Instrumentation (1) - Cours de Mécanique industrielle avec Maxicours

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Instrumentation (1)

Le capteur de vibrations est l'élément clé de la mesure des vibrations. C'est grâce à lui que tout est rendu possible. Vous commencerez donc par vous familiariser avec les différents types de capteurs de vibrations disponibles sur le marché.

Il sera question, entre autres, de leur principe de fonctionnement, des avantages et des désavantages de chacun ainsi que du choix du capteur de vibrations. Une attention toute particulière sera accordée au montage de l'accéléromètre. Vous poursuivrez votre apprentissage avec l'étude des principales caractéristiques et commandes du mesureur de vibrations et du stroboscope portatif.

1. Capteurs de vibrations

La première étape conduisant à l'obtention d'une lecture de vibrations consiste à convertir la vibration mécanique produite par une machine en un signal électrique équivalent. Cette opération est réalisée au moyen des capteurs de vibrations. On retrouve parmi les capteurs les plus couramment utilisés le capteur de déplacement, le capteur de vitesse et l'accéléromètre.

Les capteurs de vibrations se divisent en deux catégories caractérisées par le type de mesure à effectuer. S'agit-il d'une mesure de vibration absolue ou bien d'une mesure de vibration relative ? Dans le premier cas, le capteur de vibrations est monté en un point quelconque sur la machine (figure ci-dessous).

La mesure effectuée tient alors compte de tous les phénomènes vibratoires transmis par la structure de la machine au point de montage du capteur. Dans le deuxième cas, seule la vibration produite par le mouvement de l'arbre ou du rotor par rapport à une position de référence est mesurée. La figure ci-après vous montre les capteurs de vibrations associés à chacun des types de mesures.

Capteurs de vibrations :

2. Capteur de déplacement

Le capteur de déplacement est un instrument qui produit un signal électrique directement proportionnel au déplacement relatif de la vibration d'un arbre ou d'un rotor. Il est monté en permanence à l'intérieur du palier (figure suivante). Il s'agit d'un capteur "non-contact", c'est-à-dire que le capteur n'entre jamais en contact avec la surface en vibration.

Capteur de déplacement :

Le capteur de déplacement est utilisé pour toutes les applications où la surveillance des jeux entre les arbres et les paliers s'avère essentielle. C'est pourquoi l'on retrouve des capteurs de déplacement installés sur la plupart des turbines hydroélectriques et des turbomachines.
a. Principe de fonctionnement

Un oscillateur (appareil qui génère un signal oscillatoire) envoie un signal d'amplitude constante à très haute fréquence au capteur. Le signal, appelé signal porteur, produit un champ magnétique en passant au travers de la petite bobine située à l'extrémité du capteur (figure suivante).

L'arbre situé à proximité absorbe une partie de l'énergie du champ magnétique qui, à son tour, produit une réduction proportionnelle de l'amplitude du signal porteur (modulation).

Schéma de fonctionnement d'un capteur de déplacement :

Plus l'arbre se rapproche du capteur, plus l'amplitude du signal s'en trouve affectée. La modulation du signal porteur traduit donc l'importance du déplacement relatif de l'arbre par rapport au palier. Le signal est ensuite démodulé et la vibration, déplacement de crête- à-crête, est mesurée.

L'unité utilisée est le µm (10-6 m) ou le mils (10-3 pouce) : 1 mils = 25,4 µm.

b. Avantages

Les principaux avantages associés à l'emploi du capteur de déplacement sont :

• la mesure directe du mouvement de l'arbre ;

 l'absence d'usure (aucun élément mobile) ;

 la mesure faite directement en unités de déplacement ;

 le fonctionnement jusqu'à des fréquences extrêmement faibles.

c. Désavantages

Les principaux désavantages associés à l'emploi du capteur de déplacement sont :

 la mauvaise qualité du signal occasionnée par la présence d'irrégularités à la surface des arbres ;

 l'installation minutieuse requise ;

 la très faible gamme dynamique du capteur (la gamme dynamique est le rapport de l'amplitude la plus élevée à l'amplitude la plus faible qui puisse être mesurée) qui est de l'ordre de 100/1 ;

la gamme de fréquences limitée du capteur qui n'excède pas en pratique 200 Hz.

3. Capteur de vitesse

Le capteur de vitesse produit un signal électrique directement proportionnel à la vitesse de la vibration absolue mesurée. On l'utilise pour la surveillance générale des vibrations sur les machines industrielles.

a. Principe de fonctionnement

Le capteur de vitesse se compose essentiellement d'une bobine supportée par des ressorts et d'un aimant permanent fixé au boîtier du capteur (figure suivante). L'aimant fournit un puissant champ magnétique autour de la bobine suspendue. Lorsque le capteur est fixé sur une machine qui vibre, l'aimant permanent suit le mouvement de la vibration pendant que la bobine demeure stationnaire.

Dans ces conditions, le mouvement du champ magnétique qui traverse la bobine génère une tension dont l'amplitude est proportionnelle à la vitesse de la vibration. Le signal est ensuite transmis du capteur au mesureur de vibrations.

Capteur de vitesse :

L'unité utilisée est le mm/s ou pouce/s : 1 po/s = 25,4 mm/s.
b. Avantages

Les principaux avantages associés à l'emploi du capteur de vitesse sont :

• un signal électrique de sortie généré sans avoir recours à une source d'alimentation externe ;

 la simplicité de l'instrumentation requise pour la mesure du signal.

c. Désavantages

Les principaux désavantages associés à l'emploi du capteur de vitesse sont :

- l'usure des éléments mobiles,

- la grande dimension du capteur,

- une faible gamme dynamique de l'ordre de 1 000/1,

- la sensibilité du capteur aux champs magnétiques,

- la sensibilité du capteur à son orientation,

- la limite élevée dans les basses fréquences (> 10 Hz).

4. Accéléromètre

L'accéléromètre produit un signal électrique directement proportionnel à l'accélération de la vibration absolue mesurée. L'accéléromètre est le type de capteur le plus répandu aujourd'hui pour les mesures de vibrations des machines. Sa conception permet de mesurer efficacement non seulement l'accélération, mais aussi la vitesse et le déplacement (absolu).

En effet, les instruments de mesure qui utilisent un accéléromètre comportent des circuits électroniques (intégrateurs) permettant de sélectionner le paramètre de vibration requis.

a. Principe de fonctionnement

Le cœur de l'accéléromètre est constitué de petits éléments d'un matériau piézoélectrique. On qualifie un matériau de piézoélectrique quand une déformation du matériau, par compression ou par cisaillement, produit un signal électrique.

La figure suivante vous montre le schéma d'un accéléromètre où une masse est rattachée à chacun des éléments piézoélectriques. Le mouvement vibratoire de la base de l'accéléromètre est transmis à la masse qui agit à son tour sur chaque élément piézoélectrique avec une force égale au produit de la masse par sa propre accélération.

Ceux-ci produisent alors une charge électrique proportionnelle à la force appliquée. Les masses étant constantes, la charge produite par les éléments est également proportionnelle à l'accélération des masses.

Schéma d'un accéléromètre :

Le signal fourni par un accéléromètre possède un niveau si faible qu'il doit passer par un préamplificateur de charge dans le but d'en faciliter la mesure et l'analyse. Le rôle du préamplificateur consiste essentiellement à convertir la charge produite par la déformation des éléments piézoélectriques en un signal de tension équivalente.
L'unité utilisée est le m s-2 ou le g : 1 g = 9,81 m/s2.
b. Avantages

Les principaux avantages associés à l'emploi d'un accéléromètre sont :

• une gamme dynamique très grande,

 une gamme de fréquences très large,

 un signal électrique de sortie généré sans avoir recours à une source d'alimentation externe,

 l'absence d'éléments mobiles,

 un montage possible dans n'importe quelle direction,

 une excellente performance dans les conditions environnementales les plus sévères,

 la faible dimension des capteurs.

c. Désavantages

Les principaux désavantages associés à l'emploi de l'accéléromètre sont :

 l'impossibilité d'effectuer des mesures à des fréquences extrêmement faibles (< 0,1 Hz),

 le traitement du signal provenant de l'accéléromètre qui requiert une technologie plus sophistiquée, et donc plus dispendieuse, que celles utilisées par les deux autres types de capteurs.

d. Accéléromètre à préamplificateur intégré

Un nombre croissant d'accéléromètres sont équipés aujourd'hui d'un préamplificateur intégré (figure suivante). Ils nécessitent une source d'alimentation externe à courant constant qui est beaucoup plus facile à construire qu'un préamplificateur de charge conventionnel.

Néanmoins, l'électronique intégrée aux accéléromètres restreint les gammes dynamiques et thermiques de ceux-ci. Par exemple, la gamme des températures typiques d'un accéléromètre est de - 70 à 250°C, alors qu'elle est limitée à une plage allant de - 50 à 125°C pour un accéléromètre à préamplificateur intégré.

Schéma d'un accéléromètre à préamplificateur intégré :

e. Choix du capteur de vibrations

Si les capteurs de déplacement relatif sont tout indiqués pour certaines applications spécifiques de surveillance d'arbres, les capteurs sismiques, sensibles aux vibrations absolues, sont mieux adaptés à la surveillance générale des machines.

Bien que les capteurs de déplacement relatif aient une gamme de fréquences pouvant aller (théoriquement) jusqu'à 10 000 Hz, ils ne peuvent détecter efficacement que les composantes fréquentielles en basses fréquences. Leur gamme dynamique ne peut habituellement pas couvrir les harmoniques supérieurs de la vitesse de rotation de l'arbre ou du rotor.

Les capteurs sismiques les plus courants sont le capteur de vitesse et l'accéléromètre piézo-électrique. L'accéléromètre est de loin le plus utilisé en raison de sa grande gamme dynamique, de l'étendue de sa gamme fréquentielle, de ses dimensions réduites, de sa fiabilité et de sa robustesse.

En effet, comme beaucoup de situations de surveillance nécessitent un gamme de mesures en fréquences bien supérieures à 1 000 Hz et une détection d'amplitudes dans un rapport dépassant largement 1 000/1, le choix de l'accéléromètre piézoélectrique s'impose de lui-même.

Une comparaison visuelle de la gamme dynamique et de la gamme de fréquences des capteurs de vibrations vous est montrée à la figure suivante.

Gamme dynamique et gamme de fréquences des capteurs :

f.  Montage de l'accéléromètre

Dans toutes les mesures de vibration, la qualité et la fiabilité du signal d'entrée ont une importance cruciale. En effet, l'instrument de mesure le plus sophistiqué ne peut pas produire des résultats fiables à partir de données qui ne le sont pas. Aussi, comme la nature des vibrations varie selon le type de défauts rencontrés sur les machines, le capteur de vibrations doit fonctionner dans une gamme très étendue et de façon sûre.

En ce sens, le montage même de l'accéléromètre aura un effet significatif sur le résultat des mesures et c'est pourquoi vous devez y accorder une attention toute particulière.

Position de montage :

Le choix de l'emplacement de montage de l'accéléromètre doit être fait en considérant une position qui reflète la direction du phénomène vibratoire visé par la mesure. De plus, l'accéléromètre doit toujours être monté, chaque fois que cela est possible, dans une position qui assure un chemin de transmission court et rigide vers la source des vibrations.

Comme les forces internes d'une machine sont transmises à l'ensemble de la structure par l'entremise des paliers, ceux-ci sont considérés comme de bons emplacements pour le montage d'un accéléromètre.

La figure ci-dessous vous montre le schéma d'un palier sur lequel les accéléromètres ont été placés en vue d'assurer un trajet direct aux vibrations provenant du roulement.

L'accéléromètre (A) mesure directement les vibrations radiales du roulement, tandis que l'accéléromètre (B) mesure des vibrations qui sont modifiées par leur transmission à travers un joint superposé aux vibrations des autres composants de la machine. De façon similaire, l'accéléromètre (C) est placé sur un trajet de vibration plus direct que l'accéléromètre (D).

Vous aurez compris que les positions B et D ne sont pas recommandées et que le choix entre les positions A et C dépend uniquement de l'objectif visé par la mesure.

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