Instrumentacion de Medidas de Vibraciones
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Instrumentación de medida de vibraciones, 1
Transductores deVibración y
Acondicionadoresde Señal
Tipos de transductoresEl acelerómetro piezoeléctrico
Elección de acelerómetrosUso del acelerómetro
CalibraciónAcondicionadores
Instrumentación de medida de vibraciones, 2
La cadena de medida
Transductor Preamplificador Detector/Promediador
Filtro(s) Salida
Instrumentación de medida de vibraciones, 3
Métodos antiguos para “medir” vibraciones
Instrumentación de medida de vibraciones, 4
Sonda de apoyo mecánico
Aplicación:Obsoleta, pero aún seencuentra en algunas factorías.
Instrumentación de medida de vibraciones, 5
Sondas de proximidad
Aplicaciones:Movimiento relativoExcentricidad de ejesEspesor de película de aceiteEtc.
Instrumentación de medida de vibraciones, 6
Captadores de velocidad
e = Blv
Rango de frecuencias
limitado:10 < f < 1000 Hz
Instrumentación de medida de vibraciones, 7
Tecnologías en acelerómetros
Miden sucesos dinámicos, como vibraciones, impulsos de corta duración, etcéteraTipos: de carga o DeltaTron (Isotron, ICP …)Soportan elevadas temperaturas (250º, 480º, 650º C …)
Piezoeléctricos
Piezorresistivos y de Capacidad Variable
Pueden medir sucesos estáticos (aceleración constante o centrífuga, choques o impulsos de larga duración …)Temperatura máxima 125ºC
Instrumentación de medida de vibraciones, 8
Acelerómetro piezoeléctrico
Principios de funcionamiento
F
F F
F
V [mV] ∝ FQ [pC] ∝ F
V [mV] ∝ FQ [pC] ∝ F
Instrumentación de medida de vibraciones, 9
Tipos de acelerómetro
P: Piezoeléctrico E: Electrónica S: Muelle
R: Anillo de compresión B: Base M: Masa sísmica
P
MR
B
Cortadura plano
EMPB
Cortadura anular
S
B
PM
Compresión central
PRM
B
Delta Shear®
P
B
RM
E
OrthoShear ®
PB
MR
ThetaShear ®
Instrumentación de medida de vibraciones, 10
20
Rangos de funcionamiento
1
AcelerómetroPiezoeléctrico
Transductor deVelocidad
Sonda de Proximidad
0.2 2 200 2k 20kHz Frecuencia
Amplitud relativa
108:1
106:1
10 000:1
100:1
Instrumentación de medida de vibraciones, 11
Elección de acelerómetros
De uso general, peso y sensibilidad mediosPequeño, ligero y para altas frecuencias
o
0.1 - 0.3 pC/ms-2
Peso: 0.5 - 3 g1 - 10 pC/ms-2
Peso: 10-50 gramAceleración
Frecuencia
ms-2
250,00020,000-100,000
0.003-0.010.0001-0.001
~0.1 ~ 1 5-12k 15-30k Hz
Instrumentación de medida de vibraciones, 12
Rango útil de frecuencias
Entrada
Salida
Ac.ms-2
(pC)
~ 35 dB
~ 10%
0.3 f0
f1 f0 Frecuencia
Instrumentación de medida de vibraciones, 13
Sensibilidad y rango de frecuencias
SensibilidadpC/ms-2
31.6
1
0.004
13 42 180 kHz
Instrumentación de medida de vibraciones, 14
Cera de abejaNiveldB
Max.40 °C
200 500 1k 2k 5k 10k 20k 30k 50 kHz
Técnicas de montaje — Fijos
Cinta adhesivade doble cara
Disco roscadoadherido
Vástago roscado
3020
10
0
Frecuencia
Instrumentación de medida de vibraciones, 15
Técnicas de montaje — No fijos
Apoyo manual Imán
Apoy
o
Inve
rtido
30
2010
0
200 500 1k 2k 5k 10k 20k 30k 50kHzFrecuencia
NiveldB
Instrumentación de medida de vibraciones, 16
Aislamiento del acelerómetroEléctrico(Contra lazos de tierra)
Arandela demica
Vástagoaislado
dB
Filtro mecánico(Contra choques)
Frecuencia
2kFrecuencia
1k
01020
5k 10k 20k 30k 50kHz
2k 5k 10k 20k 30k 50kHz
100
-10
1k
dB
Instrumentación de medida de vibraciones, 17
Lugar de montajeB
A
C
D
Instrumentación de medida de vibraciones, 18
Efecto de la masa del acelerómetro
0,1 pC/ms-2
0.65 g M > 7 g
10 pC/ms-2
54 g M > 600 g
1000 pC/ms-2
470 g M > 5 kg
M
< 110M
Masa dinámica
Instrumentación de medida de vibraciones, 19
Sensibilidad transversal
Eje de montajedel
acelerómetro
Punto rojo
Eje demáxima
sensibilidad
< 2.3°
Eje de mínima
sensibilidadtransversalEje de máxim
a
Sensibilid
ad transversa
l
< 4 %
Máxima sensib.transversal < 4 %
100 %
< 4 %
Instrumentación de medida de vibraciones, 20
Ruido triboeléctrico
+ ++
+++
+++
+++
Instrumentación de medida de vibraciones, 21
Efector ambientales
Deformación de la base
Humedad
Ruido acústico
Sustancias corrosivas
Campos magnéticos
Radiación nuclear
Instrumentación de medida de vibraciones, 22
Acelerómetros especiales
Calibración
Alta temperatura Choques
Triaxialz
yx
Alta sensibilidad(con amplificador)
55 g 10 g
Tmax.= 400° C amax.= 1000 km-2 amin.= 20 × 10-6 ms-2
316 mV/ms-2
Instrumentación de medida de vibraciones, 23
¡Cuidado con los golpes!
2 5 100 2 5 1k 2 5 10k 20 50
Instrumentación de medida de vibraciones, 24
La carta de calibración
Instrumentación de medida de vibraciones, 25
La carta de calibración
Instrumentación de medida de vibraciones, 26
El transductor de fuerza
F1
F2
a
Transductorde fuerza
Materialpiezoeléctrico
Transductorde fuerza
Instrumentación de medida de vibraciones, 27
Calibración
¿Por qué calibrar?– Para conocer la
sensibilidad
¿Por qué recalibrar?– Obligación legal – C.Calidad– Buena costumbre– Comprobar daños
Instrumentación de medida de vibraciones, 28
En campo– sensibilidad– Sistema completo
En laboratorio– Respuesta en frecuencia– Calibración de sensibilidad
Verificación del acelerómetro
Frecuencia = 159.2 Hzω = 1000 rad/seg
Aceleración = 10 ms-2
Amplificadorde Potencia
Multi-analizador
Excitador de calibración conacelerómetro de referencia
Instrumentación de medida de vibraciones, 29
Prueba de resonancia montado
Acelerómetrode carga
Osc.
Instrumentación de medida de vibraciones, 30
Calibración Back-to-back
Amplificadorde potencia
Multi-analizador
Vibrador
Acelerómetrode
Referencia
Acelerómetrobajo ensayo
Instrumentación de medida de vibraciones, 31
Preamplificador
Entrada de aceleración– Señal de bajo nivel– Alta impedancia
Salida calibrada– Señal de alto nivel– Baja impedancia– Salida filtrada
Preamplificador
Instrumentación de medida de vibraciones, 32
Elección del preamplificador
V
Q
10 pC/ms-2
10mV/ms-2 1mV/ms-2
Preamplificadorde Tensión
Preamplificadorde carga
10 pC/ms-2
100 m
Instrumentación de medida de vibraciones, 33
Preamplificadores de carga y tensión
A
Rf
CfV ≅ 0
ZT=1/jωC
Preamp. Carga
ZIn<<ZT≅1/ jω Cf(A-1)
Cable
RC
CC
ZOut<<ZLoad
Transductor
i = dQ/dt
VOut=Q/Cf
∫i(t)dt=Q
ZInstr.
Entrada del equipo
A
i ≅ 0V=Q/C
ZT=1/jωC
Preamp. Tensión
ZIn>>ZT
Cable Entrada del equipo
RC
CC ZInstr.
ZOut<<ZLoad
Transductor
VOut=Q/CA
Instrumentación de medida de vibraciones, 34
Acelerómetros DeltaTron (Isotron, ICP ...)
Incluyen amplificador internoSensibilidad en mV/ms-2
Necesitan alimentación (corriente constante)No necesitan cables de bajo ruidoMás baratos en configuraciones multicanalT máx < 125 ºC típica
Instrumentación de medida de vibraciones, 35
mV/ms-2
DeltaTron®
SensibilidadmV/ms-2
Acelerómetro DeltaTron®
mV/ms-2
Amplificador decorriente constante
mV/pC
pC/ms-2 AcelerómetroDeltaShear®
Calibration Chart for DeltaTron ®Accelerometer Type 4398
Serial No .: ......................................................................
Reference Sensitivity* .................................... mV/ms-2
or ................................ mV/g
Acceleration Range(T < 100 C): Typ. 7500 ms 2 pea
2739716
0.99519.759
Preamplificadores en los acelerómetros
Instrumentación de medida de vibraciones, 36
Entrada a tierra o flotante
x1
x1
Corrientede lazode tierra
50/60 Hzfuente de tensión
de baja impedancia
Amplificadordiferencial
50/60 HzFuente de tensión
de baja impedancia
Amplificadordiferencial
A tierra
Flotante
Rechazo de modocomún ~ 50 dB
Fuente de tensión
Instrumentación de medida de vibraciones, 37
Un problema de lazo de tierra
Acelerómetrotriaxial
Amplificadoracondicionado
r Analizador
Hz HzHz
dBdB dB
Ruido inherente en el sistema
Señal presenteMáquina en marcha
Señal presente.Máquina en funcionamientoEntrada en “FLOATING”
Conditio ning AmplifierNEXUS
Brüel & Kjær
Overload
Lazo de tierra
Lazo de tierra presente
Lazo de tierrasuprimido en
50dB
Instrumentación de medida de vibraciones, 38
La carta de calibración
Conditio ning Amplifier
NEXUS
Brüel & Kjær
Overload
Calibration Chart forAccelerometer Type 4381
Serial No.: .......................................................
Reference Sensitivity*....................................pC/ms2
or ...........................................pC/g
at 159.2 Hz (w = 1000 s1 ) and ................................C
Upper Frequency Limit (+10%): 4.8 kHz
Mounted Resonance Frequency: Typ. 16 kHz
Undamped Natural Frequency: Typ. 25 kHz
Transverse Sensitivity:Maximum (at 30 Hz, 100 ms2 ): ..................................%
Angle of minimum, a : (see drawing) ............................
Transverse Resonance Frequency:
2901215
10.0799,0
24
1,268
SensibilidadpC/ms-2
Frecuenciade resonancia montado
ProcedimientoIntroduzca la sensibilidadElija voltaje de salida
–Vout (mV/ms-2)
Elija parámetro–Acc. (mV/ms-2)–Vel. (mV/ms-1)
–Disp. (mV/mm )
Elija frecuencias de corte–ULF< 1/3 de la F.R.M.–LLF tan alta como sea posible
Instrumentación de medida de vibraciones, 39
¿Existe posibilidad de error?
Al conectar transductoresAl introducir sensibilidadesCables defectuosos
• Preparación costosa
• Fiabilidad cuestionable
• Problemas...
Instrumentación de medida de vibraciones, 40
La norma IEEE P1451.4IEEE P1451.4Regula la conexión de transductores inteligentes a
acondicionadores o equipos con entradas inteligentes
• Chip de memoria incorporado en el sensor • Transmisión automática de los datos del sensor• Efecto Plug & Play real
TEDS (Transducer Electronic Data Sheet)
FabricanteModeloNº serie
Sensibilidadetcétera
Instrumentación de medida de vibraciones, 41
Las preguntas
• ¿Funcionan con mi acondicionador o analizador tradicional?
• ¿Se pueden recalibrar periódicamente?
Sí
No• ¿Son más caros?• ¿Presentan alguna desventaja?
• ¿Hacen falta cables especiales?
Instrumentación de medida de vibraciones, 42
Transductores por laser
• Medida de vibraciones sin contacto
• Estructuras calientes, ligeras, blandas
• Medidas a larga distancia o en zonas peligrosas
• Salida de tensión proporcional a la velocidad
Instrumentación de medida de vibraciones, 43
Para conocer más
Piezoelectric Accelerometers and Vibration Preamplifiers(Brüel & Kjær Theory and Application Handbook BB 0694-12)
Shock and Vibration Handbook (Harris and Crede, McGraw-Hill 1976)
ISO 5347 - Methods for Calibration and Characterization of Vibration and Shock Transducers
Brüel & Kjær Technical Review – No.1 - 1996 (BV 0048-11)