Qu'est-ce que la vibration ?
La vibration dans un système de machines rotatives et/ou à mouvement alternatif est, en termes simples, le mouvement de va-et-vient ou l'oscillation des machines et des composants qui composent le système. Si la vibration dans les équipements industriels est souvent un élément normal du fonctionnement des machines, elle peut également être le signe – ou la cause – d'un problème. Si elles ne sont pas contrôlées, les vibrations croissantes peuvent entraîner une détérioration progressive du défaut de la machine, conduisant à des dommages aux composants, voire à un défaut catastrophique. La surveillance proactive des vibrations est la meilleure mesure à prendre pour prévenir les pannes catastrophiques, réduire les temps d'arrêt et diminuer les coûts d'entretien & service. Et un capteur de vibrations est le moyen le plus efficace pour surveiller les vibrations.
Qu'est-ce qu'un capteur de vibrations ?
Un capteur de vibrations est un dispositif qui mesure l'amplitude des vibrations dans un équipement donné au fil du temps.
Figure 1. Graphique représentant le signal de vibration sur une période de temps de 0,4 seconde provenant d'un compresseur à gaz.
Le signal de vibration est ensuite traité afin de fournir des informations précises (fréquence par rapport à l'amplitude) utilisées pour évaluer l'état des principaux actifs d'un système industriel. Il se connecte directement à une machine ou à un composant et, une fois en place, peut détecter les vibrations par divers moyens, selon le capteur. Les données fournies par les capteurs de vibrations peuvent aider à anticiper les besoins futurs en matière d'entretien & service, ce qui se traduit par un processus opérationnel plus rationalisé et plus efficace, rendant les actifs plus fiables et plus performants.
Les capteurs de vibrations, associés à des capteurs de référence de vitesse/phase ou à d'autres capteurs de vibrations, collectent trois types de données : la fréquence, l'amplitude et la phase. La partie fréquence des données indique la fréquence à laquelle la vibration se produit (ce qui est lié à l'endroit où le défaut se produit dans la machine), tandis que la partie amplitude des données reflète le niveau de vibration subi par un équipement (ce qui est lié à la gravité du défaut). La phase indique où se produit le pic de vibration par rapport à une seule rotation de l'arbre ou du rotor, ce qui peut être utilisé à des fins de diagnostic des défauts et d'équilibrage du rotor.
Figure 2. Graphique spectral créé à partir du signal illustré à la figure 1. Vous pouvez voir ici les différentes composantes de fréquence et leur amplitude qui composent le signal.
Figure 3. Le graphique orbital à gauche est construit à partir des signaux de deux capteurs montés à 90 degrés l'un de l'autre pour surveiller les vibrations de l'arbre, illustrées à droite. Notez la différence de phase entre les signaux des deux capteurs.
Pourquoi la surveillance des vibrations est-elle importante pour les systèmes industriels ?
La surveillance de l'état des équipements est essentielle pour la gestion et l'exploitation d'un système industriel. Une surveillance adéquate de l'état, qui maximise la capacité opérationnelle des équipements tout en minimisant les risques d'exposition, prolonge la durée de vie des actifs, ce qui se traduit par une réduction des temps d'arrêt des équipements, moins d'interruptions du fonctionnement, une efficacité améliorée et, en fin de compte, une réduction des coûts du cycle de vie des actifs. Pour les équipements industriels, les vibrations sont l'une des principales variables pour lesquelles une surveillance proactive de l'état est essentielle.
Analyse des causes profondes
La surveillance et l'analyse des vibrations peuvent aider à analyser les causes profondes ; si un équipement est endommagé, le suivi de la source des vibrations peut permettre de comprendre la cause de ce dommage et de savoir comment éviter qu'il ne se reproduise.
Maintenance prédictive
Si l'analyse des causes profondes est un avantage important, la surveillance des vibrations est peut-être plus utile lors de l'utilisation de la maintenance prédictive, c'est-à-dire comme moyen de prévenir les défauts avant qu'ils ne se produisent. À l'aide d'un capteur de vibrations, les données relatives aux vibrations peuvent être suivies en temps réel. La détection précoce d'une augmentation des vibrations au sein d'un équipement permet de planifier à l'avance et de manière rentable les actions d'entretien & service, empêchant ainsi les dommages de se produire ou de s'aggraver.
Qui peut bénéficier des capteurs de vibrations ?
Toute entreprise qui utilise des machines rotatives et/ou à mouvement alternatif peut bénéficier de l'utilisation de capteurs de vibrations. Cela inclut :
- Pétrole et gaz
- Énergies renouvelables
- Énergie thermique
- Industrie de transformation
Partout où il y a des composants en mouvement, il y a des vibrations qui peuvent être surveillées. Parmi les cas concrets où les capteurs de vibrations sont nécessaires, on peut citer un certain nombre de machines critiques telles que les compresseurs (centrifuges, axiaux, à mouvement alternatif et à vis) et les turbines (à Gaz, à Vapeur, hydrauliques et éoliennes). Les machines d'équilibrage de l'usine sont également surveillées, telles que :
Ventilateurs - Les ventilateurs sont utilisés dans un certain nombre d'applications. Les pales peuvent accumuler des dépôts qui réduisent leur efficacité et peuvent solliciter les roulements et la boîte de vitesses, entraînant une défaillance prématurée.
Moteurs - Outre les pièces rotatives qui créent des forces centrifuges, les moteurs électriques produisent également des forces électromagnétiques dues à leur mode de fonctionnement. Toutes ces forces peuvent rendre un système instable. Dans un environnement industriel, des capteurs de vibrations sont utilisés pour surveiller les niveaux de vibration au sein du moteur qui peuvent être causés par des barres de rotor cassées, une bague d'extrémité cassée, des roulements défectueux, etc.
Pompes - Les pompes transportent des liquides entre deux niveaux de hauteur différents. Comme les moteurs, les pompes génèrent une force centrifuge due au mouvement rotatif. Les capteurs de vibrations permettent aux ingénieurs ou aux techniciens de surveiller la fréquence des vibrations résultant du fonctionnement de la pompe.
Compresseurs - Un compresseur est un dispositif mécanique qui augmente la pression d'un gaz en réduisant son volume. Comme les moteurs et les pompes, les compresseurs génèrent une force centrifuge due au mouvement rotatif. Les capteurs de vibrations permettent aux ingénieurs ou aux techniciens de surveiller la fréquence des vibrations résultant des éléments, des roulements et des arbres du compresseur.
Dans toutes les applications, la mesure et la surveillance des vibrations des machines permettent aux gestionnaires et aux opérateurs de prévoir les défauts, de déterminer les meilleures conditions de fonctionnement et de prévenir les risques sur le lieu de travail.
Principaux types de capteurs de vibrations
Il existe trois principaux types de capteurs de vibrations, chacun présentant ses propres avantages et inconvénients :
- Accéléromètres – Mesurent directement l'accélération absolue des vibrations
- Capteurs de vitesse – Mesurent directement la vitesse absolue des vibrations
- Capteurs de déplacement (sondes de proximité ou sondes à courants de Foucault) – Mesurent directement les vibrations relatives en déplacement (CC – déplacement statique / CA – déplacement variable)
Avantages et inconvénients des différents types de capteurs de vibrations
Accéléromètres
Les accéléromètres sont d'excellents capteurs pour la détection des défauts des roulements à éléments roulants et des engrenages, ou de pratiquement tous les défauts dans la gamme des fréquences moyennes à élevées, y compris les chocs de courte durée. Ils sont également très efficaces pour détecter les déséquilibres, les désalignements, les arbres tordus, les pièces desserrées ou cassées, les résonances des composants, etc. Les Accéléromètres sont les capteurs les plus couramment utilisés dans les applications de surveillance des vibrations. Ils offrent une large gamme de fréquences et ont une longue durée de vie (> 20 ans). Ils sont disponibles en petites tailles, dans des modèles spécifiques à certaines applications et dans des versions résistantes aux températures élevées.
Capteurs de vitesse
Les capteurs de vitesse sont faciles à installer et sont parfaits pour la mesure et la surveillance générales des vibrations sur les machines rotatives et alternatives. Ils ne sont pas sensibles à la surface sur laquelle ils sont montés, ils sont utilisés pour les mesures à moyenne fréquence et offrent une bonne plage de températures. Les capteurs de vitesse sont électrodynamiques, ce qui signifie qu'ils génèrent eux-mêmes leur signal et ne nécessitent donc aucune alimentation électrique.
Les capteurs de vitesse présentent toutefois des inconvénients. Ils sont plus coûteux que la plupart des accéléromètres et leur durée de vie est limitée, car le ressort (membrane) sur lequel est suspendu l'aimant interne du capteur finit par s'user. Ils ont une limite de fréquence supérieure ainsi qu'une fréquence de résonance inférieure en raison de la résonance du ressort/de la masse, ce qui limite leur plage de fréquences. Les capteurs de vitesse ne sont pas non plus adaptés à la détection précoce des roulements, sont sensibles aux champs magnétiques, sont légèrement volumineux et leurs ressorts peuvent se déformer avec le temps.
Displacement Sensors
Les capteurs de déplacement, également appelés sondes de proximité ou sondes à courants de Foucault, sont des capteurs sans contact qui mesurent directement le déplacement et sont utilisés pour surveiller le mouvement des arbres et les jeux internes. Ils constituent la meilleure option pour surveiller les machines équipées de paliers lisses et de paliers axiaux, et fournissent une bonne puissance de signal à basse fréquence. Les capteurs de déplacement sont fiables et excellents pour la protection et la surveillance des turbomachines, quelle que soit leur vitesse.
Les capteurs de déplacement présentent également des inconvénients. Ce sont des capteurs montés de manière permanente et coûteux à installer. Les capteurs de déplacement sont très sensibles à la composition et à l'état des matériaux de surface et nécessitent une longueur de câble fixe entre la sonde à courants de Foucault et l'oscillateur/démodulateur.
Quel capteur de vibrations sélectionner ?
Lors de la sélection d'un capteur de vibrations, certaines variables doivent être prises en compte. Le niveau de vibration, la gamme de fréquences, la gamme de températures et le type de palier (roulement à éléments roulants ou palier lisse) sont tous importants. L'environnement extérieur ainsi que la présence de champs électromagnétiques peuvent potentiellement interférer avec les lectures du capteur, il faut donc en tenir compte. La taille et le poids du capteur lui-même peuvent également jouer un rôle dans le choix pour les petites applications.
Comment mettre en place un système de surveillance des vibrations
Dans l'analyse des vibrations, il est essentiel d'évaluer et de déterminer l'emplacement de montage de chaque capteur. Un montage incorrect d'un capteur de vibrations peut entraîner des résultats peu fiables. Il est donc essentiel de monter correctement le capteur pour garantir la précision et la cohérence des mesures. Une installation réussie d'un capteur de vibrations peut être réalisée en comprenant les exigences, les capacités et les limites de ce capteur.
Les capteurs doivent être montés aussi près que possible de la source de vibrations, sur une surface lisse, non peinte, plane, exempte d'huile et de graisse, et plus grande que la base du capteur lui-même. Pour garantir que le capteur détecte les défauts des composants de la machine, il doit être monté à l'emplacement approprié et dans le bon sens afin de permettre une surveillance efficace de la direction correcte des vibrations (mouvement horizontal, vertical et/ou axial).
Fondamentalement, la mise en place d'un système de surveillance des vibrations comprend trois parties :
Montage du capteur
- Il est essentiel de monter correctement le capteur sur le système afin de garantir des mesures précises. En général, plus le capteur de vibrations est placé près des supports d'arbre (roulements), mieux il mesurera les vibrations, en particulier les signaux à haute fréquence.
- Plusieurs méthodes de montage peuvent être utilisées pour les accéléromètres et les capteurs de vitesse, telles que des goujons, des supports adhésifs, des aimants plats ou bipolaires, ou des pointes de sonde. La méthode de montage aura une incidence sur la gamme de fréquences que le capteur est capable de mesurer (accéléromètres), ce qui est particulièrement important pour les hautes fréquences. Les capteurs de déplacement sont généralement vissés à travers le boîtier pour surveiller les vibrations relatives de l'arbre, avec un écart approprié pour ce capteur. Les capteurs de déplacement utilisés pour la surveillance des vibrations et de la vitesse/phrase de référence nécessitent un montage rigide lors de la fixation du capteur à la machine.
Câblage
- Un bon câblage est également essentiel à l'efficacité d'un système de mesure des vibrations. En matière de câblage, la longueur du câble et sa capacité, son acheminement, sa mise à la terre et son ancrage sont les éléments les plus critiques. Il existe une longueur maximale pour les Accéléromètres avant que le contenu du signal ne commence à diminuer. La capacité d'un câble augmente avec sa longueur ; par conséquent, la sortie finale du capteur combinera sa propre capacité avec celle du câble. C'est pourquoi les capteurs de déplacement ont tous des câbles de longueur fixe. Le cheminement consiste à déterminer le trajet du câble entre le capteur et le système d'acquisition. Un cheminement approprié est nécessaire, car lorsque le câble est acheminé à proximité d'autres appareils électroniques, les interférences électromagnétiques et les décharges électrostatiques provenant de ces appareils peuvent perturber les lectures du capteur. Les câbles d'instrumentation doivent être acheminés dans des chemins de câbles d'instrumentation désignés et ne doivent jamais être parallèles aux câbles d'alimentation. Il est également important d'éviter les boucles de masse des câbles. Outre ces points, le câblage ou l'acheminement doit commencer par des câbles correctement blindés.
Configuration du système de surveillance
- Le choix d'un système de surveillance est simple, car il dépend du capteur utilisé et de son câble. La configuration du système de surveillance consiste à garantir la répétabilité et une connexion ininterrompue. Un système de surveillance comporte deux interfaces. La première interface se trouve entre le capteur et l'unité d'acquisition de données et de traitement des données. La seconde interface se trouve entre le système d'acquisition de données et de traitement des données et un réseau où se trouvent d'autres systèmes et utilisateurs. En général, le fabricant fournit un guide détaillé sur la manière de configurer correctement le système de surveillance.
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Écrit par : Dan Schultz
Mise à jour le : 30 octobre 2025
Comprendre la signification de « intrinsèquement sûr »
Written by: Dan Schultz
Updated on: March 30, 2026