Estudo e avaliação de alternativas para medição de frequência rotacional de compressores herméticos em condições de regime permanente e transitório através de grandezas externamente mensuráveis

Abstract

Frequência rotacional é importante grandeza para avaliação de compressores herméticos, seja em regime permanente, para análise de condições de ensaio, ou transitório, para determinação de parâmetros relacionados com partida e tombamento. É comum sua medição por meio de transdutores acoplados ao mecanismo biela-manivela, o que torna o ensaio destrutivo e demanda tempo de preparação. Em trabalhos anteriores, foi identificada a possibilidade de medir tal grandeza através de sinais externamente mensuráveis, como corrente, vibração e pressão de descarga, que analisaram somente condições de regime permanente, onde ferramentas de análise no domínio da frequência são adequadas, e maiores tempos de medição são aceitáveis. Em condições de regime transitório, como partida e tombamento, os valores de frequência rotacional devem ser obtidos em menores intervalos de tempo, para que o fenômeno de interesse seja adequadamente representado. Este trabalho analisa ferramentas de análise no domínio da frequência e tempo-frequência quanto à capacidade de medição da grandeza de interesse em condições de regime permanente e transitório, bem como ao tempo de aquisição e de processamento demandados. A análise de Fourier é revisitada, com enfoque em suas fontes de incertezas. Discorre-se sobre alternativas para reduzir sua influência, como ajustes de parâmetros de aquisição, janelamento e ferramentas de maior potencial que a FFT, como a transformada interpolada de Fourier, transformada Chirp-Z, STFT, transformada Wavelet analítica, a transformada de Hilbert e transformada de Hilbert-Huang. Os resultados obtidos atestam que tais ferramentas, aplicadas a sinais externamente mensuráveis, possibilitam a determinação da forma da variação da frequência rotacional no tempo, durante os regimes permanente e transitório; o que permite que sejam identificadas características associadas ao desempenho de compressores em ambos os regimes.<br>

Abstract : The rotational frequency of refrigeration compressors plays an important role in evaluation tests of these kinds of machines. It is useful for steady state identification in performance tests and unsteady state analysis in starting and stalling tests. In case of hermetic compressors, this quantity is usually measured by coupling transducers to the crank mechanism. This kind of measurement setup results in a destructive and time demanding test as the hermetic shell must be opened. As a consequence, this setup is mostly used during R&D activities and neglected as a quality control approach. In previous works, it was outlined some alternative ways to measure compressor rotational frequency through externally-measurable quantities, as supply current, shell vibration and discharge pressure. Nevertheless, only steady-state conditions were analyzed. In such conditions, longer measurement times are admissible and frequency domain techniques are well-suited. In unsteady state conditions, as starting and stalling evaluation, rotational frequency measurement shall be evaluated in shorter time intervals, in order to get a reliable representation of the quantity in concern. This thesis analyzes frequency and time-frequency domain techniques for the measurement of compressor rotational frequency during steady and unsteady state conditions. Issues related to acquisition and processing times are evaluated. Fourier analysis is introduced in a metrological perspective, focused on its uncertainty sources and on techniques to mitigate their effects, as acquisition parameters configuration, windowing and other signal processing techniques (Interpolated Fourier Transform, Chirp-Z Transform, Short Time Fourier Transform, Analytical Wavelet Transform, Hilbert and Hilbert-Huang Transforms). The results indicate that these techniques, when applied to externally-measurable signals, are able to describe compressor rotational frequency behavior over time, which allows the evaluation of performance related characteristics in both steady and unsteady state conditions.