Analisador de vibrações 9

O tema específico tratado em analisador de vibrações 9, consiste na análise e seguimento de ordens.

Quando se efetua análise de vibrações, para se tirar partido de todo o potencial de um analisador de vibrações, é necessário compreender o seu modo de funcionamento. Por isso, aqui são apresentados os conceitos de análise digital de sinal, implementados atualmente num analisador de vibrações FFT, do ponto de vista do utilizador.

Começa-se por apresentar as propriedades do Fast Fourier Transform (FFT) em que os Analisadores de Vibrações são baseados. Em seguida, mostra-se como essas propriedades FFT podem causar algumas características indesejáveis na análise do espectro, como aliasing e fugas (leakage). Tendo apresentado uma dificuldade potencial com o FFT, mostra-se quais soluções são usadas para tornar os analisadores de vibrações em ferramentas práticas. O desenvolvimento desse conhecimento básico das características do FFT torna simples obter bons resultados com um analisador de vibrações numa ampla gama de problemas de medição.

Aqui pode-se ver a gama de analisadores de vibrações disponibilizados pela D4VIB.

Introdução

9 Análise e seguimento de ordens (“order analysis & tracking” )

9.1 O domínio das ordens num analisador de vibrações

A frequência também pode ser normalizada à velocidade de rotação após uma medição. No gráfico da Figura 9.1, observe-se que o eixo de frequência e a leitura são em termos de ordens de rotação (múltiplos de velocidade de rotação), em vez de em frequência.
Analisador de vibrações 9 – Figura 9.1 Espetro em que o eixo horizontal (frequência) é calibrado em múltiplos (ordens) de velocidade de rotação

Esta técnica simplesmente equivale a redimensionar o eixo de frequência quando a velocidade de rotação é conhecida ou pode ser deduzida e normalmente não é útil com mapas espetrais. Essa normalização não funciona em tempo real, e a resolução não é uma percentagem constante da velocidade de rotação.
A rápida variação de velocidade, de curto prazo, provoca um alargamento das linhas espectrais no espectro de vibração, como se mostra na Figura 9.2. À medida que a velocidade muda durante o intervalo de aquisição de um bloco de amostras da forma de onda, para uma medição, o analisador de vibrações está efetivamente a analisar vários espectros diferentes. Isso resulta nos componentes espectrais alargados da Figura 9.2(b).

a) Velocidade de rotação constante

b)Variação na velocidade de rotação

Analisador de vibrações 9 – Figura 9.2 A rápida variação de velocidade de rotação curto prazo resulta num alargamento das componentes espectrais (b)

9.2 As ordens no mapa espetral num analisador de vibrações

Frequentemente o que é necessário é o seguimento de ordens (ou seja, a localização de pontos caracterizados pela amplitude em função da velocidade de rotação para uma ordem particular, ver figura 9.3.

Figura 9.3 A ordem, é o local dos pontos de uma linha específica do espetro de frequência, em função da velocidade de rotação da máquina. O gráfico apresenta esses dados sobrepostos a um gráfico em cascata.
As ordens podem ser também apresentadas em corte como se pode ver na figura a seguir apresentada.

Analisador de vibrações 9 – Figura 9.4 – Mapa espetral e ordem

Uma das complicações encontradas na análise de vibrações de máquinas rotativas é a variação da velocidade. Para as máquinas que operam numa grande gama de velocidades, é desejável medir a vibração em toda a gama de velocidades. Com um eixo de frequência fixo, os componentes espectrais estão em constante movimento com as mudanças de velocidade. Para as máquinas que funcionam a uma velocidade nominalmente constante, mesmo pequenas mudanças podem dificultar comparações.

9.3 A utilização da amostragem externa num analisador de vibrações

Variações na velocidade de curto prazo dificultam a análise em tempo real. As variações de velocidade de rotação, a longo prazo, tornam praticamente impossíveis as comparações entre espectros.
Isto é ultrapassado com a amostragem externa sincronizada com a rotação da máquina.

Analisador de vibrações 9 – Figura 9.5 – A ligação de um tacómetro ao analisador de vibrações, para se poder efetuar a o controlo da amostragem externo em função da velocidade de rotação do veio.

O controle da amostragem do bloco de tempo sincronizado com a rotação da máquina (também conhecido como seguimento de ordens) pode ser usado para compensar ambos os problemas enquanto a medição está em curso.
Por outras palavras, no analisador de vibrações a funcionar com seguimento de ordens, a amostragem não é feita pelo relógio do equipamento, a definir um intervalo de tempo fixo entre amostras no bloco de tempo que vai servir de base para o cálculo do FFT, como se pode ver na Figura 9.3 a seguir apresentada.

Analisador de vibrações 9 – Figura 9.6 – Efeito da amostragem por tacómetro externo no espaçamento temporal das amostras do bloco de tempo

Ao controlar a taxa de amostragem de dados com um sinal ligado à velocidade de rotação, a gráfico do espetro de frequência terá uma calibração fixa nas ordens de rotação. Este é um resultado do analisador, com efeito, amostrar com um ângulo delta constante, de rotação do veio.

9.4 O efeito da amostragem externa no mapa espetral

Na amostragem sincronizada com a rotação da máquina o que vai ocorrer consiste em que as linhas do espetro de frequência relacionadas com a velocidade de rotação apareçam numa frequência estacionária. Isto é muito útil na análise de vibrações em máquinas, uma vez que a maioria dos defeitos de máquinas estão relacionados com a frequência de rotação de veio. Uma boa maneira de ilustrar os efeitos do controle de amostragem síncrono (ou externo) é com mapas espectrais feitos em modos de amostra externos e normais, como mostrado na Figura a seguir apresentada

a) Amostragem pelo relógio interno

b) Amostragem comandada por um tacómetro externo, sincronizada com a velocidade de rotação do veio

Analisador de vibrações 9 – Figura 9.7 Dois mapas espectrais de uma arranque de máquina ilustram o efeito do controle externo da amostragem, num analisador de vibrações.

Estes dois mapas espetrais foram feitos durante um arranque de uma máquina. Repare-se que no mapa com a amostragem normal, as componentes de frequência relacionados com a velocidade de rotação se movem para a direita à medida que a velocidade aumenta, enquanto as componentes de frequência fixa (por exemplo,ressonâncias estruturais e relacionados com a alimentação elétrica) se apresentam em linha reta na mesma posição de frequência.
No mapa com controle de amostragem externo (b), as componentes de frequência relacionadas com a velocidade de rotação, sobem diretamente no mapa espetral, enquanto os componentes de frequência fixa se movem para a esquerda (a sua frequência relativa baixa à medida que a velocidade de rotação aumenta).

9.5 A amostragem externa e o seguimento de ordens (“order tracking”)

A principal vantagem do controle de amostragem síncrona é que a apresentação em tempo real dos componentes espectrais relacionados com a ordem (velocidade de rotação) permanecem com posição fixa no eixo horizontal. Durante as medições individuais (ou especialmente com média) variações de velocidade não causam um “alargamento” de frequência ao longo de um intervalo de frequência. Outra vantagem é a extração de faixas de ordem é muito simplificada e a precisão melhora. Um seguimento de ordem é o gráfico de uma ordem individual à medida que a velocidade de rotação muda. Uma vez que a frequência desses componentes foi normalizada a um valor fixo, uma função de marcador simples pode ser usada para extrair um seguimento de ordem do gráfico do mapa espetral como se vê na figura.

Analisador de vibrações 9 – Figura 9.8 Uma função “marcador de fatia” é usada para extrair as informações relacionadas com uma ordem no gráfico do mapa espetral amostrado sincronizadamente (inferior) e constrói um gráfico de seguimento de ordem (superior) para a 3ª ordem

9.6 Diagrama de blocos da amostragem externa e do seguimento de ordens

Normalmente para controlar a amostragem, o sinal de uma vez por rotação é multiplicado por um multiplicador. O multiplicador é necessário porque os analisadores de vibrações normalmente amostram a uma taxa de 2,56 vezes a gama de frequência. Uma vez que geralmente é desejável olhar para várias ordens, o impulso de tacómetro, uma vez por rotação, deve ser multiplicado por 2,56 vezes o número de ordens a serem analisadas. Por exemplo, caso se precise de analisar uma máquina para uma frequência de 100 ordens, com uma sinal uma vez por rotação, seria necessário multiplicar o impulso para produzir 2,56 * 100 = 256 pulsos de amostragem por rotação. Se o tamanho do bloco fosse de 1024 pontos, haveria exatamente 4 rotações num bloco de dados. Um requisito importante para o multiplicador é a proteção anti-aliasing. O aliasing ocorre quando a taxa de amostragem de dados é muito lenta, permitindo que sinais de alta frequência sejam deturpados como sinais de baixa frequência. O aliasing é evitado se for usado um filtro para limitar os sinais de entrada a frequências inferiores a 1/2 a taxa de amostragem como já se viu atrás. Uma vez que a taxa de amostragem está a variar, é necessário ter um filtro anti-aliasing de seguimento variável (tracking filter). A Figura mostra um diagrama de bloco desta implementação digital do controle de amostras síncronas.

Analisador de vibrações 9 – Figura 9.9 Diagrama de blocos da implementação controle de amostras síncronas.

9.7 Medições do arranques e paragens de máquinas – o diagrama de Bodé

Uma medição importante feita utilizando a capacidade de seguimento de ordens dos analisadores de vibrações é a dos arranques e paragens de máquinas. Em muitas máquinas, a única vez que operam em determinadas velocidades importantes (ou seja. velocidades críticas, em ressonâncias estruturais, etc.) é durante um arranque ou paragem. Esta medida é uma indicação importante da condição das máquinas e é usada geralmente para qualificar máquinas de alta velocidade novas ou após revisão. A medição usa o desequilíbrio residual na máquina para excitá-la a diferentes frequências, uma vez que funciona até à velocidade operacional e mede a resposta (magnitude e fase) em função da velocidade. Isto utiliza a capacidade básica de seguimento de ordens do analisador de vibrações juntamente com recursos especiais de apresentação de resultados desta medição.
Dois formatos de exibição comuns são usados com esta medida; um é o diagrama de Bode e o outro é a diagrama Polar. O diagrama de Bode retrata a magnitude e a resposta de fase do sistema no arranque ou paragem em função da velocidade (RPM).

Analisador de vibrações 9 – Figura 9.10 – O Diagrama de Bode do arranque de uma máquina, mostrando as velocidade criticas. O gráfico superior mostra nível de vibrações, o do meio o da fase e o de baixo a velocidade de rotação. O nível de vibrações e a fase são apresentados em função 1 x RPM

Um benefício dos analisadores de vibrações nesta medida, é sua capacidade de seguir simultaneamente várias ordens e exibi-las, além da velocidade de rotação fundamental (1ª ordem); bem como o nível geral e o perfil rpm como se vê na figura.

Analisador de vibrações 9 – Figura 9.11 – Diagrama de Bode do arranque de uma máquina, com apresentação da 2ª e 3ª ordem, assim como o nível global e a RPM da máquina.

9.8 Medições do arranques e paragens de máquinas – o diagrama Polar (ou de Nyquist)

No diagrama Polar a amplitude das vibrações é apresentada em função da fase.

Analisador de vibrações 9 – Figura 9.12 – Diagrama Polar (ou de Nyquist) do arranque de uma máquina apresentando a fase e o nível de uma forma polar. Notar a viragem dada ao gráfico para compensar o posicionamento do sensor de fase e do de vibrações.

Para ver uma apresentação sobre este tema clique aqui.

Analisador de vibrações 9