texto4 - Analisis Vibracional

7/25/2019 texto4 - Analisis Vibracional

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Copyright 2007 por TECSUP


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Anlisis Vibracional TecsupAgosto 2007

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INDICE

1. Introduccin ....................................................................................... 3

2. Nivel de vibracin total .................................................................... 42.1. cules son los niveles de vibracin aceptables? ........... 5

3. Anlisis espectral fft (fast fourier transformation)........................ 84. Transductores (sensores) ................................................................ 14

4.1. Tipos de medicin de vibraciones ................................ 14

4.2. Tipos de transductores (sensores)................................. 154.2.1. Sensores para la medida relativa de vibraciones enejes (sensores de no contacto).........................................154.2.2. Transductores electrodinmicos de velocidad devibracin ......................................................................184.2.3. Transductores de aceleracin de vibracin (piezaelctrica).......................................................................19


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Tecsup Anlisis VibracionalAgosto 2007

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1. INTRODUCCIN

La vibracin es considerada el mejor parmetro de operacin parajuzgar las condiciones dinmicas tales como balance, estabilidad

de los rodamientos y esfuerzos aplicados a los componentes.Muchos problemas de maquinaria se manifiestan comovibraciones.

Solturas mecnicas, resonancia estructural, soltura en el anclaje ofundamento; desalineamiento, flexin del rotor o prdida dealabes del rotor. Todos ellos pueden detectarse y evaluarse con lasmediciones de vibracin.

La medicin de la posicin relativa de un rotor en relacin a suscomponentes estacionarios protege contra los cambios que

puedan resultar debido a contactos catastrficos.

La medicin de la vibracin total de la mquina, de un rotor enrelacin con una mquina o la estructura de la mquina y lacomparacin de la medicin con su valor normal indica el estadode salud en que est se encuentra.

Los instrumentos que se emplean son:

Transductores, acelermetro, detectores de impulsos, sondasultrasnicas, medidores de vibraciones, detector de vibraciones,

balanceadores, recopilador porttil de datos.La tcnica empleada es medir las vibraciones en distintasdirecciones (horizontal, vertical y axial) con el objeto de detectarun exceso que pueda provocar averas y se analiza las tendencias.

Lo que se mide en realidad es la amplitud de la onda, lo cual nosva a indicar la severidad del problema, y esta amplitud puedeestar dada en unidades de:

Desplazamiento de la onda, en unidades de longitud (mm, in,

m...)

Velocidad de la vibracin (mm/s: in/s)

La aceleracin de la onda (m/s2: G)

1G = 9.8 m/s2

Y esta medida est en funcin de la velocidad de giro de lamquina.

La velocidad de vibracin, en un equipo rotatorio por ejemplo, semide en tres direcciones a puntos: horizontal, vertical y axial, y lafrecuencia de audicin debe ser como mnimo una vez al mes.


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VIBRACIN: PUNTOS Y FRECUENCIAS DE MEDICIN

Despus de realizada la medicin, la informacin es convertida enformatos de anlisis. Algunos modos de usar la vibracin de lamquina incluyen la medicin de:

Niveles de Vibracin total.

Anlisis de frecuencias de Vibracin.

Anlisis de espectro FFT (Fast Fourier Transformation).

Anlisis de seal en el dominio del tiempo.

2. NIVEL DE VIBRACIN TOTAL

Es una medida de la energa total asociada a todas las frecuenciasde vibracin procedentes del punto de medicin dado. En elpunto donde se est midiendo hay una suma vectorial producidaen distintas partes de la mquina, y en mquinas vecinas.

Es la tcnica ms rpida para evaluar el estado de un equipo, perono mide con precisin seales de vibracin de baja frecuencia encondiciones ruidosas y no indica la causa de la excesivavibracin.

Los niveles de vibracin total son proyectados por las tendencias,con el fin de graficar cambios en la condicin del equipo en un

2

1

3

Tres puntos de medicin:

1 Horizontal2 Vertical3 Axial

Inaceptable

Aceptable

Normal

Nunca!

2 veces/mes

1 vez/mes {

Frecuencia


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perodo de tiempo, generalmente asociado al inicio de problemaso cambios en las tendencias existentes (ver figura 4.2).

Normalmente, las fuentes de niveles de elevada vibracin son:

Cojinetes en mal estado, problemas de giro (desalineamiento ydesbalance).

La medicin de la vibracin es un buen comienzo para larealizacin del MPd.

Fig. 4.2.- NIVEL DE VIBRACIN TOTAL EN RODAMIENTOS.

2.1. CULES SON LOS NIVELES DE VIBRACINACEPTABLES?

Una de las preguntas ms frecuentes sobre medicin devibraciones es: Qu nivel de vibracin es aceptable?.

Desafortunadamente, a esta pregunta sencilla no hay unarespuesta sencilla. Esto se debe a que existen muchas

variables, por ejemplo: el tamao de la mquina, el tipo de

Velocidad (/pulg/s)

0,6

0,45

0,30

0,15

Lmite de Ingeniera

Inaceptable: Reemplace

Observe con cuidado

Normal

Bien

Crtic

Normal

2 a 3 semanas

Antes de la falla

Se origina

Fractura

Tiempo


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montaje, la aplicacin, etc. Pueden existir muchasrespuestas correctas, incluso para la misma mquina.

El diagrama de niveles de vibracin mostrada, debe ser

considerado como una gua general. Puede ser til slocomo un punto de partida en la evaluacin de la condicinde una mquina.

Muchos factores pueden afectar esas lecturas; lassiguientes son algunas de ellas:

Rigidez de la estructura de soporte. Los nmerosmostrados en el diagrama se refieren principalmente aequipos de tamao estndar montados rgidamentesobre base rgida. Si el equipo est montado en una

base flexible, las lecturas podrn ser mayores paracondiciones relativamente similares.

Lecturas horizontal vs. Lectura vertical. En algunoscasos, una lectura de vibracin horizontal puede serhasta el doble del nivel de vibracin en el planovertical para un punto dado en una mquina.

Los niveles mostrados en el diagrama son paralecturas tomadas en el plano vertical. Ajustarlas lecturas correspondientemente.

Observe la tendencia de sus lecturas. Una lecturaespecfica no es suficiente.

Frecuencia de Vibracin. Los valores mostrados en eldiagrama son para vibraciones medidas en el rango de1000 a 100,000 RPM (16 a 1666 Hz). Para mquinasoperando a valores menores que 1000 rpm, los nivelesde vibracin disponibles deben ser reducidos. Unaregla sencilla es un 10% de reduccin por cada 100rpm. Por ejemplo, para el rango de medida

aceptable, para una mquina a 900 rpm puede serentre 0,09 a 0,18 pulg/s en vez de 0,1 a 0,2 pulg/s. Siel transductor de vibracin que emplea es sensible avibraciones sobre los 100,000 rpm (1666 Hz) puedeajustar sus valores superiores disponibles.

Mquinas reciprocantes. Debido a su diseo bsico,las mquinas reciprocantes, tales como bombas ycompresores, normalmente tienen valores de vibracinsuperiores a las mquinas rotativas.Tenga en cuenta esto cuando determine la condicinrelativa de estas mquinas.


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Fuerzas externas. Normalmente, las mquinas no sonmontadas solas, en el medio del piso de una planta;usualmente hay otros equipos cerca. Los otros

equipos pueden afectar la mquina que analiza.Tuberas conectadas, ductos y estructura montadastransmiten vibraciones de mquina en mquina. Unaprecaucin: No descuente totalmente estas fuerzasexternas. Vibraciones causadas por ductos puedenatribuirse a vibraciones generadas internamente a uncomponente de la mquina.

Puntos de medicin. Los valores mostrados en eldiagrama son para lecturas tomadas en o cerca de lachumacera, en la direccin radial. En el caso de

mquinasverticales,las lecturas debern ser tomadas en el cojinete que dlas lecturas mximas.

Condiciones de Operacin. Las mediciones debernrealizarse cuando la mquina alcance su temperaturanormal de operacin. La mquina debe operar en suflujo y presin normal. Enmquinas con cargas ovelocidades variables, las

mediciones se deben tomaren todas las condiciones de carga y velocidad. Lalectura mayor ser la ms representativa.

Instrumentacin. Siempre emplee el mismo tipo ymodelo de instrumento para poder comparar laslecturas, ya que 2 instrumentos no son exactamenteiguales. Cada instrumento tiene su propio rango deoperacin y sensibilidad a varias frecuencias deoperacin.

Lecturas relativas. La razn de cambio en los nivelesde vibracin puede ser tan importante como losvalores absolutos de vibracin de 0,08 pulg/s. Eldiagrama indica que se encuentra en un buen nivelde vibracin.

Si el nivel de vibracin fue 0,04 pulg/s ayer, el nivel devibracin se ha duplicado durante la noche.Esto puede significar que se ha desarrolladoun problema muy serio. Observe la tendencia

de su lectura, una lectura especfica no essuficiente.


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Sentido comn. Emplee experiencias pasadas y lasensacin de un sonido mecnico bueno cuandoevale un equipo. Si la experiencia indica que la

mquina no est operando adecuadamente, esprobable que as sea, aunque las lecturas de velocidadparezcan OK! Tome lecturas de otros modos,desplazamiento y aceleracin, y en diferentes puntosde la mquina. Las lecturas de vibracin puedencomplementar su juicio, no reemplazarlo.

4.3 DIAGRAMA DE NIVELES DE VIBRACIN.

Factores de Correccin:

Las lecturas de vibracin puedenser mayores para mquinasmontadas sobre base flexible.

Lecturas de vibracin en el planohorizontal pueden ser el dobleque las lecturas en el planovertical en una misma mquina.

Para mquinas debajo de 1000

rpm. Reducir los niveles devibracin disponible en 10% porcada 100 rpm.

Las mquinas reciprocantespueden tener lecturas mayoresen un 20 a 30% que los valoresindicados.

Este diagrama debe ser empleadoslo como una gua general.

3. ANLISIS ESPECTRAL FFT (FAST FOURIERTRANSFORMATION)

Es el mtodo que se recomienda para analizar y resolverproblemas de vibracin.

Permite descomponer la vibracin total en sus frecuenciascomponentes para poder analizarlas individualmente.

Revise sus

lecturas

Necesitaatencininmediata

Necesitaatencin

Aceptable

Bien

Muy Bien

0,7

0,

6

0,

5

0,

4

0,

3

(pulg / s)


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El grfico muestra un espectro FFT simple de baja frecuencia con

picos a la velocidad de giro de la mquina y mltiplos(armnicos) en condiciones normales de funcionamiento como sepuede apreciar en las frecuencias aadidas a 2x, 3x, .., laamplitud va disminuyendo aproximadamente en 1/3 de laamplitud a la frecuencia de giro, lo cual es un comportamientonormal.

b)

La vibracin a dos veces la velocidad de giro implicadesalineamiento. Si la amplitud a dos veces la velocidad de giroes ms de 75% de la de la velocidad de giro, esta a punto de

ocurrir una falla. La condicin debe ser monitoreada de cerca ycorregida a la primera oportunidad.

c)

El desbalance casi siempre se observa como una alta amplitud a lavelocidad de giro y medida en direccin radial. Muchas mquinasde marcha suave muestran esta condicin debido al desbalanceinherente. Es necesario comparar espectros actuales con losespectros base medidos cuando la mquina estaba en buenascondiciones de balance.

Frecuencia

Amplitud

Frecuencia

1x 2x 3x 4x

Amplitud

1x 2x 3x 4x

Figura 4.6

Figura 4.7


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d)

La soltura mecnica generalmente se caracteriza por una largacadena de armnicos de la frecuencia de giro con altas amplitudesanormales.

As mismo, antes de convertir la seal en un espectro defrecuencia, se puede obtener la onda de la vibracin total enfuncin del tiempo, por un breve perodo de tiempo. El anlisisde estas ondas proveen informacin adicional sobre el estado dela mquina la cual no siempre es evidente en el espectro defrecuencia.

A continuacin se da una lista de algunos espectros de frecuenciacon sus causas ms probables.

Fig. 4.9.- Grfica de onda en elDominio del Tiempo mostrando

desalineamiento

Amp

litud

Frecuencia

1x 2x 3x 4x

Figura 4.8


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Tabla 1


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NATURALEZA DELDEFECTO

FRECUENCIA DE LAVIBRACIN

PREDOMINANTE(Hz = rpm/60)

DIRECCIN OBSERVACIONES

Elementos giratorios

desequilibrados

1 x RPM Radial para Frecuente causa de vibraciones excesivas

en(Desbalanceados) desbalance las mquinas. Amplitud proporcional aldinmico. desbalance y a las RPM

Desalineacin y eje flexado Normalmente: 1 x RPM Radial Vibracin axial y 2da. armnica severa.Frecuentemente: 2 x RPM y Defecto corrienteA veces: 3 y 4 x RPM Axial

Elementos rodantes de loscojinetes

Regmenes de impacto para los Niveles de impacto desiguales devibracin, a

Sueltos en alojamientos Componentes singulares Veces con choques, a regmenes deimpacto

de los cojinetes

Tambin vibraciones a frecuenciasmuy altas (20...60 Hz)

Cojinetes de friccin sueltos en Sub-armnicos de las RPM Principal- La holgura puede producirse solo a la

alojamientos del eje, exactamente 1/2 a mente radial velocidad y temperatura de trabajo.1/3 RPM (p.e. turbomquinas)

Giro o batido de la pelcula de Algo menor de la mitad de la Principal- Aplicable a mquinas de alta velocidadaceite en los cojinetes de friccin velocidad del eje (40 a 50%) mente radial Fase fluctuante.

(p.e. Turbomquinas)Giro de Histresis Velocidad crtica del eje Principal- Las vibraciones son excitadas al pasar

por lamente radial velocidad crtica del eje y se mantienen a

velocidades mayores. A veces se puedeneliminar mejorando la fijacin de loscomponentes del rotor.

Engranajes daados o desgastados Frecuencias de encuentro Radial Las bandas laterales de las frecuenciasde

entre las RPM del eje y el y encuentro de los dientes indicanmodulacin

nmero de dientes del engranaje Axial (p.e. excentricidad) a una frecuenciaigual a laseparacin de las mismas. Solo puedeserdetectable con anlisis de bandas muyestrechas.

Holgura Mecnica 2 x RPMArrastre de correa defectuoso 1, 2, 3 y 4 x RPM de la correa RadialFuerzas y pares alternativos 1 x RPM y/o mltiplos para Principal- Recomendaciones adicionales: Combinardesequilibrados. desequilibrios de orden superior mente radial medidas de RPM y velocidad de la faja

parachequear deslizamiento de la faja.

Turbulencia creciente Frecuencias de paso y armni- Radial Los niveles crecientes indicanturbulencias

Cavitacin cos de labes y vanos y crecientes.Axial Recomendacin para bombas: medir el

pulsode choque en el cuerpo de la bomba.

Vibraciones inducidaselctricamente

1xRPM; 1 2 veces la Radial Bandas laterales ocurren al pasar por

frecuencia sncrona y mltiplos de las RPM.Axial Deben desaparacer al cortar la energa.

Tabla 2


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4. TRANSDUCTORES (SENSORES)

Los transductores o sensores son los elementos que van a

colocarse en el punto a ser medido y nos van a servir para laadquisicin de datos los cuales estarn conectados a equipos quepueden ser de diferente naturaleza, por ejemplo, se tienenequipos porttiles con los cuales slo se pueden tomar niveles devibracin total, y equipos recolectores y analizadores con los quese puede recolectar datos, analizar datos con espectros FFT yadems, pueden conectarse con un software, lo cual va a serposible que stos sean analizados en una computadora personal,o es ms, los transductores pueden conectarse en formapermanente y los datos van a llegar de manera continua a unacentral computarizada para su chequeo constante.

4.1. TIPOS DE MEDICIN DE VIBRACIONES

Las vibraciones tomadas respecto a un eje y su cojinete,pueden ser:

Vibracin absoluta del apoyo.

Vibracin absoluta del eje.

Vibracin relativa del eje.

En los dos primeros casos, se toma la medida, ya sea delapoyo (chumacera) o del mismo eje, con respecto a tierra,lo cual se considera esttica, y en el tercer caso seconsidera el desplazamiento o vibracin del eje conrespecto a su mismo apoyo. Cabe indicar que este ltimomtodo es aplicable bsicamente en cojinetes dedeslizamiento, debido a que en los cojinetes de rodadura,el juego entre eje y apoyo es casi nulo.

Figura 4.10: Tipos de mediciones de vibraciones mostradosrespecto de un eje y su cojinete

Vibracin relativa

del eje

Vibracin absoluta

del eje

Vibracin absoluta

del apoyo


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4.2. TIPOS DE TRANSDUCTORES (SENSORES)

Los sensores bsicamente se pueden dividir en sensoresrelativos y sensores ssmicos. Los sensores relativos sonlos sensores de no contacto de desplazamiento y lossensores ssmicos son los que miden la vibracin absoluta,dentro de los cuales tenemos los sensores de velocidad ylos acelermetros o sensores piezo elctricos.

4.2.1. SENSORES PARA LA MEDIDA RELATIVA DEVIBRACIONES EN EJES (SENSORES DE NOCONTACTO)

Los sensores para medir las vibraciones relativasde ejes en una mquina en operacin deben llenaralgunos requerimientos especiales, ya quedebern medir los movimientos de la superficiedel eje rotando. Esos requerimientos son:

Medir el valor de vibracin sin contacto.

No ser influidos por aceite u otro medio entreel sensor y la superficie de medida.

Rango de medida lineal amplio, con elevada

resolucin. Instalacin, ajuste y calibracin simples.

Figura 4.11: Un ejemplo de instalacin de sensores sincontacto para medir las vibraciones relativas de un eje


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De los tipos de sensores disponibles y posibles(capacitivos, inductivos, a corrientes de Foucault oEddy), el tipo de corrientes parsitas en el msampliamente usado mundialmente como

resultado de sus caractersticas.

Mtodo a corrientes Eddy

El mtodo de corrientes Eddy opera basado en elprincipio de que el campo magntico producidoen una bobina por una corriente alterna inducecorrientes parsitas en cualquier materialconductor prximo a esa bobina. Esas corrientesparsitas tienen el efecto de extraer potencia de labobina por medio del campo magntico.

Esa extraccin de potencia es mayor si el materialconductor es ms denso, o si una mayor parte delcampo magntico acta sobre el material poraproximarse a la bobina.

Ese efecto se manifiesta como una prdida en laamplitud de la tensin del convertidor (oscilador).Despus de ser rectificada y procesada la seal, elefecto se convierte en una seal de medidanormalizada proporcional a la distancia entre la

bobina y el material conductor. (tpicamente delorden de 8 mV/m).

Ventajas:Puede ser usado con cualquier materialconductor, no es infludo por cualquier materialdielctrico como aceite o agua en el entrehierro; elrecambio del sensor es posible sin recalibraciones;y hay una mnima influencia de magnetismoresidual.

Desventajas:Las mediciones pueden ser alteradaspor una estructura no homognea del material deleje. Esto es conocido como runout oconocimiento de la excentricidad.

Caractersticas: Las caractersticas mecnicas yelctricas de las cadenas de medida a corrientesEddy estn detalladamente descritas en la NormaAPI 670 (8). Por lo tanto esa Norma es usadainternacionalmente para evaluar las medicionesde este tipo. Otros requerimientos estncontenidos en la Norma Din 45 670 (9).


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Hoy en da puede hacerse una distincin entre dostipos constructivos de sensores a corrientes Eddy:

La cadena de medida con componentes

discretos, consistente del sensor con un cableintegral, un cable de extensin, y unconvertidor (oscilador). (Fig. 4.12)

Figura 4.12:Ejemplo de una cadena de medida de corrientes Eddy

como se usa en la vigilancia permanente de la vibracinde ejes en mquinas.

El sensor con convertidor incorporado y cablede extensin. (Fig. 4.13)

Figura 4.13:Vista en corte de un sensor a corrientes Eddy con oscilador incorporado

(VIBRONECS). La bobina es visible en el extremo.El circuito miniaturizado contiene el oscilador (10).


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4.2.2. TRANSDUCTORES ELECTRODINMICOSDE VELOCIDAD DE VIBRACIN

Los sensores de velocidad de vibracin operan de

acuerdo al principio electrodinmico. Se suspendeuna bobina, libre de fricciones, mediante dosmuelles de membrana que forman (junto a labobina) un sistema masa-resorte. Al estarsuspendida en un campo magntico permanente,la tensin que se genere ser proporcional a lavelocidad de vibracin.

Cuando el sensor es apoyado en, o unido al objetoque vibra, la bobina permanece estacionaria en elespacio a cualquier frecuencia por encima de la

frecuencia de resonancia de su sistema masa-resorte- mientras que el magneto vibra con elobjeto. El corte por las bobinas del campomagntico genera una tensin inducida, sin que elsensor requiera fuente de potencia externa alguna.Por tal razn un sensor de velocidad de vibracines conocido como un sensor activo.

Figura 4.14:Diagrama esquemtico de un sensor de velocidad de vibracin


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Las ventajas y desventajas de los sensores develocidad de vibracin pueden resumirse comosigue:

Ventajas:

Construccin robusta.

Elevada sensibilidad an a bajas frecuencias.

Fuerte seal de salida con baja resistenciainterna.

Sensor activo, no requiere fuente dealimentacin.

Impermeable, estanco al aceite y al vaco,resistente a productos qumicos agresivos(carcaza de inoxidable).

Desventajas:

Frecuencia superior limitada a 2.000 Hz.

Sensible a campos magnticos fuertes.

4.2.3. TRANSDUCTORES DE ACELERACIN DEVIBRACIN (PIEZA ELCTRICA)

En los sensores de aceleracin el sistema masa-

resorte se sintoniza muy alto, para que funcione afrecuencias por debajo de su resonancia natural.Para la conversin del movimiento mecnico auna seal elctrica se emplea el efectopiezoelctrico del cuarzo. Ese efecto es laexistencia de una carga elctrica en una de lascaras del cristal que est sometido a una tensin ocompresin. Esa carga elctrica es causada por eldesplazamiento polar de molculas en el cristal.(2).


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Figura 4.15:Principio constructivo de un sensor piezoelctrico de aceleracin

La figura muestra el diseo de un sensor de

aceleracin por principio de compresin. En esetipo de sensor se disponen discos piezoelctricoscermicos precargados por una masa ssmica. Conesta construccin los discos constituyen el resortedel sistema masa-resorte. Si el sistema se somete avibracin, la masa ssmica impone una fuerzaalternativa en los discos, los que como resultadodel efecto piezoelctrico originan una cargaelctrica alternativa. Esa carga es proporcional a laaceleracin de la vibracin, y se convierte entensin mediante un amplificador de carga.

Como resultado de la tcnica constructiva sepueden obtener frecuencias de resonancia muyaltas. En el caso de los acelermetros paraaplicaciones industriales el lmite superior defrecuencias es de aproximadamente 20 kHz, y elinferior puede ser de 1 Hz.

Las ventajas y desventajas de los sensores deaceleracin pueden ser resumidas como sigue:


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Ventajas:

Construccin robusta.

Insensibles a campos magnticos.

No son unidireccionales. Reducidas dimensiones.

Carcaza de inoxidable sellada hermticamente.

Desventajas:

Sensor pasivo, requiere potencia externa paraoperar.

Baja sensibilidad a bajas frecuencias.

Para las mediciones, cualquier sensor de

velocidad o aceleracin puede ser aplicado alpunto de medida usando

Un vstago recto

Un sujetador magntico, o

Un esprrago roscado

Figura 4.16Mtodos de Fijacin

Esprrago

roscado

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