Comprensión de las sondas de proximidad (sensores de corrientes de Foucault)
A sonda de proximidad — también llamado un sonda de corrientes de Foucault o un transductor de desplazamiento — es un sensor sin contacto que mide la brecha entre su punta y un objetivo conductor, casi siempre un eje giratorio. Donde un acelerómetro se atornilla a la carcasa y detecta cómo tiembla la estructura, una sonda de proximidad mira a través de el soporte del rodamiento e informa el movimiento real del eje en relación con su rodamiento. Esa distinción la convierte en el sensor principal para proteger y monitorear maquinaria crítica de alta velocidad que funciona en rodamientos de película de fluido, y es la base del monitoreo de vibración en turbomáquinas en todo el mundo.
1. Definición: ¿Qué es una sonda de proximidad?
La característica definitoria de una sonda de proximidad es que mide desplazamiento relativo — la posición de la superficie del eje con respecto al montaje de la sonda — directamente, en micrómetros o mils. Esto es fundamentalmente diferente de un sensor sísmico como un transductor de velocidad o acelerómetro, que mide el movimiento absoluto de la parte a la que está fijo. En una máquina grande con una carcasa pesada y rígida y un eje comparativamente ligero que se apoya sobre una película de aceite, la carcasa apenas se mueve mientras el eje puede orbitar sustancialmente dentro de su cojinete de fricción. En esa situación, solo un sensor que observe el eje ve la historia real, por lo que las sondas de proximidad dominan protección de maquinaria en turbinas y compresores.
2. El sistema de sonda de proximidad: tres componentes emparejados
Una cadena de medición completa de sonda de proximidad está construida a partir de tres partes emparejadas con precisión, calibradas juntas como un conjunto:
- Sonda: un sensor con cuerpo roscado y punta sellada que encierra una bobina plana de alambre. Se instala con una brecha física específica al eje y se bloquea en su lugar.
- Cable de extensión: un cable coaxial de longitud definida que conecta la sonda con el impulsor. Su longitud es parte del ajuste electrónico del sistema, no un cable arbitrario.
- Proximitor / impulsor: un módulo electrónico que genera una señal de radiofrecuencia (RF) de alta frecuencia, la impulsa hacia la bobina de la sonda y desmodula la señal de retorno para producir un voltaje de salida proporcional a la brecha.
Debido a que los tres elementos están ajustados como una unidad — típicamente al factor de escala estándar de la industria de 200 mV por mil (aproximadamente 7.87 mV/µm) — no son no intercambiables con componentes de otro sistema. Mezclar una sonda de un conjunto con un impulsor o cable de diferente longitud corrompe la calibración y las lecturas. El error total de longitud eléctrica se corrige mediante compensación de cable, y la cadena ensamblada debe llegar con un certificado de calibración que documente su factor de escala trazable.
3. Cómo funciona: el principio de corrientes de Foucault
El proximitor envía su señal de RF a la bobina de la punta, que irradia un pequeño campo magnético. Cuando la punta se acerca a un eje conductor, ese campo induce pequeñas corrientes circulares — corrientes de Foucault — en la capa superficial del material del eje. Las corrientes de Foucault generan su propio campo magnético opuesto, y la energía que absorben carga la bobina. La cantidad de energía perdida depende de qué tan cerca esté la superficie conductora: cuanto más cerca esté el eje, más fuertes son las corrientes de Foucault y mayor es la carga.
El proximitor mide esta carga y produce dos salidas superpuestas: una voltaje de CC proporcional a la promedio brecha, y un voltaje de CA proporcional a la dinámico movimiento del eje mientras vibra.
Debido a que la técnica funciona con corrientes inducidas en el metal en lugar de contacto mecánico o luz, es inmune al aceite, la suciedad y la presión en la cavidad del rodamiento, pero es sensible a la uniformidad eléctrica y magnética de la superficie del eje — un punto que se retoma en excentricidad de giro a continuación. La misma física sustenta la familia más amplia de sondas de corriente de Foucault utilizada para la detección de desplazamiento sin contacto.
4. Qué miden las sondas de proximidad
Una sola sonda — y especialmente un par — proporciona una cantidad notable de información sobre la salud y el comportamiento del rotor:
- Vibración radial: un par X–Y montado a 90° captura el movimiento del eje en dos dimensiones, que el analizador combina en una órbita del eje — una imagen directa de la trayectoria que traza la línea central en cada revolución.
- Posición axial (de empuje): una sonda apuntada al extremo del eje mide el desplazamiento axial, la primera línea de defensa contra rodamiento de empuje falla.
- Posición de la línea central del eje: el componente de CC informa la posición promedio del muñón dentro del juego de su rodamiento, revelando desgaste del rodamiento, cambios de carga y el línea central del eje desplazamiento a medida que la máquina se calienta.
- Velocidad de rotación y fase: una sonda que observa un cuñero o muesca dispara una vez por revolución, actuando como un Keyphasor o tacómetro altamente confiable que suministra la fase referencia para balanceo y diagnóstico.
- Excentricidad de giro: una lectura de giro lento tomada a baja velocidad cuantifica la excentricidad de giro mecánica y eléctrica de la superficie del eje, la cual se resta luego de las mediciones en marcha para aislar el movimiento dinámico real.
5. Ventajas y dónde se utilizan
Las sondas de proximidad son la opción predeterminada para proteger grandes turbomáquinas críticas, por varias razones interconectadas:
- Sin contacto: nada toca el eje, por lo que no hay desgaste ni límite de velocidad impuesto por el sensor: ideal para servicio a alta velocidad.
- Observación directa del eje: ven lo que el eje está haciendo dentro del cojinete, lo cual en una máquina con carcasa pesada importa mucho más que el movimiento de la carcasa.
- Respuesta hasta 0 Hz (CC): captan tanto la vibración dinámica como la posición promedio, algo que un acelerómetro — que no puede medir un desplazamiento constante — fundamentalmente no puede hacer.
- Alta confiabilidad: selladas, robustas y construidas para entornos duros, calientes, aceitosos y servicio continuo.
Por estas razones son casi universales en grandes turbinas de vapor y gas, compresores centrífugos y axiales, turbogeneradores, y grandes bombas y motores que funcionan en cojinetes de fricción o de muñón, donde su instalación es exigida por normas como API 670. Su complemento natural en máquinas con rodamientos de rodillos es el acelerómetro montado en la carcasa, y muchos monitoreo en línea sistemas utilizan ambos. Cuando una máquina de película fluida desarrolla desbalance, el par de sondas X–Y lo hace visible como una órbita 1× creciente, y la corrección en campo puede realizarse en el lugar con un analizador portátil de dos canales como el Balanset-1A, que lee la amplitud y fase de 1× que proporcionan las sondas y calcula el pesos de corrección.
6. Trampas prácticas
- Excentricidad de giro eléctrica: las variaciones locales en la permeabilidad del eje o el magnetismo residual crean una señal de vibración falsa que no tiene nada que ver con el movimiento real. Una resta de excentricidad de giro a baja velocidad la elimina.
- Material de objetivo incorrecto: el factor de escala calibrado asume una aleación específica del eje (comúnmente acero AISI 4140). Un material diferente desplaza la sensibilidad y debe ser re-caracterizado.
- Holgura fuera de rango: la sonda debe permanecer dentro de su rango lineal — típicamente centrado cerca de −10 V CC. Demasiado cerca o demasiado lejos y la respuesta se vuelve no lineal o se satura.
- Rasguños y chapado: cualquier defecto superficial o recubrimiento en la banda observada del eje se lee como movimiento, por lo que esa banda debe ser lisa, redonda y uniforme.
