Comprensión de los acelerómetros de modo de voltaje
A acelerómetro en modo de voltaje es un acelerómetro piezoeléctrico con electrónica integrada de acondicionamiento de señal que convierte la carga eléctrica de alta impedancia del cristal piezoeléctrico en una salida de voltaje de baja impedancia. El término es esencialmente sinónimo del acelerómetro IEPE (Piezoeléctrico con Electrónica Integrada) y con ICP® (Piezoeléctrico de Circuito Integrado, una marca registrada de PCB Piezotronics). La etiqueta “modo de voltaje” simplemente enfatiza que el sensor entrega un voltaje (típicamente milivoltios por g) en lugar de una carga (picocoulombs por g), distinguiéndolo del diseño anterior de modo de carga. Reconocer que el modo de voltaje, IEPE e ICP describen fundamentalmente lo mismo transductor hace que las hojas de datos de los productos y la literatura técnica sean mucho más fáciles de navegar.
Las unidades en modo de voltaje se han convertido en el estándar abrumador en la industria vibración de medición — más del 95 % de las aplicaciones — gracias a su simplicidad (no se requiere amplificador externo), su facilidad de uso (una conexión simple de dos hilos) y su bajo costo. Son los sensores de trabajo pesado detrás de la mayoría de los sistemas modernos de monitoreo de vibración y diagnóstico.
1. Cómo funciona la electrónica integrada
La característica definitoria es un amplificador microelectrónico integrado dentro de la carcasa del sensor, ubicado inmediatamente aguas abajo del elemento piezoeléctrico:
- Conversión de carga a voltaje: un amplificador FET o un pequeño amplificador IC convierte la carga de alta impedancia del cristal en un voltaje de baja impedancia directamente en la fuente, antes de que la señal viaje por un cable.
- Alimentación de corriente constante: el amplificador se energiza mediante una corriente constante suministrada por el instrumento de medición — los mismos dos hilos transportan tanto la alimentación de CC como la señal de CA de salida.
- Sesgo y señal juntos: el aceleración la señal se superpone como un voltaje de CA sobre un voltaje de sesgo de CC en esa única salida.
Debido a que la conversión de impedancia ocurre dentro del sensor, se elimina el cable largo, frágil y portador de carga que plagaba a los diseños anteriores — y con él, la mayor parte del ruido y la sensibilidad al manejo que lo acompañaban.
2. Formato de salida y requisitos de alimentación
Formato de salida
- Sensibilidad: típicamente 10–1000 mV/g.
- Valor común: 100 mV/g es el estándar de la industria.
- Tipo de señal: Voltaje de CA proporcional a la aceleración.
- Impedancia de salida: baja, generalmente inferior a 100 ohmios.
Requisitos de alimentación
- Corriente constante: 2–20 mA típico, con 4 mA como valor predeterminado común.
- Voltaje de suministro: 18–30 VDC.
- Voltaje de sesgo: 8–12 VDC presentes en la salida.
- Esquema de dos hilos: la alimentación y la señal comparten un solo cable coaxial.
3. Ventajas
Simplicidad del sistema
- Sin externo amplificador de carga se requiere.
- El sensor se conecta directamente al instrumento.
- Menor costo total del sistema.
- Menos componentes y, por lo tanto, menos puntos de falla.
Capacidad del cable
- La baja impedancia de salida puede impulsar tramos de cable largos — hasta aproximadamente 300 m.
- Se puede usar cable coaxial estándar e inexpensive.
- Buena inmunidad al ruido eléctrico captado a lo largo del tramo.
- Instalación flexible y tolerante.
Facilidad de uso
- Operación simple de conectar y usar.
- Configuración mínima.
- Una interfaz estandarizada y ampliamente compatible.
- Ampliamente compatible entre instrumentos y recolectores de datos.
4. Comparación con acelerómetros en modo de carga
La compensación entre los diseños en modo de voltaje y en modo de carga se reduce al entorno de operación.
| Aspecto | Modo de voltaje (IEPE/ICP) | Modo de carga |
|---|---|---|
| Complejidad del sistema | Simple: sin amplificador externo | Requiere amplificador de carga externo |
| Costo | Menor | Mayor |
| Cable | Trayectos largos, coaxial estándar, buena inmunidad al ruido | Corto, cable especial de bajo ruido |
| Temperatura máxima | Hasta ~175°C (límite de la electrónica) | Hasta ~650°C |
| Entornos especiales | Limitado | Resistente a la radiación (nuclear); sin electrónica activa que pueda fallar |
En resumen, el modo de voltaje cubre más del 95 % de las aplicaciones industriales, mientras que el modo de carga se reserva para el nicho donde la temperatura de operación supera los 175°C aproximadamente o hay radiación ionizante presente que destruiría la electrónica integrada.
5. Especificaciones comunes
Opciones de sensibilidad
- 10 mV/g: alta vibración y golpes (rango de aproximadamente ±500 g).
- 50 mV/g: uso general (rango de aproximadamente ±100 g).
- 100 mV/g: estándar de la industria (rango de aproximadamente ±50 g).
- 500–1000 mV/g: trabajo de precisión con baja vibración (rango de aproximadamente ±5–10 g).
El valor adecuado depende de las amplitudes que esperen; convertir entre un voltaje de salida y una aceleración física para un dispositivo dado es exactamente para lo que sirve un calculadora de sensibilidad de sensor de vibración y se relaciona directamente con la sensibilidad.
Respuesta en frecuencia
- Límite de baja frecuencia: aproximadamente 0,5–5 Hz en el punto de −3 dB (acoplamiento en CA).
- Límite de alta frecuencia: aumenta hacia la resonancia montada, que se encuentra entre 10 y 70 kHz dependiendo del tamaño del sensor.
- Banda utilizable: hasta aproximadamente una quinta parte (20 %) de la frecuencia de resonancia montada para una precisión de amplitud de pocos porcentajes (según ISO 5348); un tercio de la resonancia es solo un límite de cribado aproximado, con un error de amplitud de aproximadamente 10–12 %.
Clasificación de temperatura
- Estándar: −50 a +120°C.
- Extendida: −50 a +150°C.
- Alta temperatura: −50 a +175°C.
- Por encima de 175°C se requiere un sensor de modo de carga.
6. Variantes, empaquetado y términos equivalentes
Variaciones de diseño
- IEPE de modo de compresión (el más común, económico).
- Modo de cizallamiento IEPE (gama alta, con mejor inmunidad a la deformación de la base y a los transitorios térmicos).
- Salida diferencial (mejor rechazo de modo común).
- Variantes de bajo ruido (nivel de ruido ultra bajo para medición de precisión).
Tipos de empaquetado
- Industrial (sellado herméticamente y robusto).
- Miniatura (para ubicaciones con espacio limitado).
- Triaxial (tres ejes ortogonales en un solo cuerpo).
- Subminiatura (menos de 10 gramos, para estructuras ligeras).
Términos equivalentes que encontrarán
- Modo de voltaje: el descriptor genérico.
- IEPE: Piezoeléctrico con Electrónica Integrada — el término genérico estándar.
- ICP®: Piezoeléctrico de Circuito Integrado — marca registrada de PCB Piezotronics.
- CCLD: Conducción de línea de corriente constante — terminología de Brüel & Kjær.
- Deltatron®: un nombre comercial de Brüel & Kjær.
- Todo lo anterior: fundamentalmente la misma tecnología: un elemento piezoeléctrico más electrónica integrada, alimentado por corriente constante.
7. Mejores prácticas en campo
Para el trabajo diario con maquinaria rotativa, un sensor industrial de 100 mV/g, sellado herméticamente, es la opción predeterminada sensata; elija la clasificación de temperatura adecuada para la ubicación y un cuerpo sellado para ambientes contaminados o húmedos. El montaje es fundamental, ya que la forma en que se fija el sensor determina la frecuencia superior utilizable:
- Montaje con tornillo para las mediciones de mayor frecuencia y más repetibles.
- Adhesivo para instalaciones semipermanentes.
- Base magnética para recorridos de inspección rápidos: es cómodo, pero reduce la resonancia y, por tanto, el ancho de banda utilizable.
- Corrija montaje del sensor por ISO 5348 es fundamental; puede estimar cómo un método de montaje determinado desplaza la resonancia de montaje con un calculadora de resonancia de montaje de acelerómetro.
Mantenga el sensor calibrado: anualmente para máquinas críticas; inspeccione los cables, verifique el montaje y realice una comprobación funcional rápida antes de cualquier medición importante; la calibración es lo que mantiene las lecturas trazables. Tenga en cuenta que no todos los instrumentos portátiles son lectores IEPE: el Balanset-1A, por ejemplo, se suministra con dos acelerómetros en lugar de unidades IEPE/ICP, y la compatibilidad con sensores IEPE/ICP de terceros no es una capacidad publicada de ese instrumento; consulte con el fabricante antes de planificar dicha integración.
Los acelerómetros de modo de tensión (IEPE/ICP) son los sensores de trabajo del monitoreo de vibraciones industriales moderno, combinando el alto rendimiento de la transducción piezoeléctrica con electrónica integrada para lograr simplicidad y confiabilidad. Su dominio refleja el equilibrio óptimo entre rendimiento, costo y facilidad de uso en la gran mayoría de las aplicaciones de monitoreo de condición y diagnóstico de maquinaria rotativa.
