O proximitor

Neste artigo descreve-se o modo de funcionamento do sensor de deslocamento ou proximitor, usado frequentemente em chumaceiras de película de óleo de turbomáquinas. Esta análise é normalmente efetuada com monitores de vibrações.

Estes sensores também são designados de sensores de vibrações relativas.

Em turbomáquinas este tipo de chumaceiras são normalmente instrumentadas com sensores de deslocamento (proximitors).

De facto, com proximitors, a sua degradação, ou funcionamento incorreto, pode ser mais bem acompanhada e inserida num programa de Manutenção Preditiva.

2 – Constituição do sistema de medida do proximitor

Um sistema completo de sonda de proximidade consiste em:

• uma sonda,
• cabo de extensão
• driver

Figura 2 – Constituição de um sistema de medição de deslocamento com proximitor. O sensor+ o cabo de extensão + o condicionador (driver)

O princípio de funcionamento dos proximitors é o seguinte:

• À medida que o veio se move pela superfície da sonda, o campo magnético é absorvido pela superfície do material
• As correntes Eddy são formadas no material do veio, atenuando o campo de bobina sonda.
• Como resultado, a alteração do intervalo da tensão DC converte então esse valor num sinal de 200 mV/mil AC. (por exemplo; depende da sensibilidade da sonda)

Figura 4 – Princípio de funcionamento de um proximitor

Tem-se assim que o material do veio em frente da sonda gera alterações no campo eletromagnético da sonda que são aproveitadas para medir a distância entre a ponta do veio e o veio.

A seguir pode-se ver um vídeo com uma introdução aos proximitors.

3 Tensão de saída de um driver de um proximitor

Na figura a seguir apresentada pode-se ver a tensão medida na saída do driver em função da distância.

Figura 4 – Tensão de saída de um driver de um proximitor

Quanto maior e a distância entre a ponta da sonda e o veio menor e a tensão. É de notar que estes sensores são alimentados por uma fonte de alimentação de -24 VDC.

Quando o veio começa a rodar medem-se dois sinais a saída do driver:

• Um sinal DC proporcional à média da distância da ponta do sensor ao veio, também conhecido por DC-GAP
• Um sinal AC proporcional a vibração.

Figura 5 – Sinal à saída do driver quando o veio roda

A seguir pode-se ver um video sobre medições com proximitors.

A seguir pode ver um vídeo sobre o GAP dos proximitors.

4 A gama de medida linear do proximitor

Nas figuras anteriores está assinalada a gama de medida linear, que corresponde à gama de distâncias entre a ponta da sonda e o veio, em que a medida e correta.

Na especificação técnica de um proximitor pode-se ver o gráfico a seguir apresentado.

Figura 6 – Saída do condicionador de sinal de um proximitor ISQ900 da Vibrometer

Vê-se neste gráfico que a gama de medida linear se situa entre cerca de -2 e -18 VDC e corresponde a uma gama de 2 mm de distância.

Na mesma especificação pode-se ler:

Gama de medição linear (típica):

0,2 a 2,2 mm, correspondendo a uma saída de -1,6 a -17,6 V

5 A sensibilidade do proximitor

Existem proximitors com diversas sensibilidades, como por exemplo:

• 8 mv /mícron comuns nas turbinas a vapor e gama de medida linear de 2 mm
• 4 mv/mícron comuns nos grupos geradores hídricos e gama de medida linear de 4 mm

6 A montagem de um proximitor e sua verificação

O proximitor deve ser montado de forma que a distancia da ponta do sensor a o veio fique no meio da sua gama linear.

No caso anterior o meio da sua gama linear é:

Gama alinear =-17,6- (-1,6)= -16 V

Meio da gama linear= -8 V

Assim, neste caso, o sinal de saída DC do sensor, depois de montado, com a máquina parada, é de – 8V.

Isto tem de ser verificado, com a máquina parada, depois da montagem do sensor ser efetuada.

Na figura a seguir apresentada pode-se ver a configuração de um sensor de proximidade num sistema de monitorização permanente da Vibrometer.

Figura 7 – Configuração de um sensor de proximidade no programa MPS1 da Vibrometer

7 -A verificação da montagem do proximitor num sistema de monitorização permanente

Na fotografia a seguir apresentada, podem-se ver leituras da distância da ponta de dois sensores de proximidade ao veio, com um grupo gerador parado, no programa MPS2 da Vibrometer.

Figura 8 – Na fotografia onde se podem-se ver leituras da distância da ponta de dois sensores de proximidade ao veio, com um grupo gerador parado, no programa MPS2 da Vibrometer.

Neste ecrã apresenta diretamente as distâncias porque na configuração dos sensores foi introduzida a sua sensibilidade em mV/mícron.

Para saber se estas sondas estão adequadamente montadas tem de se saber qual a gama linear dos sensores de proximidade ali montados:

• Se tiverem um gama linear de 2 mm estão mais ou menos, um esta bem e outro esta mais ou menos.
• Se tiverem uma gama linear de 4 mm, estão os dois mal montados porque estão muito longe do ponto médio da gama linear, que é de 2 mm.

8 – Irregularidades no veio – O run-out

Do atrás referido entende-se que estas sondas funcionam como comparadores sem contacto. Medem a distância relativa entre a ponta da sonda e o veio. Dai também serem designadas, frequentemente, sensores de vibrações relativas.

Assim tem-se que, caso existam irregularidades na superfície do veio, estas vão ser medidas e misturadas com as vibrações. Estas irregularidades são designadas de run-out.

Existem dois tipos de run-out:

• O mecânico;
• O elétrico.

Causas de runout mecânico:

• Maquinagem inadequada de moentes (forma de ovo).
• Rotor empenado (térmico ou mecânico).
• Irregularidades da superfície – arranhões, solavancos, imperfeições.

Causas de runout elétricas:

• Magnetismo localizado.
• As ligas no veio de metal não são distribuídas uniformemente (material de baixa qualidade).
• Concentração de tensões residuais.

A sonda mede o runout total = mecânico + elétrico

Deve-se tomar cuidado para preparar a área alvo do veio e protegê-la.

Na análise de vibrações da forma de onda do deslocamento (em microns) medido com um proximitor, a seguir apresentada, efetuada com um analisador de vibrações, pode-se ver o efeito do runout na onda e no respetivo espetro.

Na onda pode-se ver o efeito de um risco no veio, e no espetro podem-se ver as numerosas harmónicas geradas pela existência deste risco.

Na figura a seguir apresentada pode-se ver um veio com revestimento, que geometricamente é circular, mas cujo material base está ovalizado.

Esta ovalização vai originar um runout com efeitos na forma de onda, no espetro e nos níveis globais.

9 A resposta em frequência do proximitor

A frequência de funcionamento destes sensores situa-se tipicamente entre o Hz e 20 KHZ.

10 Vantagens e desvantagens dos proximitors

As vantagens e desvantagens dos proximitors são as seguintes:

Vantagens:

• Sem contato.
• Mede a vibração relativa do eixo.
• Mede a posição da linha central do eixo (folga DC).
• Mede a posição axial (impulso).
• Resposta de frequência plana DC – 20KHz.
• Calibração simples.
• Adequado para ambientes agressivos.

Desvantagens:

• A sonda pode-se mover (vibrar);
• Não funciona em todos os metais;
• Veios revestidos fornecerão medições falsas;
• A medição é afetada por riscos e marcas de ferramentas no eixo (runout)

11 A Análise de vibrações com proximitors em máquinas com chumaceiras de pelicula de óleode pelicula de óleo

O sinal no tempo fornece informação importante e útil, mas como o veio se mova numa trajetória a duas dimensões, esta informação é limitada. Neste tipo de movimento, em chumaceiras de metal anti-frição, em que a pelicula de óleo amortece as vibrações na carcaça da chumaceira, o sinal no tempo, fornecido por um acelerómetro, não é o mais adequado. 

Para monitorizar este movimento, os sensores de deslocamento que medem a vibração relativa entre o veio e a carcaça, são mais adequados, sobretudo quando instalados aos pares.

Com dois sensores de deslocamento de vibração relativa (proximitors) existem condições para se conhecer o movimento do centro do veio nesse plano.

Esta informação pode ser apresentada em dois sinais no tempo individuais, respetivamente a cada sensor, mas o ideal, é obter um gráfico que represente as duas dimensões do movimento do veio. Este gráfico designa-se por órbita.

A órbita representa a trajetória do centro do veio no plano de leitura do par de sensores de proximidade.

Os sensores são montados rigidamente na estrutura das máquinas, junto às zonas de apoio do veio (chumaceiras). Assim, a órbita representa a trajetória do centro do veio relativamente à estrutura da máquina.

Devido à fácil interpretação e quantidade de informação que o gráfico contém, a órbita, conciliada com um indicador de fase, também conhecido por sensor de fase, é um gráfico eficaz para compreender os fenómenos físicos que ocorrem em máquinas rotativas.

12 – Construção da Órbita 

 A órbita combina os dados presentes nas formas de onda do par de sensores de proximidade, desfasado 90º, para criar um gráfico que exibe o movimento do centro do veio a duas dimensões. Na órbita da Figura 13 os sensores estão colocados a 0° e 90°.

Na órbita, um ponto define-se por um par de valores X e Y, que se obtém através da informação contida nos sinais no tempo. 

O centro do gráfico é definido pela média de valores X e valores Y das duas formas de onda. 

Um impulso emitido pelo sensor de fase atua como referência: o ponto a negro mostra a localização do centro do veio quando este impulso ocorre.

Para completar o gráfico, a localização dos sensores e o sentido de rotação do veio estão presentes na Figura.13. 

Note-se que o sentido de rotação do veio não pode ser determinado a partir da órbita sem informação adicional. A melhor maneira de determinar o sentido de rotação é examinando a máquina. Outra opção é utilizando órbitas em rotação lenta, as quais atuam no sentido do movimento de precessão.

Assim, sabendo que a máquina está em rotação lenta, permite determinar o sentido de rotação observando o sentido de precessão. 

O sentido de precessão é determinado pela sequência espaço/ponto negro da órbita da Figura 13. O ponto de amplitude máxima dos sinais do tempo corresponde à distância mínima entre o sensor e a superfície do veio.

Na Figura 13 ilustra-se a progressão do centro do veio em volta da sua órbita desde o ponto 1 ao 5. O ponto 1 mostra a localização do centro do veio quando se dá o impulso do sensor de fase, isto é, quando o primeiro vértice do entalhe produzido no veio passa junto ao sensor de fase. Os pontos 2 e 4 referem-se ao ponto mais distante e mais próximo ao sensor X (o pico mínimo e máximo no gráfico do sinal no tempo X). Do mesmo modo, os pontos 3 e 5 referem-se ao ponto mais distante e mais próximo ao sensor Y (o pico mínimo e máximo no gráfico do sinal no tempo Y).

Geralmente, representam-se vários ciclos de vibração no gráfico. Na Figura 13, representa-se um ciclo de vibração no gráfico do sinal no tempo, o que significa que a órbita também apresenta um ciclo. O pico positivo do sinal no tempo representa sempre a maior aproximação do veio ao sensor associado.

13 – Orientação de montagem dos sensores

As orientações de montagem dos sensores definem-se relativamente à direção de referência da máquina.

O observador estará posicionado na direção axial do veio a partir da máquina acionante para a máquina movida. 

As localizações dos sensores são indicadas nas extremidades dos gráficos, o que fornece uma referência visual uniforme, independentemente da orientação de montagem dos sensores. Na Figura 14, a órbita está orientada de modo que, quem a observe, visualize como estando posicionado de acordo com a direção de referência, olhando ao longo do eixo da máquina.

A Figura 14 mostra dois exemplos de órbitas com orientações diferentes na montagem dos sensores. Em ambos os casos, a órbita é a mesma, apenas a orientação de montagem é diferente. Note-se que a indicação dos sensores nos gráficos representa a posição de montagem destes.

No lado direito da Figura 14, estão presentes órbitas equivalentes retiradas de um osciloscópio. Devido aos eixos X e Y do osciloscópio de baixo não corresponderem às posições dos sensores montados, o osciloscópio teria de ser rodado fisicamente 45°, contra o sentido dos ponteiros do relógio (como sucede na Figura), de forma a exibir a órbita com a orientação correta. Nesta orientação, os eixos horizontal e vertical do osciloscópio coincidem com as orientações dos sensores. 

Quando se observam órbitas num osciloscópio, os eixos X e Y deste, têm de corresponder obrigatoriamente às orientações de montagem dos sensores, ou a órbita exibida não corresponderá à realidade.

As órbitas filtradas não são construídas diretamente a partir da informação indicada pelo par de formas de onda. O sinal do tempo recolhido pelos sensores é filtrado a determinada frequência e posteriormente utilizado para a construção da órbita filtrada.

14 – O referencial de fase e de velocidade de rotação – Sensor de fase (keyphasor)

A sequência espaço/ponto da órbita representa o efeito do impulso do sensor de fase. Este impulso representa um acontecimento no tempo que ocorre uma vez por rotação do veio. O sinal provém de um sensor de proximidade particular que é colocado radialmente em posição axial diferente.

O impulso do sensor de fase permite indicar a localização do centro do veio no instante em que, o entalhe produzido no veio para o efeito, passa por este sensor durante a rotação. A sequência espaço/ponto indica a direção de incremento de tempo.

A Figura 15 exibe um veio em rotação. Durante o movimento de rotação, o centro do veio também se move (movimento de precessão) ao longo de uma trajetória que definirá a órbita. Quando o primeiro vértice do entalhe passa junto ao sensor de fase (posição 3 da Figura 15), o centro do veio coincide com o ponto sensor de fase da órbita.

No sinal no tempo, o período entre dois impulsos do sensor de fase representa uma rotação do veio. No gráfico da órbita, o veio move-se ao longo da trajetória entre dois pontos do sensor de fase, durante a rotação. O ponto do sensor de fase é adicionado ao gráfico cada vez que o veio completa uma rotação. Se o gráfico abranger informação de várias rotações, estará presente, nesse gráfico, o correspondente número de pontos sensor de fase. 

Em órbitas filtradas a nX a velocidade rotação, em que n se trata de um número inteiro, serão inseridos no gráfico sucessivos pontos sensor de fase, que se sobreporão uns aos outros. O ponto do sensor de fase adiciona informação que é útil para determinar o sentido instantâneo do movimento do veio e para estimar a fase absoluta, a frequência de vibração em ordens da velocidade de rotação e, por último, o modo de vibração do rotor.

15 – O proximitor – informação presente nas Órbitas 

A órbita, especialmente se dotada de sensor de fase, pode ser utilizada para medir a amplitude pico-a-pico em qualquer direção radial, a frequência relativa da vibração ou o sentido de precessão.

O perfil da órbita pode fornecer pistas importantes sobre o comportamento das máquinas, realçar alterações na resposta que seriam impercetíveis tradicionalmente, e ajudar a identificar a localização onde o problema pode ocorrer relativamente à posição dos componentes da máquina. A órbita exibe o percurso do veio relativamente à posição média, não existindo informação acerca de qual a posição média do veio. Para obter a posição média do veio, existem outros tipos de gráficos.

Podem-se criar gráficos de órbitas a partir da mesma localização e a velocidades diferentes (dados transientes), para mostrar a evolução da vibração dos veios com o aumento da velocidade. Por outro lado, as órbitas podem ser criadas a partir de localizações axiais diferentes e à mesma velocidade, para exibir o modo de vibração do veio. 

A principal medição que se pode realizar numa órbita é a amplitude pico-a-pico (Figura 16). 

Existem dois aspetos fundamentais quando se utiliza esta medição. 

• Primeiro, a medição pico-a-pico necessita de ser feita paralelamente ao eixo de medida do sensor. Medir simplesmente na vertical ou horizontal, neste caso, produziria resultados diferentes e incorretos. 
• Segundo, a medição pico-a-pico é feita entre as tangentes que também são perpendiculares ao eixo de medida do sensor.  

A órbita é utilizada para determinar o sentido de precessão do veio.

O ponto do sensor de fase indica o sentido de incremento do tempo, sentido que será o de precessão do veio. Uma vez determinado, o sentido de precessão pode ser comparado ao sentido de rotação para confirmar se estamos perante precessão para a frente (sentido de rotação e precessão coincidentes) ou para trás (sentido de precessão contrário à rotação).

Em órbitas complexas, o veio pode ser submetido a precessão para a frente durante uma parte e precessão para trás durante o restante perfil da órbita. 

Note-se como os loops interiores das órbitas 1/2X a velocidade de rotação da Figura 17 mantêm precessão para a frente, enquanto os loops exteriores mostram precessão para trás.

A órbita filtrada pode ser utilizada para estimar a fase absoluta das duas componentes do sinal.

Esta estimativa será mais precisa para órbitas circulares, e menos precisa para órbitas elípticas (Figura 18) devido ao movimento a velocidade angular constante da órbita circular ao longo da sua trajetória (intervalos de tempo iguais e ângulos semelhantes entre pontos). 

Nas órbitas elípticas, a velocidade angular da órbita não é constante (intervalos de tempo iguais, mas ângulos diferentes entre pontos). Como a fase é uma medida no tempo, estas variações na velocidade angular causam imprecisões quando se tenta estimar a fase a respeito de cada sensor.

A Figura 19 ilustra um conjunto de órbitas 1X a velocidade de rotação em que os pontos do sensor de fase indicam a localização do centro do veio, em cada plano de medida, no instante em que ocorre o impulso. Estes pontos podem ser ligados entre si por uma linha, de modo a obter uma estimativa do que será o comportamento do veio ao longo do seu comprimento. 

O movimento do veio ocorre a ritmos distintos nas diferentes partes da órbita. Sem indicações adicionais, não se conhece a localização do veio a determinado instante.

O impulso do sensor de fase é a solução, fornecendo a referência no tempo para um ponto, em particular, em cada órbita.  

16 – O proximitor – apresentação da Órbita associada às formas de onda do sinal no tempo 

Este tipo de gráfico combina a órbita com duas formas de onda do sinal no tempo. A forma de onda resultante da leitura Y é exibida por cima da X, ambas à direita da órbita (Figura 20).

O gráfico contém informação sobre o sentido de rotação, a velocidade, a escala utilizada na órbita e a escala de tempo presente nas formas de onda. A figura é um exemplo de como utilizar estes gráficos para localizar um defeito na superfície do veio.

Esta órbita possui um perfil que revela a existência de dano na superfície do veio. Normalmente, os defeitos de superfície traduzem-se por picos que apontam na direção dos sensores. As formas de onda ajudam a esclarecer o período entre estes picos e tornam possível determinar a localização angular do dano na superfície.  

Recorde-se que os picos positivos da forma de onda representam a passagem do veio junto ao sensor e que, a localização de montagem dos sensores, é exibida no gráfico da órbita. O impulso do sensor de fase representa o mesmo instante em todos os gráficos. Esta combinação de gráficos permite correlacionar a informação presente na órbita com a informação das formas de onda.

17 – Medição da posição do centro do veio com proximitors

O valor AC do sinal medido com os proximitors dá-nos as vibrações do veio relativamente à chumaceira. A posição estática do cento do veio é determinada a partir dos valores DC medidos pelo par de proximitors. Nestas circunstâncias estes estão a ser usados como comparadores sem contacto. Esses valores são usados para determinar a posição do centro do veio na folga diametral das chumaceiras.

A seguir pode-se ver um video sobra a medição posição do centro do veio com proximitors.

Proximitors e espetro completo

A seguir pode ver um vídeo sobre a medição do espectro completo com proximitors.