7/27/2019 MAQ_1-Analisis de Vibracion Para El Mantenimiento Predictivo de Maquinaria
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Anlisis de Vibracin para elMantenimiento Predictivo de
Arturo Vargas MercadoGerente de Programa Academico
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Agenda
Introduccin Porqu medir sonido y vibracin?
Parte 1: Sensores Sonido y Vibracin
Parte 2: Acondicionamiento de Seales y A/Ds
Parte 3: Anlisis y Procesamiento de Seales Parte 4: Sistemas: Arquitectura y Casos de Estudio
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Porqu Medir Sonido y Vibracin?
Investigacin y Desarrollo durante la
investigacin y desarrollo , el ruido y vibracin de
un dispositivo se estudian y se intentan reducir
permitiendo mayor vida de servicio al usuario final.
. . , ,
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Porqu Medir Sonido y Vibracin?
Desempeo de Audio calidad de bocinas
(audio automotriz/domstico, telfonos celulares),
amplificadores, ecualizadores, etc. caracterizadospor mediciones de respuesta en frecuencia ,
anlisis de distorsin calidad de audio
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Porqu Medir Sonido y Vibracin? Pruebas Estructurales medir la respuesta de
vibracin permite determinar la integridad de laestructura, propiedades de materiales, i.e. fatiga,
ri idez, fracturas
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Porqu Medir Sonido y Vibracin? Control detectar la presencia o cambio de
ruido o vibracin e iniciar acciones apropiadas.
i.e. sistemas de suspensin activos, supresin
de ruido en cabina, o shakers
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Mantenimiento Predictivo tendencias y
anlisis del desempeo de maquinaria para
determinar cundo ser necesario elmantenimiento para evitar fallas catastrficas
Porqu Medir Sonido y Vibracin?
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Proteccin de Maquinaria- monitoreo de
vibracin e iniciar alarmas o apagado cuando
los niveles excedan determinado lmite.
Porqu Medir Sonido y Vibracin?
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Estrategias de Mantenimiento
REACTIVO ACTIVO
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Modelo del Iceberg
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Curva de condicionesCambio en
la condicin
Vibracin
Ruido
Calor
dicindelamquina
Tiempo
Humo
Paro de
Emergencia
3 meses
2 semanas2 dias
10 min
C
o
Courtesy of FAG Industrial Services
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Tipo de Mantenimiento
Preventative Maintenance
Predictive Maintenance
Salud
de la
mquina
Run to-Failure
Tiempo
ccep a e pera ng one
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MantenimientoPreventivo
ProductionLevel
Paro no programado:FallaParo
programadoParoProgramado
Economa de los paros programados
Time
Time
Mantenimiento
Predictivo
ProductionLevel Paro basado en
condiciones
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Siendo tan importante: Por qu no lohacemos?
Falta de recursos humanos Especialistas en vibraciones
Presupuestos
Equipo costoso
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Componentes de un Sistema de Sonido y Vibracin
Adquisicin
de Datos
Ac
Sensores
Seales de Entrada
Anlisis
o
ndicionamiento
deSeal
A/DSeales de Salida
V
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Componentes de un Sistema de Sonido y Vibracin
Adquisicin
de Datos
Ac
Sensores
Seales de Entrada
Anlisis
o
ndicionamiento
deSeal
A/DSeales de Salida
V
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Acelermetros Medir
Aceleracin Velocidad y desplazamiento
(va integracin contra tiempo)
resu a o se expresa en go m s 1 g = aceleracin en la superficie de la Tierra 1 g = 9.81 m/s2
Configuraciones de un eje y tres ejes
Se calibra por medio de un agitador de vibracin
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Acelermetros IEPE Ventajas
Simple y fcil de utilizar
Microelectrnica integrada
Acondicionado con seal de
corriente constante
Conexin Directa
(18-30 VDC ; 2 mA)
Limitantes
Rango de temperatura
mxima de 250 F (algunos325 F)
Sensibilidad fija
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Acelermetros Modo Carga
Ventajas
Temperatura de hasta 1000 F Sensibilidad variable
LimitantesAcondicionamiento
Externo
Requiere acondicionamientoexterno
Necesita cableado bajo en
ruido Sensible a influencias
ambientalesDibujo de PCB, www.pcb.com
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Demo: Medicin de Acelermetro
Demo 2
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Micrfonos Miden
Presin del sonido (una variacin sobre la presinatmosfrica)
(una referencia de dB a 20 uPa)
El resultado se expresa en Pascales (Pa)
Calibracin con una fuente de referencia de ruido
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Tipos de Micrfonos
Prepolarizados (Electret)
Alimentados or corriente constante 2-20 mA
Conexin de dos cables (BNC, microdot, etc)
Polarizados externamente
Alimentados por fuente de hasta 200 V Conectores de 7 pines LEMO
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Tipos de Micrfonos
Campo Libre
Micrfono de Incidente Aleatorio
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Consideraciones de Seleccin de Transductores
Cul es el nivel de vibracin o sonido?
Cules son las frecuencias de inters (mximo y mnimo)? Cul es el rango de temperatura requerida?
Cul es la longitud del cable que se requiere?
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Componentes de un Sistema de Sonido y Vibracin
Adquisicin
de Datos
Ac
Sensores
Seales de Entrada
Anlisis
ondicionamiento
deSeal
A/DSeales de Salida
V
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Porqu Utilizar Acondicionamiento de Seal?
Acondicionamientode Seal
Mejora las seales para una mejor calidad de medicin
Alimenta o excita sensores Lee informacin de sensores TEDS
Ruidosa, Seal de Bajo Nivel Filtrada, Seal Amplificada
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Acoplamiento AC/DC y Acondicionamiento IEPE
Acoplamiento DC y AC
Acoplamiento AC = AC
Acoplamiento DC = AC+DC
=
20 volts
Acoplamiento DC = AC+DC
DC
AC
Piezoelctrico Electrnico Amplificador de carga o
amplificador de voltaje
integrado
0 volts
Acoplamiento AC = NO DC
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Sistemas Multi-ADC
Muestreo simultneo: La conversin A/D se realiza almismo tiempo, ya sean 2 o 5,000 canales
No hay variacin entre canales para garantizar fasesidnticas
Requerido para Intensidad de sonido
Respuesta a la frecuencia
Dinmica estructural
Anlisis de orden
Holografa acstica
Se Garantiza unDesfasamiento en el Peor
de los Casos de 0.1 a
1 Khz
Magnificacin de 50X
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A/D Delta Sigma de 24 Bits Resolucin = nmero de bits que usa el ADC para representar una
Seal
Determina cuntos cambios diferentes de voltaje pueden ser medidos:
# de niveles = 2resolucion = 216 = 65,536 niveles
Ancho de cdigo es el cambio mnimo que su sistema puededetectar Menor Ancho de Cdigo = representacin ms precisa de su seal
Ancho de
cdigo=
rango
amplificacin * 2 resolucin=
20 V
1 * 2 16
=
1 * 2 24
20 V
= 305 V
= 1.19 V
16-bit ADC
24-bit ADC
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Efecto de la Resolucin del ADC
Medicin de 24-bitMedicin de 16-bit
Los ADCs de alta resolucin le permiten detectar componentes
fuertes y dbiles de la seal al mismo tiempo
140 dB
90 dB Detecta Niveles Bajos de Seal
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=
Aliasing Teorema de Muestreo de Shannon
La frecuencia mxima (Frecuencia de Nyquist: fN) quepuede ser analizada est dada por:
Muestreo incorrecto Muestreo apropiado
s s
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Filtro Anti-Alias en A/Ds
Mezcla de filtrosanalgicos y digitales
Caractersticas de
DSA Digital Filter vs. 8th Order Analog Bessel
0
20 Bessel, Fc=15 kHz
Bessel, Fc=22.5 kHz
Bessel, Fc=30kHz
DSA Digital Filter
Remueve componentes de frecuencia mayores a la frecuenciade Nyquist
Necesita realizarse antes de que la seal sea digitalizada
Respuesta a la
frecuencia plana en labanda
Buen rechazo de alias
a altas frecuencias Roll-off rpido en la
banda de transicin-140
-120
-100
-80
-60
-40
-20
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000
Frequency (Hz)
FilterResponse(dB)
Signal
Bandwidth
FNyquistNI 4472 at
102.4 kS/sec FNyquist150 kS/sec
Analog Bessel Filter
attenuates signalsin band of interest
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Componentes de un Sistema de Sonido y Vibracin
Adquisicin
de DatosAc
Sensores
Seales de Entrada
Anlisis
on
dicionamiento
deSeal
A/DSeales de Salida
V
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Anlisis de Sonido y Vibracin Mediciones en el Dominio del Tiempo
Nivel de sonido y vibracin
Mediciones del Dominio de la Frecuencia
Potencia del espectro
Anlisis de armnicas y octavas Respuesta a la frecuencia / barrido de seno
Anlisis de audio - distorsin
Anlisis en el Dominio del Orden
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Mediciones de Nivel
Nivel de Presin del Sonido Escala logartmica (dB)
Referencia de 20 uPa Ponderacin de frecuencia: A, B, C
Nivel de Vibracin g rms, g pico
Referencia de 1 ug Integracin: velocidad y
desplazamiento
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SPL
Presin de Sonido (Pa) Nivel de Sonido (dB) Comparacin
0.00002 0 Umbral de Audio
0.02 60 Oficina de Negocios
.
1 94 Camion Grande
2 100 Martillo Neumtico
20 120 Despegue de Avin
200 140 Umbral del Dolor
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Anlisis Fraccional de Octavas Usado cuando el cliente final es el odo humano
escala de amplitud en dB
escala de frecuencia logartmica
Implementacin: Banco de filtros pasa bandas seguidos pormediciones de nivel
Seal Octavas Nivel Espectro de
Octavas
Cumple con estndares ANSI y IEC
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Anlisis en la Frecuencia
La Transformada Rpida de Fourier (FFT) convierte la
seal del dominio del tiempo al dominio de la frecuencia
Seal en el Dominio delTiempo
Espectro
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Respuesta en la Frecuencia
La Funcin Respuesta a la Frecuencia (FRF)
caracteriza la UUT La FRF compara la amplitud y fase del estmulo
Estmulo-Respuesta
Ax
{
Px
H(f)A
y
{
Py
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Tipos de Estmulos
Banda Ancha (Basado en FFT)
La excitacin incluye todas
las frecuencias a la vez Menor tiempo de prueba
E em los:
Discretos
La excitacin consiste de slo una
frecuencia a la vez Tiempos de prueba mayores
generalmente (permite asentarse y
Ruido blanco Chirp
Ruido rosa
Impacto martillo
Puede usarse para medir distorsindependiente de frecuencia
Ejemplos: Un slo tono
Seno multi tono
Barrido de seno o seno con pasos enfrecuencia
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Anlisis de Audio
Distorsin (no linealidad) THD, THD+Ruido, SINAD: Medidos con un tono
puro (fundamental) Distorsin harmnica total = Distorsin/fundamental
SINAD = seal/ ruido + distorsin
Seal = fundamental + ruido + distorsin IMD (distorsin de intermodulacin): excitacin de
dos tonos
Crosstalk Ganancia/fase
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Qu es Anlisis de Orden? Muchos componentes de seal del ruido y vibracin
estn relacionados directamente a la velocidad: Desbalanceo, desalineacin, defectos de rodamientos,
El anlisis de orden normaliza las mediciones a una
velocidad rotacional para obtener mejores
componentes de esta seal
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Espectro de Potencia
Velocidad de
Rotacin:
60 Hz
(3600 RPM)Los
componentes
Velocidad de
Rotacin :
50 Hz(3000 RPM)
se recorrencon un cambio
de velocidad
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Comprendiendo el Anlisis de Orden
Dominio del Tiempo
FFT
Dominio de la
Frecuencia
seg Hz
FFT
Dominio Angular
grados
Dominio de Orden
orden
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Espectro de Orden
Los
componentes
Velocidad de
Rotacin:
60 Hz
(3600 RPM)
e or en se
mantienen fijas
con cambios
de velocidadVelocidad de
Rotacin :
50 Hz(3000 RPM)
U i O d A l i M hi
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Using Order Analysis on Machinery
Hz
55
3,300 RPM = 55 RPS
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Relationship of Orders and Faults We can diagnose machine faults by knowing the order:
Imbalance
Misalignment
Loose Coupling
Low Order
Valve Noise
Bearing Defects / Wear
Blade Pass Frequency
Gear MeshHigh Order
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Resampling for Changing Machine Speed
Data is converted to angular domain from time
domain with the use of a tachometer (speed)
signal
Machine speed is increasing
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Poniendo todo junto
Adquisicin
de Datos
Acondicionamien
A/D
Sensores
V
Seales Entrada
Seales Salida
Anlisis
to
Arquitecturas Casos de Estudio
Rango de Aplicaciones en Maquinaria
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Rango de Aplicaciones en Maquinaria
I&D, Celdas
de Prueba
Pruebas de
Fbrica
Servicio en
Campo,
Almacenamiento
Monitoreo
En LneaProteccin
Casos de Estudio de Gran Cantidad de Canales
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Casos de Estudio de Gran Cantidad de Canales
Boeing: Arreglo de 448 canales de Micrfono200 Hz
Ruido en Fuselaje
400 Hz
Ruido de Entrada
Instalaciones Olmpicas de Beijing Monitoreo e Investigacin Ssmica
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Instalaciones Olmpicas de Beijing - Monitoreo e Investigacin Ssmica
Monitoreo continuo de
actividad ssmica en el Estadio
Nacional de Beijing y el Centro
Acutico Validacin de modelo estructural
Monitoreo de eventos or dis aro
Notificacin por correoelectrnico
NI LabVIEW y CompactRIO
sincronizados por GPS
. . .Sensores Ssmicos Kinemetrics
cRIO
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Preguntas?