3 analisis de vibracion parte 3

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TEMA 5MEDICIÓN DE VIBRACIONES

INSTRUCTOR:HENRY J. ESPINOZA BEJARANO (Dr. – Ing)

RAFIKI

1. Composición de la cadena de medición

2. Transductores de vibración

3. Acondicionamiento de señal

4. Medición y análisis de la señal

ContenidoMedición de vibraciones

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Aplicaciones de la Medición Experimental deVibraciones

Mantenimiento Predictivo: Detección prematura de fallos en maquinaria.

Validación de modelos teóricos: Se emplean las medidas experimentales para comprobar los resultados obtenidos con modelos.

Aislamiento y control de vibraciones: El objetivo consiste en determinar y controlarla transmisibilidad de la máquina.

Registro de excitaciones: En la caracterización dinámica de sistemas mecánicosse deben registrar previamente excitaciones tipo que se correspondan con la vida útil del equipo.

Determinación de parámetros del sistema mecánico: La determinación de lamasa y rigidez es usualmente relativamente sencilla. El amortiguamiento es mascomplicado de evaluar.

CADENA DE MEDIDA

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TRANSDUCTOR O SENSOR

Los sensores poseen una parte mecánica y otra eléctrica.

El sistema mecánico del sensor tiene parámetros característicos que definen una fun-ción de transferencia, que aplicada a la magnitud mecánica a medir, define el mo-vimiento de la masa interna, cuyas oscilaciones son transformadas en impulsos eléc-tricos por el transductor incorporado (parte eléctrica).

Los sensores poseen una constante C que está expresada en unidad de salida divididapor la unidad de entrada (por ejemplo: mV/g)

CADENA DE MEDIDA

El preamplificador es necesario para convertir la señal débilde alta impedancia del transductor piezoeléctrico típico enuna señal de voltaje de baja impedancia

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CADENA DE MEDIDA

El acondicionador (integrador) de la señal se utiliza paralimitar el rango de frecuencias de la misma y para llevar acabo una simple (aceleración a velocidad) o doble integración(aceleración a desplazamiento).

TRANSDUCTOR DE VIBRACION

El detector se emplea para extraerle a la señal aquellosparámetros que le caracterizan (valor RMS, valor pico, factorde cresta, etc.).

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CADENA DE MEDIDA

Elección de la cadena, aspectos a considerarFrecuencia mínima – máxima a medirSensibilidadMasa de los sensoresResolución

Condiciones de la cadenaSistema lineal, son válidos los principios de proporcionalidad y superposiciónLibre de retroalimentaciónLibre de distorsión causadas por el equipamiento

PRINCIPIO DE MEDICIONDE TRANSDUCTORES

MEDICIÓN RELATIVA

La vibración a medir es aplicada directamente a través de una punta de prueba a la masa interna del sistema en el sensor.

De esta manera se mide el movimiento relativo de la punta de prueba respecto de la carcasa, que es la referencia.

El movimiento de la masa es registrado por mediode un transductor, simbolizado en el dibujo por una escala vertical, pero que en la realidad responde a diferentes configuraciones basadas en diferentes principios físicos, como se verá más adelante.

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PRINCIPIO DE MEDICION

MEDICIÓN INERCIAL

Para este caso, la señal de entrada es aplicada a la carcasa del sensor, porlo que se mide el movimiento relativo de la masa interna respecto de la carcasa,

y(t)

Transductores de desplazamientoDETECTOR PROBETA EDDY

FUNCIONAMIENTO:Este genera un campo magnético, producto de unaradiofrecuencia generada por el transductor.

Esto le permite realizar mediciones sin estar en contacto.vibración radial, desplazamiento axial, R.P.M y ángulode fase.

Las variaciones de espacio o entre-hierro en la probeta,hace que la misma genere un voltaje proporcional a loscambios de entre-hierro.

La probeta EDDY esta fabricada con fibrade vidrio, resina expósica y alambre de plata.

El conductor del mismo es un cable coaxialde 95 ohmio. Las longitudes son 0.5 y 1.0 mts.

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FUNCIONAMIENTO:

La gama de frecuencias útiles para las sondas de desplazamiento es de 10 a 1.000 Hz(600 a 60.000 r.p.m.). Los componentes en frecuencia fuera de esta gama se distorsionarán yresultarán inútiles para la determinación de las condiciones de la máquina. El dato de desplazamiento se registra, normalmente, en milésimas de pulgada pico a pico (cuando se aplicannormativas de origen anglosajón).


MEDICIÓN DE LA VIBRACIÓN RADIAL ENFUNCIÓN DE AMPLITUD ODESPLAZAMIENTO PICO A PICO: Estamedición se realiza con el sensor o probetaEDDY, la cual se instala con respecto al eje enforma perpendicular.

MEDICIÓN DE DESPLAZAMIENTOAXIAL: Se realiza con el sensor o probetaEDDY, a diferencia que este se instala enforma paralela con respecto al eje, esdecir, se utiliza para medir la posiciónaxial de un eje.

Las Probetas EDDY no registra lecturas en:•Problemas de dientes partidos.•Problemas de desgastes de dientes.•Problemas de desgastes de alabes.

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PROXIMITORES:El proximitor es un demodulador, oscilador yacondicionador de señal que tiene como funcióngenerar una radio frecuencia de 50Mhs paraalimentar la probeta EDDY de modo que estairradie un campo magnético que le permitamedir el movimiento oscilatorio del rotor.

Este movimiento produce en la Probeta EDDYcorrientes, las cuales son acondicionadas por elproximitor a un factor o relación de escala de200 milivoltios por cada milésima de pulgada.

Los proximitores necesitan una alimentación de18 a 24 VDC y de fabrica presentan unacalibración, para ser utilizado en acero alcarbón 4140, con un factor de escala de 200mv/mil”

DETECTOR PROBETA EDDYDETECCIÓN DE VIBRACIÓN EN FUNCIÓN DE AMPLITUD

LOCALIZACIÓN DE AVERÍAS EN UN SISTEMA PROBETA / PROXIMITOR:1. Bajo Voltaje de GAP:•La probeta está muy cerca del eje.•La probeta esta a tierra.•El proximitor no da salida.•No hay alimentación en el proximitor.

2. Alto Voltaje de GAP:La probeta está muy lejos del eje.La probeta está abierta.El cable de extensión está abierta.El proximitor da máxima salida.

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DETECTOR PROBETA EDDYRECOMENDACIONES DE INSTALACIÓN DE UN SISTEMA PROBETA / PROXIMITOR:

No deben instalarse en los puntos nodales.

Se deben instalar cuando el peso de la carcaza o estator es mayor que el peso del rotor.Generalmente las turbinas industriales y los compresores centrífugos tienen carcazas conun relación de peso mucho mayor.

Deben instalarse en lugares donde no se presenten interferencias mecánicas.

Deben instalarse en lugares donde no se presenten interferencias magnéticas

No deben instalarse sobre estructuras o soportes, que puedan producir resonanciasestructurales.

TRANSDUCTOR DE VELOCIDAD

Sensor sísmico Velocity Transducer es un sensor tipo flexible; se utiliza para medir vibraciones demedia frecuencia.

FuncionamientoSe basa en el principio de inducción magnética. Este sensor mide la vibración en función de lafrecuencia que se produce en las carcazas o estatores a consecuencia de la intensidad de lavibración.

El detector autogenerante esta constituidopor un imán permanente, una bobina móvil yunos resorte que representa la sensibilidaddel mismo.

El sensor no autogenerante esta constituidopor una bobina fija, una bobina móvil y unosresorte que representan la sensibilidad delmismo.

Clasificación

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CARACTERISTICAS•Es un detector tipo flexible.•Trabaja por arriba de su frecuencia natural.•Se instala sobre las carcazas o estatores.•Las unidades de medición más comunes son pulg./seg. Y mm./seg.•La sensibilidad (K), es variable las más comunes son: 500 mv. Pulg./seg. Y 145 mv. Pulg./seg.


RECOMENDACIÓN DE INSTALACIÓN DE UN VELOCITY TRANSDUCER SENSOR SÍSMICO.

1.- Considerar la velocidad de trabajo del equipo o maquina donde se va a instalar el detector.2.- Ver la curva de medición del detector, para determinar su frecuencia de resonancia y zona demedición.3.- Determinar la relación de peso entre la carcaza y el rotor. Las condiciones necesarias para instalar undetector tipo sísmico, es que el peso de la carcaza o estator debe ser menor o igual al peso del rotor.4.- Realizar anualmente una curva del detector con el propósito de ver su sensibilidad, la cual es la formade determinar la precisión de medición del mismo. Esta curva se realiza con una Mesa Vibratoria

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TECNOLOGÍA DE PUNTA: THE LASER VELOCITY TRANSDUCER

TRANSDUCTOR DE ACELERACIÓN

Los acelerómetros pueden estar basados en principios de conversión mecánica-eléctrica diferentes:

• piezoeléctricos,• piezoresistivos,• capacitivos,• inductivos, etc.

Los mas utilizados son los piezoeléctricos.

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DETECTOR DE VIBRACIÓN EN FUNCIÓN DE ACELERACIÓN: Su funcionamiento está basado enel principio del cristal o piezoeléctrico, el cual al ser sometido a presión genera una cargaeléctrica proporcional a la presión.


CONFIGURACIONES INTERNA DE TRANSDUCTORES PIEZOELECTRICOS

Se muestran tres configuraciones típicas de acelerómetros piezoeléctricos,:

Las dos primeras de compresión y la tercera de cortante.

Con el diseño de cortante se reduce la sensibilidad del acelerómetro a las flexiones de laestructura sobre la que se apoya. Cada uno de ellos consta de una base o soporte, de un cristalde material piezoeléctrico y de una masa sísmica.

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CARACTERÍSTICAS• Es un detector tipo rígido.• Trabaja por debajo de su frecuencia natural. Frecuencias bajas, medias, altas y muy altas.• Se instala sobre las carcazas o estatores.• Como su zona de medición esta por debajo de su frecuencia natural y la misma es relativamente

alta. El rango efectivo de utilización es de 1 a 10.000 Hz• La sensibilidad (K), es variable las más comunes son: 25 mV/g, modelo estándar y 10 mV/g,

modelo de alta frecuencia.


RECOMENDACIÓN DE INSTALACIÓN DE UN ACELEROMETRO SENSOR SÍSMICO

• Realizar un análisis de vibración, con el propósito de determinar los niveles defrecuencia en condiciones normales, que se produzcan en el equipo o maquina. Estotiene la importancia de establecer parámetros para la selección y compra adecuadade Acelerómetro.

• Ver la curva de medición del detector, para determinar su frecuencia de resonanciay zona de medición.

• Determinar la relación de peso de la carcaza y el rotor (el paso de la carcaza oestator debe ser menor o igual al peso del rotor).

• Realizar anualmente una curva del detector con el propósito de ver su sensibilidad,la cual es la forma de determinar la precisión de medición del mismo. Esta curva serealiza con una Mesa Vibratoria.

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TRANSDUCTOR DE ACELERACIÓN TRIAXIAL

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

El principio del acelerómetro triaxialpiezoeléctrico original, consiste en tresunidades axiales sencillas que están montadasin un husillo común, junto con tres ejesperpendiculares entre sí. El diseño estabaconstruido alrededor de un anillopiezoeléctrico suspendido por cuatro soportes,y una masa sísmica en el centro. El nuevodiseño es similar al original, pero ahora elanillo piezoeléctrico está suspendido de solotres soportes sencillos.

Calibración acelerómetros

Generalmente los acelerómetros se suministran debidamente calibrados.

Si se emplean en sus condiciones normales de operación, es decir, no se someten a impactosmuy elevados ni a golpes, no se encuentran expuestos a elevadas temperaturas ni radiaciones,etc., sus características prácticamente no varían incluso en períodos de muchos años.

Pero a veces los acelerómetros sufren daños permanentes, por ejemplo cuando se caenal suelo desde cierta altura. Es conveniente hacer revisiones periódicas para comprobarla calibración de su sensibilidad.

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Calibración acelerómetros

Existen calibradores que producen vibraciones justo a un nivel conocido para que se puedacomparar dicho nivel con el que mide el acelerómetro que se desea calibrar.

La mayoría de los transductores comerciales se suministran con certificados de calibración,pero es recomendable realizar un ensayo antes de comenzar a utilizarlo por varias razones:1. Para comprobar la integridad de los transductores, para detectar errores en los cables,

en los conectores, en los acondicionadores de señales o en el analizador.2. Para comprobar que todas las configuraciones de ganancia, polaridad y atenuación en el

sistema son correctas, puesto que en largas cadenas de medidas es fácil que unaconfiguración se olvide.

3. Para comprobar que los transductores que se van a usar se ajustan al rango defrecuencias de interés.

Acelerómetros

Ventajas:Amplio rango de frecuencia.Gran rango de amplitudBuena tolerancia a la temperatura.Robustos y diseñados para una amplia gama de aplicaciones.Pueden dar respuestas en velocidad y desplazamiento, por medio de integración interna.Permanecen estables. Pueden ser calibrados cada largo tiempo. Misma vibración, lamisma señal.

Desventajas:No responde por debajo de 1 HzLimitaciones en la temperatura debido al amplificador interno.

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Selección del transductorRESPUESTA A LA FRECUENCIA

Una vez tomada la decisión de usar el acelerómetro, se debe ahora decidir si la señal vaa ser integrada a velocidad para el análisis.

La selección debe considerar la respuesta a la frecuencia del transductor. El rengo de medidasdebe caer en el rango lineal del transductor

Selección del transductorRANGO OPERATIVO

• Otra cuestión a considerar es el rango operativo del sensor.

• Todos los sensores (o sus amplificadores internos) tienen un límite superior del nivel devibración que pueden manejar.

• También tienen un límite inferior por debajo del cual, el ruido electrónico es demasiadogrande.

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Si se supera el límite superior el sensor se satura. El espectro presentará un alto ruido de fondo y lamedida será inservible.

Viendo esto en el espectro algunos pueden creer que hay un fallo en el sensor. Sien embargo, puede serun dato útil en la diagnosis (a menudo indica alta frecuencia, alta amplitud en la vibración como resultadode cavitación u otro fallo. Por tanto, no pensar automáticamente que algo va mal en el sensor, porquequizá la máquina te esté diciendo algo.

En este caso puedes volver a montar el sensor poniendo una goma entre el sensor y la máquina, queamortigüe la alta frecuencia de vibración.


En el lado opuesto de la escala, hay que tener cuidado con el límite inferior del rangodinámico del sensor. Para máquinas de velocidad lenta, donde las vibraciones son bajas,necesitamos un sensor muy sensible que sea capaz de amplificar las señales losuficiente, y tiene que tener un ruido de fondo muy pequeño.


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Selección del transductorSENSIBILIDAD

La sensibilidad es una medida de los niveles de tensión de salida que obtienes en respuesta aun nivel fijo de vibración. Los acelerómetros expresan la sensibilidad en mV/g. Por ejemplo, siel acelerómetro tiene una sensibilidad de 100mV/g, y el nivel de vibración es de 1g,producirá 100 mV de tensión.

Si tienes una máquina de precisión con una velocidad muy baja donde los niveles de vibraciónson pequeños, necesitas un acelerómetro más sensible. Necesita producir suficiente tensión paraque el colector sea capaz de medir. Una sensibilidad típica en estos casos es 1V.Por otra parte para grandes máquinas muy ruidosas, la sensibilidad necesitará ser mucho másbaja, por ejemplo 10 mV/g.

La mayoría de acelerómetros utilizados en sistemas de monitorizado y usados en aplicacionesde monitorizado continuo tienen una sensibilidad de 100mV/g. Estos sensores cubren un ampliorango dinámico, siendo válidos para la mayoría de las pruebas.

Selección del transductorSENSIBILIDAD

Debido al diseño de los sensores electrónicos, la respuesta de frecuencia no es la misma paraacelerómetros de alta sensibilidad que de baja.

Esto es independiente de las repercusiones que puedan tener los diferentes métodos demontaje.

Hay un gran número de aplicaciones para acelerómetros de alta sensibilidad y de bajafrecuencia. Hace tiempo, los sensores y colectores no fueron diseñados para tomar tantosdatos. Muchas aplicaciones requieren de estos sensores, como en petroquímica, papel ymáquina herramienta.

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Selección del transductor

La decisión basada en la velocidad de la máquina. Como regla general:

• Desplazamiento: de 0 a 1000 RPM

• Velocidad: entre 1000 y 10000 RPM

• Aceleración: por encima de 10000 RPM

¿Cual es tipo mas adecuado?

Selección del transductor

En función de la frecuencia de interés puedes considerar las frecuencias de interés:

Desplazamiento: si la vibración es menor de 1000 CPM y la máquina tiene cojinetes.Velocidad: Si la vibración está entre 600 y 120000 CPMAceleración: si la vibración es mayor de 60000 CPM

Las unidades de velocidad son las más usadas en el moderno mantenimiento predictivo,aunque la aceleración se debería de usar cuando se analizan rodamientos.

El espectro y la onda temporal brindan una mayor información muy útil a altas frecuencias.

Algunos profesionales toman datos incluso en dos rangos de frecuencia, (bajo y alto). Elprimero alrededor de 10 veces la velocidad de la máquina, en unidades de velocidad. Elsegundo alrededor de 100 veces la velocidad de la máquina, en unidades de aceleración.

¿Cual es tipo mas adecuado?

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Fijación del transductor

Fijación del transductor

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Medidas rutinarias para garantizar calidad enla medida

• Para lograr repetitividad en la medida , el sensor se debe montar en las máquinassiempre del mismo modo y a las mismas condiciones.

• Se hace esto para que la única razón en el cambio de los niveles de vibración sea uncambio en el estado de la máquina.

• Pero puede pasar que la máquina esté funcionando a diferente velocidad o carga. Lasmedidas de vibración se ven afectadas por estos parámetros y por otros.

• Nuestra labor es tratar de definir una gama repetible y controlable de condiciones deensayo.

• Algunas veces esto puede ser imposible o al menos muy difícil. Esto conlleva un altogrado de coordinación con los operarios de la planta.

• Si se sabe cuando la máquina va a operar a una velocidad/carga determinada,entonces será cuando se realicen las pruebas.

Medidas rutinarias para garantizar calidad enla medida

Se debe hacer hincapié en la importancia de la toma de datos de forma que lo único quecambien entre las medidas sea la condición de la máquina. Si no, tan pronto como seregistre un cambio, te verás obligado a volver a medir la máquina porque no tienes laconfianza suficiente en tus datos.

Algunos sistemas llegan muy lejos para ofrecer un alto nivel de respetabilidad, utilizandotacos de fijación e incluso códigos de barras para identificar los puntos

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Acondicionadores de la señal

Son dispositivo en la cadena de medida utilizados para modificarconvenientemente la señal, para ser procesadas

Pueden ser:• Amplificadores• Atenuadores• Operacionales

Ejemplo:Divisores de voltaje, amplificadores de carga, Inversores, Integrado-res, Diferenciadores, filtros.

Acondicionadores de la señalFILTROS

Tienen como función remover una banda de frecuencias de la señal

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Acondicionadores de la señalCONVERSION ANALOGICA-DIGITAL

La señal analógico significa que la señal es continua

La señal digital significa que no es continua, formadas por un numerode amplitudes separadas por intervalos de tiempo finitos.


ALIASINGFenómeno que produce una distorsión de la onda digitalizada, se produce cuandola frecuencia de muestreo es inferior a la frecuencia de la señal.Según el teorema de Nyquist establece que la frecuencia de muestreo debe sermayor al doble de la frecuencia de la señal analógica

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ALIASINGSi la frecuencia de muestreo es inferior a la frecuencia de la señal de entrada elresultado es una señal de frecuencia mas baja (frecuencia de aliasing) igual a ladiferencia entre la frecuencia de entrada y la frecuencia de muestreo.

F(alias) = fe - fm

El aliasing se evita:1. Con frecuencia de muestreo superior a 2 veces la frecuencia de entrada2. Usando filtro anti aliasing

DETECTORES

Se utilizan para extraer los valores que caracterizan la señal (mediaaritmética, media cuadrática, raíz cuadrática media, etc).

Obtención de los cuadrados (squaring)Utilizan la característica logarítmica que poseen los diodos para lograr el cuadradomediante la duplicación del valor logarítmico de la señal rectificada.

Obtención de la media (promedio)El proceso actúa como un filtro de pasa bajos, para retirar los componentes deondulación de frecuencias altas y dejar las DC.

Detectores de picoCapturan el mayor valor encontrado y bien lo mantienen hasta que son reinicializados ohacen que descienda lentamente.

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DETECTORES

Factor de crestaRelación entre el valor pico y el valor RMS• Aporta una medida de cuan puntiaguda es la señal.• Ejemplos (vibraciones en maquinas alternativas y fallas en engranajes y elementosrodantes de cojinetes)

DETECTORES

Detectores de envolventes• El análisis directo de la frecuencia de una señal no siempre ofrece información sobre

la frecuencia de repetición, sobre todo cuando las resonancias excitadas son de altafrecuencia.

• Estas frecuencias son fáciles de medir mediante la envolvente de la señal.

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El Run-Out es un conjunto de señales parásitas de tipo eléctrico y/o mecánico quedistorsionan las vibraciones adquiridas de la máquina, haciendo imposible el correctodiagnóstico de la condición mecánica de ésta. Por lo tanto, para realizar un diagnósticoconfiable en este tipo de máquinas, es imprescindible la eliminación del Run-Out.

Run-Out

Figura 2. Señal con Run-out

Run-Out

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La Figura 4 muestra la misma forma de onda de la Figura 2, pero después de haberrealizado la sustracción del Run-Out mediante PPDS. En ésta se aprecia la desapariciónde la raya mostrada en la Figura 1, dejando la señal vibratoria disponible para laaplicación de cualquier técnica de análisis de vibraciones y/o la evaluación de lacondición de la máquina por medio de normas adecuadas.

Run-Out

Figura 4

El espectro de la Figura 5 en cambio, presenta una gran cantidad de armónicosatribuibles al Run-Out y que puede inducir erróneamente a diagnosticar un problemaque no existe.

Run-Out

se muestra en el espectro de la Figura 6, al presentar una componente a 1X y unapequeña componente a 2X de la frecuencia de rotación de la máquina, debido aldesbalanceamiento residual

Figura 5 Figura 6

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La Figura 7 a diferencia de la Figura 8, muestra una órbita con características elípticas,propia de los descansos hidrodinámicos, evidenciada gracias a la sustracción del Run-Out.

Run-Out

Como se vio anteriormente, la sustracción del Run-Out es el punto clave en elmonitoreo de máquinas rotatorias por medio de sensores de desplazamiento sincontacto.

Con Run-out Con Run-out

Instrumentos Medidores de vibración

• Son instrumentos que reciben una señal de un transductor yla procesan para dar una indicación de los parámetrosrelevantes de ella.• Se los construyen específicamente para satisfacer algunanorma: Deterioro por vibración de máquinas alternativas (ISO2372), Vibración humana (ISO 2631).

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Medidores de vibración

Después de establecer las variables y necesidades del monitoreo por condición sedisponen en el mercado las siguientes opciones:

- Medidores y colectores portátiles; son pequeños y livianos dirigidos a personalde operaciones para chequeos rápidos, ayudan a determinar el estado de funcionamientodesde el punto de vista de vibración. Algunos almacenan data.

SKF CMVP40/50Vibración Pen Plus


- Colectores y analizadores de datos; son equipos que proporcionan un análisismas serio, todos almacenan data de acuerdo a una ruta pre-establecida, permiten análisisen sitio o en software, permiten comparación de lecturas con niveles de alarma. Son losmas usados por el personal de Mtto. Predictivo.

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- Softwares para registro y análisis de datos; en estos programas se puederealizar un análisis detallado, puede comparar lecturas actuales con las previas paraobservar tendencias, comparar espectro actual con el de referencia, gráficos overall y deforma de onda, permite elaborar las rutas y pre-fijar alarmas.


- Equipos de monitoreo continuo para adquisición y análisis dedatos; esta aplicación es común en maquinaria critica donde los problemas puedendesarrollarse muy rápidamente y tener consecuencia financieras severas

3 analisis de vibracion parte 3

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