Compreender os Transdutores Sísmicos
A transdutor sísmico — também conhecido como sensor sísmico ou transdutor inercial — é um vibração sensor que utiliza uma massa sísmica interna (uma “massa de prova”) suspensa em molas ou flexões complacentes como referência inercial, permitindo-lhe medir o movimento absoluto da base do sensor. Quando a carcaça vibra, o movimento relativo entre a massa suspensa e a carcaça é convertido num sinal elétrico que representa a vibração. Dependendo de onde a frequência de medição se situa em relação ao seu sistema massa-mola frequência natural, o sensor funciona num de dois regimes: acima da ressonância, a massa tende a permanecer imóvel no espaço e o movimento relativo segue o deslocamento da carcaça (o regime clássico do sismómetro e do captador de velocidade), enquanto abaixo da ressonância a pequena deflexão residual da massa é proporcional à aceleração da carcaça (o regime do acelerómetro). A característica definidora é que a referência é transportada inside o sensor, pelo que não é necessário um ponto de referência externo fixo.
O nome «sísmico» tem origem na instrumentação sísmica: a massa suspensa de um sismómetro permanece relativamente imóvel enquanto o solo se agita por baixo dela. Na monitorização de máquinas, tanto transdutores de velocidade e acelerómetros são transdutores sísmicos neste sentido, embora o termo seja mais frequentemente associado ao clássico captador de velocidade.
1. Princípio de funcionamento
Sistema Massa-Mola-Amortecedor
Cada transdutor sísmico é, na sua essência, um pequeno oscilador mecânico composto por quatro partes funcionais:
- Massa sísmica: uma massa de calibração suspensa no interior da caixa do sensor.
- Mola: molas mecânicas ou flexões finas que suportam a massa.
- Amortecimento: amortecimento por ar, magnético (por correntes de Foucault) ou por fluido, que atenua a ressonância.
- Transdução: o elemento que transforma o movimento relativo entre a massa e o invólucro numa 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 trabalham deliberadamente em lados opostos da ressonância:
- Abaixo da frequência natural (regime do acelerómetro): massa e carcaça movem-se essencialmente em conjunto, e a pequena deflexão residual da massa é proporcional à aceleração. Os acelerómetros piezoelétricos e MEMS trabalham aqui, abaixo da sua elevada ressonância montada.
- Na frequência natural: o sistema entra em ressonância — a saída é amplificada, mas distorcida e pouco fiável, por isso evita-se a medição perto da ressonância.
- Acima da frequência natural (regime do sismómetro): a massa permanece efetivamente parada enquanto a carcaça vibra à sua volta, e o movimento relativo segue o deslocamento (ou velocidade) da carcaça. Os sismómetros de deslocamento e os captadores de velocidade de bobina móvel trabalham aqui, acima da sua baixa frequência natural.
- Usable ranges: convencionalmente, um captador de velocidade é utilizado acima de aproximadamente 2× a sua frequência natural, onde a sua resposta estabilizou e é plana; um acelerómetro é utilizado bem abaixo da sua ressonância montada — tipicamente até cerca de um terço dela para boa precisão.
2. Tipos de transdutores sísmicos
Transdutores de velocidade (bobina móvel)
- Um íman está suspenso por molas no interior de uma bobina fixa (ou vice-versa).
- A velocidade relativa entre o íman e a bobina gera uma tensão por indução eletromagnética.
- Frequência natural normalmente entre 8 e 15 Hz.
- Utilizável acima de aproximadamente 16–30 Hz.
- Mede a velocidade diretamente, sem necessidade de integração do sinal.
Acelerómetros
- Piezoelétrico Estes tipos utilizam um cristal piezoelétrico para detetar a força inercial da massa.
- Os tipos de MEMS utilizam deteção capacitiva ou piezoresistiva num elemento microfabricado.
- Frequência natural (montada) muito mais elevada, tipicamente 10–30 kHz.
- Ao contrário dos captadores de velocidade, utilizados 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 obter a velocidade ou o deslocamento.
3. Sensores sísmicos vs. não sísmicos
A família dos sensores sísmicos é mais facilmente compreendida quando comparada com os sensores que dependem de uma referência externa.
Sensores sísmicos (referência inercial)
- Acelerómetros e transdutores de velocidade.
- Medir o movimento absoluto no espaço inercial.
- Montar diretamente na estrutura vibratória.
- Possuem a sua própria massa interna como referência.
- A opção mais comum para a monitorização de máquinas.
Sensores não sísmicos (referência externa)
- Sondas de proximidade (sensores de correntes de Foucault).
- Medir o movimento relativo entre duas superfícies.
- É necessário um ponto de fixação fixo a partir do qual se possa observar.
- Normalmente, mede-se o movimento do eixo em relação ao rolamento.
- Norma para a medição da vibração do eixo em máquinas com mancais de deslizamento.
4. Vantagens do projeto sísmico
Referência autossuficiente
- Não é necessário qualquer sistema de referência externo.
- O sensor pode ser instalado em praticamente qualquer ponto de uma estrutura vibratória.
- Indica o movimento absoluto real no espaço inercial.
Versatilidade
- Um único tipo de sensor abrange uma grande variedade de aplicações.
- Adequado tanto para levantamentos temporários como para instalações permanentes.
- Fácil de transportar de máquina em máquina.
É por essa versatilidade que os instrumentos portáteis dependem deles. O de dois canais Balanset-1A, por exemplo, obtém as suas leituras a partir de acelerómetros fixados às caixas dos rolamentos — sensores sísmicos autorreferenciados que não necessitam de um ponto de referência fixo, permitindo assim que um engenheiro se desloque rapidamente entre pontos de medição e máquinas durante a equilibragem no local.
5. Limitações
Limitações da resposta de frequência
- Os captadores de velocidade não conseguem medir com fiabilidade abaixo de aproximadamente 2× a sua frequência natural; os tipos de bobina móvel, em particular, respondem mal abaixo de 15–20 Hz. Existe uma compensação inerente: uma frequência natural mais baixa dá melhor alcance a baixas frequências, mas exige um sensor maior e mais pesado.
- Os acelerómetros perdem precisão à medida que a frequência de medição se aproxima da sua ressonância montada; o limite superior prático (tipicamente cerca de um terço da ressonância montada) depende fortemente do método de montagem (ver ISO 5348).
- No extremo muito baixo, a resposta do acelerómetro é limitada pelo elemento sensor e pela eletrónica do amplificador, e não pela suspensão sísmica — tipicamente até cerca de 0.5–1 Hz para unidades industriais standard.
Mede o movimento da carcaça
- O sensor deteta o movimento da caixa do rolamento, e não diretamente do eixo.
- A vibração da caixa não é o mesmo que a vibração do eixo — é atenuada pela rigidez dos rolamentos e pela estrutura circundante.
- Quando o que importa é a verdadeira órbita do eixo, é necessário recorrer a sensores de proximidade.
6. Aplicações
Monitorização da condição de máquinas
- Medições de vibração na caixa do rolamento.
- Tendência geral da vibração.
- Bearing-defect detection.
- Diagnóstico geral de máquinas rotativas.
Vibração estrutural
- Estudos de vibração em edifícios e fundações.
- Monitorização sísmica de terramotos.
- Vibrações transmitidas pelo solo e irradiadas pelas máquinas.
Análise Modal
- Medir a resposta de uma estrutura a um impacto calibrado.
- Determining frequências naturais e formas modais.
- Building the funções de resposta de frequência used in análise modal.
Os transdutores sísmicos, que utilizam uma massa interna suspensa como referência inercial, constituem a base da medição de vibrações em máquinas rotativas. Compreender o princípio sísmico — como uma massa suspensa permite a medição do movimento absoluto e por que razão os captadores de velocidade funcionam acima da sua frequência natural enquanto os acelerómetros trabalham abaixo da sua ressonância montada — explica tanto os pontos fortes como os limites destas duas ferramentas fundamentais de qualquer programa industrial de análise de vibrações.
