equpipos de medicion de vibraciones

Tema: Equipo de medición de vibración Materia: Mantenimiento proactivo

INSTITUTO TECNOLOGICO DE APIZACO

INGENIERIA ELECTROMECANICA

MATERIA:

MANTENIMIENTO PROCTIVO

CATEDRÁTICO:

ING. JAIME ALBERTO ELIZALDE OLIN

EQUIPO 3:

ANA KARINA OSCAR ALI

TRABAJO:

EQUIPO DE MEDICION DE VIBRACIONES

Nombre: Equipo 3 Fecha: 25/09/2013 Pág. 1


INDICE

INTRODUCCION……………………………………………………………………...3

INDICE………………………………………………………………………………….2

VIBRACIONES……………………………………………………………………………..4

MEDICION DE VIBRACION………………………………………………………………5

TECNICAS DE ANALISIS DE VIBRACIONES…………………………………………..7

TRANSDUCTORES DE MEDICION DE VIBRACION………………………………….12

ACELEROMETROS………………………………………………………………………14

Acelerómetros de Alta Impedancia……………………………………………………….16

Acelerómetros de Baja Impedancia………………………………………………………17

Acelerómetros Piezoeléctricos……………………………………………………………17

Transductores de Piezovelocidad………………………………………………………...20

(LVDT linear variable differential transformer)……………………………………………21

Transductor de Desplazamiento (Corriente Eddy)……………………………………....23

Transductor de desplazamiento Tipo Capacitivo………………………………………...25

Vibrómetros Doppler Láser (LDV)………………………………………………………...26

Áreas de Aplicación………………………………………………………………………..27

Acondicionamiento de Señal……………………………………………………………...28

Equipos de Procesamiento y visualización……………………………………………….29

NORMATIVA EXISTENTE EN EL ANALISIS DE VIBRACIONES…………………….30

Fabricantes de Instrumentos de medición de Vibración………………………………...32

CONCLUSION……………………………………………………………………………..33

BIBLIOGRAFIA…………………………………………………………………………….34



INTRODUCCION

Dentro del campo de la mecánica existen diversos tipos de movimiento bajo los cuales se comportan los diferentes cuerpos. Existen movimientos que desde el inicio del estudio de la mecánica ha ido evolucionando en su manera de estudio aunque otros aún conservan sus definiciones con poco o ningún cambio. Dentro de estos tipos de movimientos están los movimientos oscilatorios.

Como se sabe un movimiento oscilatorio es aquel en el que el cuerpo se mueve de forma cíclica y se habla de los términos que ya conocemos como la amplitud que es la distancia máxima que recorre el cuerpo en la mitad de un ciclo, el periodo y la frecuencia de esas oscilaciones.

Las vibraciones se analizan usando los conceptos de los movimientos oscilatorios, y los movimientos armónicos. Cuando se trata de equipos estos por lo general tienen un periodo de vibración bien definido el cual se llama periodo natural de vibración. Pero también existen fuerzas que se aplican en forma cíclica a los mismos los cuales tienen su propio periodo por lo cual inducen en el equipo una vibración a propósito o forzada. Se debe tratar de que el periodo natural y el periodo forzado no sean de la misma magnitud ya que cuando esto ocurre la amplitud del movimiento tiende a aumentar produciendo afectos indeseables y a veces nocivos para los equipos.

Es por ello que se hace importante analizar y cuantificar la cantidad de vibración que tienen los objetos a través de métodos adecuados que nos permitan controlar y manipular a nuestra conveniencia la vibración. Existen varios métodos y tipos de instrumentos para medir las vibraciones y tener los resultados requeridos. El presente trabajo de investigación está orientado al estudio de tales instrumentos, sus características y la forma en que los mismos trabajan.



VIBRACIONES

Se dice que un cuerpo vibra cuando experimenta cambios alternativos, de tal modo que sus puntos oscilen sincrónicamente en torno a sus posiciones de equilibrio, sin que el campo cambie de lugar. Como otro concepto de vibración, se puede decir que es un intercambio de energía cinética en cuerpos con rigidez y masa finitas, el cual surge de una entrada de energía dependiente del tiempo.

Este intercambio de energía puede ser producido por:

Desequilibrio en máquinas rotatorias Entrada de Energía Acústica Circulación de Fluidos o masas Energía Electromagnética

Sea cualquiera la causa de la vibración, su reducción es necesaria debido a diversas razones entre las cuales tenemos:

La excesiva vibración puede limitar la velocidad de procesamiento. La vibración es responsable de la pobre calidad de los productos elaborados por

maquinas herramientas. La vibración de maquinarias puede resultar en radiación de ruido. La vibración puede alcanzar a otros instrumentos de precisión de otras fuentes, y

causar fallas de funcionamiento.

La Medición de Vibración, juega un papel muy importante en el desarrollo de técnicas para mitigarla o reducirla, y en el establecimiento de límites en los niveles de ruido de la maquinaria existente en una instalación industrial.



Aproximadamente el 50% de las averías en máquinas rotativas se deben a desalineaciones en los ejes. Las máquinas mal alineadas generan cargas y vibraciones adicionales, causando daños prematuros en rodamientos, obturaciones y acoplamientos, también aumenta el consumo de energía.

Gracias a los avances de la electrónica, actualmente se tienen instrumentos de medición altamente sofisticados que permiten cuantificar la vibración de manera precisa, a través de diversos principios. Es por esto que es muy importante, un buen entendimiento de los transductores empleados para la medición de vibración, y su interfaz con los sofisticados equipos de instrumentación y de adquisición de datos.

MEDICION DE VIBRACION

La medición de la Vibración se puede definir como el estudio de las oscilaciones mecánicas de un sistema 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.

Las etapas seguidas para medir y/o analizar una vibración, que constituyen la cadena de medición, son:

- Etapa transductora

- Etapa de acondicionamiento de la señal

- Etapa de análisis y/o medición

- Etapa de registro.



El transductor es el primer eslabón en la cadena de medición y debería reproducir exactamente las características dela magnitud que se desea medir. Un transductor es un dispositivo electrónico que se usa una magnitud física como vibración y la convierte en una señal eléctrica (voltaje) proporcional a la magnitud medida.

Típicamente hay cuatro tipos de sensores o transductores de vibraciones:

- Sensor de desplazamiento relativo sin contacto

- Sensor de desplazamiento relativo con contacto

- Sensor de velocidad o velocímetro

- Sensor de aceleración o acelerómetro.

Para la medición de vibraciones en el exterior de las máquinas y en las estructuras hoy en día se utiliza fundamentalmente los acelerómetros. El acelerómetro tiene la ventaja respecto al velocímetro de ser más pequeño, tener mayor rango de frecuencia, y poder integrar la señal para obtener velocidad o desplazamiento vibratorio. El sensor de desplazamiento se utiliza para medir directamente el movimiento relativo del eje de una máquina respecto a su descanso.

Para la selección adecuada del sensor se debe considerar, valor de la amplitud a medir, temperatura de la superficie a medir y fundamentalmente el rango de las frecuencias a medir. Tabla Nº1 indica rangos de frecuencias de sensores de vibraciones típicos.



Otro factor que debe tenerse en cuenta en la selección del sensor es el ruido eléctrico inherente a él. Por ejemplo, un acelerómetro de uso industrial tiene un ruido eléctrico típico de 500 mg pico, mientras que un acelerómetro de baja frecuencia sólo tiene un ruido eléctrico típico de 10 mg pico.

La etapa de acondicionamiento de la señal consiste en acondicionar la señal que sale del transductor para que pueda ser medida adecuadamente. Esto contempla en algunos cas os, dependiendo del tipo de transductor, filtraje, integración, amplificación o demodulación.

Una vez acondicionada la señal ésta puede ser medida o analizada. Un medidor de vibraciones es un instrumento que mide el valor pico, pico a pico o RMS dela vibración. Un analizador de vibraciones es un instrumento que realiza análisis espectral.

TECNICAS DE ANALISIS DE VIBRACIONES

El objetivo del análisis de vibraciones es poder extraer el máximo de información relevante que ella posee. Para esto existen diferentes técnicas de análisis tanto en el dominio tiempo como en el dominio frecuencia, las cuales tienen sus propias ventajas para algunas aplicaciones en particular. A continuación se presenta algunas de las técnicas más utilizadas en la inspección de máquinas.

1. Análisis espectral. La esencia del análisis espectral es descomponer la señal vibratoria en el dominio del tiempo en sus componentes espectrales en frecuencia. Esto permite, en el caso de las máquinas, correlacionar las vibraciones medidas generalmente en sus descansos, con las fuerzas que actúan dentro de ella. Fig. Nº1 ilustra lo anterior.

Las vibraciones corresponden a una bomba centrífuga de 5 álabes. Las componentes de frecuencias 1x rpm y 2x rpm se las asocia a un grado de desalineamiento de la bomba con



el motor y al desbalanceamiento residual del rotor. La componente de frecuencia 5x rpm proviene de las pulsaciones de presión que genera este tipo de máquinas.

2. Análisis de la forma de onda. El análisis de la forma de la vibración en el tiempo a veces puede proveer información complementaria al análisis espectral. Este análisis es adecuado para reconocer los siguientes tipos de problemas:

- Impactos

- Rozamientos intermitentes

- Modulaciones en amplitud y frecuencias

- Transientes

- Truncaciones.

3. Análisis de fase de vibraciones .Se puede definir la diferencia de fase entre dos vibraciones de igual frecuencia como la diferencia en tiempo o en grados con que ellas llegan a sus valores máximos, mínimos o cero. El análisis de diferencias de fase a la velocidad de giro de la máquina entre las vibraciones horizontal y vertical o entre las vibraciones axiales de los diferentes descansos del sistema motor -máquina, permite determinar los movimientos relativos entre ellos, y diferenciar entre problemas que generan vibraciones a frecuencia 1x rpm:

- Desbalanceamiento

- Desalineamiento

- Eje doblado

- Resonancia

- Poleas excéntricas o desalineadas.



4. Análisis de los promedios sincrónicos en el tiempo. Esta técnica recolecta señales vibratorias en el dominio tiempo y las suma y promedia sincrónicamente mediante un pulso de referencia repetitivo. Las componentes sincrónicas al pulso se suman en el promedio y las no sincrónicas disminuyen de valor con el número de promedios. Fig. Nº2 muestra vibraciones medid as en la tercera prensa de una máquina papelera. Se observa utilizando la técnica de promedios sincrónicos en el tiempo la contribución a la vibración global del rodillo superior y el fieltro. Esto permite determinar en forma más fácil el origen de las diferentes componentes vibratorias.



5. Análisis de órbitas .Combinando dos señales vibratorias captadas por sensores ubicados relativamente entre ellos a 90º (vertical y horizontal) en un descanso de la máquina se puede.

6. Análisis de modulaciones. El análisis de demodulaciones en amplitud consiste en analizar la envolvente de la señal temporal de una señal modulada. Este análisis permite determinar más fácilmente la periocidad de las modulaciones y diagnosticar problemas tales como:

- Rodamientos picados

- Engranajes excéntricos o con dientes agrietados

- Deterioro de álabes en turbinas

Problemas eléctricos en motores

7. Análisis de vibraciones en partidas y paradas de una máquina. Existe ciertos problemas que son más fácil de diagnosticar durante el funcionamiento transigente (partidas/paradas) que durante el funcionamiento estacionario de la máquina. Es el caso de los problemas que generan vibraciones cuyas frecuencias son función de la velocidad de la máquina. Al disminuir ésta, dichas componentes van disminuyendo en acorde, por lo que en algún momento coinciden con alguna frecuencia natural de ella y son amplificadas, evidenciando en ese instante en forma más clara el problema.

Para esto se analiza los gráficos de la amplitud y fase de algunas componentes vibratorias en función de la velocidad de rotación de la máquina. Estos gráficos se denomina a veces gráficos de Bodé Este gráfico tridimensional muestra espectros vibratorios para diferentes velocidades de rotación de la máquina.

8. Transformadas tiempo-frecuencia .El análisis espectral es adecuado para analizar

vibraciones compuestas de componentes estacionarias durante su período de análisis. Esto indica qué efectos transigentes de la vibración son promediados en el período de análisis, perdiéndose información sobre la naturaleza o forma de estas variaciones.

Existe entonces la necesidad de un análisis que describa mejor señales no estacionarias o transigentes. Esto se consigue con las distribuciones o transformados tiempo-frecuencia.

Los transformados tiempo-frecuencia son análisis tridimensionales amplitud-tiempo-frecuencia, es decir, segrega una nueva dimensión (el tiempo) a la clásica FFT.



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

Los transductores de vibraciones (Acelerómetros, LVDTs, Sondas de Corriente Eddy) los cuales son los encargados de transformar las vibraciones en señales eléctricas.

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.

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.



TRANSDUCTORES DE MEDICION DE VIBRACION

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 ´gµ para la aceleración, en pulgadas/seg 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:

Transductores de Aceleración

Acelerómetros Piezoresistivos

Acelerómetros Piezoeléctricos

Transductores de desplazamiento

LVDTs

Corriente Eddy

Capacitivos



Transductores de velocidad

Vibrómetros Láser

ACELEROMETROS

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 ´gµ. 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. Para monitorear 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 material piezoeléctrico), y debido a que esta señal es muy pequeña, estos acelerómetros requieren de un amplificador para incrementar la señal.

Los acelerómetros activos incluyen circuitos internos para convertir 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 opciones analógicas 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.



Acelerómetros de Alta Impedancia:

La salida de carga del cristal tiene una impedancia de salida muy alta y se puede obtener fácilmente. Se pueden emplear técnicas especiales para obtener la señal del sensor. La alta impedancia resultante del acelerómetro es útil donde las temperaturas exceden los 120 ºC, prohibiendo el uso de sistemas microelectrónicas dentro del sensor. Este tipo de sensor requiere el uso de conductor para bajo ruido.

Note que la señal de alta impedancia debe ser convertida a baja impedancia con un convertidor de impedancia o un amplificador de carga antes de ser conectado a un sistema de adquisición de datos. Generalmente, si la sensibilidad de salida es especificada en unidades de pC/g (pico coulombs por g) se tienen un sensor de alta impedancia.



Acelerómetros de Baja Impedancia:

En un acelerómetro de baja impedancia se deben emplear sistema microelectrónicas ubicados dentro de la carcasa del sensor, para detectar la carga generada por el cristal piezoeléctrico. De esta manera, la transformación de alto a bajo es hecha en el punto de medición y solo se transmiten señales de baja impedancia desde el sensor.

Una salida de baja impedancia es deseable cuando se requieren grandes distancias, también proveen una impedancia propia para la mayoría de los sistemas de adquisición de datos.

Generalmente, si la sensibilidad de salida esta especificada en mv/g (milivoltios por unidad g) tales como 10 mv/g o 100 mv/g, se tiene un sensor de baja impedancia.

Acelerómetros Piezoeléctricos

Este tipo de acelerómetros aprovechan los fenómenos piezoeléctricos en algunos materiales, para generar una señal eléctrica proporcional, a la aceleración de la vibración a la que son sometidos. El elemento activo del acelerómetro es un cristal piezoeléctrico pegado a una masa conocida. Un lado del cristal está 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 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 de vibración en micro-g s desde 60 c.p.m. hasta unos 900,000 c.p.m. (1 a 15,000 Hz).

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

En la figura se muestran un resumen de los cálculos básicos necesarios del acelerómetro a partir de los datos del disco o cristal Piezoeléctrico.



Transductores de Piezovelocidad

Los transductores de PiezoVelocidad (PVT) funcionan de manera similar a los acelerómetros piezoeléctricos, pero están diseñados para trabajar en sistemas de baja velocidad, en el rango aproximado de 90 a 3600 cpm. El PVT incluye un convertidor de velocidad y emplea un elemento sensor piezocerámico y una masa sísmica densa para producir una carga de salida proporcional a la aceleración.

Adicionalmente existen otras clases de acelerómetros tales como:

Acelerómetros de alta sensibilidad para estudios geológicos y detección de terremotos

Acelerómetros para choque Acelerómetros capacitivos para baja frecuencia Acelerómetros miniatura Amplificadores y convertidores de carga Calibradores de vibración Medidores de vibración portátiles



Monitorizado de vibraciones en máquinas industriales

(LVDT linear variable differential transformer)

Los LVDT son dispositivos electromecánicos que producen una salida eléctrica proporcional al desplazamiento de un núcleo movible separado. Este consiste de una serie de inductores o bobinas incubadas dentro de un eje cilíndrico hueco y un núcleo cilíndrico. Los inductores internos se denominan bobina primaria y bobinas secundarias y se encuentran espaciadas simétricamente. Un núcleo magnético movible en forma de cilindro dentro del ensamble provee un camino para el flujo magnético dentro de los bobinados.

Cuando se energiza la bobina primaria, mediante una fuente externa AC, se inducen tensiones en las dos bobinas secundarias. Estas se encuentran conectadas inversamente, de manera que ambas tensiones tienen polaridad opuesta.

Por consiguiente, la salida neta del transductor es la diferencia entre estas tensiones, la cual es cero cuando el núcleo esta en el centro o en posición nula. Cuando se mueve el núcleo de su posición nula, la tensión inducida en la bobina hacia la cual se mueve el núcleo, se incrementa, mientras la tensión inducida en la bobina opuesta decrece. Esta acción produce una tensión de salida diferencial que varía linealmente con los cambios en la posición del núcleo.

La fase de esta tensión de salida cambia abruptamente 180º a medida que el núcleo se mueve de lado, de la posición nula a un extremo. (El núcleo debe estar siempre Nombre: Equipo 3 Fecha: 25/09/2013 Pág. 21


completamente dentro del ensamblado de las bobinas durante la operación del LVDT, de otra manera habrán problemas de no-linealidad.) Los LVDT pueden ser usados en diferentes dispositivos de medición, que necesitan convertir cambios de posición física en una señal eléctrica. La falta de fricción entre el cilindro y el núcleo prolonga la vida del LVDT y le dan una buena resolución.

Además, la pequeña masa del núcleo le dá al LVDT buena sensibilidad en pruebas dinámicas.



Figura Nº 7. Aspecto Físico de un LVDT



Transductor de Desplazamiento (Corriente Eddy)

Los instrumentos de Corriente Eddy son dispositivos de desplazamiento sin contacto, que miden directamente la posición de un eje giratorio con respecto a un punto fijo. El cambio en la posición de un eje provee una indicación directa de la vibración. La punta de la sonda contiene una bobina encapsulada, la cual cuando es excitada con una señal de alta frecuencia genera un campo electromagnético.

A medida que el eje rota bajo condiciones de vibración, se alejará o acercará a la punta de la sonda interactuando por consiguiente, con el campo electromagnético. Se inducirá una corriente Eddy, cuya energía es proporcional a la interferencia del campo magnético. Por lo tanto, midiendo el valor de la corriente Eddy, se puede determinar la posición del eje y por consiguiente la vibración.



La clave para la gran aceptación de este tipo de transductor es que ha probado ser funcional en campos accidentados, por su simplicidad y confiabilidad de operación. La construcción de la sonda de prueba lo capacita para resistir altas temperaturas y ambientes hostiles, los cuales son muy típicos en instalaciones de maquinarias industriales.

Los componentes electrónicos asociados con la sonda de corriente Eddy, proveen la señal de excitación de alta frecuencia y una salida proporcional a la señal de corriente Eddy (normalmente 200 mV/mil de vibración).



Transductor de desplazamiento Tipo Capacitivo

Los transductores d posición o desplazamiento capacitivos son dispositivos analógicos sin contacto. Un sensor capacitivo de dos electrodos consiste de dos placas que forman parte de un puente capacitivo. Una placa (sonda) esta fija, la otra placa (Objetivo) esta conectada al objeto a ser posicionado. Puesto que el tamaño de la placa y el medio dieléctrico (aire) no cambian, las capacitancia esta directamente relacionada a la distancia entre las placas.

En la práctica, se emplean sistemas electrónicos ultra precisos para convertir la información de capacitancia en una señal proporcional a la distancia.



Vibrómetros Doppler Láser (LDV)

El vibró metro Láser Doppler es un dispositivo de medición que emplea la tecnología láser y la interferometría1 óptica para medir de forma remota, velocidades de superficie o vibraciones de puntos específicos en una estructura en vibración, con una alta resolución espacial, y un amplio rango de amplitud y frecuencias.

El principio de la Vibrometría Láser (LDV) se apoya en la detección de un cambio Doppler en la frecuencia de la luz coherente dispersada por un objetivo en movimiento, del cual se obtiene una medición resuelta en el tiempo de la velocidad del objetivo. Para ello, se proyecta un rayo láser sobre la superficie en vibración. El cambio en frecuencia de la luz recogida de vuelta desde la superficie, es una cantidad proporcional a la velocidad de la superficie (El efecto Doppler).

El instrumento mide este desplazamiento de frecuencia para producir una señal de velocidad instantánea la cual puede ser analizada subsecuentemente.

Un vibrómetro típico comprende una "cabeza" o sensor óptico interferométrico y una unidad electrónica de control. El controlador procesa la señal de la cabeza óptica y entrega un voltaje analógico proporcional a la velocidad o desplazamiento de un punto de la superficie.

A diferencia de los transductores convencionales tales como los acelerómetros que se tienen que fijar en la superficie de prueba, los vibrómetros láser operan completamente sin contacto y no son afectados por la superficie, ni por las condiciones ambientales tales como la temperatura y presión.



Los vibrómetros láser están técnicamente bien adaptados a las aplicaciones generales pero ofrecen beneficios especiales donde se imponen ciertas restricciones de medición, por ejemplo altas frecuencias de operación, alta resolución espacial u operación de transductores remotos, o por la estructura misma, la cual puede ser de una superficie caliente, de luz, o rotatoria. Las mediciones sobre tales estructuras son a menudo, aplicaciones importantes para LDVs. La Vibrometría Láser Doppler ofrece una solución particularmente versátil para muchos problemas de medición industriales. Las láminas de deflexión de estructuras mecánicas y sus componentes pueden ser medidas fácil y rápidamente, sin necesidad de superficies de prueba. El rango de medición de amplitud y frecuencia de un Vibrómetro Láser abarca típicamente desde señales DC a señales de más de 300 kHz.

Puesto que la salida es directamente proporcional a la velocidad instantánea de la superficie, esta técnica ofrece una alternativa a los transductores de contacto para mediciones de movilidad.

Áreas de Aplicación

La medición de vibración a través de Vibrometría láser, siempre ha sido un problema de particular interés para las industrias aeroespaciales y automotrices, sin embargo, debido a su gran precisión, el uso de esta técnica de medición, se está difundiendo hacia otras aplicaciones y procesos industriales tales como:

- Control de Calidad de Productos

- Medición de fluidos

- Control de Calidad en Tubos de Rayos Catódicos para Televisión

- Optimización en la producción de cornetas de sonido de elevada potencia

- Evitar la excesiva vibración que pueda dañar equipos rotativos.



Acondicionamiento de Señal

Luego de que la información es entregada en forma de señales eléctricas por parte de los transductores, ésta debe ser llevada a la forma apropiada para ser insertada dentro del sistema de adquisición de datos.

En la mayoría de las aplicaciones, esto significa cambiar la señal de salida de los transductores a un nivel de voltaje requerido, modificar el rango dinámico del sensor para maximizar la precisión del sistema de adquisición de datos, eliminar las señales indeseables, y limitar el espectro del sensor.

Adicionalmente, se puede realizar el procesamiento de las señales analógicas (tanto lineales como no lineales) para mitigar la carga de proceso del sistema de adquisición de datos y el computador.

Este elemento emplea un circuito electrónico pre-amplificador. Este dispositivo, el cual consiste de una o más etapas, cumple con dos propósitos principales:

1) Amplifica la señal proveniente de la vibración la cual por lo general es muy débil, y actúa como un transformador de impedancias o dispositivo de aislamiento, entre el muestreo de la señal y el equipo de procesamiento y de visualización.

Es importante recordar que los fabricantes proveen tanto las sensibilidades de carga como de tensión para los acelerómetros. Asimismo, el pre-amplificador puede ser diseñado como un amplificador de tensión en el cual, el voltaje de salida es proporcional al voltaje de



entrada, o como un amplificador de carga, en el cual el voltaje de salida es proporcional a la carga de entrada.

La diferencia entre estos dos tipos de pre-amplificadores es importante por diversas razones. Por ejemplo, los cambios en la longitud del cable (p.e. la capacitancia del cable) entre el acelerómetro y el preamplificador, es despreciable cuando se emplea un amplificador de carga. Sin embargo, cuando se emplea un amplificador de tensión, el sistema es muy sensible a los cambios en la capacitancia del cable. Además de esto, debido a que la impedancia de entrada de un amplificador de tensión no puede ser despreciada en general, la muy baja respuesta en frecuencia del sistema puede ser afectada. Por otro lado, los amplificadores de tensión, son a menudo menos costosos y más confiables debido a que contienen menos componentes y por tanto son más fáciles de construir.

Equipos de Procesamiento y visualización

Existen diferentes formas de analizar y visualizar las señales de vibración provenientes de los transductores, una de ellas es el análisis del valor eficaz o ´rmsµ de la señal, otra es su amplitud pico a pico o simplemente su amplitud pico, y otra es el valor promedio (rectificada) de la señal. El mejor análisis que se puede hacer de las señales de vibración, es el análisis de frecuencia, donde éstas pueden ser descompuestas un una serie de componentes armónicas, que crean un espectro de diferentes frecuencias y muestran que tan significativa, es la señal de frecuencia fundamental con respecto a las componentes de ordenes superiores. Es por ello, que un buen equipo de visualización de vibración, debe tener la capacidad de analizar el espectro de frecuencias de la señal y mostrarla de manera precisa.

Los analizadores son la herramienta más importante en los estudios de vibración. Estos equipos normalmente están equipados con alguna forma de pantalla gráfica, tal como un tubo de rayos catódicos, pantalla de computador o monitor donde se puede ver la señal para su análisis.



NORMATIVA EXISTENTE EN EL ANALISIS DE VIBRACIONES

1. Respecto a las máquinas rotatorias. La normativa actual existente da criterios de evaluación de la severidad vibratoria respecto a:

La condición operacional de la máquina Ensayos de aceptación de máquinas.

ISO 10816-1. "Mechanical vibration. Evaluation of machine vibration by measurements on non-rotating parts. Part 1: General guide lines" establece los parámetros a medir, procedimientos, instrumentación y condiciones de operación recomendados para tomar las mediciones.

Para su evaluación divide a las máquinas de acuerdo a su tamaño (potencia), de acuerdo al tipo de máquina y de acuerdo a su sistema de montaje. Califica el nivel vibratorio en cuatro calidades: A, B, C y D. El nivel vibratorio de calidad A corresponde al de una máquina en buen estado y debería ser el valor de aceptación para una máquina nueva. En el otro extremo, una calidad de vibración D se considera ser suficientemente severa como para causar daño a la máquina.

Esta normativa utiliza para evaluar la severidad de vibraciones de baja frecuencia (f < 10 Hz) el desplazamiento RMS, para vibraciones de frecuencias intermedias (10 £f £1000 Hz) la velocidad RMS, y para vibraciones de alta frecuencia (f > 1000 Hz) la velocidad RMS. Esto considerando el hecho que a bajas frecuencias el problema más serio que generan las vibraciones son los esfuerzos o la fatiga a bajos ciclos; en el rango medio de frecuencias es el efecto de la fatiga y a altas frecuencias son las fuerzas de inercia que generan las vibraciones.



Para las máquinas con descansos hidrodinámicos, que es el caso en general de máquinas críticas grandes, esta normativa ISO 10816 es complementada con el estándar ISO 7919-1: "Mechanical vibration of non-recip rocating machines. Measurement on rotating shafts and evaluation criteria".

Este último estándar establece límites para las vibraciones del eje de la máquina con el objeto de i) evitar sobrecargas dinámicas excesivas sobre los descansos, los cuales pueden dañar el metal blanco. ii) que los desplazamientos vibratorios del eje sean compatibles con los juegos internos del rotor con las partes fijas de la máquina (estator, sellos). La severidad vibratoria la cuantifica este estándar por la medición del desplazamiento vibratorio máximo del eje respecto al descanso.

2. Respecto a máquinas con movimiento alternativo. En el caso de máquinas con movimiento alternativo los estándares existentes para evaluar la severidad de sus vibraciones tienen objetivos diferentes que para el caso de las máquinas rotatorias, ver ISO 10816-1: "Mechanical vibration. Evaluation of machine vibration by measurement on non-rotating parts. Part 6: Reciprocating machines with power rating above 100 kW".

Una máquina con movimiento alternativo, como ser un motor Diesel, es una máquina robusta diseñada para soportar los esfuerzos que generan las explosiones que se producen dentro de ella. De aquí, que los esfuerzos generados por las vibraciones son para este tipo de máquinas, marginales. La normativa evalúa la severidad vibratoria no para considerar el efecto sobre la máquina misma, sino que considera el efecto que ella tiene en elementos montados sobre la máquina (bombas, intercambiadores de calor, instrumentos, etc.) y los conectados a ella (tuberías, fundaciones, etc.).

3. Respecto a las estructuras .Existen normativas al respecto, tales como ASA 95-1990 ó ANSI S2.47: "American National Standard. Vibration of Buildings. Guidelines for the measurement of vibrations and evaluation of theireffects on buildings". Esta normativa, a diferencia de la existente para las máquinas, no da valores numéricos que permitan la evaluación de la severidad de la vibración. Esta normativa es solamente cualitativa. Indica los diferentes factores que deben ser considerados para su evaluación; como tomar en cuenta los diferentes tipos de estructuras o edificios existentes; las magnitudes y métodos de medición que pueden ser usados y los diferentes procedimientos de cálculo a utilizar para evaluar la vibraciones medidas.

El hecho de que la normativa existente para las máquinas de valores que permite evaluar la severidad de sus vibraciones se debe a que la razón entre las diferentes dimensiones de una misma máquina es relativamente constante, lo que permite relacionar niveles vibratorios y esfuerzos generados por ellos. Sin embargo, esto no sucede en las estructuras, donde las dimensiones relativas en las tres direcciones de ellas pueden variar grandemente.



4. Respecto a las personas . La norma más importante y ampliamente conocida es la norma ISO 2631: "Mechanical vibration and shock. Evaluation of human exposure to whole -body vibration. Part 1: General requirements", cuya primera edición apareció en 1972. La revisión más reciente corresponde a 1997. Este estándar define y da valores numéricos para los límites de exposición a los que puede estar sometido un ser humano. Estos límites establecen valores que permiten cuantificar diferentes efectos de las vibraciones sobre el individuo:

- Daño en la salud o seguridad de las personas.

- Disminución de la eficiencia en el trabajo.

- Disminución del confort de la persona.

Las quejas médicas incluyen dolor vertebra génico, deformaciones de la columna vertebral, fatiga, enfermedades de los músculos del esqueleto, desórdenes hemorroidales, etc.

Esta norma utiliza para evaluar la severidad vibratoria la aceleración RMS entre 1 y 80 (Hz) medida en tres direcciones mutuamente ortogonales. Limita el nivel vibratorio de acuerdo a la frecuencia de la vibración.

Los valores más bajos corresponden a los rangos de frecuencia donde se encuentran las frecuencias naturales de vibrar de los diferentes órganos del ser humano. Por ejemplo, la frecuencia natural longitudinal (de cabeza a pies) de un ser humano se considera que está entre 4 y 8 (Hz). Las transversales (espalda a pecho y de derecha a izquierda) están entre 1 y 2 (Hz).

Fabricantes de Instrumentos de medición de Vibración

Se mencionan algunos de los principales fabricantes de equipos de equipos de Instrumentación para la medición de Vibración

ADE Technologies Inc. Columbia Research Labs, Inc. Extech Instruments Corp. ‡ Hardy Instruments, Inc. Instrumented Sensor Technology Monarch Instrument ‡ Philtec, Inc.



Polytec PI, Inc. Soltec Corporation Transcat Vibra-Metrics Dytran Instruments, Inc. LDS-Dactron MTI Instruments Inc. PCB Piezotronics, Inc. Wilcoxon Research

CONCLUSION

Las vibraciones son los movimientos oscilatorios de cualquier cuerpo o masa en una determinada posición de referencia. Todos los cuerpos poseen masa la capacidad de vibrar. En la industria es de suma importancia medir este fenómeno en la maquinaria o equipo ya que perjudican y reducen la vida útil de estas y utilizando instrumentos de medición podemos prevenirlo.

Todos los instrumentos aquí presentados se usan para medir las vibraciones, teniendo cada uno su rango de medición, ventajas y propios usos dependiendo de las necesidades del operario.

Un sistema de medición y procesamiento de señales de vibración por computadora, está formado por: Transductores de vibraciones, un sistema de acondicionamiento de señal y una tarjeta de adquisición de datos. Los transductores de vibraciones son los encargados de transformar las vibraciones en señales eléctricas.

El sistema de acondicionamiento de señal, se encarga de recogerlas las señales eléctricas entregadas por los transductores, amplificarlas y llevarlas a los niveles de tensión aceptados adecuados.

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.



Los LVDT son dispositivos electromecánicos que producen una salida eléctrica proporcional al desplazamiento de un núcleo movible separado.

Los instrumentos de Corriente Eddy son dispositivos de desplazamiento sin contacto, que miden directamente la posición de un eje giratorio con respecto a un punto ´fijoµ. El cambio en la posición de un eje provee una indicación directa de la vibración.

Existen normas que también regulan el análisis de vibraciones estas son:

La condición operacional de la máquina Ensayos de aceptación de máquinas.

Las ISO 10816-1, ASA 95-1990 ó ANSI S2.47, ISO 2631. Cada uno cumple con las funciones de acuerdo a las condiciones de certificación.

BIBLIOGRAFIA

http://www.slideshare.net/Bibillana/instrumentos-de-vibracin 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.ing.ula.ve/~dpernia/pdfs/vibracion_mecanica.pdf


equpipos de medicion de vibraciones

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