Analisador de vibrações 7 – largura de banda em tempo real

Seguidamente, em analisador de vibrações 7, apresentamos o tema da largura de banda em tempo real, num analisador de vibrações. Assim, este artigo faz parte de uma série de artigos, que explicam o modo de funcionamento de um analisador de vibrações.

De facto, quando efetuamos análise de vibrações, necessitamos de compreender o modo como funciona um analisador. Por isso, aqui apresentamos os conceitos de análise digital de sinal, implementados num analisador FFT. Efetivamente, apresentamo-los sempre do ponto de vista do utilizador, de forma a serem de fácil compreensão. 

Seguidamente, no link, podemos ver a gama de analisadores de vibrações fornecidos pela D4VIB.

Em seguida, em analisador de vibrações 7, apresentamos o conteúdo desta série de artigos.

      1. Qual é a relação entre tempo e frequência
      2. Como funciona a amostragem e digitalização 
      3. O que é o Aliasing e que efeitos tem
      4. Em se usa e em que consiste o zoom
      5. Como se usam as janelas na forma de onda 
      6. Para que servem as médias 
      7. O que é a largura de banda em tempo real 
      8. Para que serve o processamento em sobreposição (“overlap”)
      9. Em que consiste o seguimento de ordens
      10. O que é a análise do envelope
      11. As funções de dois canais no domínio da frequência
      12. O que é para que serve a Órbita
      13. Quais são as funções de um canal no domínio do tempo
      14. Em que consiste o Cepstro
      15. Quais são as unidades e escalas do espetro

7 – O que é a largura de banda em tempo real 

7.1 O que é e para que serve a memória do bloco de tempo

Efetivamente, até agora, tem-se ignorado que, depois de adquirir o bloco de tempo, o analisador calcula o espetro FFT. Para além disso, tem de se ter em conta que ele demora algum tempo a efetuar este cálculo. Na verdade, poderíamos continuar a ignorá-lo, caso  o espetro FFT fosse calculado, em menos tempo do que a duração de um bloco.

De facto, de forma a isto ser possível, adicionamos, ao diagrama de blocos do analisador, uma memória para armazenar os dados do bloco de tempo. Assim, esta memória fica antes do processador de cálculo.

Seguidamente, vemos que isso nos permite calcular o espectro de frequência, do bloco de tempo anterior, ao mesmo tempo que se adquire o bloco de tempo atual. Desta forma, conseguimos aumentar a velocidade do analisador.

Com o fim de ilustrar o texto esta figura 7.1 encontra-se aqui. Como foi referido, aqui vemos o diagrama de blocos onde se adicionou uma memória para armazenar as amostras do bloco de tempo, antes do cálculo. Desta forma a aquisição de um bloco e o cálculo FFT, efetuam-se em paralelo.
Figura 7.1. Como foi referido, aqui vemos o diagrama de blocos onde se adicionou uma memória para armazenar as amostras do bloco de tempo, antes do cálculo. Desta forma a aquisição de um bloco e o cálculo FFT, efetuam-se em paralelo.

7.2 – O que é a operação em tempo real 

Por conseguinte, diz-se que o analisador está a operar em tempo real, se pudermos calcular o FFT, antes que a memória do bloco de tempo se encha.

Com o fim de ilustrar o texto esta figura 7.2 encontra-se aqui. Figura 7.2. Efetivamente, aqui vemos a condição em que se diz que estamos a operar em tempo real.
Figura 7.2. Efetivamente, aqui vemos a condição em que se diz que estamos a operar em tempo real.

De facto, nestas condições, em que o tempo de cálculo do espetro é igual ou menor, ao tempo de aquisição de um bloco de tempo, diz-se que o analisador está a trabalhar em tempo real.

7.3 – A operação que não é em tempo real 

Seguidamente, vamos observar o que acontece quando o tempo de cálculo do FFT, dura mais que a aquisição de um bloco de tempo.

Nestas circunstâncias, embora a memória do bloco de tempo esteja cheia, não se terminou o último cálculo do FFT.

Assim, enquanto o cálculo não termina, pára-se a amostragem de dados do bloco de tempo. De seguida, quando o cálculo do FFT estiver concluído, a memória pode transferir o novo bloco de tempo para o processador de cálculo do FFT. Por sua vez, quando isto estiver concluído, a memória recomeça a adquirir amostras para um novo bloco de tempo. Desta forma, isto significa que se perdem algumas amostras de entrada. Consequentemente, e por isso, diz-se que não se está operar em real.

Com o fim de ilustrar o texto esta figura 7.3 encontra-se em aqui. Figura 7.3. Como referido, aqui vemos o esquema da operação em tempo não real, devido ao tempo de cálculo ser maior que o tempo de aquisição de blocos.
Figura 7.3. Como referido, aqui vemos o esquema da operação em tempo não real, devido ao tempo de cálculo ser maior que o tempo de aquisição de blocos.

Além disto, é ainda de recordar que a duração do bloco de tempo não é constante. De facto, esta é deliberadamente variada, de forma a alterar a gama de frequência do espetro.

Efetivamente, como sabemos, a duração do bloco de tempo é menor, para gamas de frequência maiores. Portanto, à medida que aumentamos a gama de frequência do analisador, chegamos a uma situação em que, a duração do bloco de tempo é igual ao tempo de cálculo do FFT.

Assim, este valor de frequência, é designado de largura de banda em tempo real.

Desta forma, o analisador não perde nenhuma amostra da forma de onda, para gamas de frequência igual ou abaixo, à largura de banda em tempo real.

7.4 Qual a relevância da largura de banda em tempo real num analisador de vibrações

Seguidamente, para termos uma perceção  da relevância do processamento em tempo real, vemos algumas situações típicas.

7.4.1 Como, numa máquina, observar a variação de velocidade

Efetivamente, 0 que é que pretendemos, quando observamos o espectro de uma máquina que está a variar de velocidade?

Nesta situação, de facto, é necessário poder observar as sucessivas mudanças no espectro, de forma a perceber o que está a ocorrer. Desta forma, designamos  esta situação de tempo real psicológico.

De certo, a aquisição de um novo espectro a cada poucos décimos de segundo, é suficientemente rápido para permitir que observemos variações no que  consideramos ser em tempo real.

No entanto, se o tempo de variação de velocidade da máquina for longo, a velocidade do analisador é irrelevante. De facto, tem-se que esperar que a máquina varie a sua condição, antes que o espectro seja interessante. Nestas circunstâncias, não importa quantos espectros se geram nesse tempo.

 7.4.2 – Qual a influência na média RMS num analisador de vibrações

7.4.2.1 Assim, quais são as condições em que a largura de banda em tempo real é importante?

Um segundo lugar, outro caso de interesse, consiste nas medidas que exigem a realização de médias de RMS. Nestas circunstâncias, podemos estar interessados em achar a média de um sinal, quando este está sempre a variar.

Por um lado, não há nenhuma exigência, na execução das médias, de que os blocos de tempo adquiridos, devam ser consecutivos, sem lacunas. Portanto, nestas circunstâncias, uma reduzida largura de banda em tempo real, não afeta a precisão dos resultados das médias.

Pelo contrário, a largura de banda em tempo real, afeta a velocidade com que pode ser feita a média RMS.

De facto, na Figura 7.5, vemos que, para uma frequência acima da largura de banda em tempo real, o tempo para completar a média de N blocos, depende apenas do tempo para calcular as N transformadas FFT.

Assim, em vez de reduzir continuamente o tempo para calcular a média, à medida que aumentamos a gama de frequência, chegamos a um tempo fixo para calcular as N médias.

Com o fim de ilustrar o texto esta figura 7.4 encontra-se em Analisador de vibrações 7. Figura 7.4. – Como referido, nesta figura vemos o tempo total de execução de N médias RMS num analisador de vibrações
Figura 7.4. – Como referido, nesta figura vemos o tempo total de execução de N médias RMS num analisador de vibrações

Portanto, uma pequena largura de banda em tempo real é apenas um problema na execução de médias RMS, quando as gamas de frequência usadas sejam elevadas. Desta forma é evidente que a pequena largura de banda, em tempo real, também é um problema quando se executem um grande número de médias.

7.4.2.2 Efetivamente, qual é a importância do processador na velocidade com que se calculam as médias?

Nestas condições, temos de esperar mais tempo pela conclusão da execução das médias. De facto, as larguras de banda em tempo real maiores, exigem cálculos mais rápidos e, portanto, um processador melhor.

Efetivamente, é de salientar no caso da média de RMS, a maior largura de banda em tempo real dá medições um pouco mais rápidas.

Além disso, é de salientar que isto é muito relevante, quando se executam muitas medidas consecutivamente. Efetivamente, este é o caso em que se encontra o trabalho de inspeção em rota, em que é comum medir centenas de pontos.

7.4.3 – Qual a influência em eventos de vibrações transitórios

Seguidamente, vemos que a análise de eventos transitórios, é o último caso de interesse na determinação da largura de banda necessária, em tempo real.

Por um lado, o tempo de cálculo do FFT é de pouco interesse, quando todo o transitório se encaixa dentro da duração do bloco de tempo. Nestas condições depois de adquirido o bloco o tempo o analisador, calcula o FFT. Desta forma, o tempo para calcular o espectro não é importante.

Pelo contrário, se o evento transitório contém energia de alta frequência e dura mais do que o bloco de tempo, então a velocidade de cálculo do FFT, é crítica. Seguidamente, como se mostra na Figura 7.6 b), alguns dos transitórios não são analisados, se o tempo de cálculo exceder a duração do bloco de tempo.

Com o fim de ilustrar o texto, esta figura 7.5 encontra-se em Analisador de vibrações 7. Figura 7.5 Como foi referido, nesta figura, pode-se ver a operação em tempo não real.
Figura 7.5 Como foi referido, nesta figura, pode-se ver a operação em tempo não real.

7.4.4 – O que é o gráfico em Cascada num analisador de vibrações

Por outro lado, também há que ter em conta que tem de existir uma forma de medir e apresentar os resultados, que permita ver os múltiplos eventos. Efetivamente, se cada espetro for apagado há medida que se obtêm um novo, no final, perdeu-se informação do que ocorreu.

Seguidamente, na Figura 7.7 vemos um gráfico em Cascada. Assim, esta apresentação, é uma forma de vermos múltiplos espetros sucessivos de eventos transitórios. Efetivamente, como se vê, com este tipo de gráfico, isto ocorre sem perda de informação.

Com o fim de ilustrar o texto, esta figura 7.6 encontra-se em Analisador de vibrações 7. Figura 7.6. Como foi referido, aqui vemos uma cascada dos espetros, medidos consecutivamente durante o arranque de uma máquina.
Figura 7.6. Como foi referido, aqui vemos uma cascada dos espetros, medidos consecutivamente durante o arranque de uma máquina.