4. Sistemas de medição para máquinas de equilibrar
A maior parte dos fabricantes amadores de máquinas de equilibragem, que contactam a LLC "Kinematics", tencionam utilizar nos seus projectos os sistemas de medição da série "Balanset" fabricados pela nossa empresa. No entanto, há também alguns clientes que planeiam fabricar estes sistemas de medição de forma independente. Portanto, faz sentido discutir mais detalhadamente a construção de um sistema de medição para uma máquina de balancear. O principal requisito para estes sistemas é a necessidade de fornecer medições de alta precisão da amplitude e fase da componente rotacional do sinal vibratório, que aparece na freqüência de rotação do rotor balanceado. Este objetivo é geralmente alcançado através da utilização de uma combinação de soluções técnicas, incluindo
4.1. Seleção dos sensores de vibrações
Nos sistemas de medição das máquinas de equilibragem, podem ser utilizados vários tipos de sensores de vibração (transdutores), incluindo
4.1.1. Sensores de aceleração de vibrações
Entre os sensores de aceleração de vibrações, os acelerómetros piezoeléctricos e capacitivos (chip) são os mais utilizados, podendo ser eficazmente utilizados em máquinas de equilibragem do tipo Soft Bearing. Na prática, é geralmente permitido utilizar sensores de aceleração de vibração com coeficientes de conversão (Kpr) entre 10 e 30 mV/(m/s²). Nas máquinas de equilibrar que requerem uma precisão de equilibragem particularmente elevada, é aconselhável utilizar acelerómetros com Kpr que atinjam níveis de 100 mV/(m/s²) e superiores. Como exemplo de acelerómetros piezoeléctricos que podem ser utilizados como sensores de vibração para máquinas de equilibrar, a Figura 4.1 mostra os acelerómetros piezoeléctricos DN3M1 e DN3M1V6 fabricados pela LLC "Izmeritel".
Figura 4.1. Acelerómetros Piezo DN 3M1 e DN 3M1V6
Para ligar estes sensores a instrumentos e sistemas de medição de vibrações, é necessário utilizar amplificadores de carga externos ou incorporados.
Figura 4.2. Acelerómetros capacitivos AD1 fabricados pela LLC "Kinematics"
É de notar que estes sensores, que incluem placas de acelerómetros capacitivos ADXL 345 amplamente utilizadas no mercado (ver Figura 4.3), têm várias vantagens significativas em relação aos acelerómetros piezoeléctricos. Especificamente, são 4 a 8 vezes mais baratos com características técnicas semelhantes. Além disso, não requerem a utilização de amplificadores de carga dispendiosos e difíceis de utilizar, necessários para os acelerómetros piezoeléctricos.
Nos casos em que ambos os tipos de acelerómetros são utilizados nos sistemas de medição das máquinas de equilibragem, a integração do hardware (ou integração dupla) dos sinais dos sensores é normalmente realizada.
Figura 4.2. Acelerómetros capacitivos AD 1, montados.
Figura 4.3. Placa do acelerómetro capacitivo ADXL 345.
Neste caso, o sinal inicial do sensor, proporcional à aceleração vibratória, é consequentemente transformado num sinal proporcional à velocidade vibratória ou ao deslocamento. O procedimento de dupla integração do sinal de vibração é particularmente relevante quando se utilizam acelerómetros como parte dos sistemas de medição de máquinas de equilibragem de baixa velocidade, em que a gama de frequências de rotação inferior do rotor durante a equilibragem pode atingir 120 rpm ou menos. Quando se utilizam acelerómetros capacitivos nos sistemas de medição de máquinas de equilibragem, deve considerar-se que, após a integração, os seus sinais podem conter interferências de baixa frequência, que se manifestam na gama de frequências de 0,5 a 3 Hz. Este facto pode limitar a gama de frequências mais baixa de equilibragem em máquinas destinadas a utilizar estes sensores.
4.1.2. Sensores de velocidade de vibração 4.1.2.1. Sensores indutivos de velocidade de vibração. Estes sensores incluem uma bobina indutiva e um núcleo magnético. Quando a bobina vibra em relação a um núcleo estacionário (ou o núcleo em relação a uma bobina estacionária), é induzido um EMF na bobina, cuja tensão é diretamente proporcional à velocidade de vibração do elemento móvel do sensor. Os coeficientes de conversão (Кпр) dos sensores indutivos são normalmente bastante elevados, atingindo várias dezenas ou mesmo centenas de mV/mm/seg. Em particular, o coeficiente de conversão do sensor Schenck modelo T77 é de 80 mV/mm/seg, e para o sensor IRD Mechanalysis modelo 544M, é de 40 mV/mm/seg. Em alguns casos (por exemplo, em máquinas de equilibragem Schenck), são utilizados sensores indutivos especiais de velocidade de vibração altamente sensíveis com um amplificador mecânico, onde Кпр pode exceder 1000 mV/mm/seg. Se forem utilizados sensores indutivos de velocidade de vibração nos sistemas de medição das máquinas de equilibrar, pode também ser efectuada a integração do sinal elétrico proporcional à velocidade de vibração, convertendo-o num sinal proporcional ao deslocamento da vibração.
Figura 4.4. Sensor modelo 544M da IRD Mechanalysis.
Figura 4.5. Sensor modelo T77 da Schenck Deve-se notar que, devido à intensidade de trabalho da sua produção, os sensores indutivos de velocidade de vibração são itens bastante escassos e caros. Por isso, apesar das vantagens óbvias destes sensores, os fabricantes amadores de máquinas de equilibragem utilizam-nos muito raramente.
4.1.2.2. Sensores de velocidade de vibração baseados em acelerómetros piezoeléctricos. Um sensor deste tipo difere de um acelerómetro piezoelétrico normal por ter um amplificador de carga e um integrador incorporados no seu invólucro, o que lhe permite emitir um sinal proporcional à velocidade de vibração. Por exemplo, os sensores piezoeléctricos de velocidade de vibração fabricados por produtores nacionais (empresa ZETLAB e LLC "Vibropribor") são apresentados nas Figuras 4.6 e 4.7.
Figura 4.6. Sensor modelo AV02 da ZETLAB (Rússia)
Figura 4.7. Sensor modelo DVST 2 da LLC "Vibropribor" Estes sensores são fabricados por vários produtores (tanto nacionais como estrangeiros) e são atualmente muito utilizados, especialmente em equipamentos portáteis de vibração. O custo destes sensores é bastante elevado e pode atingir os 20.000 a 30.000 rublos cada, mesmo de fabricantes nacionais.
4.1.3. Sensores de deslocamento Nos sistemas de medição das máquinas de equilibrar, podem também ser utilizados sensores de deslocamento sem contacto - capacitivos ou indutivos. Estes sensores podem funcionar em modo estático, permitindo o registo de processos vibratórios a partir de 0 Hz. A sua utilização pode ser particularmente eficaz no caso da equilibragem de rotores de baixa velocidade, com velocidades de rotação iguais ou inferiores a 120 rpm. Os coeficientes de conversão destes sensores podem atingir 1000 mV/mm ou mais, o que proporciona uma elevada precisão e resolução na medição de deslocamentos, mesmo sem amplificação adicional. Uma vantagem óbvia destes sensores é o seu custo relativamente baixo, que para alguns fabricantes nacionais não excede os 1000 rublos. Ao utilizar estes sensores em máquinas de equilibragem, é importante considerar que o espaço nominal de trabalho entre o elemento sensível do sensor e a superfície do objeto em vibração é limitado pelo diâmetro da bobina do sensor. Por exemplo, para o sensor mostrado na Figura 4.8, modelo ISAN E41A da "TEKO", o espaço de trabalho especificado é tipicamente de 3,8 a 4 mm, o que permite a medição do deslocamento do objeto vibratório na gama de ±2,5 mm.
Figura 4.8. Sensor indutivo de deslocamento, modelo ISAN E41A da TEKO (Rússia)
4.1.4. Sensores de força Como já foi referido, são utilizados sensores de força nos sistemas de medição instalados nas máquinas de equilibragem de rolamentos rígidos. Estes sensores, particularmente devido à sua simplicidade de fabrico e custo relativamente baixo, são normalmente sensores de força piezoeléctricos. Exemplos desses sensores são mostrados nas Figuras 4.9 e 4.10.
Figura 4.9. Sensor de força SD 1 da Kinematika LLC
Figura 4.10: Sensor de força para máquinas de equilibragem automóvel, vendido por "STO Market" Os sensores de força extensométrica, fabricados por uma vasta gama de produtores nacionais e estrangeiros, também podem ser utilizados para medir as deformações relativas nos suportes das máquinas de equilibragem de rolamentos rígidos.
4.2. Sensores de ângulo de fase Para sincronizar o processo de medição das vibrações com o ângulo de rotação do rotor equilibrado, são utilizados sensores de ângulo de fase, tais como sensores laser (fotoeléctricos) ou indutivos. Estes sensores são fabricados em vários modelos, tanto por produtores nacionais como internacionais. A gama de preços destes sensores pode variar significativamente, de cerca de 40 a 200 dólares. Um exemplo deste tipo de dispositivo é o sensor de ângulo de fase fabricado pela "Diamex", apresentado na figura 4.11.
Figura 4.11: Sensor de ângulo de fase da "Diamex"
Como outro exemplo, a Figura 4.12 mostra um modelo implementado pela LLC "Kinematics", que utiliza tacómetros laser do modelo DT 2234C fabricados na China como sensores de ângulo de fase. As vantagens óbvias deste sensor incluem:
Figura 4.12: Tacómetro laser modelo DT 2234C
Em alguns casos, quando a utilização de sensores laser ópticos é indesejável por qualquer razão, estes podem ser substituídos por sensores indutivos de deslocamento sem contacto, como o modelo ISAN E41A anteriormente mencionado ou produtos semelhantes de outros fabricantes.
4.3. Características do processamento de sinais em sensores de vibrações Para uma medição precisa da amplitude e da fase da componente rotacional do sinal de vibração em equipamentos de equilibragem, é normalmente utilizada uma combinação de ferramentas de processamento de hardware e software. Estas ferramentas permitem:
4.3.1. Filtragem de sinais de banda larga Este procedimento é essencial para limpar o sinal do sensor de vibrações de potenciais interferências que possam ocorrer tanto no limite inferior como no limite superior da gama de frequências do dispositivo. É aconselhável que o dispositivo de medição de uma máquina de equilibragem defina o limite inferior do filtro passa-banda para 2-3 Hz e o limite superior para 50 (100) Hz. A filtragem "inferior" ajuda a suprimir os ruídos de baixa frequência que podem aparecer na saída de vários tipos de amplificadores de medição de sensores. A filtragem "superior" elimina a possibilidade de interferência devido a frequências combinadas e potenciais vibrações ressonantes de componentes mecânicos individuais da máquina.
4.3.2. Amplificação do sinal analógico do sensor Se houver a necessidade de aumentar a sensibilidade do sistema de medição da máquina de balancear, os sinais dos sensores de vibração para a entrada da unidade de medição podem ser amplificados. Podem ser utilizados tanto amplificadores padrão com ganho constante como amplificadores multiestágio, cujo ganho pode ser alterado programaticamente em função do nível real do sinal do sensor. Um exemplo de um amplificador multiestágio programável são os amplificadores implementados em conversores de medição de tensão, como o E154 ou o E14-140 da LLC "L-Card".
4.3.3. Integração Como se referiu anteriormente, a integração por hardware e/ou a dupla integração dos sinais dos sensores de vibrações são recomendadas nos sistemas de medição das máquinas de equilibrar. Assim, o sinal inicial do acelerómetro, proporcional à vibro-aceleração, pode ser transformado num sinal proporcional à vibro-velocidade (integração) ou ao vibro-deslocamento (dupla integração). Da mesma forma, o sinal do sensor de vibro-velocidade, após integração, pode ser transformado num sinal proporcional ao vibro-deslocamento.
4.3.4. Filtragem de banda estreita do sinal analógico utilizando um filtro de rastreio Para reduzir as interferências e melhorar a qualidade do processamento do sinal de vibração nos sistemas de medição das máquinas de balancear, podem ser utilizados filtros de rastreamento de banda estreita. A frequência central destes filtros é automaticamente sintonizada com a frequência de rotação do rotor equilibrado, utilizando o sinal do sensor de rotação do rotor. Os circuitos integrados modernos, como o MAX263, MAX264, MAX267, MAX268 da "MAXIM", podem ser utilizados para criar tais filtros.
4.3.5. Conversão analógico-digital de sinais A conversão analógico-digital é um procedimento crucial que garante a possibilidade de melhorar a qualidade do processamento do sinal de vibração durante a medição da amplitude e da fase. Este procedimento é implementado em todos os modernos sistemas de medição de máquinas de equilibragem. Um exemplo de implementação efectiva de tais ADCs inclui os conversores de medição de tensão do tipo E154 ou E14-140 da LLC "L-Card", utilizados em vários sistemas de medição de máquinas de equilibragem fabricados pela LLC "Kinematics". Além disso, a LLC "Kinematics" tem experiência na utilização de sistemas de microprocessadores mais económicos baseados em controladores "Arduino", o microcontrolador PIC18F4620 da "Microchip" e dispositivos semelhantes.
Autor do artigo : Feldman Valery Davidovich
Redação e tradução: Nikolai Andreevich Shelkovenko
Peço desculpa por eventuais erros de tradução.