Compreender a telemetria na medição de vibração
Telemetria é a tecnologia de transmissão de dados de medição de locais remotos ou inacessíveis - sobretudo de componentes rotativos - para equipamentos fixos de registo e análise. Nas máquinas rotativas, a telemetria torna possível a medição em veios, rotores e pás, onde uma ligação direta com fios é impossível, porque a peça está a girar. Um sistema completo inclui sensores na peça rotativa, eletrónica rotativa para condicionamento e transmissão do sinal, uma fonte de alimentação rotativa e um recetor estacionário que capta os dados transmitidos. É a tecnologia que permite medições especializadas, como a deformação do veio (tensão de torção), pá vibração através de extensómetros e temperatura do rotor - qualquer parâmetro que exija um elemento de deteção montado num componente em movimento. A telemetria é complexa e dispendiosa, mas oferece capacidades de medição que nenhum sensor fixo consegue igualar.
1. Tipos de sistemas de telemetria
Dominam quatro famílias de sistemas, que se distinguem pela forma como o sinal atravessa a fronteira entre quadros rotativos e estacionários.
Telemetria do anel deslizante
A abordagem mais antiga e mais fiável.
- Princípio: Os anéis rotativos são ligados aos sensores e as escovas fixas captam os sinais.
- Canais: muitos canais são práticos, normalmente 4-64.
- Largura de banda: DC a MHz - excelente.
- Fiabilidade: tecnologia comprovada e bem compreendida.
- Limitações: as escovas desgastam-se, o contacto gera ruído e a velocidade é limitada.
- Aplicações: Pesquisa, testes de desenvolvimento, algum monitoramento de produção
Telemetria de rádio FM/AM
- Princípio: um emissor rotativo que emite sinais modulados em FM ou AM.
- Canais: tipicamente 1-16.
- Largura de banda: DC a 100 kHz por canal.
- Vantagens: sem contacto e sem desgaste.
- Limitações: consomem muita energia, têm um número limitado de canais e são propensos a interferências.
Telemetria digital sem fios (moderna)
- Princípio: codificação digital através de Wi-Fi, Bluetooth ou protocolos proprietários.
- Canais: muitos, multiplexados numa só ligação.
- Largura de banda: definido pelo débito de dados.
- Vantagens: flexível e robusto, com correção de erros e menor potência do que o FM analógico para um desempenho equivalente.
- Tendência: tornando-se a norma para os novos sistemas, intimamente relacionada com a evolução mais vasta no sentido de monitorização do estado sem fios.
Telemetria ótica
- Os dados são transmitidos através de luz modulada, infravermelha ou visível.
- É possível obter uma elevada largura de banda e a ligação é imune a interferências de RF.
- É necessária uma linha de visão clara, pelo que se adequa a instalações especializadas.
2. Aplicações
A telemetria justifica a sua complexidade sempre que o parâmetro de interesse reside no próprio rotor.
Medição de vibração torsional
- Os extensómetros colados ao eixo medem diretamente a tensão de corte.
- Esta medição é impossível sem telemetria.
- É fundamental para equipamentos acionados por motores com forte excitação de torção.
- Valida as previsões de um análise de torção modelo.
Medição da tensão da pá
- Os extensómetros nas pás da turbina ou do compressor captam a tensão real de funcionamento.
- É utilizado em testes de desenvolvimento e resolução de problemas, especialmente em torno de ressonância das pás.
- Valida a ausência de contacto temporização da ponta das pás medições e complementa as previsões de um frequência natural da pá da turbina estudo.
Temperatura do rotor
- Os termopares nos enrolamentos ou componentes do rotor monitorizam as condições térmicas.
- Detectam o sobreaquecimento e confirmam a eficácia dos sistemas de arrefecimento.
Vibração do eixo
- Acelerómetros montados diretamente no eixo captam a verdadeira vibração do rotor lateral e axial vibração em vez de movimento da caixa de rolamentos.
- Esta função é reservada à investigação e à resolução de problemas especiais e pode revelar o comportamento do rotor - como o desenvolvimento de fissura no veio - que os sensores da caixa não detectam.
3. Métodos de alimentação eléctrica
Obter energia para o rotor é um desafio tão grande como a obtenção de dados dele, e quatro métodos são comuns.
- Baterias: células primárias (1-5 anos, normalmente) ou pacotes recarregáveis - a opção mais simples, mas com vida útil limitada e substituição ligada a interrupções de manutenção.
- Potência do anel deslizante: potência transferida através de anéis colectores para um tempo de funcionamento ilimitado, ao custo de um conjunto de anéis colectores; comum juntamente com a telemetria de dados dos anéis colectores.
- Acoplamento indutivo: transferência de energia sem fios através de um espaço de ar, uma bobina rotativa que capta energia de uma bobina estacionária sem contacto ou desgaste, embora limitada a cerca de 10 W.
- Recolha de energia: recuperando a energia das vibrações (piezoeléctrica) ou explorando os gradientes térmicos (termoeléctrica) para complementar ou substituir as baterias e permitir o funcionamento autónomo.
4. Desafios
O ambiente de rotação é hostil à eletrónica e a arquitetura de estrutura dupla acrescenta as suas próprias dificuldades.
- Ambiente rotativo: as forças centrífugas actuam sobre os componentes electrónicos, juntamente com os ciclos de temperatura, a vibração dos próprios componentes e a névoa de óleo ou outra contaminação.
- Complexidade do sistema: A coordenação de metades rotativas e estacionárias implica desafios de sincronização, temporização e calibração, e um custo mais elevado do que a deteção estacionária.
- Manutenção: as baterias têm de ser substituídas e os sensores ou os componentes electrónicos podem falhar; o acesso exige normalmente a paragem da máquina, pelo que é necessário manter à mão módulos de reserva.
5. Desenvolvimentos modernos
Várias tendências estão a fazer baixar o custo e a alargar o alcance da telemetria.
- MEMS e miniaturização: eletrónica mais pequena e mais leve que consome menos energia e resiste melhor a choques e vibrações, abrindo novas aplicações.
- Processamento de sinais digitais no rotor: processando os dados na plataforma rotativa e transmitindo apenas os resultados - um espetro FFT em vez da forma de onda em bruto - o que reduz as necessidades de largura de banda e de energia.
- Normalização: As normas industriais sem fios, como a WirelessHART e a ISA100, estão a melhorar a interoperabilidade e, em escala, a reduzir os custos.
Vale a pena manter a telemetria em perspetiva. Para a grande maioria dos trabalhos de rotina - equilibragem, diagnóstico de rolamentos, monitorização de condições - os sensores fixos montados nas caixas de rolamentos são inteiramente suficientes, e um analisador portátil de dois canais, como o Balanset-1A mede a amplitude e a fase à velocidade de funcionamento sem qualquer instrumentação rotativa. A telemetria só é útil quando o parâmetro genuinamente não pode ser alcançado a partir da estrutura estacionária - tensão de torção do eixo, deformação da pá ou temperatura do rotor - que é exatamente o nicho que ela preenche no desenvolvimento de turbomáquinas, estudos de torção e dinâmica do rotor caraterização. Como complemento à caraterização permanente monitorização online, estende a medição a locais onde o resto do conjunto de ferramentas simplesmente não consegue chegar.
