FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES

ARAGÓN

INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN DE VIBRACIONES MECÁNICAS

INGENIERÍA MECÁNICA

VIBRACIONES MECÁNICAS

“INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN DE VIBRACIONES MECÁNICAS”

Alumno: David Ricardo Fernández Cano Veronico

Grupo: 1753

Fecha de entrega: 29/08/2016

Normalmente se conoce como vibrómetro a los instrumentos para medir las vibraciones, adicionalmente existen otros instrumentos diseñados para el procesamiento de los datos de la medición, por ejemplo análisis de su frecuencia, su almacenamiento y registro, se conoce como analizador de vibraciones. Un sistema de medición y procesamiento de señales de vibración por medio de una computadora digital, está formado por:

Los transductores de vibraciones que son aquellos encargados de producir señales eléctricas analógicas en función de las vibraciones mecánicas, es decir que convierten la energía mecánica en energía eléctrica.

Un acondicionador 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, en la cual se realiza el muestreo discreto de la señal analógica que proporciona el acondicionador, para después proporcionarla al computador, el cual la procesa para que esta pueda ser interpretada en las unidades de medición correspondientes y obtener la información necesaria para su análisis.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

El principio de funcionamiento de los medidores de vibración mecánica se encuentra en los transductores, por lo que este depende del tipo de transductor que se osupe. Los diferentes tipos de transductores usados para la medición de las vibraciones son:

1) Transductores de aceleración: acelerómetros piezoresistivos y acelerómetros piezoeléctricos.

2) Transductores de desplazamiento: LVDTs, de desplazamiento y capacitivos.3) Transductores de velocidad: vibrómetros láser.

LVDT: Transformador diferencial variable lineal

Son instrumentos electromecánicos que contienen un elemento que forma un núcleo movible y a partir del desplazamiento del mismo produce salidas eléctricas proporcionales. El núcleo está formado por una serie de bobinas dentro de un cilindro hueco. Tienen boina primaria y bobinas secundarias espaciadas simétricamente.

Al energizarse la bobina primaria mediante una fuente externa de AC, se inducen tensiones en las dos bobinas secundarias. Estas se encuentran conectadas inversamente, de manera que ambas tensiones tienen polaridad opuesta, de manera que 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 180º a medida que el núcleo se mueve de la posición nula a un extremo.

Los LVDT pueden ser usados en diferentes dispositivos de medición, que necesitan convertir cambios de posición física en una señal eléctrica. La pequeña masa del núcleo le da al LVDT buena sensibilidad en pruebas dinámicas.

La siguiente gráfica muestra la tensión de salida en función de la posición del núcleo.

Transductor de desplazamiento (corriente de Eddy)

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 se mueve 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 al contacto con el campo magnético. Por lo tanto, midiendo el valor de la corriente Eddy, se puede determinar la posición del eje y por consiguiente la vibración. Este tipo de transductor ha probado tener confiabilidad de operación, debido a que resiste las altas temperaturas y condiciones hostiles de las instalaciones 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 por cada mil vibraciones.

Acelerómetros piezoeléctricos

Este tipo de acelerómetros al ser sometidos a una fuerza externa adquieren una polarización eléctrica en su masa, de lo cual se obtiene un voltaje en los extremos del material. De esta forma se puede transformar una señal mecánica en una señal eléctrica de muy baja amplitud. Este tipo de medidores requieren de un amplificador para aumentar la señal.

Los materiales piezoeléctricos a partir de los cuales son fabricados pueden ser de origen natural como el cuarzo o de forma artificial a partir de un material cerámico. La microestructura de los cerámicos puede considerarse contenida en dipolos, que naturalmente están dispuestos de forma aleatoria. Estos dipolos pueden ser ordenados o polarizados mediante la aplicación de un campo eléctrico externo y bajo condiciones de alta temperatura.

Los acelerómetros piezoeléctricos tienen una base con un material piezoeléctrico pegado a una masa de magnitud conocida (masa sísmica), el otro lado está conectado a un sensor. Cuando el acelerómetro se encuentra sometido a vibración, se genera una fuerza (que es igual al producto de la masa sísmica por la aceleración), la cual actúa sobre el elemento piezoeléctrico. Por lo tanto, el elemento piezoeléctrico genera una salida proporcional a la aceleración del sistema.

Los acelerómetros piezoeléctricos son ampliamente usados en la supervisión de maquinaria industrial debido a que poseen características tales como:

Medición de niveles de vibración de entre 1 a 15000Hz, por lo que tienen un amplio rango de frecuencia.

Bajo ruido de salida. Tamaño compacto. No requiere de alimentación externa.

EXPOSICIÓN DE LAS MEDICIONES

Para mostrar los resultados de la medición se necesita en primer lugar llevar a cabo un procedimiento de acondicionamiento de la señal y posteriormente el procesamiento para la visualización de las mediciones.

Acondicionamiento de señal

En la mayoría de los casos el acondicionamiento de señal se refiere a cambiar el nivel de voltaje obtenido por los transductores a un nivel de voltaje requerido por el sistema de adquisición de datos; así como también maximizar la precisión del sistema de adquisición de datos y eliminar las señales indeseables.

Adicionalmente, se puede realizar el procesamiento de las señales analógicas para disminuir la carga del proceso del sistema de adquisición de datos.

Para ello se emplea un circuito electrónico pre-amplificador, el cual consiste de una o más etapas. Estas etapas cumplen con los propósitos de amplificar la señal proveniente de la vibración (que por lo general es muy débil), y actúa como dispositivo de aislamiento entre el muestreo de la señal y el equipo de procesamiento y visualización. 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 que el voltaje de salida es proporcional a la carga de entrada. Los amplificadores de tensión, son por lo general menos costosos y más confiables debido a que contienen menos componentes y por tanto son más fáciles de construir. Sin embargo, entre sus inconvenientes se debe ver que son más sensibles a los cambios en la longitud del cable entre el acelerómetro y el preamplificador.

Procesamiento y visualización

Se puede hacer de diferentes formas para visualizar las señales d vibración provenientes del transductor. Estas señales pueden ser analizadas pico a pico, con su amplitud pico, o con el valor promedio (señal rectificada). En el análisis de la frecuencia las vibraciones se pueden descomponer para crear un espectro, en el cual se pueden apreciar las frecuencias más significativas.

Para llevar a cabo este análisis, los equipos generalmente cuentan con pantallas en las cuales se puede visualizar las señales generadas por la vibración.

Bibliografía

1) Antonio Creus. Instrumentación industrial. Alfaomega, Marcombo.

2) Webster John G. The mesurement, instrumentation and sensors. CRC Press, IEEE Press.