O que é um Acelerômetro? Um Guia para Análise de Vibração
Um acelerômetro é um transdutor (ou sensor) que converte o movimento mecânico - especificamente o aceleração produzido por vibração ou choque - num sinal elétrico proporcional. É, de longe, o sensor mais utilizado em manutenção preditiva e monitoramento de condições. Ao medir a rapidez com que um ponto de uma máquina muda de velocidade, um acelerómetro fornece os dados brutos que permitem a um analista diagnosticar uma vasta gama de falhas mecânicas e eléctricas - desde defeitos de rolamento para desequilíbrio e desalinhamento.
1. Definição: O cerne da medição de vibrações
A aceleração é a grandeza natural a medir em máquinas rotativas porque as forças dinâmicas que danificam uma máquina - força centrífuga de um ponto pesado, impacto de uma pista de rolamento esburacada - aumentam com a aceleração. Um acelerómetro responde diretamente a essas forças, razão pela qual se encontra no centro de quase todas as máquinas modernas. analisador de vibração e coletor de dados.
Uma das vantagens práticas do acelerómetro é que o seu sinal de aceleração pode ser eletronicamente integrado uma vez para dar velocidade (mm/s), e duas vezes para obter deslocamento (µm). Assim, um único sensor bem montado cobre as três unidades de vibração clássicas, permitindo ao analista escolher a que melhor revela uma determinada falha.
2. Como funcionam os acelerómetros? O Princípio Piezoelétrico
Embora existam vários princípios físicos, a esmagadora maioria dos acelerómetros utilizados em máquinas industriais baseia-se no princípio da efeito piezoelétrico. A sequência de trabalho é simples:
- Cristal piezoelétrico: No interior do sensor, uma pequena massa sísmica está ligada a um piezoelétrico elemento - normalmente uma cerâmica, como o PZT, ou, nos sensores premium, um cristal de quartzo cortado com precisão.
- Aplicação de força: Quando a máquina vibra, a caixa move-se com ela. Por inércia, a massa interna resiste a esse movimento e exerce uma força sobre o cristal - igual, pela segunda lei de Newton, à massa vezes a aceleração.
- Geração de um sinal: Um cristal piezoelétrico sob tensão produz uma pequena carga eléctrica diretamente proporcional à força aplicada e, por conseguinte, à aceleração.
- Saída: A eletrónica interna condiciona esta carga e transmite-a através de um cabo para um coletor de dados ou sistema de monitorização como uma representação analógica da aceleração nesse ponto.
A forma como essa carga é condicionada define duas famílias comuns. A carga-emissão O sensor fornece a carga bruta a um amplificador de carga e tolera temperaturas muito elevadas. Muito mais comum na indústria é o IEPE (ou modo de tensão), que incorpora o amplificador no sensor e emite uma tensão de baixa impedância que se desloca bem num vulgar cabo de dois fios. Os projectos mais robustos utilizam um cisalhamento que isola o cristal da flexão da base e dos transientes térmicos.
3. Tipos de acelerómetros
Diferentes aplicações exigem diferentes sensores, cada um com os seus próprios pontos fortes.
Acelerómetros de uso geral
Estes são os cavalos de batalha da monitorização industrial. Normalmente, oferecem um sensibilidade de 100 mV/g e uma gama de frequências adequada à maioria das máquinas comuns, como bombas, motores e ventiladores - aproximadamente 2 Hz a 10 kHz.
Acelerômetros MEMS
Os acelerómetros MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) são baseados em silício, muito pequenos, de baixo consumo e económicos. Historicamente menos sensíveis do que os tipos piezoeléctricos, os dispositivos MEMS modernos estão a melhorar rapidamente e são comuns na eletrónica portátil e nos sistemas automóveis, monitorização sem fios nós e instalações de controlo do estado de baixo custo.
Acelerômetros piezoresistivos
Utilizados para testes de choque e movimentos de baixa frequência, estes sensores respondem até 0 Hz (aceleração DC), o que os torna úteis para medir a aceleração constante numa centrifugadora ou o movimento lento de um veículo.
Acelerômetros de alta frequência
Concebidos para captar eventos de alta frequência, tais como danos nas engrenagens e rolamentos em fase inicial, estes sensores utilizam uma massa sísmica mais pequena e uma frequência de ressonância mais elevada, permitindo medições precisas até 20 kHz ou mais - a gama em que técnicas como análise de envelope e o método do impulso de choque ao vivo.
4. Especificações e seleção de chaves
Ao escolher um acelerómetro, os engenheiros ponderam vários parâmetros:
- Sensibilidade (mV/g): Uma maior sensibilidade produz uma saída mais forte, melhor para resolver vibrações de baixo nível; 100 mV/g é o padrão industrial comum.
- Resposta de frequência: A banda na qual o sensor efectua leituras exactas. Deve abranger o valor esperado de frequências de falha da máquina, com uma margem confortável abaixo do valor do próprio sensor frequência natural (ressonante).
- Gama de temperaturas: O sensor deve suportar a temperatura da superfície onde está montado; a sensor de temperatura é muitas vezes colocado no mesmo local para uma monitorização combinada.
- Método de montagem: A forma como o sensor é fixado - perno, adesivo ou íman - afecta fortemente a precisão de alta frequência. Uma montagem com pernos por ISO 5348 proporciona o melhor acoplamento e a maior largura de banda utilizável; um íman é conveniente para trabalhos em trajectos, mas reduz o limite superior de frequência. Fraco montagem pode introduzir um falso ressonância de montagem que se disfarça de uma falha da máquina.
É possível estimar a penalidade de largura de banda de um determinado anexo com o Calculadora de ressonância para montagem de acelerômetro antes de se comprometer com um esquema de montagem.
5. Aplicações na monitorização de condições
Os acelerómetros estão na base de quase todas as análise de vibrações tarefa, incluindo:
- Programas de manutenção preditiva: recolha de dados de rotina numa percurso para determinar as tendências do estado das máquinas e prever avarias.
- Diagnóstico de avarias: identificar o desequilíbrio, o desalinhamento, frouxidão e desgaste dos rolamentos do espectro de vibração.
- Testes de aceitação: verificar se as máquinas novas ou reparadas cumprem as especificações em matéria de vibrações, tais como ISO 20816 (o sucessor moderno da ISO 10816).
- Análise modal: estudar o frequências naturais e formas de modo de uma estrutura.
O equilíbrio de campo é um dos trabalhos mais exigentes, porque necessita tanto da amplitude e a fase da vibração de uma vez por rotação. Um instrumento portátil de dois canais, como o Conjunto de equilíbrio-1a pega nos seus dois acelerómetros, fixa-os a um tacômetro e mede a amplitude e a fase 1× diretamente nos próprios rolamentos da máquina à velocidade de funcionamento - transformando o sinal bruto do acelerómetro nos coeficientes de influência e pesos de correção necessários para equilibrar o rotor no local.
