ISO 10817-1:1998
(Main)Rotating shaft vibration measuring systems — Part 1: Relative and absolute sensing of radial vibration
Rotating shaft vibration measuring systems — Part 1: Relative and absolute sensing of radial vibration
Systèmes de mesure des vibrations des arbres tournants — Partie 1: Captage relatif et captage absolu des vibrations radiales
General Information
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 10817-1
First edition
1998-12-15
Rotating shaft vibration measuring
systems —
Part 1:
Relative and absolute sensing of radial
vibration
Systèmes de mesure des vibrations des arbres tournants —
Partie 1: Captage relatif et captage absolu des vibrations radiales
A
Reference number
ISO 10817-1:1998(E)
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ISO 10817-1:1998(E)
Contents
1 Scope .1
2 Normative references .1
3 Terms and definitions .2
4 Shaft vibration measuring systems overview.2
5 Sensing systems.4
5.1 Relative shaft-vibration measuring systems .4
5.2 Absolute shaft vibration measuring systems.6
6 Measurement uncertainties .9
6.1 Measurement principles.9
6.2 Accuracy requirements on the measuring system .9
6.3 Monitoring of critical machinery .13
7 Environmental conditions.13
7.1 Transducers .13
7.2 Non-integral conditioners .14
8 Calibration .15
8.1 Relative shaft vibration measuring systems.15
8.2 Absolute shaft vibration measuring systems.16
(informative)
Annex A Mechanics of shaft vibration.17
Annex B (informative) Measurement quantities.18
Bibliography.22
© ISO 1998
All rights reserved. Unless otherwise specified, no part of this publication may be reproduced or utilized in any form or by any means, electronic
or mechanical, including photocopying and microfilm, without permission in writing from the publisher.
International Organization for Standardization
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Printed in Switzerland
ii
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ISO 10817-1:1998(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies (ISO
member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO technical
committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been established has
the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and non-governmental, in
liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the International Electrotechnical
Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 3.
Draft International Standards adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting.
Publication as an International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
International Standard ISO 10817-1 was prepared by Technical Committee ISO/TC 108, Mechanical vibration and
shock, Subcommittee SC 3, Use and calibration of vibration and shock measuring instruments.
ISO 10817 consists of the following parts, under the general title Rotating shaft vibration measuring systems:
Part 1: Relative and absolute sensing of radial vibration
Part 2: Signal processing
Annexes A and B of this part of ISO 10817 are for information only.
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Rotating shaft vibration measuring systems —
Part 1:
Relative and absolute sensing of radial vibration
1 Scope
This part of ISO 10817 gives details of how to obtain reproducible measurement results in order to enable the
monitoring and evaluation of shaft vibrations according to the ISO 7919 series. As such, it is concerned primarily
with the measurement of shaft vibrations for large machines (e.g. steam turbine generator sets, gas turbines,
industrial turbosets, hydraulic machines).
This part of ISO 10817 is applicable to radial vibration measuring systems on shafts, both for absolute and relative
measurements. It covers the sensing device (i.e. transducer), signal conditioning, attachment methods and
calibration procedures.
2 Normative references
The following normative documents contain provisions which, through reference in this text, constitute provisions of
this part of ISO 10817. For dated references, subsequent amendments to, or revisions of, any of these publications
do not apply. However, parties to agreements based on this part of ISO 10817 are encouraged to investigate the
possibility of applying the most recent editions of the normative documents indicated below. For undated
references, the latest edition of the normative document referred to applies. Members of ISO and IEC maintain
registers of currently valid International Standards.
ISO 683-1, Heat-treatable steels, alloy steels and free-cutting steels — Part 1: Direct-hardening unalloyed and low-
alloyed wrought steel in form of different black products.
ISO 2041, Vibration and shock — Vocabulary.
ISO 4287, Geometrical Product Specification (GPS) — Surface texture: Profile method — Terms, definitions and
surface texture parameters.
ISO 5347, Methods for the calibration of vibration and shock pick-ups (all parts).
ISO 5348, Mechanical vibration and shock — Mechanical mounting of accelerometers.
ISO 7919-1:1996, Mechanical vibration of non-reciprocating machines — Measurements on rotating shafts and
evaluation criteria — Part 1: General guidelines.
ISO 7919-2, Mechanical vibration of non-reciprocating machines — Measurements on rotating shafts and evaluation
criteria — Part 2: Large land-based steam turbine generator sets.
ISO 7919-3, Mechanical vibration of non-reciprocating machines — Measurements on rotating shafts and evaluation
criteria — Part 3: Coupled industrial machines.
1
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ISO 7919-4,
Mechanical vibration of non-reciprocating machines — Measurements on rotating shafts and evaluation
criteria — Part 4: Gas turbine sets.
ISO 7919-5,
Mechanical vibration of non-reciprocating machines — Measurements on rotating shafts and evaluation
criteria — Part 5: Machine sets in hydraulic power generating and pumping plants.
ISO 8042,
Characteristics to be specified for seismic pick-ups.
1)
ISO 16063-1, Methods for the calibration of vibration and shock transducers — Part 1: Basic concepts.
GUM:1995, Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (BIPM, IEC, IFCC, ISO, IUPAC, IUPAP, OIML).
IEC 60068-2-6, Environmental testing — Part 2: Tests — Test Fc: Vibration (sinusoidal).
IEC 60068-2-29, Environmental testing — Part 2: Tests — Test Eb and guidance: Bump.
IEC 60529:1989, Degrees of protection provided by enclosures (IP Code).
3 Terms and definitions
For the purposes of this part of ISO 10817, the terms and definitions given in ISO 2041 apply.
4 Shaft vibration measuring systems overview
A measuring system to evaluate the radial vibration of a rotating shaft can be thought of as consisting of several
distinct subsystems: a transducer or transducers for either relative or absolute vibration measurement; a transducer
signal-conditioning instrumentation and associated cabling; a phase reference to relate a position on the rotating
shaft to the position of the measurement in the time domain (e.g. a shaft encoder); signal processing
instrumentation to output the measurement in a specified format; and an output device to display the measurement.
Figure 1 shows the interrelationship of these subsystems. ISO 10817-2 covers instrumentation requirements for
signal processing and analysis.
The output signals from the measuring devices, S , can be processed via specific systems and software packages
ext
which provide the quantities required for machine analysis and maintenance purposes. These systems and
software packages are not part of this part of ISO 10817.
The relative motions are generally measured with non-contacting transducers. The absolute rotor motions can be
sensed with non-contacting relative motion transducers in combination with an absolute motion detection made at
the positions of the relative motion transducers. These absolute motion measurements could also be sensed by
seismic transducers, e.g. shaft-riding transducers.
This part of ISO 10817 deals with the signal sensing block only, see Figure 1.
1)
Revision of ISO 5347-0.
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Figure 1 — Structure of rotating shaft measuring systems
3
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5 Sensing systems
5.1 Relative shaft-vibration measuring systems
5.1.1 Introduction
Relative shaft-vibration transducers take advantage of changes in either the optical path length, inductance or
capacitance between a position on a rotating shaft and a point removed from the shaft, usually in very close
proximity to the shaft, to determine the relative displacements in time. This reference point (i.e. the location point of
the relative shaft vibration transducer) often undergoes significant vibration from other sources. Seismic transducers
placed at the location of the sensing element of the non-contacting sensor can be used to determine absolute
vibration values (see 5.2).
5.1.2 General structure of the sensing systems
A shaft vibration sensing system according to the requirements of this part of ISO 10817 consists of relative
displacement transducers, cabling and the appropriate conditioners (see Figure 2).
Key
1 Shaft
2 Transducer to shaft distance
3 Transducers
4 Conditioners
5 Signal outputs
6 Measurement track
7 Measurement plane
Figure 2 — Shaft vibration measuring system for measurements in one plane
Two orthogonal transducers are preferably required to determine the total dynamic motion and mean position of the
shaft (see Figure 3). The two transducers are arranged in two perpendicular measurement directions in one
measurement plane. Generally for one machine set there are several measurement planes which may have a pair
of measuring devices for each plane. The system of all measuring devices belonging to one machine set is called a
measuring system for shaft vibration.
4
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Key
1 Kinetic orbit of shaft K Instantaneous position of shaft centre
2 Reference axes xy, Mean values of shaft displacement
O Mean position of orbit x(t), y(t) Time-dependent alternating values of shaft displacement
Figure 3 — Kinetic orbit of the shaft
Depending on the measurement method, a conditioner may be necessary between the transducer and the signal
processing instrumentation. The conditioner may be either a self-contained unit or may be integral with the
transducer or the signal processing instrumentation.
No requirements are given in this part of ISO 10817 for the indication instruments and the recording equipment.
5.1.3 Operating ranges
The user should select a transducer system which is at least compatible with the relevant part of ISO 7919 and/or
the specification of the machine under evaluation. The output signal tolerances are given in clause 6.
5.1.4 Characteristics to be specified
The manufacturer shall specify the following:
the range where the signal output is linear proportional to the gap between the target and transducer;
the amplitude and phase response as a function of frequency where linearity is maintained (see 6.2);
the overall size and thread of the transducer for each measurement range (tip diameter 5 mm, 8 mm and
18 mm, and thread M8·1, M10·1 and M20·1 are recommended);
the cable length (5 m is recommended);
the power supply (-24 V d.c. is recommended);
the sensitivities (8 mV/μm for the 2 mm range and 4 mV/μm for the 4 mm range is recommended where
applicable);
5
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the output signal mode (voltage-current);
the maximum output signal;
the output impedance and permissible load impedance;
the classes of temperature;
degree of protection [IP-67 (dust-tight and protected against the effects of temporary immersion) in accordance
with IEC 60529:1989 is recommended].
NOTE The above are recommended industry standards in common use.
5.2 Absolute shaft vibration measuring systems
5.2.1 Introduction
Two types of measuring systems are in use for the measurement of absolute shaft vibrations, as follows.
a) A combined absolute-vibration and relative-vibration measuring system using a seismic transducer and a
relative shaft displacement transducer (non-contacting) mounted on the same structure. Their conditioned
outputs are summed to provide a measurement of the absolute shaft motion.
b) A shaft-riding probe, where a seismic transducer is mounted on the shaft so that it measures directly the
absolute shaft motion.
5.2.2 General structure of the sensing systems
An absolute shaft vibration sensing system according to the requirements of this part of ISO 10817 consists either
of two sets of seismic and non-contacting transducers (non-contacting measurement) or of two shaft-riders (direct
measurement) and the appropriate conditioners (Figures 4 and 5).
Key
1 Transducer to shaft distance 6 Direction 1
2 Measurement axes 7 Direction 2
3 Seismic transducers 8 Signal outputs
4 Non-contacting transducers 9 Trajectory of absolute precession of the centre of the rotor section
5 Conditioners 10 Geometrical centre of the trajectory
Figure 4 — Absolute shaft vibration sensing system using a combination of non-contacting
and seismic transducers for one measurement plane
6
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Key
1 Signal conditioner
2 Seismic transducer
3 Machine structure
4 Shaft rider
5 Shaft
6 Signal outputs
Figure 5 — Absolute shaft vibration sensing system using a shaft-rider transducer assembly
for one measurement plane
The two transducer assemblies are radially mounted in orthogonal measurement directions in one measurement
plane. Generally at one machine set there are several measurement planes with one or two shaft sensing devices
for each plane.
Depending on the measurement method, a conditioner may be necessary between the transducer(s) and the signal
processing instrumentation. The conditioner may be either a self-contained unit or may be integral with the
transducer.
5.2.2.1 Combined seismic and non-contacting sensing system
A combined seismic and non-contacting sensing device consists of two sets of transducers, each set fitted with one
non-contacting type relative displacement transducer as described in 5.1 and one absolute seismic transducer
mounted on a common rigid structure in close proximity with their sensitive axes in-line or parallel to ensure that
both transducers undergo the same absolute structural motion. Their conditioned outputs are summed to provide a
measurement of the absolute shaft motion.
The combined absolute shaft vibration sensing system has to have at least two outputs for each measuring
direction:
a) the relative shaft vibration transducer displacement output, which is identical to that described in 5.1.1;
b) the output of the seismic transducer, which is proportional to the acceleration or velocity motion of the structure
to which it and the non-contacting transducer are mounted.
The seismic transducer output shall be processed to provide a displacement signal (single integration in the case of
velocity or double integration in the case of acceleration signal).
The seismic transducer placed at the location of the non-contacting transducer can also be used to determine the
absolute vibration values according to the ISO 10816 series.
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5.2.2.2 Direct absolute shaft vibration sensing system (shaft-rider)
A direct absolute shaft vibration sensing system consists of two transducer assemblies, each having one seismic
transducer mounted on a shaft-riding mechanism which transmits the shaft vibration to the seismic transducer.
The absolute shaft vibration sensing system shall have an output for each measurement direction which is
proportional to the motion. This output can be conditioned to provide an accurate measurement of the absolute
displacement of the shaft. Measurement of the shaft mean position relative to the structure is not possible using this
method. It should also be noted that various limitations such as surface speed and/or formation of hydrodynamic oil
films beneath the shaft-rider mechanism limit the frequency range of such a system. Special attention should be
paid to ensuring that the shaft-riding mechanism is properly mounted on the machine structure.
5.2.2.3 Precautions
The user should select the measurement method (non-contacting or shaft-rider) which best suits the investigation
and interpretation of the absolute shaft vibration of the machine. The transducer system should at least be
compatible with ISO 7919-1 and/or fulfil the measurement requirements of the machine under test. For seismic pick-
ups, the influence of the added mass of the pick-up on the structure should be taken into consideration (in relation
of the mass of the pick-up to the mass of the shaft), as well as the maximum unbalance of the system used.
The user should be aware of:
a) the possibility of loss of contact with the shaft due to wear;
b) intermittent or permanent loss of contact with the shaft surface due to inadequate contact pressure (weakening
of the loading spring or counter forces created by internal pressure in the bearing housing are typical causes);
c) stick slip vibration;
d) the fact that essential shaft centreline position information may not be available.
NOTE The combined seismic and non-contacting sensing system is subject to errors due to eventual phase differences
between the two measuring channels. In actual fact this limits the frequency of use of the combined system. The user should
take into consideration the possible errors due to the different transfer functions existing between velocity (or acceleration)
channel and displacement channel before the sum of the two signals.
5.2.3 Operating ranges
The criteria for the vibration magnitude at rated speeds as well as the recommended frequency ranges for both
absolute and relative shaft vibration are given in ISO 7919, parts 2 to 5, for respectively large steam turbine
generator sets, coupled industrial machines, gas turbine and hydraulic machine sets.
When possible, the frequency range of the measuring system should include all of the excitation spectrum of the
related machine set, and the amplitude range should be approximately five times the value expected under normal
operation so that transient operating conditions can be monitored satisfactorily.
In practice, the following general characteristics are in accordance with the basic requirements of ISO 7919, parts 2
to 5:
relative displacement transducer frequency range: 0 Hz to 1,5 kHz; amplitude range: 2 mm or 4 mm (see
5.1.4);
seismic transducer frequency range: 5 Hz to 5 kHz;
sensitivity range –10 % of nominal.
NOTE For frequencies below 5 Hz, refer to the manufacturer's specification. When used with shaft-rider mechanism, the
upper frequency of the measuring system is limited to a few hundred hertz.
8
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5.2.4 Characteristics to be specified
5.2.4.1 Combined seismic and non-contacting sensing system
The characteristics to be specified are defined in 5.1.4 for the relative shaft motion transducers and in ISO 8042 for
the seismic transducers. The characteristics and recommendations for mounting seismic transducers are specified
in ISO 5348. The support and/or mounting adapters used to fit the transducers on the machine shall be free of the
influence of system natural frequencies which would affect the accuracy of the measurements.
5.2.4.2 Direct absolute shaft vibration sensing system (shaft-rider)
The characteristics to be specified contained in ISO 8042 are applicable for the measuring element.
The frequency limitations of such systems are essentially dependent on the design characteristics of the shaft-rider
mechanism.
In order to carry out these measurements with known accuracy, the methods specified in the ISO 5347 series shall
be applied.
NOTE For both the relative and the absolute shaft vibration measuring systems the measurement path should take into
account the total axial shaft position change due to normal axial shaft movement and differential thermal expansion. Under all
normal machine conditions, transducer sensing elements should not be exposed to geometric discontinuities (such as
keyways, lubrication oil passages, threads, changes in shaft diameter, stencil marks, chain marks and corrosion) as in the case
of non-contacting transducers, to metallurgical non-homogeneities, or local residual magnetism, which may cause false signals.
6 Measurement uncertainties
6.1 Measurement principles
The accuracy of the reading depends on the realization of the measurement principle and the accuracy of the
measuring system.
Generally, the measurement principle of shaft vibrations is based on an interrelation between the surface of the
machine shaft and the transducers. Regardless of the measurement principle, deviations of the shaft cross-section
from a circle and of the eccentricity of the measurement track influence the reading.
Furthermore, for non-contacting electric measurements, influences on the measurement signal (often called
“runout”) have to be taken into account, which may be caused by the material, the character of surface, the local
residual magnetism and from the texture differences at the area of the measurement track on the shaft surface. The
measurement track on the shaft surface should have no coating (e.g. chromium when using the inductive or the
eddy current method) which may adversely influence the measured values. If the shaft is coated, special care shall
be exercised when calibrating the transducer.
The shaft vibrations simulated by the influences of the shaft surface should not exceed the limiting values stated in
ISO 7919-1:1996, subclause 3.3.2 (see also 6.2.1).
6.2 Accuracy requirements on the measuring system
6.2.1 Measurement uncertainty
Measurement uncertainty limits are agreed maximum values of (positive or negative) deviations of the reading or
output of the measuring system. These limits form a tolerance band which shall not be exceeded under reference
conditions and an extended tolerance band for influence quantities under deviating conditions.
This part of ISO 10817 defines measurement uncertainty limits for the analog outputs of the measuring system.
However, these limits do not take into account the influence of measurement track irregularities described in 6.1 or
the limits of any measuring equipment.
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The term “measurement uncertainty” refers to the estimated expanded uncertainty associated with the use of
in situ
the measuring system to determine the amplitude of shaft vibrations, excluding any uncertainty components
resulting from those sources of uncertainty noted in the previous paragraph. This expanded uncertainty shall
be calculated in accordance with methodologies described in the Guide to the Expression of Uncertainty in
Measurement (GUM) using Type A and Type B uncertainty components and a coverage factor of k = 2.
The reference conditions for non-seismic measuring systems are as follows:
measurement object plane with a mean surface roughness of R = 4 μm (see ISO 4287);
y
steel, material 42CrMo4 according to ISO 683-1;
sinusoidal vibration in both measurement directions with a frequency of 80 Hz and amplitudes in the range of
10 % to 100 % of full scale at any phase between 0° and 90°;
length of the cable between the transducer and conditioner, 5 m;
ambient temperature, 20 °C.
The measurement uncertainty limits of the measuring system shall not exceed the values given in Table 1.
For seismic systems, see the ISO 5347 series.
Table 1 — Measurement uncertainty limits under reference conditions
Measured quantities and Measurement uncertainty Other reference conditions
parameters limits
Parameter 3 % of MV + 1 % of FSV xx==0
12
Displacement values 3 % of MV + 1 % of FSV xx==0
12
Direct components 3 % of a within working s (t) = s (t) = 0
A 1 2
displacement range for all values of t
MV = measured value; FSV = full-scale value; note that symbols refer to Figure 7.
NOTE The following parameters are defined as the parameters of shaft vibration (see also Figure B.1):
S denotes the maximum shaft excursion (parameter A);
max
S denotes the larger excursion (parameter B).
(p-p)max
One of these two parameters is sufficient for assessing the running condition.
6.2.2 Measurement deviations caused by influencing factors
If reference conditions are not given, additional deviations which are caused by influencing factors shall not exceed
the extended measurement uncertainty limits according to Table 2 and Figures 6 and 7.
Influence quantities not specified, such as sinusoidal measurement signals, pressure, humidity, acceleration, shock,
noise and auxiliary power supply, shall not affect the measured value by more than 2 % of full scale.
10
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a) Operating frequency range 1 Hz to 250 Hz
b) Operating frequency range 5 Hz to 1 500 Hz
Figure 6 — Tolerance ranges for the amplitude frequency characteristic of the vibration parameters
11
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The amplitude frequency response represents the function of the relative transfer factor depending on the
frequency. In this case the relative transfer factor is defined as the ratio of the transfer factor to that at the reference
condition. The transfer factor as it is understood in this part of ISO 10817 is formed by the output quantity according
to clause 4 relative to the input quantity S . The measurement conditions are stated in Table 2. The tolerance
max
bands are valid for input quantities at full scale reading.
Key
a Working displacement range
A
a Nominal distance (a = a + 0,5a )
N N 0 A
a Residual distance
0
x (t) Instantaneous distance
i
x Time-integrated mean value of shaft displacement
i
s (t) Instantaneous displacement value
i
Figure 7 — Displacement characteristic of a shaft vibration measuring system
for one of the two measurement directions
12
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ISO 10817-1:1998(E)
Table 2 — Wider uncertainty limits for conditions differing from the reference conditions
Influencing factors Uncertainty limits Conditions differing
from the reference conditions
Parameters Displacement Constant
levels values
Instantaneous distance 6 % of MV + 6 % of MV + 5 % of a Constant vibration displacement
A
x (t) within the operating 3 % of FSV 3 % of FSV amplitude corresponding to
1
displacement range a the full scale of the lowest
A
measurement range applied
successively in the two
measurement directions
Ambient temperature of 8 % of MV + 8 % of MV + 5 % of 0
a xx==
A 12
the transducer and 4 % of FSV 4 % of FSV
Constant vibration displacement
signal conditioner at any
amplitude corresponding to
value
the full scale of the lowest
measurement range applied
successively in the two
measurement directions
Frequency of the shaft 13 % of MV + 13 % of MV + (See note 2) xx==0
12
vibration in the operating 3 % of FSV 3 % of FSV
fr
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 10817-1
Première édition
1998-12-15
Systèmes de mesure des vibrations
des arbres tournants —
Partie 1:
Captage relatif et captage absolu
des vibrations radiales
Rotating shaft vibration measuring systems —
Part 1: Relative and absolute sensing of radial vibration
A
Numéro de référence
ISO 10817-1:1998(F)
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ISO 10817-1:1998(F)
Sommaire
1 Domaine d’application .1
2 Références normatives .1
3 Termes et définitions.2
4 Aperçu des systèmes de mesure des vibrations de l’arbre .2
5 Systèmes sensibles.4
5.1 Systèmes de mesure des vibrations relatives de l'arbre.4
5.2 Systèmes de mesure des vibrations absolues de l'arbre.6
6 Incertitudes de mesure.9
6.1 Principes de mesurage.9
6.2 Exigences d'exactitude pour le système de mesure.9
6.3 Surveillance des machines à point critique .13
7 Conditions climatiques .13
7.1 Transducteurs.13
7.2 Conditionneurs non intégrés.14
8 Étalonnage.15
8.1 Systèmes de mesure des vibrations relatives de l'arbre.15
8.2 Systèmes de mesure des vibrations absolues de l'arbre.16
(informative)
Annexe A Mécanique de la vibration de l'arbre .17
Annexe B (informative) Grandeurs de mesurage.18
Bibliographie.22
© ISO 1998
Droits de reproduction réservés. Sauf prescription différente, aucune partie de cette publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque
forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique, y compris la photocopie et les microfilms, sans l'accord écrit de l'éditeur.
Organisation internationale de normalisation
Case postale 56 • CH-1211 Genève 20 • Suisse
Internet iso@iso.ch
Imprimé en Suisse
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© ISO
ISO 10817-1:1998(F)
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée aux
comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du comité
technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non gouvernementales, en
liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec la Commission
électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI, Partie 3.
Les projets de Normes internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour
vote. Leur publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités
membres votants.
La Norme internationale ISO 10817-1 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 108, Vibrations et chocs
mécaniques, sous-comité SC 3, Utilisation et étalonnage des instruments de mesure des vibrations et des chocs.
L'ISO 10817 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Systèmes de mesure des vibrations
des arbres tournants:
Partie 1: Captage relatif et captage absolu des vibrations radiales
Partie 2: Traitement des signaux
Les annexes A et B de la présente partie de l’ISO 10817 sont données uniquement à titre d’information.
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NORME INTERNATIONALE © ISO ISO 10817-1:1998(F)
Systèmes de mesure des vibrations des arbres tournants —
Partie 1:
Captage relatif et captage absolu des vibrations radiales
1 Domaine d’application
La présente partie de l'ISO 10817 donne les détails sur la façon d'obtenir des résultats de mesurage reproductibles
pour permettre la surveillance et l'évaluation des vibrations des arbres conformément à la série de normes
ISO 7919. À ce titre, elle traite essentiellement du mesurage des vibrations des arbres pour les grosses machines
(par exemple les turboalternateurs, les turbines à gaz, les machines industrielles couplées, les machines
hydrauliques).
La présente partie de l’ISO 10817 est applicable aux systèmes de mesurage des vibrations radiales sur arbres,
aussi bien les mesurages absolus que les mesurages relatifs. Elle traite du dispositif sensible (c'est-à-dire du
transducteur), du conditionnement des signaux, des méthodes de fixation et des procédures d'étalonnage.
2 Références normatives
Les documents normatifs suivants contiennent des dispositions qui par suite de la référence qui y est faite,
constituent des dispositions valables pour la présente partie de l’ISO 10817. Pour les références datées, les
amendements ultérieurs ou les révisions de ces publications ne s’appliquent pas. Toutefois, les parties prenantes
aux accords fondés sur la présente partie de l’ISO 10817 sont invitées à rechercher la possibilité d'appliquer les
éditions les plus récentes des documents normatifs indiqués ci-après. Pour les références non datées, la dernière
édition du document normatif en référence s’applique. Les membres de la CEI et de l'ISO possèdent le registre des
Normes internationales en vigueur à un moment donné.
ISO 683-1, Aciers pour traitement thermique, aciers alliés et aciers pour décolletage — Partie 1: Aciers corroyés non
alliés et faiblement alliés à durcissement par trempe directe se présentant sous la forme de différents produits noirs.
ISO 2041, Vibrations et chocs — Vocabulaire.
ISO 4287, Spécification géométrique des produits (GPS) — État de surface: Méthode du profil — Termes,
définitions et paramètres d'état de surface.
ISO 5347, Méthodes pour l'étalonnage des transducteurs de vibrations et de chocs (toutes les parties).
ISO 5348, Vibrations et chocs mécaniques — Fixation mécanique des accéléromètres.
ISO 7919-1:1996,
Vibrations mécaniques des machines non alternatives — Mesurages sur les arbres tournants et
critères d’évaluation — Partie 1: Directives générales.
ISO 7919-2, Vibrations mécaniques des machines non alternatives — Mesurages sur les arbres tournants et
critères d’évaluation — Partie 2: Turbo-alternateurs installés sur fondation radier.
ISO 7919-3, Vibrations mécaniques des machines non alternatives — Mesurages sur les arbres tournants et
critères d’évaluation — Partie 3: Machines industrielles couplées.
1
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ISO 7919-4,
Vibrations mécaniques des machines non alternatives — Mesurages sur les arbres tournants et
critères d’évaluation — Partie 4: Turbines à gaz.
ISO 7919-5,
Vibrations mécaniques des machines non alternatives — Mesurages sur les arbres tournants et
critères d’évaluation — Partie 5: Machines équipant les centrales hydroélectriques et les stations de pompage.
ISO 8042, .
Mesurage des chocs et des vibrations — Caractéristiques à spécifier pour les transducteurs sismiques
1)
ISO 16063-1 , Méthodes pour l’étalonnage des transducteurs de vibrations et de chocs — Partie 1: Concepts de
.
base
Guide pour l’expression de l’incertitude de mesure, 1995 (BIPM, CEI, FICC, ISO, OIML, UICPA, UIPPA).
CEI 60068-2-6, Essais d’environnement — Partie 2: Essais — Essai Fc: Vibrations (sinusoïdales).
CEI 60068-2-29, Essais d’environnement — Deuxième partie: Essais — Essai Eb et guide: Secousses.
CEI 60529:1989, Degrés de protection procurés par les enveloppes (Code IP).
3 Termes et définitions
Pour les besoins de la présente partie de l’ISO 10817, les termes et définitions donnés dans l'ISO 2041
s'appliquent.
4 Aperçu des systèmes de mesure des vibrations de l’arbre
On peut estimer qu'un système de mesure destiné à évaluer les vibrations radiales d'un arbre tournant se compose
de plusieurs sous-systèmes distincts: le ou les transducteur(s) pour le mesurage relatif ou absolu des vibrations;
l'appareil de conditionnement des signaux du transducteur et le câblage associé; une référence de phase pour
relier une position sur l'arbre en rotation à la position de mesurage dans la plage de temporisation (par exemple un
codeur d'arbre); un appareil de traitement des signaux pour produire le signal de sortie du mesurage sous un format
spécifié; et le dispositif de sortie destiné à afficher le mesurage. La Figure 1 montre l'interdépendance de ces sous-
systèmes. L’ISO 10817-2 couvre les exigences relatives au matériel utilisé pour le traitement et l’analyse du signal.
Les signaux de sortie produits par les dispositifs de mesurage, S , peuvent être traités par l'intermédiaire de
ext
systèmes spécifiques et de progiciels fournissant les grandeurs requises pour l'analyse et l’entretien de la machine.
Ces systèmes et ces progiciels ne font pas partie du domaine d'application de la présente partie de l’ISO 10817.
Les mouvements relatifs sont généralement mesurés à l'aide de transducteurs sans contact. Les mouvements
absolus du rotor peuvent être captés à l'aide de transducteurs de mouvements relatifs sans contact associés à une
détection des mouvements absolus intervenant au niveau des emplacements des transducteurs des mouvements
relatifs. Des transducteurs sismiques, tels que des transducteurs en contact avec l’arbre, pourraient capter ces
mesurages des mouvements absolus.
La présente partie de l’ISO 10817 traite uniquement du bloc capteur (voir Figure 1).
1)
Révision de l’ISO 5347-0.
2
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Figure 1 — Structure des systèmes de mesurage sur les arbres tournants
3
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5 Systèmes sensibles
5.1 Systèmes de mesure des vibrations relatives de l'arbre
5.1.1 Introduction
Les transducteurs des vibrations relatives de l'arbre utilisent les modifications du trajet optique, de l'inductance ou
de la capacité entre une position sur un arbre tournant et un point extérieur à l'arbre, mais se trouvant généralement
à proximité immédiate de ce dernier, pour déterminer les déplacements relatifs dans le temps. Ce point de
référence (c'est-à-dire l'emplacement du transducteur des vibrations relatives de l'arbre) est souvent soumis à des
vibrations significatives provenant d'autres sources. Les transducteurs sismiques placés à l'emplacement de
l'élément sensible du transducteur sans contact peuvent être utilisés pour déterminer les valeurs de vibration
absolue (voir 5.2).
5.1.2 Composition des systèmes sensibles
Un système capteur des vibrations de l'arbre conforme aux exigences de la présente partie de l’ISO 10817 se
compose des transducteurs de déplacement relatif, du câblage et des conditionneurs appropriés (voir Figure 2).
Légende
1 Arbre
2 Distance entre transducteur et arbre
3 Transducteurs
4 Conditionneurs
5 Sorties des signaux
6 Section de mesurage
7 Plan de mesurage
Figure 2 — Système de mesure des vibrations de l'arbre pour un seul plan
Il est préférable d’utiliser deux transducteurs orthogonaux pour déterminer le mouvement dynamique total et la
position moyenne de l'arbre (voir Figure 3). Les deux transducteurs sont disposés dans deux directions de
mesurage perpendiculaires situées dans un seul plan de mesurage. En général, il y a, pour un groupe moteur,
plusieurs plans de mesurage, chaque plan pouvant posséder une paire de dispositifs de mesurage. Le système se
composant de tous les dispositifs de mesurage faisant partie d'un groupe moteur est appelé système de mesurage
des vibrations de l'arbre.
4
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Légende
1 Orbite cinétique de l'arbre K Position instantanée du centre de l’arbre
2 Axes de référence xy, Valeurs moyennes du déplacement de l’arbre
O Position moyenne de l’orbite x(t), y(t) Valeurs oscillantes, dépendant du temps du déplacement de l’arbre
Figure 3 — Orbite cinétique de l’arbre
En fonction de la méthode de mesurage, un conditionneur peut être nécessaire entre le transducteur et l'appareil de
traitement des signaux. Le conditionneur peut être une unité autonome ou être intégré au transducteur ou à
l'appareil de traitement des signaux.
Aucune exigence ne figure dans la présente partie de l’ISO 10817 pour les instruments indicateurs et le matériel
enregistreur.
5.1.3 Plages d'utilisation
Il convient que l'utilisateur choisisse un système de transducteurs au moins compatible avec la partie
correspondante de l'ISO 7919 et/ou la spécification de la machine soumise à l'évaluation. Les tolérances des
signaux de sortie sont données à l'article 6.
5.1.4 Caractéristiques à spécifier
Le fabricant doit spécifier ce qui suit:
la plage dans laquelle la sortie du signal est linéaire et proportionnelle à l'espace compris entre la cible et le
transducteur;
la réponse en amplitude et en phase en fonction de la fréquence lors du maintien de la linéarité (voir 6.2);
les dimensions hors tout et le filetage du transducteur pour chaque plage de mesurage (une tige de 5 mm,
8 mm et 18 mm de diamètre ainsi qu'un filetage M8·1, M10·1 et M20·1 sont recommandés);
la longueur du câble (5 m sont recommandés);
l'alimentation électrique (-24 V en courant continu sont recommandés);
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les sensibilités (8 mV/μm pour la plage de 2 mm, et 4 mV/μm pour la plage de 4 mm sont recommandés, selon
le cas);
le mode de signal de sortie (courant-tension);
le signal de sortie maximal;
l'impédance de sortie et l'impédance de charge admissible;
les classes de température;
le degré de protection [on recommande IP 67 (étanche à la poussière et protégé contre les effets d'une
immersion temporaire) conformément à la CEI 60529:1989].
NOTE Les spécifications énoncées ci-dessus sont des normes industrielles d’usage courant.
5.2 Systèmes de mesure des vibrations absolues de l'arbre
5.2.1 Introduction
Deux types de systèmes de mesure sont utilisés pour le mesurage des vibrations absolues de l'arbre:
a) Un système combiné de mesure des vibrations absolues et relatives, utilisant un transducteur sismique et un
transducteur (sans contact) de déplacement relatif de l'arbre, montés sur la même structure. Leurs signaux de
sortie conditionnés font l'objet d'une sommation pour fournir un mesurage du mouvement absolu de l'arbre.
b) Une sonde en contact avec l'arbre lorsqu'un transducteur sismique est monté sur l'arbre de manière à mesurer
directement le mouvement absolu de l'arbre.
5.2.2 Composition générale des systèmes sensibles
Un système capteur des vibrations absolues de l'arbre conforme aux exigences de la présente partie de
l’ISO 10817 se compose soit de deux combinaisons de transducteurs sismiques et sans contact (mesurage sans
contact), soit de deux transducteurs à frotteur (mesurage direct) et des conditionneurs appropriés (Figures 4 et 5).
Légende
1 Distance entre transducteur et arbre 6 Direction 1
2 Axes de mesurage 7 Direction 2
3 Transducteurs sismiques 8 Sorties des signaux
4 Transducteurs sans contact 9 Trajectoire de précession absolue du centre de la section du rotor
5 Conditionneurs 10 Centre géométrique de la trajectoire
Figure 4 — Système capteur des vibrations absolues de l'arbre à l'aide d'une combinaison de transducteur
sans contact et de transducteur sismique pour un seul plan de mesurage
6
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Légende
1 Conditionneur de signaux
2 Transducteur sismique
3 Structure de la machine
4 Frotteur
5 Arbre
6 Sorties des signaux
Figure 5 — Système capteur des vibrations absolues de l'arbre à l'aide d'un assemblage de transducteurs
à frotteur pour un seul plan de mesurage
Les deux transducteurs sont montés radialement dans des directions de mesurage orthogonales dans un seul plan
de mesurage. En général, un groupe moteur comporte plusieurs plans de mesurage avec un ou deux dispositifs de
mesurage par plan.
En fonction de la méthode de mesurage, un conditionneur peut être nécessaire entre le ou les transducteur(s) et
l'instrumentation de traitement du signal. Le conditionneur peut être autonome ou intégré au transducteur.
5.2.2.1 Système sensible combiné sismique et sans contact
Un dispositif sensible combiné sismique et sans contact se compose de deux ensembles de transducteurs, chaque
ensemble étant équipé d'un transducteur de déplacement relatif de type sans contact, comme décrit en 5.1, et d'un
transducteur sismique absolu, montés près l'un de l'autre sur une structure rigide commune, leurs axes sensibles
étant en ligne ou en parallèle, pour garantir que les deux transducteurs sont soumis au même mouvement structurel
absolu. Leurs signaux de sortie conditionnés font l'objet d'une sommation pour fournir un mesurage du mouvement
absolu de l'arbre.
Le système capteur combiné des vibrations absolues de l'arbre doit avoir au moins deux signaux de sortie pour
chaque direction de mesurage:
a) le signal de sortie du déplacement du transducteur de vibrations relatives est identique à celui décrit en 5.1.1;
b) le signal de sortie du transducteur sismique, qui est proportionnel à l'accélération ou à la vitesse de la structure
sur laquelle il est monté ainsi que le transducteur sans contact.
Le signal de sortie du transducteur sismique doit être traité pour fournir un signal de déplacement (intégration
simple de la vitesse ou intégration double du signal d'accélération).
Le transducteur sismique, placé à l'emplacement du transducteur sans contact, peut également être utilisé pour
déterminer les valeurs de vibration absolues conformément à la série ISO 10816.
7
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5.2.2.2 Dispositif sensible captant directement les vibrations absolues de l'arbre (frotteur)
Un dispositif sensible captant directement les vibrations absolues de l'arbre se compose de deux transducteurs,
chacun comportant un transducteur sismique monté sur un mécanisme frotteur qui transmet les vibrations de l'arbre
au transducteur sismique.
Le dispositif transducteur des vibrations absolues de l'arbre doit avoir un signal de sortie proportionnel au
mouvement pour chaque direction de mesurage. Ce signal peut être conditionné pour fournir un mesurage exact du
déplacement absolu de l'arbre. Cette méthode ne permet pas d'effectuer un mesurage de la position moyenne de
l'arbre par rapport à la structure. Il convient également de noter que divers éléments, tels que la vitesse superficielle
et/ou la formation de films d'huile hydrodynamique sous le mécanisme frotteur de l'arbre limitent le domaine des
fréquences de ce système. Il convient de veiller tout particulièrement à s'assurer que le mécanisme frotteur est
correctement monté sur la structure de la machine.
5.2.2.3 Précautions d’emploi
Il convient que l'utilisateur choisisse la méthode de mesurage (sans contact ou avec frotteur) qui convient le mieux
à la recherche et à l'interprétation des vibrations absolues de l'arbre de la machine. Il est recommandé que le
système capteur soit au moins compatible avec l'ISO 7919-1 et/ou satisfasse aux exigences de mesurage de la
machine soumise à l'essai. Dans le cas de transducteurs sismiques, il y a lieu de tenir compte de la masse ajoutée
du transducteur à la structure (en considérant la masse du transducteur par rapport à la masse de l’arbre), ainsi
que du déséquilibre maximal du système utilisé.
Il convient que l’utilisateur soit conscient:
a) de la possibilité de la perte du contact avec l'arbre à cause de l'usure;
b) de la perte, intermittente ou permanente, du contact avec la surface de l’arbre à cause d’une pression de
contact inadéquate (un affaiblissement du ressort de charge ou la création de forces contraires par la pression
interne à l’intérieur du logement du palier en sont des causes typiques);
c) des vibrations de broutage;
d) du fait que la position essentielle de l’axe médian de l’arbre puisse ne pas être disponible.
NOTE Le système capteur combiné sismique et sans contact n’est pas exempt d’erreurs, à cause des éventuelles
différences de phase entre les deux canaux de mesure. Dans les faits, cela limite la fréquence d’utilisation du système
combiné. Il convient que l’utilisateur tienne compte de la possibilité d’erreurs dues aux différentes fonctions de transfert
existant entre le canal de vitesse (ou d’accélération) et le canal de déplacement avant la sommation des deux signaux.
5.2.3 Plages d'utilisation
Les critères relatifs à l'intensité des vibrations aux vitesses nominales ainsi que les domaines de fréquences
recommandés pour les vibrations absolues et relatives de l'arbre sont donnés dans l’ISO 7919, parties 2 à 5,
respectivement pour les turboalternateurs de grande dimension, les machines industrielles couplées, les turbines à
gaz et les turbines hydrauliques.
Dans la mesure du possible, il est recommandé que le domaine de fréquences du système de mesure comprenne
l’ensemble du spectre d'excitation du groupe moteur connecté et que la plage d'amplitudes soit égale à environ cinq
fois la valeur prévue dans les conditions normales de fonctionnement pour pouvoir surveiller de manière
satisfaisante les conditions de fonctionnement transitoires.
En pratique, les caractéristiques générales suivantes sont conformes aux exigences de base de l’ISO 7919, parties
2 à 5:
domaine de fréquence du transducteur de déplacement relatif: de 0 Hz à 1,5 kHz, plage d'amplitude: 2 mm ou
4 mm (voir 5.1.4);
domaine de fréquences du transducteur sismique: de 5 Hz à 5 kHz;
plage de sensibilité –10 % de la plage nominale.
NOTE Pour les fréquences inférieures à 5 Hz, se référer à la spécification du fabricant. En cas d'utilisation d'un
mécanisme frotteur, la fréquence maximale du système de mesure est limitée à quelques centaines de hertz.
8
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5.2.4 Caractéristiques à spécifier
5.2.4.1 Système sensible combiné sismique et sans contact
Les caractéristiques à spécifier sont définies en 5.1.4 pour les transducteurs des mouvements relatifs de l'arbre et
dans l'ISO 8042 pour les transducteurs sismiques. Les caractéristiques et recommandations relatives à la fixation
des transducteurs sismiques sont spécifiées dans l'ISO 5348. Le support et/ou les adaptateurs de fixation utilisés
pour installer les transducteurs sur la machine ne doivent pas subir l'influence des fréquences propres du système
qui affecteraient l'exactitude des mesurages.
5.2.4.2 Système sensible captant directement les vibrations absolues de l'arbre (frotteur)
Les caractéristiques à spécifier et contenues dans l'ISO 8042 sont applicables à l'élément de mesurage.
Les limites de fréquences de ces systèmes dépendent essentiellement des caractéristiques de conception du
mécanisme frotteur.
Les méthodes spécifiées dans la série de normes ISO 5347 doivent être appliquées afin d'effectuer ces mesurages
avec une exactitude connue.
NOTE Pour les systèmes de mesurage des vibrations relatives et absolues de l'arbre, il convient que la section de
mesurage tienne compte de la modification totale de la position axiale de l’arbre due au mouvement axial normal de l’arbre et à
la dilatation thermique différentielle. Dans les conditions d’utilisation normale du groupe, il convient que les éléments sensibles
du transducteur ne soient pas exposés à des discontinuités géométriques (telles que des rainures de clavette, conduits d’huile
de lubrification, filetages, variations du diamètre de l’arbre, marques de stencils, de chaînes et corrosion) et, dans le cas des
transducteurs sans contact, à des défauts d’homogénéité métallique ou à des défauts triboélectriques susceptibles de
provoquer de faux signaux.
6 Incertitudes de mesure
6.1 Principes de mesurage
L'exactitude de la lecture dépend du respect du principe de mesurage et de la précision du système de mesure.
En règle générale, le principe de mesurage des vibrations de l'arbre repose sur une interdépendance entre la
surface de l'arbre de la machine et les transducteurs. Indépendamment du principe de mesurage, les écarts de la
section transversale de l'arbre par rapport au cercle et l'excentricité de la section de mesurage influent sur la
lecture.
En outre, pour les mesurages électriques sans contact, il faut tenir compte des effets sur le signal de mesurage que
peuvent avoir le matériau, l'état de la surface, les défauts triboélectriques et les différences de texture au niveau de
la section de mesurage à la surface de l'arbre. Il convient que la section de mesurage à la surface de l'arbre n'ait
pas de revêtement (par exemple du chrome lors de l'application de la méthode inductive ou du courant de Foucault)
susceptible de fausser les valeurs mesurées. Si l’arbre a un revêtement, l’étalonnage du transducteur doit être
effectué avec le plus grand soin.
Il est recommandé que les vibrations de l'arbre simulées par les effets de la surface de l'arbre ne dépassent pas les
valeurs limites indiquées dans l'ISO 7919-1:1996, paragraphe 3.3.2 (voir également 6.2.1).
6.2 Exigences d'exactitude pour le système de mesure
6.2.1 Incertitude de mesure
Les limites de l'incertitude du mesurage sont les valeurs maximales convenues des écarts (positifs ou négatifs) de
la lecture ou du signal de sortie du dispositif de mesurage. Ces limites constituent une bande de tolérance ne
devant pas être dépassée dans les conditions de référence et une bande de tolérance élargie pour les grandeurs
d'influence en cas d'écart.
La présente partie de l'ISO 10817 définit les limites de l'incertitude des mesures pour les signaux de sortie
analogiques du système de mesure. Toutefois, ces limites ne tiennent compte ni de l'influence des irrégularités de
la section de mesurage décrite en 6.1, ni des limites du matériel de mesure.
9
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ISO 10817-1:1998(F)
Le terme «incertitude de mesure» se réfère à l’incertitude élargie estimée, associée à l’emploi in situ du système de
mesure afin de déterminer l’amplitude des vibrations de l’arbre, à l'exclusion de tout composant d’incertitude
provenant des sources d’incertitude mentionnées dans le paragraphe précédent. Cette incertitude élargie doit être
calculée en conformité avec les méthodes décrites dans le Guide pour l’expression de l’incertitude de mesure en
utilisant des composants d’incertitude de type A et de type B, ainsi qu’un facteur d’élargissement de k = 2.
Les conditions de référence pour les systèmes de mesure non sismiques sont les suivantes:
plan de mesurage de l'élément, avec une rugosité de surface moyenne R = 4 μm (voir l'ISO 4287);
y
acier, matériau 42CrMo4, conformément à l'ISO 683-1;
vibration sinusoïdale dans les deux directions de mesurage, la fréquence étant de 80 Hz et les amplitudes se
situant dans la plage de 10 % à 100 % de toute l'étendue de mesure, pour toute phase comprise entre 0° et
90°;
longueur de câble entre le transducteur et le conditionneur: 5 m;
température ambiante de 20 °C.
Les limites de l'incertitude des mesures du dispositif de mesurage ne doivent pas dépasser les valeurs du
Tableau 1.
Pour les systèmes sismiques, voir la série de normes ISO 5347.
Tableau 1 — Limites de l'incertitude des mesures dans les conditions de référence
Quantités mesurées et paramètres Limites de l'incertitudede mesure Autres conditions de référence
Paramètre 3 % de MV + 1 % de FSV xx 0
==
12
Niveaux de déplacement 3 % de MV + 1 % de FSV xx==0
12
Composants directs 3 % de a à l'intérieur du taux de s (t) = s (t) = 0
A 1 2
déplacement pour toutes les valeurs de t
MV: valeur mesurée; FSV: valeur à l’échelle; noter que les symboles se réfèrent à la Figure 7.
NOTE Les paramètres suivants sont définis comme les paramètres de vibration de l'arbre (voir également la Figure B.1):
...
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