Acquisizione dati sulle vibrazioni: criteri chiave per la scelta di un sistema di misurazione

Un cuscinetto del motore inizia a deteriorarsi molto prima che suoni l'allarme. Il primo segno è spesso un piccolo cambiamento nella vibrazione: un nuovo picco spettrale, un leggero spostamento di fase o un lento aumento del rumore a banda larga. Se il sistema di acquisizione dati non è in grado di preservare questi dettagli, il problema può passare inosservato fino a quando la macchina non si guasta. L’acquisizione dei dati sulle vibrazioni non consiste quindi semplicemente nel collegare un accelerometro a un computer. Si tratta di costruire una catena di misurazione che catturi la giusta gamma di frequenza, la gamma dinamica e la sincronizzazione temporale per un test specifico o un obiettivo di monitoraggio.

Cosa fanno i sistemi di acquisizione dati sulle vibrazioni

Un sistema di acquisizione dati sulle vibrazioni svolge quattro compiti: rileva il movimento meccanico, condiziona il segnale elettrico, lo converte in una registrazione digitale e quindi analizza o memorizza il risultato. Ogni fase ha dei limiti e l’anello più debole determina la qualità complessiva della misurazione.

Il sensore è solitamente un accelerometro, un trasduttore di forza o un microfono. Il condizionatore di segnale applica guadagno, filtraggio e, nel caso dei sensori IEPE, eccitazione a corrente costante. Il convertitore analogico-digitale campiona il segnale condizionato a una velocità e una risoluzione definite. Infine, i pacchetti software trasformano le cronologie digitali in spettri FFT, orbite, tracce d'ordine o parametri modali. Un sistema ben progettato mantiene tutti questi elementi in equilibrio.

Inizia con l'accelerometro, non con il computer

Scegliere prima il sensore può sembrare controintuitivo, ma l’accelerometro definisce la banda di frequenza e la gamma dinamica disponibili per l’intera catena. Gli accelerometri piezoelettrici coprono la maggior parte delle misurazioni delle vibrazioni industriali, mentre i sensori di forza e i microfoni gestiscono applicazioni specifiche. La questione principale è il tipo di output, perché determina come deve essere configurato il front-end di acquisizione dati.

Per un rilevamento di macchinari rotanti, un accelerometro IEPE con una sensibilità di 100 mV/g è un punto di partenza comune perché fornisce un intervallo di frequenza utile compreso tra circa 0,5 Hz e 10 kHz. Quando le temperature superano l'intervallo operativo dei componenti elettronici integrati, gli accelerometri in modalità di carica sono più sicuri. Il sistema di acquisizione deve corrispondere al sensore: un ingresso IEPE fornisce corrente costante e disaccoppia la tensione di polarizzazione, mentre un ingresso di carica richiede un amplificatore di carica. Ignorare questa corrispondenza è una delle fonti più frequenti di configurazione errata.

Frequenza di campionamento, anti-aliasing e risoluzione ADC

La frequenza di campionamento determina la frequenza del segnale più alta che è possibile catturare. Il criterio di Nyquist richiede il campionamento a più del doppio della frequenza massima di interesse; gli analizzatori dinamici pratici utilizzano un rapporto di 2,56 volte per lasciare spazio all'attenuazione del filtro anti-aliasing. Per un intervallo di analisi di 10 kHz, ciò significa una frequenza di campionamento di 25,6 kHz o superiore.

Le vibrazioni dei macchinari vengono spesso analizzate fino a 20 kHz; per la diagnosi dei guasti ai cuscinetti potrebbero essere necessari da 40 a 80 kHz. I test d'urto ad alta frequenza e le misurazioni a ultrasuoni richiedono ancora di più. Dal punto di vista della risoluzione, i convertitori a 24 bit forniscono un'ampia gamma dinamica, ma il numero effettivo di bit, il rumore in ingresso e la corrispondenza di fase del canale contano più delle specifiche di marketing. Un'unità come ZTU8508C offre una capacità di campionamento di 1 MHz per catturare transitori e risonanze ad alta frequenza che i normali analizzatori non rilevano.

Analizzatore di segnale dinamico a 8 canali ZT-U8508C con campionamento a 1 MHz Questo analizzatore a 8 canali campiona fino a 1 MHz per canale con clock sincronizzati tramite hardware, garantendo una risposta di fase abbinata per l'acquisizione di transitori ad alta frequenza e l'analisi del dominio di frequenza multicanale. Visualizza il prodotto →

Conteggio canali, opzioni interfaccia e sincronizzazione

Molti progetti richiedono più di un canale. La misurazione delle vibrazioni a tre assi utilizza almeno quattro ingressi incluso un tachimetro. L'analisi modale sperimentale può utilizzare dozzine di canali simultanei. Quando i canali devono essere confrontati nel dominio della frequenza, tutti gli ingressi devono essere campionati simultaneamente con una risposta di fase strettamente corrispondente. Piccoli disadattamenti di fase tra i canali distorceranno le stime della funzione di risposta in frequenza e le forme di deflessione operativa.

Le scelte dell'interfaccia influiscono sulla facilità con cui è possibile scalare il sistema. I dispositivi USB sono adatti al lavoro da banco e portatile, i dispositivi di rete consentono percorsi di cavi più lunghi e layout distribuiti, mentre i sistemi plug-in o incorporati gestiscono un numero elevato di canali. La tabella seguente riassume i tipici compromessi.

Per un equilibrio tra numero di canali e comodità di installazione sul campo, un analizzatore di rete a 16 canali come ZTN8116C è una scelta pratica. Riceve dati tramite un collegamento Ethernet a 100 Mbps e può supportare layout di misurazione distribuiti in cui il computer host si trova lontano dalla macchina.

ZT-N8116C Analizzatore di segnali dinamici a 16 canali con Ethernet Un sistema di acquisizione parallela a 16 canali che supporta ingressi di tensione, IEPE e carica, offrendo campionamento a 64 kS/s su tutti i canali e connettività Ethernet per layout di misurazione su campo distribuito. Visualizza il prodotto →

Analizzatori portatili e sistemi da laboratorio

Gli analizzatori portatili rinunciano a un numero limitato di canali a favore della facilità di trasporto. Vengono utilizzati per il bilanciamento sul campo, i controlli della macchina in loco e le misurazioni pass/fail dopo la manutenzione. Un'unità USB compatta con visualizzazione dello spettro in tempo reale consente ai tecnici di vedere un cambiamento del picco di vibrazione durante la regolazione di un rotore o il serraggio di una fondazione. Questa immediatezza è spesso più preziosa che avere più canali.

Un analizzatore portatile come ZTU8201I fornisce l'elaborazione dello spettro in tempo reale in un piccolo involucro, che semplifica la risoluzione dei problemi nell'impianto. Quando l'attività diventa un test modale a 32 canali, è possibile passare a un sistema di rete sincronizzato.

ZT-U8201I Analizzatore di spettro in tempo reale USB compatto Un analizzatore USB leggero e portatile con elaborazione dello spettro in tempo reale, adatto per la risoluzione dei problemi relativi alle vibrazioni in loco, l'analisi acustica e la diagnosi dei guasti se abbinato al software per PC. Visualizza il prodotto →

Dalla forma d'onda in tempo grezzo all'intuizione ingegneristica

L’acquisizione è solo metà del compito. Il livello software converte le forme d'onda temporali in informazioni: spettri di frequenza, mappe di ordine, forme modali e curve di tendenza. Le impostazioni di analisi come finestre, sovrapposizione, media e linee FFT influiscono direttamente sul risultato. Capire come a analizzatore di segnali dinamici differisce da un data logger tradizionale può aiutare a evitare specifiche errate. Se si cattura un segnale perfetto ma non si riescono a visualizzare le armoniche a bassa frequenza o gli spettri di potenza incrociata nel modo giusto, il sistema non sta eseguendo il lavoro previsto.

Abbinamento della strategia di acquisizione all'applicazione

Il test modale richiede uno shaker o un martello a percussione per eccitare la struttura, acquisizione multicanale sincronizzata e un basso errore di fase da canale a canale. Il monitoraggio della macchina rotante enfatizza il campionamento continuo, gli input del tachimetro e il monitoraggio degli ordini. Le misurazioni acustiche richiedono microfoni a basso rumore e un'adeguata potenza IEPE. Un front-end flessibile che accetta ingressi di tensione, IEPE e carica coprirà la maggior parte degli scenari.

Per i progetti che combinano sensori, software di acquisizione, eccitazione e analisi in un unico accordo chiavi in ​​mano, lavorare con un unico fornitore può semplificare l'integrazione; uno strutturato sistema di prove vibranti e dinamiche spesso riduce il rischio di approvvigionamento e i tempi di formazione.

Considerazioni pratiche sull'acquisto

Prima dell'acquisto, esaminare le specifiche di fase da canale a canale, non solo la profondità di bit dell'ADC. Cerca filtri anti-aliasing integrati e tracciabilità della calibrazione. Chiedi se il software può esportare dati in formati comuni e se il fornitore fornisce formazione o supporto. Se la catena di misurazione include accelerometri da una fonte e un registratore dati da un'altra, verificare le tensioni di polarizzazione, la capacità del cavo e i tipi di connettori. I connettori di campo e la qualità dei cavi sono punti deboli comuni nell'acquisizione dei dati sulle vibrazioni, soprattutto in ambienti ad alto rumore.

Costruisci la catena prima di acquistare

Scegli il sensore per il tuo intervallo di frequenza e ampiezza, seleziona un front-end di acquisizione che corrisponda al sensore e fornisca il conteggio dei canali e la sincronizzazione richiesti, quindi scegli il software che risponda alla tua domanda ingegneristica. Il risultato è un sistema che funziona fin dal primo giorno e continua a funzionare su molti progetti.