O espectro FFT na medição de choques

1 – O ESPECTRO FFT NA MEDIÇÃO DE CHOQUES INTRODUÇÃO

Neste artigo são referidos os cuidados a ter durante a analise de vibrações, nomeadamente na utilização do espectro FFT na medição de choques com um analisador de vibrações.

São numerosas as formas de falha em máquinas cujos sintomas surgem sobre a forma de choques e assim a sua deteção e muito importante num programa de manutenção preditiva. O caso mais comum é o das avarias em rolamentos, mas assumem também importância as falhas em engrenagens e as folgas.

A caracterização deste fenómeno existe uma abordagem específica que frequentemente é mal compreendida.

Efectivamente, quando se quer medir correctamente a amplitude de picos de impacto o parâmetro principal a tomar em consideração é a frequência de amostragem da forma de onda e não a máxima frequência do espectro.

Neste artigo vai ser focada a abordagem adequada à correcta caracterização da amplitude de choques com um analisador FFT.

2 – O ESPECTRO FFT NA MEDIÇÃO DE CHOQUES – A FREQUÊNCIA DE AMOSTRAGEM DA FORMA DE ONDA

Num analisador o sinal analógico é amostrado no conversor analógico digital sendo gerada a forma de onda digital. De seguida é obtido o espectro através da Transformada Rápida de Fourier.

a) Amostragem da forma de onda

b) Sinal Amostrado referente a um determinado intervalo de tempo	c) Espectro correspondente

O valor da amplitude da linha do espectro representa, portanto, a amplitude da sinusóide e é normalmente a amplitude RMS. Esta amplitude é obtida pela integração no intervalo de tempo correspondente à forma de onda em b) o que no caso de uma vibração sinusoidal dá uma boa imagem da amplitude da vibração.

A frequência de amostragem é definida a partir da Frequência Máxima do espectro multiplicada por 2,56 que, sabe-se matematicamente, é a menor suficiente para caracterizar de uma forma correcta a amplitude de sinais sinusoidais.

No caso de um choque a questão da amostragem põe-se de forma distinta.

De facto, enquanto uma amostragem a 2,56x a Frequência Máxima do espectro é adequada para caracterização de uma força sinusoidal não é para a caracterização de um choque. Para a adequada caracterização de um choque necessita-se de uma frequência de amostragem muito maior. O valor da frequência de amostragem é neste caso ditado pela duração do evento que se quer caracterizar. Como normalmente um choque é um evento de muito curta duração a frequência de amostragem tem de ser muita elevada.

Como a frequência de amostragem é igual a 2,56 vezes a máxima frequência do espectro, esta terá de ser bastante elevada.

3 – A MEDIÇÃO DA AMPLITUDE DE IMPACTOS

Os danos nos rolamentos surgem em termos de vibrações sobre a forma de choques bem evidentes na forma de onda.

Estes impulsos, de muito curta duração, são bem detectados com um medidor de vibrações com detector pico.

Vamos imaginar que num rolamento a rodar a baixa velocidade de rotação queremos medir um espectro até 100 Hz. Para isso, tipicamente, o conversor analógico-digital de um analisador de espectros vai obter uma forma de onda amostrada a 2,56 x 100 Hz = 256 Hz, ou seja, a forma de onda vai ser constituída por amostras obtidas de 4 em 4 ms, o que é completamente insuficiente para medir adequadamente a amplitude pico dos choques.

Para caracterizar adequadamente um choque que dura menos de um milisegundo têm de se tirar, no mínimo, 10 amostras por milisegundo, por exemplo. Tem-se, portanto, que para caracterizar adequadamente a amplitude de um impulso que dure um milissegundo necessitar-se-á de uma frequência de amostragem de 10 KHz, o que corresponderia a uma frequência máxima no espectro de 4 KHz.

Se esta regra não for seguida a amplitude que surge na forma de onda e no espectro não é a real.

Num rolamento de baixa velocidade de rotação as frequências de defeitos são na ordem de alguns Hz e tem-se, portanto, de obter espectros de alta resolução, com um elevado número de linhas, como sejam por exemplo 3200.

4 O ESPECTRO DE FREQUÊNCIA DE UM CHOQUE

A representação de um choque no espectro de frequência é uma linha contínua, como se pode ver na figura.

A representação em frequência do choque está normalmente associada a amplitudes muito baixas e só em casos extremos de falhas em fase terminal é que normalmente se consegue ver. Isto devido ao facto de as outras vibrações normalmente presentes numa máquina terem amplitudes maiores especialmente nas baixas frequências.

Assim, hoje em dia, para se observarem choques utiliza-se a técnica da análise do envelope que através da passagem do sinal por um filtro passa-alto, antes da análise se podem observar com muito mais facilidade os efeitos dos choques na forma de onda e no espectro.

5 – A AMPLITUDE DO ENVELOPE

Existe quem desaconselhe a utilização do envelope da aceleração para deteção de avarias em rolamentos devido ao facto das amplitudes medidas não serem corretas. Outros recomendam a implementação desta técnica e existem muitos utilizadores, a implementá-la com sucesso no dia a dia.

Efectivamente o envelope tradicional não consegue medir com precisão a amplitude de eventos de muito curta duração.

Os filtros analógicos normalmente utilizados tem um atraso no tempo de resposta o que os impede de efectuar medidas precisas de impulsos.

É por isto que muitos fabricantes informam que a amplitude das componentes do espectro do envelope não é exata, e este só pode ser utilizado para fins de diagnóstico.

6 – MEDIÇÃO CORRECTA DA AMPLITUDE PICO DA FORMA DE ONDA DO ENVELOPE

Existem duas maneiras de medir correctamente a amplitude dos picos de impacto:

a) A tradicional; utilizar um detector de amplitude pico. As medidas da amplitude pico da forma de onda dão resultados corretos mas a amplitude das componentes do espectro não o é.

b) A mais recente; amostrar em primeiro lugar a forma de onda a uma frequência elevada (por exemplo 100 KHz), independentemente da máxima frequência do espectro, para se assegurar que se detecta correctamente a amplitude dos picos de impacto. De seguida estas amostras servem para reconstruir uma forma de onda que vai servir á construção do espectro de frequência. Nesta forma de onda reconstruída cada amostra retém o maior valor do conjunto amostras que lhe deu origem.

A seguir segue-se um diagrama de blocos desta forma de análise de envelope.

Com esta abordagem a amplitude dos picos na forma de onda e das componentes do espectro é a correcta.

7 – O ESPECTRO FFT NA MEDIÇÃO DE CHOQUES – CONCLUSÃO

Quando se quer medir correctamente a amplitude de picos de impacto, na forma de onda e em frequência o parâmetro principal a tomar em consideração é a frequência de amostragem da forma de onda e não a máxima frequência do espectro.