In questo articolo vi parliamo degli accelerometri IEPE e a carica (noti anche come accelerometri) e di come vengono utilizzati per le misure di vibrazione sulle macchine rotanti.
Per misurare le vibrazioni, esistono vari metodi, di solito realizzati tramite un sensore piezoelettrico o un accelerometro. L'accelerometro è un sensore che converte le vibrazioni dinamiche di un oggetto fisico in una tensione. Gli accelerometri sono trasduttori a contatto diretto con l'elemento da cui ci si aspetta una vibrazione. Ne sono un esempio i cuscinetti a sfera e le trasmissioni a ingranaggi. Questo versatile sensore può essere utilizzato per misurare le vibrazioni sia ad alta che a bassa frequenza. I vantaggi di un accelerometro sono la sua linearità su un'ampia gamma di frequenze e la sua ampia gamma dinamica.
Come funziona un accelerometro?
La maggior parte degli accelerometri sfrutta l'effetto piezoelettrico, ovvero il cristallo del sensore emette una tensione elettrica sotto pressione. L'accelerazione dell'involucro viene trasmessa a una massa calibrata (massa sismica), dopodiché una pressione proporzionale viene esercitata sul cristallo piezoelettrico. La tensione esterna sul cristallo genera una resistenza elettrica ad alta impedenza proporzionale alla forza applicata e, quindi, proporzionale all'accelerazione.
Come scegliere l'accelerometro giusto?
Poiché gli accelerometri sono così versatili, sono disponibili in varie forme, dimensioni, gamme e altre proprietà specifiche. Se ci si fa un'idea del segnale che si intende misurare e dei fattori ambientali (come la temperatura e la sensibilità alle esplosioni), è possibile prendere in considerazione modelli specifici. Naturalmente è sempre possibile rivolgersi a noi per una consulenza nella scelta del sensore giusto, ma di seguito spiegheremo quali sono i fattori da considerare.
Ampiezza della vibrazione
L'ampiezza massima, o la portata massima della vibrazione da misurare, determina la portata del sensore necessaria. Quando una vibrazione viene misurata con un sensore che non corrisponde all'intervallo, l'uscita diventa un segnale inaffidabile. In genere, gli accelerometri utilizzati per monitorare le vibrazioni ad alta frequenza hanno una sensibilità e una massa inferiori.
Sensibilità
La sensibilità è un parametro importante nella scelta dell'accelerometro giusto. La sensibilità è la correlazione tra la vibrazione e la tensione a una frequenza di riferimento. La sensibilità esatta è determinata dalla calibrazione e di solito è riportata nel certificato di calibrazione fornito con il sensore. La sensibilità dipende anche dalla frequenza (prevista). In definitiva, per determinare la correlazione tra sensibilità e frequenza è necessaria una calibrazione completa sull'intera gamma di frequenze utilizzabili.
In generale, un accelerometro a bassa sensibilità viene utilizzato per misurare segnali con ampiezza/frequenza elevata, mentre un accelerometro ad alta sensibilità viene utilizzato per misurare segnali con ampiezza/bassa frequenza. Un altro aspetto è la frequenza di autorisonanza del sensore e si può affermare che la frequenza massima misurabile deve essere sempre un fattore due inferiore alla frequenza di autorisonanza del sensore.
Numero di assi
In termini di direzione di misurazione, esistono due tipi di accelerometri. L'accelerometro più comune misura le vibrazioni in una direzione. Questo tipo è spesso utilizzato per misurare i livelli di vibrazioni meccaniche su impianti e macchine. Il secondo tipo è l'accelerometro triassiale. Questo accelerometro può creare una rappresentazione 3D dell'accelerazione.
Peso
Gli accelerometri devono pesare molto meno della struttura da monitorare. Se la massa dell'oggetto a cui è collegato l'accelerometro viene aumentata in modo significativo dal sensore, le caratteristiche delle vibrazioni possono essere influenzate. Questo può portare a dati di misura imprecisi. In generale, la massa dell'accelerometro non dovrebbe superare il 10% del peso dell'oggetto. Esiste una soluzione specifica per ogni applicazione.
Montaggio
Un'altra considerazione nella scelta dell'accelerometro giusto è il modo in cui il sensore può essere montato sulla superficie. Esistono quattro tipi di opzioni di montaggio:
- Palmare
- Magnetico
- Adesivo
- Montaggio a vite
Il montaggio a vite è di gran lunga il metodo migliore, ma richiede la realizzazione di un foro nella macchina, da eseguire solo quando è necessaria un'installazione permanente. In alternativa, il sensore può essere incollato, anche se la caratteristica di trasferimento è meno efficace rispetto al montaggio a vite.
Gli altri metodi di montaggio sono destinati principalmente a installazioni temporanee. Ogni metodo di montaggio influisce in qualche modo sull'accelerometro. In generale, più il montaggio è "lasco", più basso è il limite di frequenza misurabile. L'aggiunta di massa all'accelerometro, come nel caso del montaggio magnetico, abbassa la frequenza di risonanza, il che può influire sulla precisione e sui limiti della gamma di frequenza utilizzabile dell'accelerometro.
Fattori ambientali
Quando si sceglie un accelerometro, occorre tenere conto di fattori ambientali quali la temperatura massima di esercizio, l'esposizione a sostanze chimiche nocive e l'umidità. La maggior parte degli accelerometri può essere utilizzata in ambienti pericolosi grazie alla loro struttura robusta e affidabile. Per una maggiore protezione, gli accelerometri industriali possono essere realizzati in acciaio inossidabile, che li rende resistenti alla corrosione e agli agenti chimici.
Un accelerometro a carica è adatto a temperature estreme. Poiché questi accelerometri non hanno un'elettronica integrata, la temperatura massima di funzionamento è limitata solo dall'elemento del sensore e dai materiali utilizzati per la costruzione. Tuttavia, poiché questi accelerometri non dispongono di condizionamento e amplificazione del segnale integrati, sono sensibili alle interferenze ambientali e richiedono un cablaggio a basso rumore. Se il rumore ambientale è eccessivo, è necessario utilizzare un convertitore di segnale in linea o un sensore IEPE con amplificatore di segnale incorporato.
Le specifiche di umidità sono determinate dal tipo di tenuta dell'accelerometro. Le guarnizioni più comuni sono in vetro o epossidiche. La maggior parte di queste guarnizioni è in grado di resistere a livelli di umidità elevati e a un'esposizione prolungata all'umidità eccessiva.
Costo
Sebbene i prezzi degli accelerometri in modalità di carica e degli accelerometri IEPE siano comparabili, gli accelerometri IEPE hanno costi significativamente inferiori se utilizzati in sistemi multicanale, in quanto non richiedono cavi speciali a basso rumore e amplificatori di carica. Inoltre, gli accelerometri IEPE sono più facili da usare e da mantenere.
Sonda di prossimità e accelerometri
Un altro tipo di sensore utilizzato per misurare le vibrazioni delle macchine è la sonda di prossimità, o sensore di distanza. A differenza degli accelerometri, che misurano l'accelerazione per rilevare le vibrazioni, le sonde di prossimità sono sensori senza contatto che misurano la distanza da un oggetto. Questi sensori sono utilizzati principalmente per misurare le vibrazioni dell'albero in macchine rotanti grandi e pesanti. Una turbina a vapore è una delle macchine tipiche in cui le sonde di prossimità vengono utilizzate per misurare le vibrazioni dell'albero. L'attenzione si concentra principalmente sulla misurazione delle vibrazioni dell'albero all'interno del cuscinetto a perno. A causa dell'effetto smorzante del film d'olio in cui è posizionato l'albero e del pesante involucro, le vibrazioni dell'albero possono aumentare in modo significativo senza aumentare in modo significativo le vibrazioni dell'involucro. Pertanto, in queste situazioni, è meglio utilizzare sonde di prossimità che misurano direttamente il movimento dell'albero. Spesso si utilizza una combinazione.
