Analisador de vibrações 15 - Unidades e escalas do espetro

Analisador de vibrações 15 – Unidades e escalas do espetro

O tema específico tratado em analisador de vibrações 15, consiste nas unidades escalas do espetro de frequência, num analisador de vibrações.

Quando se efetua análise de vibrações, em manutençao preditiva, para se tirar partido de todo o potencial de um analisador de vibrações, é necessário compreender o seu modo de funcionamento. Por isso, aqui são apresentados os conceitos de análise digital de sinal, implementados atualmente num analisador de vibrações FFT, do ponto de vista do utilizador.

Começa-se por apresentar as propriedades do Fast Fourier Transform (FFT) em que os Analisadores de Vibrações são baseados. Em seguida, mostra-se como essas propriedades FFT podem causar algumas características indesejáveis na análise do espectro, como aliasing e fugas (leakage). Tendo apresentado uma dificuldade potencial com o FFT, mostra-se quais soluções são usadas para tornar os analisadores de vibrações em ferramentas práticas. O desenvolvimento desse conhecimento básico das características do FFT torna simples obter bons resultados com um analisador de vibrações numa ampla gama de problemas de medição.

Aqui pode-se ver a gama de analisadores de vibrações disponibilizados pela D4VIB.

Introdução

15 Unidades e escalas do espetro de frequência

15.1 Eixo de frequência e tipos de vibrações

Sinais determinísticos (sinais de natureza periódica, como por exemplo os sinais medidos a partir de uma máquina rotativa, rolamentos, engrenagem ou qualquer coisa que se repita)

Os sinais determinísticos estacionários são compostos inteiramente de ondas sinusoidais em frequências discretas. A resolução da análise de frequência é determinada pela largura de banda do filtro usada na análise, ou seja, a largura da linha da análise FFT. A largura de banda do filtro deve permitir ao analisador distinguir entre os dois componentes de frequência mais espaçados. Isso significa que deve haver apenas uma sinusoide em cada banda de filtro de cada vez. Se for esse o caso, a potência transmitida pelo filtro é independente da largura de banda. Portanto, o espectro de frequência médio de um sinal determinístico deve ser escalado em termos de raiz quadrada média (RMS) ou média quadrada, potência (PWR).

Sinais aleatórios (sinal de natureza aleatória que não são necessariamente periódicos como por exemplo cavitação)

Os sinais aleatórios não possuem periodicidade óbvia, portanto, a análise de frequência não pode determinar a “amplitude” em determinadas frequências. No entanto, é possível medir o nível de potência r.m.s. ou nível de densidade de potência em determinadas bandas de frequência para esses sinais aleatórios. Sinais aleatórios têm um espectro que é distribuído continuamente com frequência. Consequentemente, há uma distribuição de frequência contínua dentro da banda de frequência da linha do espetro. Por conseguinte, a potência medida na linha depende da resolução do espetro, ou seja, da largura da linha, isto é, a resolução do analisador (B = ∆f × k). Para um espectro relativamente plano, é possível remover a influência da largura de banda do filtro dividindo a potência transmitida pela largura da linha. Isso normaliza o resultado para uma densidade espectral quadrada média, geralmente chamada de densidade espectral de potência (PSD), que é uma medida da potência por unidade de largura de banda.

Sinais transitórios (não são periódicos nem estáveis aleatoriamente)

Um transitório é um sinal que inicia e termina em zero. Este sinal contém uma quantidade finita de energia e, portanto, não pode ser caracterizado em termos de potência, uma vez que a potência depende da duração do registo: quanto maior a duração da medida, menor a potência média. Sinais transitórios também têm um espectro continuamente distribuído em frequência. Consequentemente, a potência transmitida deve ser normalizada em relação à largura de banda da linha e redimensionada de acordo com o registo corretamente, independentemente da duração da frequência. Isso resulta numa largura de banda da unidade de energia, geralmente designada de densidade espectral de energia (ESD).

Tipo de sinal	Unidade do espetro	Unidades
Determinísticos	RMS (Valor eficaz) PWR(Potência)	u u²
Aleatórios	PSD (Densidade Espetral de Potência)	u²/Hz
Transitórios	ESD (Densidade Espetral de Energia)	u²s/Hz

15.2 Eixo vertical e as escalas logarítmicas

Quando se pretende ver vibrações muito pequenas na presença de vibrações muito grandes, como sejam por exemplo os primeiros sintomas de avarias em rolamentos num espetro de aceleração, as escalas logarítmicas são as que apresentam as primeiras evidências do que está a ocorrer.

Vejamos um exemplo do que poderia acontecer. Digamos que se tem uma máquina com rolamentos com algum desequilíbrio. O desequilíbrio foi diagnosticado com bastante facilidade. Ao mesmo tempo, há um problema no desenvolvimento da pista externa na zona de carga de um dos rolamentos. Como se sabe, o desequilíbrio cria forças adicionais nos rolamentos, especialmente na zona de carga. Devido à massa do rotor e à rigidez da máquina, existirá um pico de alta amplitude na velocidade de operação da máquina. No gráfico linear, pode ser visto um pico 1X alto e praticamente muito pouco. Devido ao aumento da carga devido à condição de desequilíbrio, em vez de uma lenta evolução ao longo do tempo do desgaste num rolamento, esse rolamento provavelmente vai passar de levemente danificado para concluir a falha em muito menos tempo do que o habitual.

Na visualização em gráfico linear dos espectros da FFT para esta máquina, talvez nem se veja o surgimento das frequências de rolamentos, à medida que os rolos passam pelo defeito na zona de carga. Estes picos serão muito pequenos inicialmente em comparação com a amplitude do desequilíbrio na velocidade de rotação.

No ecrã de analisador / coletor de dados, pode ser apenas um pixel, praticamente parte do nível de ruído. No entanto, caso se mude a apresentação linear para logarítmica, serão evidentes as frequências de rolamentos, nas frequências mais altas e não síncronas.