PMR3301 Aula 9: Sensores mais utilizados em processos de ...
Aula 6 - Sensores e Filtros
Transcript of Aula 6 - Sensores e Filtros
1
Capítulo 3. Sensores e Filtros
Neste capítulo serão estudados os:
Sensores ou transdutores de vibração
Filtros
2
3
Sinais analógicos: são sinais de amplitude e de tempo contínuos.
Sinais digitais : são sinais de amplitude e de tempo discretos.
4
Digital (sampled and quantized) Signal Plotted
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
discrete domain (n)
dis
cret
e ra
nge
x(n
)Digital-time, Continuous-amplitude Signal Plotted
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
discrete domain (n)
cont
inuo
us r
ange
x(n)
DT-DA Example:• Annual crop yields in billions of
bushels• Yearly enrollment of OSU• Dow Jones Average
DT-CA Example:• Daily noon temperature• Daily consumed gas
5
6
Sensores Usados
Sensor de Proximidade
Sensor de Velocidade
Acelerômetro
Sensor de Proximidade Sensor de Velocidade
Acelerômetro
Mais usados
7
Acelerômetros Sensor de Proximidade
8
Qual parâmetro a ser medido?Em geral será o parâmetro que fornecerá a resposta mais “plana” (flat)
A aceleração enfatiza as altas freqüências
Em normas, a preferência é pela velocidade, pois dá uma indicação da energia do sinal.
9
Faixa Operacional dos Transdutores
10
Exemplos de medições de vibrações de máquinas
Acelerômetro
Sensor de deslocamento
11
Acelerômetros
O acelerômetro piezoelétrico é considerado o transdutor padrão para medidas de vibração em máquinas, devido às suas vantagens de ampla faixa de frequência de utilização, fácil fixação e baixo peso.
Ele pode ser construído de várias formas, mas, o tipo “compressão” mostrado na figura à cima serve para descrever seu princípio de funcionamento.
12
Esta carga de saída é proporcional à força que o cristal é submetido, e pela segunda lei de Newton, também é proporcional à aceleração, daí o nome “acelerômetro”.
Em seu interior há a massa sísmica, uma mola circular e o cristal piezoelétrico (geralmente, quartzo). A propriedade do material piezoelétrico é que ele gera uma carga elétrica quando é comprimido.
13
A faixa de freqüência útil do acelerômetro é bastante larga, estendendo-se muitos poucos Hz até várias dezenas de quilohertz.
A resposta a alta freqüência é limitada pela ressonância da massa sísmica acoplada com a rigidez da mola e do próprio cristal. Esta ressonância produz um pico em torno de 30 kHz para acelerômetros comumente usados. A regra prática é que a faixa máxima utilizável do acelerômetro é em torno de 1/3 de sua freqüência natural.
A forma de fixação do acelerômetro influi nesta faixa útil. A melhor forma de fixação do acelerômetro é através de parafuso prisioneiro, qualquer outra forma de fixação reduzirá esta faixa útil.
14
Relação entre a Forma de Fixação e Sensibilidade com a Faixa de Utilização do Acelerômetro
A sensibilidade e a faixa de freqüência são relacionadas: em geral, quanto maior for o acelerômetro, mais alta é a sua sensibilidade e menor sua faixa de utilização.
Forma de Fixação e Faixa de Utilização
15
Acelerômetros Especiais
Transdutor de Força Piezoelétrico
16
Atualmente a maioria dos acelerômetros construídos nos dias atuais são do tipo voltagem, ou seja já há um circuito interno integrado a eles que dispensa o uso de amplificadores de carga. São também conhecidos como acelerômetros ICP.
Condicionador de Sinais do Acelerômetro
17
Funções do Condicionador de Sinal (pré-amplificador)
18
Exemplos de acelerômetros
http://www.pcb.com/techsupport/
Maiores informações sobre acelerômetros:
19
Calibração de Acelerômetro
20
Sensor de Proximidade
Os sensores de proximidade são transdutores sem contato usados para medir o deslocamento de uma estrutura vibrante (rotativa ou não). A operação destes sensores baseia-se em princípios eletromagnéticos.
Basicamente, um sinal de alta freqüência, em torno de 1,5 MHz, é gerado no Oscilador-Demodulador (denominado em inglês por “probe driver” ou “proximitor”) e enviado à ponta do sensor gerando um campo magnético na mesma.
21
Com aproximação de uma superfície metálica (do eixo, por exemplo) há a geração de correntes parasitas (“eddy currents”) na superfície metálica dissipando energia no campo magnético, enfraquecendo o sinal do oscilador-demodulador.
Este sinal possui componentes AC e DC. A componente AC representa o movimento da superfície metálica em relação à ponta do sensor (isto é, uma vibração relativa), ao passo que a componente DC representa a distância média entre a superfície metálica e o sensor.
Ambas as componentes fornecem informações importantes, no entanto, a componente AC é realmente a de interesse para medição de vibração. Neste caso, o sinal DC pode se eliminado com a inclusão de um filtro passa-alta na cadeia de medição.
22
Proximity Probes
ProbeModulatedCarrier
Oscillator/Demodulator
Output Signal:DC - PositionAC - Vibration
Magnetic Field
InducedEddyCurrents
23
Sensor de Proximidade
24
25
26
Um filtro é um sistema que tem a função de remover partes não desejadas do sinal, como o ruído, ou extrair partes úteis do sinal, como determinadas componentes de freqüência que estão dentro do gama de freqüência.
Um filtro é caracterizado pela sua função de resposta ao impulso ou pela sua função de resposta em freqüência FRF, que é uma função complexa, que possui magnitude e fase.
FILTROS
( )Y j( )X j
1
( )( )
( )
( ) ( )
Y jH j
X j
h t H j
( )H j
Função de Resposta em Freqüência.
Filtro
Função de Resposta ao Impulso.
27
Filtro Ideal e Filtro Real
Um filtro ideal é aquele sistema que cuja resposta em freqüência é unitária dentro de certa banda de freqüência e exatamente zero para outras bandas, sem haver atenuação.
Em um filtro real, na sua resposta em freqüência, há uma atenuação em certas freqüências e também há uma oscilação na banda passante chamada “ripple”. Geralmente a freqüência de corte é definida após um decaimento de 3 dB na resposta em freqüência.
28
Tipos de Filtros segundo a banda passante
Filtros são usados para que se observe na análise do sinal apenas as freqüências de interesse.
29
Fc=80Hz
Fc=150Hz
30
31
32
Há dois tipos principais de filtro: o analógico e o digital. Eles são bastante diferentes na montagem física e em seu funcionamento.
Um filtro analógico usa circuitos eletrônicos analógicos feitos de componentes como resistores, indutores e capacitores para produzir o efeito de filtragem exigido.
Filtros Analógicos e Filtros Digitais
Existem tipos de filtros analógicos já padronizados em função da banda passante, banda de rejeição, etc. Estes são conhecidos como filtros Butterworth, filtros Chebyshev, Filtros Bessel, etc. E também existem versões digitais destes filtros.
33
No caso de um filtro digital, este usa um processador digital para executar cálculos numéricos em valores amostrados do sinal de entrada. Em um processo de filtragem digital, o sinal analógico deve ser primeiramente digitalizado usando um ADC.
Existem várias vantagens advindas da utilização de filtros digitais, dentre elas:
Um filtro digital é programável, ou seja, a sua operação é determinada por um programa armazenado na memória do processador. Isto significa que o filtro digital pode ser mudado facilmente sem afetar seu circuito eletrônico (hardware). No caso de um filtro analógico ocorre somente se mudarmos o seu circuito eletrônico;
Os filtros digitais são facilmente projetados, sendo os mesmos testados e
implementados em um computador ou estação de trabalho de forma simples;
As características funcionais dos circuitos de filtros analógicos (particularmente os circuitos elaborados com componentes) estão sujeitos a variação da temperatura, variação de valores devido à construção dos componentes utilizados nos circuitos, entre outros parâmetros que dependem do projeto e aplicação. Filtros digitais não sofrem estes problemas, logo são extremamente estáveis obtendo com isso resultados mais precisos.