Instrumentacion de Medidas de Vibraciones

Instrumentación de medida de vibraciones, 1

Transductores deVibración y

Acondicionadoresde Señal

Tipos de transductoresEl acelerómetro piezoeléctrico

Elección de acelerómetrosUso del acelerómetro

CalibraciónAcondicionadores


La cadena de medida

Transductor Preamplificador Detector/Promediador

Filtro(s) Salida


Métodos antiguos para “medir” vibraciones


Sonda de apoyo mecánico

Aplicación:Obsoleta, pero aún seencuentra en algunas factorías.


Sondas de proximidad

Aplicaciones:Movimiento relativoExcentricidad de ejesEspesor de película de aceiteEtc.


Captadores de velocidad

e = Blv

Rango de frecuencias

limitado:10 < f < 1000 Hz


Tecnologías en acelerómetros

Miden sucesos dinámicos, como vibraciones, impulsos de corta duración, etcéteraTipos: de carga o DeltaTron (Isotron, ICP …)Soportan elevadas temperaturas (250º, 480º, 650º C …)

Piezoeléctricos

Piezorresistivos y de Capacidad Variable

Pueden medir sucesos estáticos (aceleración constante o centrífuga, choques o impulsos de larga duración …)Temperatura máxima 125ºC


Acelerómetro piezoeléctrico

Principios de funcionamiento

F

F F

F

V [mV] ∝ FQ [pC] ∝ F

V [mV] ∝ FQ [pC] ∝ F


Tipos de acelerómetro

P: Piezoeléctrico E: Electrónica S: Muelle

R: Anillo de compresión B: Base M: Masa sísmica

P

MR

B

Cortadura plano

EMPB

Cortadura anular

S

B

PM

Compresión central

PRM

B

Delta Shear®

P

B

RM

E

OrthoShear ®

PB

MR

ThetaShear ®


20

Rangos de funcionamiento

1

AcelerómetroPiezoeléctrico

Transductor deVelocidad

Sonda de Proximidad

0.2 2 200 2k 20kHz Frecuencia

Amplitud relativa

108:1

106:1

10 000:1

100:1


Elección de acelerómetros

De uso general, peso y sensibilidad mediosPequeño, ligero y para altas frecuencias

o

0.1 - 0.3 pC/ms-2

Peso: 0.5 - 3 g1 - 10 pC/ms-2

Peso: 10-50 gramAceleración

Frecuencia

ms-2

250,00020,000-100,000

0.003-0.010.0001-0.001

~0.1 ~ 1 5-12k 15-30k Hz


Rango útil de frecuencias

Entrada

Salida

Ac.ms-2

(pC)

~ 35 dB

~ 10%

0.3 f0

f1 f0 Frecuencia


Sensibilidad y rango de frecuencias

SensibilidadpC/ms-2

31.6

1

0.004

13 42 180 kHz


Cera de abejaNiveldB

Max.40 °C

200 500 1k 2k 5k 10k 20k 30k 50 kHz

Técnicas de montaje — Fijos

Cinta adhesivade doble cara

Disco roscadoadherido

Vástago roscado

3020

10

0

Frecuencia


Técnicas de montaje — No fijos

Apoyo manual Imán

Apoy

o

Inve

rtido

30

2010

0

200 500 1k 2k 5k 10k 20k 30k 50kHzFrecuencia

NiveldB


Aislamiento del acelerómetroEléctrico(Contra lazos de tierra)

Arandela demica

Vástagoaislado

dB

Filtro mecánico(Contra choques)

Frecuencia

2kFrecuencia

1k

01020

5k 10k 20k 30k 50kHz

2k 5k 10k 20k 30k 50kHz

100

-10

1k

dB


Lugar de montajeB

A

C

D


Efecto de la masa del acelerómetro

0,1 pC/ms-2

0.65 g M > 7 g

10 pC/ms-2

54 g M > 600 g

1000 pC/ms-2

470 g M > 5 kg

M

< 110M

Masa dinámica


Sensibilidad transversal

Eje de montajedel

acelerómetro

Punto rojo

Eje demáxima

sensibilidad

< 2.3°

Eje de mínima

sensibilidadtransversalEje de máxim

a

Sensibilid

ad transversa

l

< 4 %

Máxima sensib.transversal < 4 %

100 %

< 4 %


Ruido triboeléctrico

+ ++

+++

+++

+++


Efector ambientales

Deformación de la base

Humedad

Ruido acústico

Sustancias corrosivas

Campos magnéticos

Radiación nuclear


Acelerómetros especiales

Calibración

Alta temperatura Choques

Triaxialz

yx

Alta sensibilidad(con amplificador)

55 g 10 g

Tmax.= 400° C amax.= 1000 km-2 amin.= 20 × 10-6 ms-2

316 mV/ms-2


¡Cuidado con los golpes!

2 5 100 2 5 1k 2 5 10k 20 50


La carta de calibración




El transductor de fuerza

F1

F2

a

Transductorde fuerza

Materialpiezoeléctrico

Transductorde fuerza


Calibración

¿Por qué calibrar?– Para conocer la

sensibilidad

¿Por qué recalibrar?– Obligación legal – C.Calidad– Buena costumbre– Comprobar daños


En campo– sensibilidad– Sistema completo

En laboratorio– Respuesta en frecuencia– Calibración de sensibilidad

Verificación del acelerómetro

Frecuencia = 159.2 Hzω = 1000 rad/seg

Aceleración = 10 ms-2

Amplificadorde Potencia

Multi-analizador

Excitador de calibración conacelerómetro de referencia


Prueba de resonancia montado

Acelerómetrode carga

Osc.


Calibración Back-to-back

Amplificadorde potencia

Multi-analizador

Vibrador

Acelerómetrode

Referencia

Acelerómetrobajo ensayo


Preamplificador

Entrada de aceleración– Señal de bajo nivel– Alta impedancia

Salida calibrada– Señal de alto nivel– Baja impedancia– Salida filtrada

Preamplificador


Elección del preamplificador

V

Q

10 pC/ms-2

10mV/ms-2 1mV/ms-2

Preamplificadorde Tensión

Preamplificadorde carga

10 pC/ms-2

100 m


Preamplificadores de carga y tensión

A

Rf

CfV ≅ 0

ZT=1/jωC

Preamp. Carga

ZIn<<ZT≅1/ jω Cf(A-1)

Cable

RC

CC

ZOut<<ZLoad

Transductor

i = dQ/dt

VOut=Q/Cf

∫i(t)dt=Q

ZInstr.

Entrada del equipo

A

i ≅ 0V=Q/C

ZT=1/jωC

Preamp. Tensión

ZIn>>ZT

Cable Entrada del equipo

RC

CC ZInstr.

ZOut<<ZLoad

Transductor

VOut=Q/CA


Acelerómetros DeltaTron (Isotron, ICP ...)

Incluyen amplificador internoSensibilidad en mV/ms-2

Necesitan alimentación (corriente constante)No necesitan cables de bajo ruidoMás baratos en configuraciones multicanalT máx < 125 ºC típica


mV/ms-2

DeltaTron®

SensibilidadmV/ms-2

Acelerómetro DeltaTron®

mV/ms-2

Amplificador decorriente constante

mV/pC

pC/ms-2 AcelerómetroDeltaShear®

Calibration Chart for DeltaTron ®Accelerometer Type 4398

Serial No .: ......................................................................

Reference Sensitivity* .................................... mV/ms-2

or ................................ mV/g

Acceleration Range(T < 100 C): Typ. 7500 ms 2 pea

2739716

0.99519.759

Preamplificadores en los acelerómetros


Entrada a tierra o flotante

x1

x1

Corrientede lazode tierra

50/60 Hzfuente de tensión

de baja impedancia

Amplificadordiferencial

50/60 HzFuente de tensión

de baja impedancia

Amplificadordiferencial

A tierra

Flotante

Rechazo de modocomún ~ 50 dB

Fuente de tensión


Un problema de lazo de tierra

Acelerómetrotriaxial

Amplificadoracondicionado

r Analizador

Hz HzHz

dBdB dB

Ruido inherente en el sistema

Señal presenteMáquina en marcha

Señal presente.Máquina en funcionamientoEntrada en “FLOATING”

Conditio ning AmplifierNEXUS

Brüel & Kjær

Overload

Lazo de tierra

Lazo de tierra presente

Lazo de tierrasuprimido en

50dB



Conditio ning Amplifier

NEXUS

Brüel & Kjær

Overload

Calibration Chart forAccelerometer Type 4381

Serial No.: .......................................................

Reference Sensitivity*....................................pC/ms2

or ...........................................pC/g

at 159.2 Hz (w = 1000 s1 ) and ................................C

Upper Frequency Limit (+10%): 4.8 kHz

Mounted Resonance Frequency: Typ. 16 kHz

Undamped Natural Frequency: Typ. 25 kHz

Transverse Sensitivity:Maximum (at 30 Hz, 100 ms2 ): ..................................%

Angle of minimum, a : (see drawing) ............................

Transverse Resonance Frequency:

2901215

10.0799,0

24

1,268

SensibilidadpC/ms-2

Frecuenciade resonancia montado

ProcedimientoIntroduzca la sensibilidadElija voltaje de salida

–Vout (mV/ms-2)

Elija parámetro–Acc. (mV/ms-2)–Vel. (mV/ms-1)

–Disp. (mV/mm )

Elija frecuencias de corte–ULF< 1/3 de la F.R.M.–LLF tan alta como sea posible


¿Existe posibilidad de error?

Al conectar transductoresAl introducir sensibilidadesCables defectuosos

• Preparación costosa

• Fiabilidad cuestionable

• Problemas...


La norma IEEE P1451.4IEEE P1451.4Regula la conexión de transductores inteligentes a

acondicionadores o equipos con entradas inteligentes

• Chip de memoria incorporado en el sensor • Transmisión automática de los datos del sensor• Efecto Plug & Play real

TEDS (Transducer Electronic Data Sheet)

FabricanteModeloNº serie

Sensibilidadetcétera


Las preguntas

• ¿Funcionan con mi acondicionador o analizador tradicional?

• ¿Se pueden recalibrar periódicamente?

Sí

No• ¿Son más caros?• ¿Presentan alguna desventaja?

• ¿Hacen falta cables especiales?


Transductores por laser

• Medida de vibraciones sin contacto

• Estructuras calientes, ligeras, blandas

• Medidas a larga distancia o en zonas peligrosas

• Salida de tensión proporcional a la velocidad


Para conocer más

Piezoelectric Accelerometers and Vibration Preamplifiers(Brüel & Kjær Theory and Application Handbook BB 0694-12)

Shock and Vibration Handbook (Harris and Crede, McGraw-Hill 1976)

ISO 5347 - Methods for Calibration and Characterization of Vibration and Shock Transducers

Brüel & Kjær Technical Review – No.1 - 1996 (BV 0048-11)

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