A vibração e sua evolução

Um dos fatores que impactam na longevidade das máquinas é a vibração de seus mecanismos. A medição de vibrações para o monitoramento das condições dos maquinários evoluiu muito desde o uso de chave de fenda simples até as aplicações atuais avançadas de IA. Este artigo traça o histórico desse desenvolvimento.

Sem o uso de ferramentas específicas, a forma de avaliar a vibração de uma máquina antes era a manual. Por meio do toque, o avaliador poderia “sentir” a vibração usando uma haste, por exemplo, ou um estetoscópio - daqueles usados por médicos. Nesses casos, a vibração era avaliada pela experiência do avaliador, sem o auxílio de valores numéricos para a comparação. Ao longo dos anos, essa metrificação evoluiu para:

• Alavancas mecânicas, que medem o deslocamento;
• Deslocamento de medição de corrente eddy (principalmente API 670), ainda amplamente utilizado para medições de deslocamento absoluto;
• Análise de parcelas orbitais para esgotamento do eixo;
• Captação de velocidade, que mede tensão induzida por velocidade (e) proporcional a: campo magnético (b), comprimento dos enrolamentos (l) e velocidade relativa (v);
• Acelerômetro piezoelétrico e sua evolução para o acelerômetro 

O ICP/IEPE/CCLD é o acelerômetro mais utilizado para medir vibrações. Isso porque tem um grande faixa de frequência e alcance dinâmico. Porém, devido à alta impedância e os baixos níveis de sinal na saída, comuns a um acelerômetro piezoelétrico, é quase sempre necessário usar pré-amplificadores antes de entrar na instrumentação comum. Com o novo acelerômetro ICP/IEPE/CCLD, o condicionamento e a fonte de alimentação são normalmente incorporados no DAS.

O espectro de frequência fornece, em muitos casos, informações detalhadas sobre as fontes de sinal que não podem ser obtidas a partir do sinal de tempo. A seguir, trazemos um exemplo que mostra a análise de medição e frequência do sinal de vibração medido em uma caixa de câmbio. O espectro de frequência fornece informações sobre o nível de vibração causado por partes rotativas e malha dentária. Assim, o instrumento torna-se um valioso auxílio na localização de fontes de vibração aumentada ou indesejável.

Os sistemas iniciais eram apenas para alarme e rastreio - evoluindo para análise avançada de frequência em tempo real, análise de pedidos com displays como Waterfall, Campbell etc. A partir da análise de frequências, os sistemas evoluíram em consonância com novas tecnologias, como inteligência artificial (IA) e machine learning.

Algumas terminologias para análise de sinais e sistemas, a partir desse momento, são:

• Transformada Rápida de Fourier (FFT) — Um método rápido para calcular a transformada discreta de Fourier.
• Espectro automático — sinal de domínio de frequência Gx (f) = FFT (Linear Spectrum, complexo) Gxx (f) é real (não complexo). Apenas informações de amplitude, sem fase.
• Espectro cruzado — sinal de domínio de frequência. Multiplique 2 FFTs diferentes. Caracteriza relação entre dois sinais Função complexa da frequência, mostra amplitude de transmissão e características de fase entre dois sinais.
• Coerência — Calculado dividindo o espectro cruzado entre a excitação e a resposta pelo produto do espectro automático para a excitação e resposta. Dá a correlação entre sinais de excitação e resposta na Função de Resposta à Frequência (FRF).
• Função de Resposta de Frequência (FRF) — Caracteriza a relação entre uma excitação e um sinal de resposta. Função complexa de frequência sinônimo de Função de Transferência. Duas formas de calcular: H1(f) e H2(f).
• Análise do pedido — uma forma de análise de frequência, usada com máquinas rotativas, onde a amplitude dos componentes de frequência de sinal é traçada em função de múltiplos da frequência rotativa.

Técnicas especiais foram incorporadas para atender a critérios como API 670, sistema redundante e requisitos intrínsecos de segurança. A partir de sensores com fio, a tecnologia evoluiu para sensores sem fio e padrões de conformidade como a norma ISA 100.

Sensores e sistemas completos

Um critério importante também é a calibração de sensores e sistemas completos. Estes variam de sistemas portáteis simples e sistemas de mesa, a sistemas de calibração completamente informatizados com rastreabilidade e conformidade NIST à ISO 16063.

Os resultados da aplicação são, principalmente, análises de máquinas rotativas e testes estruturais. Algumas das indústrias onde a medição e análise de vibração são feitas extensivamente são a aeroespacial, automotiva, engenharia geral, indústria de processos e pesquisas. 

Para saber mais sobre os cursos, treinamentos e eventos promovidos pela ISA Seção São Paulo acesse: https://isasp.org.br/ 

*Este artigo foi extraído, traduzido e adaptado do original, em inglês, pela ISA Seção São Paulo. O texto original está disponível no blog ISA Interchange, blog oficial da International Society of Automation (ISA). O blog abrange vários tópicos sobre automação industrial, como operações e gerenciamento, tópicos sobre Indústria 4.0, discussões técnicas,além de informações sobre carreira de desenvolvimento profissional. O material e as informações contidas são apenas para fins de informação geral. As postagens do blog da ISA podem ser de autoria da equipe da ISA e autores convidados da comunidade de automação. As visões e opiniões expressas por um autor convidado são exclusivamente suas e não representam necessariamente as da ISA.