CARTILLA Numero 003 MBC, Acelerómetros.

Acelerómetros y puntos de medición en máquinas

rotativas

Elaboró Revisó Aprobó

Nombre Jorge Alexander Prieto Ing. Henry Matallana

Cargo Mecánico Mantenimiento Basado en Condición.

Jefe de Mantenimiento Mecánico Conversión

Firma

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CONTENIDO

Introducción 3

Medición de vibración 5

Transductores de medición de vibración 6

Acelerómetros 7

Ubicación de los Puntos de Prueba 9

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INTRODUCCION

El objetivo de esta cartilla es realizar una introducción a las diferentes técnicas, y equipos de instrumentación existentes en la actualidad, para realizar la medición de Vibración Mecánica en diferentes sistemas o maquinarias, tales como máquinas rotatorias. Se describen los conceptos relacionados con la medición de vibración, los diferentes transductores y sus principios de funcionamiento, sus aplicaciones, sus ventajas y desventajas.

Análisis.

La esencia del estudio de vibraciones es realizar el análisis de las mismas. El análisis de datos consta de dos etapas: adquisición e interpretación de los datos obtenidos al medir la vibración de la máquina.

La adquisición de datos es el primer y principal paso a dar para hacer un análisis de vibraciones. Los datos a tomar, desplazamiento, velocidad o aceleración dependeran de la velocidad de la máquina, de acuerdo con su relación equivalente de frecuencia (rpm= cpm).

Determinación de posición y direccion de las medidas con los transductores, la vibración se tomará generalmente en rodamientos de la máquina o puntos donde sea más probable un fallo por acoplamiento, equilibrio, puntos donde se transmitan fuerzas vibratorias.

Los tres sentidos principales en una medición son horizontal, vertical y axial. Sentidos radiales son horizontal y vertical, y se toman con ele eje del transductor a 90°; respecto al eje de rotación, como se observa en la figura.

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Selección del instrumento de medición.

Determinación del tipo especifico de datos requeridos para la interpretación de las medidas realizadas.

Toma de datos. Paso esencial en el análisis, precisa de atención y fiabilidad de las medidas tomadas.

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A la hora de la adquisición de datos es importante tener en cuenta.

El lugar de la toma de datos en máquinas siempre debe ser el mismo, con el transductor unido en una forma firme, para la veracidad de los datos.

Medir siempre bajo las mismas condicines de vel.ocidad. Medir bajo la misma condición de carga.en ocasiones no tiene que ser la máxima, pero si

representativa del proceso, debe poder repetirse. Medir bajo temperatura de operación normal. Con calibración vigente del sensor o los sensores de vibración. Minimizar los esfectos, que tiene el metodo de colocación y fijación del sensor a la

superficie de la máquina. Segumiento de la máquina, es decir, mantener un contacto con los operarios que trabajan

con ella y las personas encargadas del mantenimiento. Controlar el entorno exterior de la máquina: aspecto, ruido, etc. Atender tendencias inesperadas. Estar preparado para tomar más datos, medidas cuando

pueda haber signos de algún problema. Mantener datos coherentes, tomados con precisión.

Medición de Vibración.

La medición de la Vibración se puede definir como el estudio de las oscilaciones mecánicas de unsistema dinámico. Las mediciones de vibración deben ser hechas con la finalidad de producir los datos necesarios, para realizar significativas conclusiones del sistema bajo prueba. Estos datos pueden ser usados para minimizar o eliminar la vibración, y por tanto eliminar el ruido resultante. En algunas aplicaciones, el ruido no es el parámetro a controlar, sino la calidad del producto obtenido por el sistema.

Un sistema de medición y procesamiento de señales de vibración por computadora típico, está formado por:

a. Los transductores de vibraciones (Acelerómetros, LVDTs, Sondas de Corriente Eddy) los cuales son los encargados de transformar las vibraciones en señales eléctricas.b. Un sistema de acondicionamiento de señal, el cual se encarga de recoger las diferentes señales, amplificarlas y llevarlas a los niveles de tensión aceptados por el sistema de adquisición de datos.c. La tarjeta de adquisición de datos, la cual se encarga de digitalizar la señal, realizando para ello, un muestreo discreto de la señal analógica proveniente del acondicionamiento de señal, y de introducirla al computador donde se realizan diferentes tipos de procesamiento para obtener toda la información que se requiere para el análisis y monitoreo de las vibraciones de las máquinas.

Figura Nº 4. Sistema de Monitoreo y Control de Vibración en Computadora, a través de una tarjeta de Adquisición de datos, Acondicionamiento de Señal y Transductores

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Transductores de medición de vibración

Los transductores de vibración son empleados para medir la velocidad lineal, desplazamiento, proximidad, y también la aceleración de sistemas sometidos a vibración. En general, los transductores empleados en el análisis de vibración, convierten la energía mecánica en energía eléctrica, lo que significa que producen una señal eléctrica la cual está en función de la vibración.

Estos pueden ser usados aisladamente, o en conjunto con un sistema de adquisición de datos. Se pueden encontrar en diversas presentaciones que pueden ser, elementos sensores simples, transductores encapsulados, o ser parte de un sistema sensor o instrumento, incorporando características tales como totalización, visualización local o remota y registro de datos. Los transductores de vibración pueden tener de uno a tres ejes de medición, siendo estos ejes ortogonales. Al momento de seleccionar transductores de vibración es necesario considerar cinco características principales a saber:

rango de medición, rango de frecuencia, precisión, sensibilidad transversal y condiciones ambientales.

El rango de medición puede ser en unidades “g” para la aceleración, en pulgadas/sec para velocidad lineal (y otras distancias en el tiempo), y pulgadas u otras distancias para desplazamiento y proximidad. La frecuencia es medida en Hz, (Hertz) la precisión es comúnmente representada como un porcentaje del error permisible sobre el rango completo de medición del dispositivo. La sensibilidad transversal se refiere al efecto que una fuerza ortogonal puede ejercer sobre la fuerza que se está midiendo, ésta sensibilidad también se representa como un porcentaje del fondo escala de la interferencia permisible.

Para las condiciones ambientales, se deben considerar variables tales como la temperatura de operación y la máxima fuerza de vibración y choque, que el transductor será capaz de manejar.A continuación se muestran los diferentes tipos de transductores usados para la medición de vibración en nuestra área de Conversión.

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• Transductores de AceleraciónAcelerómetros Piezoeléctricos

Acelerómetros

Los acelerómetros son dispositivos para medir aceleración y vibración. Estos dispositivos convierten la aceleración de gravedad o de movimiento, en una señal eléctrica analógica proporcional a la fuerza aplicada al sistema, o mecanismo sometido a vibración o aceleración. Esta señal analógica indica en tiempo real, la aceleración instantánea del objeto sobre el cual el acelerómetro está montado.

Los acelerómetros miden la aceleración en unidades “g”. Un g se define como la fuerza gravitacional de la tierra aplicada sobre un objeto o persona.

Los acelerómetros son direccionales, esto quiere decir que sólo miden aceleración en un eje. Paramonitorear aceleración en tres dimensiones, se emplea acelerómetros multi-ejes (ejes x,y,z), los cuales son ortogonales. Existen dos tipos de acelerómetros a saber: pasivos y activos.

Los acelerómetros pasivos envían la carga generada por el elemento sensor (puede ser un materialpiezoeléctrico), y debido a que esta señal es muy pequeña, estos acelerómetros requieren de unamplificador para incrementar la señal. Los acelerómetros activos incluyen circuitos internos paraconvertir la carga del acelerómetro a una señal de voltaje, pero requieren de una fuente constante de corriente para alimentar el circuito.

Las opciones de salida eléctrica dependen del sistema utilizado con los acelerómetros. Las opcionesanalógicas comunes son voltaje, corriente, y frecuencia. Las opciones digitales son las señales paralelas y seriales. Otra opción es usar acelerómetros con una salida de cambio de estado de switches o alarmas.

Figura Nº 5. Apariencia Física de un Acelerómetro

Acelerómetros Piezoeléctricos

Este tipo de acelerómetros aprovechan los fenómenos piezoeléctricos en algunos materiales, paragenerar una señal eléctrica proporcional, a la aceleración de la vibración a la que son sometidos. Elelemento activo del acelerómetro es un cristal piezoeléctrico pegado a una masa conocida. Un lado del cristal esta conectado a un poste rígido en la base del sensor. En el otro lado se encuentra adjunto un material llamado masa sísmica. Cuando el acelerómetro se encuentra sometido a vibración, se genera una fuerza, la cual actúa sobre el elemento piezoeléctrico. Esta fuerza es igual al producto de la aceleración por la masa sísmica. Debido al efecto piezoeléctrico, se genera una salida de carga proporcional a la fuerza aplicada. Puesto que la masa sísmica es constante, la señal

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de salida de carga es proporcional a la aceleración de la masa. Sobre un amplio rango de frecuencia tanto la base del sensor como la masa sísmica tienen la misma magnitud de aceleración, allí el sensor mide la aceleración del objeto bajo prueba.

Existen diversos materiales de cristales piezoeléctricos, que son útiles en la construcción de acelerómetros. Entre los materiales más comunes se tiene Metaniobato cerámico, Zirconato, Titanato y cristales naturales de cuarzo. Existen también, diferentes configuraciones mecánicas de las masas y cristales dentro de la carcasa del acelerómetro. Las configuraciones típicas incluyen compresión aislada, esquila, y esquila en anillo.

Los acelerómetros piezoeléctricos son extremadamente versátiles y ampliamente usados para la supervisión de maquinarias industriales. Los acelerómetros industriales típicos miden niveles devibración en micro-g´s desde 60 c.p.m. hasta unos 900,000 c.p.m. (1 a 15,000 Hz).

Figura 6. Acelerómetro Piezoeléctrico

Comparados con otros tipos de transductores, los acelerómetros piezoeléctricos tienen las siguientes ventajas:

• Un rango de medición bastante elevado, bajo ruido de salida• Excelente linealidad en todo su rango dinámico• Amplio rango de frecuencias• Tamaño Compacto• No lleva partes movibles• Auto-generación – No se requiere alimentación externa

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Aspectos Prácticos en la Medición de Vibración

Ubicación de los Puntos de Prueba

En general es deseable colocar el transductor de prueba lo más cerca posible del rodamiento, con metal sólido entre el rodamiento y el sensor. Se debe evitar la colocación en las gorras de rodamientos, ya que son hechas de metal delgado y conducen muy poco la energia de vibración. Si es posible habrá que seleccionar los lugares de ubicación de tal manera que no haya juntas entre metal y metal, entre el rodamiento y el sensor. La junta entre la campana y el carter del estator de un motor es un ejemplo de esto. Carteres de ventiladores y las extremidades de motores se deben evitar.

Ubicaciones de Acelerómetros

Orientación de los Sensores de VibraciónEn cualquier programa de monitoreo de máquinas, el hecho que los datos sean recopilados de manera exactamente igual cada vez que se hace una medición es extremadamente importante. Eso para asegurar que los datos se pueden repetir y que se pueda establecer una tendencia en el tiempo. Por esa razón no se recomienda el uso de transductores manuales. Los datos los más confiables se recopilan cuando el transductor está montado con botón en la superficie de la máquina.

Mediciones TriaxialesPara ayudar en la determinación de problemas de máquinas es muy útil obtener datos de vibración de cada punto de medición en tres direcciones. Esas direcciones se llaman Axial,

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Radial, y Tangencial. Axial es la dirección paralela a la flecha, radial es la dirección desde el transductor hacia el centro de la flecha, y tangencial es 90 grados de radial, tangente a la flecha.

Alineación de ejes de vibración.

Direcciones ortogonales quiere decir que los ejes sensitivos de los tres aceleró-metros se encuentran en ángulos derechos el uno del otro

Con los recopiladores de datos de vibración, se recopilan los datos con un acelerómetro triaxial a 3 canales. Realmente son tres transductores en un cárter y están orientados en las tres direcciones. ortogonales llamadas radial, tangencial y axial. El transductor está montado por medio de un tornillo a casquillo en un cojín de montaje de bronce especialmente diseñado. El diseño del cojín asegura que el sensor estará orientado en la misma dirección. Los canales 1, 2 y 3 del sensor pueden estar a diferentes ejes de medición con respecto a la máquina. Por ejemplo: si el sensor está montado encima de un cárter de rodamiento de una flecha horizontal, el canal 1 sería orientado verticalmente, el canal 2 podría ser orientado horizontalmente a 90 grados al eje de la flecha, y el canal 3 podría ser orientado horizontalmente paralelo al eje de la flecha. Esas direcciones se llaman Radial, Tangencial, y Axial, respectivamente. El archivo inicial de la máquina usa la abreviación RTA para este tipo de montaje. Si el sensor giraría 90 grados alrededor de su eje vertical, la orientación se llamaría RAT. Es muy importante que el programa conozca la orientación exacta del sensor. Esta información es parte de la Guía de Pruebas y Análisis de Vibraciones, para la máquina, así como lo describimos en la página .

Ejemplos de Orientación.El diagrama siguiente enseña las seis orientaciones del sensor para una máquinaoriginal.

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Para máquinas verticales R es Radial, T es tangencial y A es vertical.

Ventajas:Amplio rango de frecuencia.Gran rango de amplitudBuena tolerancia a la temperatura.Robustos y diseñados para una amplia gama de aplicaciones.Pueden dar respuestas en velocidad y desplazamiento, por medio de integración interna.Permanecen estables. Pueden ser calibrados cada largo tiempo. Misma vibración, lamisma señal.

Desventajas:No responde por debajo de 1 Hz

Desequilibrio

Esta es una de las causas más probable de que exista vibración en las máquinas, en casi todos los elementos es fácil encontrar un pico en el gráfico de amplitud frente a frecuencia, que denote un pequeño desequilibrio.

Para conocer la cantidad de desequilibrio hay que encontrar la amplitud en la frecuencia igual a 1* rpm. La amplitud es proporcional a la cantidad de desequilibrio. Normalmente, la amplitud de vibración es mayor en sentido radial (horizontal y vertical) en las máquinas con ejes horizontales. Aunque la forma de la gráfica sea igual en los tres sentidos.

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Desalineación

Es un problema común debido a la dificultad de alinear dos ejes y sus rodamientos de forma que no se originen fuerzas que produzcan vibraciones.

La forma de vibración de un eje torcido es similar a una mala alineación angular.

La amplitud es proporcional a la gravedad del defecto, en este caso desalineación. Este fallo puede presentar alta vibración en sentido axial además de radial. Así siempre que exista una alta vibración axial y radial, y si la axial es mayor que la mitad de la radial puede existir un problema de desalineación o ejes torcidos.

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La falta de alineación angular da como resultado vibración en sentido axial en los dos ejes.

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Sensores utilizados en conversión:

Vib 8.607 -1.5

Descripción:

Sondas de temperatura para PRÜFTECHNIK colectores de datos incluyen un termopar tipo K, que puede ser utilizado para las mediciones de temperatura de hasta 500 ° C.

Aplicación:La temperatura de la sonda VIB 8.605 es una pieza de recambio para VIBROTIP o incorporado en la sonda de temperatura VIBSCANNER. Puede ser fácilmente sustituida por pulsando un botón. Su cuello flexible, de goma permite un contacto óptimo con la posición de medición y las mediciones de temperatura en líquidos.La sonda de temperatura con soporte magnético VIB 8.607-1,5 se utiliza para llegar a los lugares de medición poco accesibles, que no son accesibles con VIBROTIP o incorporado en la sonda de temperatura VIBSCANNER. El poderoso imán para el montaje hace extremadamente sencilla y rápida.La temperatura de la sonda de mano VIB 8.608 mide hasta 500 ° C. La punta de la larga y estrecha de la sonda permite realizar mediciones incluso en lugares de difícil acceso.NotasSe aplica a VIB 8.607-1,5:Durante el transporte / almacenamiento una arandela de acero como un carril de cortocircuito está montado sobre las piezas polares.La hoja de datos de seguridad está disponible a petición (info@pruftechnik.com) o en Internet (www.pruftechnik.com

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Vib8.666R

Aplicación:Estos acelerómetros son adecuados para la medición de vibraciones hasta 10 kHz en la maquinaria, con velocidades de rotación superiores a los 600 min-1, para la medición del pulso de choque en los rodamientos de rodillos y para las mediciones de la cavitación en las bombas.

La adquisición de la señal y el procesamiento se realiza con un colector de PRÜFTECHNIK de datos (por ejemplo, VIBSCANNER, VIBXPERT II, VIBROTIP).El acelerómetro se bloquea en el montante correspondiente a través de su acoplamiento rápido ajuste en la posición óptima y con una presión constante. El acoplamiento rígido para el espárrago ofrece una transmisión óptima de las señales de vibración y la demora (de impulsos de choque).Volumen de suministroVIB 8.666 R acelerómetro rápido ajuste w / o por cableVIB 321926-2 espiral por cable con enchufe de QLApieza de recambioVIB 8.666 R acelerómetro rápido ajuste w / o por cable

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Vib 6.142R

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Aplicación:

Este acelerómetro es adecuado para mediciones de vibración de hasta 20 kHz en la maquinaria, con velocidades de rotación superiores a los 600 min-1, para la medición del pulso de choque en los rodamientos de rodillos y para las mediciones de la cavitación en las bombas.

El acelerómetro se utiliza principalmente para la recolección de datos en un entorno industrial. La adquisición de la señal y el procesamiento se realiza con un colector de PRÜFTECHNIK de datos (por ejemplo, VIBSCANNER, VIBXPERT II, VIBROTIP).Accesorios de instalaciónVIB 3.420 Soporte magnético para superficies curvas

Material de instalación para que el adhesivo de montaje:Pegamento de 2 componentes (por ejemplo, WEICON HB 300).

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VIB 3.420: Soporte magnético para superficies curvas, M5 rosca interna

Aplicación:Durante las mediciones móviles soportes magnéticos puede ser utilizado para fijar los acelerómetros fácil y segura a los lugares de medición con una base ferromagnético.El adaptador de VIB 3.420 magnética ofrece una sujeción segura en ambas superficies curvas y planas.NotasMediciones de impulsos de choque (de los cojinetes antifricción y cavitación de la bomba) no se puede realizar utilizando soportes magnéticos.Durante el transporte / almacenamiento una arandela de acero como un carril de cortocircuito está montado sobre las piezas polares.La hoja de datos de seguridad está disponible a petición (info@pruftechnik.com) o en Internet (www.pruftechnik.com).

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7. Sitios Web Recomendados• http://www.sensonics.co.uk/VibBook001.pdf• http://www.engr.sjsu.edu/bjfurman/courses/ME120/me120pdf/VibrationMeasurement.pdf• http://www.point-source.com/VibrationMeasurement.asp• http://www.vmiab.com/index.htm• http://www.navcon.com/PSV.htm• http://www.guemisa.com.pdf

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