Molti motori industriali lavorano per periodi prolungati. Ad esempio, i motori degli impianti chimici, alimentari e di produzione di energia elettrica lavorano abitualmente per 20 anni (e oltre) in applicazioni di produzione continua. Alcuni motori, purtroppo, non raggiungono la durata di vita prevista. Questi guasti prematuri possono essere dovuti a un funzionamento insufficiente del motore, a programmi di manutenzione scadenti, alla mancanza di investimenti in sistemi PdM o addirittura all’assenza di un sistema PdM.

Il PdM aiuta i tecnici della manutenzione a identificare e prevedere i guasti delle macchine. Questa tecnica consente ai team di manutenzione di programmare le riparazioni ed evitare i fermi macchina non programmati. Il personale addetto alla manutenzione utilizza la PdM per individuare e riparare i motori inefficienti, consentendo di aumentare le prestazioni, la produttività, la disponibilità degli asset e la durata.

Manutenzione predittiva
Figure1: Soluzione della manutenzione predittiva

Una selezione corretta dei sensori è essenziale per il successo dell’implementazione della PdM. Per selezionare un sensore specifico, è necessario comprendere le modalità potenziali di guasto della macchina. È inoltre necessario conoscere i segnali di allarme associati a queste modalità. Squilibrio, danni ai cuscinetti, cavitazione (pompe), aumento dei livelli di vibrazione della macchina, aumento della temperatura dei componenti della macchina, perdita o riduzione del flusso di lubrificazione e del flusso di acqua di raffreddamento sono i tipici segnali di allarme per le apparecchiature con parti rotanti.

La tecnologia dei sensori appropriata può monitorare ciascun segnale di allarme. Il seguente contenuto illustra alcuni sensori da includere nel vostro nuovo piano di strumentazione.

Sensori di movimento, posizione e prossimità

Sulle linee di produzione sono montate sonde basate sul movimento. Queste sonde o sensori di posizione e movimento utilizzano metodi di rilevamento induttivi, ottici, fotoelettrici, potenziometrici (basati sulla resistenza) e altri per monitorare la posizione del prodotto o della macchina. Per funzionare correttamente, i sensori di movimento devono soddisfare diversi criteri. Devono essere durevoli, avere un basso consumo energetico ed essere adatti alla produzione di massa per soddisfare le richieste degli utenti finali. I sensori di movimento nei sistemi sanitari utilizzano una combinazione di giroscopio, accelerazione lineare, accelerometro e magnetometro. I sensori di prossimità rilevano la presenza di un oggetto senza alcun contatto fisico. Questi sensori possono essere magnetici, capacitivi e induttivi. I sensori di prossimità induttivi rilevano la perdita magnetica. Questa perdita è dovuta alle correnti parassite generate da un campo magnetico esterno su una superficie conduttiva. Un campo magnetico CA viene prodotto sulla bobina di rilevamento e si possono rilevare le variazioni dell’impedenza dovute alle correnti parassite generate su un oggetto metallico. Altri metodi includono i sensori con rilevamento dell’alluminio (viene rilevata la componente di fase della frequenza), i sensori per tutti i metalli (in cui la bobina di lavoro rileva solo la componente carica dell’impedenza) e i sensori a risposta pulsata (in cui viene generata una corrente parassita a impulsi e viene rilevata la variazione temporale della corrente parassita con la tensione indotta nella bobina).

Sensore di prossimità induttivo
Figure2: Sensore di prossimità induttivo

I sensori di prossimità capacitivi rilevano le variazioni di capacità tra il sensore e l’oggetto da rilevare. La capacità varia in base alla distanza e alle dimensioni dell’oggetto da rilevare. Un normale sensore di prossimità capacitivo assomiglia a un condensatore con due piastre parallele, dove viene rilevata la capacità delle due piastre. Una piastra rappresenta l’oggetto da misurare (con una massa immaginaria), mentre l’altra è la superficie di rilevamento del sensore. Vengono rilevate le variazioni di capacità prodotte tra le due piastre. La costante dielettrica degli oggetti determina la possibilità di rilevarli. L'elenco degli oggetti comprende metalli, acqua e resina.

Sensore di prossimità capacitivo
Figure3: Sensore di prossimità capacitivo

Un magnete aziona l’estremità del reed dell’interruttore: si tratta di un sensore di prossimità magnetico. Il sensore si attiva quando viene attivato l’interruttore reed.

Sensore di prossimità magnetico
Figure4: Sensore di prossimità magnetico

Sensori di vibrazione e della coppia

I sensori di vibrazione monitorano l’accelerazione e le vibrazioni della macchina, indicando un problema potenziale della macchina. Alcuni sensori sono dotati di una moderna elaborazione del segnale con trasformata rapida di Fourier per rilevare i guasti nei componenti della macchina. I sensori di vibrazione costituiscono il nucleo della manutenzione preventiva e aiutano a determinare le condizioni del dispositivo.

I sensori di torsione (coppia, rotazione) misurano variabili statiche o dinamiche convertendo una reazione di coppia e una rotazione in un segnale elettrico. Sono presenti in motori, turbine o generatori.La figura seguente mostra il sensore di vibrazione che può essere utilizzato per i guasti ai cuscinetti.

Sensore di vibrazione
Figura5: sensore di vibrazione

Sensori acustici

La tecnologia di rilevamento acustico è una nuova applicazione che ha stimolato la domanda di MEMS (micro-electro-mechanical system) a basso rumore e di sensori acustici più piccoli.

La figura seguente mostra i componenti di un modulo di sensore acustico MEMS. Un substrato supporta un chip sensore MEMS per il rilevamento del suono e un chip IC per la lettura del segnale. Un coperchio copre tutta la struttura.

Sensore acustico MEMS
Figure6: Sensore acustico MEMS

Questo gruppo di sensori utilizza dispositivi microfonici per rilevare il suono. Quando un sensore acustico rileva un suono, crea una corrente o una tensione. Questa tensione è proporzionale al livello del suono. I sensori acustici utilizzano tecniche di apprendimento automatico (ML) per stimare informazioni rilevanti, come il carattere di un oggetto e la sua posizione.

Sensori a ultrasuoni

I sensori a ultrasuoni sono dispositivi senza contatto che utilizzano il volo dell’onda sonora superiore alla gamma udibile dall’uomo, in genere 40KHz o superiore. La trasmissione e la ricezione degli ultrasuoni utilizzano ceramiche piezoelettriche. La presenza di un oggetto viene rilevata misurando l’ampiezza e il ritardo temporale delle onde ultrasoniche generate dal materiale ceramico per determinare la distanza tra il sensore e l’oggetto da misurare.

È possibile utilizzare le onde ultrasoniche per il rilevamento stabile di oggetti trasparenti, come lastre di vetro e pellicole trasparenti, utilizzando sensori a sbarramento o a riflessione.

Sensori di pressione, forza, contatto e tensione

I sensori di pressione misurano le differenze di pressione negli oggetti o nell’ambiente da misurare. Le variazioni vengono rilevate in base a principi di rilevamento barometrico, piezoelettrico, capacitivo, ottico o risonante. Tubi di Bourdon, diaframmi, manometri sono questi tipi di sensori.

I sensori di trazione aiutano a monitorare la deformazione e il movimento del nastro nel sistema di movimentazione automatica dei materiali. Questi sensori contribuiscono a una manutenzione intelligente basata sulle condizioni. I sensori di forza monitorano i segnali di forza di trazione e compressione e li traducono in un segnale elettrico di uscita. I sensori di forza sono costituiti da celle di carico, estensimetri o resistenze di rilevamento. Le tecnologie piezoelettriche e magnetostrittive sono molto diffuse. I sensori di forza possono anche monitorare forze pneumatiche e idrauliche.

Sensori ottici, di luce e di visione artificiale

La tecnologia di visione artificiale ha permesso lo sviluppo di veicoli autonomi, sistemi intelligenti e robotici avanzati. L’inclusione di input da sensori ottici nei sistemi li aiuta a prendere decisioni di qualità. Le immagini rappresentano i dati visivi acquisiti, con un algoritmo di ML che alimenta il processo di digitalizzazione. I sensori tridimensionali (3D) rappresentano un nuovo metodo per ottenere informazioni tecniche. Questi sensori possono individuare e calcolare il grado di usura del materiale in questione. I dati tridimensionali offrono informazioni più ricche e sono in grado di rilevare qualsiasi deviazione dalle misure originali del soggetto.

I sensori a infrarossi (IR) funzionano in base a principi ottici e possono essere suddivisi in sensori IR riflettenti e trasmissivi. Nei sensori IR a riflessione, il trasmettitore e il rilevatore sono rivolti verso l’oggetto e sono adiacenti. I sensori trasmissivi utilizzano LED e fotodiodi per rilevare ciò che passa tra loro.

Sensori di temperatura

I sensori di temperatura rilevano le variazioni delle condizioni della macchina o gli stati critici della fabbrica (soprattutto in ambienti pericolosi). I sensori possono acquisire informazioni sulla temperatura direttamente (rilevatori di temperatura resistivi, termistori e termocoppie) o indirettamente (sensori a infrarossi). Alcuni sensori sono dotati di display di temperatura integrati. Le sonde di misurazione della temperatura e dell’umidità costituiscono un altro gruppo di sensori. La composizione materiale di questi sensori unici ne consente l’uso in dispositivi indossabili monouso e impianti medici. Altre applicazioni includono scansioni accurate di organi interni e tessuti biologici. Questi sensori sono presenti anche nell’industria alimentare e tessile.

Sensori di liquidi, flusso, gas e sostanze chimiche

I sensori di flusso possono analyse la portata della lubrificazione e dell’acqua di raffreddamento. Questi sensori utilizzano rilevatori magnetici, ultrasonici o termici per monitorare l’intensità del flusso all’interno della condotta. I sensori delle particelle d’olio possono monitorare i livelli di contaminazione all’interno dei sistemi di lubrificazione (ad esempio, i riduttori). Questi sensori modificano il livello di inquinamento in base al numero di sostanze elaborate. Il sensore utilizza un fascio laser e un fotorilevatore per analyse l’intensità della luce.

I sensori di umidità diagnosticano il contenuto di acqua negli oli e di solito sono installati all’interno dei serbatoi di lubrificazione o idraulici. Questi sensori prevengono la corrosione delle macchine. I sensori di umidità hanno una funzione critica nei processi di produzione automatizzati. Contribuiscono a creare l’ambiente desiderato attraverso il rilevamento, il monitoraggio e la regolazione dell’umidità in condizioni fluttuanti. I sensori di rilevamento dell’umidità trovano impiego in agricoltura come dispositivo di monitoraggio. Sono uno strumento per determinare l’umidità del suolo durante l’irrigazione. Questi sensori sono utili nella diagnostica della corrosione nelle infrastrutture e nelle costruzioni.

La Figura 7 mostra un sensore della temperatura e del flusso E8FC che può essere utilizzato per rilevare segni di anomalie nell’acqua di raffreddamento e nell’olio idraulico misurando simultaneamente il flusso e la temperatura.

Sensore del flusso
Figure7: Sensore del flusso

Sensori di energia e di corrente

Lo scopo dei sensori di energia e di corrente è quello di misurare la quantità di corrente assorbita da una macchina. Questi sensori sono utilizzati in tutti i settori industriali. Uno dei metodi per misurare la corrente che scorre attraverso i fili è l'utilizzo di trasformatori di corrente (TA). I TA applicano il principio dei trasformatori.

In un trasformatore di corrente, il primario di un TA ha di solito una sola spira, e il conduttore portatore di corrente viene fatto passare attraverso il suo nucleo centrale. Il primario ha solo poche spire. Il secondario del trasformatore ha molte spire a seconda dell’entità della corrente da ridurre. La bobina secondaria è avvolta attorno a un nucleo ferromagnetico laminato e i dispositivi di misura possono essere collegati ai suoi terminali.La Figura 8 mostra il dispositivo di sensore di corrente che può essere utilizzato per una “diagnosi completa della corrente”. Può monitorare non solo i problemi del motore, ma anche le condizioni anomale del carico.

Diagnosi corrente
Figura8: diagnosi corrente
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