Quel choix pour les capteurs de vibrations ?

Un accéléromètre est un capteur qui, fixé à un mobile ou tout autre objet, permet d'en mesurer l'accélération linéaire. Il peut être monté sur un axe (ligne), sur deux axes (plan) ou sur trois axes (volume) afin de calculer trois accélérations linéaires selon un repère orthogonal. Bien que l'accélération linéaire soit définie en m/s ² (SI), certaines documentations affichent l'accélération en «g» (accélération causée par la gravitation terrestre, soit environ g=9,81m/s ² ).

Des vibrations de niveau moyen représentent généralement une centaine de g. Elles nécessitent un capteur de bande passante allant jusqu'à 10 kHz avec une précision de l'ordre d'un pour cent de l'échelle de mesure du capteur.

Accéléromètres équipés d'une électronique servant à générer un signal électrique spécifique, les capteurs de vibrations sont des appareils capables de déceler tout type de mouvement vibratoire quelle que soit son amplitude ou sa fréquence. Chaque signal récupéré est source d'une information qualitative du comportement de l'objet observé.

Mais, pourquoi mesurer les vibrations?

« D'une manière générale, les capteurs de vibrations contribuent à vérifier que les fréquences et les amplitudes de très petits mouvements répétés n'excèdent pas les limites admissibles par la résistance des matériaux. Ils sont aussi utilisés afin d'éviter d'exciter les fréquences de résonance des composants de structures ou ensembles mécaniques. Ces capteurs sont utilisés en premier lieu dans les laboratoires pour construire ou vérifier les modèles informatiques théoriques élaborés par les bureaux d'études. Leur rôle consiste donc à trouver des parades capables d'amortir ou d'isoler la ou les sources de vibrations. Pour les pièces en mouvements linéaires ou circulaires, qui, de toute manière vibrent, ils jouent un rôle prépondérant afin de faciliter à déterminer des limites d'utilisation et surtout pour la maintenance conditionnelle des machines. », explique Marc Chambroux, consultant Mesure et Système, expert en mesure et applications vibratoires. Tout capteur de vibrations quantifie la vibration en analysant les résultats des niveaux et fréquences de manière à évaluer le type particulier du signal vibratoire rencontré, stationnaire ou non. Une vibration est souvent bien déterminée, comme par exemple, celle émise par un train d'engrenages à une vitesse donnée.

Capteur de vibrations NVA en coupe.

TWK

Capteur de vibrations pour applications industrielles monté sur machines.

Schaffler

Certains signaux présentent des harmoniques. C'est notamment le cas des moteurs ou compresseurs à pistons à certains régimes. Enfin,d'autres signaux se montrent aléatoires dans le cas d'accélérations et freinages successifs de mécanismes en fonctionnement.

Hautes et basses températures

Le choix d'un capteur de vibration répond à des critères essentiels à savoir, les niveaux maximum et minimum d'accélérations et les fréquences ultimes maxi et mini utilisables. La masse de l'appareil, son montage, les températures auxquelles il sera soumis en service, l'environnement (hautes pressions, radiations,corrosion,champs électromagnétiques…) sont aussi des critères de choix.

Dans la plupart des applications de mesures de vibrations, les paramètres, accélération, vitesse et déplacement sont des informations qu'il est nécessaire de bien connaître avec le plus de précision afin de concevoir ou valider un projet. Car des vibrations répétées, mal maîtrisées à plus ou moins long terme engendrent souvent un phénomène de fatigue suivi d'une défaillance.

L'accélération (g) est la référence alors que la vitesse (mm/sec) et le déplacement (mm) sont souvent utilisés pour les fréquences moyenne et basse. Ces variables sont nécessaires aux calculs et au contrôle des conceptions.

Capteurs de vibrations alliées de la maintenance

l Lorsqu'elle est correctement menée, l'observation des vibrations en production peut être une alliée car les capteurs de vibrations s'utilisent dans l'industrie manufacturière en général et de nombreuses machines en sont équipées. En effet, une machine ou un élément de machine (moteur) neuf présente un spectre initial vibratoire qui sera progressivement modifié durant sa période de rodage. Ensuite, pendant la vie effective de l'unité, cette cartographie va légèrement se modifier puis se stabiliser dans des conditions normales d'utilisation. Mais, vu les phénomènes d'usure, le spectre des vibrations va évoluer de manière de plus en plus évidente et toute unité qui affiche une oscillation importante est rapidement repérée afin d'éviter une avarie trop lourde donc onéreuse. En outre, il est possible de connecter chaque capteur ou ensemble de capteurs avec un écran de manière à visualiser le spectre vibratoire afin d'avoir un contrôle du degré d'usure en temps réel.

l Ces dispositions facilitent le contrôle des processus de fabrication, en combinaison avec l'unité de régulation rendant possible l'instrumentation de toute une cellule de production afin de l'accélérer tout en évitant d'éventuelles pannes provenant de vibrations trop intenses.

l Les capteurs de vibration contrôlent des machines dans les processus de fabrication et assistent les responsables de maintenance en transformant tout signal dépassant une valeur de consigne en alerte. Les signaux normalisés sont renvoyés vers un affichage numérique pour une vision instantanée de l'état des machines. Cette fonctionnalité permet d'éviter les pannes graves durant la production. Ces capteurs de vibrations assistent les équipes de maintenance pour chaque intervalle d'entretien. Ils permettent d'anticiper une intervention avant une panne qui pourrait s'avérer très onéreuse dans le cas de lignes travaillant en flux continus (papeteries, plasturgie, pétrochimie etc.).

Les principaux accéléromètres du marché, de type non-asservis,sont,à détection piézoélectrique, à détection piézorésistive ou à jauge d'extensométrie et enfin à détection inductive (ou à réluctance variable).Ces appareils servent pour la R&D et le contrôle industriel.

Les applications concernent les mouvements mécaniques, surtout ceux qui engendrent des vibrations hautes fréquences, basses fréquences, les très faibles vibrations et les vibrations liées aux petits objets. En dehors des laboratoires, ces mesures sont parfois réalisées dans des ambiances de fortes températures (moteurs thermiques), sous basse température (domaine cryogénique) ou encore sous radiations (secteur nucléaire). Les mesures de vibrations, basse fréquence regroupent l'analyse modale, ainsi que la surveillance des bâtiments et ouvrages d'art. Elles nécessitent des accéléromètres ayant une bonne réponse à basse fréquence. « Pour une mesure à une fréquence très proche du continu, les accéléromètres de type piézorésistif, capacitif ou à équilibre de force, sont conseillés, car ils peuvent être utilisés pour mesurer des mouvements très lents » préconise Marc Chambroux.

A l'opposé, les mesures de vibrations haute fréquence concernent des applications telles que l'analyse de bruits d'engrenages, de broches d'usinage ou la surveillance de turbines et machines à haute vitesse de rotation. « Ces applications nécessitent l'utilisation d'accéléromètres ayant de très bonnes réponses en haute fréquence, et plus particulièrement une fréquence de résonance très élevée avec des capteurs fixés sur la structure même » souligne Marc Chambroux. Les mesures des faibles vibrations sont aussi d'actualité. Elles concernent les microscopes électroniques, les télescopes, les coques de sous-marins nucléaires ou les tests sur le vivant. « Ce type de mesure impose des accéléromètres ayant une forte sensibilité associée à un très faible bruit résiduel » poursuit Marc Chambroux.

Ecouter les roulements grâce aux ultrasons

l Les mouvements mécaniques produisent un large spectre sonore. L'un des contributeurs au “stress” des machines tournantes reste la friction. Les capteurs à ultrasons détectent la friction en se focalisant sur l'écoute d'une étroite bande à haute fréquence et décèlent les très fines variations d'amplitudes des tonalités émises par l'élément inspecté. Ces signaux hétérodynes (méthode de détection ou de traitement d'un signal qui repose sur la multiplication de plusieurs fréquences) inaudibles par l'oreille humaine sont écoutés à travers un casque connecté à la sonde et sont également observés sur écran. La manipulation sert à comparer puis analyser les signaux ultrasonores émis par toute machine.

l Cette technologie facilite la surveillance des roulements car elle détecte rapidement la présence d'une défaillance. Plusieurs niveaux d'anomalies ont été établis et, en analyse spectrale, une augmentation de huit décibels du signal mesuré par rapport à un niveau sonore de référence montre une amorce d'avarie ou un manque de lubrification. Une augmentation de 12 dB signifie un tout début de détérioration. Lorsqu'on lit un signal de +16 dB par rapport à la référence, on est dans un mode avancé de détérioration. Une élévation de 35-50 dB par rapport à la référence indique un état très avancé de défaillance technique.

Tenue aux radiations

Concernant la vibration de petits objets légers, dimensions et masse de l'accéléromètre seront proportionnelles à l'objet en question pour une masse ne devant être supérieure de 10% à celle de l'objet à tester. Pour répondre à ce marché, des appareils piézoélectriques compacts avec ou sans électronique incorporée affichent, pour certains, une masse inférieure à 0,14 gramme.Afin de répondre à la demande, les fournisseurs d'accéléromètres ou de moyens d'essais, alignent une vaste gamme d'accessoires de montage, parfois proposés en kit contenant des composants de fixation type goujons, adaptateurs, colles, et câbles de raccordement à l'appareil de visualisation ou de contrôle.

Capteur de vibrations deux axes.

Pepperl-Fuchs

La mesure des vibrations sous haute température concerne les moteurs thermiques à pistons mais aussi les réacteurs d'avions, les turbines à gaz ou à vapeur et, plus généralement, les systèmes de propulsion, les échappements et les équipements de centrales qui nécessitent des accéléromètres capables de supporter un environnement sous haute et très haute température.

Avec des ambiances dépassant 200°C, on retiendra des accéléromètres piézoélectriques. Pour des températures légèrement inférieures, les accéléromètres piézoélectriques avec amplificateur incorporé (ICP/ IEPE) seront préférés. Ils présentent l'avantage d'un signal en sortie, basse impédance, associé à un meilleur rapport signal/bruit en environnement bruité. Ces qualités se font au détriment d'une durée de vie plus courte à cause des effets thermiques sur l'électronique incorporée aux capteurs.

En général,les accéléromètres piézoélectriques sont spécifiés pour couvrir cinq plages de température, (selon l'élément piézoélectrique utilisé) de - 54°C jusqu'à +700°C. Le choix reste tributaire de l'environnement mécanique, de la durée de l'exposition sous haute température mais aussi de variations rapides de la température (choc thermique). Les mesures de vibrations sous basse température font appel à des accéléromètres de différentes technologies qui seront utilisés de façon satisfaisante jusqu'à –100°C. Pour des ambiances de froid intense, GNL (Gaz Naturel Liquéfié), essais de systèmes de refroidissement des moteurs de fusées, caméras spéciales ou autres applications «cryogéniques» notamment pour les composants et modules installés dans l'espace, il faut envisager des capteurs et câbles de liaison capables d'encaisser des températures extrêmes, proches du zéro absolu. D'autre part, les accéléromètres piézoélectriques peuvent être exposés à des doses de radiations relativement élevées sans effet notable.

« L'institut Battelle a soumis des accéléromètres piézoélectriques à un flux neutronique de 10 ¹⁶ n/cm² avec des radiations gamma de 10¹¹ ergs/g. La plupart des accéléromètres testés ont fonctionné sans incident. Les applications les plus courantes de tels environnements concernent les systèmes de détection de corps migrants du circuit primaire de réacteurs nucléaires (PWR),les mesures sismiques de cuve,circuits de refroidissement,générateurs de vapeur, systèmes de pompage, avec des niveaux de radiation différents selon l'emplacement. Les accéléromètres piézoélectriques offrent la meilleure résistance aux radiations, les modèles avec électronique incorporée étant nettement moins résistant », indique Marc Chambroux.

Capteur intelligent vibration et température pour maintenance conditionnelle et surveillance process (toutes les applications industrielles de 25 000 à 20 000 tr/min).

SmartCheck

Cependant, une grande part du marché des capteurs certifiés pour la mesure des vibrations concerne les applications dédiées aux conditions d'utilisation des machines équipées de moteurs électriques en environnements industriels. Leur appareillage s'inscrit dans le cadre d'assurances qualité suivant les dernières normes en vigueur. Cet environnement implique l'exposition aux poussières, aux liquides contaminants pour des conditions mécaniques plus ou moins sévères. Les spécifications relatives à ces applications associent robustesse, précision et fiabilité pour l'ensemble, capteurs, connecteurs, câbles et fixations. Dans ce contexte, les capteurs sont hermétiques pour maintenir l'appareil opérationnel à long terme.

Un capteur de vibrations associe accéléromètre et instrumentation.

DJB Instruments

Dernier aspect, le coût du capteur doit rester cohérent car pour chaque application, diverses options technologies sont envisageables. Néanmoins, économiques, robustes et peu gourmands en énergie, les accéléromètres piézoélectriques avec électronique incorporée sont plébiscités.

Fonction TEDS

Enfin, la principale avancée du secteur concerne les systèmes de mesure multivoies. En effet, les mesures de vibrations employées sur des mobiles tels que voitures, camions, trains, navires, avions, lanceurs et satellites, exigent un nombre considérable d'options de mesure. Une bonne moitié du temps est alors consacrée aux essais, réglages, vérifications et contrôles des voies de mesures servant à identifier capteurs et câbles mais aussi saisie des données dans le logiciel d'analyse. « Une fonction récente,appeléeTEDS (Transducer Electronic Data Sheet) définie par le standard IEEE. P1451.4, diminue et facilite ces tâches fastidieuses de préparation. Autres avantages, les capteurs “TEDS”, facilitent la saisie des paramètres capteurs avec données actualisées pour chaque capteur.Pratiquement,tout est enregistré sur un module mémoire interne “EEPROM” incorporé au boîtier, option qui renseigne le système d'acquisition. Ce principe qui élimine erreurs de câblage ou d'identification du capteur, renforce qualité et fiabilité des mesures » conclut Marc Chambroux.