Análisis de Vibración para el

Mantenimiento Predictivo de

MaquinariaMaquinaria

Arturo Vargas MercadoGerente de Programa Academico

Agenda

• Introducción – ¿Porqué medir sonido y vibración?

• Parte 1: Sensores – Sonido y Vibración

• Parte 2: Acondicionamiento de Señales y A/Ds

• Parte 3: Análisis y Procesamiento de Señales• Parte 3: Análisis y Procesamiento de Señales

• Parte 4: Sistemas: Arquitectura y Casos de Estudio

¿Porqué Medir Sonido y Vibración?

• Investigación y Desarrollo – durante la

investigación y desarrollo , el ruido y vibración de

un dispositivo se estudian y se intentan reducir

permitiendo mayor vida de servicio al usuario final.

i.e. línea blanca, vehículos, herramientasi.e. línea blanca, vehículos, herramientas

¿Porqué Medir Sonido y Vibración?

• Desempeño de Audio – calidad de bocinas

(audio automotriz/doméstico, teléfonos celulares),

amplificadores, ecualizadores, etc. caracterizados

por mediciones de respuesta en frecuencia ,

análisis de distorsión y calidad de audioanálisis de distorsión y calidad de audio

¿Porqué Medir Sonido y Vibración?

• Pruebas Estructurales – medir la respuesta de

vibración permite determinar la integridad de la

estructura, propiedades de materiales, i.e. fatiga,

rigidez, fracturasrigidez, fracturas

¿Porqué Medir Sonido y Vibración?

• Control – detectar la presencia o cambio de

ruido o vibración e iniciar acciones apropiadas.

i.e. sistemas de suspensión activos, supresión

de ruido en cabina, o shakers

• Mantenimiento Predictivo – tendencias y

análisis del desempeño de maquinaria para

determinar cuándo será necesario el

mantenimiento para evitar fallas catastróficas

¿Porqué Medir Sonido y Vibración?

• Protección de Maquinaria- monitoreo de

vibración e iniciar alarmas o apagado cuando

los niveles excedan determinado límite.

¿Porqué Medir Sonido y Vibración?

Estrategias de Mantenimiento

REACTIVO ACTIVO

Modelo del Iceberg

Curva de condiciones

Cambio en la condición

Vibración

Ruido

Calor

Condic

ión

de la m

áquin

a

Tiempo

Humo

Paro de

Emergencia

3 meses

2 semanas2 dias

10 min

Condic

ión

Courtesy of FAG Industrial Services

Tipo de Mantenimiento

Preventative Maintenance

Predictive Maintenance

Salud

de la

máquina

Acceptable Operating ZoneRun to-Failure

Tiempo

Acceptable Operating Zone

Mantenimiento

Preventivo

ProductionLevel

Paro no programado: FallaParo

programadoParoProgramado

Economía de los paros programados

Time

Time

Mantenimiento

Predictivo

ProductionLevel Paro basado en

condiciones

Siendo tan importante: ¿Por qué no lo

hacemos?

• Falta de recursos humanos

� Especialistas en vibraciones

� Consultores externos� Consultores externos

• Presupuestos

� Equipo costoso

Componentes de un Sistema de Sonido y Vibración

Adquisición

de Datos

Acondicionam

iento

Sensores

V

Señales de Entrada

Análisis

Acondicionam

iento

de Señal

A/D

V

Señales de Salida

V

Componentes de un Sistema de Sonido y Vibración

Adquisición

de Datos

Acondicionam

iento

Sensores

V

Señales de Entrada

Análisis

Acondicionam

iento

de Señal

A/D

V

Señales de Salida

V

Acelerómetros

• Medir� Aceleración

� Velocidad y desplazamiento

(vía integración contra tiempo)

• El resultado se expresa en g o m/s2• El resultado se expresa en g o m/s2

� 1 g = aceleración en la superficie de la Tierra

� 1 g = 9.81 m/s2

• Configuraciones de un eje y tres ejes

• Se calibra por medio de un agitador de vibración

Acelerómetros IEPE

• Ventajas

� Simple y fácil de utilizar

� Microelectrónica integrada

� Acondicionado con señal de

corriente constante

Conexión Directa

corriente constante

(18-30 VDC ; 2 mA)

• Limitantes

� Rango de temperatura

máxima de 250 °F (algunos

325 °F)

� Sensibilidad fija

Acelerómetros Modo Carga

• Ventajas

� Temperatura de hasta 1000 °F� Sensibilidad variable

• LimitantesAcondicionamiento

Externo• Limitantes

� Requiere acondicionamiento

externo

� Necesita cableado bajo en

ruido

� Sensible a influencias

ambientalesDibujo de PCB, www.pcb.com

Demo: Medición de Acelerómetro

Demo 2

Micrófonos

• Miden

� Presión del sonido (una variación sobre la presión

atmosférica)

� Convertido a nivel de presión del sonido (SPL en dB)� Convertido a nivel de presión del sonido (SPL en dB)

(una referencia de dB a 20 uPa)

• El resultado se expresa en Pascales (Pa)

• Calibración con una fuente de referencia de ruido

Tipos de Micrófonos

• Prepolarizados (“Electret”)

� Alimentados por corriente constante (2-20 mA)� Alimentados por corriente constante (2-20 mA)

� Conexión de dos cables (BNC, microdot, etc)

• Polarizados externamente

� Alimentados por fuente de hasta 200 V

� Conectores de 7 pines LEMO

Tipos de Micrófonos

Campo Libre

Campo de PresiónCampo de Presión

Micrófono de Incidente Aleatorio

Consideraciones de Selección de Transductores

� ¿Cuál es el nivel de vibración o sonido?

� ¿Cuáles son las frecuencias de interés (máximo y mínimo)?

� ¿Cuál es el rango de temperatura requerida?

� ¿Cuál es la longitud del cable que se requiere?

Componentes de un Sistema de Sonido y Vibración

Adquisición

de Datos

Acondicionam

iento

Sensores

V

Señales de Entrada

Análisis

Acondicionam

iento

de Señal

A/D

V

Señales de Salida

V

¿Porqué Utilizar Acondicionamiento de Señal?

Acondicionamiento de Señal

• Mejora las señales para una mejor calidad de medición

• Alimenta o excita sensores

• Lee información de sensores – TEDS

Ruidosa, Señal de Bajo Nivel Filtrada, Señal Amplificada

Acoplamiento AC/DC y Acondicionamiento IEPE

• Acoplamiento DC y AC

� Acoplamiento AC = AC

� Acoplamiento DC = AC+DC

• IEPE = Circuito Integrado

20 volts

Acoplamiento DC = AC+DC

DC

AC

• IEPE = Circuito Integrado

Piezoeléctrico Electrónico

� Amplificador de carga o

amplificador de voltaje

integrado

0 volts

Acoplamiento AC = NO DC

Sistemas Multi-ADC

• Muestreo simultáneo: La conversión A/D se realiza al mismo tiempo, ya sean 2 o 5,000 canales

• No hay variación entre canales para garantizar fases idénticas

• Requerido para � Intensidad de sonido Se Garantiza un � Intensidad de sonido

� Respuesta a la frecuencia

� Dinámica estructural

� Análisis de orden

� Holografía acústica

Se Garantiza un

Desfasamiento en el Peor

de los Casos de 0.1° a

1 Khz

Magnificación de 50X

A/D Delta Sigma de 24 Bits

• Resolución = número de bits que usa el ADC para representar una Señal

� Determina cuántos cambios diferentes de voltaje pueden ser medidos:

• Ancho de código es el cambio mínimo que su sistema puede

# de niveles = 2resolucion = 216 = 65,536 niveles

• Ancho de código es el cambio mínimo que su sistema puede detectar� Menor Ancho de Código = representación más precisa de su señal

Ancho de código=

rango

amplificación * 2 resolución

=20 V

1 * 2 16

=

1 * 2 24

20 V

= 305 µV

= 1.19 µV

16-bit ADC

24-bit ADC

Efecto de la Resolución del ADC

Medición de 24-bitMedición de 16-bit

Los ADCs de alta resolución le permiten detectar componentes

fuertes y débiles de la señal al mismo tiempo

140 dB ����

90 dB ����Detecta Niveles Bajos de Señal

fN = fs/2 fs: frecuencia de muestreo

“Aliasing”

• Teorema de Muestreo de Shannon

� La frecuencia máxima (Frecuencia de Nyquist: fN) que

puede ser analizada está dada por:

Muestreo incorrecto Muestreo apropiado

fN = fs/2 fs: frecuencia de muestreo

Filtro Anti-Alias en A/Ds

• Mezcla de filtros analógicos y digitales

• Características de filtros buenos:

DSA Digital Filter vs. 8th Order Analog Bessel

0

20 Bessel, Fc=15 kHz

Bessel, Fc=22.5 kHz

Bessel, Fc=30kHz

DSA Digital Filter

• Remueve componentes de frecuencia mayores a la frecuencia de Nyquist

• Necesita realizarse antes de que la señal sea digitalizada

filtros buenos:� Respuesta a la

frecuencia plana en la banda

� Buen rechazo de alias a altas frecuencias

� “Roll-off” rápido en la banda de transición

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000

Frequency (Hz)

Fil

ter

Re

sp

on

se

(dB

)

Signal

Bandwidth

FNyquist

NI 4472 at

102.4 kS/sec FNyquist

150 kS/sec

Analog Bessel Filter

attenuates signals

in band of interest

Componentes de un Sistema de Sonido y Vibración

Adquisición

de Datos

Acondicionam

iento

Sensores

V

Señales de Entrada

Análisis

Acondicionam

iento

de Señal

A/D

V

Señales de Salida

V

Análisis de Sonido y Vibración

• Mediciones en el Dominio del Tiempo

� Nivel de sonido y vibración

• Mediciones del Dominio de la Frecuencia

� Potencia del espectro

Análisis de armónicas y octavas� Análisis de armónicas y octavas

� Respuesta a la frecuencia / barrido de seno

� Análisis de audio - distorsión

• Análisis en el Dominio del Orden

Mediciones de Nivel

Nivel de Presión del Sonido� Escala logarítmica (dB)

� Referencia de 20 uPa

� Ponderación de frecuencia: A, B, C

Nivel de Vibración � g rms, g pico

� Referencia de 1 ug

� Integración: velocidad y desplazamiento

SPL

Presión de Sonido (Pa) Nivel de Sonido (dB) Comparación

0.00002 0 Umbral de Audio

0.02 60 Oficina de Negocios

0.2 80 Ruido de Taller0.2 80 Ruido de Taller

1 94 Camion Grande

2 100 Martillo Neumático

20 120 Despegue de Avión

200 140 Umbral del Dolor

Análisis Fraccional de Octavas

• Usado cuando el cliente final es el oído humano� escala de amplitud en dB

� escala de frecuencia logarítmica

• Implementación: Banco de filtros pasa bandas seguidos por mediciones de nivel

Señal Octavas Nivel Espectro de Octavas

• Cumple con estándares ANSI y IEC

Análisis en la Frecuencia

• La Transformada Rápida de Fourier (FFT) convierte la

señal del dominio del tiempo al dominio de la frecuencia

FFT

Señal en el Dominio del Tiempo

FFT

Espectro

Respuesta en la Frecuencia

• La Función Respuesta a la Frecuencia (FRF)

caracteriza la UUT

• La FRF compara la amplitud y fase del estímulo

y respuesta a varias frecuencias

Estímulo-Respuesta

y respuesta a varias frecuencias

Ax

{

Px

H(f) Ay

{

Py

Tipos de Estímulos

Banda Ancha (Basado en FFT)

� La excitación incluye todas

las frecuencias a la vez

� Menor tiempo de prueba

� Ejemplos:

Discretos

� La excitación consiste de sólo una frecuencia a la vez

� Tiempos de prueba mayores generalmente (permite asentarse y promediados)� Ejemplos:

• Ruido blanco

• “Chirp”

• Ruido rosa

• Impacto martillo

promediados)

� Puede usarse para medir distorsión dependiente de frecuencia

� Ejemplos:• Un sólo tono

• Seno multi tono

• Barrido de seno o seno con pasos en frecuencia

Análisis de Audio

• Distorsión (no linealidad)

� THD, THD+Ruido, SINAD: Medidos con un tono puro (fundamental)

• Distorsión harmónica total = Distorsión/fundamental

• SINAD = señal/(ruido + distorsión)• SINAD = señal/(ruido + distorsión)Señal = fundamental + ruido + distorsión

� IMD (distorsión de intermodulación): excitación de dos tonos

• “Crosstalk”

• Ganancia/fase

¿Qué es Análisis de Orden?

• Muchos componentes de señal del ruido y vibración

están relacionados directamente a la velocidad:

� Desbalanceo, desalineación, defectos de rodamientos,

falta de acoplamientofalta de acoplamiento

• El análisis de orden normaliza las mediciones a una

velocidad rotacional para obtener mejores

componentes de esta señal

Espectro de Potencia

Velocidad de

Rotación:

60 Hz

(3600 RPM)Los

componentes

de frecuencia

Velocidad de

Rotación :

50 Hz

(3000 RPM)

de frecuencia

se recorren

con un cambio

de velocidad

Comprendiendo el Análisis de Orden

Dominio del Tiempo

FFT

Dominio de la

FrecuenciaRemuestreo

seg Hz

Remuestreo

FFT

Dominio Angular

grados

Dominio de Orden

orden

Espectro de Orden

Los

componentes

de orden se

Velocidad de

Rotación:

60 Hz

(3600 RPM)

de orden se

mantienen fijas

con cambios

de velocidadVelocidad de

Rotación :

50 Hz

(3000 RPM)

Using Order Analysis on Machinery

Hz

55

3,300 RPM = 55 RPS

Relationship of Orders and Faults

• We can diagnose machine faults by knowing the order:

� Imbalance

� Misalignment

� Loose Coupling

Valve Noise

Low Order

� Valve Noise

� Bearing Defects / Wear

� Blade Pass Frequency

� Gear MeshHigh Order

Resampling for Changing Machine Speed

• Data is converted to angular domain from time

domain with the use of a tachometer (speed)

signal

Machine speed is increasing

Poniendo todo junto…

Adquisición

de Datos

Acondicionam

iento

A/D

Sensores

V

Señales Entrada

Señales Salida

V

Análisis

Acondicionam

ientoV

Arquitecturas Casos de Estudio

Rango de Aplicaciones en Maquinaria

I&D, Celdas

de Prueba

Pruebas de

Fábrica

Servicio en

Campo,

Almacenamiento

Monitoreo

En LíneaProtección

Casos de Estudio de Gran Cantidad de Canales Boeing: Arreglo de 448 canales de Micrófono

200 Hz

Ruido en Fuselaje

400 Hz

Ruido de Entrada

Instalaciones Olímpicas de Beijing - Monitoreo e Investigación Sísmica

• Monitoreo continuo de

actividad sísmica en el Estadio

Nacional de Beijing y el Centro

Acuático

� Validación de modelo estructural

� Monitoreo de eventos por disparo� Monitoreo de eventos por disparo

� Notificación por correo

electrónico

• NI LabVIEW y CompactRIO

sincronizados por GPS

. . .Sensores Sísmicos Kinemetrics

cRIO

¿Preguntas?