¿Qué es un acelerómetro? Una guía para el análisis de vibraciones
Un acelerómetro es un transductor (o sensor) que convierte el movimiento mecánico — específicamente el aceleración producido por vibración o impacto — en una señal eléctrica proporcional. Es, con mucho, el sensor más utilizado en mantenimiento predictivo y monitoreo de condición. Al medir qué tan rápido cambia la velocidad de un punto en una máquina, un acelerómetro proporciona los datos brutos que permiten a un analista diagnosticar una amplia gama de fallas mecánicas y eléctricas — desde defectos de rodamiento a desbalance y desalineación.
1. Definición: El núcleo de la medición de vibración
La aceleración es la magnitud natural para medir en maquinaria rotativa porque las fuerzas dinámicas que dañan una máquina — la fuerza centrífuga de un punto pesado, el impacto de una pista de rodadura descascarada — escalan con la aceleración. Un acelerómetro responde directamente a esas fuerzas, por lo que se encuentra en el corazón de casi todos los sistemas modernos de analizador de vibraciones y colector de datos.
Una de las fortalezas prácticas del acelerómetro es que su señal de aceleración puede integrarse electrónicamente integrada una vez para obtener velocidad (mm/s), y dos veces para obtener desplazamiento (µm). Un solo sensor bien montado, por lo tanto, cubre las tres unidades clásicas de vibración, permitiendo al analista elegir aquella que mejor revele una falla dada.
2. ¿Cómo funcionan los acelerómetros? El principio piezoeléctrico
Aunque existen varios principios físicos, la abrumadora mayoría de los acelerómetros utilizados para maquinaria industrial se basan en el efecto piezoeléctrico. La secuencia de funcionamiento es sencilla:
- Cristal piezoeléctrico: Dentro del sensor, una pequeña masa sísmica está unida a un piezoeléctrico elemento — típicamente una cerámica como PZT, o en sensores de gama alta, un cristal de cuarzo de corte de precisión.
- Aplicación de fuerza: Cuando la máquina vibra, el soporte se mueve con ella. Por inercia, la masa interna se resiste a ese movimiento y ejerce una fuerza sobre el cristal — igual, según la segunda ley de Newton, a la masa por la aceleración.
- Generación de una señal: Un cristal piezoeléctrico bajo tensión produce una pequeña carga eléctrica directamente proporcional a la fuerza aplicada y, por lo tanto, a la aceleración.
- Salida: La electrónica interna acondiciona esta carga y la envía a través de un cable a un colector de datos o sistema de monitoreo como una representación analógica de la aceleración en ese punto.
La forma en que se acondiciona esa carga define dos familias comunes. Un de salida de carga sensor entrega la carga bruta a un amplificador de carga externo y tolera temperaturas muy altas. Mucho más común en la industria es el tipo IEPE (o modo de voltaje), que integra el amplificador en el sensor y emite un voltaje de baja impedancia que viaja bien por un cable ordinario de dos hilos. Los diseños más robustos utilizan una cizallamiento construcción, que aísla el cristal de la flexión de la base y de los transitorios térmicos.
3. Tipos de acelerómetros
Diferentes aplicaciones requieren diferentes sensores, cada uno con sus propias fortalezas.
Acelerómetros de propósito general
Estos son los caballos de batalla del monitoreo industrial. Por lo general, ofrecen una sensibilidad de 100 mV/g y un rango de frecuencias adecuado para la mayoría de las máquinas comunes, como bombas, motores y ventiladores — aproximadamente de 2 Hz a 10 kHz.
Acelerómetros MEMS
Los acelerómetros de sistemas microelectromecánicos (MEMS) están basados en silicio, son muy pequeños, de bajo consumo y rentables. Históricamente menos sensibles que los tipos piezoeléctricos, los dispositivos MEMS modernos están mejorando rápidamente y son comunes en electrónica portátil, sistemas automotrices, monitoreo inalámbrico nodos e instalaciones de monitoreo de condición de menor costo.
Acelerómetros piezoresistivos
Utilizados para pruebas de impacto y movimiento de baja frecuencia, estos sensores responden hasta 0 Hz (aceleración DC), lo que los hace útiles para medir la aceleración constante en una centrífuga o el movimiento de marcha lenta de un vehículo.
Acelerómetros de alta frecuencia
Diseñados para captar eventos de alta frecuencia, como daños en engranajes y rodamientos en etapa temprana, estos sensores utilizan una masa sísmica más pequeña y una frecuencia de resonancia más alta, permitiendo mediciones precisas hasta 20 kHz o más — el rango donde técnicas como análisis de envolvente y el método de pulso de choque viven.
4. Especificaciones clave y selección
Al elegir un acelerómetro, los ingenieros ponderan varios parámetros:
- Sensibilidad (mV/g): Una mayor sensibilidad produce una salida más fuerte, mejor para resolver vibraciones de bajo nivel; 100 mV/g es el estándar industrial común.
- Respuesta en frecuencia: La banda en la que el sensor lee con precisión. Debe abarcar las frecuencias de falla esperadas de la máquina, con un margen cómodo por debajo de la frecuencia natural (de resonancia).
- Rango de temperatura: El sensor debe soportar la temperatura de la superficie donde se monta; un sensor de temperatura a menudo se coloca junto a él para un monitoreo combinado.
- Método de montaje: La forma en que se fija el sensor — con perno, adhesivo o imán — afecta fuertemente la precisión en alta frecuencia. Un montaje con perno según ISO 5348 ofrece el mejor acoplamiento y el ancho de banda utilizable más amplio; un imán es conveniente para recorridos de inspección, pero reduce el límite superior de frecuencia. Un montaje puede introducir un resonancia de montaje que se disfraza de falla mecánica.
Puede estimar la penalización de ancho de banda de un método de fijación dado con la Calculadora de resonancia de montaje de acelerómetro antes de comprometerse con un esquema de montaje.
5. Aplicaciones en el monitoreo de condición
Los acelerómetros son la base de casi cada análisis de vibración tarea, incluyendo:
- Programas de mantenimiento predictivo: recopilar datos de rutina en un ruta para hacer seguimiento de la salud de la máquina y predecir fallas.
- Diagnóstico de fallas: identificar desbalance, desalineación, holgura mecánica y desgaste del rodamiento a partir del espectro de vibración.
- Pruebas de aceptación: verificar que maquinaria nueva o reparada cumpla con especificaciones de vibración como ISO 20816 (el sucesor moderno de la ISO 10816).
- Análisis modal: estudiar el frecuencias naturales y modos de vibración de una estructura.
El balanceo en campo es una de las tareas más exigentes, porque requiere tanto la amplitud y el fase de la vibración por revolución. Un instrumento portátil de dos canales como el Balanset-1A toma sus dos acelerómetros, los fija a un tacómetro pulso, y mide la amplitud y fase de 1× directamente en los propios rodamientos de la máquina a velocidad de operación — convirtiendo la señal cruda del acelerómetro en los coeficientes de influencia y pesos de corrección necesarios para balancear el rotor en sitio.
