unidad 2 medicion analisis de vibracion

16-10-2012

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MantenimientoPredictivo

Dr. Ing. Eduardo Diez CifuentesDr. (c) Ing. Jorge Gonzlez Salazar

Departamento de Ingeniera MecnicaUniversidad de La Frontera

Unidad2:AnlisisdeVibraciones,MedicinyAnlisisdelaVibracin

2012

Cadena de medicin y anlisis de la vibracin

Comprende varias etapas:

Medicin y anlisis de la vibracin mecnica

Comprende varias etapas:

- Medicin de la seal vibratoria.- Acondicionamiento de la seal medida por el sensor.- Procesamiento y anlisis de la seal acondicionada.- Registro de la seal vibratoria.

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Medicin de la seal vibratoria

Consiste en transformar la seal vibratoria en una seal elctrica


Consiste en transformar la seal vibratoria en una seal elctrica proporcional a la vibracin: Sensor de vibracin (Transductor).

Magnitud fsica medidaEntrada al transductor (EU)

Voltaje de salida del transductor (Volt)

t t

El sensor debe medir lo ms fielmente posible la vibracin del eje de la mquina.

Muchos tipos de sensores para medir vibracin, los ms utilizados son:


Desplazamiento: sonda de desplazamiento sin contacto, mquinas montadas en descansos hidrodinmicos.Aceleracin: acelermetro, para mquinas montadas en rodamientos.

Sonda de desplazamiento sin contacto o sensor de proximidad.

Aplicacin: medicin directa de la posicin del eje en cojinetes hidrodinmicos.

Sensibilidad tpica: 200 mV/mils.

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Sonda de desplazamiento sin contacto o sensor de proximidad.

Mide la distancia entre el eje y la punta de la sonda.


Mide la distancia entre el eje y la punta de la sonda. El sistema de medicin consta de: sensor, cable, oscilador

demodulador, fuente de poder. Sensor: bobina recubierta. Sustraccin de runout.

Acelermetro Sensor ms utilizado para diagnstico de la

condicin de mquinas rotarorias: compacto, liviano,


resistente, buen rango de respuesta en frecuencia. Es un sensor de tipo piezoelctrico.Caractersticas del acelermetro Sensibilidad: relacin entre la entrada y salida del sensor, valor tpico 100 mV/g.

Otras sensibilidades: Temperatura, deformacin de la base, transversal.

Rango de medida de aceleracin: g, mm2/s.

Rango de temperatura de operacin: Limitado por la electrnica.

Linealidad: % de desviacin de la sensibilidad, depende de la frec.

Frecuencia resonante: Hz, cpm.

Tiempo de estabilizacin: s.

Rango de medida en frecuencia: Respuesta en frecuencia, tpicamente: 1 o 2 Hz a 8 o 10 kHz.

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Caractersticas del acelermetro

Para entender el comportamiento del acelermetro con la frecuencia principio de funcionamientofrecuencia principio de funcionamiento

( ) ( )k&&&& ( ) ( )yxkyxcxm =

yxz = tYy sin=

tYmkzzczm sin2=++ &&&

AcelermetroFuncin respuesta del instrumento


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Escala logartmica (dB)

)/log(20 AAdB

La funcin respuesta en frecuencia se presenta generalmente en un grfico de escala logartmica para las amplitudes

Razones de amplitud tpicas en hojas de datos de sensores:

)/log(20 refAAdB =

arbitraria referencia de Amplitud :Amedida Amplitud :A

ref

Razones de amplitud tpicas en hojas de datos de sensores:

( )( ) 3dB 0,707/120log 0,707/1

3dB1.414/120log 1,414/1=

=


Funcin respuesta en frecuencia de un acelermetro

( )( ) 3dB 1/0,70720log 1/0,707

3dB1.414/120log 1,414/1=

=

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Influencia del montaje en la respuesta en frecuencia de un acelermetro, repetibilidad de la medida.


Acelermetro Existe una variedad de acelermetros para aplicaciones

especiales: alta temperatura, baja frecuencia, alta frecuenciap p , j ,

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Acondicionamiento de la seal medida por el sensor

En esta etapa se prepara la seal para poder ser procesada yEn esta etapa se prepara la seal para poder ser procesada y analizada.

Cada tipo de sensor necesita un tipo especfico de acondicionamiento.

Ejemplos de acondicionamiento de seal: Amplificadores de carga (acelermetro), demoduladores (Sonda de corrientes de eddy), filtros (Antialiasing, pasabajos, pasabanda, pasaaltos)

Filtros

Conversin analgico digital (A/D)

Frecuencia de muestreo (fs): es la velocidad a la que el sistema mide los datos El valor mximo depende del convertidor A/D


mide los datos. El valor mximo depende del convertidor A/D. Unidades: Hz, muestras/s, y equivalentes (Ejemplo: kS/s)

Ejemplo para seal de voltaje: ( )ttV = 102sin5)(

Hzfs 200= Hzfs 50=

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Conversin analgico digital (A/D): Parmetros de configuracin de la adquisicin de datos


N de muestras (Nmero de puntos), Nt [s] es la cantidad de puntos en que se digitaliza la seal proveniente del sensor.

100=tN 10=tN

Conversin analgico digital (A/D): Parmetros de configuracin de la adquisicin de datos


De la configuracin de fs y Nt se derivan otras caractersticas de la adquisicin de datos.

Tiempo de toma de datos, T [s]: El tiempo que se tarda en medir Nt puntos de una seal a una frecuencia de muestreo fs.

st fNT /=

Resolucin temporal de la seal Resolucin temporal de la seal digitalizada, dt [s]: Tiempo transcurrido entre la adquisicin de dos puntos continuos de la seal digital.

dt

T

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Conversin analgico digital (A/D): Resolucin (Nmero de bits)


Resolucin: determina la resolucin en amplitud A, el cambio ms pequeo de la seal de voltaje que podremos medir.

La resolucin en amplitud est dada por:

FS: Fondo de escala rango de entrada en voltaje de la tarjeta

12 = n

FSA

FS: Fondo de escala, rango de entrada en voltaje de la tarjeta Para una tarjeta con rango 10V FS= 20V

Tpicamente las resoluciones disponibles en el mercado son: 14, 16, 24, 32 bits

Conversin analgico digital (A/D): Resolucin (Nmero de bits)


Ejemplo: Fondo de escala 10 mm/s

Convertidor A/D 4 bits

- 1 bit para el signo- 3 bits para 23=8 valores:000 ; 001 ; 010 ; 011 ; 100 ; 101 ; 110 ; 111

Convertidor A/D 24 bits

- 1 bit para el signo- 23 bits para 223=8388608 valores

101 ; 110 ; 111A = 10/23 =1.25 mm/s A = 10/223 = 0.00000119 V

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Procesamiento y anlisis de la seal medida

El procesamiento de la seal sirve para extraer de ella laEl procesamiento de la seal sirve para extraer de ella la mxima cantidad de informacin para el diagnstico de la condicin de la mquina.

La tcnica de procesamiento de seal ms til en diagnstico de fallas de mquinas rotatorias es la FFT (Fast Fourier Transform).

Tambin son importantes los Valores globales de vibracin: Valor RMS, Valor pico, Valor pico a pico.


Valores globales de una vibracin: VRMS, Vp, Vpp, FC

Los valores globales sirven para caracterizar una seal vibratoria:Los valores globales sirven para caracterizar una seal vibratoria:

Valor pico, Vp : valor mximo de la seal en un tiempo T.Valor pico a pico, Vpp: variacin mxima de la vibracin durante un intervalo de tiempo T.Valor RMS, VRMS: Valor que estima la energa de la seal en un perodo de tiempo T. Toma en cuenta el historial de la vibracin.

Factor de Cresta:

( ) NVVVV NRMS 22221 +++= L

RMS

PV

VFC =

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Valores globales de una vibracin sinusoidal:

VRMS VPVPP

VP = Amplitud de la sinusoidalVPP = 2 VP

VRMS = 0,707 VPFC = 1,414


La Transformada rpida de Fourier (FFT)

El anlisis de las vibraciones de una mquina puede ser muyEl anlisis de las vibraciones de una mquina puede ser muy complicado si se hace a partir de la seal temporal.

Mltiples componentes + ruido en la seal dificultan el anlisis incluso en analistas con experiencia.

3

1

2

-3

-2

-1

0

Tiempo [s]0,50 0,1 0,2 0,3 0,4

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La transformada de Fourier (FT) es un procedimiento matemticoLa transformada de Fourier (FT) es un procedimiento matemtico que permite pasar del dominio del tiempo al dominio de la frecuencia.

La FT se puede adaptar para su clculo numrico (Transformada discreta de Fourier, DFT):

( )

= dtetxfX ftj 2)(

2 k

La FFT, es un algoritmo mejorado para aumentar la velocidad de clculo usando un procesador en un equipo electrnico (Analizador, PC, etc.)

( ) 1,...,0)(11

0

2

==

=

Nkenx

NkX

N

n

Nnkj



Por el teorema de Fourier sabemos que cualquier funcin peridica se puede descomponer en una suma de funciones trigonomtricas (Suma de senos)

Cualquier vibracin peridica se puede descomponer en una suma de vibraciones

( )

=

=1

sin)(n

n ntAtx

descomponer en una suma de vibraciones sinusoidales.

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FFT)

da r

pida

de

Four

ier (

La T

rans

form

ad

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Problemas que puede generar el uso de la FFT

Aliasing: problema del muestreo de la seal

Considere el muestreo de la siguiente seal

Aliasing (de Alias): aparicin en el espectro de componentes a una frecuencia que no existe en la seal real


Problemas que puede generar el uso de la FFT: Aliasing

Para evitar este problema, siempre se debe cumplir el teorema de Nyquist:

max2 ffs

En la prctica, para evitar el problema del aliasing se utiliza los filtros pasabajos, que eliminan de la seal las frecuencias altas. Filtros por hardware y filtros por software.

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Fugas laterales: errores de amplitud y dispersin de las componentesEspectro en frecuencia

Amplitud escala logEspectro en frecuenciaAmplitud escala linealSeal temporal

Causa: Seal de longitud finita y registro de nmero no entero de perodos.


Problemas que puede generar el uso de la FFT: Fugas laterales

Ventanas de ponderacin Seal de longitud finita. Esto equivale a multiplicar la seal

adquirida por una ventana uniforme de valor 1 Las fugas laterales se disminuyen con otras ventanas.

Seal ponderada con una ventana uniforme o de forma rectangular

Seal ponderada con una Ventana Hanning o de forma de coseno

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Ventana Hanning

Efecto del uso de la ventana Hanning

Proporciona un compromiso entre resolucin en amplitud y resolucin en frecuencia.



Efecto del uso de la ventana HanningEspectro en frecuencia

Amplitud escala logEspectro en frecuenciaAmplitud escala lineal

Seal temporal con un nmero no entero de

perodos

Vent

ana

rect

angu

lar

Vent

ana

Han

ning

V

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Efecto rendijaNmero entero de perodosNmero no entero de perodos


Opciones para registro y anlisis de vibraciones

Recolector analizador de datosRecolector analizador de datos Sistemas de adquisicin de datos

Recolector analizador de datos (Analizador FFT)

Equipo comercial orientado especficamente al monitoreo de la condicin de equipos.

Utilidad: medicin registro y anlisis rutas Utilidad: medicin, registro y anlisis, rutas. Varios tipos de anlisis:

Valores globales, espectral, fases, evolvente, promedios sincrnicos

1 y 2 canales. Costo: USD 30.000 40.000

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Sistemas de adquisicin de datosLa adquisicin de datos se lleva a cabo con una tarjeta de adquisicin de datostarjeta de adquisicin de datos

Principales caractersticas de las tarjetas:

- Tipo de entrada: analgica, digital, ambas.

- N de canales: 1 sensor por canal.

- Resolucin: Cambio ms pequeo de voltaje del sensor que la tarjeta puede reconocer.

V l id d d t id d- Velocidad de muestreo: rapidez con que puede medir datos.

- Rango de entrada en voltaje (o fondo de escala): voltaje mximo que puede medir la tarjeta.


Configuracin de un anlisis espectral

Influyen los siguientes parmetros:

- Frecuencia mxima del anlisis, Fmax [Hz, cpm]

- Nmero de lneas Nl- Resolucin en frecuencia f [Hz, cpm]

- Tiempo de registro TR [s]

- Nmero de puntos de seal en el tiempo N

- Intervalo de tiempo entre puntos t [s]

Las ecuaciones que relacionan estos parmetros son:

fTR =1 lNN 56,2= NTt =

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Formas de calcular el valor RMS en un analizador

1. Desde la forma de onda (Dominio tiempo): Valor RMS anlogo

2. Desde el espectro (Dominio frecuencia): Valor RMS digital

( ) NVVVV NRMS 22221 +++=

El valor RMS digital considera solo las componentes que estn dentro del rango de frecuencia del anlisis.

( ) ( ) ( )22221 NRMSRMSRMSRMS VVVV +++= L

unidad 2 medicion analisis de vibracion

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