Equipamentos rotativos, como ventiladores e bombas, são alimentados por motores AC em diversas aplicações industriais. Para um diagnóstico Eficaz dessas estruturas, a análise da vibração é essencial. Sensores de Vibração são capazes de fornecer um relatório sólido, capaz de isolar a causa raiz de um comportamento anômalo em determinado período do funcionamento de um processo industrial.
Os tipos gerais de sensores de vibração incluem sensores de deslocamento, sensores de velocidade e acelerômetros. Sendo os acelerômetros as melhores opções por conta de sua simplicidade, aliada com uma fácil instalação e sua alta sensibilidade. Capazes de detectar vibrações extremamente pequenas.
Conheceremos à seguir 2 principais tipos de sensores de vibração, dentro dos acelerômetros:
Sensores de Vibração – Acelerômetros Piezoelétricos:
Um sensor de vibração Pizoelétrico utiliza das variações de tensões mecânicas de um determinado em que são instalados, causado por movimentos de alta frequência, para que seja detectado uma aceleração, e nesse caso, a vibração.
O efeito criado é justamente por conta do material com que esses sensores são construídos. O quartzo, por exemplo, exibee o efeito piezoelétrico, no qual a aplicação de uma tensão mecânica ao material gera uma tensão positiva ou negativa. Materiais como este estão alojados dentro desses sensores, que possuem uma massa de prova em contato direto com o equipamento que deve ser monitorado.
No equipamento vibratório, o sensor gera um fluxo de pulso. Esse sinal por sua vez, é utilizado de acordo com a aplicação em que este sensor está implantado.
Os sensores de vibração piezoelétricos são eficazes e bem confiáveis. Eles operam com frequências de até 20 kHz e precisão na ordem de 1%. No lado negativo, eles são caros. Somente o mecanismo do sensor custa entre US $ 300 e US $ 500 para um único eixo. No caso de um sensor de vibração piezoelétrico triaxial, podem custar mais de US $ 1500. O sensor por si só não é suficiente.
Integração:
Os acelerômetros piezoelétricos são inerentemente analógicos, portanto, requerem equipamentos eletrônicos de processamento adicional para digitalizar o sinal. Em contrapartida, isso permite que a equipe que integra o mecanismo do sensor e a parte eletrônica defina as propriedades da frequência através da escolha do conversor analógico-digital. Por outro lado, os componentes eletrônicos externos aumentam a complexidade e o tamanho, além de aumentar o consumo de energia.
O problema mais sério ainda fica além, com o aumento energético, esses sensores que são alimentados por baterias irão precisar que estas sejam trocadas a cada poucos anos. A troca em si não é difícil, porém para grandes empresas que utilizam centenas desses sensores isso pode ser uma dor de cabeça. Entretanto, o sensor de vibração que será abordado na sequência nos apresenta uma alternativa.
Sensor de Vibração Piezoelétrico, Prós e Contras:
Prós:
- Largura de banda de alta frequência até 20kHz
- Alta precisão
- Flexível, funciona com muitas aplicações
Contras:
- Caro, especialmente para medição de vibração tri-axial
- Saída analógica, requer eletrônica de conversão AD
- Requisitam um sistema mais complexo para aplicação (devido à eletrônica AD)
- Maior consumo de energia
Sensores de Vibração – Acelerômetros MEMS
Os sensores de vibração baseados em MEMS são fabricados litograficamente, o que permite a integração no nível do chip do mecanismo do sensor com os componentes eletrônicos de suporte. Esses benefícios resultam em sistemas de monitoramento de vibração compactos, robustos e econômicos. Uma vez considerada uma tecnologia exótica, os sensores de vibração baseados em MEMS tornaram-se cada vez mais populares como resultado dos avanços na análise de dados e no processamento de sinais.
As especificidades variam dependendo da leitura, mas a arquitetura básica consiste em uma ou mais estruturas micromecânicas fixadas ao alojamento e estruturas separadas ligadas a uma massa de prova que se move livremente. Quando o equipamento que está sendo monitorado vibra, a massa de prova move as estruturas conectadas para que elas interajam com os elementos fixos.
As tecnologias de leitura incluem detecção capacitiva, detecção piezoelétrica, detecção piezoresistiva e detecção térmica.
Leitura Capacitiva:
Nos sensores capacitivos de vibração MEMS, os componentes fixos consistem em dedos intercalados com as figuras correspondentes anexadas à massa de prova, como pode ser visto na figura abaixo.
Quando o dispositivo sob teste / massa de prova se move, a separação entre os dois conjuntos de dedos muda, modificando a capacitância. A quantidade de movimento é proporcional à força vibracional, o que permite ao sistema não apenas calcular a frequência da oscilação, mas também a magnitude.
Na imagem acima um acelerômetro capacitivo MEMS, os dedos conectados a uma massa de prova sem restrições interagem com os dedos fixados no alojamento / equipamento do sensor. A vibração faz com que a massa de prova se mova, modificando o espaçamento entre os dois conjuntos de dedos e alterando a capacitância.
Leitura Piezoelétrica
Em um sensor MEMS piezoelétrico, a massa de prova é conectada ao alojamento do sensor por estruturas piezoelétricas, como uma mola. Quando o ativo vibra, movendo o alojamento do sensor, a inércia da massa de prova tensiona e comprime a estrutura piezoelétrica alternadamente, gerando pulsos de tensão.
Leitura Térmica
Um sensor MEMS de leitura térmica é baseado em uma pequena cavidade selada contendo uma amostra de moléculas de gás que são aquecidas por uma termopilha. Os sensores térmicos suportam a cavidade. A vibração acelera as moléculas para que a distribuição se torne assimétrica. Os sensores térmicos registram a mudança nos circuitos de distribuição e leitura que convertem em aceleração.
Leitura Piezoresistiva
Um sensor MEMS piezoresistivo usa o mesmo tipo de abordagem que uma versão piezoelétrica. A diferença é que o dispositivo incorpora um material piezoresistivo, normalmente silício, para o qual a resistividade muda como resultado de tensão mecânica. A estrutura mecânica do sensor é semelhante à da versão piezoelétrica.
Sensores de Vibração MEMS – Prós e Contras
Prós:
- Nenhuma conversão de AD necessária, eletrônica integrada
- Menor dificuldade de integração em um sistema
- Menor consumo de energia
- Capacidade de medir vibrações de baixa frequência (até DC)
- Boa estabilidade sob condições de temperatura variável
Contras:
- Largura de banda de frequência mais baixa até 5kHz
- Menor precisão
- Menor consumo de energia
Apesar de seu preço atraente e facilidade de uso, os sensores de vibração MEMS têm sido menos populares que os acelerômetros piezoelétricos para sistemas de monitoramento de condições industriais. O problema é que os acelerômetros MEMS historicamente exibem erros de frequência de até 10%, o que pode levar a erros de interpretação dos dados, dificultando a determinação precisa da causa raiz de um problema.
A engenharia sempre envolve trade-offs – conflitos de escolhas. As melhorias de desempenho dos sensores baseados em MEMS os tornaram opções de monitoramento viáveis para muitas situações industriais. Nesses casos deve ser feita uma análise prévia do projeto para que a melhor opção possa ser definida sem preocupações.
Para um material mais detalhado, consulte diretamente o site da Dynapar.
Caso tenha alguma dúvida. Entre em contato, a equipe da Mokka-Sensors estará a sua disposição!
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