1. Introducción
El monitoreo del estado de la maquinaria es fundamental para la confiabilidad industrial. El análisis de vibraciones proporciona una identificación temprana del deterioro mecánico, evitando fallas catastróficas. Seleccionar la tecnología de detección adecuada para activos específicos (como bombas centrífugas, compresores, turbinas o cajas de engranajes) requiere una comprensión rigurosa de la física de los transductores, la respuesta de frecuencia y las limitaciones ambientales. La selección inadecuada del sensor es la causa principal de datos inexactos y de no detectar problemas mecánicos en desarrollo.
2. Principios fundamentales
Los sensores de vibración convierten el movimiento mecánico (desplazamiento, velocidad o aceleración) en señales eléctricas mensurables. La selección depende de la frecuencia y amplitud del movimiento que se está monitoreando.
2.1 Acelerómetros IEPE
Los sensores piezoeléctricos de electrónica integrada (IEPE) utilizan un cristal piezoeléctrico, generalmente cerámico o de cuarzo, que genera una carga cuando se somete a tensión mecánica. Un microcircuito interno (JFET) convierte esta carga de alta impedancia en una señal de voltaje de baja impedancia, lo que permite la transmisión a través de cables largos sin una atenuación significativa de la señal o susceptibilidad al ruido. Son el estándar para mediciones de alta frecuencia, como la detección de defectos en rodamientos.
2.2 Transductores de velocidad
Los transductores de velocidad miden directamente la velocidad de la maquinaria vibratoria. Son inherentemente sensibles a las frecuencias más bajas y, a menudo, se utilizan en equipos sensibles al equilibrio. Los sensores de estado sólido modernos simulan la respuesta tradicional de velocidad del imán de bobina utilizando circuitos integrados acoplados con un acelerómetro, eliminando las piezas mecánicas móviles que normalmente fallan en los sensores de bobina móvil tradicionales.
2.3 Sondas de Proximidad
Las sondas de proximidad funcionan según el principio de las corrientes parásitas. Una señal portadora de alta frecuencia procedente de un oscilador/demodulador externo (proximitor) crea un campo magnético en la punta de la sonda. Cuando un material conductor (como el eje de una máquina) entra en este campo, se inducen corrientes parásitas que cambian la impedancia de la bobina. Estas sondas miden el desplazamiento relativo y son esenciales para monitorear la dinámica de los cojinetes lisos, las órbitas del eje y la posición axial en equipos giratorios grandes.
3. Especificaciones técnicas y estándares
El diseño y la aplicación de estos sensores deben cumplir con los estándares internacionales establecidos para garantizar la confiabilidad y la integridad de los datos:
- ISO 10816 / ISO 20816: Proporciona pautas para la evaluación de la vibración de la máquina mediante mediciones en piezas no giratorias (por ejemplo, carcasa).
- API 670: El estándar de la industria para sistemas de protección de maquinaria, que detalla los requisitos para los sistemas de sonda de proximidad, incluida la linealidad, el rango de frecuencia y las pruebas ambientales.
- IEC 61010: Regula los requisitos de seguridad para equipos eléctricos de medición, control y uso en laboratorio.
Las especificaciones clave incluyen sensibilidad (p. ej., 100 mV/g para IEPE), respuesta de frecuencia (normalmente rangos de ±5 % o ±3 dB), rango dinámico (amplitud máxima antes de la saturación) y límites de temperatura de funcionamiento.
4. Guía de selección y tallas
| Tipo de sensor | Medición primaria | Rango de frecuencia | Aplicación típica |
|---|---|---|---|
| Acelerómetro IEPE | aceleración | 0,5 Hz - 15 kHz+ | Uso general, rodamientos, engranajes. |
| Transductor de velocidad | velocidad | 2 Hz - 2 kHz | Maquinaria rotativa de velocidad baja a media, vibración general. |
| Sonda de proximidad | Desplazamiento | CC - 10 kHz | Cojinetes de deslizamiento, órbita del eje, desplazamiento axial. |
5. Mejores prácticas de instalación y puesta en marcha
El montaje del sensor tiene un impacto directo en el rango de frecuencia utilizable. El montaje con perno proporciona la conexión más rígida, lo que permite la recopilación de datos de alta frecuencia (hasta 15-20 kHz). El montaje adhesivo es aceptable si se realiza utilizando una capa delgada de epoxi de alta rigidez; sin embargo, reduce la respuesta de alta frecuencia. El montaje magnético es adecuado para mediciones de diagnóstico periódicas de baja frecuencia, pero no es adecuado para monitoreo permanente o análisis de alta frecuencia.
La instalación de la sonda de proximidad requiere una calibración meticulosa del voltaje de separación de acuerdo con el rango lineal especificado (normalmente -10 V a -2 V). Los ajustes de separación incorrectos harán que el sensor funcione en una región no lineal, lo que provocará errores de medición significativos en los datos de posición del eje.
6. Modos de falla y análisis de causa raíz
La falla del sensor a menudo se debe a problemas ambientales o de instalación:
- Fatiga del cable: El movimiento repetitivo de la maquinaria tensiona el cableado, lo que provoca una pérdida de señal intermitente. Utilice conductos flexibles y blindados y un alivio de tensión adecuado.
- Saturación: Los impactos de alta frecuencia (por ejemplo, impactos de engranajes) pueden exceder el rango dinámico del sensor, lo que provoca saturación y recorte del amplificador.
- Ingreso de humedad: La falla del sellado ambiental (compromiso de clasificación IP67/IP68) provoca una falla de la resistencia del aislamiento y una desviación de la señal.
- Bucles de tierra: Una conexión a tierra inadecuada del protector de señal provoca interferencias de 50/60 Hz. Utilice sensores aislados cuando sea necesario.
7. Mantenimiento predictivo y monitoreo de condición
El monitoreo de condición se basa en el procesamiento de señales avanzado:
- FFT (Transformada Rápida de Fourier): Se utiliza para descomponer señales en el dominio del tiempo en espectros de frecuencia para identificar frecuencias de falla discretas (por ejemplo, desequilibrio, desalineación).
- Análisis de envolvente: extrae impactos de alta frecuencia de los rodamientos, lo que permite la detección de desconchados o picaduras en etapas tempranas.
- Tendencia: Monitoreo de los niveles generales de vibración (p. ej., velocidad RMS) frente a los estándares ISO 20816 para determinar la gravedad y la necesidad de la intervención.
8. Matriz de comparación
| Característica | Acelerómetro IEPE | Velocidad de estado sólido | Sonda de proximidad |
|---|---|---|---|
| Sensibilidad | Alto | moderado | Dependiente de la brecha |
| Rango de frecuencia | muy ancho | moderado | Bajo/CC |
| Montaje | Perno/Adhesivo | Semental | Soporte/roscado |
| Complejidad | Bajo | Bajo | Alto (necesita proximidad) |
| Costo | Bajo | Medio | Alto |
Resumen
El monitoreo confiable de vibraciones comienza con la selección adecuada del sensor que se adapta a los requisitos físicos y de diagnóstico del sistema mecánico. Los acelerómetros IEPE son esenciales para el análisis de rodamientos de alta frecuencia, mientras que las sondas de proximidad son fundamentales para el monitoreo del eje de los cojinetes lisos. El cumplimiento de los estándares API e ISO, junto con técnicas de instalación correctas, es necesario para garantizar la precisión de los datos. Para obtener una amplia gama de sensores de vibración certificados de grado industrial adecuados para sus necesidades de MRO, examine nuestras soluciones disponibles en el catálogo electrónico de UNITEC-D.
10. Referencias
- ISO 20816-1:2016, Vibración mecánica: medición y evaluación de la vibración de la máquina.
- Norma API 670, Sistemas de protección de maquinaria, 5ª edición.
- IEC 61010-1, Requisitos de seguridad para equipos eléctricos de medición, control y uso en laboratorio.
- Mobley, R.K., Fundamentos de la vibración, Butterworth-Heinemann.
