analisador de vibrações modo de funcionamento

Analisador de vibrações 7

Analisador de vibrações 7

O tema específico tratado em analisador de vibrações 7, consiste na largura de banda em tempo real nos analisadores de vibrações.

Quando se efetuar análise de vibrações, para se tirar partido de todo o potencial de um analisador de vibrações,  é necessário compreender o seu modo de funcionamento. Por isso, aqui são apresentados os conceitos de análise digital de sinal, implementados atualmente num analisador de vibrações FFT, do ponto de vista do utilizador.

Começa-se por apresentar as propriedades do Fast Fourier Transform (FFT) em que os Analisadores de Vibrações são baseados. Em seguida, mostra-se como essas propriedades FFT podem causar algumas características indesejáveis na análise do espectro, como aliasing e fugas (leakage). Tendo apresentado uma dificuldade potencial com o FFT, mostra-se quais soluções são usadas para tornar os analisadores de vibrações em ferramentas práticas. O desenvolvimento desse conhecimento básico das características do FFT torna simples obter bons resultados com um analisador de vibrações numa ampla gama de problemas de medição.

Aqui pode-se ver a gama de analisadores de vibrações disponibilizados pela D4VIB.

Para ver uma apresentação sobre este tema clique aqui.

 

7 – Largura de banda em tempo real nos analisadores de vibrações

Até agora tem-se ignorado o facto de que vai demorar algum tempo para o analisador de vibrações calcular o espetro FFT, a partir de um bloco de tempo. Na verdade, caso se pudesse calcular o espetro FFT, em menos tempo do que o período de amostragem de um bloco, poderíamos continuar a ignorar este tempo de cálculo. A Figura 7.1 mostra que, nesta condição, se poderia obter um novo espectro de frequência com cada amostra. Como se viu na seção sobre o aliasing, isto poderia resultar em muito mais espectros, a cada segundo, do que se poderia compreender.

Figura 40 - Um espetro a cada nova amostra

Analisador de vibrações 7 – Figura 7.1 – Um espetro a cada nova amostra

Uma alternativa razoável é adicionar uma memória de bloco de tempo ao diagrama de blocos do analisador. Na Figura 7.2 podemos ver que isso nos permite calcular o espectro de frequência do registo de tempo anterior ao recolher o registo de tempo atual.

Figura 41 – Memória do bloco de tempo (memória do bloco de forma de onda) no analisador de vibrações

Analisador de vibrações 7 – Figura 7.2 – Memória do bloco de tempo (memória do bloco de forma de onda)

Se pudermos calcular a transformada FFT antes que a memória do bloco de tempo esteja cheia, então diz-se que se está a operar em tempo real.

Figura 42 - Operação em tempo real num analisador de vibrações
Analisador de vibrações 7 – Figura 7.3 – Operação em tempo real, em que o tempo de cálculo do espetro é igual ou menor, que o tempo de aquisição de um bloco de tempo

Para ver o que isto significa, olha-se para o caso em que a computação FFT leva mais tempo do que o tempo para preencher a memória do bloco de tempo. Esta situação é ilustrado na Figura 7.4. Embora a memória esteja cheia, não se terminou a última transformada de FFT, então tem-se que parar de amostrar dados. Quando a transformação estiver concluída, pode-se transferir o bloco de tempo para o FFT e começar a adquirir outro bloco de tempo. Isso significa que se perdem algumas amostras de entrada e por isso diz-se que não se está operar em real.

Figura 43 - Operação em tempo não real num analisador de vibrações

Analisador de vibrações 7 – Figura 7.4 – Operação em tempo não real, em que o tempo de cálculo do espetro é maior que o tempo de aquisição de um bloco de amostras da forma de onda.

Recorde-se que a duração do bloco de tempo não é constante, mas deliberadamente variada para alterar a gama de frequência do espetro que se pretende ver no analisador de vibrações. Para gamas de frequência maiores a duração do registo de tempo é menor. Portanto, à medida que aumentamos a gama de frequência do analisador, eventualmente alcançamos uma situação em que a duração do bloco de tempo é igual ao tempo de cálculo do FFT. Este valor de frequência é designada de largura de banda em tempo real. Para gamas de frequência dentro e abaixo da largura de banda em tempo real, o analisador não perde nenhuma amostra da forma de onda.

7.1 Relevância da largura de banda em tempo real

Qual é a dimensão da largura de banda em tempo real num analisador de vibrações? Vão-se examinar algumas medições típicas para ter uma percepção das considerações envolvidas.

7.1.1 Observar a variação de velocidade numa máquina

Caso se esteja a medir o espectro ou a resposta de frequência de uma máquina que está a variar de velocidade, é necessário observar a mudança de espectro, no que pode ser chamado de tempo real psicológico. Um novo espectro a cada poucos décimos de segundo é suficientemente rápido para permitir que um técnico observe variações no que ele consideraria ser em tempo real. No entanto, se o tempo de variação de velocidade da máquina for longo, a velocidade do analisador é irrelevante. Tem-se que esperar que a máquina responda às mudanças, antes que o espectro seja válido, não importa quantos espectros se gerem nesse tempo.

 7.1.2 – Média RMS

Um segundo caso de interesse, na determinação dos requisitos de largura de banda em tempo real, consiste nas medidas que exigem média de RMS. Pode-se estar interessado em achar a média de um sinal, que está sempre a variar. Não há nenhuma exigência na execução da média de que os blocos de tempo adquiridos devam ser consecutivos, sem lacunas. Portanto, uma reduzida largura de banda, em tempo real, não afetará a precisão dos resultados.

No entanto, a largura de banda em tempo real, afetará a velocidade com que uma medição média RMS, pode ser feita. A Figura 7.5 mostra que, para uma frequência sinusoidal acima da largura de banda em tempo real, o tempo para completar a média de N registos, depende apenas do tempo para calcular as N transformadas FFT. Em vez de reduzir continuamente o tempo para calcular a média RMS, à medida que aumentamos a gama de frequência, chegamos a um tempo fixo para calcular as N médias.

Figura 44 – Tempo total de execução de N médias RMS num analisador de vibrações
Analisador de vibrações 7 – Figura 7.5 – Tempo total de execução de N médias RMS

Portanto, uma pequena largura de banda em tempo real é apenas um problema na execução de médias RMS, quando são usadas gamas de frequência elevadas, com um grande número de médias. Nestas condições, temos de esperar mais tempo pela conclusão da execução das médias. Como larguras de banda maiores, em tempo real, , exigem cálculos mais rápidos e, portanto, um processador melhor, há uma troca direta de tempo versus dinheiro. No caso da média de RMS, maior largura de banda em tempo real dá medições um pouco mais rápidas a um custo de analisador maior.

7.1.3 -Eventos de vibrações transitórias

O último caso de interesse na determinação da largura de banda necessária, em tempo real, é a análise de eventos transitórios. Se todo o transitório se encaixar dentro da duração do bloco de registo de tempo, o tempo de computação FFT é de pouco interesse. O analisador pode ser acionado pelo transitório e pelo evento armazenado na memória do bloco de tempo. O tempo para calcular o espectro não é importante. No entanto, se um evento transitório contém energia de alta frequência e dura mais do que o registo de tempo necessário para medir a energia de alta frequência, então a velocidade de processamento do analisador é crítica. Como se mostra na Figura 7.6 b), alguns dos transitórios não serão analisados se o tempo de cálculo exceder o tempo do bloco de tempo.

Figura 45 – Se a vibração transitória contém alta frequências num analisador de vibrações

Analisador de vibrações 7 – Figura 7.6 – Se a vibração transitória contém alta frequências e dura mais do que o bloco de tempo necessário para medir a energia de alta frequência, então a velocidade de processamento do analisador é crítica

No caso dos transientes mais longos do que o registo de tempo, também é imperativo que haja alguma maneira de registar rapidamente o espectro. Caso contrário, as informações serão perdidas à medida que o analisador atualizar o ecran com o espectro do registo de tempo mais recente. Nestas condições, é necessário uma apresentação gráfica que possa mostrar mais de um espectro (gráfico em Cascada), como se pode ver na Figura 7.7 e uma boa memória. O analisador de vibrações deve ser capaz de gravar um espectro de cada bloco de tempo ou a informação será perdida.

46 cascata num analisador de vibrações

Analisador de vibrações 7 – Figura 7.7 – Representação em cascada dos espetros medidos consecutivamente durante o arranque de uma máquina.

Para ver uma apresentação sobre este tema clique aqui.

 

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