Instrumentation (2) - Cours de Mécanique industrielle avec Maxicours

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Instrumentation (2)

1. Techniques de montage

La méthode de montage de l'accéléromètre sur la surface de mesure est l'un des facteurs les plus critiques pour l'obtention de résultats précis et reproductibles.

La figure ci-après vous montre trois types de montage parmi les plus courants.

• Le montage idéal est réalisé à l'aide d'un goujon fileté sur une surface plate et lisse. L'inconvénient de cette méthode est le temps requis pour préparer la surface de montage, percer et tarauder le trou. C'est pourquoi le montage par goujon est réservé aux applications où la fixation en permanence de l'accéléromètre est requise.

Une sonde tenue à la main au sommet de laquelle l'accéléromètre est vissé est très pratique, mais conduit à des erreurs de mesure importantes dans une gamme de fréquences ne dépassant pas 1 kHz. La pratique de cette technique de montage est déconseillée en tout temps.

Le montage d'un accéléromètre sur un aimant, comme le montre la figure 2.9, est la méthode la plus couramment utilisée aujourd'hui. La rapidité du montage rend cette technique idéale pour la mesure périodique des vibrations sur les machines industrielles. Tant que vous vissez solidement l'accéléromètre sur son aimant et que la surface de montage est suffisamment plate et lisse pour assurer un très bon contact, la performance de l'accéléromètre demeurera, sous ses conditions, tout à fait acceptable.

Techniques de montage :

La clé d'une mesure précise et reproductible se trouve dans la rigidité du montage. Plus le montage est rigide, mieux se comportera l'accéléromètre et meilleurs seront les résultats. Vous pouvez améliorer la rigidité du montage sur un aimant en appliquant une fine couche de graisse de silicone ou encore une goutte de colle cyanoacrylate lock tight entre la base de l'accéléromètre et l'aimant.

De la même façon, une pratique répandue est de coller un disque en acier inoxydable aimanté à l'aide d'un adhésif époxy directement sur le palier dans la position de montage désirée. Vous obtenez ainsi une surface de montage toujours propre, un montage très rigide et une reproductibilité des mesures assurée puisque les mesures se prennent toujours au même endroit.

2. Mesureur de vibrations

Le mesureur de vibrations est l'instrument le plus simple utilisé pour la mesure précise de l'amplitude vibratoire. En effet, il s'agit d'un instrument qui affiche une valeur unique indiquant, par exemple, la valeur efficace de la vitesse dans différentes gammes de fréquences.

Le mesureur de vibrations sert à effectuer des mesures précises et fiables pour assurer un fonctionnement des machines dans les limites permises et pour identifier les augmentations du niveau de vibration global. Il est conçu pour être utilisé facilement par du personnel d'entretien pour qui la mesure des vibrations n'est qu'une tâche parmi d'autres.

a. Caractéristiques

Les caractéristiques les plus courantes communes aux différents mesureurs de vibrations sont :

 une construction robuste et compacte (il peut typiquement être tenu d'une seule main),

 un capteur de vibrations incorporé (le plus courant étant un accéléromètre piézo-électrique avec ou sans préamplificateur intégré),

 la mesure dans différentes gammes de fréquences comprises habituellement entre 10 Hz et 10 kHz,

 le choix du paramètre de vibration,

 une gamme de mesure d'amplitudes typiques de l'ordre de 1 000/1 (60 dB),

 le choix dans l'affichage de la valeur efficace ou de la valeur de crête ou de la valeur de crête-à-crête (déplacement),

 une sortie analogique (sortie AC) pour une utilisation avec un enregistreur, avec un analyseur ou encore avec un casque d'écoute.

b. Commandes du mesureur de vibrations

La figure suivante vous montre un mesureur de vibrations typique qui possède la plupart des caractéristiques énumérées précédemment. Il s'agit d'un exemple parmi d'autres de l'instrumentation disponible pour la mesure et l'analyse des vibrations.

Bien qu'aujourd'hui, l'emploi d'analyseurs sophistiqués et de logiciels élaborés est de plus en plus courant, vous devez néanmoins bien comprendre les caractéristiques et les commandes associées à une instrumentation de base.

Mesureur de vibrations :

Les mots en caractères gras dans le texte qui suit correspondent aux commandes du mesureur de vibrations identifiées à la figure ci-dessus.

Entrée :

Le capteur de vibrations est connecté par l'entremise de son câble à l'entrée du mesureur de vibrations. Si le capteur est un accéléromètre, l'entrée est directement couplée à un préamplificateur de charge incorporé au mesureur de vibrations. Si le capteur est un accéléromètre à préamplificateur intégré, l'entrée fournit l'alimentation nécessaire.

Sélecteur de pondération (gammes de fréquences) :

Avant de prendre une mesure, vous devez choisir la gamme de fréquences appropriée à votre application. Vous le faites à l'aide du sélecteur de pondération qui règle la gamme de fréquences en fonction de la mesure de vibration requise :

  • "Sev" (Sévérité) qui mesure de 10 Hz à 1 kHz pour la surveillance et les mesures normalisées de qualité de vibration sur les machines ;
  • "Lin" (Linéaire) qui est la mesure de 10 Hz à 10 kHz pour les études générales et la surveillance de l'état de fonctionnement des machines ;
  • "HP" (filtre Passe-Haut) qui est la mesure de 1 kHz à 10 kHz pour la surveillance des vibrations en haute fréquence.
Prenez note que les gammes de mesure de fréquences peuvent varier selon l'instrument utilisé, voir même programmer.
Sélecteur de gammes (gammes d'amplitudes) :

La gamme dynamique d'un mesureur de vibrations simple est typiquement de l'ordre de 100/1 (40 dB). En d'autres termes, si la valeur la plus basse qui puisse être affichée sur l'instrument est de 0,1 mm/s, la valeur la plus haute ne peut excéder 10 mm/s.

Une gamme de mesure d'amplitudes de 0,1 à 10 mm/s est insuffisante pour la mesure des vibrations sur les machines industrielles. C'est pourquoi un mesureur de vibrations comporte habituellement plusieurs gammes possibles d'affichage qui fournissent une gamme globale de l'ordre de 1 000/1 (60 dB).

Vous utilisez le sélecteur de gammes pour régler la gamme de mesure en fonction de l'amplitude du signal mesurée et du paramètre de vibration choisi. Le mesureur de vibrations montré à la figure 2.10 comporte deux positions de réglage, la position basse et la position haute, pour l'accélération et la vitesse vibratoires.

Les gammes de mesure disponibles sont de 1 à 100 m/s2 et de 10 à 1 000 m/s2 pour l'accélération ; de 0,1 mm/s à 10 mm/s et de 1 mm/s à 100 mm/s pour la vitesse.

Affichage :

La visualisation des données sur un mesureur de vibrations se fait par l'entremise d'un affichage analogique (cadran ou diodes) ou numérique (à cristaux liquides). Le mesureur de vibrations montré à la figure ci-dessus se caractérise par un affichage à diodes de type "thermomètre" qui permet une lecture facile de l'amplitude vibratoire.

La valeur mesurée est indiquée sur l'affichage par l'illumination de une ou deux diodes. Deux diodes adjacentes allumées signifient que la valeur mesurée est entre les deux. Les échelles de mesure sont graduées en décibels (dB) et en unités SI. La graduation des niveaux en dB de même que la valeur maximale de l'échelle en unités SI sont affichées dans des "fenêtres" et changent automatiquement selon le réglage du sélecteur de gamme.

Sélecteur de fonctions :

Vous choisissez la mesure de l'amplitude vibratoire que vous voulez voir affichée sur le mesureur de vibrations à l'aide du sélecteur de fonctions. Parmi les fonctions couramment rencontrées, on retrouve :

  • le "RMS - Max" qui retient la valeur efficace maximale apparaissant au cours de la mesure (la valeur affichée ne changera pas tant qu'une valeur plus élevée n'est pas mesurée) ;
  • le "RMS - 1 s" qui donne une mesure continue de la valeur efficace du signal (la valeur affichée varie) ;
  • le "Peak - 1 s" qui donne une mesure continue de la valeur de crête du signal;
  • le "Peak - Leq" qui donne un affichage simultané du niveau continu équivalent (Leq) et de la valeur de crête maximale.

La fonction Leq vous donne une valeur efficace moyenne qui supprime l'incertitude sur les mesures de vibration lorsque l'amplitude du signal varie trop dans le temps. En effet, le Leq intègre la valeur efficace sur une période de temps fixe de 10 s ou 1 min, appelée "temps d'intégration".

Le temps d'intégration peut varier selon l'instrument utilisé. L'important est que vous obteniez une mesure fiable qui soit reproductible.

Indicateur de surcharge :

La plupart des mesureurs de vibrations sont équipés d'un voyant de surcharge (overload) indiquant des mesures non valables. Il vous indique que la mesure dépasse la limite supérieure de la gamme d'amplitudes choisie. Vous devez alors sélectionner une gamme appropriée pour que l'indication de la surcharge disparaisse.

Sortie AC :

Le mesureur de vibrations comporte en général une sortie analogique pour le branchement à un casque d'écoute, à un enregistreur magnétique ou numérique ou encore à un analyseur de signal.

L'époque où le personnel d'entretien muni d'un tournevis vérifiait à l'oreille l'état des roulements des machines est révolue. L'ouïe demeure cependant un analyseur de signaux très sophistiqué. L'emploi d'un casque d'écoute relié au capteur de vibrations permet d'entendre précisément les bruits de la machine.

Comparer les bruits de la machine au cours d'une période donnée revient à comparer les spectres de fréquences avec, pour une oreille expérimentée, un degré d'efficacité presque équivalent. Le casque d'écoute est particulièrement utile pour la détection des roulements défectueux.

La figure suivante vous montre l'emploi d'un mesureur de vibrations muni d'un casque d'écoute et d'un autre raccordé à un enregistreur magnétique. L'enregistreur conserve sur bobines ou sur cassettes (enregistreur numérique DAT) l'intégralité du signal mesuré pour une étude à une date ultérieure.

Emploi d'un casque d'écoute et d'un enregistreur :

3. Stroboscope

Le stroboscope est un instrument permettant de figer ou de ralentir les mouvements vibratoires, rotatifs ou alternatifs d'une machine qui sont trop rapides pour que l'œil nu puisse les percevoir.

Le stroboscope permet de "mieux voir" la vibration, et en ce "sens", il complète l'ensemble formé par le mesureur de vibrations et le casque d'écoute qui permettent de "mieux sentir" et de "mieux entendre" la vibration.

a. Applications
Le stroboscope combine habituellement les fonctions d'analyseur de mouvement et de tachymètre. C'est pourquoi le stroboscope est principalement utilisé pour les inspections visuelles, les mesures précises de fréquences et les mesures de phase.
Inspection visuelle :

L'illusion d'immobilité ou de mouvement lent du stroboscope permet de contrôler visuellement les éléments rotatifs d'une machine lorsqu'on effectue la recherche de désalignements, de vitesses irrégulières ou de tout autre anomalie.

En effet, un arbre désaligné décrira une trajectoire (orbite) asymétrique ; un jeu sera la cause de mouvements relatifs entre un roulement et son support, tandis qu'un rotor déséquilibré oscillera sur son axe.

La figure suivante vous montre l'inspection visuelle de l'engrènement de roues dentées à l'aide d'un stroboscope. Un mouvement saccadé révélera la présence de jeu de même que l'arrêt ou le ralentissement du mouvement rendra visible toute dégradation ou bris de la denture.

 "Voir" les vibrations à l'aide du stroboscope :

Mesure de fréquences :

La fonction tachymètre du stroboscope vous permet, lors de l'inspection visuelle d'une machine, de mesurer avec précision la fréquence ou la vitesse de rotation du mouvement. La lumière du stroboscope (éclair) est déclenchée au moyen d'un générateur interne dont la fréquence est réglable.

Vous réglez d'abord la cadence des éclairs pour obtenir l'arrêt du mouvement désiré. Vous consultez ensuite l'affichage du stroboscope pour y lire la vitesse de rotation.

Une application intéressante de la fonction "tachymètre" du stroboscope est le suivi en temps réel des variations de vitesse sur les entraînements à vitesses variables (moteur à courant continu par exemple). Pour ce faire, il vous faudra utiliser une source externe de déclenchement dans le seul but d'obtenir un réglage automatique de la fréquence des éclairs.

La valeur indiquée sur l'affichage est alors synchronisée avec la vitesse de l'arbre à étudier. La façon dont la vitesse varie peut révéler une situation problématique par rapport à l'opération de la machine.

Mesure de phase :

L'utilisation du stroboscope de paire avec le mesureur de vibrations vous permet, sans avoir recours à d'autres instruments, de réaliser une étude sommaire des phases sur une machine. En effet, la sortie AC du mesureur de vibrations agit alors comme source de déclenchement externe.

L'amplitude du signal de sortie AC, et donc de la vibration, doit être suffisamment élevée pour permettre le déclenchement du stroboscope et par conséquent l'arrêt du mouvement à la vitesse de rotation.

La mesure de phase est réalisée en prenant comme référence la position d'une marque quelconque facilement repérable sur un composant rattaché à l'entraînement de la machine, comme le chemin de clé d'une poulie.

En déplaçant le capteur de sa position initiale, on observe alors un changement dans la position de la marque de référence qui peut ressembler à celui montré à la figure ci-dessous. La différence entre ces deux positions, exprimée en terme de degrés, est appelée déphasage.

Mesure de phase à l'aide d'un stroboscope :

Le déphasage fournit très souvent un indice précieux sur la nature des défauts présents dans une machine et plus spécialement sur ceux associés à la rotation des arbres et des rotors, tels que le déséquilibre et le désalignement.

Un déphasage de 90° entre les positions de mesures verticale et horizontale d'un capteur de vibrations monté sur le palier d'un rotor de ventilateur confirmera la présence d'un déséquilibre.

b. Caractéristiques

Les caractéristiques les plus courantes communes aux différents stroboscopes portatifs sont :

• une construction compacte et maniable ;

 un générateur interne de fréquences incorporé pour le réglage manuel de la cadence des éclairs (ex. : 5 à 125 Hz) ;

 un faisceau intense et concentré de lumière qui permet une utilisation dans des conditions de lumière ambiante ;

 le choix dans l'affichage de la fréquence (Hz) ou de la vitesse de rotation (tr/min) ;

 une fonction de déclenchement externe.

c. Commandes

La figure suivante vous montre les commandes d'un stroboscope portatif typique utilisé en industrie par le personnel d'entretien.

Les mots en caractères italiques dans le texte qui suit correspondent aux commandes du stroboscope identifiées à la figure suivante.

Stroboscope portatif :

Entrée de déclenchement externe :
Vous vous servez de l'entrée de déclenchement externe pour le branchement du stroboscope à une sonde tachymétrique, à un mesureur de vibrations ou à tout autre instrument susceptible de fournir un signal pour déclencher le stroboscope de manière externe.

Fréquence :
L'affichage à cristaux liquides vous indique la fréquence du signal appliquée à la prise "Ext. Trig. Input" ou à la fréquence du générateur interne.

Sélecteur d'échelles :

Vous choisissez à l'aide du sélecteur d'échelles la gamme d'affichage appropriée à vos mesures en termes de fréquence (Hz).

Sélecteur de fonctions :

Vous pouvez choisir d'utiliser le stroboscope en mode "tachymètre" (Tacho), en mode "déclenchement externe" (Ext. Trig.) ou en mode libre avec le générateur interne (Int. Gen.). En mode "tachymètre", le stroboscope affiche la fréquence du signal appliqué à la prise de l'entrée de déclenchement externe. Le stroboscope n'envoie alors pas d'éclair lumineux.

En mode "déclenchement externe", le stroboscope fonctionne comme en mode "tachymètre" avec en plus le fonctionnement de la lampe stroboscopique. Les éclairs lumineux sont synchronisés avec le signal d'entrée et l'affichage indique la fréquence de ce signal.

En mode libre, vous réglez vous-même la fréquence des éclairs à l'aide de la commande "générateur interne". Elle est indiquée en Hz.

4. Résumé sur l'instrumentation

Ne passez pas à une autre étude avant d'avoir parcouru ce résumé des principaux éléments à retenir.

• La mesure absolue de l'accélération, de la vitesse ou du déplacement vibratoires tient compte de toutes les vibrations enregistrées au point de montage du capteur. La mesure relative ne s'applique qu'au déplacement d'un arbre ou d'un rotor en vibration par rapport à une position de référence.

• Les trois types de capteurs les plus utilisés pour la mesure des vibrations sont :

le capteur de déplacement, pour la mesure directe du déplacement relatif ;

le capteur de vitesse, pour la mesure directe de la vitesse absolue ;

l'accéléromètre, pour la mesure directe de l'accélération absolue.

• L'accéléromètre piézoélectrique avec ou sans préamplificateur intégré est le capteur le plus polyvalent avec une gamme dynamique et une gamme de fréquences très supérieures aux deux autres capteurs.

• Le montage de l'accéléromètre doit être le plus rigide possible pour vous assurer des résultats de mesure précis et reproductibles.

• Le mesureur de vibrations est l'outil de base de la mesure des vibrations et à ce titre il permet :

- le traitement du signal en provenance du capteur de vibrations ;

- la sélection de la gamme de fréquences (large bande) ;

- la sélection de la gamme d'amplitudes en fonction du paramètre choisi ;

- l'affichage des valeurs mesurées en fonction du paramètre choisi et de la mesure de l'amplitude vibratoire sélectionnée ;

- la sortie du signal vibratoire vers d'autres instruments.

• Les principales applications du stroboscope sont l'inspection visuelle de machines tournantes, les mesures de vitesse et de fréquence de mouvements vibratoires et la mesure de la phase avec le mesureur de vibrations.

Vous connaissez maintenant l'instrumentation de base utilisée en entretien conditionnel. Vous êtes à présent en mesure de vous attaquer aux analyseurs de vibrations.

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