Ferramentas de Diagnóstico de Máquinas IMFDM

Apresentação em tema: "Ferramentas de Diagnóstico de Máquinas IMFDM"— Transcrição da apresentação:

1 Ferramentas de Diagnóstico de Máquinas IMFDM
Prof. Dr. Cesar da Costa 2.a Aula: Sistemas de Aquisição de dados

2 Condicionador de sinal; Hardware de aquisição de dados; Computador;
Sistema de Aquisição de Sinais O sistema de aquisição de sinais funciona como uma interface entre o mundo real, que é analógico, e o ambiente do computador que é digital. Um típico sistema de aquisição de sinais é composto basicamente pelos componentes listados a seguir: Sensor e transdutor; Condicionador de sinal; Hardware de aquisição de dados; Computador; Software.

3 Figura 1- Sistema de aquisição de dados.
Sistema de Aquisição de Sinais A Figura 1 ilustra algumas características importantes de um sistema de aquisição de sinais composto pelos componentes listados anteriormente. Figura 1- Sistema de aquisição de dados.

4 Sistema de Aquisição de Sinais
O sinal analógico de entrada proveniente de um sensor é condicionado e convertido em sinal digital (bits), para que um computador possa lê-lo, analisá-lo e extrair as informações significativas. Por exemplo, os dados de um microfone são adquiridos, amplificados, digitalizados (por uma placa de som), armazenados e processados por um programa (software), para posterior análise de conteúdo em frequência. Os dados (bits) de um computador são convertidos num sinal analógico de saída para um atuador. Por exemplo, um vector de dados é convertido num sinal analógico, por uma placa de som e, sua saída alimenta um alto-falante.

5 Sinais Numa descrição simples pode-se dizer que um sinal é um fenômeno, que acontece em qualquer ambiente, pode ser descrito quantitativamente. Os sinais são funções de uma ou mais variáveis independentes e, tipicamente contêm informação acerca do comportamento ou natureza de um fenômeno físico. Por exemplo, som de voz: sinal unidimensional – função de uma variável simples, o tempo. Outro exemplo, imagem de vídeo preto e branco: sinal bidimensional – depende das coordenadas (x, y). Representa a intensidade em cada ponto (x, y).

6 Pode-se citar alguns exemplos de sinais: Som (pressão acústica);
Voltagem (diferença de potencial); Corrente elétrica; Imagem; Temperatura; Vibração; ECG (sinal biológico); Sonar (sinal acústico); Radar (sinal eletromagnético); Etc.

7 Figura 2- Sinal de voz obtido com um microfone.
Tipos Básicos de Sinais De acordo com o fenômeno que representam, os sinais podem surgir em diversas formas. São representados matematicamente como funções de uma ou mais variáveis independentes. Figura 2- Sinal de voz obtido com um microfone.

8 Figure 3 – Sinal em tempo contínuo (a) e sinal em tempo discreto (b).
Sinais em Tempo Contínuo e Tempo Discreto Quando se faz referência a sinais temporais, podem dividir-se em sinais em tempo contínuo (ou analógicos), em que a variável independente é continua (Figura 3a) e sinais em tempo discreto (ou simplesmente discretos), em que a variável independente é discreta, o tempo é representado pelo conjunto dos inteiros (Figura 3b). Figure 3 – Sinal em tempo contínuo (a) e sinal em tempo discreto (b).

9 Figure 4 – Sinal senoidal.
Sinais Determinísticos São sinais com uma representação matemática explícita, como a Equação 1, que representa uma senóide, por exemplo, uma oscilação harmônica: (1) Figure 4 – Sinal senoidal.

10 Sinais Determinísticos
Na natureza, muitos fenômenos que não têm uma descrição exata, são descritos por um modelo matemático aproximado. Existem situações em que, teoricamente, um sinal não pode ser modelado exatamente, nem sequer um modelo aproximado pode ser desenvolvido. Como por exemplo, os sinais aleatórios não podem ser modelados por uma equação. Em vez disso, podem-se escrever os seus atributos, por meio de uma estatística.

11 Sinais em Tempo Contínuo
Os sinais em tempo continuo são também conhecidos como sinais analógicos e, encontram-se em todos os ambientes, como a eletrônica, as telecomunicações, o controle de processos, a instrumentação, etc. A designação “tempo contínuo” deve-se à variável tempo ser contínua, definida para qualquer instante de tempo sobre um domínio ou intervalo continuo, ou ainda uma união de intervalos.

12 Sinais em Tempo Contínuo
Um sinal diz-se contínuo se for contínuo em todos os pontos. O sinal varia em amplitude em relação ao tempo, porém é contínuo no tempo. Se isso não se verifica diz-se descontínuo. A Figura 5a ilustra um sinal contínuo no tempo e a Figura 5b um sinal descontínuo no tempo.. Figura 5 – Exemplo de sinal contínuo no tempo (a) e sinal descontínuo no tempo (b).

13 Sinais em Tempo Discreto
Os sinais em tempo contínuo (analógicos) surgem naturalmente, quando uma forma de onda é captada por um sensor. Por outro lado, os sinais discretos assumem somente valores contidos em um conjunto de pontos contáveis sobre uma linha real e esses instantes de tempo são igualmente espaçados. Em muitos casos são oriundos de sinais analógicos, por meio de amostragem, a uma taxa uniforme, também conhecidos como sinais digitais. Um sinal discreto frequentemente é uma aproximação (amostragem) de um sinal contínuo.

14 Sinais em Tempo Discreto
Uma notação será utilizada ao longo deste curso para distinguir um sinal discreto de um sinal contínuo (analógico). A utilização de parênteses, por exemplo, indicará um sinal analógico e a utilização de colchetes, por exemplo, indicará um sinal discreto. Figura 6 – Exemplo de um sinal analógico (a) e um sinal discreto (b).

15 é a frequência de amostragem.
Sinais em Tempo Discreto Considerando T o intervalo fixo de amostragem e n um número inteiro de amostragem do sinal x(t), nos instantes t = nT resultará, uma amostra de valor x(nT). Por conveniência de representação escreve-se a Equação: Onde: é a frequência de amostragem.

16 Sinais em Tempo Discreto
Quando um sinal em tempo discreto é expresso, normalmente é representado pelo número de amostras n, entre colchetes, onde n = 0, representa a primeira amostra, n = p representa a p’ esima amostra e n é incrementado por passos de 1 em 1. Para o sinal x, então a amostragem será representada por x[0], x[1], x[2], x[3],…, x[p]. Esta sequência de números é referida como uma série temporal.

17 Sistema de aquisição e processamento de sinais.
A Figura 7 apresenta o diagrama em bloco, com as etapas citadas anteriormente, de um sistema de aquisição e processamento de sinais do mundo real. Figure 7 – Diagrama de um sistema de aquisição e processamento de sinais.

18 Coleta de dados de vibração
Sinais adquiridos no monitoramento de vibrações mecânicas: 1) Deslocamento Unidade: micrometro (mm) ou milésimos de polegada (mils). 2) Velocidade Unidade: metros por segundo (m/s) ou polegadas por segundo (ips). 3) Aceleração Unidade: metros por segundo ao quadrado (m/s2) ou aceleração da gravidade (g).

19 Coleta de dados de vibração
Qualquer que seja a grandeza escolhida a forma e o período de vibração permanecem similares, o que muda é a existência de uma diferença de fase entre eles: Deslocamento: Velocidade: Aceleração:

20 Coleta de dados de vibração
Equipamento de medição: Analisador de sinais dinâmico portátil O analisador portátil é uma ferramenta aplicável as coletas em campo de dados de monitoramento de máquinas. Permite conexão a vários tipos de sensores e possui programação interna para coletas variadas. Fonte: Crystal Instruments -

21 Sistema de aquisição e processamento de sinais.
Os sinais digitais são geralmente mais fáceis de serem processados e armazenados. Esta é a habilidade dos dispositivos modernos de aquisição e processamento de sinais, que guardam as informações pelo tempo necessário. O mundo real é quase totalmente analógico. Para obterem-se as vantagens das técnicas digitais quando processamos sinais analógicos, devem-se seguir três etapas fundamentais: Converter os sinais analógicos do mundo real para sinais digitais; Realizar o processamento da informação digital; Converter, caso necessário, o sinal digital de volta ao formato analógico (mundo real).

22 Exercícios Propostos:
O que é um sinal? O que é um sistema? Qual a diferença entre um sinal contínuo e um sinal discreto? Como se deve representar um sinal discreto? De o exemplo pratico (comercial) de um sistema de aquisição de sinais do mundo real, desenhe o seu diagrama de bloco, explicando cada etapa. O que é um DAC? O que é um ADC?

23 Sensores Os sensores são os elementos que captam variações físicas do processo e as convertem em sinais, como por exemplo, impulsos elétricos. O Transdutor é um termo usado para designar alguns tipos de sensores. Em um sistema de aquisição de sinais a escolha do sensor é um passo importante para a obtenção dos resultados com a precisão adequada.

24 Resposta de frequência; Resolução; Sensibilidade e precisão;
Sensores Segundo a empresa National Instruments a escolha de um sensor requer as seguintes considerações: Escala; Limitação; Resposta de frequência; Resolução; Sensibilidade e precisão; Compatibilidade com o hardware de aquisição; Facilidade de leitura; Armazenamento e transmissão de dados de saída; Robustez, durabilidade, custo inicial e custo de manutenção.

25 Transdutores Um transdutor é o primeiro elemento da cadeia de medição, que traduz na sua saída uma resposta à grandeza física a medir. Os transdutores mais utilizados transformam grandezas físicas, tais como a deformação, a temperatura, a força ou a intensidade luminosa, em grandezas elétricas tais como a tensão, a corrente ou a resistência. Deve-se, no entanto, prestar especial atenção para o fato de que o sinal adquirido pelo transdutor tenha que ser condicionado de forma correta, para que possam ser utilizados na prática.

26 Transdutores Os transdutores podem ser classificados em função do método de conversão de energia ou da natureza do sinal de saída, entre outras possíveis classificações. O método de classificação adotado neste curso é a grandeza elétrica de saída. A Tabela 2.1 apresenta alguns exemplos de transdutores disponíveis para aplicações de medição e aquisição de sinais, que necessitam de alimentação externa.

27 Sensores Tabela 2.1 – Tipo de transdutores que necessitam de alimentação externa (Fonte: NationalInstruments) Parâmetro elétrico e tipo de transdutor Princípio de funcionamento e natureza do dispositivo Aplicações típicas Capacitivos Sensor de capacitância variável. A distância entre suas placas paralelas, varia de acôrdo com a aplicação de uma força. Pressão; Deslocamento. Microfone capacitivo A pressão sonora varia a capacitância entre um diafragma móvel e uma placa fixa. Voz; Ruído; Música. Indutivos Transdutor magnético Devido à alteração de um circuito magnético, a indução mútua ou a auto indução de uma bobina alimentada com tensão AC, varia. Deslocamento; Pressão. Transformador diferencial De acôrdo com a posição de um núcleo magnético, a tensão diferencial entre dois rolamentos secundáros, varia. Deslocamento; Vibração; Posição; Pressão.

28 Extensômetro resistivo
Sensores Tabela 2.1 – Tipo de transdutores que necessitam de alimentação externa (Fonte: NationalInstruments) Resistivos Potenciômetro Um movimento externo produz o deslocamento de um cursor, que origina a variação da resistência. Deslocamento; Pressão. Célula fotoelétrica De acôrdo com a luz incidente, a resistência da célula varia. Relé fotossensível. Extensômetro resistivo Devido a deflexões externas, a resistência do condutor varia. Deslocamento; Força. Termômetro resistivo De acôrdo com a temperatura, o valor da resistência de um condutor varia. Temperatura.

29 Sensores Tabela 2.2 – Tipo de transdutores que não precisam de alimentação externa (Fonte: National Instruments) Parâmetro elétrico e tipo de transdutor Princípio de funcionamento e natureza do dispositivo Aplicações típicas Bobina móvel Uma tensão é gerada, quando existe movimento de uma bobina móvel. Velocidade; Vibração. Célula fotovoltaica Uma tensão é gerada na junção de um semicondutor, quando é irradiada uma energia radiante, na presença de um campo magnético. Medição de luz; Célula solar. Transdutor piezoelétrico Uma F.E.M. é gerada, quando é aplicada uma determinada força sobre materiais cristalinos como o quartzo. Vibração; Som; Aceleração; Variação da pressão.

30 Tipos de Sensores Um sensor converte um fenômeno físico de interesse, em um sinal que é recebido pelo hardware de aquisição de sinais. Existem dois tipos básicos de sensores, com base no sinal de saída que produzem: (i) sensores digitais e; (ii) sensores analógicos. Os sensores analógicos produzem um sinal de saída, que é diretamente proporcional ao sinal de entrada, e é contínuo no tempo e na amplitude. A maioria das variáveis ​​físicas, tais como a temperatura, pressão e aceleração são contínuas no tempo e são facilmente medidas com um sensor analógico.

31 Tabela 2.3. Tipo de sensores analógico.
Variável física Acelerômetro Vibração Piezoeléctrico Pressão Extensometro Força Termopar Temperatura RTD Capacitivo Nível

32 Largura de banda do sensor.
Características Elétricas dos Sensores Ao escolher o melhor sensor analógico para sua aplicação, deve-se combinar as características da variável física, que vai medir-se com as características elétricas do sensor. As duas características elétricas mais importantes de um sensor são:   Saída do sensor; Largura de banda do sensor.

33 Características Elétricas dos Sensores
A saída de um sensor analógico é normalmente um sinal de tensão ou corrente. Atualmente, a corrente é mais utilizada para transmitir sinais em ambientes ruidosos, porque é menos afetada pelo ruído ambiente. Geralmente, a faixa do sinal de corrente é 4-20 mA ou 0-20 mA. A faixa de corrente de 4-20 mA tem a vantagem de ter um valor mínimo de sinal (4mA) fluindo. A sua ausência na saída do sensor indica um problema na fiação (ruptura do cabeamento).

34 Características Elétricas dos Sensores
o sinal de corrente é normalmente transformado em sinal de tensão por um resistor. O resistor deve ser de alta precisão, em torno de 0,03% ou 0,01%, dependendo da resolução do hardware utilizado. Além disso, o sinal de tensão deve corresponder a faixa de entrada do condicionador do sinal

35 Características Elétricas dos Sensores
Há três aspectos principais de um sinal de saída em tensão, que se precisa considerar: Amplitude: se o sinal é menor do que alguns milivolts, pode-se necessitar amplificá-lo. Se for maior do que o intervalo máximo de entrada do seu hardware de aquisição de sinais (tipicamente ± 10 V), você terá que atenuar o sinal de entrada, usando uma rede de resistores. A amplitude está relacionada com a sensibilidade (resolução) do seu equipamento.

36 Características Elétricas dos Sensores
Frequência: sempre que fizer uma aquisição de sinais, deve-se escolher a frequência mais alta que se vai medir. Pois, a componente de frequência mais alta do sinal determina a frequência de amostragem de entrada. Se você tiver mais de uma entrada, mas apenas um subsistema de entrada analógica, então a taxa de amostragem global sobe na proporção do número de entradas.

37 Características Elétricas dos Sensores
As frequências mais elevadas podem estar presentes como ruídos, o que se pode remover, filtrando o sinal antes que ele seja digitalizado. Se o sinal de entrada é amostrado, pelo menos, duas vezes mais rápido que o componente de frequência mais alta, então esse sinal será bem caracterizado.

38 Características Elétricas dos Sensores
Para um sinal variando rapidamente, pode-se precisar de uma taxa de amostragem de mais ou menos 10 a 20 vezes a frequência mais alta, para se obter uma reprodução precisa da forma de onda do sinal. Para sinais variando lentamente, precisa-se considerar o tempo mínimo para uma mudança significativa do sinal. A frequência está relacionada com a largura de banda da medição

39 Características Elétricas dos Sensores
Duração: se estiver armazenando dados na memória ou em um arquivo em disco, então a duração da amostragem determina os recursos de armazenamento necessários. O formato dos dados armazenados também afeta a quantidade de espaço de armazenamento requerido. Por exemplo, os dados armazenados no formato ASCII requerem mais espaço do que os dados armazenados em formato binário

40 Largura de Banda do Sensor
Num ensaio de aquisição de sinais no mundo real, os fenômenos físicos que estão sendo adquiridos têm limites esperados. Por exemplo, a temperatura do sistema de refrigeração do seu automóvel varia continuamente entre o limite inferior e um limite superior. Os limites de temperatura, bem como a rapidez com que a temperatura varia entre esses limites, dependem de vários fatores, incluindo a condução do calor, o clima e as condições do sistema de arrefecimento.

41 Largura de Banda do Sensor
Os limites esperados poderão ser facilmente aproximados, mas há um número infinito de possíveis temperaturas que podem ser medidos em um determinado momento. Essas possibilidades ilimitadas devem ser mapeadas em um conjunto finito de valores pelo hardware de aquisição de dados.

42 Largura de Banda do Sensor
A largura de banda do sensor é dada pela faixa de frequências presentes no sinal a ser adquirido. Pode-se pensar em largura de banda como uma relação com a taxa de variação do sinal. Um sinal de variação lenta tem uma largura de banda baixa, enquanto que um sinal de variação rápida tem uma largura de banda elevada.

43 Largura de Banda do Sensor
Para medir corretamente os fenômenos físicos de interesse, a largura de banda do sensor deve ser compatível com a largura de banda de aquisição. Pode-se desejar usar sensores com a maior largura de banda possível, quando se faz uma aquisição física de sinais. Esta seria uma maneira de assegurar que o sistema de medição básico fosse capaz de responder de forma linear ao longo de toda a gama de interesse.

44 Largura de Banda do Sensor
No entanto, quanto maior for a largura de banda do sensor, mais se deve preocupar com a eliminação de resposta do sensor, para componentes de frequências indesejadas. A Figura 8 apresenta uma folha de dados de um sensor tipo acelerômetro da empresa americana Bruel & Kjaer, modelo 4384.

45 A banda de frequência esta na faixa de 0,2 Hz até 9100 Hz.
Sensores Pode-se observar que a voltagem de saída (sensibilidade) do sensor é igual a 0,8 mV por g (gravidade). A banda de frequência esta na faixa de 0,2 Hz até 9100 Hz.

46 Pontos de medição Pontos de medição para monitoramento de máquinas:
Sensores Pontos de medição Pontos de medição para monitoramento de máquinas: Mancais são pontos obrigatórios; Evitar pontos flexíveis em carcaças; Em cada ponto estabelecer claramente as direções de medida - horizontal, vertical ou axial; Os pontos escolhidos devem ser perfeitamente acessíveis, marcados de maneira visível no próprio equipamento; Pontos de medição devem ser retos, limpos e isentos de graxa; O sensor e o cabo não devem ser movidos durante a operação de medição.

47 Sensores Pontos de medição Os pontos de medição são definidos de acordo com o item 4.2 da norma ABNT NBR Figura 10-Exemplo de pontos de medida recomendados.

48 Pontos de medida recomendados para máquinas verticais.
Pontos de medição Pontos de medida recomendados para máquinas verticais. Fonte: ABNT

49 Pontos de medição Pontos de medição recomendados e não recomendados em um motor elétrico padrão: Não recomendado: Chapa fina Recomendado: Estrutura rígida Recomendado: Estrutura rígida Recomendado: Base de apoio (Mancal)

50 Instalação de proxímetros para monitoramento de acoplamentos e eixos
Disposição dos sensores: Exemplo de montagem de proxímetros para monitoramento de desalinhamentos e desbalanceamentos de eixos. A montagem ocorre com uma diferença de 90º para permitir o monitoramento de dois eixos e a obtenção de um gráfico de órbita. Proxímetros

51 Instalação de proxímetros para monitoramento de acoplamentos
Proxímetros colocados a 90º para monitoramento de um acoplamento flexível. Exemplo de instalação:

52 Instalação de proxímetros para monitoramento de acoplamentos
Pontos de medição: Gráfico de órbita do sinal coletado nos proxímetros: