Escolhendo o sensor de manutenção preditiva mais adequado

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Introdução

O monitoramento baseado em condição (CbM) envolve o monitoramento de máquinas ou ativos usando sensores para medir o estado atual de integridade. A manutenção preditiva (PdM) consiste em técnicas, como CbM, aprendizado de máquina e análise, para prever as próximas falhas da máquina ou dos ativos. Ao monitorar a saúde da máquina, é extremamente importante selecionar os sensores mais adequados para garantir que as falhas possam ser detectadas, diagnosticadas e até mesmo previstas.

A melhor estratégia de PdM é aquela que utiliza com eficiência o maior número possível de técnicas e sensores para detectar falhas antecipadamente e com um alto grau de confiança. Portanto, não há uma solução de sensor que sirva para todos. Aqui, buscaremos esclarecer por que os sensores de manutenção preditiva são vitais para a detecção precoce de falhas em aplicações de PdM, além de explorar seus pontos fortes e fracos.

Linha do tempo: Falha de sistema

A Figura 1 mostra uma linha do tempo simulada de eventos, desde a instalação de um novo motor até a falha do motor, juntamente com o tipo de sensor de manutenção preditiva recomendado. Quando um novo motor é instalado, ele está na garantia. Após vários anos, a garantia irá expirar e é neste ponto que uma rotina de inspeção manual mais frequente será implementada.

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Figura 1: O gráfico de integridade da máquina vs. tempo mostra o tempo esperado em que uma falha seria detectada conforme um motor se movesse durante o ciclo de garantia. (Fonte: Analog Devices)

Se surgir uma falha entre essas verificações de manutenção programada, há uma probabilidade de tempo de inatividade não planejada. Nesse caso, o que se torna de vital importância é ter o sensor de manutenção preditiva correto para detectar possíveis falhas o mais cedo possível. Por esse motivo, vamos nos concentrar em sensores de vibração e acústicos. A análise de vibração é geralmente considerada o melhor ponto de partida para o PdM.

Considerações sobre falha de sensores e falha de sistemas

Mais de 90 por cento das máquinas rotativas em aplicações industriais e comerciais usam rolamentos. A distribuição de componentes com falha de um motor indica que é crucial focar no monitoramento do rolamento ao selecionar um sensor PdM. Para detectar, diagnosticar e prever possíveis falhas, um sensor de vibração deve ter baixo ruído e recursos de largura de banda ampla.

Algumas das falhas mais comuns associadas a máquinas rotativas e alguns requisitos de sensor de vibração correspondentes para uso em aplicações PdM são mostradas na Tabela 1. Para detectar falhas o mais cedo possível, os sistemas PdM normalmente requerem sensores de alto desempenho. O nível de desempenho do sensor de manutenção preditiva usado em um sistema está correlacionado à importância daquele sistema monitorado ser continuamente capaz de operar de forma confiável no processo geral e relativo a seu custo.

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Tabela 1: Breve visão geral das considerações do sensor de vibração e falha da máquina (Fonte: Analog Devices)

Sensores para PdM

A análise de sinais de microfone ultrassônico de um sistema microeletromecânico (MEMS) permite o monitoramento da saúde do motor em locais onde há presença de ruído audível aumentado, porque detecta sons no espectro não audível ( 20kHz a 100kHz), onde há muito menos ruído. Os comprimentos de onda dos sinais audíveis de baixa frequência variam normalmente de aproximadamente 17 mm a 17 m de comprimento. Os comprimentos de onda dos sinais de alta frequência variam de cerca de 3 mm a 16 mm de comprimento. Quando a frequência do comprimento de onda aumenta, a energia aumenta, tornando o sinal de ultrassom mais diretivo. Isso é extremamente útil ao tentar localizar uma falha em um rolamento ou caixa.

Os acelerômetros são os sensores de vibração mais comumente usados, e a análise de vibração é a técnica de PdM mais amplamente empregada, usada principalmente em grandes equipamentos rotativos, como turbinas, bombas, motores e caixas de engrenagens. A Tabela 2 mostra algumas das especificações críticas a serem consideradas ao selecionar sensores de vibração e acústicos MEMS de alto desempenho em comparação com o sensor de vibração piezoelétrico padrão ouro.

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Tabela 2: Especificações de desempenho do sensor de manutenção preditiva

* Os módulos acelerômetros MEMS podem custar mais de US$ 30, mas são soluções de sistema completo, enquanto todas as outras partes referenciadas são apenas sensores.
** Chave: Pior, Médio, Melhor

Embora seja difícil recomendar um único sensor de vibração para uso em um sistema PdM, os acelerômetros têm uma história de sucesso e continuam a evoluir e melhorar. A Analog Devices oferece uma variedade de acelerômetros MEMS de uso geral, baixo consumo de energia, baixo ruído, alta estabilidade e alto g, bem como módulos de nó de borda inteligentes mostrados na Figura 2. O sensor de vibração triaxial ADcmXL3021 é um excelente exemplo de solução de módulo PdM dedicado. A Analog Devices foi a primeira a comercializar com uma família de acelerômetros MEMS com capacidade para PdM (20kHz + largura de banda, densidade de ruído 25μg / √Hz) e continua sendo o único fornecedor de acelerômetros MEMS com esses níveis de desempenho.

Figura 2: Módulo MEMS CbM de três eixos com ADC integrado, processador e FFT (Fonte: Analog Devices)

Ao escolher o sensor de vibração mais adequado para sua solução de PdM, o verdadeiro desafio está em instalar os sensores para atender aos modos de falha em potencial mais prováveis ​​de seus ativos. Os microfones MEMS ainda não provaram ser robustos o suficiente para detectar com segurança todos os modos de falha baseados em vibração nos ambientes mais adversos. Em contraste, os acelerômetros, o padrão da indústria para detecção de vibração, foram implementados com sucesso e executados de forma confiável por décadas. Os microfones ultrassônicos MEMS têm mostrado um desempenho promissor na detecção de falhas de rolamentos antes dos acelerômetros, e essa relação simbiótica potencial pode fornecer a melhor solução de PdM para as necessidades de análise de vibração de seu parque de máquinas no futuro.

Artigo escrito por Chris Murphy e publicado no blog da Mouser Electronics: Choosing the Most Suitable Predictive Maintenance Sensor

Traduzido e Adaptado por Equipe Embarcados.

Licença Creative Commons Esta obra está licenciada com uma Licença Creative Commons Atribuição-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.

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