Acelerômetros de Ampla Largura de Banda para Monitoramento de Condições

A maioria das máquinas que é acionada por grandes motores elétricos terá uma unidade de entrada funcionando a uma velocidade entre 900 e 3600 rpm (15 a 60 Hz). Esta frequência fundamental pode ser facilmente monitorada usando acelerômetros com largura de banda relativamente baixa, mas as informações de que esse sinal produz podem ser limitadas apenas à condição de desequilíbrio.

Os mancais de elementos de rolamento são uma causa comum de falha da máquina. À medida que os defeitos de rolamento começam a ocorrer, o nível de vibração produzido nos estágios iniciais da falha pode ser muito baixo e pode ser mascarado pela vibração de outras fontes. A análise de domínio de frequência é muito útil para revelar pequenos sinais que podem estar escondidos no domínio de tempo. As frequências características de rolamento são geralmente muitas vezes maiores do que a velocidade de corrida (cerca de 50% do número de bolas vezes a velocidade de corrida) e podem estar presentes mesmo quando o equipamento está em boas condições. Defeitos de rolamento tendem a ser impulsivos, o que produz uma série de harmônicos espaçados na frequência característica, estendendo-se a frequências muito altas.

As engrenagens representam outro caso em que múltiplos elevados de velocidade/frequência de corrida serão gerados, embora as caixas de câmbio possam ser significativamente mais complexas de analisar. A frequência básica de malha de engrenagem é dada pelo produto do número de dentes e da velocidade de execução em Hz. A magnitude das bandas laterais ou harmônicas desta frequência pode indicar o aparecimento ou gravidade de vários defeitos. As engrenagens também possuirão suas próprias frequências naturais, que podem ser animadas por defeitos impulsivos ou por forte vibração em frequências mais altas.

Lâminas e palhetas novamente geram vibração a uma velocidade de funcionamento múltipla, mesmo quando em bom estado. A frequência de passagem da lâmina é dada pelo número de lâminas vezes a velocidade de funcionamento. Uma lâmina faltante gerará um grande número de harmônicos da frequência de passagem da lâmina (bem como o aumento do desequilíbrio em 1 x frequência de funcionamento).

Também é muito provável que a frouxidão mecânica também cause muitas harmônicas de velocidade contínua a aparecer no espectro. Em termos gerais, a frouxidão pode causar descontinuidades em movimento, e mudanças bruscas de posição ou deslocamento podem produzir níveis muito altos de aceleração. 

Para ilustrar a natureza geral das descontinuidades mecânicas, uma simulação numérica é apresentada abaixo. Assume-se que parte de um mecanismo se desloque nominalmente ±5 mm a uma frequência de 50 Hz. Para criar uma descontinuidade simulada, cortamos o deslocamento, apenas em excursões positivas, a 4,98 mm, como destacado no traço ampliado à direita:

O gráfico de aceleração correspondente mostra o componente de aceleração sinusoidal subjacente em ±50,3 g, mas com impulsos gerados pelo início e fim do recorte mecânico (com picos de -237 g):

Agora, o resultado correspondente do FFT, primeiro com largura de banda completa, depois um zoom de 2 kHz primeiros:

O "defeito" de 0,020 mm introduziu uma energia significativa de sinal sobre uma largura de banda muito ampla, como uma série de harmônicas intimamente espaçadas da velocidade contínua. Nesta simulação, a magnitude de 10 kHz está apenas alguns dB abaixo do nível, em torno de 1500 Hz, e a energia de sinal continuaria bem além de 10 kHz.

Agora, o que acontece se limitarmos a largura de banda do dispositivo de detecção (acelerômetro)? Na simulação abaixo, um filtro digital de low-pass a 5 kHz foi aplicado aos mesmos dados:

Nesse caso, em vez dos picos negativos que atingem -237 g, a restrição de largura de banda os reduziu para -158 g (uma queda de um terço).

Embora essa simulação numérica não se destine a representar nenhum caso específico do mundo real, os princípios gerais são válidos: descontinuidades mecânicas abruptas em movimento causam impulsos de aceleração curtos. Os impulsos produzem energia de largura de banda ampla no espectro, e um sensor limitado em largura de banda não capturará toda a extensão dos eventos transitórios.

Mesmo estruturas muito grandes e lentamente rotativas (como turbinas eólicas) podem ser acopladas a conjuntos de engrenagens com múltiplos estágios e contagem de dentes muito alta. A energia de sinal acima de 10 kHz é considerada útil para a detecção precoce de defeitos, pois pode ser bem clara de vibração de ordem inferior em níveis de amplitude mais altos que podem estar presentes em condições normais de funcionamento.

Eventos individuais que criam fratura ou spalling podem liberar energia sobre uma largura de banda muito ampla (medições dinâmicas de tensão mostraram energia ultrassônica até 1 MHz). Embora não se possa esperar acelerômetros convencionais para capturar uma largura de banda tão ampla, sinais de banda de áudio podem indicar alguma probabilidade de dano.

Dois traços de tempo são mostrados acima, à esquerda há um impacto duro de metal a vidro que não causou danos visíveis; à direita, um impacto metálico-para-vidro que causou uma expansão local limitada do vidro (em uma área com menos de 1 mm de diâmetro). Seus espectros estão sobrepostos abaixo.

A curva azul é o impacto sem fragmentação, laranja é com fragmentação. Há uma boa separação geralmente na faixa de 5 kHz a 15 kHz, e particularmente de 12 a 15 kHz.

Embora estes sejam eventos transitórios (limitados por tempo) com energias relativamente altas, podemos considerar algumas formas de desgaste da máquina como uma série contínua de eventos microscópicos de fragmentação. Acelerômetros piezoelétricos, oferecendo excelente resolução sobre largura de banda muito ampla, são uma abordagem adequada para a detecção precoce de ruídos de alta frequência associados ao desgaste da máquina.

Em um acelerômetro capacitivo com tecnologia MEMS (Microelectromechanical Systems – Sistemas microeletromecânicos), o movimento inercial de uma matriz de dedos em relação a uma matriz fixa é sentido pela medição da mudança de capacitância entre as matrizes. Isso geralmente é feito permitindo que a mudança na capacitância modifique uma frequência, bem acima da largura de banda de detecção pretendida, que pode então ser desmodulada para obter uma saída analógica final. Uma vez que o dispositivo está constantemente animado, o consumo de energia é geralmente significativamente maior do que o de um dispositivo piezoelétrico. Até relativamente recentemente, os dispositivos MEMS capacitivos foram limitados à operação de baixa frequência, embora exista uma tendência atual para dispositivos de maior largura de banda.

Em comparação com a tecnologia MEMS, os acelerômetros piezoelétricos podem alcançar maior largura de banda e desempenho de ruído superior (resolução de sinal). O elemento de sensoriamento é tipicamente material cerâmico piezoelétrico (ou "cristal") carregado em tesoura por uma massa inercial. Devido à alta rigidez e sensibilidade de alta carga do cristal e à massa relativamente baixa necessária para alcançar faixas típicas de detecção para monitoramento de condições, a frequência de ressonância será de no mínimo >30 kHz, com alguns projetos >50 kHz. Isso permite que a banda de passagem se estenda bem além de 10 kHz. O elemento de sensoriamento piezoelétrico em si não requer energia, e o condicionamento do sinal (conversão de carga para tensão) pode ser fornecido dentro de um dispositivo com requisito de corrente muito baixa.