Introdução aos acelerómetros piezoelétricos

O tema tratado neste artigo é uma introdução aos acelerómetros piezoelétricos.

Introdução

Os acelerómetros piezoelétricos são transdutores usados para a medição de vibrações através da medição da aceleração da vibração. Podem funcionar a partir de diversos efeitos físicos e são capazes de medir uma ampla gama de valores de aceleração, logo tendo uma gama de aplicações bastante elevada. Os acelerómetros piezoelétricos são muito usados em sistemas de posicionamento, sensores de inclinação, bem como sensores de vibração e choque ou ligados a analisadores de vibrações. No nosso dia a dia estamos rodeados de acelerómetros, sendo aplicações bastante conhecida a orientação dos écrans de telemóveis que se ajustam de acordo com o ângulo que fazem em relação à aceleração da gravidade ou os sensores de disparo de “air-bags” de automóveis.

Existem inúmeros tipos de acelerómetros que usam diferentes tipos de efeitos físicos para medir a aceleração.

Os mais usados para manutenção preditiva em análise de vibrações, são os acelerómetros piezoelétricos e vão ser aqui tratados.

Definição de Eletricidade Piezoelétrica

A Eletricidade Piezoelétrica consiste na capacidade de alguns materiais (nomeadamente cristais e alguns cerâmicos) para gerarem um potencial elétrico em resposta à aplicação de uma força mecânica. Isto pode assumir a forma de uma carga elétrica na matriz do cristal. Se o material não for curto-circuitado, a carga elétrica induz uma voltagem no material.

Porque utilizamos acelerómetros piezoelétricos?

São as seguintes as razões pelas quais utilizamos acelerómetros piezoelétricos:

• Reduzida dimensão
• Leves
• Com dois fios (IEPE)
• Grande gama dinâmica
• Grande gama de temperatura
• Larga gama de frequência
• Muito baixo ruído
• Condicionamento de sinal simples
• Implementação económica

Introdução aos acelerómetros piezoelétricos – O Transdutor Piezoelétrico

O elemento ativo de todos os dispositivos piezoelétricos é um elemento de material piezoelétrico. Existem muitas soluções construtivas diferentes de sensores baseados em diversos cristais e materiais.

Os tipos de condicionamento de sensores piezoelétrico utilizados hoje em dia são:

• Modo Voltagem (com diversas designações comerciais. IEPE, LIVM, ICP, Piezotron, Isotron) em que existe uma eletrónica montada no próprio transdutor;
• Modo Carga que estão ligados a um amplificador de carga externo

Cada um tem as suas vantagens e desvantagens que a seguir vão ser vistas.

Soluções construtivas de acelerómetros piezoelétricos com eletrónica integrada (modo voltagem)

São as seguintes as principais soluções construtivas dos acelerómetros piezoelétricos:

Característica
Eletrónica integrada	Sim Não necessitam de condicionamento de sinal; mais económicos. Limite de temperatura superior imposto pela eletrónica incluída (Exemplo típico: 120 ºC) Muitos equipamentos de medida modernos incluem alimentação IEPE.	Não Aguentam maiores temperaturas
Material piezoeltrico	Quartzo	Cerâmico. Mais sensíveis
Montagem do sensor piezoelétrico	À compressão	Ao corte Menos sensíveis a deformação da base.

O sensor com material piezoelétrico pode ser montado à compressão ou ao corte como se pode ver a seguir. A montagem ao corte tem a vantagem de ser menos sensível a deformações da base do acelerómetro.

Características de Entrada/Saída dos acelerómetros piezoelétricos de modo voltagem (IEPE)

São as seguintes as principais características dos acelerómetros piezoelétricos IEPE.

Entrada: 18 – 24 Volts DC, 2-20mA corrente constante; valores de entrada distintos dos referidos podem danificar o sensor

Saída: voltagem proporcional à aceleração ou vibração

Nota: O sensor de modo voltagem ou IEPEE é um dispositivo de dois fios (sinal/ alimentação e terra)

O circuito integrado é alimentado por uma fonte de corrente constante (ver figura). Esta fonte de corrente constante pode fazer parte do instrumento ou de uma unidade separada. Tanto a corrente de alimentação quanto a saída de tensão são transmitidas através do mesmo cabo coaxial. Uma tensão de polarização positiva (Bias Voltage) surge na saída do sensor. O sinal de vibração é transmitido de volta à fonte como uma tensão de polarização modulada. O capacitor CC remove a tensão de polarização do sensor da entrada do instrumento, fornecendo um sinal de CA baseado em zero. Como a impedância de saída dos transdutores comuns compatíveis com IEPE é inferior a 100 ohms, o cabo pode ter até várias centenas de metros de comprimento sem comprometer a qualidade do sinal. Cabos coaxiais padrão baratos podem ser usados ​​em vez de cabos caros de baixo ruído.

No extrato de uma especificação a seguir apresentado pode-se ver a descrição da alimentação de um acelerómetro piezoelétrico.

Pode-se ver que a alimentação deste modelo de acelerómetros é entre 18 a 30 VDC com uma corrente de alimentação de 2-10 mA.

A Bias Voltage dos acelerómetros piezoelétricos– tensão de polarização

A tensão de polarização, ou seja, a tensão de saída de corrente continua do sensor com excitação, está normalmente entre 12 e 14 V. Ela varia com a corrente de alimentação e a temperatura. O sinal de saída do sensor oscila em torno desta tensão de polarização. Nunca se pode tornar negativo.

A verificação do funcionamento elétrico dos acelerómetros piezoelétricos IEPE

Ao instalar uma combinação permanente de cabos e acelerómetros piezoelétricos, especialmente em áreas que ficarão inacessíveis após a conclusão da instalação, é importante verificar o correto funcionamento do conjunto.

Muitas falhas do acelerómetro/cabo podem ser diagnosticadas medindo a tensão de polarização do amplificador do sensor. Se a tensão de polarização estiver dentro dos limites corretos, o sensor e o cabo serão considerados funcionando corretamente.

A maioria dos acelerómetros mais comuns possui um circuito de saída polarizado. Os circuitos de saída polarizados utilizam um sistema de sensor de dois fios usado para medir os sinais de corrente alterna dinâmicos, de vibração.

Um analisador portátil/fonte de alimentação externa fornece uma tensão CC ao acelerómetro. A tensão da fonte de alimentação é normalmente de 18 a 30 Volts CC. Os requisitos do circuito amplificador do sensor resultam na redução da tensão para um nível predefinido. Isso normalmente ocorre na faixa de 10 a 14 Vcc. Esta é a tensão BIAS que se deve medir no acelerómetro em funcionamento.

Algumas avarias dos acelerómetros piezoelétricos têm sintomas típicos

• Um resultado de 10 a 14 Vcc deve ser considerado um sistema de acelerómetro/cabo funcionando corretamente.
• O resultado de uma tensão significativamente superior a 14 Vcc, como 23 Vcc, deve ser considerado um sistema de acelerómetro/cabo, indicando um mau contacto ou mau funcionamento do cabo.
• Um resultado de 0 Vcc indicará um cabo ou conjunto de sensor em curto-circuito.

A verificação automática do funcionamento do acelerómetro acelerómetros piezoelétricos IEPE num sistema on-line

Hoje em dia, é comum os sistemas on-line, como seja por exemplo o MPS1 da Vibrometer, terem sistemas de deteção automática de avarias com se pode ver na figura a seguir apresentada, onde se notam as janelas de “Upper OK Level” e “Lower OK level”.

Caso o sinal elétrico não esteja dentro destes valores é gerado um alarme de avaria de sensor/cabo no canal de medida.

A alimentação dos acelerómetros piezoelétricos no equipamento de medida

Os analisadores de vibrações modernos têm todos alimentação para este tipo de acelerómetros.

Introdução aos acelerómetros piezoelétricos – Resposta em frequência de acelerómetros piezoelétricos IEPE

A resposta de baixa frequência dos acelerómetros piezoelétricos é controlada pela Constante de Tempo de Descarga (DTC)

• Ajustado em fábrica e não pode ser alterado.
• Pode ser alterado aquando do fabrico.

A resposta a alta frequência é função da frequência de ressonância (natural) do sensor.

Os filtros no sensor ou no condicionamento do sinal também podem afetar a resposta em frequência do sensor.

• Sensores de elevada sensibilidade têm normalmente uma baixa frequência de ressonância.
• Sensores de baixa sensibilidade têm normalmente uma frequência de ressonância elevada.

Constante de Tempo de Descarga (DTC)dos acelerómetros piezoelétricos

Constante de Tempo de Descarga – tempo requerido para a tensão de saída do sensor, para descarregar para 37% do seu valor original, em resposta a uma subida abrupta, em degrau, da aceleração de entrada.

• Determina a resposta de baixa frequência do sensor
• A resposta a baixa frequência é aproximadamente igual a:

                                Ponto -3dB         =             .16/DTC

                               Ponto -5%           =             Ponto -3dB x 3

Soluções construtivas de sensores piezoelétricos sem eletrónica integrada (modo carga)

São as seguintes as soluções construtivas de sensores piezoelétricos sem eletrónica integrada (modo carga).

• Ligam a um amplificador de carga que converte o sinal do acelerómetro em Volts
• Normalmente com sensor cerâmico
• Sem eletrónica incluída
• Adequados a temperaturas elevadas, como seja por exemplo a monitorização de turbinas a gás (por exemplo até 700°C)
• Condicionamento de sinal caro
• Cabos de baixo ruido necessários para a maioria das aplicações
• Os amplificadores de carga normalmente são mais difíceis de utilizar (ex.: ajuste de sensibilidade, etc.)

A seguir pode-se ver o acelerómetro CA901 de alta temperatura, que funciona até 700ºC..

Introdução aos acelerómetros piezoelétricos – A montagem do acelerómetro

A forma como se monta um acelerómetro é muito importante porque pode influenciar a sua resposta em frequência.

Tipos de montagem de acelerómetros piezoelétricos

• Montagem com perne
  • Resposta em frequência ótima
• Adaptador colado com cola epóxido, sensor montado em perne
  • Boa resposta em frequência
• Base magnética
  • Cómodo, resposta em frequência limitada
• Base magnética em adaptador colado com cola epóxido
  • Método melhor para montagem com base magnética

Efeitos da resposta em frequência da montagem dos acelerómetros piezoelétricos

O Ski Slope – Ligação e tempo de estabilização dos acelerómetros piezoelétricos

Quando a energia é fornecida a um acelerómetro, existe um tempo de ativação para o circuito do amplificador se energizar e atingir uma tensão de polarização estável antes que a medição de vibração possa começar. O tempo de ativação é identificado como o tempo necessário para atingir ou normalizar a +/- 10% da tensão de polarização. Permitir que o acelerómetro estabilize ao redor da tensão de polarização impedirá o “sky slope” no espetro FFT.

O “sky slope” manifesta-se no espetro de frequência sobre a forma de componentes espetrais de muito baixa frequência e de muita elevada amplitude. O “sky slope” que consiste no resultado da análise em frequência da componente DC do sinal não estabilizado, pode causar sérios problemas, a quem mede vibrações.

Forma correta de montar acelerómetros piezoelétricos na recolha de dados

Na coleta de dados com equipamentos portáteis, o acelerómetro é alimentado quando o coletor de dados for ligado e o acelerómetro permanecerá ligado até que se desligue o coletor de dados no final do processo de coleta. Se um acelerómetro portátil estiver a ser montado com um ímã (ou montado por outros meios temporários), leva algum tempo para o circuito do amplificador estabilize após o choque da montagem. Isso é conhecido como tempo de estabilização. O tempo que leva para o circuito do amplificador se estabilizar após a montagem temporária é muito dependente do processo de montagem. Se o acelerómetro for montado rigidamente na máquina, permitindo que o íman choque na superfície de montagem, o choque da montagem saturará o amplificador e será necessário. um longo tempo de estabilização. Se o suporte magnético for montado suavemente na superfície de montagem, com pouco ou nenhum choque no acelerómetro, o tempo de estabilização será mínimo. É sempre preferível, na recolha de dados portátil, montar o acelerómetro o mais suavemente possível, para evitar qualquer choque no sensor ou saturação do amplificador. Isso permite que o processo de medição comece mais rápido, economize tempo entre as medições e evite o “sky slope” no espetro FFT.

Nível de ruído espectral dos acelerómetros piezoelétricos

Cada acelerómetro tem um nível de ruído (“noise floor”) e a amplitude deste ruído é tipicamente medida em 10, 100 e 1000 Hz em unidades de µV divididas pela raiz quadrada da frequência, que é equivalente à raiz quadrada do PSD (Densidade espectral de potência). Dividir o valor medido de µV/√Hz pela sensibilidade do acelerómetro produz um valor µg / √Hz. Por exemplo:

• Ruído espectral medido a 10 Hz = 1,4 µV/√Hz

• Com a sensibilidade de 100mV/g, Ruído espectral a 10Hz = 14 µg/√Hz

• Agora podemos calcular a amplitude do ruído a 10Hz como 14 µg/√10 = 4,43 µg

4,43 µg seria a amplitude do ruído em 10 Hz. Para fazer uma medição acima do nível de ruído, com tolerância a ruído aceitável, o SNR (Relação Sinal / Ruído) deve ser de pelo menos 10 para 1, ou seja, a amplitude de vibração deve ser de pelo menos 44,3 µg no exemplo acima. O baixo ruído espectral permitirá que se faça uma boa medição e mantenha os sinais de interesse bem acima do nível de ruído do acelerómetro.

Gama dinâmica dos acelerómetros piezoelétricos

Intervalo de níveis que o acelerómetro pode medir, que pode ser expresso de diversas formas

O fim de escala dos sensores IEPE é normalmente ±5 Volts de sinal de saída