2.3 alarma de envolvente con especto fft

MODULO
TEORIA DE LAS
VIBRACIONES
CONTENIDO
1. FUNDAMENTOS DE LA MEDICION DE VIBRACIONES
4
2. ANALISIS DE SEÑALES
6
2.1 ANALISIS DE ONDA AMPLITUD–TIEMPO
6
2.2 ANALISIS DE ESPECTROS FFT
6
2.3 ALARMA DE ENVOLVENTE CON ESPECTO FFT
7
3. METODOS ALTERNATIVOS DE PROCESAMIENTO DE LA SEÑAL DE
VIBRACION
8
3.1 MEDIDAS DE FASE
8
3.2 DETECCIÓN DE ALTA FRECUENCIA HFD
9
3.3 DETECCION POR ENVOLVENTE
10
3.4 TECNOLOGIA “SEE”
10
4. SENSORES DE VIBRACION
10
4.1 DESPLAZAMIENTO
11
4.1.1 Ventajas y desventajas de los sensores Eddy
4.2 VELOCIDAD
12
13
4.2.1 Ventajas y desventajas de un sensor de velocidad
4.3 ACELERACION
13
14
4.3.1 Ventajas y desventajas del acelerómetro
5. CONCLUSIONES
15
15
SEGUNDA PRÁCTICA
Uso de sistemas MPd colectores y analizadores
17
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FIGURAS
Figura 1.
Sistema masa-resorte
4
Figura 2.
Desplazamiento, velocidad y aceleración en la onda en el tiempo
5
Figura 3.
Conjunto eje rotor
5
Figura 4.
Gráfica de fase
6
Figura 5.
Ejemplo de espectro FFT
7
Figura 6.
Un espectro FFT con una envolvente de alarma
8
Figura 7.
Gráfica de fase
9
Figura 8.
Sensor de desplazamiento Eddy
11
Figura 9.
Gráfico orbital – 2 sensores Eddy
12
Figura 10.
Acelerómetro del tipo cristal piezo-eléctrico
14
Figura 11.
Relación entre los sensores de desplazamiento, velocidad y
aceleración con respecto a la frecuencia.
16
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1. FUNDAMENTOS DE LA MEDICION DE VIBRACIONES
Un curso de análisis de maquinaria debe incluir los fundamentos de vibración. El análisis
vibracional es considerado como la técnica más efectiva para monitorear las condiciones de la
maquinaria rotativa.
La medición de la vibración es una medición de un movimiento periódico, un ejemplo simple es
el uso del sistema masa-resorte, ver Figura 1.
Figura 1. Sistema masa-resorte
Cuando se aplica una fuerza vertical a la masa, se produce un movimiento armónico, el cual
puede verse en un gráfico Amplitud Vs. Tiempo, obteniéndose una curva sinusoidal similar a la
mostrada en la Figura 1.
El punto de partida se ubica en el punto cero (cuando la masa está en reposo), continuando el
movimiento a través del tiempo con desplazamiento positivo y luego negativo, hasta completar
el ciclo. El desplazamiento es la distancia medida desde el punto cero a la posición en que se
encuentra la masa. La magnitud del desplazamiento es denominada amplitud.
Existen dos medidas derivadas del desplazamiento: la velocidad y la aceleración.

Velocidad: es la primera derivada del desplazamiento en función del tiempo (variación
del desplazamiento en la unidad de tiempo).

Aceleración: es la segunda derivada del desplazamiento en función del tiempo
(variación de la velocidad en la unidad de tiempo).
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En resumen, el movimiento periódico tiene tres características que pueden ser medidas: el
desplazamiento, la velocidad y la aceleración; estas tres características aunque se relacionan
matemáticamente son tres características diferentes, no son tres nombres para una misma
cantidad. Las relaciones entre ellas se muestran gráficamente en la siguiente Figura 2.
Figura 2. Desplazamiento, velocidad y aceleración en la onda en el tiempo
Cuando la masa en movimiento pasa por el punto “cero” el desplazamiento es nulo y la
velocidad alcanza su máximo valor, así mismo, cuando el desplazamiento se hace máximo, la
velocidad es cero.
De la misma forma, cuando la masa se encuentra en su punto de máximo desplazamiento, su
aceleración es el valor máximo negativo (freno).
Por integración matemática, los valores
medidos con el acelerómetro, permiten calcular la velocidad y con una nueva integración, el
desplazamiento. La Figura 2 muestra la forma de onda de las tres medidas, observándose que
la aceleración está adelantada 90 º con respecto al desplazamiento.
A continuación, en la Figura 3 observaremos un conjunto eje-rotor de una máquina que
relacionaremos con el sistema masa-resorte anteriormente mencionado.
Front view
rotor
shaft
side view
Figura 3. Conjunto eje rotor
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Como se puede apreciar, el conjunto eje-rotor gira soportado en cojinetes, asumiendo que
ambos representan una máquina centralizada y el eje experimenta una determinada flexión por
acción del peso, se producirá un movimiento orbital durante el giro del eje.
Cada vuelta
completa del conjunto eje-rotor es un ciclo (360º). Cada ciclo mostrará los desplazamientos
positivo y negativo, refiriéndose al eje flexionado.
Cuando usamos acelerómetros ubicados en posiciones típicas sobre los cojinetes podemos
medir la aceleración, la velocidad y el desplazamiento. Estas mediciones pueden ser grabadas,
analizadas y presentadas en tablas y gráficos que permitan determinar el estado del equipo.
Uno de los diagramas típicos usados en la evaluación de equipos es el de análisis de onda
amplitud– tiempo, mostrado en la Figura 4.
Figura 4. Gráfica de una onda amplitud-tiempo
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2. ANALISIS DE SEÑALES
2.1 ANALISIS DE ONDA AMPLITUD–TIEMPO
La onda Amplitud-Tiempo mostrada en la Figura 4, es producto de la señal vibracional tomada
con la asistencia de un acelerómetro o pick-up de velocidad. Este tipo de registro vibracional es
llamado gráfico o ploteo “en el dominio de tiempo”.
La onda amplitud–tiempo presenta una muestra corta de la vibración, tal como lo hace el
osciloscopio. Aunque no es tan útil como otros métodos de análisis, la onda real en el dominio
del tiempo, puede proporcionar información que no siempre es evidente en los espectros de
frecuencia. Si bien es cierto que a partir del gráfico “en el dominio del tiempo” puede obtenerse
información sobre las condiciones de la maquinaria luego de un análisis muy minucioso, es más
práctico y conveniente iniciar el análisis con el espectro de frecuencias FFT.
2.2 ANALISIS DE ESPECTROS FFT
Como mencionamos anteriormente, la mejor forma de iniciar el análisis vibracional de un
equipo es aplicando la Transformada Rápida de Fourier (FFT), Fast Fourier Transformation. En
términos comunes, significa que la señal vibracional es descompuesta en componentes
frecuenciales con su respectiva amplitud vibracional, estos valores o amplitudes son graficadas
sobre la escala de frecuencias, ver Figura 5. Para obtener una gráfica bien definida para la
ejecución del análisis, es importante seleccionar adecuadamente las “líneas de resolución”. Se
recomienda que la selección de las líneas de resolución permitan obtener sub-divisiones de al
menos 75 CPM (ciclos por minuto), por ejemplo, si se requiere efectuar el análisis en un rango
de 60.000 CPM, se seleccionará 800 líneas (60.000/75 = 800 líneas).
Figura 5. Ejemplo de espectro FFT
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Este gráfico bien definido es llamado “Espectro FFT” y es una herramienta muy útil para la
detección de problemas existentes en maquinaria rotativa y de la cual se puede obtener
información para determinar la ubicación del defecto, sus causas y la tendencia de los niveles
vibracionales que determinarán dentro de qué tiempo el problema se hará crítico (nivel de
parada de equipo).
2.3 ALARMA DE ENVOLVENTE CON ESPECTO FFT
Un método efectivo para detectar los pequeños cambios de energía asociada con defectos en
rodamientos, engranajes o anomalías eléctricas es la alarma de envolvente (Enveloping
Alarming) desarrollada por Condition Monitoring.
El método consiste en aplicar un envolvente patrón sobre el espectro registrado (baseline); este
envolvente es matemáticamente creado, al aplicar un factor multiplicador del 130 al 150%
sobre el espectro registrado (baseline), conforme se muestra en la Figura 6.
Figura 6. Un espectro FFT con una envolvente de alarma
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Si algún cambio en la vibración se produjese en las mediciones posteriores, que motivase que el
especto FFT traspase la frontera de la “envolvente”, las alarmas inmediatamente se lanzarán
indicando la existencia de algún problema. La alarma de evolvente requiere de mediciones
periódicas que permitan efectuar el seguimiento.
Es importante observar que las pequeñas variaciones de la velocidad de giro (23%), como las
existentes en los motores eléctricos por las variaciones en la frecuencia de la red, no influyan
sobre la frontera creada en la alarma de envolvente.
3. METODOS ALTERNATIVOS DE PROCESAMIENTO DE LA SEÑAL DE
VIBRACION
Adicionalmente a la “onda en el dominio del tiempo” y el “espectro FFT”, las señales
vibracionales pueden procesarse por otros métodos a fin de mejorar el análisis del equipo y sus
condiciones de operación.
El uso de múltiples métodos de proceso de la señal, proporciona más formas de analizar la
señal y de medir las desviaciones. Los siguientes son algunos ejemplos de métodos alternativos
de procesamiento:
3.1 MEDIDAS DE FASE
Como definición, fase es la diferencia de ángulo existente entre una marca conocida en el eje
que está rotando y la generada por la señal de vibración del eje. Esta relación permite obtener
información sobre los niveles de amplitud de la vibración, órbitas y posición del eje. AsÍ mismo,
es usado como elemento de análisis de orbitales y para la ejecución del balanceo dinámico de
un conjunto rotatorio; adicionalmente la fase puede ser usada para determinar la velocidad de
giro (luz estroboscópica).
La fase puede ser determinada con la existencia de un sensor óptico (optical fase), por una luz
estroboscópica (strobe Light) o por medio de dos señales tomadas o 90 grados radialmente al
eje. La Figura 7 muestra un diagrama vector fase-amplitud, el mismo que permitiría evaluar los
ejes de gran tamaño en turbinas, a fin de detectar la presencia de fisuras en el eje o problemas
en los alabes. Una alteración en la longitud del vector o un desplazamiento de su posición
podría indicar algún problema.
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0
270
90
vector
acceptance region
180
Figura 7. Gráfica de fase
En el gráfico vector fase de la Figura 7, la longitud del vector muestra la magnitud de la
vibración y la posición del vector, su fase. Una vez definida la región de aceptación del vector
fase, cualquier variación que lo remonte de dicha región, será registrado por las alarmas.
3.2 DETECCIÓN DE ALTA FRECUENCIA HFD
El método denominado detección de alta frecuencia (High Frecuency Detection – HFD), muestra
un valor numérico para altas frecuencias, que identifica las pequeñas amplitudes vibracionales
que se generan en los defectos iniciales de rodamientos.
El método HFD permite detectar
tempranamente los daños de rodamientos.
La HFD mide y presenta un valor numérico proporcional al nivel de la señal total que se ubica
en el rango de la alta frecuencia, gracias a sensores de frecuencia resonante que amplifican los
valores de bajo nivel generados por el impacto de los pequeños defectos de los rodamientos.
Las medidas BFD son tomadas sobre un período de tiempo con la asistencia de un equipo
colector de datos o con un sistema de adquisición permanente de datos.
3.3 DETECCION POR ENVOLVENTE
El objeto de la técnica de la envolvente es extraer las características vibracionales de baja
frecuencia, con el propósito de efectuar un análisis más detallado.
Es común que en engranajes y rodamientos las señales vibracionales generadas a baja
frecuencia se exciten a altas frecuencias produciendo amplitudes resonantes. La técnica de la
envolvente filtra la señal compleja de la vibración dentro de un rango de frecuencia de
determinado interés, permitiendo obtener un espectro FFT donde solo aparecerán las
frecuencias resonantes típicas de falla de los rodamientos (BPFO, BPFI, FTF Y BSF) o de los
engranajes (Tooth mesh).
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3.4 TECNOLOGIA “SEE”
La Tecnología “SEE” detecta defectos de rodamientos en un amplio rango de aplicación. Esta
nueva Tecnología “SEE” (Spectral Emitted Energy) desarrollada por SKF Condition Monitoring,
permite la detección temprana del contacto metal-metal, cuando existen limitaciones en la
película lubricante o defectos en el rodamiento. Este contacto metal-metal se genera a muy
altas frecuencias (250 Khz – 350 Khz).
Normalmente las señales vibracionales de rodamientos con defectos se encubren en las señales
de ruido producidas por el desbalance, desalineamiento o vibración estructural.
Con la
tecnología SEE, la señal captada por el sensor (sensor piezo-eléctrico de banda ancha), se filtra
en un rango de 250 a 350 Khz y se envuelve. En estas condiciones, la señal pasa a través de
un filtro de bajo paso que asegura que sólo los componentes envueltos de baja frecuencia
permanezcan.
La señal envuelta se puede analizar numéricamente o como un espectro, usando un equipo
normal de análisis. Un alto valor SEE indica contacto metal–metal.
4. SENSORES DE VIBRACION
El primer paso en el monitoreo de las condiciones del estado de la maquinaria es la toma de las
medidas vibracionales. Para estos se utilizan sensores que se acoplan al equipo a fin de captar
la energía mecánica (inducida por la vibración) y convertiría en señal eléctrica, la misma que es
medida y analizada con la instrumentación disponible (vibrómetros y analizadores).
Existen tres tipos básicos de sensores, que miden:

Desplazamiento: la distancia relativa a su punto de referencia.

Velocidad: es la relación del desplazamiento con respecto al tiempo.

Aceleración: es la variación de la velocidad vibracional en el tiempo.
Aunque estas tres características vibracionales se relacionan matemáticamente, tiene diferentes
aplicaciones. La selección de la característica vibracional y el sensor a utilizarse está en función
de varios factores como son:
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
Tipo de máquina, construcción y velocidad de operación.

Respuesta de la máquina a las variaciones operativas.

Rango de frecuencia de la vibración esperada de la máquina.

Naturaleza y severidad de los problemas que pueden ser anticipados.

Características del sensor.

Ubicación en la toma de medidas.
A continuación se presentan las ventajas y limitaciones en el uso de los sensores para registros
vibracionales.
4.1 DESPLAZAMIENTO
Es desplazamiento en la mayoría de los casos es medido con un sensor denominado probeta de
eddy. Este sensor es del tipo no-contacto y mide la distancia relativa entre dos superficies. El
monitoreo con probetas de eddy, permite evaluar la vibración del eje y es usado especialmente
en máquinas con cojinetes lisos lubricados con aceite (turbinas, compresores centrífugos, etc.).
Estas probetas de desplazamiento, solamente miden el movimiento relativo del eje o rotor con
respecto a la carcasa de la máquina.
Si la carcasa y el rotor se movieran juntos, el
desplazamiento medido sería “cero”, a pesar que la máquina pudiese tener una severa
vibración.
Figura 8. Sensor de desplazamiento Eddy
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Como el eje gira a 360°, los sensores de desplazamiento pueden registrar el movimiento orbital.
Si imaginamos que podemos observar el eje axialmente, el movimiento orbital será similar al de
la Figura 8. Para poder generar este diagrama orbital, es necesario instalar dos sensores eddy a
90º uno del otro, con el fin de captar la señal simultáneamente.
Figura 9. Gráfico Orbital - dos sensores Eddy
Los sensores eddy, también son usados para medir las fases en el rotor; la fase es la distancia
angular existente entre una marca conocida sobre el rotor (eje) y la que registra la señal
vibracional. Esta relación (fase) es usada para efectuar el balanceo y el análisis orbital.
Como ya se mencionó, para monitorear la vibración y la fase del eje, deben instalarse dos
sensores eddy en el cojinete liso y distanciados 90° uno del otro.
4.1.1 Ventajas y desventajas de los sensores Eddy
Ventajas

Mide la distancia relativa entre dos superficies.

Respuesta segura a baja frecuencia.

Puede medir el movimiento estático y dinámico del eje.

No se desgastan.

Son pequeños.

Fáciles de calibrar.

Miden directamente el desplazamiento.
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Desventajas:

Su sensibilidad se ve limitada en alta frecuencia.

Su instalación o reemplazo es dificultoso.

Requiere de una fuente de energía externa.

Presenta sensibilidad en la calibración según el tipo del material del eje.
4.2 VELOCIDAD
Matemáticamente, la velocidad es la primera derivada del desplazamiento y físicamente indica
qué tan rápido se produce el desplazamiento.
Los sensores de velocidad (pick-up) miden la vibración en las cajas de cojinetes o en la carcasa
de la máquina. Un típico sensor de velocidad consiste en un núcleo magnético suspendido por
resortes y que se encuentra rodeado por una bobina.
El movimiento relativo entre la bobina y el núcleo, produce una señal de voltaje proporcional a
la velocidad. Para los casos de monitoreo permanente, el sensor de velocidad normalmente es
empernado
directamente sobre la caja de cojinetes o carcasa de la máquina.
Cuando se
efectúa monitoreos temporales o pruebas puntuales de evaluación del equipo, se utilizan
sensores portátiles o magnéticos que se adhieren a los puntos de medición. Los sensores de
velocidad son convenientes debido a que ellos mismos generan una señal de voltaje
suficientemente alta que no requiere amplificación.
Estos sensores (pick-up) son efectivos en un rango bajo intermedio de frecuencia (10 Hz hasta
150 Hz), lo cual cubriría la mayoría de los equipos, salvo las turbomáquinas.
Aunque los sensores de velocidad son muy prácticos por ser instrumentos electro-mecánicos,
sus partes en movimiento son susceptibles de dañarse o fallar. No se recomienda su uso en
ambientes pesados o en arcas donde existen fuertes campos magnéticos.
4.2.1 Ventajas y desventajas de un sensor de velocidad.
Ventajas

Tiene muy buena respuesta en media frecuencia.

Puede ser instalado sobre bases temporales.

Fácil de instalar.

No requiere de fuente externa de poder.
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Desventajas

Su uso se ve limitado en ambientes pesados o donde existen fuertes campos
magnéticos.

Su comportamiento se ve afectado por el uso.

Difícil de calibrar.
4.3 ACELERACION
Matemáticamente la aceleración es la segunda derivada del desplazamiento y físicamente indica
cuan rápido varía la velocidad vibracional. La aceleración es medida con acelerómetros, estos a
su vez, contienen uno o más cristales piezo-eléctricos y una masa que los presiona.
spring
mass
Piezoelectric
Crystal slack
Figura 10. Acelerómetro del tipo cristal piezo-eléctrico.
Cuando el cristal piezo-eléctrico es comprimido (como resultado de la vibración), se produce
una señal eléctrica de salida, que es proporcional a la aceleración. Este cristal físicamente es
comprimido por la masa que se encuentra vibrando, Ver Figura 9
Los acelerómetros son instrumentos resistentes que operan en un rango amplio de frecuencia,
casi desde valores cercanos al cero, hasta mayores a 400 Hz. Debido a que la velocidad es la
medida más común para monitorear la vibración, es que las medidas de aceleración registradas
deben ser integradas para conseguir los valores de velocidad.
Debido al amplio rango de frecuencia del acelerómetro, las señales obtenidas deben ser
filtradas a fin de remover las vibraciones no asociadas a la componente dinámica. A pesar que
el acelerómetro piezo-eléctrico es un instrumento que autogenera su señal, ésta sale a muy alta
impedancia y por lo tanto no puede ser usada directamente por el equipo de monitoreo, por lo
que electrónicamente debe ser llevado a baja impedancia.
ANALISIS VIBRACIONAL NIVEL I - MODULO II - Página 15 de 20
4.3.1 Ventajas y desventajas del acelerómetro.
Ventajas

Buena respuesta a alta frecuencia.

Existen algunos modelos para ambientes a alta temperatura.

Son bastante confiables.

Son simples de instalar.

Son pequeños.
Desventajas

Posibilidad de captar ruidos de baja frecuencia (distorsión de la señal).

Requiere de elementos electrónicos adicionales para superar los problemas de
impedancia en la señal de salida.
5. CONCLUSIONES
Es necesario seleccionar adecuadamente tanto el tipo de medición vibracional, como el sensor a
utilizarse a fin de detectar el estado del equipo y los defectos que tuviese.
En casos en que se evalúen grandes máquinas, donde el peso de la masa estática del equipo es
mucho mayor que el rotor, deberá medirse el desplazamiento con sensores eddy. En este tipo
de situaciones, el desplazamiento del eje es la medida más sensible. En el caso específico de
turbomaquinaria de alta velocidad, el desplazamiento del eje debe ser monitoreado a fin de
proteger a la máquina y al personal. Las medidas del desplazamiento del eje permiten detectar
defectos mecánicos como: desbalance, desalineamiento, flexionamiento en el eje e inestabilidad
de la película lubricante del cojinete.
Si la relación en peso del rotor con la carcasa de la máquina es igual o mayor a uno, las señales
de vibración que se toman directamente sobre las cajas de cojinetes o carcasa, son suficientes
para determinar la condición de la máquina. Los sensores de velocidad y acelerómetros
detectan a alta frecuencia defectos en el rotor como son: fatiga en los rodamientos, soltura en
los soportes o partes intemas, resonancia, problemas en los engranajes y alabes.
El rango de frecuencia en el cual opera una máquina y las características de sus elementos
(número de dientes de engranajes, alabes del rodete, etc.), son los factores para seleccionar el
tipo de medición y el sensor a utilizarse; los sensores son como ventanas a través de los cuales,
el espectro de frecuencia puede ser observado con precisión.
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Las probetas de desplazamiento (sensores Eddy) operan adecuadamente en un rango de 0
hasta los 1.000 Hz, el sensor de velocidad (pick-up) de 10 a 1.500 Hz, y los acelerómetros
hasta los 400 KHz. En la Figura 10, se muestra los rangos de aplicación de frecuencia de los
diversos sensores mencionados.
Displacement (mils)
Acceleration
(G´s)
AMPLITUDE
(mils)
(in/sec)
(G´s)
Velocity
(in/sec)
FREQUENCY.(Hz)
Figura 11. Relación entre los sensores de desplazamiento, velocidad y aceleración
con respecto a la frecuencia.
Como se puede apreciar en la Figura 10, la velocidad se usa generalmente para indicar los
niveles de vibración.
Para una misma cantidad de fuerza que es generada, la velocidad
vibracional mantiene una respuesta constante en un amplio rango de frecuencia, sin embargo,
a bajas frecuencias (menores a 10 Hz) los sensores de velocidad pierden su efectividad. Las
probetas de desplazamiento trabajan mejor a muy bajas frecuencias, mientras que los
acelerómetros lo hacen a altas frecuencias. Existen muchas aplicaciones, donde se pueden
usar en la evaluación de un equipo, tanto las probetas de desplazamiento, los sensores de
velocidad y los acelerómetros (Equipo con diversas RPM, por ejemplo, motor eléctrico –
reductor -máquina conducida).
En conclusión, para evaluar adecuadamente un equipo, deberá disponer como datos, el tipo de
máquina, las características de los elementos que la componen, las ventajas e identificación de
los puntos de medición.
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SEGUNDA PRACTICA
Uso de Sistemas de MPd Colectores y Analizadores
Objetivo
Utilizar el Sistema de MPd Microlog-prism2 en su modo colector y software para MPd, en
versión DOS.
Procedimiento

Empleo del Colector de vibraciones Picolog.

Empleo del Colector Analizador Espectral Microlog.

Uso del software para MPd prism2.

Desarrollo de Espectros de vibraciones FFT.

Transferencia de datos en Sistemas Picolog y Microlog.

Empleo del software para MPd. Prism4 para Windows.

Empleo del software para MPd. Prism4-pro para Windows.
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