In questo articolo vi forniremo ulteriori informazioni sugli accelerometri IEPE e a carica (noti anche come misuratori di accelerazione) e su come questi vengono utilizzati per le misurazioni delle vibrazioni sulle macchine rotanti.
Per la misurazione delle vibrazioni esistono vari metodi, solitamente effettuati tramite un sensore piezoelettrico o un accelerometro. Un accelerometro è un sensore che converte le vibrazioni dinamiche di un oggetto fisico in una tensione. Gli accelerometri sono trasduttori a contatto pieno che vengono fissati direttamente all’elemento in cui si prevede la vibrazione. Ne sono un esempio i cuscinetti a sfere e le trasmissioni a ingranaggi. Questo sensore versatile può essere utilizzato sia per misurazioni di vibrazioni ad alta che a bassa frequenza. I vantaggi di un accelerometro sono la sua linearità su un ampio intervallo di frequenze e la sua ampia gamma dinamica.
Come funziona un accelerometro?
La maggior parte degli accelerometri utilizza l’effetto piezoelettrico, il che significa che il cristallo presente nel sensore emette una tensione elettrica sotto pressione. L’accelerazione dell’alloggiamento viene trasmessa a una massa calibrata (massa sismica), dopodiché viene esercitata una pressione proporzionale 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. Formandosi un’idea del segnale che si prevede di misurare in combinazione con i fattori ambientali (come la temperatura e la sensibilità alle esplosioni), è possibile prendere in considerazione modelli specifici. Naturalmente, potete sempre contattarci per una consulenza nella scelta del sensore giusto, ma di seguito vi spiegheremo quali aspetti considerare.
Ampiezza delle vibrazioni
L’ampiezza massima, ovvero l’intervallo massimo della vibrazione che si sta misurando, determina la portata richiesta del sensore. Quando una vibrazione viene misurata con un sensore che non corrisponde a tale portata, l’output diventa un segnale inaffidabile. In genere, gli accelerometri utilizzati per monitorare le vibrazioni ad alta frequenza hanno sensibilità e 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 ed è solitamente indicata nel certificato di calibrazione fornito con il sensore. La sensibilità dipende anche dalla frequenza (prevista). In definitiva, è necessaria una calibrazione completa sull’intero intervallo di frequenza utilizzabile per determinare come la sensibilità sia correlata alla frequenza.
In generale, un accelerometro a bassa sensibilità viene utilizzato per misurare segnali ad alta ampiezza/frequenza, mentre un accelerometro ad alta sensibilità viene utilizzato per misurare segnali a bassa ampiezza/bassa frequenza. Un altro aspetto è la frequenza di auto-risonanza del sensore, e si può affermare che la frequenza massima misurabile dovrebbe sempre essere un fattore due inferiore alla frequenza di auto-risonanza del sensore.
Numero di assi
In termini di direzione di misura, esistono due tipi di accelerometri. L’accelerometro più comune misura le vibrazioni in una sola direzione. Questo tipo viene spesso utilizzato per misurare i livelli di vibrazioni meccaniche su impianti e macchinari. Il secondo tipo è un accelerometro triassiale. Questo accelerometro è in grado di creare una rappresentazione 3D dell’accelerazione.
Peso
Gli accelerometri devono pesare significativamente meno della struttura monitorata. Se la massa dell’oggetto a cui è fissato l’accelerometro viene aumentata in modo significativo dal sensore, ciò potrebbe influire sulle caratteristiche di vibrazione. Ciò può portare a dati di misurazione 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 altro aspetto da considerare nella scelta dell’accelerometro giusto è il modo in cui il sensore può essere montato sulla superficie. Esistono quattro tipi di opzioni di montaggio:
- Dispositivi portatili
- Magnetico
- Adesivo
- Montaggio a vite
Il montaggio a vite è di gran lunga il metodo migliore, ma richiede la foratura della macchina, operazione che viene eseguita solo quando è necessaria un’installazione permanente. In alternativa, il sensore può essere incollato, sebbene ciò garantisca caratteristiche di trasferimento meno efficaci rispetto al montaggio a vite.
Gli altri metodi di montaggio sono destinati principalmente a installazioni temporanee. Ciascun metodo di montaggio influisce in qualche modo sull’accelerometro. In generale, quanto più “allentato” è il montaggio, tanto più basso è il limite di frequenza misurabile. L’aggiunta di massa a un accelerometro, come nel montaggio magnetico, abbassa la frequenza di risonanza, il che può influire sulla precisione e sui limiti dell’intervallo di frequenza utilizzabile dell’accelerometro.
Fattori ambientali
Nella scelta di un accelerometro, è necessario 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 protezione aggiuntiva, gli accelerometri industriali possono essere realizzati in acciaio inossidabile, rendendoli resistenti alla corrosione e alle sostanze chimiche.
Un accelerometro a carica è adatto a temperature estreme. Poiché questi accelerometri non dispongono di elettronica integrata, la temperatura massima di funzionamento è limitata solo dall’elemento sensibile e dai materiali utilizzati nella 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. In caso di rumore ambientale eccessivo, è opportuno utilizzare un convertitore di segnale in linea o un sensore IEPE con amplificatore di segnale integrato.
Le specifiche relative all’umidità sono determinate dal tipo di guarnizione di cui è dotato un accelerometro. Le guarnizioni più comuni sono realizzate in vetro o resina epossidica. La maggior parte di queste guarnizioni è in grado di resistere a livelli elevati di umidità e a un’esposizione prolungata a umidità eccessiva.
Costo
Sebbene i prezzi degli accelerometri a carica e di quelli IEPE siano comparabili, gli accelerometri IEPE presentano costi significativamente inferiori se utilizzati in sistemi multicanale, poiché non richiedono cavi speciali a basso rumore né amplificatori di carica. Inoltre, gli accelerometri IEPE sono più facili da utilizzare in quanto più semplici da mantenere.
Sonda di prossimità vs 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 è rivolta principalmente alla 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 dell’ingombrante involucro, le vibrazioni dell’albero possono aumentare in modo significativo senza che aumentino in modo significativo le vibrazioni dell’alloggiamento. Pertanto, in tali situazioni, è preferibile utilizzare sonde di prossimità che misurino direttamente il movimento dell’albero. Spesso si ricorre a una combinazione di entrambi i metodi.
