Monitorizarea Sistemelor Industriale Folosind Senzori de Vibratie

Capitolul I

SISTEME DE MONITOARIZARE

FOLOSIND VIBRAȚIILE

I.1. ZGOMOTE ȘI VIBRAȚII [1], [2], [3]

Unul din simțurile întâlnite la oameni și la majoritatea animalelor este auzul. Acesta nu este folosit doar pentru recepția informațiilor generate prin intermediul corzilor vocale de către membri ai aceeași specii sau ai altor specii, ci și pentru culegerea de informații din mediul înconjurător. Astfel, aceste informații pot fi numite și sunete.

Din perspectivă fiziologică, sunetul nu este altceva decât senzația percepută de creier prin intermediul organului auditiv și cauzată de vibrațiile unei surse transmise printr-un mediu material sub formă de unde acustice. Urechea umană este sensibilă la sunete sau vibrații de frecvențe cuprinse între 20 Hz și 20 kHz sau 20 000 de vibrații pe secundă, cu un maxim de sensibilitate auditivă în jurul frecvenței de 3 500 Hz. Intervalul de sensibilitate al organului auditiv uman se micșorează odată cu avansarea în vârstă, frecvențele înalte devenind inaudibile.

Din punct de vedere fizic, sunetul reprezintă energia mecanică produsă de o perturbație și propagată sub formă de unde printr-un mediu material. Astfel, sunete sunt și vibrațiile produse la frecvențe din afara domeniului de sensibilitate al organului auditiv uman: infrasunete (20 Hz) și ultrasunete (peste 20 kHz).

Infrasunetele sunt oscilațiile sonore pe care urechea umană nu le percepe datorită frecvenței lor foarte joasă, situată sub 20 Hz. Există și specii, ființe marine dar și terestre, care percep infrasunetele ce preced apariția unor fenomene naturale ca furtunile, uraganele, tornadele și chiar cutremurele și erupțiile vulcanice.

Deși oamenii nu percep în mod direct prezența infrasunetelor, apar totuși unele modificări în starea fizico-psihică a acestora, modificări care confirmă că omul este influențat de aceste sunete cu frecvență joasă. Din măsurătorile efectuate, s-a constat că infrasunetele cu frecvențe de circa 7 Hz pot afecta grav sistemul nervos și sistemul circulator, provocând chiar și moartea.

Ultrasunetele reprezintă sunetele produse de vibrații ale unui mediu elastic la frecvențe dincolo de gama acustică a auzului uman. În condițiile în care sunetul se produce la frecvențe cuprinse între 20 și 20 000 Hz, ultrasunetele apar de la frecvențe peste pragul de 20 kHz.

Sunetul, lumina dar și alte fenomene purtătoare de anumite informații se propagă în spațiu sub formă de unde.

Unda nu este altceva decât o perturbație periodică în structura unui solid, lichid sau gaz datorată energie transmise prin mediul respectiv. Cu alte cuvinte, prin unde se exercită forțe și se transferă energie dintr-un loc în altul fără a se deplasa efectiv materia odată cu unda.

Undele pot fi periodice sau neperiodice. Cele periodice descriu miscări ce urmează un model de deplasare succesiv regulată. În această categorie a undelor periodice se includ valurile oceanului, undele sonore și undele electromagnetice. Printre altele, undele electromagnetice includ și spectrul lumini vizibile precum și undele radio.

Dacă undele electromagnetice implică doar energia, undele mecanice și cele sonore implică și materia dar asta nu înseamnă că realizează un transfer de materie, ci doar un transfer de energie prin intermediul materiei. De exemplu, moleculele de apă din creasta unui val oceanic se rotesc în aceeași direcție cu valul în timp ce moleculele de la baza valului se rotesc în sens invers direcției de înaintare a acestuia neexistând o mișcare netă a apei ci doar o propagare a energiei odată cu valul. Pe același principiu se bazează și undele sonore, singura diferență reprezentând-o tipul energiei transmise.

Toate tipurile de undă se evaluează pe baza următoarelor caracteristici:

a). Viteza de propagare (v) calculată în metri pe secundă;

b). Lungimea de undă (λ) reprezintă distanța sau perioada spațială dintre două puncte din spațiu între care defazajul relativ al oscilațiilor este de 2π radiani. Mai simplu, lungimea de undă este perioada de repetare în spațiu a unui fenomen periodic.

Legătura dintre lungimea de undă și viteza de propagare a undei este dată de relația (2):

unde: T – perioada undei;

v – viteza de propagare a undei în mediul respectiv;

f – frecvența undei.

c). Frecvența (Hz) este măsura numărului de oscilații ale unei unde în unitatea te timp (1s).

d). Perioada (T) reprezintă timpul necesar ca o undă să efectueze un ciclu complet și este inversa frecvenței.

d). Amplitudinea poate fi definită ca deplasarea maximă a particulelor care oscilează față de poziția lor normală.

Valurile oceanului sunt un exemplu de unde transversale, unde vibrația sau mișcarea particulelor este perpendiculară pe direcția de deplasare a undei. În cazul undelor longitudinale, mișcarea particulelor este pe aceeași direcție cu cea a undei. Dacă undele transversale pot fi ușor de perceput prin analizarea frecvenței și amplitudinii acestora, undele longitudinale, ca undele sonore, pot fi înțelese ca o serie de fluctuații în densitatea lor.

Pentru ca o undă să se numească undă sonoră, ea trebuie să provoace o senzație auditivă și să îndeplineacă următoarele caracteristici:

durata să fie mai mare de 0,06 secunde;

frecvența să fie cuprinsă în intervalul 20 – 20 000 Hz;

intensitatea să fie peste pragul de audibilitate de 10-12 W/m2.

Regiunea din spațiul în care se propagă undele sonore se numește câmp sonor iar mărimea care îl caracterizează se numește presiune sonoră. Ea este definită ca diferența între valoarea de presiune într-un punct din cțmpul sonor în prezența undelor sonore și valoarea de presiune în absența undelor sonore. Valoarea presiunii sonore este dată de relația (1):

unde: T – perioada semnalului;

A – amplitudinea semnalului;

d – densitatea câmpului sonor;

c – viteza de propagare a undei sonore.

Viteza de propagare a undelor sonore depinde de elasticitatea și densitatea mediul de propagare și crește odată cu creșterea temperaturii. Exemple de medii de progare și viteza aferentă:

aer la 20º C: 343 m/s;

apă dulce: 1435 m/s;

oțel: 5100 m/s.

Important de reținut este faptul că acustica este știința care se ocupă cu studiul sunetului, de la generarea, propagarea, controlul și recepția undelor mecanice și a vibrațiilor până la modul lor de interacționare cu diferite materiale și efectele pe care le generează.

Poluarea sonoră, fonică sau acustică este o componentă a poluării mediului, produsă de zgomote.

Zgomotul este un caz particular al sunetului și este definit ca un complex de sunete sau vibrații sonore fără un caracter periodic și fără încărcătură informațională care se propagă prin diverse medii și care creează o senzație neplăcută la nivelul urechii.

Oamenii de știință definesc zgomotul ca o suprapunere dezordonată de sunete cu frecvențe și intensități diferite.

La nivelul organismului uman, poluarea sonoră provoacă în funcție de intensitate, frecvență și durată o gamă largă de efecte, începând cu o ușoară oboseală și continuând până la stări nevrotice grave și chiar traumatisme la nivelul organului auditiv. Expunerea la zgomote pentru o lungă durată de timp poate antrena modificări de comportament și chiar reducerea capacității intelectuale. Poluarea sonoră de mare intensitate și pe o perioadă mare de timp are efecte negative și asupra presiunii arteriale, asupra aparatului respirator și chiar asupra proceselor de imunitate.

Alte afecțiuni provocate de zgomote:

Oboseala auditivă este caracterizata printr-o scădere temporară a pragului percepției auditive; ea se accentueaza în cazul măririi intensiății, frecvenței și timpului de expunere la zgomot. Astfel, un zgomot cu intensitate de peste 92 dB și cu o frecvență cuprinsă între 500 și 800 Hz produce după 60 de minute de expunere o scădere temporară a sensibilității organului auditiv;

Traumatismul sonor. Expunerea bruscă la zgomot puternic chiar daca timpul de expunere este mic poate cauza ruptura timpanului. Astfel de situații se apar în cazul unor explozii, împușcături, erupții intense de gaze din recipiente sub presiune. Dupa vindecarea leziunii poate persista surditatea pentru sunete cu frecvențe de peste 9000 Hz.

Surditatea profesională se datorează efectuării anumitor activități expuse în mod deosebit la zgomot. Surditatea datorată zgomotelor se caracterizează printr-o pierdere definitivă și ireversibilă a audiției.

Efectele negative ale zgomotului nu se revarsă doar asupra oamenilor ci și asupra animalelor. De exemplu, concomitent cu exercițiile militare efectuate de mai multe nave ale NATO în Septembrie 2002 între strâmtoarea Gibraltar și Insulele Canare, pe plajele din apropiere au fost găsite 14 balene cu cioc. În urma autopsiei s-au constat leziuni la nivelul urechii interne, leziuni provocate de sonarele militare de joasă frecvență folosite pentru detectarea submarinelor.

Caracteristicile fizice care oferă informații importante cu privire la zgomote sunt:

a). Intensitatea este caracteristica cea mai importantă și depinde de trăsăturile sursei, de distanța și posibilitățile de transmitere sau multiplicare. Nivelul de intensitate al unui zgomot se măsoară în decibeli iar nivelul de tărie în foni.

Decibelul (dB) este o mărime fizică și reprezintă unitatea logaritmică calculată pornind de la pragul absolut de audibilitate de 0 dB pentru un sunet de 1000 Hz. Pe scară logaritmică rezultatul adunării a două nivele de zgomot identice nu este un nivel de zgomot dublu, ci același nivel individual de zgomot la care se mai adună trei decibeli.

Fonul este unitatea fiziologică de măsura a percepție de către urechea umană a celei mai slabe excitații sonore. S-a admis ca valoare de 80 pe scară de decibeli sau pe scară de foni reprezintă pragul la care intensitatea sunetului devine nocivă.

b). Durata reprezintă timpul cât excitantul sonor (zgomotul) acționează asupra analizatorului auditiv. Efectul nociv al zgomotului este direct proporțional cu durata acestuia iar peste anumite limite de suportabilitate se ajunge la o stare de psihoză. S-a observat că dacă zgomotul intens acționeaza un anumit timp asupra urechii drepte iar apoi asupra celei stangi, persoana respectivă are senzația că zgomotul este mult mai intens decât cel pe care îl auzea anterior cu urechea dreaptă. În acest caz se poate spune că urechea dreaptă s-a adaptat la zgomot.

c). Frecvența reprezintă numărul de vibrații acustice într-o secunda și se măsoară în număr de perioade pe secundă sau Hz. În banda de frecvențe 1 000 – 5 000 Hz în care urechea are sensibilitatea cea mai ridicată, înălțimea este direct proporțională cu frecvența. Sunetele joase cuprind gama de frecvente din intervalul 30 – 400 Hz; cele mijlocii 400 – 1 000 Hz iar cele înalte peste 1 000 Hz.

Nivelul zgomotului dintr-un mediu se măsoară ținând cont atât de intensitatea, cât și de frecvența sunetelor care îl compun.

Dacă sunetul și zgomotul sunt la bază niște vibrații mecanice, vibrația este un fenomen dinamic care apare în medii elastice ca o mișcare oscilatorie a unei particule sau a unui corp în jurul poziției sale de echilibru ca răspuns la o excitație locală și care se propagă prin mediul respectiv sub formă de unde. Poziția de echilibru este considerată poziția în care forța ce acționează asupra corpului respectiv este nulă. Mișcarea browniană sau agitația termică este și ea o formă de vibrație a cărei intensitate crește odată cu creșterea temperaturii.

După forma lor de manifestare, vibrațiile pot fi continue sau intermitente, periodice sau neperiodice.

Vibrația este un fenomen întâlnit zilnic, acasă, în mijlocul de transport, la lucru și poate fi percepută de om ca trepidații, zgomote și/sau sunete.

După modalitatea de transmitere a vibrațiilor către om, avem:

vibrații transmise întregului corp;

vibrații transmise sistemului mână – braț.

I.2. MONITORIZAREA PRIN VIBRAȚII [1], [4], [5], [6], [7], [8]

Vibrațiile sunt întâlnite în activitatea curentă, de la bătăile inimii, alergatul și mersul pe jos și trepidațiile clădirilor la cutremure, la vibrațiile instrumentelor muzicale, ale perforatoarelor pneumatice, ale benzilor transportoare oscilante, precum și la echipamentele industriale și la cele electrice.

Mișcarea de vibrație a unui ansamblu de componente poate fi descrisă ca fiind o combinație de mișcări individuale împărâite în șase tipuri diferite. Acestea tipuri sunt mișcări de translație și de rotație de-a lungul și în jurul celor trei direcții ortogonale X, Y, și Z. Orice mișcare complexă a unui sistem poate fi descompusă într-o combinație a acestor șase tipuri de mișcări simple și vom spune că un astfel de  sistem are șase grade de libertate.

Un ceas cu pendul a cărui mișcare este restricționată într-un singur plan va fi un sistem cu un singur grad de libertate. Tot un sistem cu un singur grad de libertate este și cabina unui lift care se deplasează numai sus-jos. Pe de altă parte, o navă se poate deplasa în amonte și în aval (pe direcția provă-pupă), în sus și în jos, în lateral (balans babord și tribord), sau se poate înclina față-spate, se poate roti în jurul axei verticale (girație), și în jurul axei babord-tribord, deci are șase grade de libertate.

Dezvoltarea accelerată a industriei din ultimele decenii a dus la o creștere a numărului și surselor de zgomot și vibrații.

Cercetări științifice efectuate pun în evidență faptul că vibrațiile și zgomotele care depășesc anumite intensități și durate contribuie negativ la modificarea caracteristicilor funcționale și de siguranță ale echipamentelor și instalațiilor.

Deoarece zgomotele iau naștere ca urmare a vibrației unui corp, ele pot fi grupate după natura forțelor care produc aceste vibrații astfel:

a). Zgomote produse prin ciocnire – sunt generate de acțiunea unei forțe datorită ciocnirii, în urma căreia un corp poate vibra ca un tot. Intensitatea vibrației depinde de natura materialelor din care sunt confecționate corpurile care se ciocnesc de masa corpului care vibrează, precum și de dimensiunile acestuia. Aici se încadrează zgomotele produse de ciocanele pneumatice și de forjă, polizoare, războaie de țesut, mașini de ștanțat, ș.a.

I.3. EXEMPLE DE SISTEME DE MONITORIZARE

În

VI.3.a. Electrocutarea prin atingere directă