Calibração de sistemas convencionais e sensores sem fio

No conceito da indústria 4.0 está a digitalização de processos e, nesse contexto, encontra-se o sensoriamento de máquinas industriais.

O sensoriamento permite o monitoramento de ativos e pode ser utilizado pela manutenção preditiva na tomada de decisão.  A partir de parâmetros coletados das máquinas, como por exemplo vibração e temperatura, é possível acompanhar a condição de um ativo em tempo real. 

Através de sensores sem fio, lugares que antes, por questões de acesso ou segurança,  não eram passíveis de coleta de dados, hoje são pontos que podem ser facilmente monitorados.

E esse é justamente o core business da Dynamox, desenvolver sistemas de monitoramento sem fio para ativos industriais. 

Com a expansão do uso de sensores deste tipo, algumas mudanças de paradigma são inevitáveis como a eliminação da necessidade de deslocamento até as máquinas, por inspetores de campo, para coleta de parâmetros.

Com o uso de sensores sem fio instalados nestas máquinas, esse processo pode ser automatizado e os inspetores podem ser alocados a outras tarefas, como a de  análise dos dados gerados.

Aumento significativo do número de dispositivos

No método tradicional de coleta de dados através de coletores offline utilizados pelos inspetores em suas rotas, cada empresa possui uma ou algumas unidades desses dispositivos.

Já no monitoramento sem fio, com sensores que ficam fixos nas máquinas, é comum que as indústrias possuam centenas ou milhares desse tipo de sensor, visto que cada um deles fica responsável pelo monitoramento de um ponto específico de um ativo.

Mudanças no processo de calibração

O processo de calibração de sistemas de aquisição de sinais é parte vital para assertividade dos dados coletados, pois garante a precisão do sistema de medição como todo. 

Esse processo de calibração é facilitado em sistemas de monitoramento tradicionais manuais que já comentamos anteriormente, pois existem poucos dispositivos a serem calibrados, enquanto em sistemas de monitoramento automatizado, com milhares de sensores instalados fixamente em máquinas industriais, esse processo se torna inviável.

No caso de coletores offline do método tradicional, a calibração deve levar em consideração o sensor (em geral, piezoelétrico e analógico), os cabos, conexões (se houver) e coletor, uma vez que a calibração somente do sensor garante dados de coleta mais confiáveis, mas não garante a não contaminação de ruído nas coletas e, por consequência, a medição como todo.

Por outro lado, a calibração de sistemas de monitoramento automatizado sem fio considera apenas o sensor individualmente e, portanto,  tem menos incertezas associadas com as medições.

Nesse texto, vamos dar mais detalhes de como funciona o processo de calibração dos DynaLoggers (sensores sem fio de coleta de vibração e temperatura desenvolvidos pela Dynamox).

Porém, antes vamos entender melhor como funciona o processo de calibração dos sistemas tradicionais (coletores offline).

Calibração de sistemas convencionais (coletores offline)

O processo de verificação dos sistemas convencionais está focado na calibração do sensor (acelerômetro), a qual é regulamentada pela norma ISO 16063, dando ênfase para as seguintes partes:

• 16063 – Part 11. Primary vibration calibration by laser interferometry (Calibração primária de vibração por interferometria a laser)
• 16063 – Part 13. Primary shock calibration by laser interferometry (Calibração de choque primário por interferometria a laser)
• 16063 – Part 21. Vibration calibration by comparison method (Calibração da vibração pelo método de comparação)
• 16063 – Part 22. Shock calibration by comparison method (Calibração de choque pelo método de comparação)

Essas normas padronizam a calibração baseada na obtenção da sensibilidade e resposta em frequência do sensor.

Na terminologia técnica, um acelerômetro é um transdutor, o que significa que ele transduz energia mecânica (vibração) em energia elétrica (carga elétrica), onde a sensibilidade pode ser entendida como a razão dessa transdução.

Assim, essa abordagem assume que o sensor tem saída analógica por natureza, conforme mostra a Figura 1.

O acelerômetro de referência (calibrado e com alta precisão) e o acelerômetro não calibrado são expostos a um sinal de vibração pré-definido e gerado pelo excitador (shaker).

Com o uso do conversor analógico digital capta-se o sinal de tensão elétrica gerada por ambos os acelerômetros.

A sensibilidade (Ss) relaciona a tensão (V) gerada pelo sensor com o valor de aceleração (Ar) ao qual ele estava exposto (medido pelo acelerômetro de referência), dessa forma, obtém-se uma sensibilidade com a equação abaixo:

Ao realizarmos um paralelo entre a calibração de sistemas tradicionais com o contexto de aplicação dos Dynaloggers, duas questões devem ser consideradas:

1. Visto que os sensores são instalados de forma fixa nas máquinas que monitoram, seria necessário removê-los de onde estão instalados. Isso significa parar o funcionamento do ativo para remoção do(s) dispositivo(s) e, a partir disso, aplicar o procedimento de calibração. Esse ponto torna-se ainda mais inviável se considerarmos a quantidade de sensores que vários de nossos clientes possuem.
2. O método de calibração proposto pela norma não pode ser aplicado aos acelerômetros utilizados nos Dynaloggers, pois neles estão presentes sensores com saída digital (ver Figura 1). Diferente dos acelerômetros tradicionais, cuja sensibilidade é calculada em unidade de volt por gravidade (V/g) ou volt por segundo ao quadrado (V/m/s²), os acelerômetros utilizados nos DynaLoggers possuem unidades de bit menos significativos por unidade de aceleração (LSB/g ou LSB/m/s²). 

Atualmente não existe um processo regulamentado em norma para calibração de sensor de aceleração com saída digital. Para entender melhor as particularidades desse tipo de sensor, a seguir vamos detalhar o funcionamento desses acelerômetros digitais.

Acelerômetros MEMS digitais

Os DynaLoggers são equipados com acelerômetros do tipo MEMS (Micro-Electro Mechanical Systems) fabricados em silício com a tecnologia de microusinagem e são modelos já consolidados no mercado, comercializados desde meados de 2015.

Sensores MEMS possuem estruturas mecânicas, que podem ser descritas como um sistema massa-mola, onde a mola deforma gerando uma variação de capacitância que, por sua vez, gera um sinal de tensão elétrica proporcional à aceleração.

A grande diferença entre os sensores convencionais é que o condicionador de sinal e conversor analógico-digital estão integrados ao circuito do acelerômetro.

Nesse condicionamento do sinal são aplicados filtros e processamentos que garantem a resposta em frequência do acelerômetro.

Além da miniaturização do sensor de vibração, a tecnologia MEMS possui grande confiabilidade em relação a quedas e impactos no sensor.

Alguns estudos demonstram que o mecanismo de falha mais comum em acelerômetros MEMS é causado por fadiga, o que significa  que a degradação do dispositivo ocorre mais comumente por questões de uso do sensor. 

Pesquisas [1] mostram ainda que tempo médio para falha (mean-time-to-failure, ou MTTF) por efeito de fadiga dos elementos mecânicos de um acelerômetro MEMS é de cerca de 1,9×1081 s (no pior dos casos) [4], o que indica que que sensores MEMS possuem alta resistência à fadiga mecânica. 

Mesmo em condições de degradação aceleradas (em altas temperaturas, frequência e amplitude), a taxa de falha estimada é pouco comprometida [2].

Portanto, com base nesses estudos de robustez espera-se que com a vida útil estimada entre 3 e 5 anos, um DynaLogger não sofra mudanças em sua resposta dentro desse período.

Como funciona então a calibração dos DynaLoggers?

Todos os sensores presentes nos DynaLoggers, seja o acelerômetro ou sensor de temperatura, são calibrados pelos respectivos fabricantes.

Os fabricantes dos acelerômetros MEMS utilizados nos DynaLoggers corrigem o ganho e sensibilidade de cada acelerômetro com rotinas de compensação armazenados na memória interna do sensor.

Cada vez que o dispositivo é acionado, os valores de compensação são carregados, dispensando a necessidade de calibrações seguintes.

Além disso, os sensores passam por verificações dentro do nosso rigoroso processo de qualidade, onde a Dynamox é certificada ISO 9001. Os sensores são testados em duas etapas durante o processo produtivo. 

O primeiro procedimento de teste está preocupado em verificar a resposta em frequência do acelerômetro e a assertividade da sensibilidade digital.

Nesse procedimento, também chamado de back-to-back, utilizamos um acelerômetro mais sensível e calibrado junto de um dispositivo que gera sinais de vibração para expor o DynaLogger a um sinal conhecido.

Por comparação, são avaliados os valores medidos pelo DynaLogger e os valores medidos pelo acelerômetro calibrado, a fim de determinar o erro e as incertezas da coleta.

Esse processo é feito de forma amostral antes da produção de cada lote de DynaLoggers. 

O segundo procedimento visa garantir que o processo de montagem do DynaLogger não interfira na resposta do acelerômetro.

Dessa forma, utilizando uma bancada específica, vários DynaLoggers são expostos a um sinal de vibração conhecido que consegue excitar até 20 DynaLoggers e seus três eixos simultaneamente.

Esse processo é feito diariamente em lotes durante o processo de produção. 

Além dessas etapas de calibração, os testes de qualidade ainda continuam.

Os DynaLoggers são instalados para monitorar um ativo e o sistema que gerencia os sensores de temperatura e vibração dentro dos DynaLoggers realiza verificações dos dados medidos.

Sempre que o sistema detecta que dados incoerentes foram adquiridos, acontece o descarte dos dados, impedindo que falsos valores sejam apresentados para os analistas. 

A resposta dos DynaLoggers após um longo período em uso

Com o propósito de verificar as condições de funcionamento dos DynaLoggers em operação, utilizamos como exemplo dois DynaLoggers que estavam instalados em uma máquina de nossos clientes. 

Durante a produção dos dispositivos, ou seja, antes da instalação em campo, uma amostra do lote foi medida para inspeção de qualidade, e os resultados ficaram salvos no banco de dados da Dynamox.

Com estes DynaLoggers, mostrados nas fotos abaixo, foram executadas comparações back-to-back com um acelerômetro de referência calibrado, e estimada a função resposta em frequência dos DynaLoggers.

A figura abaixo mostra a comparação da resposta desses DynaLoggers antes e depois da instalação e operação em campo.

Como pode ser observado no gráfico, apesar de claramente o DynaLogger ter sido instalado em ambiente bastante agressivo, vide presença de rachaduras, marcas de contato com produtos químicos e leve oxidação, pode-se notar que a resposta em frequência deste DynaLogger não sofreu alterações significativas, evidenciando assim a robustez e a assertividade do método de calibração e testagem adotado.

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