Adquisición de datos de vibraciones: criterios clave para elegir un sistema de medición

Un cojinete de motor comienza a degradarse mucho antes de que suene la alarma. El primer signo suele ser un pequeño cambio en la vibración: un nuevo pico espectral, un ligero cambio de fase o un lento aumento del ruido de banda ancha. Si el sistema de adquisición de datos no puede preservar esos detalles, el problema puede pasar desapercibido hasta que la máquina falle. Por lo tanto, la adquisición de datos de vibración no consiste simplemente en conectar un acelerómetro a una computadora. Se trata de construir una cadena de medición que capture el rango de frecuencia, el rango dinámico y la sincronización de tiempo correctos para una prueba específica o un objetivo de monitoreo.

Qué hacen los sistemas de adquisición de datos de vibraciones

Un sistema de adquisición de datos de vibración realiza cuatro tareas: detecta el movimiento mecánico, acondiciona la señal eléctrica, la convierte en un registro digital y luego analiza o almacena el resultado. Cada etapa tiene límites y el eslabón más débil determina la calidad general de la medición.

El sensor suele ser un acelerómetro, un transductor de fuerza o un micrófono. El acondicionador de señal aplica ganancia, filtrado y, en el caso de sensores IEPE, excitación de corriente constante. El convertidor analógico a digital muestrea la señal condicionada a una velocidad y resolución definidas. Finalmente, los paquetes de software convierten los historiales temporales digitales en espectros, órbitas, trayectorias de orden o parámetros modales FFT. Un sistema bien diseñado mantiene todos estos elementos en equilibrio.

Comience con el acelerómetro, no con la computadora

Elegir el sensor primero puede parecer contradictorio, pero el acelerómetro define la banda de frecuencia y el rango dinámico disponible para toda la cadena. Los acelerómetros piezoeléctricos cubren la mayoría de las mediciones de vibraciones industriales, mientras que los sensores de fuerza y ​​los micrófonos manejan aplicaciones específicas. La pregunta principal es el tipo de salida, porque determina cómo se debe configurar la interfaz de adquisición de datos.

Para un estudio de maquinaria rotativa, un acelerómetro IEPE con una sensibilidad de 100 mV/g es un punto de partida común porque proporciona un rango de frecuencia útil de aproximadamente 0,5 Hz a 10 kHz. Cuando las temperaturas exceden el rango operativo de los componentes electrónicos integrados, los acelerómetros en modo de carga son más seguros. El sistema de adquisición debe coincidir con el sensor: una entrada IEPE suministra corriente constante y desacopla el voltaje de polarización, mientras que una entrada de carga requiere un amplificador de carga. Ignorar esta coincidencia es una de las fuentes más frecuentes de configuración defectuosa.

Frecuencia de muestreo, antialiasing y resolución ADC

La frecuencia de muestreo determina la frecuencia de señal más alta que puede capturar. El criterio de Nyquist requiere un muestreo a más del doble de la frecuencia máxima de interés; Los analizadores dinámicos prácticos utilizan una proporción de 2,56 veces para dejar espacio para la reducción del filtro antialiasing. Para un rango de análisis de 10 kHz, eso significa una frecuencia de muestreo de 25,6 kHz o superior.

La vibración de la maquinaria suele analizarse hasta 20 kHz; El diagnóstico de fallas de rodamientos puede necesitar de 40 a 80 kHz. Las pruebas de choque de alta frecuencia y las mediciones ultrasónicas requieren aún más. En cuanto a la resolución, los convertidores de 24 bits proporcionan un amplio rango dinámico, pero el número efectivo de bits, el ruido de entrada y la coincidencia de fase del canal importan más que las especificaciones de marketing. Una unidad como el ZTU8508C ofrece una capacidad de muestreo de 1 MHz para capturar transitorios y resonancias de alta frecuencia que los analizadores comunes pasan por alto.

Analizador de señal dinámica de 8 canales ZT-U8508C con muestreo de 1 MHz Este analizador de 8 canales toma muestras de hasta 1 MHz por canal con relojes sincronizados por hardware, lo que garantiza una respuesta de fase coincidente para la captura de transitorios de alta frecuencia y el análisis del dominio de frecuencia multicanal. Ver producto →

Recuento de canales, opciones de interfaz y sincronización

Muchos proyectos requieren más de un canal. La medición de vibraciones en tres ejes utiliza al menos cuatro entradas, incluido un tacómetro. El análisis modal experimental puede utilizar docenas de canales simultáneos. Cuando se deben comparar canales en el dominio de la frecuencia, todas las entradas deben muestrearse simultáneamente con una respuesta de fase estrechamente coincidente. Pequeños desajustes de fase entre canales distorsionarán las estimaciones de la función de respuesta de frecuencia y las formas de deflexión operativa.

Las opciones de interfaz afectan la facilidad con la que se puede escalar el sistema. Los dispositivos USB se adaptan al trabajo portátil y de sobremesa, los dispositivos de red permiten tendidos de cable más largos y diseños distribuidos, y los sistemas integrados o enchufables manejan grandes cantidades de canales. La siguiente tabla resume las compensaciones típicas.

Para lograr un equilibrio entre el número de canales y la conveniencia de la instalación en campo, un analizador de red de 16 canales como el ZTN8116C es una opción práctica. Recibe datos a través de un enlace Ethernet de 100 Mbps y puede admitir diseños de medición distribuidos donde la computadora host está ubicada lejos de la máquina.

Analizador de señal dinámica de 16 canales ZT-N8116C con Ethernet Un sistema de adquisición paralelo de 16 canales que admite entradas de voltaje, IEPE y carga, que ofrece muestreo de 64 kS/s en todos los canales y conectividad Ethernet para diseños de medición de campo distribuidos. Ver producto →

Analizadores portátiles frente a sistemas de laboratorio

Los analizadores portátiles intercambian un pequeño número de canales por su facilidad de transporte. Se utilizan para equilibrio en campo, comprobaciones de máquinas en el sitio y mediciones de aprobación/falla después del mantenimiento. Una unidad USB compacta con visualización del espectro en tiempo real permite a los técnicos ver un cambio en el pico de vibración mientras ajustan un rotor o aprietan una base. Esta inmediatez suele ser más valiosa que tener más canales.

Un analizador portátil como el ZTU8201I proporciona procesamiento de espectro en tiempo real en un gabinete pequeño, lo que simplifica la resolución de problemas en la planta. Cuando la tarea crece hasta convertirse en una prueba modal de 32 canales, puede pasar a un sistema de red sincronizado.

Analizador de espectro en tiempo real USB compacto ZT-U8201I Un analizador USB portátil y liviano con procesamiento de espectro en tiempo real, adecuado para la resolución de problemas de vibración in situ, análisis acústico y diagnóstico de fallas cuando se combina con software para PC. Ver producto →

De la forma de onda de tiempo sin procesar al conocimiento de la ingeniería

La adquisición es sólo la mitad de la tarea. La capa de software convierte formas de onda de tiempo en información: espectros de frecuencia, mapas de orden, formas de modo y curvas de tendencia. Las configuraciones de análisis, como ventanas, superposición, promedio y líneas FFT, afectan directamente el resultado. Entendiendo cómo un analizador de señal dinámica difiere de un registrador de datos tradicional y puede ayudar a evitar especificaciones incorrectas. Si captura una señal perfecta pero no puede visualizar los armónicos de baja frecuencia o los espectros de potencia cruzada de la manera correcta, el sistema no está realizando el trabajo previsto.

Hacer coincidir la estrategia de adquisición con la aplicación

Las pruebas modales requieren un agitador o un martillo de impacto para excitar la estructura, adquisición multicanal sincronizada y bajo error de fase de canal a canal. El monitoreo de la máquina rotativa enfatiza el muestreo continuo, las entradas del tacómetro y el seguimiento de pedidos. Las mediciones acústicas necesitan micrófonos de bajo ruido y alimentación IEPE adecuada. Una interfaz flexible que acepte entradas de voltaje, IEPE y carga cubrirá la mayoría de los escenarios.

Para proyectos que combinan sensores, software de adquisición, excitación y análisis en un solo acuerdo llave en mano, trabajar con un único proveedor puede simplificar la integración; un estructurado sistema de pruebas dinámicas y de vibración a menudo reduce el riesgo de adquisiciones y el tiempo de capacitación.

Consideraciones prácticas de compra

Antes de comprar, examine la especificación de fase de canal a canal, no solo la profundidad de bits del ADC. Busque filtros anti-aliasing integrados y trazabilidad de la calibración. Pregunte si el software puede exportar datos a formatos comunes y si el proveedor brinda capacitación o soporte. Si la cadena de medición incluye acelerómetros de una fuente y un registrador de datos de otra, verifique los voltajes de polarización, la capacitancia del cable y los tipos de conectores. Los conectores de campo y la calidad del cable son puntos débiles comunes en la adquisición de datos de vibración, especialmente en entornos con mucho ruido.

Construya la cadena antes de comprar

Elija el sensor para su rango de frecuencia y amplitud, seleccione una interfaz de adquisición que coincida con el sensor y proporcione el recuento de canales y la sincronización requeridos, luego elija el software que responda a su pregunta de ingeniería. El resultado es un sistema que funciona desde el primer día y sigue funcionando en muchos proyectos.