Comprensión de los transductores sísmicos
A transductor sísmico — también llamado sensor sísmico o transductor inercial — es un vibración sensor que utiliza una masa sísmica interna (una «masa de prueba») suspendida en resortes o flexuras elásticas como referencia inercial, lo que le permite medir el movimiento absoluto de la base del sensor. Cuando el soporte vibra, el movimiento relativo entre la masa suspendida y el soporte se convierte en una señal eléctrica que representa la vibración. Dependiendo de dónde se encuentre la frecuencia de medición en relación con la del sistema masa-resorte frecuencia natural, el sensor funciona en uno de dos regímenes: por encima de la resonancia, la masa tiende a permanecer quieta en el espacio y el movimiento relativo sigue el desplazamiento del soporte (el régimen clásico del sismómetro y el captador de velocidad), mientras que por debajo de la resonancia, la pequeña deflexión residual de la masa es proporcional a la aceleración del soporte (el régimen del acelerómetro). La característica definitoria es que la referencia se lleva interior el sensor, por lo que no se requiere un datum externo fijo.
El nombre «sísmico» proviene de la instrumentación sísmica: la masa suspendida de un sismómetro permanece relativamente quieta mientras el suelo se mueve bajo ella. En el monitoreo de maquinaria, tanto los transductores de velocidad y acelerómetros son transductores sísmicos en este sentido, aunque el término se asocia con mayor frecuencia al captador de velocidad clásico.
1. Principio de funcionamiento
Sistema masa-resorte-amortiguador
Todo transductor sísmico es, en esencia, un pequeño oscilador mecánico con cuatro partes funcionales:
- Masa sísmica: una masa de prueba calibrada suspendida dentro del soporte del sensor.
- Resorte: resortes mecánicos o flexuras delgadas que sostienen la masa.
- Amortiguamiento: amortiguamiento por aire, magnético (corrientes de Foucault) o fluido que controla la resonancia.
- Transducción: el elemento que convierte el movimiento relativo entre la masa y el soporte en un voltaje.
Regiones de respuesta en frecuencia
El comportamiento del sensor depende enteramente de dónde caiga la frecuencia de excitación en relación con su propia frecuencia natural, y las dos familias principales de sensores funcionan deliberadamente en lados opuestos de la resonancia:
- Por debajo de la frecuencia natural (régimen de acelerómetro): la masa y el soporte se mueven esencialmente juntos, y la pequeña deflexión residual de la masa es proporcional a la aceleración del soporte aceleración. Los acelerómetros piezoeléctricos y MEMS funcionan aquí, por debajo de su alta resonancia montada.
- En la frecuencia natural: el sistema entra en resonancia: la salida se amplifica pero se distorsiona y es poco confiable, por lo que se evita la medición cerca de la resonancia.
- Por encima de la frecuencia natural (régimen de sismómetro): la masa permanece efectivamente quieta mientras el soporte vibra a su alrededor, y el movimiento relativo sigue el desplazamiento del soporte desplazamiento (o velocidad). Los sismómetros de desplazamiento y los captadores de velocidad de bobina móvil funcionan aquí, por encima de su baja frecuencia natural.
- Rangos utilizables: un captador de velocidad se utiliza convencionalmente por encima de aproximadamente 2× su frecuencia natural, donde su respuesta se ha estabilizado y es plana; un acelerómetro se utiliza muy por debajo de su resonancia montada, típicamente hasta aproximadamente un tercio de ella para una buena precisión.
2. Tipos de transductor sísmico
Transductores de velocidad (bobina móvil)
- Un imán está suspendido en resortes dentro de una bobina fija (o viceversa).
- La velocidad relativa entre el imán y la bobina genera un voltaje por inducción electromagnética.
- Frecuencia natural típica de 8 a 15 Hz.
- Utilizable por encima de aproximadamente 16 a 30 Hz.
- Mide la velocidad directamente, sin necesidad de integrar la señal.
Acelerómetros
- Piezoeléctrico Los tipos piezoeléctricos utilizan un cristal piezoeléctrico para detectar la fuerza inercial de la masa.
- Los tipos MEMS utilizan detección capacitiva o piezoresistiva en un elemento micromecanizado.
- Frecuencia natural (montada) mucho más alta, típicamente 10–30 kHz.
- A diferencia de los captadores de velocidad, utilizados por debajo de resonancia: utilizables desde aproximadamente 1 Hz hasta aproximadamente un tercio de la frecuencia de resonancia montada.
- Mide la aceleración, que puede integrarse para obtener velocidad o desplazamiento.
3. Sensores sísmicos frente a no sísmicos
La familia sísmica se comprende mejor por contraste con los sensores que dependen de una referencia externa.
Sensores sísmicos (referencia inercial)
- Acelerómetros y transductores de velocidad.
- Miden el movimiento absoluto en el espacio inercial.
- Se montan directamente sobre la estructura vibrante.
- Llevan su propia masa interna como referencia.
- La opción más común para el monitoreo de maquinaria.
Sensores no sísmicos (referencia externa)
- Sondas de proximidad (sensores de corrientes de Foucault).
- Miden el movimiento relativo entre dos superficies.
- Requieren un punto de montaje estacionario desde el cual observar.
- Por lo general, miden el movimiento del eje en relación con el rodamiento.
- Estándar para la medición de vibración del eje en máquinas con cojinetes de fricción.
4. Ventajas del diseño sísmico
Referencia autocontenida
- No se necesita un marco de referencia externo.
- El sensor puede montarse casi en cualquier lugar de una estructura vibrante.
- Informa el movimiento absoluto real en el espacio inercial.
Versatilidad
- Un tipo de sensor cubre una gran cantidad de aplicaciones.
- Se adapta tanto a inspecciones temporales como a instalaciones permanentes.
- Fácilmente portátil de una máquina a otra.
Esta versatilidad es la razón por la que los instrumentos portátiles dependen de ellos. El de dos canales Balanset-1A, por ejemplo, toma sus lecturas de acelerómetros fijados a los soportes de los rodamientos: sensores sísmicos autorreferenciados que no necesitan un datum fijo, por lo que un ingeniero puede moverse rápidamente entre puntos de medición y máquinas mientras realiza el balanceo en sitio.
5. Limitaciones
Limitaciones de la respuesta en frecuencia
- Los captadores de velocidad no pueden medir de manera confiable por debajo de aproximadamente 2× su frecuencia natural; los tipos de bobina móvil, en particular, responden mal por debajo de 15–20 Hz. Existe una compensación inherente: una frecuencia natural más baja ofrece un mejor alcance en bajas frecuencias, pero exige un sensor más grande y pesado.
- Los acelerómetros pierden precisión a medida que la frecuencia de medición se acerca a su resonancia montada; el límite superior práctico (típicamente aproximadamente un tercio de la resonancia montada) depende fuertemente del método de montaje (véase ISO 5348).
- En el extremo muy bajo, la respuesta del acelerómetro está limitada por el elemento de detección y la electrónica del amplificador en lugar de por la suspensión sísmica, típicamente hasta aproximadamente 0,5–1 Hz para unidades industriales estándar.
Mide el movimiento del soporte
- El sensor informa el movimiento del soporte del rodamiento, no del eje directamente.
- La vibración del soporte no es lo mismo que la vibración del eje: está filtrada por la rigidez del rodamiento y la estructura circundante.
- Cuando lo que importa es la órbita real del eje, se requieren sondas de proximidad en su lugar.
6. Aplicaciones
Monitoreo de condición de maquinaria
- Mediciones de vibración del soporte del rodamiento.
- Tendencia general de vibración.
- Defectos de rodamientos detección.
- Diagnóstico general de maquinaria rotativa.
Vibración estructural
- Inspecciones de vibración de edificios y cimientos.
- Monitoreo sísmico de terremotos.
- Vibración transmitida por el suelo procedente de maquinaria.
Análisis modal
- Medición de la respuesta de una estructura ante un impacto calibrado.
- Determinación de frecuencias naturales y modos de vibración.
- Construcción de la funciones de respuesta en frecuencia utilizado en análisis modal.
Los transductores sísmicos, que utilizan una masa suspendida interna como referencia inercial, forman la base de la medición de vibraciones en maquinaria rotativa. Comprender el principio sísmico: cómo una masa suspendida permite la medición del movimiento absoluto y por qué los captadores de velocidad funcionan por encima de su frecuencia natural mientras que los acelerómetros funcionan por debajo de su resonancia montada, explica tanto las fortalezas como los límites de estos dos caballos de batalla de todo programa de análisis de vibraciones industriales.
