Sensor de vibração industrial: especificações técnicas, seleção e aplicação para confiabilidade de máquinas

1. Introdução

O monitoramento da integridade das máquinas é fundamental para a confiabilidade industrial. A análise de vibração fornece identificação precoce de deterioração mecânica, evitando falhas catastróficas. A seleção da tecnologia de detecção apropriada para ativos específicos – como bombas centrífugas, compressores, turbinas ou caixas de engrenagens – requer uma compreensão rigorosa da física do transdutor, da resposta de frequência e das restrições ambientais. A seleção inadequada do sensor é a principal causa de dados imprecisos e falha na detecção de problemas mecânicos em desenvolvimento.

2. Princípios Fundamentais

Sensores de vibração convertem movimento mecânico (deslocamento, velocidade ou aceleração) em sinais elétricos mensuráveis. A seleção depende da frequência e amplitude do movimento que está sendo monitorado.

2.1 Acelerômetros IEPE

Os sensores piezoelétricos de eletrônica integrada (IEPE) utilizam um cristal piezoelétrico - normalmente de cerâmica ou quartzo - que gera uma carga quando submetido a tensão mecânica. Um microcircuito interno (JFET) converte essa carga de alta impedância em um sinal de tensão de baixa impedância, permitindo a transmissão por cabos longos sem atenuação significativa do sinal ou suscetibilidade a ruídos. Eles são o padrão para medições de alta frequência, como detecção de defeitos em rolamentos.

2.2 Transdutores de Velocidade

Os transdutores de velocidade medem diretamente a velocidade de máquinas vibratórias. Eles são inerentemente sensíveis a frequências mais baixas e são frequentemente usados ​​em equipamentos sensíveis ao equilíbrio. Sensores de estado sólido modernos simulam a resposta de velocidade tradicional da bobina magnética usando circuitos integrados acoplados a um acelerômetro, eliminando as peças mecânicas móveis que normalmente falham nos sensores tradicionais de bobina móvel.

2.3 Sondas de Proximidade

As sondas de proximidade operam com base no princípio das correntes parasitas. Um sinal portador de alta frequência de um oscilador/demodulador externo (proximitor) cria um campo magnético na ponta da sonda. Quando um material condutor (como o eixo de uma máquina) se move para este campo, correntes parasitas são induzidas, alterando a impedância da bobina. Essas sondas medem o deslocamento relativo e são essenciais para monitorar a dinâmica dos mancais, órbitas do eixo e posição axial em equipamentos rotativos de grande porte.

3. Especificações Técnicas e Padrões

O projeto e a aplicação desses sensores devem estar em conformidade com os padrões internacionais estabelecidos para garantir a confiabilidade e a integridade dos dados:

• ISO 10816 / ISO 20816: Fornece diretrizes para a avaliação da vibração da máquina por meio de medições em peças não rotativas (por exemplo, carcaça).
• API 670: o padrão do setor para sistemas de proteção de máquinas, detalhando requisitos para sistemas de sonda de proximidade, incluindo linearidade, faixa de frequência e testes ambientais.
• IEC 61010: Regula os requisitos de segurança para equipamentos elétricos para medição, controle e uso em laboratório.

As principais especificações incluem sensibilidade (por exemplo, 100 mV/g para IEPE), resposta de frequência (normalmente faixas de ±5% ou ±3 dB), faixa dinâmica (amplitude máxima antes da saturação) e limites de temperatura operacional.

4. Guia de seleção e dimensionamento

5. Melhores práticas de instalação e comissionamento

A montagem do sensor tem um impacto direto na faixa de frequência utilizável. A montagem em pinos fornece a conexão mais rígida, permitindo a coleta de dados de alta frequência (até 15-20 kHz). A montagem adesiva é aceitável se realizada com epóxi de camada fina e de alta rigidez; no entanto, reduz a resposta de alta frequência. A montagem magnética é adequada para medições de diagnóstico periódicas de baixa frequência, mas não é adequada para monitoramento permanente ou análise de alta frequência.

A instalação da sonda de proximidade requer calibração meticulosa da tensão de gap de acordo com a faixa linear especificada (normalmente -10V a -2V). Configurações incorretas de folga farão com que o sensor opere em uma região não linear, levando a erros de medição significativos nos dados de posição do eixo.

6. Modos de falha e análise de causa raiz

A falha do sensor geralmente decorre de problemas ambientais ou de instalação:

• Fadiga do cabo: movimentos repetitivos do maquinário sobrecarregam o cabeamento, levando à perda intermitente de sinal. Utilize um conduíte flexível e blindado e um alívio de tensão adequado.
• Saturação: impactos de alta frequência (por exemplo, impactos em engrenagens) podem exceder a faixa dinâmica do sensor, causando saturação e corte do amplificador.
• Entrada de umidade: falha na vedação ambiental (comprometimento da classificação IP67/IP68) resulta em quebra da resistência de isolamento e desvio de sinal.
• Ground Loops: O aterramento inadequado da blindagem do sinal causa interferência de 50/60 Hz. Use sensores isolados quando necessário.

7. Manutenção Preditiva e Monitoramento de Condições

O monitoramento de condições depende de processamento avançado de sinais:

• FFT (Fast Fourier Transform): Usado para decompor sinais no domínio do tempo em espectros de frequência para identificar frequências de falhas discretas (por exemplo, desequilíbrio, desalinhamento).
• Análise de envelope: extrai impactos de alta frequência de rolamentos, permitindo a detecção de lascamento ou corrosão em estágio inicial.
• Tendências: monitoramento dos níveis gerais de vibração (por exemplo, velocidade RMS) em relação aos ISO 20816 padrões para determinar a gravidade e a necessidade de intervenção.

8. Matriz de Comparação

Resumo

O monitoramento confiável de vibração começa com a seleção apropriada do sensor, compatível com os requisitos físicos e de diagnóstico do sistema mecânico. Os acelerômetros IEPE são essenciais para análise de rolamentos de alta frequência, enquanto as sondas de proximidade são essenciais para o monitoramento do eixo do mancal. A adesão aos padrões API e ISO, juntamente com técnicas de instalação corretas, é necessária para garantir a precisão dos dados. Para obter uma linha abrangente de sensores de vibração de nível industrial certificados e adequados para suas necessidades de MRO, examine nossas soluções disponíveis no catálogo eletrônico UNITEC-D.

10. Referências

1. ISO 20816-1:2016, Vibração mecânica — Medição e avaliação de vibração de máquinas.
2. Norma API 670, Sistemas de Proteção de Máquinas, 5ª Edição.
3. IEC 61010-1, Requisitos de segurança para equipamentos elétricos para medição, controle e uso em laboratório.
4. Mobley, R.K., Fundamentos de vibração, Butterworth-Heinemann.