Aula 6 - Sensores E Filtros

Capítulo 3. Sensores e Filtros

Neste capítulo serão estudados os:  Sensores ou transdutores de vibração  Filtros

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Sinais analógicos: são sinais de amplitude e de tempo contínuos. Sinais digitais : são sinais de amplitude e de tempo discretos. 3

continuous range x(n)

Digital-time, Continuous-amplitude Signal Plotted

DT-CA Example: • Daily noon temperature • Daily consumed gas

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discrete domain (n)

Digital (sampled and quantized) Signal Plotted discrete range x(n)

DT-DA Example: • Annual crop yields in billions of bushels • Yearly enrollment of OSU • Dow Jones Average 0

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discrete domain (n)

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Sensores Usados

Sensor de Proximidade Sensor de Velocidade Acelerômetro

Acelerômetro

Sensor de Proximidade

Sensor de Velocidade

Mais usados

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Acelerômetros

Sensor de Proximidade

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Qual parâmetro a ser medido? Em geral será o parâmetro que fornecerá a resposta mais “plana” (flat) A aceleração enfatiza as altas freqüências Em normas, a preferência é pela velocidade, pois dá uma indicação da energia do sinal.

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Faixa Operacional dos Transdutores

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Exemplos de medições de vibrações de máquinas Sensor de deslocamento Acelerômetro

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Acelerômetros O acelerômetro piezoelétrico é considerado o transdutor padrão para medidas de vibração em máquinas, devido às suas vantagens de ampla faixa de frequência de utilização, fácil fixação e baixo peso. Ele pode ser construído de várias formas, mas, o tipo “compressão” mostrado na figura à cima serve para descrever seu princípio de funcionamento.

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Em seu interior há a massa sísmica, uma mola circular e o cristal piezoelétrico (geralmente, quartzo). A propriedade do material piezoelétrico é que ele gera uma carga elétrica quando é comprimido. Esta carga de saída é proporcional à força que o cristal é submetido, e pela segunda lei de Newton, também é proporcional à aceleração, daí o nome “acelerômetro”.

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A faixa de freqüência útil do acelerômetro é bastante larga, estendendo-se muitos poucos Hz até várias dezenas de quilohertz. A resposta a alta freqüência é limitada pela ressonância da massa sísmica acoplada com a rigidez da mola e do próprio cristal. Esta ressonância produz um pico em torno de 30 kHz para acelerômetros comumente usados. A regra prática é que a faixa máxima utilizável do acelerômetro é em torno de 1/3 de sua freqüência natural. A forma de fixação do acelerômetro influi nesta faixa útil. A melhor forma de fixação do acelerômetro é através de parafuso prisioneiro, qualquer outra forma de fixação reduzirá esta faixa útil.

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Relação entre a Forma de Fixação e Sensibilidade com a Faixa de Utilização do Acelerômetro

Forma de Fixação e Faixa de Utilização

A sensibilidade e a faixa de freqüência são relacionadas: em geral, quanto maior for o acelerômetro, mais alta é a sua sensibilidade e menor sua faixa de utilização. 14

Acelerômetros Especiais

Transdutor de Força Piezoelétrico

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Condicionador de Sinais do Acelerômetro Atualmente a maioria dos acelerômetros construídos nos dias atuais são do tipo voltagem, ou seja já há um circuito interno integrado a eles que dispensa o uso de amplificadores de carga. São também conhecidos como acelerômetros ICP.

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Funções do Condicionador de Sinal (pré-amplificador)

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Exemplos de acelerômetros

Maiores informações sobre acelerômetros: http://www.pcb.com/techsupport/

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Calibração de Acelerômetro

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Sensor de Proximidade Os sensores de proximidade são transdutores sem contato usados para medir o deslocamento de uma estrutura vibrante (rotativa ou não). A operação destes sensores baseia-se em princípios eletromagnéticos. Basicamente, um sinal de alta freqüência, em torno de 1,5 MHz, é gerado no Oscilador-Demodulador (denominado em inglês por “probe driver” ou “proximitor”) e enviado à ponta do sensor gerando um campo magnético na mesma.

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 Com aproximação de uma superfície metálica (do eixo, por exemplo) há a geração de correntes parasitas (“eddy currents”) na superfície metálica dissipando energia no campo magnético, enfraquecendo o sinal do oscilador-demodulador.  Este sinal possui componentes AC e DC. A componente AC representa o movimento da superfície metálica em relação à ponta do sensor (isto é, uma vibração relativa), ao passo que a componente DC representa a distância média entre a superfície metálica e o sensor.  Ambas as componentes fornecem informações importantes, no entanto, a componente AC é realmente a de interesse para medição de vibração. Neste caso, o sinal DC pode se eliminado com a inclusão de um filtro passa-alta na cadeia de medição.

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Proximity Probes Probe

Modulated Carrier

Magnetic Field

Induced Eddy Currents

Oscillator/Demodulator

Output Signal: DC - Position AC - Vibration 22

Sensor de Proximidade

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FILTROS Um filtro é um sistema que tem a função de remover partes não desejadas do sinal, como o ruído, ou extrair partes úteis do sinal, como determinadas componentes de freqüência que estão dentro do gama de freqüência.

X ( j )

Filtro

H ( j )

Y ( j )

Y ( j ) H ( j )  X ( j )

Função de Resposta em Freqüência.

h(t )  1  H ( j )

Função de Resposta ao Impulso.

Um filtro é caracterizado pela sua função de resposta ao impulso ou pela sua função de resposta em freqüência FRF, que é uma função complexa, que possui magnitude e fase. 26

Filtro Ideal e Filtro Real Um filtro ideal é aquele sistema que cuja resposta em freqüência é unitária dentro de certa banda de freqüência e exatamente zero para outras bandas, sem haver atenuação. Em um filtro real, na sua resposta em freqüência, há uma atenuação em certas freqüências e também há uma oscilação na banda passante chamada “ripple”. Geralmente a freqüência de corte é definida após um decaimento de 3 dB na resposta em freqüência.

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Tipos de Filtros segundo a banda passante Filtros são usados para que se observe na análise do sinal apenas as freqüências de interesse.

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Fc=80Hz

Fc=150Hz

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Filtros Analógicos e Filtros Digitais Há dois tipos principais de filtro: o analógico e o digital. Eles são bastante diferentes na montagem física e em seu funcionamento. Um filtro analógico usa circuitos eletrônicos analógicos feitos de componentes como resistores, indutores e capacitores para produzir o efeito de filtragem exigido.

Existem tipos de filtros analógicos já padronizados em função da banda passante, banda de rejeição, etc. Estes são conhecidos como filtros Butterworth, filtros Chebyshev, Filtros Bessel, etc. E também existem versões digitais destes filtros.

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No caso de um filtro digital, este usa um processador digital para executar cálculos numéricos em valores amostrados do sinal de entrada. Em um processo de filtragem digital, o sinal analógico deve ser primeiramente digitalizado usando um ADC. Existem várias vantagens advindas da utilização de filtros digitais, dentre elas:  Um filtro digital é programável, ou seja, a sua operação é determinada por um programa armazenado na memória do processador. Isto significa que o filtro digital pode ser mudado facilmente sem afetar seu circuito eletrônico (hardware). No caso de um filtro analógico ocorre somente se mudarmos o seu circuito eletrônico;  Os filtros digitais são facilmente projetados, sendo os mesmos testados e implementados em um computador ou estação de trabalho de forma simples;  As características funcionais dos circuitos de filtros analógicos (particularmente os circuitos elaborados com componentes) estão sujeitos a variação da temperatura, variação de valores devido à construção dos componentes utilizados nos circuitos, entre outros parâmetros que dependem do projeto e aplicação. Filtros digitais não sofrem estes problemas, logo são extremamente estáveis obtendo com isso resultados mais precisos. 33