Coletor e analisador portátil de vibração para máquinas rotativas

 railroad-generator-190667_1280.

Introdução

Dentre as diversas técnicas disponíveis para a manutenção preditiva de máquinas rotativas, utiliza-se muito a que é baseada na análise do sinal de vibração. Informações importantes sobre o estado de uma máquina podem ser obtidas pela análise de espectro do sinal de vibração. Amplitudes de sinal de vibração devido a falhas de rolamentos e engrenagens são centenas de vezes menores do que as amplitudes de sinal devido a problemas frequentes de desbalanceamento. Geralmente a energia de tais sinais aparece em frequências que são múltiplas da frequência de rotação da máquina e normalmente não ultrapassam os 5 kHz. Assim, o espectro a ser analisado deve ter uma alta resolução de frequência e ampla faixa dinâmica (60 dB).

O coletor e analisador detalhado a seguir é um instrumento portátil que permite que um operador possa coletar e analisar o sinal de vibração no campo, medido diretamente na máquina que se deseja analisar. Este artigo técnico apresenta todas as etapas do desenvolvimento desse instrumento, desde o hardware e o software até a avaliação do desempenho do processamento de sinal.


 

Hardware

O projeto de hardware levou em consideração as especificações da aplicação, tais como portabilidade, reduzido consumo de energia e grande capacidade de processamento. Na Figura 1 é mostrado o diagrama de bloco funcional do coletor e analisador de vibrações. O sinal do sensor (aceleração, velocidade ou deslocamento) é amplificado para garantir uma conversão A/D de 12 bits com o máximo de aproveitamento de sua faixa dinâmica. Também foram considerados frequências de corte selecionáveis (20 kHz ou 10 kHz) e filtros analógicos de anti-aliasing do tipo Butterworth, que coincidem com as frequências de amostragem do conversor A/D (51,2 kHz ou 21,6 kHz). Foi utilizado um processador digital de sinais (DSP) de ponto fixo para implementar os algoritmos necessários.

 Os menus de operação do instrumento e gráficos de dados coletados são exibidos num display de cristal líquido gráfico que possui 128 linhas x 240 colunas. Um teclado permite ao operador escolher funções específicas por meio de navegação através dos menus. Uma interface serial permite que o instrumento realize a troca de dados com PCs e compatíveis. Memórias do tipo EEPROMs armazenam as rotinas de programa relacionadas com gráficos, processamento de sinais e exibição de menus. Uma memória do tipo RAM de 1 MByte  armazena os sinais coletados em campo (domínios do tempo e frequência) e dados do PC, tais como informações sobre uma determinada rota de manutenção (tipos de máquina, sensores e as posições onde fixá-los) e dados coletados anteriormente para possibilitar comparações.

.

Coletor 1

Figura 1 – Bloco funcional do coletor / analisador de vibrações

.

Processamento digital de sinal

 A conversão para os domínios de frequência é feita por meio da aplicação de algoritmos FFT (Fast Fourier Transform). Por meio desses algoritmos, para N amostras no domínio do tempo, espaçados por Δt segundos, são obtidas N amostras, chamados linhas ou raias, igualmente espaçadas no domínio da frequência na faixa entre zero e a frequência de amostragem. A distância entre as linhas de espectro (resolução = Δf) é dada pelo quociente entre a frequência de amostragem (fs) e o número de linhas N. Assim, a resolução é inversamente proporcional ao tempo total de aquisição T (Δf = fs/N = 1/N * Δt = 1/T).

 Para realizar o cálculo das linhas do espectro é utilizada uma FFT de base-2 complexa do tipo DIF (decimação em frequência), seguida por um algoritmo que obtém 2N linhas de números reais a partir do cálculo de uma FFT complexa de N linhas (Brighman, 1974) de forma a se conseguir obter mais velocidade e eficiência nos cálculos. A partir dos menus, o operador pode escolher o número de linhas (100, 200, 400, 800, 1600, 3200) da FFT antes de iniciar a aquisição. Considerando que os sinais medidos são reais (não complexos) e nesse caso apenas a metade das amostras são de interesse, o algoritmo é mais eficiente para um número de linhas que sejam uma potência de número inteiro de dois. Assim, para N linhas mostradas, é necessário calcular 2,56 * N linhas.

 As faixas de frequência disponíveis no equipamento são [0 – fmax], onde fmax = 20, 10, 5, 2 e 1 kHz e 500, 200, 100 e 50 Hz. Foi adotada uma solução híbrida para a redução de fs. No começo é realizada uma filtragem analógica, seguida de uma conversão A/D, onde é feita uma redução da frequência de amostragem (Figura 1). Depois o sinal passa por uma filtragem digital seguida de uma eliminação de amostras, processo conhecido como decimação (Figura 2).

.

Coletor 2

Figura 2 – Diagrama do processamento digital do sinal

.

A frequência de corte do filtro digital é definida internamente como o valor de fmax, e a frequência de amostragem da sequencia do sinal reduzida para 2,56 * fmax. Assim, por exemplo, com fmáx = 50 Hz e N = 3200 é alcançada a mais alta resolução do instrumento: 15,5 mHz (50Hz/3200), por meio de uma FFT real de 8192 linhas.

 A principal vantagem de se utilizar filtros digitais é que as suas características não variam com a temperatura nem com o envelhecimento. No caso desse equipamento, o processo de filtragem deve ser realizado em tempo real. Para isso foram desenvolvidos filtros digitais elípticos do tipo IIR (Infinite Impulse Response) utilizando a aproximação da forma direta II. Se fossem especificados filtros do tipo FIR (Finite Impulse Response) com os mesmos parâmetros de projeto, seriam gerados filtros de ordem muito elevada, que consumiriam uma grande quantidade de tempo de processamento e um grande espaço de memória. Não seria possível atender às outras especificações de projeto se utilizados os filtros FIR. As especificações da banda de passagem e banda de rejeição dos filtros são compatíveis com a resolução do conversor A/D. O fato de que os filtros IIR têm a característica distorcer as fases do sinal de forma não-linear não é importante neste caso, porque mesmo o sinal sendo distorcido no domínio do tempo, a magnitude espectral não é alterada.

 Na análise de espectro (FFT) também é necessário realizar a convolução do sinal de entrada com uma função de janelamento para minimizar o espalhamento espectral indesejado (spectral leakage). Para isso, funções de janelamento tais como Flattop, uniforme e Hanning (Figura 2) também foram implementadas. Essas funções são amplamente utilizadas em análise de vibração.

Avaliação

Ao implementar filtros digitais, funções de janelamento e algoritmos de FFT em aritmética de precisão de comprimento finito (ponto fixo), é necessário prestar um pouco mais de atenção nos seguintes aspectos (Figura 3a), que podem afetar a precisão e o desempenho do equipamento:

  • Quantização de bits do conversor A/D;
  • Estouro do valor calculado;
  • Quantização dos coeficientes (filtros, funções de janelamento, “fatores de twiddle” da FFT);
  • Ruído decorrente da precisão de comprimento finito.

Como uma forma de avaliar o desempenho dos algoritmos implementados, foram desenvolvidas algumas rotinas em MATLAB, vinculadas com o simulador TMS320 para a família de DSPs TMS320C2x da Texas Instruments (Figura 3b).

.

Coletor 3

Figura 3 –(a) Processamento ideal x Processamento de ponto fixo – (b) Ambiente de avaliação de desempenho do processamento

.

A estratégia para realizar a avaliação dos algoritmos baseou-se na comparação dos resultados do simulador do DSP com aqueles obtidos utilizando-se o MATLAB (ponto flutuante com precisão dupla). Esta avaliação foi realizada com sinais de teste previamente estabelecidos. Sinais de entrada tais como um impulso unitário ou a soma de senóides de diversas frequências e também ruído branco foram aplicados ao equipamento. Esses sinais acabaram tanto provando serem apropriados como estímulos de teste, como também permitiram a compreensão de alguns fenômenos do processo. Os algoritmos de FFT, filtragem e funções de janelamento foram inicialmente avaliadas separadamente e depois em conjunto.

Conclusão

O protótipo do coletor e analisador de vibração desenvolvido correspondeu a todas as especificações de projeto. Com esse projeto foi alcançado um bom nível de conhecimento em aplicações de processamento de sinal digital (DSP) e microprocessadores dedicados.

Saiba mais

Este artigo técnico pressupõe que o leitor tenha conhecimento dos fundamentos de processamento digital de sinais. Os artigos a seguir abordam esses fundamentos:

.

Agradecimentos

Agradeço aos membros da equipe de projetos que desenvolveu esse equipamento, Ney R. Moscati, Rogério Casagrande e Luiz Carlos I. Anraku pela coautoria na elaboração deste artigo técnico.

.

Referências

[1] Brigham, The Fourier Transform, Prentice Hall, 1974

[2] Burrus, C.S.;Parks, T.W., DFT/FFT and Convolution Algorithms – Theory and implementation, John Wiley & Sons, 1985

[3] Burrus, C.S.;Parks, T.W., Digital Filter Design, John Wiley & Sons, 1987

[4] Cooley, J.W.; Tukey, J.W., An algorithm for the Machine Computation of Complex Fourier Series, Mathematics of Computation, 19, pp. 297-301, April 1965

[5] Oppenheim, A.V.; Schafer, R.W., Discrete-Time Signal Processing, Englewood Cliffs NJ, Prentice-Hall International, 1989

[6] Texas Instruments, Digital Signal Processing Applications (TMS320 Family), 1986

.

Creative Commons License
Esta obra, “Coletor e analisador portátil de vibração para máquinas rotativas “, de Henrique Frank W. Puhlmann, foi licenciada sob uma Licença Creative Commons Atribuição-NãoComercial-CompartilhaIgual 3.0 Não Adaptada..

Anúncios

2 comentários sobre “Coletor e analisador portátil de vibração para máquinas rotativas

  1. Boa Tarde.

    Trabalho em uma equipe da Stock car e me interessei por este instrumento a nível de analisar e identificar níveis de vibração do sistema powertrain de um carro da Stock car. Poderia por gentileza me enviar demais informações sobre a ferramenta para estudarmos se a mesma pode atender a esta aplicação

    • Caro Fernando,

      o aparelho citado no artigo técnico acabou ficando só no protótipo. Porém, existem muitos desses à venda por aí, é só pesquisar no google:

      https://goo.gl/iGs0Q9

      Esses aparelhos você pode comprar ou alugar. A análise das medições de vibração requer conhecimento específico de engenharia de vibrações. Provavelmente você vai precisar de alguém, que conheça esse assunto, para interpretar os resultados.

      Abraço

Deixe um comentário

Preencha os seus dados abaixo ou clique em um ícone para log in:

Logotipo do WordPress.com

Você está comentando utilizando sua conta WordPress.com. Sair / Alterar )

Imagem do Twitter

Você está comentando utilizando sua conta Twitter. Sair / Alterar )

Foto do Facebook

Você está comentando utilizando sua conta Facebook. Sair / Alterar )

Foto do Google+

Você está comentando utilizando sua conta Google+. Sair / Alterar )

Conectando a %s