Prodotti e tecnologie per sensori di vibrazione

Che cos'è un sensore di vibrazione?

Un sensore di vibrazione è un dispositivo che misura le vibrazioni di macchine come motori e pompe. Analizzando queste vibrazioni, i tecnici della manutenzione possono capire se l'apparecchiatura funziona normalmente. Vibrazioni insolite potrebbero indicare un’anomalia, con conseguente necessità di manutenzione preventiva per evitare eventuali guasti. Esistono diversi tipi di sensori di vibrazione, ciascuno adatto a particolari applicazioni.

Dove vengono utilizzati i sensori di vibrazione?

I sensori di vibrazione vengono utilizzati soprattutto su apparecchiature rotanti come motori, pompe, compressori, scatole di trasmissione e turbine a gas.

Sono molti i settori che si affidano ad apparecchiature rotanti per la realizzazione di applicazioni quali sistemi di trasporto, forni e fornaci, turbine eoliche, essiccatoi e laminatoi: tra questi vi sono quello automobilistico e aerospaziale, alimentare e delle bevande, della pasta di legno e della carta, petrolifero e del gas, minerario e metallurgico.

Un numero crescente di industrie si avvale del monitoraggio delle vibrazioni dei macchinari rotanti per garantire la salute dei propri impianti di produzione e di lavorazione. È normale che sistemi come motori e pompe vibrino, ma qualsiasi comportamento insolito potrebbe indicare guasti causati da problemi come cuscinetti usurati o alberi di trasmissione disallineati

Ad esempio, i ventilatori e i compressori sono fondamentali per il corretto funzionamento dei sistemi HVAC. Il monitoraggio delle vibrazioni in questi sistemi assicura che l'aria fluisca correttamente e mantenga la stanza o il macchinario alla temperatura richiesta. Nell'industria chimica, molte sostanze sono corrosive per le tubature e altri recipienti e devono essere mantenute in movimento. Ciò richiede pompe e motori affidabili e in grado di funzionare ininterrottamente. Il monitoraggio delle vibrazioni consente di individuare tempestivamente i problemi e di intervenire per mantenere la disponibilità dell'impianto, evitando danni ai serbatoi e processi di pulizia costosi e rischiosi.

Come funziona un sensore di vibrazione?

I sensori di vibrazione convertono il movimento in energia elettrica mediante un trasduttore. Si possono utilizzare diversi fenomeni fisici per ottenere questa conversione. Uno dei metodi più comuni è l' effetto piezoelettrico, in cui la pressione meccanica su un materiale cristallino provoca una corrispondente uscita elettrica che può essere analizzata e utilizzata per rappresentare i valori delle vibrazioni originali.

Altri metodi includono i dispositivi Micro-Electromechanical System o MEMS, una tecnologia basata su chip. I dispositivi MEMS capacitivi misurano le vibrazioni modificando la loro capacitanza in risposta a un'accelerazione. Un'altra tecnica utilizza le correnti parassite indotte nell'oggetto misurato da una bobina. La variazione della distanza tra la bobina e l'oggetto target produce un segnale di uscita proporzionale.

Vengono utilizzati anche sensori microfonici. Questi convertono il rumore generato dalle vibrazioni in segnali elettrici.

Che cos'è un sensore d’urto?

Un sensore d'urto è simile a un sensore di vibrazione, ma risponde a carichi d'urto improvvisi, anziché misurare vibrazioni continue. Alcuni sensori d'urto si basano sul principio piezoelettrico, generando un'uscita in risposta a una sollecitazione di flessione.

Un metodo alternativo è rappresentato dai sensori d'urto magneto-dinamici. Utilizzano un magnete montato su una molla per indurre una corrente in una bobina quando un urto muove il magnete.

I sensori d'urto producono un’uscita ridotta quando subiscono un'accelerazione lenta, come nel caso di uno spostamento da un sito all'altro. Tuttavia, se sottoposti a un urto rapido, come una caduta, produrranno un'uscita corrispondente alla velocità e all'entità della forza subita. Possono anche essere utilizzati per indicare la direzione della forza d'urto producendo un'uscita con segno più o meno.

Le applicazioni dei sensori d'urto includono la prevenzione degli errori di lettura e scrittura negli hard disk che potrebbero essere causati da una caduta. Possono anche essere utilizzati per misurare la velocità di rotazione degli pneumatici, risvegliandone i sistemi di monitoraggio della pressione al fine di preservare la durata della batteria.

Tipi di sensori di vibrazione

• Estensimetri

Un tipo comune di sensore di vibrazioni è l'estensimetro. Gli estensimetri possono funzionare attraverso l'effetto piezoresistivo o l'effetto piezoelettrico.

Gli estensimetri piezoresistivi hanno la forma di una lamina. Questa contiene una griglia elettricamente conduttiva, che subisce una deformazione quando il componente in esame, come un motore, subisce delle vibrazioni. Tali deformazioni modificano la resistenza elettrica della griglia e, leggendo il tempo impiegato da una corrente elettrica per attraversarla, si può valutare la vibrazione dell'oggetto.

Una soluzione tipica è il sensore a film piezoelettrico, che consiste in una sezione rettangolare di film piezoelettrico aderente direttamente alla superficie del componente.

L'altro tipo principale di estensimetro è il sensore piezoelettrico, in cui una forza meccanica applicata a determinati materiali produce una carica attraverso il materiale. Questa forza può essere misurata come una tensione proporzionale alla pressione.

La carica che attraversa il sensore si disperde nel tempo a causa di fattori quali un isolamento imperfetto e la resistenza interna del sensore. Questo li rende inadatti a misurare la pressione statica. Tuttavia, sono sensibili alle variazioni dinamiche della pressione in un'ampia gamma di frequenze e pressioni, il che li rende ideali per l'uso come sensori di vibrazione.

Gli estensimetri possono spesso essere montati "in aria libera”. Quando il gruppo viene deflesso per contatto diretto, il dispositivo agisce come un "interruttore" flessibile che genera un'uscita. Se l’assemblato è supportato dai contatti e lasciato vibrare "in aria libera", il dispositivo si comporta come un accelerometro o sensore di vibrazione.

• Accelerometri

I sensori di vibrazione di gran lunga più comuni sono gli accelerometri. Funzionano misurando le variazioni di velocità del componente. Queste variazioni di velocità sono indicate dalle vibrazioni, che fanno sì che l'accelerometro produca un segnale elettrico. Questi segnali possono essere elaborati per produrre dati di vibrazione utilizzabili.

Un accelerometro funziona con un sensore elettromeccanico, progettato per misurare l'accelerazione statica o dinamica. L'accelerazione statica è la forza costante che agisce su un corpo, come la gravità o l'attrito. Le forze di accelerazione dinamica non sono uniformi, e i migliori esempi sono le vibrazioni o gli urti.

Gli accelerometri piezoelettrici sono i più utilizzati e producono un segnale forte e chiaro alla maggior parte delle frequenze, sebbene anche gli accelerometri piezoresistivi stiano diventando sempre più comuni. Sono in grado di rilevare frequenze alte e basse, ma sono molto più costosi di quelli di tipo piezoelettrico.

Gli accelerometri a uno o più assi sono in grado di rilevare sia la grandezza che la direzione dell'accelerazione propriamente detta. Espresso come grandezza vettoriale, questo dato può essere utilizzato per rilevare le vibrazioni, l'orientamento del sensore, l'accelerazione coordinata, gli urti e la caduta in un mezzo resistivo.

Gli accelerometri ad asse singolo hanno un unico cristallo e rispondono quindi alle vibrazioni su un unico piano. Gli accelerometri a tre assi misurano le vibrazioni su tre assi, X, Y e Z, utilizzando tre cristalli, ciascuno dei quali è posizionato in modo da rispondere a forze che agiscono su un piano diverso. L'uscita dell'accelerometro presenta tre segnali, ciascuno dei quali rappresenta la vibrazione subita su uno degli assi.

Sono disponibili anche accelerometri MEMS, di due tipi principali: piezoelettrici e capacitivi. Un accelerometro piezoelettrico MEMS combina un corpo rigido e una massa fisica collegata a un cristallo piezoelettrico. Quando si verifica il movimento, la massa produce una sollecitazione, allungando il materiale piezoelettrico e generando una carica proporzionale all'accelerazione. Vengono utilizzati soprattutto per misurare le vibrazioni e gli urti.

In un accelerometro capacitivo MEMS, la variazione di accelerazione determina il movimento della massa di prova, riducendo la distanza tra due poli del condensatore a piastre parallele. L'accelerazione viene quindi calcolata misurando la variazione di capacitanza. Noto per la sua precisione, questo è il tipo di accelerometro più utilizzato.

Rispetto agli accelerometri piezoelettrici standard, gli accelerometri MEMS presentano numerosi vantaggi. Oltre ad avere dimensioni relativamente compatte rispetto ai dispositivi standard, gli accelerometri MEMS sono in grado di misurare fino a corrente continua, il che li rende molto utili per valutare i macchinari in lento movimento. Questa caratteristica trova applicazione nella misurazione delle vibrazioni nelle turbine eoliche e nei tipi di apparecchiature a rotazione lenta utilizzate in settori come la lavorazione dei metalli e l'industria alimentare, dove sono comuni velocità di rotazione inferiori a 60 giri/min.

I sensori MEMS possono anche riprendersi dai carichi d'urto più rapidamente rispetto agli accelerometri piezoelettrici standard, consentendo loro di rilevare in modo affidabile sia gli eventi di impatto che le successive misure di vibrazione.

• Sensori di vibrazione microfonici

Un'altra opzione è rappresentata dai sensori microfonici. Le vibrazioni creano suoni, alcuni dei quali sono costituiti da alte frequenze non percepibili dall'uomo. I sensori microfonici sono in grado di rilevare le variazioni di questi suoni ad alta frequenza e rappresentano un metodo economico per fornire alcune informazioni di base.

Grazie all'ampia gamma di frequenze, i microfoni possono fornire una rappresentazione chiara e accurata delle frequenze presenti nello schema di vibrazione di una macchina. Tuttavia, sebbene siano in grado di rilevare le variazioni di frequenza, non possono fornire valori assoluti.

Per questo motivo, vengono spesso utilizzati insieme agli accelerometri.
Un prodotto tipico è il microfono a contatto CM-01B di TE Connectivity. Utilizza una pellicola piezo in PVDF, sensibile ma robusta, combinandola con un preamplificatore elettronico a basso rumore. Il design riduce al minimo il rumore acustico esterno, offrendo al contempo una sensibilità estremamente elevata alle vibrazioni. Le caratteristiche includono un'ampia larghezza di banda, un'elevata sensibilità, un'alta resistenza agli urti, leggerezza e basso costo.

• Altri tipi di sensori di vibrazione

Sono disponibili diversi altri tipi di sensori di vibrazione.

Un sensore a correnti parassite è un tipo di sensore senza contatto. Funziona inducendo correnti parassite nell'oggetto misurato per mezzo di una bobina. Se il sensore è fissato in posizione e l'oggetto è soggetto a vibrazioni, il movimento verrà registrato nel campo magnetico. La variazione della distanza tra la bobina e l'oggetto target produce un segnale di uscita proporzionale.

Poiché i sensori a correnti parassite misurano il movimento rispetto alla posizione del sensore, devono essere fissati in un determinato punto. Il fatto che non debbano entrare in contatto con l'asset li rende ideali per i beni o gli allestimenti delicati.

Un'altra tecnica senza contatto, lo spostamento laser, utilizza un raggio laser puntato sull’asset. Il raggio si riflette su un rilevatore. Le variazioni di posizione dell'oggetto fanno sì che il raggio colpisca una parte diversa del rilevatore, che viene interpretato come una misura del movimento dell'oggetto stesso.

I giroscopi sono una tecnica di contatto che misura la velocità angolare, ossia la velocità con cui qualcosa gira o ruota. Utilizzano la tecnologia MEMS per ottenere una misura accurata del numero di gradi di rotazione di un oggetto al secondo. I giroscopi di solito non vengono utilizzati da soli, ma integrano i dati dell'accelerometro con quelli dell'orientamento.

Selezione di un sensore di vibrazione

La scelta dei sensori di vibrazione più adatti a un'applicazione si basa su diverse considerazioni .

Una di queste è la tecnologia da utilizzare. Si potrebbe aver bisogno di una tecnologia a contatto o senza contatto, di misurare vibrazioni a frequenza molto bassa o molto alta, di misurare vibrazioni su più piani o di un dispositivo molto compatto. Questi requisiti possono limitare le tecnologie di rilevamento delle vibrazioni utilizzabili.

La sensibilità è un altro punto da considerare. Per esempio, la sensibilità degli accelerometri industriali varia tra 10 e 100 mV/g. La scelta della sensibilità corretta per un'applicazione implica la conoscenza della gamma di livelli di ampiezza delle vibrazioni a cui il sensore sarà esposto durante le misurazioni.

Se la macchina produce vibrazioni di elevata ampiezza (superiori a 10 g rms) nel punto di misurazione, è preferibile un sensore a bassa sensibilità (10 mV/g). Viceversa, se la vibrazione è inferiore a 10 g rms, si dovrebbe scegliere un sensore da 100 mV/g. In nessun caso il livello di g di picco deve superare l'intervallo di accelerazione del sensore.

Per selezionare l'intervallo di frequenze, è necessario determinare i requisiti di frequenza dell'applicazione. La gamma delle alte frequenze del sensore è limitata dalla sensibilità quando si avvicina alla risonanza. Molti amplificatori per sensori filtrano anche l'estremità alta della gamma di frequenze per attenuare l'ampiezza della risonanza.

La maggior parte delle vibrazioni dei macchinari industriali contiene frequenze inferiori a 1000 Hz, ma possono esserci componenti di interesse a frequenze più elevate. Ad esempio, nel caso di un albero, la frequenza di interesse più alta potrebbe essere un'armonica che sarà il prodotto della velocità di funzionamento e del numero di cuscinetti sull'albero.

Un altro fattore è la temperatura, con i sensori che devono resistere agli intervalli di temperatura dell'applicazione proposta. Ciò è importante in quanto l'espansione termica dell'involucro metallico del sensore o di altri componenti metallici potrebbe causare uscite errate.

Esistono molti sensori diversi ed è importante trovare il sensore di vibrazione giusto per l'applicazione. Ottenere una misurazione accurata delle vibrazioni è essenziale se si vuole che il monitoraggio basato sulle condizioni dei macchinari rotanti raggiunga tutti i suoi potenziali benefici.