Rilevamento delle vibrazioni industriali: specifiche tecniche, selezione e applicazione per l'affidabilità dei macchinari

1. Introduzione

Il monitoraggio dello stato dei macchinari è fondamentale per l’affidabilità industriale. L'analisi delle vibrazioni fornisce l'identificazione precoce del deterioramento meccanico, prevenendo guasti catastrofici. La selezione della tecnologia di rilevamento appropriata per risorse specifiche, come pompe centrifughe, compressori, turbine o riduttori, richiede una comprensione rigorosa della fisica dei trasduttori, della risposta in frequenza e dei vincoli ambientali. La selezione impropria del sensore è una delle cause principali di dati imprecisi e di incapacità di rilevare lo sviluppo di problemi meccanici.

2. Principi Fondamentali

I sensori di vibrazioni convertono il movimento meccanico (spostamento, velocità o accelerazione) in segnali elettrici misurabili. La selezione dipende dalla frequenza e dall'ampiezza del movimento monitorato.

2.1 Accelerometri IEPE

I sensori piezoelettrici elettronici integrati (IEPE) utilizzano un cristallo piezoelettrico, generalmente in ceramica o quarzo, che genera una carica quando sottoposto a sollecitazione meccanica. Un microcircuito interno (JFET) converte questa carica ad alta impedenza in un segnale di tensione a bassa impedenza, consentendo la trasmissione su cavi lunghi senza significativa attenuazione del segnale o suscettibilità al rumore. Costituiscono lo standard per le misurazioni ad alta frequenza, come il rilevamento dei difetti dei cuscinetti.

2.2 Trasduttori di velocità

I trasduttori di velocità misurano direttamente la velocità dei macchinari vibranti. Sono intrinsecamente sensibili alle frequenze più basse e vengono spesso utilizzati su apparecchiature sensibili al bilanciamento. I moderni sensori a stato solido simulano la tradizionale risposta alla velocità della bobina-magnete utilizzando circuiti integrati accoppiati con un accelerometro, eliminando le parti meccaniche mobili che tipicamente si guastano nei tradizionali sensori a bobina mobile.

2.3 Sonde di prossimità

Le sonde di prossimità funzionano secondo il principio delle correnti parassite. Un segnale portante ad alta frequenza proveniente da un oscillatore/demodulatore esterno (prossimitore) crea un campo magnetico sulla punta della sonda. Quando un materiale conduttivo (come l'albero di una macchina) si muove in questo campo, vengono indotte correnti parassite, modificando l'impedenza della bobina. Queste sonde misurano lo spostamento relativo e sono essenziali per monitorare la dinamica dei cuscinetti del perno, le orbite dell'albero e la posizione assiale in apparecchiature rotanti di grandi dimensioni.

3. Specifiche tecniche e standard

La progettazione e l'applicazione di questi sensori devono essere conformi agli standard internazionali stabiliti per garantire l'affidabilità e l'integrità dei dati:

• ISO 10816 / ISO 20816: Fornisce linee guida per la valutazione delle vibrazioni della macchina mediante misurazioni su parti non rotanti (ad esempio, involucro).
• API 670: lo standard di settore per i sistemi di protezione dei macchinari, che specifica i requisiti per i sistemi di sonde di prossimità, inclusi linearità, gamma di frequenza e test ambientali.
• IEC 61010: Regola i requisiti di sicurezza per le apparecchiature elettriche per la misurazione, il controllo e l'uso in laboratorio.

Le specifiche chiave includono sensibilità (ad esempio, 100 mV/g per IEPE), risposta in frequenza (tipicamente intervalli di ±5% o ±3 dB), gamma dinamica (ampiezza massima prima della saturazione) e limiti di temperatura operativa.

4. Guida alla selezione e al dimensionamento

5. Migliori pratiche di installazione e messa in servizio

Il montaggio del sensore ha un impatto diretto sulla gamma di frequenza utilizzabile. Il montaggio con perno fornisce la connessione più rigida, consentendo la raccolta di dati ad alta frequenza (fino a 15-20 kHz). Il montaggio adesivo è accettabile se eseguito utilizzando resina epossidica a strato sottile e ad elevata rigidità; tuttavia, riduce la risposta alle alte frequenze. Il montaggio magnetico è adatto per misurazioni diagnostiche periodiche a bassa frequenza, ma non è adatto per il monitoraggio permanente o l'analisi ad alta frequenza.

L'installazione della sonda di prossimità richiede una calibrazione meticolosa della tensione di intervallo in base all'intervallo lineare specificato (tipicamente da -10 V a -2 V). Impostazioni errate del gap faranno sì che il sensore funzioni in una regione non lineare, portando a errori di misurazione significativi nei dati di posizione dell'albero.

6. Modalità di guasto e analisi delle cause principali

Il guasto del sensore spesso deriva da problemi ambientali o di installazione:

• Affaticamento dei cavi: i movimenti ripetitivi dei macchinari sollecitano i cavi, portando a una perdita intermittente del segnale. Utilizzare un condotto flessibile e schermato e un pressacavo adeguato.
• Saturazione: gli impatti ad alta frequenza (ad esempio, gli impatti degli ingranaggi) possono superare la gamma dinamica del sensore, causando saturazione e clipping dell'amplificatore.
• Ingresso di umidità: il mancato isolamento ambientale (compromesso il grado di protezione IP67/IP68) provoca il guasto della resistenza di isolamento e la deriva del segnale.
• Loop di terra: una messa a terra non corretta dello schermo del segnale provoca interferenze a 50/60 Hz. Utilizzare sensori isolati quando necessario.

7. Manutenzione predittiva e monitoraggio delle condizioni

Il monitoraggio delle condizioni si basa sull'elaborazione avanzata del segnale:

• FFT (trasformata veloce di Fourier): utilizzato per scomporre i segnali nel dominio del tempo in spettri di frequenza per identificare frequenze di guasto discrete (ad es. squilibrio, disallineamento).
• Analisi dell'inviluppo: estrae gli impatti ad alta frequenza dai cuscinetti, consentendo il rilevamento di scheggiature o vaiolature nella fase iniziale.
• Tendenze: Monitoraggio dei livelli di vibrazione complessivi (ad es. velocità RMS) rispetto agli standard ISO 20816 per determinare la gravità e la necessità dell'intervento.

8. Matrice di confronto

Sommario

Un monitoraggio affidabile delle vibrazioni inizia con la selezione del sensore appropriato, corrispondente ai requisiti fisici e diagnostici del sistema meccanico. Gli accelerometri IEPE sono essenziali per l'analisi dei cuscinetti ad alta frequenza, mentre le sonde di prossimità sono fondamentali per il monitoraggio dell'albero dei cuscinetti portanti. Il rispetto degli standard API e ISO, insieme alle corrette tecniche di installazione, è necessario per garantire l'accuratezza dei dati. Per una gamma completa di sensori di vibrazioni certificati di livello industriale adatti alle vostre esigenze di MRO, esaminate le nostre soluzioni disponibili nel Catalogo elettronico UNITEC-D.

10. Riferimenti

1. ISO 20816-1:2016, Vibrazioni meccaniche: misurazione e valutazione delle vibrazioni della macchina.
2. Standard API 670, Sistemi di protezione dei macchinari, 5a edizione.
3. IEC 61010-1, Requisiti di sicurezza per apparecchiature elettriche per la misurazione, il controllo e l'uso in laboratorio.
4. Mobley, R.K., Fondamenti sulle vibrazioni, Butterworth-Heinemann.