MEDIÇÃO DE VIBRAÇÕES (ASPÉCTOS GERAIS)

REF. (Equipamentos de medição de ruído e vibrações B&K).

INTRODUÇÃO

Desde que o homem começou a construir máquinas industriais e, especialmente desde que se usa

motores para movê-las, os problemas na redução da Vibração e isolamento das máquinas têm

preocupado os engenheiros de toda a parte.

A medida que as técnicas de isolação e redução da Vibração vão se tornando parte integrante do

próprio projeto das máquinas, a necessidade de se proceder a uma medição e análise exata de

Vibração mecânica é cada vez maior. Esta necessidade em grande parte foi atendida no tocante as

máquinas lentas e robustas de antigamente, graças ao ouvido experiente e à sensibilidade dos

engenheiros de produção ou, então, mediante a utilização de simples instrumentos óticos que

revelam o deslocamento vibratório.

Nos últimos 15 ou 20 anos, uma nova tecnologia de medição de Vibração foi criada, permitindo

pesquisar-se máquinas modernas que funcionam em alta velocidade e num rítmo elevado de

solicitação. Utilizando acelerômetros piezoelétricos, a fim de converter o movimento Vibratório

em sinais elétricos, o processo de medição e análise é habilmente realizado graças à versatilidade

de aparelhos eletrônicos.

DE ONDE VEM A VIBRAÇÃO?

Na prática, é muito difícil evitar a Vibração. Geralmente ela ocorre por causa dos efeitos

dinâmicos de tolerâncias de fabricação, folgas, contatos, o atrito entre peças de uma máquina e,

ainda, devido a forças desequilibradas de componentes rotativos e de movimentos alternados. É

comum acontecer que vibrações insignificantes excitem as freqüências de outra peças da

estrutura fazendo com que sejam ampliadas, transformando-se em vibrações e ruídos

indesejados.

Entretanto, às vezes, a vibração mecânica realiza um trabalho útil. Por exemplo, podemos

provocar a vibração intencionalmente em dispositivos alimentadores de componentes ou peças

numa linha de produção, em compactadores de concreto, em banhos de limpeza ultra-sônicos, em

britadores e bate-estacas. Máquinas vibratórias de ensaio são bastante usadas para transmitir um

certo nível controlado de Vibração aos conjuntos e subconjuntos. É necessário examinar suas

respostas físicas e funcionais, de modo a assegurar de sua resistência à vibração ambiental.

Uma exigência básica de todo trabalho vibratório, seja no projeto das máquinas que usam energia

vibratória, seja obtendo e mantendo o bom funcionamento de aparelhos mecânicos, está na

capacidade de se conseguir uma avaliação exata dessa vibração por meio da medição e análise.

O QUE É VIBRAÇÃO?

Diz-se que um corpo vibra quando descreve um movimento oscilatório em relação a um corpo

de referência. O número de vezes que um ciclo do movimento se completa no período de 1

segundo é chamado de Freqüência, sendo medido em hertz (Hz).

O movimento pode consistir num único componente ocorrendo numa única freqüência, como

acontece com um diapasão, ou em vários componentes que ocorrem em freqüências diferentes,

simultaneamente, como, por exemplo, no caso de um pistão de combustão interna.

Na prática, os sinais de vibração consistem geralmente de inúmeras freqüências, as quais

ocorrem simultaneamente, de modo que, de imediato, não se pode notá-las simplesmente

olhando para as respostas de amplitude com relação ao tempo, nem determinar quantos

componentes de vibração há e onde eles ocorrem.

Tais componentes podem ser revelados comparando-se a amplitude da vibração à sua freqüência.

A subdivisão de sinais de vibração em elementos individuais de freqüência, que é chamada de

Análise de Freqüência, é uma técnica que pode ser considerada como base para o diagnóstico

da medição da vibração. O gráfico que mostra o nível de vibração em função da freqüência é

chamado de Espectrograma de Freqüência.

Quando analisamos as vibrações de uma máquina, normalmente encontramos um número

importante de elementos de freqüência periódica, os quais estão diretamente relacionados aos

movimentos fundamentais de diversas peças da máquina. Portanto, através da análise de

freqüência podemos descobrir a causa da vibração indesejável.

QUANTIFICANDO O NÍVEL DE VIBRAÇÃO

A amplitude de Vibração, que é a característica que descreve a severidade da vibração, pode ser

quantificada de diversas maneiras. No diagrama mostramos: a relação entre os níveis pico-a-pico,

o nível máximo, o nível médio e o nível médio quadrático de uma onda senoidal.

O valor de pico-a-pico é muito útil porque indica a excursão máxima da onda, uma quantidade na

qual, por exemplo, o deslocamento vibratório de uma peça da máquina atinge um ponto crítico

quanto as considerações de máxima tensão ou de folga mecânica.

O valor de pico é especialmente útil para indicar o nível de curta duração dos choques, etc..

Porém, como se pode ver no desenho, os valores de pico só indicam o nível máximo que ocorreu,

sem contar a cronologia da onda.

O valor médio retificado, por outro lado, certamente leva em conta a cronologia da onda, mas é

considerado de interesse prático limitado e não tem uma relação direta com qualquer quantidade

física útil.

O valor eficaz (rms) é a medida mais importante de amplitude, porque leva em conta tanto a

cronologia da onda, como também considera o valor de amplitude que está diretamente ligado à

energia contida na onda, e, por conseguinte, indica o poder destrutivo da vibração.

OS PARÂMETROS DE VIBRAÇÃO: ACELERAÇÃO, VELOCIDADE E

DESLOCAMENTO.

UNIDADES DE MEDIÇÃO

Consideramos a amplitude da onda do diapasão em vibração, como o deslocamento físico dos

pontos do diapasão para os dois lados de sua posição de equilíbrio. Além do deslocamento,

também se pode descrever o movimento do braço do diapasão em termos de velocidade e

aceleração. A forma e o período da Vibração permanecem inalterados, quer seja o deslocamento,

a velocidade ou a aceleração que esteja sendo examinada. A principal diferença está na

defasagem entre as curvas de amplitude tempo dos parâmetros, conforme, mostrado no desenho.

Quanto aos sinais senoidais, o deslocamento, a velocidade e as amplitudes de aceleração estão

relacionados matematicamente entre si, em função da freqüência e do tempo. Isto é mostrado

graficamente no diagrama da figura anterior. Se a fase for desprezada, como sempre acontece

quando se fazem medições de tempo médio, o nível de velocidade pode ser encontrado

dividindo-se o sinal da aceleração por um fator proporcional à freqüência e o deslocamento pode

ser obtido dividindo-se o sinal da aceleração por um fator proporcional ao quadrado da

freqüência.

Os parâmetros de vibração são universalmente mensuráveis em unidades métricas, de acordo

com as normas ISO, conforme mostrado na tabela. A constante gravitacional “g” ainda é

largamente usada para designar os níveis de aceleração, embora esteja fora do sistema ISO de

unidades correntes. Felizmente, porém, um fator de quase 10 (9,81), interrelaciona as duas

unidades, de modo a simplificar a conversão mental com uma tolerância de 2%.

CONSIDERAÇÕES PARA ESCOLHA DOS PARÂMETROS DE ACELERAÇÃO,

VELOCIDADE E DESLOCAMENTO

Ao detectar a aceleração de um movimento vibratório não ficamos presos somente a esse

parâmetro, pois com integradores eletrônicos podemos converter o sinal de aceleração em

velocidade e deslocamento. A maioria dos medidores de vibração modernos estão equipados para

medir todos os três parâmetros.

Quando se mede uma faixa de vibração simples, de freqüência ampla, é importante escolher o

parâmetro, se o sinal apresentar elementos de muitas freqüências. A medição do deslocamento

será mais importante para componentes de baixa freqüência e, por outro lado, as medições dos

níveis de aceleração serão mais importantes no caso de componentes de alta freqüência.

A prática demonstra que o valor eficaz da velocidade de vibração, medido na faixa de 10 a 1000

Hz, nos dá a melhor indicação possível de severidade da vibração. Uma explicação da provável

razão disso, é que para um dado nível de velocidade corresponde um dado nível de energia, de

modo que a vibração de baixa e alta freqüência adquirem a mesma importância, do ponto de vista

de energia. Na prática, muitas máquinas apresentam um aspecto de velocidade relativamente

constante.

Quando se faz uma análise de freqüência de faixa estreita a escolha do parâmetro só se refletirá

na maneira em que a curva se inclina no quadro traçado, (conforme mostrado no diagrama do

meio, na figura anterior). Isso nos leva a uma consideração de ordem prática, que pode influir na

escolha do parâmetro. É vantajoso escolher o parâmetro que nos forneça o aspecto de freqüência

mais constante, a fim de melhor utilizar a gama dinâmica (ou seja, a diferença entre os maiores e

os menores valores encontrados) dos instrumentos de medição. Por essa razão, o parâmetro da

velocidade ou aceleração normalmente é selecionado para fins de análise de freqüência.

Como as medidas de aceleração são ponderadas em relação aos seus componentes vibratórios de

alta freqüência, esse tipo de parâmetro costuma ser empregado quando a faixa de freqüência que

nos interessa abrange altas freqüências.

A natureza dos sistemas mecânicos de medição é tal que grandes deslocamentos só ocorrem em

baixas freqüências; portanto, as medidas de deslocamento têm uma importância restrita no estudo

em geral da vibração mecânica. Quando se está examinando pequenas folgas dos elementos de

uma máquina, o deslocamento vibratório é evidentemente, um ponto importante a considerar. O

deslocamento é usado muitas vezes como indicador de desequilíbrio nas peças rotativas de uma

máquina, porque deslocamentos relativamente grandes geralmente ocorrem na freqüência de

rotação dos eixos, a qual é também a freqüência de maior interesse para fins de balanceamento.

O ACELERÔMETRO PIEZOELÉTRICO

O transdutor que, atualmente, é usado quase que universalmente para medir a vibração é o

Acelerômetro Piezoelétrico. Esse aparelho apresenta características gerais superiores às de

qualquer outro tipo de transdutor de vibração. Possui gamas dinâmicas e de freqüência muito

amplas, com boa linearidade em todas as faixas. É relativamente robusto e de confiança, de modo

que suas características se mantêm estáveis por muito tempo.

Além disso, o Acelerômetro Piezoelétrico é auto-gerador, de modo que não necessita de uma

fonte de energia externa. Não tem peças móveis, que se desgastem e, finalmente, sua saída

proporcional a aceleração pode ser integrada de modo a fornecer sinais proporcionais à

velocidade e ao deslocamento.

O segredo de um acelerômetro piezoelétrico é uma pastilha de material piezoelétrico, geralmente

um pedaço de cerâmica artificialmente polarizado, que apresenta o efeito piezoelétrico típico.

Quando submetido à pressão mecânica, quer por tensão, compressão ou cisalhamento, gera uma

carga elétrica nas faces, a qual é proporcional à força aplicada.

CONFIGURAÇÕES PRÁTICAS DE ACELERÔMETRO

Na configuração prática de um acelerômetro, o elemento piezoelétrico é disposto de tal forma

que, quando o conjunto sofre vibração a massa aplica uma força ao elemento piezoelétrico, a

qual é proporcional à aceleração vibratória. Esse fenômeno pode ser explicado pela Lei da Física:

Força = Massa x Aceleração

Para as freqüências situadas bem abaixo da faixa de ressonância do sistema completo de mola-

massa, a aceleração da massa será a mesma que a aceleração da base, e a magnitude do sinal de

saída será proporcional à aceleração à qual o transdutor for submetido.

Duas configurações são comumente usadas:

O tipo Compressão, em que a massa exerce uma força compressora sobre o elemento

piezoelétrico, e

O tipo Cisalhamento, em que a massa exerce uma força de corte sobre o elemento piezoelétrico.

TIPOS DE ACELERÔMETRO

A maioria dos fabricantes tem uma ampla linha de acelerômetros, o que à primeira vista até

dificulta a escolha certa. Porém, um pequeno grupo de tipos “de aplicação geral” atendem à

quase totalidade dos casos. Apresentam-se com tomadas localizadas no topo ou lateralmente,

sendo sua sensibilidade de 1 a 10 mV ou pC por m/s2. Os tipos Uni-Gain

, da Brüel & Kjaer,

tem sua sensibilidade padronizada a um “valor inteiro”, para maior conveniência, indo de 1 a 10

pC por m/s2, simplificando assim a calibragem ou ajuste do aparelho de medição.

Os demais acelerômetros tem características voltadas para uma determinada finalidade. Por

exemplo, acelerômetro de pequeno porte, destinados a medições de alto nível ou de freqüência

elevada, bem como para aplicação em estruturas delicadas, painéis, etc., pesando apenas de 1/2 a

2 gramas.

Outros tipos especiais são destinados a: medição simultânea em três planos perpendiculares entre

si; altas temperaturas; níveis muito baixos de vibração; choques de alto nível; calibração de

outros acelerômetros por comparação, e para o monitoramento de máquinas industriais.

CONSIDERAÇÕES SOBRE A FAIXA DE FREQÜÊNCIA DE UM ACELERÔMETRO

Os sistemas mecânicos costumam ter a maior parte de sua energia vibratória continua numa faixa

de freqüência relativamente estreita que vai de 10 Hz a 1000 Hz, porém as medições geralmente

são feitas até um nível de, digamos, 10 Hz, mesmo porque é comum haver componentes de

vibração interessantes nessas altas freqüências. Por conseguinte, deve-se ter a certeza, ao

escolher um acelerômetro, de que a faixa de freqüência do aparelho realmente abrange a faixa

que interessa.

Na prática, a faixa de freqüência na qual o acelerômetro fornece a saída real é limitada no lado de

baixa freqüência por dois fatores. O primeiro é o limite inferior de corte de freqüência do

amplificador que o segue. Normalmente, isso não constitui problema porque esse limite

geralmente é bem inferior a 1 Hz. O outro fator é o efeito das oscilações da temperatura ambiente

às quais o acelerômetro é sensível. Com os modernos acelerômetros do tipo de cisalhamento,

esse efeito é reduzido ao mínimo, permitindo medições até abaixo de 1 Hz em ambientes

normais.

O limite superior é determinado pela freqüência de ressonância do sistema de massa-mola do

próprio acelerômetro.

Via de regra, se ajustarmos o limite superior de freqüência a 1/3 da faixa de freqüência de

ressonância do acelerômetro, teremos certeza que os componentes de vibração medidos no limite

superior de freqüência estarão numa faixa de erro inferior a +12%.

No caso de acelerômetros pequenos, em que a massa é reduzida, a freqüência de ressonância

pode ser até 180 kHz. Já para os aparelhos um pouco maiores, de saída mais alta e uso geral, as

freqüências de ressonância de 20 a 30 kHz são comuns.

COMO EVITAR ERROS PROVENIENTES DA RESSONÂNCIA DO

ACELERÔMETRO

Uma vez que o acelerômetro normalmente apresenta um aumento de sensibilidade no limite

superior da faixa de freqüência devido à sua própria ressonância, o resultado não oferece uma

representação fiel da vibração no ponto examinado, quando ocorrer nessas altas freqüências.

Ao se analisar a freqüência de um sinal de vibração, pode-se facilmente admitir que um pico de

alta freqüência é causado pela ressonância do aparelho e, portanto, pode-se ignorá-lo. Todavia, se

fizermos uma leitura de toda a faixa de ressonância, teremos resultados totalmente imprecisos se,

ao mesmo tempo, a vibração a ser medida também tiver componentes na região próxima da

própria ressonância.

Este problema é superado escolhendo-se um acelerômetro que tenha uma gama de freqüência

mais ampla possível e usando-se um filtro passa-baixos, o qual normalmente já é incluído em

medidores, e pré-amplificadores de vibração, para eliminar os sinais indesejáveis causados pela

ressonância do acelerômetro.

Quando a medição se restringe a baixas freqüências, os efeitos da alta freqüência de vibração e

da ressonância do acelerômetro podem ser eliminados por meio de filtros mecânicos. Estes

consistem de um material elástico, normalmente borracha, preso entre dois discos de montagem.

Esses amortecedores naturalmente reduzem o limite superior de freqüência na ordem de 0,5 kHz

a 5 kHz.

ESCOLHA DA POSIÇÃO PARA MONTAGEM DO ACELERÔMETRO

O acelerômetro deve ser montado de modo que a direção ou sentido de medição coincida com o

seu eixo principal de sensibilidade. Os acelerômetros também são ligeiramente sensíveis às

vibrações no sentido transversal, porém isso normalmente pode ser deixado de lado visto que a

sensibilidade transversal geralmente é menor que 1% da sensibilidade principal.

A razão para se medir a vibração num objeto deve determinar a posição do ponto de medição.

Por exemplo, na carcaça do mancal no desenho, as medidas de aceleração estão sendo usadas

para controlar as condições de funcionamento do eixo e do mancal. O acelerômetro, nesse caso,

deve ser colocado de forma a manter uma transmissão direta da vibração procedente do mancal.

O acelerômetro A, portanto, detecta o sinal de vibração do mancal, a qual predomina sobre as

vibrações procedentes de outras partes da máquina. Contudo, o acelerômetro B capta a vibração

do mancal provavelmente modificada pela transmissão através de uma junta, misturadas com

sinais vindos de outras peças da máquina. Da mesma forma, o acelerômetro C está colocado

numa posição mais direta do que o acelerômetro D.

A outra questão é saber: em que sentido se deve medir? É possível estabelecer uma regra, mas,

como exemplo do mancal citado, pode-se obter valiosas informações efetuando-se medidas, tanto

no sentido axial como em um dos sentidos radiais, geralmente naquele que, se espera que tenha

maior rigidez.

A reação de objetos mecânicos às vibrações forçadas constitui um fenômeno complexo de modo

que se pode esperar, especialmente nas altas freqüências, encontrar níveis de vibração e um

aspecto de freqüência bem diferentes, mesmo medindo pontos adjacentes num mesmo elemento

da máquina examinada.

MONTAGEM DO ACELERÔMETRO

O método de montagem do acelerômetro no ponto a ser medido constitui um dos fatores mais

delicados para se obter resultados exatos na prática. Uma colocação mal feita resulta numa

diminuição da freqüência útil do acelerômetro. O ideal é fazer a montagem com um pino

rosqueado, ou parafuso, preso a uma superfície plana, lisa, ou conforme é mostrado na figura.

Uma fina camada de graxa aplicada à superfície de montagem antes de fixar o acelerômetro

normalmente ajuda a aumentar a firmeza da montagem. O furo rosqueado na peça da máquina

deve ter a profundidade adequada para o parafuso não atingir a base do acelerômetro. O desenho

mostra uma curva da resposta de um acelerômetro de aplicação geral, montado com um pino de

fixação sobre uma superfície plana. A freqüência de ressonância é quase tão elevada quanto a

freqüência de ressonância de 32 kHz, obtida mediante calibração no ponto onde a superfície de

montagem é complemente plana e lisa.

Uma alternativa muito usada no método de montagem é a utilização de uma leve camada de cera

de abelha para grudar o acelerômetro no lugar. Como se pode ver pela curva de resposta, a

freqüência de ressonância é ligeiramente reduzida (para 29 kHz). Pelo fato da cera de abelha

amolecer em temperaturas mais elevadas o método fica condicionado a uma temperatura máxima

de cerca de 40oC no ponto de medição. Quando as superfícies estão totalmente limpas, a fixação

com cera de abelha é aplicável em níveis de aceleração de até 100 m/s2.

Quando, em uma máquina, devem ser estabelecidos pontos permanentes de medição e não se

deseja perfurar nem fazer roscas nem furos de fixação, pode-se usar pinos cimentados. Estes são

fixados ao ponto de medição por meio de cola dura. Recomenda-se os tipos epoxy e

cianoacrilato, pois as colas moles podem reduzir consideravelmente a faixa útil de freqüência do

acelerômetro.

São usados também uma arruela de mica e pino isolado quando o corpo do acelerômetro deve ser

eletricamente isolado do objeto de medição. Isto normalmente é para evitar erros da terra, porém

outras informações a respeito serão dadas no parágrafo “Influências Ambientais”. Uma lasca fina

deve ser tirada da arruela de mica espessa que é fornecida. Este método de fixação produz bons

resultados, sendo que apenas fica reduzida a freqüência de ressonância do acelerômetro de teste,

a cerca de 28 kHz.

Um imã permanente é um método simples de fixação, quando se trata de um ponto de medição

que é uma superfície magnética plana. Além disso, ele isola também o acelerômetro. Este

método reduz a freqüência de ressonância do acelerômetro de teste para cerca de 7 kHz e,

conseqüentemente, não pode ser usado para medições de freqüência muito superiores a 2 kHz. A

força de fixação do imã é suficiente para níveis de vibração de até 1000 a 2000 m/s2, dependendo

do tamanho do acelerômetro.

Um ensaio feito com o acelerômetro fixado com a mão, é muito conveniente para um trabalho

em que se queira ter uma inspeção rápida, mas podem ocorrer erros graves de medição, por causa

da pouca estabilidade. Não se pode esperar obter resultados que possam ser repetidos. Deve-se

usar um filtro passa-baixo, para limitar a faixa de medição a cerca de 1000 Hz.

INFLUÊNCIAS AMBIENTAIS: TEMPERATURA

Todo material piezoelétrico é sensível à temperatura; portanto, qualquer mudança térmica no

ambiente resulta numa alteração de sensibilidade. Por essa razão, todos os acelerômetros

fabricados pela B & K são entregues com uma curva de calibração de sensibilidade versus

temperatura, de maneira que os níveis medidos podem ser corrigidos de acordo, quando se faz

medições em temperaturas ambientais superiores ou inferiores a 20oC.

Os acelerômetros piezoelétricos também apresentam capacidade variável quando submetidos a

pequenas oscilações de temperatura, no ambiente onde se procede à medição. Esse é problema

que só ocorre quando se medem vibrações de nível ou freqüências muito baixas. Os atuais

acelerômetros do tipo cisalhamento apresentam uma sensibilidade bastante reduzida às

flutuações de temperatura.

Quando os acelerômetros têm que ser fixados em superfícies com temperaturas superiores a

250oC, pode se utilizar um dispositivo de dispersão de calor e uma arruela de mica, os quais são

inseridos entre a base do transdutor e a superfície a ser medida. Se a temperatura da superfície for

da ordem de 350oC a 400

oC, a base do acelerômetro pode ser mantida a menos de 250

oC

utilizando-se este método de resfriamento. Um jato de ar frio também pode ser usado para

reduzir ainda mais a temperatura.

INFLUÊNCIAS AMBIENTAIS: RUÍDOS DE CABOS

Uma vez que os acelerômetros piezoelétricos têm alta impedância de saída, podem surgir

problemas com os ruídos provocados por cabos de ligação. Essas perturbações podem resultar de

ligações com fio terra, ruídos triboelétricos (por movimento) ou, ainda, ruído eletromagnético.

As correntes elétricas de circuitos aterrados passam às vezes através da blindagem dos cabos

de acelerômetro porque tanto o acelerômetro como o equipamento de medição são ligados à terra

separadamente. O circuito de terra é interrompido quando se isola eletricamente a base do

acelerômetro da superfície de montagem por meio de pino isolante e uma arruela de mica,

conforme mencionado acima.

Ruído Triboelétrico: é geralmente transmitido ao cabo do acelerômetro pelo movimento

mecânico do próprio cabo. Ele tem origem na capacidade local e nas mudanças de carga devidas

a flexões dinâmicas, compressão e tensão das camadas que compõem o cabo. Esse problema

pode ser evitado usando-se um cabo de acelerômetro grafitado, prendendo-o com fita adesiva ou

cola tão junto ao corpo do acelerômetro quanto possível.

Ruído Eletromagnético: geralmente é provocado pelo cabo do acelerômetro quando este fica

próximo a máquina em funcionamento. Um cabo de dupla blindagem ajuda bastante neste caso,

porém, em casos extremos, devem ser utilizados um acelerômetro balanceado e um amplificador

diferencial.

OUTRAS INFLUÊNCIAS AMBIENTAIS

Tensões na Base: Quando um acelerômetro é montado sobre uma superfície sob variações de

tensão, gera-se uma tensão de saída devido a transmissão da tensão ao elemento sensor. Os

acelerômetros são projetados com bases espessas e rígidas a fim de minimizar esses efeitos: Os

tipos Delta Shear apresentam uma sensibilidade de base extraordinariamente baixa porque o

elemento sensor é montado num dispositivo central e não diretamente sobre a base do

acelerômetro.

Radiação Nuclear: A maioria dos acelerômetros B & K podem ser usados sob radiações da

ordem de 10 kRad/h até doses acumuladas de 2 M Rad, sem grande mudança de suas

características. Certos acelerômetros podem ser usados sob intensa radiação, como doses

acumuladas que chegam até 100 M Rad.

Campos Magnéticos: A sensibilidade magnética dos acelerômetros piezoelétricos é bem baixa;

normalmente é menor que 0,01 a 0,25 m/s2 por kGauss, na orientação mais desfavorável de um

acelerômetro no campo magnético.

Umidade: Os acelerômetros B & K são lacrados por vedação de epoxi ou por solda, a fim de

garantir seu pleno funcionamento mesmo em locais úmidos. Se forem utilizados por pouco

tempo imersos em líquidos ou em locais onde há possibilidade de condensação de umidade,

recomenda-se o uso de cabos vedados tipo Teflon. O conector do acelerômetro deve também ser

vedado com mastique ou borracha vulcanizada à base de silício, isenta de ácidos. Os

acelerômetros industriais de cabos integrais devem ser empregados no caso de uso contínuo em

locais úmidos ou molhados.

CALIBRAÇÃO DO ACELERÔMETRO

Todo acelerômetro Brüel & Kjaer é calibrado na fábrica sendo acompanhado pelo relatório

completo da calibração. Quando os acelerômetros são guardados e utilizados dentro de seus

limites, ou seja: quando não são submetidos a choques excessivos, nem temperaturas ou doses de

radiação exageradas, etc., as suas características permanecerão praticamente imutáveis durante

um longo período de tempo. Os ensaios tem demonstrado que a alteração das características é

inferior a 2%, mesmo após vários anos de uso.

Todavia durante o uso normal, os acelerômetros, são algumas vezes submetidos a tratamento

bastante violento, que pode resultar em mudança sensível de suas características e até mesmo em

avaria permanente. Se cair da mão de uma pessoa, sobre uma superfície de concreto, o

acelerômetro pode sofrer um choque de milhares de g. É aconselhável, portanto, proceder a uma

calibração periódica de sua sensibilidade. Isto geralmente é suficiente para confirmar que o

acelerômetro não sofra danos irreparáveis.

ESCALAS LOGARÍTMICAS & DECIBÉIS

Normalmente plotamos a freqüência numa escala logarítmica. Isto tem o efeito de ampliar as

freqüências menores e comprimir as freqüências mais altas no quadro, resultando assim uma

mesma exatidão percentual em toda a largura do quadro e mantendo suas proporções a um nível

razoável.

As escalas logarítmicas também são usadas para traçar amplitudes de vibração; o que permite

que uma escala de decibéis seja usada como auxiliar na comparação de níveis. Um decibel (dB) é

o coeficiente de um nível qualquer em relação a um nível de referência, e por isso não tem

dimensões. Porém para se determinar os níveis absolutos de vibração, deve ser estipulado o nível

de referência.

Podemos, por exemplo, dizer que um nível de vibração é 10 dB maior do que um outro, sem

maiores explicações. Porém, se dissermos que um nível de vibração é de 85 dB, teremos que

compará-lo a um nível de referência. Deveríamos, então dizer que a velocidade vibratória é de 85

dB em relação a 10-9

m/s. (Vide a tabela abaixo).

Entretanto, comumente não se usa níveis de referência de dB (decibéis) padrão na medição de

vibração. Os níveis de referência recomendados pela padronização para vibração, são mostrados

na tabela.

O QUE É ANÁLISE DE FREQÜÊNCIA?

O medidor de vibração nos dá um único nível de vibração medido numa faixa ampla de

freqüência. Para revelar cada um dos componentes que compõem o sinal de faixa ampla, realiza-

se uma análise de freqüência.

Para isto usamos um filtro pelo qual só passam aquelas partes do sinal de vibração contidas em

uma estreita faixa de freqüência. A faixa de passagem do filtro é variada sequencialmente para a

faixa de freqüência que nos interessa, de modo a obtermos uma leitura do nível de vibração para

cada faixa.

O filtro pode constituir-se de um determinado número de filtros contínuos, de freqüência fixa, os

quais são ajustáveis em seqüência por meio de chaves reguladoras, ou, então como alternativa,

por meio de varredura contínua da faixa de freqüência através de um único filtro ajustável.

ANÁLISE DE FREQÜÊNCIA COM LARGURA DE FAIXA CONSTANTE OU

LARGURA DE FAIXA DE PERCENTAGEM CONSTANTE?

Existem dois tipos básicos de filtro utilizados na análise de freqüência dos sinais de vibração. O

filtro do tipo de largura de faixa constante, em que o aparelho apresenta uma largura de faixa

absolutamente constante, como por exemplo: 3 Hz, 10 Hz, etc., e o filtro de largura de faixa

percentual constante, em que o aparelho apresenta um único valor percentual de freqüência

central sintonizada, como, por exemplo, 3%, 10%, etc.. Os dois desenhos seguintes mostram,

graficamente, a diferença entre esses dois tipos de filtro, em função da freqüência. Note-se que o

filtro de largura de faixa percentual constante parece manter uma largura de faixa constante; isso

porque é plotada numa escala logarítmica de freqüência, que é a ideal quando se precisa abranger

uma ampla faixa de freqüência. Por outro lado, se mostrarmos os dois tipos de filtro numa escala

de freqüência linear, é o filtro de largura de faixa constante que apresenta resolução contínua. O

filtro de largura de faixa de porcentagem constante, mostrado numa escala de freqüência linear,

apresenta uma largura de faixa cada vez maior, com uma freqüência crescente, o que realmente

não é prático.

Não temos certeza qual é dos dois tipos de análise de freqüência o mais aconselhável. A análise

de largura de faixa de porcentagem constante costuma comparar a resposta natural dos sistemas

mecânicos a vibração forçada, e permite que uma ampla gama de freqüências possa ser plotada

num quadro compacto. Além disso, é o método analítico mais usado na medição de vibrações.

Já a análise de largura de faixa constante oferece maior decomposição para freqüências altas e, ao

ser plotada numa escala de freqüência linear, é extremamente valiosa para se escolher

harmônicos, etc..

DEFININDO A LARGURA DA FAIXA DE FILTRO

O filtro ideal é aquele que deixa passar todos os componentes de freqüência que ocorrem dentro

de uma determinada largura de faixa, rejeitando completamente todos os demais elementos. Na

prática, os filtros eletrônicos possuem orlas ou margens decrescentes de freqüência situados fora

da faixa de freqüência específica da largura de Faixa de Filtro. Daí vem a importante questão:

como especificar a largura de faixa de um filtro?

Dois métodos de medição da largura de faixa de um filtro são comumente usados. O mais

utilizado define a largura da faixa como sendo a largura do filtro ideal de lados retos que deixa

passar o mesmo volume de potência de um ruído “branco” (i.e., uma mistura heterogênea de

ondas sonoras) que for descrito pelo filtro. A segunda definição é a largura da característica do

filtro onde a atenuação é de 3 dB abaixo do nível normal de transmissão. Somente os filtros de

seletividade relativamente baixa terão uma largura de banda de 3 dB substancialmente diferente

da largura de faixa de ruído.

USANDO MEDIDAS DE VIBRAÇÃO

Uma análise de freqüências é um indicador útil e rápido na avaliação das condições gerais de

uma máquina ou na determinação da eficácia de medidas tomadas para isolamento de vibração.

O último nível medido será considerado mais ou menos severo por comparação a níveis medidos

prévia ou subsequentemente com critérios de severidade já estabelecidos. Um exemplo deste

último caso é mostrado no desenho, extraído de padrões e recomendações para avaliação de

vibrações de máquinas rotativas (ISO 2372 e 2373, VDI (Alemão) 2056, 1963; BS (Britânico)

4675 (1971) e DIN (Alemão) 45665 (1968)).

Para efeito de diagnóstico, por exemplo, durante o desenvolvimento do equipamento, a análise

de freqüência é necessária. Alguns componentes do espectro da freqüência da vibração podem

ser imediatamente relacionados a determinadas funções de força, como, por exemplo, velocidade

de rotação de eixos, freqüência de encaixe dos dentes de uma engrenagem, etc..Quase sempre são

encontrados novos componentes importantes de freqüência num espectro, os quais também estão

relacionados aos movimentos fundamentais. Os mais importantes geralmente são os

componentes harmônicos espectrais de uma das freqüências fundamentais. Os harmônicos

geralmente surgem por causa da distorção das freqüências fundamentais ou, então, porque o

movimento original periódico não é totalmente senoidal. Se coincidirem com as freqüências

ressonantes de alguns elementos na máquina, possivelmente podem resultar em níveis

consideráveis de vibração, os quais por sua vez, podem tornar-se uma fonte importante de ruído

na transmissão de forças a outras partes da máquina.

No caso de engrenagens, a deformação dos dentes sob efeito de carga e o desgaste dos dentes

ocasionam o aparecimento de componentes harmônicos de freqüência no engrenamento dos

dentes. Além do mais, os componentes das bandas laterais geralmente são gerados em torno da

freqüência de engrenamento dos dentes e dos harmônicos, devido a variações periódicas, tais

como a excentricidade. As primeiras bandas laterais superior e inferior aparecem na freqüência

de engrenamento (ft) mais ou menos a freqüência de rotação do eixo (fg), as segundas bandas

laterais em ft 2 fg, e assim por diante. Em torno dos dentes poderá existir um padrão similar

(isto é: 2 ft fg, etc.).

Geralmente é impraticável alterar: a força, as freqüências (velocidade de eixos, relações de

engrenagem, etc.), de modo que devem ser utilizados outros métodos para reduzir os níveis

indesejáveis de vibração. Por exemplo: dessincronizando o elemento da máquina, (alterando sua

freqüência ressonante), mudando a massa ou a rigidez; atenuando a transmissão por meio de

materiais amortecedores, a fim de reduzir a amplitude da vibração.

A VIBRAÇÃO COMO INDICADOR DAS CONDIÇÕES DE UMA MÁQUINA

Raramente uma máquina falha sem avisar. Os sinais de falha iminente geralmente estão presentes

bem antes de sua ocorrência tornar a máquina inoperante. Quase sempre os defeitos das

máquinas se caracterizam por um aumento do nível de vibração, o qual pode ser medido numa

das superfícies externas e, dessa forma, atuar como indicador das condições reais. A curva tipo

“bandeira” vista no gráfico da figura é a curva típica da vibração de uma máquina em função do

tempo, que demonstra esse efeito. Utilizando a manutenção preventiva normal os reparos podem

ser feitos a intervalos periódicos, os quais são fixados com base em prazos mínimos de duração

das diferentes peças. Protelando o reparo até que os níveis de vibração indiquem a sua

necessidade, porém antes que ocorra a falha da máquina, podem ser evitados tanto a

desmontagem desnecessária, (que normalmente provoca mais defeito), quanto os atrasos na

produção.

Essa manutenção “em função das condições” da máquina tem comprovado ser uma grande

vantagem no ponto de vista econômico, porquanto aumenta o prazo entre as paralisações para

manutenção e, ao mesmo tempo, evita os efeitos altamente prejudiciais de uma falha catastrófica

durante a operação da máquina. Tais técnicas são amplamente empregadas, especialmente nas

indústrias em processo contínuo de produção.

O nível de vibração permitido antes de se executar um reparo é determinado pela experiência.

Atualmente, existe um consenso geral segundo o qual o “nível de segurança” deve ser

estabelecido como duas ou três vezes o nível de vibração considerado normal, (ou seja: de 6 a 10

dB acima do nível normal).

Já vimos que com a análise da freqüência dos sinais de vibração podemos localizar a fonte de

muitos dos componentes de freqüência presentes. O espectro da freqüência de uma máquina em

funcionamento normal pode, por isso mesmo, ser usado como “referência” para essa máquina.

Análises subseqüentes podem ser comparadas a esse valor de referência e em função dos

resultados pode se saber se há necessidade de providências, e ainda de diagnosticar a causa do

defeito.

O quadro de diagnóstico apresentado nas páginas seguintes ajudará a determinação da causa do

excesso de vibração, quando as freqüências anormais forem detectadas através da análise de

freqüência.