados que não precisam de um datum fixo, permitindo que um engenheiro se mova rapidamente entre pontos de medição e máquinas durante o balanceamento em campo.
5. Limitações
Limitações da Resposta em Frequência
- Os transdutores de velocidade não podem medir com confiabilidade abaixo de aproximadamente 2× sua frequência natural; os tipos com bobina móvel, em particular, respondem mal abaixo de 15–20 Hz. Há um compromisso inerente: uma frequência natural mais baixa oferece melhor alcance em baixas frequências, mas exige um sensor maior e mais pesado.
- Os acelerômetros perdem precisão à medida que a frequência de medição se aproxima de sua ressonância montada; o limite superior prático (tipicamente cerca de um terço da ressonância montada) depende fortemente do método de montagem (ver ISO 5348).
- Na extremidade muito baixa, a resposta do acelerômetro é limitada pelo elemento sensor e pela eletrônica do amplificador, em vez da suspensão sísmica — tipicamente até cerca de 0,5–1 Hz para unidades industriais padrão.
Mede o Movimento da Carcaça
- O sensor relata o movimento da caixa do rolamento, não o do eixo diretamente.
- A vibração da caixa não é a mesma que a vibração do eixo — ela é filtrada pela rigidez do rolamento e pela estrutura circundante.
- Quando a órbita real do eixo é o que importa, são necessárias sondas de proximidade no lugar.
6. Aplicações
Monitoramento de Condição de Máquinas
- Medições de vibração da caixa do rolamento.
- Acompanhamento de tendência de vibração geral.
- Defeito de rolamento detecção.
- Diagnóstico geral de máquinas rotativas.
Vibração Estrutural
- Levantamentos de vibração de edifícios e fundações.
- Monitoramento sísmico de terremotos.
- Vibração transmitida pelo solo irradiada por máquinas.
Análise Modal
- Medir a resposta de uma estrutura a um impacto calibrado.
- Determinando frequências naturais e formas modais.
- Construindo o funções de resposta em frequência usado em análise modal.
Os transdutores sísmicos, usando uma massa suspensa interna como referência inercial, formam a base da medição de vibração em máquinas rotativas. Compreender o princípio sísmico — como uma massa suspensa permite a medição de movimento absoluto e por que os transdutores de velocidade operam acima de sua frequência natural enquanto os acelerômetros operam abaixo de sua ressonância montada — explica tanto as forças quanto os limites desses dois cavalos de batalha de todo programa de análise de vibração industrial.
