Fallas como desbalance, desalineación, falla de cojinete, falla de engranaje, perturbaciones de flujo, o perturbaciones de pase de hojas, son sólo algunos de los muchos problemas que se pueden detectar con un acelerómetro. Todos estos defectos son detectados por el acelerómetro a través del contacto de superficie-superficie con la máquina.

La Transmisión de las vibraciones de la máquina al acelerómetro es sólo tan buena como el montaje del acelerómetro lo permita. Métodos pobres de montaje pueden limitar severamente la capacidad de los acelerómetros para medir las vibraciones para lo cual fue fue diseñado. Los típico acelerómetros industriales tienen rangos de frecuencia útil de hasta 15 kHz (15.000 ciclos por segundo) o 900.000 CPM (ciclos / minuto). Para lograr el pleno uso de este límite superior de frecuencia, el montaje debe ser muy bueno para evitar una característica conocida como " resonancia de montaje".

La resonancia de montaje es un resultado directo por reducir la frecuencia natural de los acelerómetros y se produce como resultado de la reducción de la rigidez o incremento de la masa. Esto es probablemente mejor descrito viendo la fórmula en la que la rigidez se expresa en el numerador, y la masa se expresa en el denominador:

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Donde:

fn = frecuencia natural
k = rigidez
m = masa

Frecuencia natural del Acelerómetro

El diseño inicial y la construcción del acelerómetro implica una frecuencia natural mucho mayor que el rango de uso. Esto permite que las tolerancias se coloquen en el rango de uso de + / - 5%, + / -10% o + / - 3 dB. La rigidez es realizada por el montaje rígido de un elemento piezoeléctrico dentro del acelerómetro. El tamaño de la masa mecánica utilizada para ejercer una fuerza sobre el elemento piezoeléctrico, y proveer la fuente de excitación, se basa en la frecuencia de salida deseada del acelerómetro. Una masa mas ligera produce una mayor frecuencia natural, y una pesada masa producirá una menor frecuencia natural. Por supuesto, una masa más ligera producirá menos fuerza, y una masa más pesada producirá más fuerza, por lo que el tamaño de la masa está cuidadosamente equilibrada para la frecuencia y características de amplitud.

La figura 1 es algo típico de una respuesta de frecuencia natural de un acelerómetro. Las regiones de transmisión, la amplificación debida a la resonancia, y el aislamiento han sido marcados para mayor claridad.

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Funcionalidad

La región de transmisión es la región funcional para el acelerómetro. El grado de precisión dentro de esta región es descrita por la amplitud de tolerancia de +/- 5%, +/- 10%, y +/- 3 dB. A pesar de +/- 5%, es la mejor tolerancia de amplitud, también tendrá la región más pequeña de transmisión. La región más grande de transmisión se produce en +/- 3 dB de amplitud de tolerancia, pero puesto en unidades lineales esto es aproximadamente -29,3%, o 41,3% en la tolerancia de amplitud.

Inicialmente la tolerancia de +/- 3 dB, parece ser excesiva, pero se utiliza de manera consistente en la industria con gran éxito. Estas tolerancias se producen durante la fabricación del acelerómetro, y son esencialmente arregladas para la vida útil del acelerómetro, siempre que no se dañe. Como la mayoría de programas se basan en la historia de una tendencia, y no la amplitud absoluta, la aplicación de la tolerancia de +/- 3 dB es aceptable.

La región de amplificación es el resultado directo de la excitación de la frecuencia natural y la aparición de la resonancia. Esta región es capaz de producir beneficios muy importantes en la señal de vibración, que pueden causar que los niveles de vibración parezcan mucho más altos de lo que realmente son.

Normalmente, los datos en la región de amplificación no se usan porque no es repetible. Existen algunas técnicas que usan la región para lograr la amplificación de alerta temprana de fallas mecánicas a través de la detección de alta frecuencia, pero no se discutirá en este momento, y es mejor dejar a varios fabricantes de instrumentos de vibración que se estén aplicando en diferentes aplicaciones de varios programas.

La región de aislamiento es un área de desplazamiento de fase y pérdida de señal. Un cambio de fase de 180 grados se produce después de pasar por la resonancia. Los errores en la amplitud de la vibración y la fase se producirán cuando operen por encima de la frecuencia natural.

Resonancia Montada

Bajo circunstancias ideales, el montaje del acelerómetro debe proporcionar uso total de la región de la transmisión. Aunque tener esto es un objetivo excelente para cualquier analista, es totalmente dependiente del método de montaje utilizado. Recuerde, la frecuencia natural de un acelerómetro se basa en la rigidez y la masa, y todo lo que modifica estas características durante el montaje del sensor se desplazará esta frecuencia natural. Lamentablemente, este cambio en la resonancia siempre reduce el rango de uso del acelerómetro. El acelerómetro no está descompuesto, ni val menos de para lo que fue diseñado, es sólo alterado durante el proceso de montaje.

Hay varios métodos diferentes de montaje disponibles. La figura 2 es un gráfico que indica algunos de estos métodos, y los rangos de frecuencia esperados que puedan emplearse para la transmisión de vibraciones de la máquina para el acelerómetro.

En relación a la figura 2, hay un par de métodos que se utilizan mucho más que los otros, y esta investigación analizará los cambios resultantes en la resonancia montado para cada uno de ellos.

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El imán de la superficie curva, a veces conocido como un magneto de dos barras o dos polos, es probablemente el método más popular de montaje para la medición de vibraciones portátil. Encaja bien en superficies curvas, como carcasas del cojinete, y rápidamente le permite al analista de vibración montarlo en una ubicación vertical, horizontal o axial de cada cojinete. Normalmente, el imán de la superficie curva ofrecerá transmisión utilizable de la vibración de hasta 2000 Hz. El montaje con pernos requiere de una superficie lisa y realizar los orificios pertinentes. Este tipo de montaje es más adecuado para el monitoreo permanente donde un acelerómetro será instalado y dejado en la máquina para cada ubicación en la que las vibraciones se medirán. Esto se refiere a menudo como referencia del montaje, ya que normalmente proporcionan una transmisión de las vibraciones hasta los límites del acelerómetro.

Análisis de los dos Métodos de Montaje

Para analizar estos dos métodos de montaje del acelerómetro, se necesitaran emplear algunos instrumentos de vibración y técnicas para simular una máquina de vibración.

• Un Agitador de vibración, con un acelerómetro calibrado de referencia estándar incorporado, se utilizará para simular la vibración de la máquina. Proporcionará una perturbación de vibración controlada en el rango de frecuencias de la prueba. El acelerómetro de referencia se considerará como la entrada, y se comparara con el acelerómetro bajo prueba (de salida).

El Agitador utilizado para esta aplicación fue limitado a 10,000 Hz.

• Un generador de función se utiliza para impulsar el agitador con ruido aleatorio y simular la multitud de trastornos de vibración comunes en las máquinas industriales. Sería muy raro que una máquina que genera sólo una vibración o frecuencia de perturbación, y la aplicación de ruido aleatorio proporcionara una mejor simulación de la vibración de la maquinaria industrial.

• Un acelerómetro para probar utilizando el método de montaje deseado en el agitador.

• Un analizador de señales dinámicas se utilizará para capturar los datos y mostrar los resultados de la prueba en cinco formatos diferentes.

1) El espectro de potencia (FFT), del acelerómetro de referencia que indica la amplitud vs frecuencia. (Entrada)

2) El espectro de potencia (FFT), del acelerómetro de prueba que indiquen la amplitud vs frecuencia. (Salida)

3) La respuesta de frecuencia generada por dividir la salida del acelerómetro de prueba por la entrada del acelerómetro de referencia. La respuesta de amplitud ideal sería un valor de uno (ganancia unitaria), pero también indican el aumento producido en la resonancia.

4) La coherencia indicando el porcentaje de salida del acelerómetro de prueba que se relaciona con la entrada del acelerómetro de referencia. Esto se refiere a menudo como la causalidad lineal.

5) La fase entre los dos acelerómetros. El acelerómetro de referencia y el acelerómetro de prueba deben estar en fase uno con el otro en la región de la transmisión y antes de la resonancia. Después de la resonancia, estos dos sensores estarán fuera de fase el uno con el otro.

Como se muestra en la Figura 3, el generador aleatorio de ruido proporciona la señal eléctrica para impulsar el agitador. El acelerómetro de referencia está incorporado en el agitador y el acelerómetro de prueba se monta en la parte superior del agitador. La señal para el acelerómetro de referencia se aplica a uno de los canales del analizador de señales dinámicas, y la señal del acelerómetro de prueba se aplica a dos de los canales del analizador de señales dinámicas. El Canal Uno y el acelerómetro de referencia se considerarán la entrada para fines de prueba. El Canal dos y el acelerómetro de prueba se considerarán la salida para fines de prueba. El método de montaje bajo prueba será aplicado entre estos dos acelerómetros y la salida comparada a la entrada.

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Montaje con Pernos

El montaje con pernos se realiza taladrando un agujero y roscándolo utilizando un perno de rosca entre el acelerómetro y la máquina.

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Durante la prueba y la calibración, a esto se le refiere a menudo como montaje "espalda a espalda”. Los acelerómetros son esencialmente atornillados en el agitador, con la tabla del agitador en medio de estos. La figura 4 es una ilustración de la esta técnica de montaje. La aplicación de ruido aleatorio de 0 – 10,000 Hz hará que el agitador oscile (vibre) de los dos sensores al mismo tiempo. De esta manera, los dos sensores pueden ser comparados entre sí con el analizador de señal dinámica. La Figura 5 representa los resultados obtenidos con este método de montaje.

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El Análisis de los datos medidos en la figura 5, indica que los espectros de potencia para el acelerómetro de referencia y el acelerómetro de prueba son casi idénticos. Frecuencias y amplitudes se corresponden en ambos espectros de potencia.

La respuesta de frecuencia se aproxima a una ganancia de uno, con el límite de +5% a 5,402 Hz, y el límite de 10% a 7,037 Hz. El límite de 3 dB nunca fue superado. Esto daría un rango de transmisión, en el límite de 3 dB, de hasta al menos 10,000 Hz y probablemente mayor si hubiera estado dentro del ámbito de la medición y la capacidad de los agitadores.

Montaje con Imanes

El imán de superficie curva tiene al acelerómetro unido a éste por un perno roscado. Sin embargo, cuando el conjunto se coloca en la máquina para medir la vibración, la fijación a la máquina se realiza por dos barras magnéticas. La Transmisión a través del imán se lleva a cabo por dos líneas de contacto y la fuerza de atracción del imán. Esto proporciona un área limitada y la rigidez para el ensamble. El imán por si mismo, añade masa significativa para el acelerómetro. La pérdida de rigidez y el aumento de masa reduce la frecuencia de resonancia de la combinación del sensor y imán. Esta resonancia montado será mucho menor que las capacidades del acelerómetro sin el imán. La figura 6 muestra el imán de montaje y el acelerómetro de referencia para fines de prueba.

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La aplicación de ruido aleatorio aplicada al agitador en el rango de frecuencia de 0-10,000 Hz. Las mismas mediciones se hicieron en el imán de montaje que ya se habían hecho en el perno de montaje. La Figura 7 representa los resultados obtenidos con el método de montaje de imán.

El Análisis de los datos medidos en la Figura 7 indica que los espectros de potencia para el acelerómetro de referencia y el acelerómetro de prueba son muy diferentes. Las Amplitudes son significativamente más altas en el acelerómetro de prueba superiores a 5000 Hz.

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La respuesta de frecuencia está limitada a un rango de transmisión por debajo de la frecuencia de resonancia de 6,937 Hz. El límite de 5% es 1.537 Hz, el límite de 10% es 1,875 Hz, y el límite de 3 dB es de 3,487 Hz. La frecuencia de resonancia en 6,937 Hz tiene una ganancia de 12.32. Si una amplitud de 1 pulgada/segundo se aplica al agitador a 6,937 Hz, la resonancia de montaje causara una medición de vibraciones de aproximadamente 12.32 pulgadas/segundo en la salida del acelerómetro de prueba.

La coherencia es muy bueno y da una indicación de que el 98% de la vibración medida por el acelerómetro de prueba fue causada por el agitador y el acelerómetro de referencia. Tenga en cuenta que la amplitud de la señal se muestra en la respuesta de frecuencia, y que la coherencia es una medida de causalidad.

Los dos sensores se encuentran en fase el uno con el otro por debajo de 6,937 Hz, y fuera de fase uno con el otro por encima de 6,937 Hz. Por encima de la resonancia, si el acelerómetro de prueba está midiendo una señal positiva de salida, entonces el acelerómetro de referencia estará midiendo una señal de salida negativa. En esencia, por encima de la resonancia están fuera de fase.

Resumen

Es difícil igualar el rendimiento típico en la figura 1 con los resultados reales de la figura 7. Pequeñas inconsistencias en los métodos de montaje, el rendimiento del sistema, y la respuesta de frecuencia amplia en la resonancia en la medición real de prevenir la correlación ideal para las características de funcionamiento normal. Estas pequeñas inconsistencias se enfrentan a diario por el analista de vibración. No se necesita fuera de la prueba sin embargo, y, en realidad, el rendimiento típico es bien representado por los resultados de la prueba.

El montaje “espalda a espalda” de los dos sensores proporciona un rango de transmisión muy amplio, e incluso a 10,000 Hz, el límite de 3 dB no se rebasó. Esto indica claramente que el perno de montaje del acelerómetro a la máquina dará la mejor respuesta de frecuencia posible, y es un método ideal para acelerómetros montados permanentemente. Una superficie plana con una máquina preparada, taladrada y roscada, para montar el acelerómetro, debe proporcionar el rango de frecuencias completo de especificaciones de diseño del acelerómetro.

Las Recomendaciones para el montaje de imán de superficie curva normalmente limita a un máximo de 2,000 Hz. Pruebas de esta investigación de hecho produjo un límite de 3 dB de 3,487 Hz. Esta mejora se debe probablemente a la superficie plana de la tabla del agitador. Las dos barras en el imán tienen significativamente una mayor superficie y mejor rigidez en una superficie plana que las líneas de contacto que se experimentarían en una carcasa curva de cojinete. La resonancia de montaje fue identificada, y el rango de transmisión reducido era aparente. Aunque el imán de superficie curva es muy útil y conveniente para la medición de vibraciones portátil, el usuario debe ser consciente de que es limitada la respuesta de frecuencia y amplitud en la resonancia montada será mayor de lo esperado, y por encima de las amplitudes de resonancia será menor de lo esperado y fuera de fase.

Existen otros métodos de montaje portátil que proporcionarán mayores rangos de transmisión, un imán de desconexión rápida o superficie plana son excelentes ejemplos. Sin embargo, cada uno de estos modelos requiere de preparación de la superficie y montaje permanente para lograr el mayor contacto posible de superficie a superficie y rigidez como sea posible. Si la recolección de datos requiere la medición de vibraciones por encima de 2,000 Hz, entonces, una de estas alternativas debe ser considerada.

Bibliografia

  1. Effective Machinery Measurements using Dynamic Signal Analyzers, Application Note 243-1, Agilent Technologies
  2. Piezoelectric Accelerometers and Vibration Preamplifiers Theory and Application Handbook, Bruel & Kjaer
  3. Shock and Vibration Handbook, Cyril M. Harris

Jack D. Peters es Gerente Regional de Ventas de Connection Technology Center, Inc. (CTC) Sus responsabilidades regionales incluyen Asia/Pacifico, Canada, y Sudafrica. El cuenta con mas de 25 annos de experiencia en la medición, monitoreo y analizando problemas de vibración en procesos de manufactura en maquinas de fotografía, películas y papeles. Continuamente proporciona liderazgo tecnológico, capacitación a empresas de distribución, soporte de ingeniería y aplicaciones de ingeniería para los clientes de CTC. Jack esInstructor del National Vibration Institute,Ex Director del Capitulo Central de Nueva York del Instituto de la Vibracion, y esta certificado como Analista de Vibracion Categoria IV de acuedo a estandar ISO 18436-2.

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