Acelerómetros

Os acelerómetros industriais são usados para detetar desequilíbrios, falhas nos rolamentos e desalinhamento ao medir a vibração da máquina, fornecendo diagnóstico antecipado de falhas, reduzindo assim o tempo de inatividade. A nossa vasta linha de acelerómetros pode ser ligada diretamente aos equipamentos de aquisição de dados, incluindo PLCs, sistemas on-line e a analisador de vibrações.

As especificações técnicas dos acelerómetros incluem uma enorme quantidade de informações.

Como selecionar acelerómetros

Sensibilidade

A sensibilidade do acelerómetro determina a máxima e mínima aceleração que o acelerómetro consegue medir com precisão.

A sensibilidade de um acelerómetro é a tensão de saída medida em uma determinada frequência.

As frequências de calibração típicas são 80 Hz, 100 Hz e 159,2 Hz, onde 159,2 Hz seria considerado o padrão métrico, pois produz a vibração equivalente a 10 m/s² rms. (aceleração), 10 mm / seg rms. (velocidade) e 10 µm rms (deslocamento). Usando 80 Hz ou 100 Hz, uma amplitude de vibração de 1 g rms. seria aplicada ao acelerómetro, e a tensão de saída do acelerómetro seria medida. A sensibilidade do acelerómetro é muitas vezes referida como a saída calibrada do acelerómetro. Dependendo da construção e aplicação do acelerómetro, as sensibilidades nominais seriam 10, 50, 100 e 500 mV/g, mas as sensibilidades reais seriam determinadas e limitadas pela tolerância de sensibilidade do acelerómetro.

A sensibilidade é o valor de saída nominal do sensor, geralmente especificado em mV/g (milivolts / g). Geralmente é acompanhado por um valor de tolerância.

Tolerância de sensibilidade

Cada acelerómetro é calibrado para determinar a sensibilidade, e o valor real da saída medida deve estar dentro da tolerância de sensibilidade. Tolerâncias típicas são de +/- 5%, +/- 10%, +/- 15% e +/- 20%, onde 5% seria considerado uma tolerância de precisão, e 20% seria considerado uma tolerância marginal. Valores típicos são 10% e 15% para medições de vibração de uso geral. Caso se tenha que escolher um acelerómetro de 100 mV/g com uma tolerância de sensibilidade de +/- 10%, a saída calibrada do sensor poderia variar de 90 mV/g (-10%) a 110 mV/g (+ 10%). No entanto, caso se escolha um acelerómetro de 500 mV/g com uma tolerância de sensibilidade de +/- 10%, a saída calibrada do sensor pode variar de 450 mV/g (-10%) a 550 mV/g (+ 10% ).

Como os analisadores de vibração ou os coletores de dados têm uma função de entrada de volts / unidade, o valor do acelerómetro calibrado pode ser inserido na configuração e usado para normalizar o sensor de medição, para redução do erro de medição do acelerómetro. Deve-se ter presente que a tolerância de sensibilidade só se aplica à amplitude medida na frequência que determina a sensibilidade ou calibração do acelerómetro. A tolerância a todas as outras frequências será determinada com base na resposta em frequência do acelerómetro.

A especificação de um acelerómetros

Tome-se por exemplo uma especificação como segue:

Especificações
Modelo	XYZ
Sensibilidade (± 5%)	100 mV / g
Resposta em frequência (± 3dB)	0,3 – 15000 Hz
Resposta em frequência (± 10%)	1 – 10000 Hz
Resposta em frequência (± 5%)	10 – 5000Hz
Máxima aceleração medida	± 80 g, pico

A sensibilidade é nominalmente de 100 mV/g. O valor de tolerância é expresso como uma percentagem da sensibilidade nominal. Neste caso, a tolerância é de +/-5%. Isto significa que a saída real dos sensores ao detetar uma vibração de 1 g pode estar entre 95 milivolts e 105 milivolts. Para a definição da sensibilidade os sensores são ensaiados com um calibrador de vibrações mostrando a saída real testada do sensor quando vibrado a uma só frequência e nível, por exemplo, a 1 g a 100 Hz.

Máxima aceleração medida pelos acelerómetros

A máxima aceleração medida é a vibração máxima que o acelerómetro pode medir com precisão, dentro da especificação, antes que os componentes eletrônicos do sensor estejam saturados com sinal excessivo para o processamento da placa amplificadora. Quando o sensor fica saturado pela vibração excessiva, a placa amplificadora desliga-se automaticamente e reinicia-se quando a vibração cair abaixo do nível da saturação. Deve-se garantir que se conhece a máxima aceleração a medir antes de selecionar os acelerómetros adequados.

Resposta em frequência dos acelerómetros

A resposta em frequência do acelerómetro determina a faixa de frequências que o acelerómetro consegue medir.

Com uma tolerância de sensibilidade de +/- 5%, a resposta de frequência é expressa em três etapas:

• 5 por cento,
• 10 por cento
• 3 dB.

Como a análise de vibração industrial depende da tendência de valores para determinar quando uma condição da máquina está a piorar, normalmente não são necessárias medições muito exatas. Os valores de resposta de frequência que são normalmente aceitáveis para uso, são de +/- 3 dB. A resposta de frequência dos sensores é de +/- 5% de 10 Hz a 5000 Hz. Este é o “ponto ideal” do sensor onde as leituras são mais precisas; é também a banda de frequência onde a maioria de todas as leituras de vibração são feitas no mundo industrial. O valor de +/- 10% permite que o analista compreenda quando os dados podem ser menos precisos do que o intervalo de 5%. +/- 3dB corresponde a um intervalo de +29%/- 41%.

Frequência de ressonância do acelerómetro

Como se pode ver na figura anterior, a frequência de ressonância para o acelerómetro é de 22.000 Hz com uma amplitude de 24.6 dB. Isto seria o equivalente à frequência natural do acelerómetro e na ressonância produz um grande ganho de amplitude. Normalmente, o analista de vibração trabalhará abaixo da ressonância do acelerómetro usando os dados dentro dos limites de +/- 3dB. Alguns fabricantes de coletores de dados usarão a ressonância do acelerómetro para amplificar ondas de tensão de alta frequência, mas de pequena amplitude, em algoritmos proprietários normalmente referidos como programas de HFD (High Frequency Detection). Esses programas podem identificar a deterioração inicial de engrenagens e rolamentos.

A alimentação dos acelerómetros – o acelerómetro IEPE

Para a maioria dos acelerómetros industriais é usada a alimentação IEPE (Integrated Electronics Piezo Electric) . Esta é uma tecnologia de dois fios, que incorpora um elemento piezo-cerâmico e um amplificador integrado, para converter a saída de carga do elemento cerâmico em uma tensão e amplificá-lo para uso com analisadores de vibração, coletores de dados ou sistemas de monitoragem permanente. Como o elemento sensor e o amplificador estão contidos dentro do acelerómetro, este sensor robusto vem num conjunto muito compacto, para medição e análise de de vibrações em diversos ambientes industriais. A maioria dos acelerómetros é construída em de modo ao corte, para eliminar os efeitos da tensão de base ou transientes térmicos.

Acelerómetros -a conceção ao corte

A conceção ao corte, incorpora uma haste central, piezo-cerâmica e massa reativa projetada de maneira a permitir que a haste transmita a vibração da máquina para o interior do elemento cerâmico e a massa se oponha com a sua inércia, à vibração na parte externa do elemento cerâmico.

Essa oposição de forças entre a vibração e a massa, causa uma força de corte no elemento cerâmico que produz uma saída de carga em pC / g (pico-Coulombs/g). O amplificador integrado converte a carga numa tensão e amplifica-a. As saídas típicas do acelerómetro são 10 mV/ , 50 mV/g, 100 mV/g e 500 mV/g. As medições de vibração de uso geral normalmente dependem de um acelerómetro com uma saída de 100 mV/g. Vibrações de alta amplitude (tipicamente altas em frequência) utilizam 10m V/g, e vibrações de baixa amplitude (tipicamente baixas em frequência) utilizam 500 mV/g, para melhor a relação sinal/ruído. Na figura pode-se ver um esquema da construção do acelerómetro, com montagem do elemento cerâmico a funcionar ao corte.

Gama dinâmica dos acelerómetros

A amplitude máxima e mínima que o acelerómetro pode medir, é indicada pela gama dinâmica. Normalmente, a gama dinâmica é limitada a +/- 5 VAC_Pico, mas existem alguns acelerómetros de 100 mV/g com uma faixa dinâmica estendida para +/- 8 VAC_Peak. Se a tensão de polarização nominal é de 12 VCC, mas pode variar de 10 a 14 VCC, a fonte de alimentação deve ter um potencial maior do que a tensão de polarização +/- a tensão do sinal de vibração.

Ligação e tempo de estabilização de acelerómetros

Quando a energia de alimentaçãoé fornecida a um acelerómetro, existe um tempo de ativação para o circuito do amplificador se energizar e atingir uma tensão de polarização estável antes que a medição de vibração possa começar. O tempo de ativação é identificado como o tempo necessário para atingir ou normalizar a +/- 10% da tensão de polarização. Permitir que o acelerómetro estabilize ao redor da tensão de polarização impedirá o “sky slope” no espetro FFT.

O “sky slope”, manifesta-se no espetro de frequência, sobre a forma de componentes espetrais de muito baixa frequência e de muita elevada amplitude. O “sky slope”, que consiste no resultado da análise em frequência da componente DC do sinal não estabilizado, pode causar sérios problemas, a quem mede vibrações.

Na coleta de dados com equipamentos portáteis, o acelerómetro é alimentado quando o coletor de dados for ligado e o acelerómetro permanecerá ligado até que se desligue o coletor de dados no final do processo de coleta. Se um acelerómetro portátil estiver a ser montado com um ímã (ou montado por outros meios temporários), leva algum tempo para o circuito do amplificador estabilize após o choque da montagem. Isso é conhecido como tempo de estabilização.

Acelerómetros – cuidado na montagem

O tempo que leva para o circuito do amplificador se estabilizar após a montagem temporária é muito dependente do processo de montagem. Se o acelerómetro for montado rigidamente na máquina, permitindo que o íman choque na superfície de montagem, o choque da montagem saturará o amplificador e será necessário. um longo tempo de estabilização.

Se o suporte magnético for montado suavemente na superfície de montagem, com pouco ou nenhum choque no acelerómetro, o tempo de estabilização será mínimo. É sempre preferível, na recolha de dados portátil, montar o acelerómetro o mais suavemente possível, para evitar qualquer choque no sensor ou saturação do amplificador. Isso permite que o processo de medição comece mais rápido, economize tempo entre as medições e evite o “sky slope” no espetro FFT.

Não se deve permitir que a base magnética onde está montado o acelerómetro, choque com a superfície de montagem, quando é colocada na máquina, evitando-se assim o efeito de “sky slope”.

Nível de ruído espectral do acelerómetro

Cada acelerómetro tem um nível de ruído (“noise floor”) e a amplitude deste ruído é tipicamente medida em 10, 100 e 1000 Hz em unidades de µV divididas pela raiz quadrada da frequência, que é equivalente à raiz quadrada do PSD (Densidade espectral de potência). Dividir o valor medido de µV/√Hz pela sensibilidade do acelerómetro produz um valor µg / √Hz. Por exemplo:

• Ruído espectral medido a 10 Hz = 1,4 µV/√Hz

• Com a sensibilidade de 100mV/g, Ruído espectral a 10Hz = 14 µg/√Hz

• Agora podemos calcular a amplitude do ruído a 10Hz como 14 µg/√10 = 4,43 µg

4,43 µg seria a amplitude do ruído em 10 Hz. Para fazer uma medição acima do nível de ruído, com tolerância a ruído aceitável, o SNR (Relação Sinal / Ruído) deve ser de pelo menos 10 para 1, ou seja, a amplitude de vibração deve ser de pelo menos 44,3 µg no exemplo acima. O baixo ruído espectral permitirá que se faça uma boa medição e mantenha os sinais de interesse bem acima do nível de ruído do acelerómetro.