Utilisation d'un analyseur (1) - Cours de Mécanique industrielle avec Maxicours

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Utilisation d'un analyseur (1)

L'analyseur de vibrations constitue l'élément clé de l'instrumentation faisant partie intégrante de tout programme de maintenance conditionnelle. La maîtrise de son utilisation s'avère essentielle.

Vous vous familiariserez donc avec les principales caractéristiques d'un analyseur, son module d'entrée et le réglage du gain, avec les paramètres de mesure et d'affichage d'un spectre, les paramètres de curseur et les outils de diagnostic les plus communs aux différents modèles offerts sur le marché.

1. Caractéristiques

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

• une construction robuste et étanche résistant aux environnements industriels ;

 un module d'entrée pour les capteurs de vibrations, les sondes tachymétriques et les signaux enregistrés sur bande (entrée en tension) ;

 une gamme dynamique élevée (typique : 60 à 80 dB) ;

 une gamme de mesure étendue (typique : 120 dB ou plus) ;

 une large gamme de fréquences (typique : 0,3 Hz à 20 kHz ou 25 kHz) ;

 un affichage avec échelles d'amplitudes et de fréquences linéaires et logarithmiques ;

des axes X et Y entièrement annotés avec les paramètres vibratoires affichés en unités métriques, anglo-saxonnes ou dB (réf. ISO) ;

 des paramètres de curseur élaborés ;

 des fonctions de diagnostics incluant l'analyse en mode de base (spectre courant et moyennes), l'analyse en mode haute résolution (zoom), l'analyse temporelle et l'analyse de signal transitoire ;

 une mémoire interne pour le stockage des mesures avec les réglages de l'analyseur ;

 une sortie pour branchement à un ordinateur.

2. Module d'entrée/connexion des sondes

L'analyseur de vibrations est équipé de plusieurs entrées différentes regroupées dans ce que l'on appelle le module d'entrée. Une entrée consiste avant tout en une prise pour la connexion du câble qui achemine le signal d'entrée, c'est-à-dire le signal en provenance de l'accéléromètre, de l'enregistreur ou de la sonde tachymétrique.

Le module d'entrée incorpore aussi toutes les fonctions de réglage permettant le prétraitement du signal avant sa conversion sous une forme numérique. Par exemple, le signal sera amplifié si les amplitudes vibratoires sont trop faibles, ou il sera atténué si elles sont trop élevées.

Les surcharges sont signalées sur l'écran de l'analyseur ou parfois au moyen d'un voyant facilement repérable. De plus, l'intégration du signal d'accélération en vitesse ou en déplacement se fait habituellement au niveau du module d'entrée.

Remarque : pour certains appareils ces paramètres sont introduits par programmation.

a. Entrée d'accéléromètre

L'entrée de charge convient aux accéléromètres piézoélectriques. Elle est couplée à un préamplificateur de charge incorporé. Toutefois, contrairement au mesureur de vibrations, il est possible avec l'analyseur de vibrations d'utiliser une variété d'accéléromètres avec des sensibilités différentes.

Pour la surveillance des vibrations sur les machines, un accéléromètre avec une sensibilité nominale de 1 pC/ms2 (10 pC/g) est recommandé en raison de sa gamme fréquentielle étendue. Vous utiliserez de préférence un accéléromètre dix fois plus sensible (10 pC/ms2) pour l'équilibrage des rotors en raison des faibles valeurs souvent mesurées.

L'entrée d'accéléromètre à préamplificateur intégré permet aussi l'ajustement du gain et le réglage de la sensibilité, en plus de fournir l'alimentation requise au préamplificateur.

b. Entrée directe de tension - courant alternatif/courant continu
L'entrée en tension de l'analyseur permet de raccorder directement un grand nombre de sources de signal. Les signaux en provenance d'un capteur de proximité avec amplificateur, d'un enregistreur magnétique ou encore de capteurs de procédé (température, pression, débit, etc.).
c. Entrée du signal tachymétrique
Il s'agit essentiellement d'une entrée en tension capable d'alimenter la sonde tachymétrique, une sonde photo-électrique, par exemple, qui s'y connecte.
3. Réglage du gain (gamme de mesure)

Une fois la source de signal connectée, il vous faut régler le gain de l'analyseur au maximum sans pour autant générer une surcharge dans le module d'entrée. Vous optimisez ainsi le rapport signal/bruit et, par conséquent, vous améliorez les résultats de mesure d'une façon très significative.

Le spectre du haut, montré à la figure suivante, affiche un faible rapport signal/bruit (environ 30 dB) comparativement au spectre du bas qui affiche un rapport signal/bruit deux fois plus élevé (environ 60 dB). Les amplitudes des composantes fréquentielles visibles sont quand même identiques dans les deux cas.

Rapport signal/bruit :

Le réglage du gain, ou si vous voulez le réglage de la gamme de mesure, peut être réalisé manuellement ou de manière automatique. En effet, plusieurs analyseurs sont équipés d'un sélecteur de gain qui vous permet de choisir la gamme de mesure appropriée en fonction de l'amplitude du signal à l'entrée.

Par ailleurs, les mêmes analyseurs sont souvent équipés d'une commande de réglage automatique de la gamme "Auto Range" qui règle automatiquement le gain à l'entrée à sa valeur optimale. Le signal d'entrée est mesuré pendant quelques secondes. Si le niveau est trop élevé, le signal est atténué.

4. Réglage de paramètres
a. Paramètres de mesure d'un spectre FFT
L'acquisition d'un spectre FFT requiert de votre part le réglage de plusieurs paramètres d'analyse préalable au démarrage de la mesure. Vous verrez ici les principaux.
b. Paramètres de vibration

L'emploi de l'accéléromètre vous laisse le choix entre l'accélération, la vitesse ou le déplacement (absolu) comme paramètre de vibration. C'est pourquoi tous les analyseurs ont au moins une entrée pour le branchement direct des accéléromètres.

Mais quel paramètre choisir ? La figure suivante vous montre un spectre de fréquence suivant l'accélération, la vitesse et le déplacement. Les trois spectres décrivent l'état de la même machine, de sorte que vous êtes en mesure de constater que les amplitudes relatives des composantes, par rapport à une ligne tracée à la base de chaque spectre, sont les mêmes.

Spectre de vibration suivant trois paramètres différents :

Si la force de vibration de n'importe quelle fréquence double, alors l'amplitude de la composante de vibration double, et ce, quel que soit le paramètre choisi. Ainsi, théoriquement, les trois paramètres sont utilisables pour la surveillance des machines.

Cependant, vous remarquerez à la figure 2.22 que c'est le spectre de vitesse qui nécessite la plus petite gamme d'amplitudes, donc la gamme dynamique de mesure la plus petite, et donne le meilleur rapport signal/bruit. Tout cela conduit à une détection plus précoce des défauts. En conclusion, le"meilleur paramètre" sera celui qui donne le spectre de vibration le plus plat.

Le paramètre intéressant est généralement la vitesse, mais peut être aussi l'accélération, surtout dans le cas de hautes fréquences vibratoires (roulements, par exemple). Inversement, pour les défauts apparaissant à basses fréquences, vous choisirez le déplacement comme indicateur.

c. "Pleine échelle" horizontale

La "pleine échelle" horizontale correspond à la fréquence maximale qui sera affichée sur l'écran de l'analyseur. Le choix de la fréquence "pleine échelle" est un compromis entre la gamme de fréquences que vous désirez surveiller et la résolution en fréquences nécessaire pour vos mesures.

Vous pouvez choisir la "pleine échelle" horizontale à partir d'une liste de fréquences disponibles dans l'un des menus de réglage de l'analyseur, comme celui montré à la figure suivante par exemple.

Sélection de la fréquence "pleine échelle" :

Pour la détection de défauts dans les machines tournantes, la gamme de fréquences doit être assez large pour couvrir les fréquences de résonance des paliers ainsi que les harmoniques supérieurs de la fréquence d'engrènement la plus élevée.

En même temps, la résolution doit être suffisante pour permettre d'isoler la vitesse de rotation de la machine où se manifestent les déséquilibres et les désalignements. Toutefois, on peut réaliser des fenêtrages pour ne surveiller que certains phénomènes (balourd, alignement, etc.).

d. Résolution (lignes FFT)

La résolution en fréquences d'un spectre FFT est fonction de la fréquence "pleine échelle" sélectionnée, mais aussi de la taille de la transformée de Fourier effectuée par l'analyseur.

L'analyseur TRF acquiert d'abord un bloc de données et calcule ensuite au moyen de la transformée rapide de Fourier le nombre de fréquences contenues dans ce bloc. Les fréquences qui composent le signal sont affichées à l'écran de l'analyseur sous la forme de lignes verticales appelées "lignes FFT" (FFT Lines).

Le nombre de lignes détermine la taille de la transformée de Fourier effectuée par l'analyseur. Beaucoup de modèles offerts sur le marché se limitent à une transformée de Fourier fixe de 250, 400 ou 800 lignes FFT, alors que d'autres modèles vous offrent une transformée de Fourier à taille variable, allant de 50 jusqu'à 3 200 lignes FFT par exemple.

La figure 2.24 vous montre trois spectres identiques, mais affichés avec respectivement 800, 200 et 50 lignes FFT.

Vous pouvez voir à la figure suivante comment le choix de la taille de la transformée de Fourier affecte la résolution en fréquences et par conséquent le temps de mesure requis pour l'analyse du signal. La "pleine échelle" "FREQ. SPAN" est réglée à 25,6 kHz.

La résolution en fréquences est calculée en divisant la fréquence "pleine échelle" par le nombre de lignes FFT sélectionnées. Ainsi, vous obtenez pour 800 lignes une résolution "∆f" de 32 Hz et un temps de mesure total "T" de 31,3 ms. Notez l'accroissement de la largeur de bande pour des transformées de 200 lignes et 50 lignes (128 Hz et 512 Hz).

Transformée de Fourier à taille variable :

Observez comment, à l'inverse, le temps requis pour la mesure n'est plus que de 7,81 ms pour un spectre de 200 lignes et de 1,95 ms pour un spectre de 50 lignes. Ainsi, plus la quantité d'information requise est grande, c'est-à-dire une largeur de bande étroite, plus le temps de mesure est long.
e. Déclenchement (trigger)

Les modes de déclenchement libre, interne et externe sont particulièrement intéressants lorsque vous travaillez avec un analyseur FFT. En mode libre "Free Run", c'est-à-dire sans déclenchement, l'acquisition des spectres se fait sans condition dès que le mesurage est commencé. Ce mode convient à la plupart des mesures que vous aurez à faire.

En mode de déclenchement interne, l'analyseur commence l'acquisition des spectres seulement quand le niveau d'entrée dépasse un niveau de déclenchement préalablement ajusté. Il s'agit d'un mode très utile pour l'analyse de phénomènes transitoires.

Enfin, en mode externe, l'analyseur est déclenché par une source de tension externe, comme celle générée par une sonde photo-électrique par exemple. Vous choisirez principalement ce mode de déclenchement pour les analyses de phase et l'équilibrage des rotors.

5. Moyenne de spectres

La plupart des analyseurs peuvent afficher sur leur écran soit le spectre instantané ou une moyenne de spectres. Vous devez savoir qu'un spectre de vibrations enregistré sur une machine industrielle comporte des composantes bien définies telles les fréquences associées à la rotation des arbres et d'autres, aléatoires, générées par exemple par de la cavitation ou le frottement, qui peuvent fluctuer beaucoup sur une courte période de temps.

Une situation pareille peut entraîner des erreurs importantes lorsque vous effectuez une comparaison de spectres. Il vous faudra effectuer une moyenne de spectres afin de diminuer le risque de voir apparaître des différences qui n'ont rien à voir avec un changement de l'état de la machine. Le nombre de spectres nécessaire pour un calcul de moyenne dépend essentiellement de la précision recherchée.

Toutefois, pour des considérations d'ordre pratique, une moyenne de 5 à 12 spectres est habituellement jugée comme étant suffisante pour supprimer les fluctuations aléatoires et stabiliser les fluctuations des autres composantes.

En entretien conditionnel, le calcul de la moyenne est habituellement linéaire. Cela signifie que tous les spectres compris dans la moyenne ont la même influence sur le résultat final, comme il est montré à la figure suivante.

Moyenne de spectres :

6. Paramètres d'affichage d'un spectre

Plusieurs choix s'offrent à vous lorsque vient le temps d'afficher le spectre de vibration à l'écran de l'analyseur. Il vous faudra régler certains paramètres avant même de réaliser une mesure, alors que d'autres peuvent être modifiés en tout temps.

a. "Pleine échelle" verticale

La "pleine échelle" verticale correspond à l'amplitude maximale qui sera affichée à l'écran de l'analyseur. Vous pouvez ajuster la "pleine échelle" en choisissant parmi les valeurs disponibles dans l'un des menus de réglage de l'analyseur, comme celui montré à la figure ci-après.

Si vous choisissez la fonction "Auto", le réglage "pleine échelle" de l'axe des Y s'ajuste automatiquement à un niveau optimal selon les données présentées à l'affichage. Le niveau peut ensuite être ajusté manuellement dans les cas où le résultat de mesure doit servir à des fins de comparaison avec des enregistrements antérieurs.

Niveau ou amplitude "pleine échelle" :

b. Unités sur l'axe des Y
L'annotation de l'axe des Y peut être absolue ou relative en dB. L'axe des Y des analyseurs d'aujourd'hui peut comporter des unités SI ou anglo-saxonnes que vous sélectionnez avant ou après la mesure. Vous pouvez consulter de nouveau le tableau récapitulatif des unités les plus couramment utilisées en vibration montré à la figure suivante.

Unités de mesure :

Échelle de l'axe des Y :

Vous pouvez choisir entre une échelle verticale linéaire ou une échelle logarithmique. Dans presque toutes les analyses vibratoires, vous trouverez avantageux d'afficher le spectre sur une échelle verticale logarithmique, et ce, pour plusieurs raisons.

Une échelle linéaire exagère l'importance des composantes les plus élevées du spectre au détriment des composantes les plus faibles (figure ci-dessus). Il s'agit d'une approche peu fiable dans la mesure où de faibles composantes fréquentielles se retrouvent quand même associées à des composants critiques de la machine.

De plus, l'accroissement d'une composante élevée, qui double, paraîtra toujours plus important que celui d'une composante de faible amplitude qui en fait autant. Pourtant, les deux accroissements sont également importants. L'échelle logarithmique montrera un changement relatif égal dans les deux cas, soit un accroissement par un facteur 2 (6 dB) des amplitudes vibratoires.

c. Unités sur l'axe des X

Dans le domaine fréquentiel, vous pouvez choisir entre le Hz et la tr/min comme unités sur l'axe des X.

Échelle de l'axe des X :

Lors de l'interprétation des mesures de vibration, il est essentiel que vous choisissiez le type d'affichage qui correspond à la technique d'analyse désirée. Le spectre à pourcentage de bande constant (PBC) est parfaitement approprié à la détection des défauts, car il permet de distinguer clairement, sur un seul spectre, des composantes fréquentielles liées aux défauts les plus courants. L'échelle de fréquence est logarithmique.

Le diagnostic nécessite une meilleure résolution ("zoom" ou spectre à bande étroite) pour mesurer avec précision l'amplitude des composantes prédominantes et détecter plus facilement les harmoniques et les bandes latérales (composantes fréquentielles également espacées entres elle qui peuvent apparaître, par exemple, de chaque côté d'une fréquence de roulement). L'échelle de fréquence est linéaire.

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