Aquisição de dados de vibração: critérios-chave para a escolha de um sistema de medição

O rolamento do motor começa a se degradar muito antes de o alarme soar. O primeiro sinal é muitas vezes uma pequena mudança na vibração: um novo pico espectral, uma ligeira mudança de fase ou um aumento lento no ruído de banda larga. Se o sistema de aquisição de dados não conseguir preservar esses detalhes, o problema pode passar despercebido até a máquina falhar. A aquisição de dados de vibração, portanto, não envolve simplesmente conectar um acelerômetro a um computador. Trata-se de construir uma cadeia de medição que capture a faixa de frequência, a faixa dinâmica e a sincronização de tempo corretas para um teste específico ou objetivo de monitoramento.

O que os sistemas de aquisição de dados de vibração fazem

Um sistema de aquisição de dados de vibração executa quatro tarefas: detecta o movimento mecânico, condiciona o sinal elétrico, converte-o em um registro digital e depois analisa ou armazena o resultado. Cada estágio tem limites e o elo mais fraco determina a qualidade geral da medição.

O sensor geralmente é um acelerômetro, transdutor de força ou microfone. O condicionador de sinal aplica ganho, filtragem e, no caso de sensores IEPE, excitação de corrente constante. O conversor analógico-digital amostra o sinal condicionado a uma taxa e resolução definidas. Finalmente, os pacotes de software transformam históricos de tempo digitais em espectros FFT, órbitas, trilhas de ordem ou parâmetros modais. Um sistema bem projetado mantém todos esses elementos equilibrados.

Comece com o acelerômetro, não com o computador

Escolher o sensor primeiro pode parecer contra-intuitivo, mas o acelerômetro define a banda de frequência e a faixa dinâmica disponíveis para toda a cadeia. Os acelerômetros piezoelétricos cobrem a maioria das medições de vibração industrial, enquanto os sensores de força e os microfones atendem a aplicações específicas. A questão principal é o tipo de saída, pois determina como o front end de aquisição de dados deve ser configurado.

Para um levantamento de máquinas rotativas, um acelerômetro IEPE com sensibilidade de 100 mV/g é um ponto de partida comum porque fornece uma faixa de frequência útil de aproximadamente 0,5 Hz a 10 kHz. Quando as temperaturas excedem a faixa operacional dos componentes eletrônicos integrados, os acelerômetros de modo de carga são mais seguros. O sistema de aquisição deve corresponder ao sensor: uma entrada IEPE fornece corrente constante e desacopla a tensão de polarização, enquanto uma entrada de carga requer um amplificador de carga. Ignorar esta correspondência é uma das fontes mais frequentes de configuração incorreta.

Taxa de amostragem, anti-aliasing e resolução ADC

A taxa de amostragem determina a frequência de sinal mais alta que você pode capturar. O critério de Nyquist exige amostragem maior que o dobro da frequência máxima de interesse; analisadores dinâmicos práticos usam uma proporção de 2,56 vezes para deixar espaço para a eliminação do filtro anti-aliasing. Para uma faixa de análise de 10 kHz, isso significa uma taxa de amostragem de 25,6 kHz ou superior.

A vibração de máquinas é frequentemente analisada até 20 kHz; o diagnóstico de falhas em rolamentos pode precisar de 40 a 80 kHz. Testes de choque de alta frequência e medições ultrassônicas exigem ainda mais. No lado da resolução, os conversores de 24 bits fornecem uma ampla faixa dinâmica, mas o número efetivo de bits, o ruído de entrada e a correspondência de fase do canal são mais importantes do que as especificações de marketing. Uma unidade como o ZTU8508C oferece capacidade de amostragem de 1 MHz para capturar transientes e ressonâncias de alta frequência que os analisadores comuns não percebem.

Analisador de sinal dinâmico de 8 canais ZT-U8508C com amostragem de 1 MHz Este analisador de 8 canais faz amostragem de até 1 MHz por canal com relógios sincronizados por hardware, garantindo resposta de fase correspondente para captura transitória de alta frequência e análise de domínio de frequência multicanal. Ver Produto →

Contagem de canais, opções de interface e sincronização

Muitos projetos requerem mais de um canal. A medição de vibração em três eixos utiliza pelo menos quatro entradas, incluindo um tacômetro. A análise modal experimental pode usar dezenas de canais simultâneos. Quando os canais devem ser comparados no domínio da frequência, todas as entradas precisam ser amostradas simultaneamente com resposta de fase estreitamente combinada. Pequenas incompatibilidades de fase entre canais distorcerão as estimativas da função de resposta de frequência e os formatos de deflexão operacional.

As opções de interface afetam a facilidade com que você pode dimensionar o sistema. Os dispositivos USB são adequados para trabalho de bancada e portátil, os dispositivos de rede permitem cabos mais longos e layouts distribuídos, e plug-ins ou sistemas incorporados lidam com grandes contagens de canais. A tabela abaixo resume as compensações típicas.

Para um equilíbrio entre contagem de canais e conveniência de instalação em campo, um analisador de rede de 16 canais como o ZTN8116C é uma escolha prática. Ele recebe dados através de um link Ethernet de 100 Mbps e pode suportar layouts de medição distribuída onde o computador host está localizado longe da máquina.

Analisador de sinal dinâmico de 16 canais ZT-N8116C com Ethernet Um sistema de aquisição paralela de 16 canais que suporta entradas de tensão, IEPE e carga, oferecendo amostragem de 64 kS/s em todos os canais e conectividade Ethernet para layouts de medição de campo distribuídos. Ver Produto →

Analisadores portáteis versus sistemas de nível de laboratório

Os analisadores portáteis trocam uma pequena contagem de canais para facilitar o transporte. Eles são usados ​​para balanceamento de campo, verificações de máquinas no local e medições de aprovação/reprovação após manutenção. Uma unidade USB compacta com exibição de espectro em tempo real permite que os técnicos vejam uma mudança no pico de vibração enquanto ajustam um rotor ou apertam uma fundação. Esse imediatismo costuma ser mais valioso do que ter mais canais.

Um analisador portátil como o ZTU8201I fornece processamento de espectro em tempo real em um gabinete pequeno, o que simplifica a solução de problemas no chão de fábrica. Quando a tarefa se transformar em um teste modal de 32 canais, você poderá passar para um sistema de rede sincronizado.

Analisador de espectro USB compacto em tempo real ZT-U8201I Um analisador USB leve e portátil com processamento de espectro em tempo real, adequado para solução de problemas de vibração no local, análise acústica e diagnóstico de falhas quando combinado com software de PC. Ver Produto →

Da forma de onda em tempo bruto ao insight de engenharia

A aquisição é apenas metade da tarefa. A camada de software converte formas de onda de tempo em informações: espectros de frequência, mapas de ordem, formatos modais e curvas de tendência. Configurações de análise como janelas, sobreposição, média e linhas FFT afetam diretamente o resultado. Entendendo como um analisador de sinal dinâmico difere de um registrador de dados tradicional pode ajudar a evitar especificações incorretas. Se você capturar um sinal perfeito, mas não conseguir visualizar harmônicos de baixa frequência ou espectros de potência cruzada da maneira correta, o sistema não está executando o trabalho pretendido.

Combinando a estratégia de aquisição com a aplicação

O teste modal requer um agitador ou martelo de impacto para excitar a estrutura, aquisição multicanal sincronizada e baixo erro de fase canal a canal. O monitoramento da máquina rotativa enfatiza a amostragem contínua, entradas do tacômetro e rastreamento de pedidos. As medições acústicas necessitam de microfones de baixo ruído e potência IEPE adequada. Um front-end flexível que aceita entradas de tensão, IEPE e carga cobrirá a maioria dos cenários.

Para projetos que combinam sensores, aquisição, excitação e software de análise em um único arranjo pronto para uso, trabalhar com um único fornecedor pode simplificar a integração; um estruturado sistema de teste de vibração e dinâmico muitas vezes reduz o risco de aquisição e o tempo de treinamento.

Considerações práticas de compra

Antes de comprar, examine a especificação de fase canal a canal, não apenas a profundidade de bits do ADC. Procure filtros anti-aliasing integrados e rastreabilidade de calibração. Pergunte se o software pode exportar dados para formatos comuns e se o fornecedor oferece treinamento ou suporte. Se a cadeia de medição incluir acelerômetros de uma fonte e um gravador de dados de outra, verifique as tensões de polarização, a capacitância do cabo e os tipos de conectores. Os conectores de campo e a qualidade dos cabos são pontos fracos comuns na aquisição de dados de vibração, especialmente em ambientes de alto ruído.

Construa a cadeia antes de comprar

Escolha o sensor para sua faixa de frequência e amplitude, selecione um front-end de aquisição que corresponda ao sensor e forneça a contagem e sincronização de canais necessárias e, em seguida, escolha um software que responda às suas perguntas de engenharia. O resultado é um sistema que funciona no primeiro dia e continua funcionando em muitos projetos.